KR101301969B1 - 플라즈몬 나노안테나를 이용한 광학 트랩 형성 장치 - Google Patents

플라즈몬 나노안테나를 이용한 광학 트랩 형성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 손상되기 쉬운 생물학적 입자 또는 굴절률이 주변 물질에 비해 낮은 입자를 안전하고 효과적으로 포획할 수 있는 광학 트랩 형성 장치를 제공한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치는, 레이저를 유체에 조사하여 상기 유체에 포함된 미세 입자를 포획하는 광학 트랩 형성 장치에 있어서, 상기 유체가 놓여지는 글라스(glass), 상기 글라스를 투과하여 상기 유체에 조사되는 레이저를 발생시키는 미세 입자 포획 레이저 발생부, 상기 글라스 상에 설치되고, 상기 미세 입자 포획 레이저 발생부가 발생시킨 레이저를 통해 나노미터(㎚) 크기의 광학 포텐셜 우물을 형성하여 상기 미세 입자를 포획하는 나노안테나를 포함한다.
이를 통해, 플라즈몬 나노안테나의 구조 변경과 레이저를 이용한 전기장 분포의 조절을 통해 레이저 파장보다 작은 나노미터 크기의 광포획 포텐셜을 형성할 수 있고, 이를 통해 손상되기 쉬운 생물학적 입자 또는 굴절률이 주변 물질(유체)에 비해 낮은 입자를 안전하고 효과적으로 포획할 수 있다.

Description

플라즈몬 나노안테나를 이용한 광학 트랩 형성 장치{Optical trapping device using plasmonic nano-antennas}
본 발명은 광학 트랩 또는 광집게에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광학 플라즈몬 디아볼로 나노안테나(plasmonic diabolo nano-antennas)를 이용하여 광학 트랩을 형성하는 장치에 관한 것이다.
가우시안 강도 프로파일(Gaussian intensity profile)을 갖도록 강력하게 집속된 레이저 빔 내에서 방사선 압력의 산란력(scattering force) 성분과 경도력(gradient force) 성분이 결합되어, 레이저 빔의 초점에 가깝게 위치한 곳에서 안정된 평형점을 제공한다. 산란력은 광 강도에 비례하고, 입사 레이저 광의 방향을 따라 작용하고, 경도력은 광 강도 및 강도 기울기에 비례하고 강도 기울기의 방향을 따라 작용한다.
집속된 광 빔 내의 광 경도력이 광 빔의 초점에서 작은 미세-물체를 속박하게 되고, 이러한 효과를 소위 광집게(optical tweezer) 또는 광 트랩에서 사용한다. 미세 물체는 전형적으로, 미세 물체의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 유체 매질 내에 잠긴다.
전형적으로, 주변의 굴절률보다 높은 굴절률을 가진 미세 물체를 속박하는데 있어서 가우시안 빔이 사용되는 반면에, 주변의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가진 미세 물체를 속박하기 위해서는 도너츠 빔(donut beam)을 사용한다.
일예로서, 미국특허 US 4,893,886호에는 생물 미세 물체를 위한 광 트랩이 개시되었는데, 여기에서 생물 미세 물체는 적외선 레이저를 사용하는 단일-빔 경도력 트랩 내에서 유지된다.
또한, 미국특허 US 6,055,106호에는 미세 물체를 조작하기 위한 장치가 개시되었는데, 이 장치는 광 빔을 수용하여 복수의 개별 광 빔을 형성하기 위한 회절 광학 요소를 포함하고, 이들 개별 광 빔은 각각, 초점이 맞춰져 개별적인 광 트랩 또는 집게를 형성한다.
광학 트위저(optical tweezer)는 주변 매질보다 높은 유전상수를 가지는 입자들을 조작하기 위해 포커싱된 광선의 구배력(gradient force)을 이용하는 광학 툴이다. 에너지를 최소화하기 위해서, 이러한 입자들은 전기장이 최고인 영역으로 이동할 것이다. 모멘텀 측면에서 설명할 때, 포커싱된 광선은 복사 압력을 생성하여, 입자에 의한 광의 흡수, 반사, 회절, 또는 굴절에 의해 작은 힘을 생성한다.
