KR20060111143A - 광포획을 이용한 입자분리장치 - Google Patents

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Abstract

마이크로 채널 내에서 이동하는 유체 내의 마이크로 입자를 광학적으로 포획하여 크기별로 입자를 분리 할 수 있도록 된 구조의 광포획을 이용한 입자분리장치가 개시되어 있다.
이 개시된 장치는 점성을 가지는 유체와 함께 분리 대상 입자들이 소정 속도로, 스토크스 힘을 받으면서 통과하는 마이크로 채널과; 입자들이 스토크스 힘의 반대방향으로 광 기울기력을 받도록, 서로 세기를 달리하는 소정 패턴을 가지는 복수의 레이저 빔을 각각 조사하여 입자들이 크기에 따라 다른 위치에서 속도가 대략 영이 되게 하는 복수의 광 트위저스와; 마이크로 채널과 연결되도록 복수의 광 트위저스 각각에 대응되는 위치에 마련된 것으로, 복수의 광 트위저스 각각에 의하여 크기별로 다른 위치에서 속도가 대략 영으로 된 입자들이 광산란력에 의하여 분리되어 진행하는 복수의 분리 채널;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광포획을 이용한 입자분리장치{Apparatus for separating particles using optical trapping}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광포획을 이용한 입자분리장치를 보인 개략적인 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10...마이크로 채널
15...분리 채널
20...광 트위저스
P, P1, P2, P3, P4... 입자
본 발명은 광포획을 이용한 입자분리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 채널 내에서 이동하는 유체 내의 마이크로 입자를 광학적으로 포획하여 크기별로 입자를 분리 할 수 있도록 된 구조의 광포획을 이용한 입자분리장치에 관한 것이다.
나노과학과 나노기술이 출현한 이래, 나노크기의 입자들을 크기별로 분리하는 기술의 중요성이 크게 대두되었다. 특히, 나노입자를 검출하고 분리하는 기술은 대중의 건강 및 안전등과 같은 분야에서 매우 중요하다.
일반적으로 나노 크기의 입자를 검출하는 광학적인 방법으로는 광원과 산란광을 수집하는 비축(off-axis) 검출기를 이용한 광산란법이 있다. 상기 광원은 광입자 계수기(OPC: Optical Particle Counter)인제 에어러졸 또는 액체 유동의 볼륨을 조사한다. 산란광은 입자크기, 농도, 광밀도와 같은 입자의 특성함수이다.
상기 OPC 중 입자수를 계수하는 종류로는 유동 사이토메터(flow cytometer), 페이즈 도플러 애네마메터(PDA: Phase Doppler Anemometer), 응축 핵 계수기(condensation nuclei counters) 등이 있다. 또한, OPC 중 전체적인 평균(ensemble average)을 측정하는 종류로는 동적 광 스캐터링(dynamic light scattering), 멀티 앵글 포토메터(multiangle photometers) 그리고 다른 버전의 응축 핵 계수기 등이 있다.
한편, 광산란 측정은 입자크기에 크게 의존하므로(광산란력은 입자반경의 6승배이다), 기저잡음보다 산란신호가 약하다. 그러므로, 상기한 광산란법에 의하여 나노크기의 극미세 입자에 대한 입자크기를 측정하는 것이 곤란하다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 광산란 측정에 의한 입자크기 분류시 단점을 감안하여 안출된 것으로서, 입자반경의 3승에 비례하는 광 기울기력을 이용 하여 마이크로 채널 내에서 이동하는 유체 내의 마이크로 입자를 포획하여 크기별로 입자를 분리 할 수 있도록 된 구조의 광포획을 이용한 입자분리장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광포획을 이용한 입자분리장치는 점성을 가지는 유체와 함께 분리 대상 입자들이 소정 속도로, 스토크스 힘을 받으면서 통과하는 마이크로 채널과; 상기 입자들이 스토크스 힘의 반대방향으로 광 기울기력을 받도록, 서로 세기를 달리하는 소정 패턴을 가지는 복수의 레이저 빔을 각각 조사하여 상기 입자들이 크기에 따라 다른 위치에서 속도가 대략 영이 되게 하는 복수의 광 트위저스와; 상기 마이크로 채널