광학 트위저 등의 광학 트랩을 통해 광포획을 하면, 예컨대 손상되기 쉬운 생물학적 입자 또는 굴절률이 주변 물질에 비해 낮은 입자와 같은 마이크로미터 및 나노미터 크기의 물체를 포획, 조작할 수 있다. 그러나, 나노미터 수준의 광포획의 경우 회절한계를 극복해야 하는 문제가 남아 있다.
원자 및 입자의 정밀제어는 나노기술의 주요 문제를 해결하는 데 있어 큰 기여를 해 왔다. 특히, 광집게(optical tweezers)는 마이크로미터 및 나노미터 크기의 입자의 효과적인 제어를 가능하게 해 준다. 광포획 기술을 이용한 유전체 입자의 정밀제어는 세포, 박테리아 및 바이러스의 마이크로제어와 관련된 생물 의학적 응용을 가능하게 할 것으로 기대된다. 또한, 유세포 분석, 단분자 분석, 광자힘 현미경분석 및 광학 크로마토그래피를 위한 다양한 광집게 기술이 개발되었다.
그러나, 자유공간 광학에 기초한 이러한 종래의 광포획 기술은 포획된 입자의 크기가 빛의 파장보다 작은 경우 포획 부피 및 포획된 나노입자들이 브라운 운동이 회절 한계에 의해 제한되는 등의 단점을 가진다.
최근, 자유공간 회절에 따른 제약점을 극복하기 위하여, 플라즈몬 나노안테나, 슬롯 웨이브가이드, 광결정 캐비티와 같은, 근접광학(near-field photonics)에 기초한 나노 광포획 기술들이 개발되었다. 특히, 빛을 증강시켜 나노 크기의 부피 내에 포획하는 플라즈몬 나노안테나는 비교적 낮은 입사전력으로 100 ㎚ 이하 크기의 나노입자의 포획을 가능하게 할 뿐 아니라 브라운 운동을 수십 나노미터 이내 범위로 제한한다.
플라즈몬 나노안테나가 파장보다 작은 입자의 광포획을 가능하게 하지만, 해결해야 할 문제가 몇 가지 있다. 예컨대, 플라즈몬 나노안테나를 생물 의학적 용도로 사용하는 경우, 광 전기장(optical field)의 강도가 최대인 영역에 포획된 입자들은 흡수되는 열에 의해 손상될 수 있으며 굴절률이 낮거나 흡수율이 낮은 입자의 경우 광 전기장에 의해 척력이 작용할 수 있다. 따라서, 손상되기 쉬운 생물학적 입자 또는 굴절률이 주변 물질에 비해 낮은 입자를 안전하고 효과적으로 포획할 수 있는 광포획 기술이 절실히 요구된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
미국특허 US 6,055,106호(2000. 4. 25. 공고)
따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 손상되기 쉬운 생물학적 입자 또는 굴절률이 주변 물질에 비해 낮은 입자를 안전하고 효과적으로 포획할 수 있는 광학 트랩 형성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 플라즈몬 나노 안테나를 이용한 광학 트랩 형성 장치를 제공하고,
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치는 레이저를 유체에 조사하여 상기 유체에 포함된 미세 입자를 포획하는 광학 트랩 형성 장치에 있어서,
상기 유체가 놓여지는 글라스(glass); 상기 글라스를 투과하여 상기 유체에 조사되는 레이저를 발생시키는 미세 입자 포획 레이저 발생부; 상기 글라스 상에 설치되고, 상기 미세 입자 포획 레이저 발생부가 발생시킨 레이저를 통해 나노미터(㎚) 크기의 광학 포텐셜 우물을 형성하여 상기 미세 입자를 포획하는 나노안테나;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노안테나는 금(Au) 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노안테나는 상기 미세 입자 포획 레이저 발생부를 통해 조사된 레이저로 인해 내부에 국소화된 플라즈몬 공진(Plasmon resonance)이 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노안테나는 디아볼로(diabolo) 나노안테나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 입자 포획 레이저 발생부는 950-1000 ㎚ 파장의 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포획된 미세 입자의 위치를 파악하기 위해 상기 미세 입자에 조사하는 레이저를 발생시키는 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부는 500-550 ㎚ 파장의 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 입자 위치 확인 레이저를 조사받은 미세 입자는 형광을 방출하고, 상기 방출된 형광을 필터링하는 필터부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 필터부를 통해 필터링된 광을 촬영하는 촬영부를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 필터부는 600-650 ㎚ 대역통과 필터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촬영부는 전자증배형 전하결합소자(EMCCD) 카메라인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 플라즈몬 나노안테나의 구조 변경과 레이저를 이용한 전기장 분포의 조절을 통해 레이저 파장보다 작은 나노미터 크기의 광포획 포텐셜을 형성할 수 있고, 이를 통해 손상되기 쉬운 생물학적 입자 또는 굴절률이 주변 물질(유체)에 비해 낮은 입자를 안전하고 효과적으로 포획할 수 있다. 또한, 빛의 나노 집속을 가능하게 하여 약한 레이저 빛으로도 손상받기 쉬운 미세 입자인 나노-바이오 물질을 효과적으로 포획할 수 있다.
도 1은 광학 트랩 형성 장치의 일 예인 광집게의 원리를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치의 동작 과정을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치가 설치된 글라스(glass)의 상면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 미세 입자를 포획한 상태를 도시한 예시도이다.
도 6은 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치의 스테이지 이동에 따른 광 포획 과정을 도시한 글라스의 상면도이다.
도 7a는 종래 나노 광집게를 통해 유체보다 높은 굴절률을 가지는 미세 입자를 포획하는 것을 도시한 개략도이다.
도 7b는 종래 나노 광집게를 통해 유체보다 낮은 굴절률을 가지는 미세 입자를 포획하는 것을 도시한 개략도이다.
도 8a는 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 유체보다 높은 굴절률을 가지는 미세 입자를 포획하는 것을 도시한 개략도이다.
도 8b는 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 유체보다 낮은 굴절률을 가지는 미세 입자를 포획하는 것을 도시한 개략도이다.
도 9a는 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 포획한 유체보다 높은 굴절률을 가지는 미세 입자를 도시한 그래프이다.
도 9b는 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 포획한 유체보다 낮은 굴절률을 가지는 미세 입자를 도시한 그래프이다.
도 10a는 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 포획한 유체보다 높은 굴절률을 가지는 미세 입자를 글라스의 수평방향 및 수직방향으로 도시한 그래프이다.
도 10b는 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 포획한 유체보다 낮은 굴절률을 가지는 미세 입자를 글라스의 수평방향 및 수직방향으로 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명한다.
먼저, 광학 트랩 형성 장치의 일예인 광집게(optical tweezers)의 원리에 대해 도 1을 기초로 설명한다. 도 1은 광학 트랩 형성 장치의 일 예인 광집게의 원리를 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 미세 입자인 Colloidal particle은 레이저의 세기가 강한 영역으로 모인다. 레이저의 세기가 강한 영역은 경도력(gradient force)의 세기가 큰 영역이다. 즉, 경도력이 최대인 중심축 방향으로 Colloidal particle이 모이게 된다. 구체적인 원리는 다음의 [수학식 1]을 통해 알 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012037390896-pat00001
즉, 상기 [수학식 1]에서 보는 바와 같이, 경도력은
Figure 112012037390896-pat00002
에 비례하는데, 즉, 레이저 빔의 기울기가 클수록 경도력이 커지게 된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치의 구성을 도 2를 기초로 이하에서 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)는 레이저를 유체에 조사하여 유체(Fluidic channel)(3)에 포함된 미세 입자를 포획한다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 미세 입자는 광학 트랩 형성 장치(1)에 의해 포획되는 미세 입자(5)와 포획되지 않는 미세 입자(7)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)는 유체(3)가 놓여지는 글라스(glass)(30), 글라스(30)를 투과하여 유체(3)에 조사되는 레이저(15)를 발생시키는 미세 입자 포획 레이저 발생부(10), 글라스(30) 상에 설치되고 미세 입자 포획 레이저 발생부(10)가 발생시킨 레이저(15)를 통해 나노미터(nm) 크기의 광학 포텐셜 우물(25)을 형성하여 미세 입자를 포획하는 나노안테나(20)를 포함한다.
또한, 나노안테나(20)는 금(Au) 성분을 포함한다. 자세하게는 금 성분은 나노안테나(20) 표면에 도금 형태로 포함될 수 있다.
또한, 금 나노안테나(20)는 다음과 같은 절차에 따라 제작될 수 있다. 즉, 금 나노안테나(20)는 150 ㎛ 두께의 유리 커버슬립 상에서 가속전압 30 keV로 전자빔 리소그래피를 수행하고, 이어서 전자빔 증발기를 사용하여 0.3 A/s의 증착속도로 0.3 ㎚ 두께의 크롬 접착층과 15 ㎚ 두께의 금층을 증착하고, 아세톤을 사용하여 리프트오프 공정을 수행함으로써 제작될 수 있다.
또한, 나노안테나(20)는 미세 입자 포획 레이저 발생부(10)를 통해 조사된 레이저(15)로 인해 내부에 국소화된 플라즈몬 공진(Plasmon resonance)이 발생한다. 이는 나노안테나(20)에 포함된 금 성분이 나노 형태로 존재하고, 미세 입자 포획 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저(15)에 의해 나노 형태의 금 성분이 플라즈몬 공진을 일으킨다.
플라즈몬(Plasmon)이란 물질내의 전자들이 동시에 진동하는 현상으로 전자들의 파동이라 한다. 예를 들어 호수에 돌을 던지면 잔물결이 발생하는 것과 같은 현상이다.
도체인 금속의 내부에는 수많은 자유 전자들이 존재하는데 자유 전자는 금속 원자에 속박되어 있지 않으므로 외부의 특정 자극에 쉽게 감응할 수 있다.
특히, 금속이 나노 크기가 되면 이러한 자유 전자의 거동에 의해 표면 플라즈몬 공명 특성이 나타나 독특한 광학적 성질을 가진다.
표면 플라즈몬 공명은 도체인 금속 나노 입자 표면과 공기, 물 등의 유전체 사이에 빛이 입사되면 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인하여 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다.
특히, 표면 플라즈몬 공명은 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동이며 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬파는 금속과 이에 인접한 유전물질의 경계면을 따라 진행하는 표면전자기파이다.
또한, 나노안테나(20)는 디아볼로(diabolo) 나노안테나를 포함한다. 디아볼로 나노안테나는 글라스(30)를 통해 유체 내에 포함되는 미세 입자에 조사되는 레이저(15)가 나노안테나(20)에 의해 집속되도록 한다.
또한, 미세 입자 포획 레이저 발생부(10)는 980 나노미터(㎚) 파장의 레이저를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)는 포획되는 미세 입자(7)의 위치를 파악하기 위해 미세 입자(7)에 조사하는 레이저(55)를 발생시키는 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부(50)를 더 포함할 수 있다.
또한, 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부(50)는 532 ㎚ 파장의 레이저를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 미세 입자 위치 확인 레이저(55)를 조사받은 미세 입자(7)는 형광(57)을 방출한다. 이렇게 방출된 형광(57)을 이용하여 미세 입자(7)의 위치를 파악할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)는 미세 입자(7)가 방출한 형광(57)을 필터링하는 필터부(70)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)는 필터부(70)를 통해 필터링된 광(75)을 촬영하는 촬영부(90)를 더 포함할 수 있다.
상기에서 설명한 필터부(70)와 촬영부(90)를 통해 미세 입자(7)의 위치를 확인할 수 있다. 즉, 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부(50)에서 발생한 레이저(55)가 포획되는 미세 입자(7)에 조사되고, 미세 입자(7)는 이에 반응하여 형광(57)을 방출하고, 방출된 형광(57)을 필터부(70)로 필터링한다. 마지막으로 필터링된 광(75)를 촬영부(90)를 통해 촬영하여 미세 입자(7)의 위치를 확인할 수 있다. 또한, 필터부(70)는 630 ㎚ 대역통과 필터를 포함할 수 있다. 또한, 촬영부(90)는 전자증배형 전하결합소자(EMCCD) 카메라를 포함할 수 있다.
상기에서 미세 입자 포획 레이저 발생부(10), 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부(50)와 필터부(70)에 포함될 수 있는 특정 파장의 레이저 대역은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)에 적용될 수 있는 일예로서, 상기의 특정 파장이 적용되어 동작하는 과정을 도 3을 통해 이하에서 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치의 동작 과정을 도시한 개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 미세 입자 포획 레이저 발생부(10)에서 980 ㎚ 레이저 빛(~6.1 mW/㎟)을 쏘아준다. 이로 인해 나노안테나(20) 주위에 빛이 강하게 집속되고, 유체(Fluidic channel)에 포함되는 미세 입자인 300 ㎚의 폴리스티렌 입자가 나노안테나(20) 주위로 포획된다.
또한, 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부(50)에서 쏘아주는 532 ㎚ 레이저 빛(300 nW/㎟)은 폴리스티렌 입자가 빛을 내기 위해 약하게 쏘아주는데, 이를 통해 입자의 위치를 손쉽게 알 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)에 포함되는 나노안테나(20)의 형상과 나노안테나(20)에 포획되는 미세 입자(7)의 모양을 도 4 내지 도 5를 통해 이하에서 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치가 설치된 글라스(glass)의 상면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 미세 입자를 포획한 상태를 도시한 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 나노안테나(20)는 약한 레이저 빛을 받아서 나노안테나(20) 주위로 강하게 빛을 집속할 수 있다. 자세하게는 약 260 배 정도 강해진 빛이 파장보다 작은 영역에서 집속된다.
도 4는 전자빔 리소그라피 공정을 통해 실제로 글라스(30) 위에 제작된 나노안테나(20)를 도시하고 있다. 또한, 나노안테나(20)는 금(Au) 성분으로 도금되어 있다.
또한, 도 5는 빛이 나노안테나(20) 주위로 강하게 집속됨을 보여주는 컴퓨터 시뮬레이션 화면이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1) 또는 유체(3)는 이동 가능한 형태로 놓여질 수 있는데, 이러한 과정을 도 6을 기초로 설명한다.
도 6은 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치의 스테이지 이동에 따른 광 포획 과정을 도시한 글라스의 상면도이다.
즉, 도 6은 광학 트랩 형성 장치(1)가 스테이지 이동을 수행하면서 미세 입자를 포획하는 과정을 도시하고 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 미세 입자를 효율적으로 포획하는 과정이 미세 입자의 굴절률에 따라 어떻게 진행되는지를 도 7a 내지 도 8b를 기초로 이하에서 설명한다.
도 7a는 종래 나노 광집게를 통해 유체보다 높은 굴절률을 가지는 미세 입자를 포획하는 것을 도시한 개략도이고, 도 7b는 종래 나노 광집게를 통해 유체보다 낮은 굴절률을 가지는 미세 입자를 포획하는 것을 도시한 개략도이다.
또한, 도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 유체보다 높은 굴절률을 가지는 미세 입자를 포획하는 것을 도시한 개략도이고, 도 8b는 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 유체보다 낮은 굴절률을 가지는 미세 입자를 포획하는 것을 도시한 개략도이다.
도 7a 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 종래의 나노 광집게를 통해 미세 입자를 포획하는 경우에는 유체(3)보다 높은 굴절률을 갖는 미세 입자는 포획할 수 있으나(도 7a), 유체(3)보다 낮은 굴절률을 갖는 미세 입자는 포획이 불가능하였다(도 7b). 즉, 유체(3)보다 높은 굴절률을 갖는 미세 입자는 상호간에 인력(attractive force)이 작용하여 포획이 가능하나, 유체(3)보다 낮은 굴절률을 갖는 미세 입자는 상호간에 척력(repulsive force)이 작용하여 포획이 불가능하다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)는 금 디아볼로 볼텍스 나노안테나(20)를 구비하고 있어서, 도 8a 내지 도 8b에 도시된 바와 같이, 미세 입자의 굴절률에 관계없이 모든 미세 입자를 포획할 수 있다.
또한, 나노 크기의 광집속이 가능하므로 빛의 세기가 약한 영역에서 손상받기 쉬운 나노-바이오 물질도 손상 없이 손쉽게 포획할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 수행되는 도 8a 내지 도 8b에 도시된 미세 입자의 굴절률에 따른 미세 입자 포획 과정의 일 예를 도 9a 내지 도 9b를 기초로 설명한다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 포획한 유체보다 높은 굴절률을 가지는 미세 입자를 도시한 그래프이고, 도 9b는 본 발명이 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치를 통해 포획한 유체보다 낮은 굴절률을 가지는 미세 입자를 도시한 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 유체(3)인 물에 포함된 미세 입자인 폴리스티렌 입자를 포획하는 것을 도시하고 있다. 물의 굴절률은 1.33이고, 폴리스티렌 입자는 굴절률이 1.57이다. 즉, 유체인 물보다 미세 입자인 폴리스티렌 입자의 굴절률이 높다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 유체보다 굴절률이 큰 미세 입자는 주로 나노안테나(20) 경계 부분인 나노안테나(20) 주변을 돌며 포획됨을 알 수 있다.
또한, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 유체(3)인 오일에 포함된 미세 입자인 실리카 입자를 포획하는 것을 도시하고 있다. 오일의 굴절률은 1.62이고, 실리카 입자는 굴절률이 1.45이다. 즉, 유체인 오일보다 미세 입자인 실리카 입자의 굴절률이 낮다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 유체보다 굴절률이 작은 미세 입자는 주로 나노안테나(20) 중앙 부분에 포획됨을 알 수 있다.
또한, 도 9a 내지 도 9b에 도시된 그래프의 x축과 y축은 각각 나노안테나(20)의 중심을 기점으로 수직으로 가로 방향과 세로 방향을 ㎚ 단위로 나타내고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 수행되는 도 9a 내지 도 9b에 도시된 미세 입자의 굴절률에 따른 미세 입자 포획 과정의 일 예의 광포획 시뮬레이션을 도 10a 내지 도 10b를 기초로 설명한다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 포획한 유체보다 높은 굴절률을 가지는 미세 입자를 글라스의 수평방향 및 수직방향으로 도시한 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 포획한 유체보다 낮은 굴절률을 가지는 미세 입자를 글라스의 수평방향 및 수직방향으로 도시한 그래프이다.
도 10a 내지 도 10b에 도시된 바와 같이, 미세 입자는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 소정 방향으로 힘을 받아 나노안테나(20)에 포획된다. 즉, 도 10a 내지 도 10b의 컴퓨터 시뮬레이션 결과처럼 유체인 물보다 굴절률이 높은 폴리스티렌 입자는 나노안테나(20) 주위(수식 방향, 수평 방향 모두)에 포획되고, 유체인 오일보다 굴절률이 낮은 실리카 입자는 나노안테나(20) 중심(수직 방향, 수평 방향 모두)에 포획된다.
마지막으로 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)를 통해 미세 입자를 포획하는 과정을 실험을 통해 입증하는 프로세스를 위에서 제시한 도면을 일부 인용하여 아래에서 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)는 금으로 제작된 디아볼로 나노안테나(20)를 사용하여 플라즈몬 공진에 의한 저전력 나노 광포획을 실험적으로 입증하였다. 중심부의 극대점으로부터 170 ㎚ 지점에 포획 포텐셜이 형성되었으며, 유체인 물에 분산된 미세 입자인 폴리스티렌 나노입자가 나노안테나(20)의 경계면에서 강하게 포획되었다. 또한, 포텐셜이 최저가 되는 위치에서 중심 방향으로 ~0.69 pN㎚-1W-1의 큰 포획강도(trapping stiffness)가 측정되었다. 저전력 포획이 가능한 나노안테나(20)를 포함하는 광학 트랩 형성 장치(1)는 랩온어칩 장치에서의 유용하며 효과적인 나노 광제어가 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 트랩 형성 장치(1)는 회절한계를 극복할 수 있는 광포획 기술을 달성한다.
또한, 3차원 유한차분 시간영역(3D FDTD) 시뮬레이션을 수행하여 디아볼로 나노안테나(20) 내부의 전기장 분포를 조사하고 최적화된 구조적 변수를 결정한다. 도 2 내지 도 3으로부터, 글라스(30) 상에 형성된 두께 15 ㎚, 수평길이 500 ㎚인 디아볼로 나노안테나(20) 구조의 경우 980 ㎚에서 플라즈몬 공진 피크가 나타남을 알 수 있다.
또한 x-편광된 파장 980 ㎚의 입사광에 의해 여기된 전기장의 분포를 계산한다. 디아볼로 나노안테나(20)의 모든 면이 입사광의 편광방향과 평행한 것은 아니므로 나노안테나(20)의 전체 경계부에 걸쳐 균일하게 강화된 전기장을 형성할 수 있다. 또한, 최대 전기장에서 입사광 강도의 260 배로 광도를 높일 수 있었다. 이러한 전기장 분포는 특정 영역에서만 전기장을 높일 수 있는 종래의 금속 나노안테나(20)와 대비되는 특성이다. 디아볼로 나노안테나(20)의 이러한 독특한 전기장 분포특성으로 인해 강한 광구배력이 형성되며 나노 미세 입자의 나노 광포획이 가능해진다.
또한, 도 4는 금으로 제작된 디아볼로 나노안테나(20)의 주사전자현미경 이미지이다. 나노안테나(20)는 종래의 리프트오프 공정을 통해 유리 커버슬립 위에 15 ㎚ 두께의 금 구조물을 설치하여 제작하였다. 이를 통해 제작된 나노안테나(20)의 실제 강도 향상계수는 약 85로 추정된다.
또한, 나노안테나(20)를 미세 입자인 직경 300 ㎚의 형광성 폴리스티렌 입자가 분산된 탈이온수가 들어 있는 유체 챔버에 넣었다.
또한, 출력 ~5.5 ㎽의 연속파형 980 ㎚ 레이저 다이오드를 포함하는 미세 입자 포획 레이저 발생부(10)를 이용하여 광포획을 위한 플라즈몬 공진을 여기시켰다(도 3 참조).
또한, ×40 현미경 대물렌즈를 사용하여 레이저빔을 반 높이 나비(FWHM) ~1.4 ㎛로 집중시켰다. 이어서, 나노안테나(20) 주변에 광학포텐셜 우물(25)과 포획 힘을 효과적으로 형성하였다.
또한, 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부(50)를 통해 발생한 파장 532 ㎚, 출력 300 nW ㎛-2의 레이저를 글라스(30)에 통과시켜 미세 입자인 형광성 폴리스티렌 입자를 여기시켰다(도 3 참조).
그리고, 입자로부터 방출된 형광을 630 ㎚ 대역통과 필터를 통과시킨 후 전자증배형 전하결합소자(EMCCD) 카메라를 이용하여 측정함으로써 입자의 위치를 정확하게 추적하였다. 이때, 532 ㎚ 레이저의 경우 강도가 너무 약하여 포획이 되지 않았다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 2 ㎛ 간격으로 배열된 나노안테나 어레이를 사용하여 포획실험을 수행하였다. 미세 입자의 광포획을 조사하기 위하여, 나노안테나(20)가 배치된 기판을 x-y 이동 스테이지에 올려놓고 980 ㎚ 레이저의 위치를 고정한 채 y 축 방향으로 이동시켰다.
도 6에 도시된 바와 같이, 레이저의 위치를 레이저 스팟의 FWHM의 2 배에 해당하는 직경을 갖는 적색 원으로 표시하였다. 측정 결과, 형광을 발하는 폴리스티렌 입자가 나노안테나(20) 영역에 국한되어 강하게 포획되었음이 확인되었다.
미세 입자들은 나노안테나 어레이가 이동함에 따라 한 나노안테나(20)에서 다른 나노안테나(20)로 단계적으로 이동하였다.
특히, 나노안테나(20)가 레이저 스팟의 끝부분에 위치하고 나노안테나(20)에 입사된 레이저의 출력이 비교적 낮았음에도 입자가 포획되었다.
또한, 나노안테나(20) 없이 980 ㎚ 레이저만을 입사한 경우에는 광포획이 되지 않았는데, 이는 포획 포텐셜 우물의 깊이가 충분하지 못하여 실온에서의 브라운운동의 운동에너지를 극복할 수 없었기 때문이다(도 6에서 가장 오른쪽 경우). 이로써, 포획된 입자의 운동은 나노안테나(20) 부근에 형성된 강력한 전기장에 의해 결정됨을 알 수 있다.
또한, 도 9a는 나노안테나(20) 상에 포획된 미세 입자인 단일 폴리스티렌 입자의 위치 분포를 그림으로 도시하였다. 카메라 속도를 30 Hz로 하여 EMCCD를 사용하여 80 초 동안 입자의 운동을 포착하였으며, 무게중심 알고리즘을 이용하여 입자의 중심위치를 결정하였다. 이 실험의 입자위치의 공간 해상도는 약 5.5 ㎚로, EMCCD의 픽셀 크기(~150 ㎚) 및 측정에 사용된 대물렌즈의 회절 한계에 의해 정해지는 해상도에 비해 매우 높았다. 대표적인 입자위치 분포에서 보듯이, 미세 입자는 플라즈몬 공진에 의해 강한 전기장이 형성된 디아볼로 나노안테나(20)의 경계부에 강하게 포획되어 있다. 즉, 직경 300 ㎚의 작은 입자를 ~5.5 ㎽의 낮은 전력을 이용하여 성공적으로 광포획할 수 있다.
또한, 3D FDTD 시뮬레이션을 통해 포획 힘을 계산하였다(도 10a 참고). 맥스웰 응력텐서로부터, 미세 입자인 폴리스티렌 입자의 전체표면에 작용하는 힘의 총합을 직접 계산하였다. 폴리스티렌 입자를 직경 300 ㎚, 굴절률 1.57의 유전체 구로 상정하고, 그 중심부는 나노안테나의 상부표면으로부터 수직방향으로 165 ㎚ 떨어진 것으로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 실험조건과 유사하게 파장 980 ㎚, 전력밀도 6.1 mW ㎛-2의 평면파를 입사하여, 입자에 작용하는 광학적 힘의 수평(Fx 및 Fy) 및 수직(Fz)성분을 계산한 후 입자 중심부의 x 및 y 위치에 대한 함수로 도시할 수 있다. 즉, 수평 및 수직 성분 모두 입자를 전기장이 최대인 나노안테나(20)의 경계부 쪽으로 이동시키도록 작용하는 것으로 나타났다.
따라서, 시뮬레이션 결과로부터 입자의 3D 광 포획이 가능한 것을 알 수 있다.
또한, 실험조건과 유사한 조건에서 광학적 힘과 포획강도의 계산을 수행하였다. 광학적 힘의 수평 및 수직 성분의 최대값은 각각 ~1.0 pN와 ~0.58 pN으로, 나노안테나(20)의 수평 양 끝부분 근처에서 얻어졌다. 또한, 광학적 힘이 경사를 갖도록 하여 포획강도를 계산하였다. x축 방향으로 포텐셜 에너지가 가장 낮은 지점에서 포획강도가 ~0.34 pN ㎚-1W-1로 크게 계산되었다.
이상의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
1 : 광학 트랩 형성 장치 3 : 유체
10 : 미세 입자 포획 레이저 발생부
20 : 나노안테나
30 : 글라스(glass)
50 : 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부
70 : 필터부
90 : 촬영부

Claims (11)

  1. 레이저를 유체에 조사하여 상기 유체에 포함된 미세 입자를 포획하는 광학 트랩 형성 장치에 있어서,
    상기 유체가 놓여지는 글라스(glass);
    상기 글라스를 투과하여 상기 유체에 조사되는 레이저를 발생시키는 미세 입자 포획 레이저 발생부;
    상기 글라스 상에 설치되고, 상기 미세 입자 포획 레이저 발생부가 발생시킨 레이저를 통해 나노미터(㎚) 크기의 광학 포텐셜 우물을 형성하여 상기 미세 입자를 포획하는 나노안테나;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노안테나는 금(Au) 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노안테나는 상기 미세 입자 포획 레이저 발생부를 통해 조사된 레이저로 인해 내부에 국소화된 플라즈몬 공진(Plasmon resonance)이 발생하는 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 나노안테나는 디아볼로(diabolo) 나노안테나인 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 미세 입자 포획 레이저 발생부는 950-1000 ㎚ 파장의 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 포획된 미세 입자의 위치를 파악하기 위해 상기 미세 입자에 조사하는 레이저를 발생시키는 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 미세 입자 위치 확인 레이저 발생부는 500-550 ㎚ 파장의 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 미세 입자 위치 확인 레이저를 조사받은 미세 입자는 형광을 방출하고, 상기 방출된 형광을 필터링하는 필터부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 필터부를 통해 필터링된 광을 촬영하는 촬영부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 필터부는 600-650 ㎚ 대역통과 필터인 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 촬영부는 전자증배형 전하결합소자(EMCCD) 카메라인 것을 특징으로 하는 광학 트랩 형성 장치.
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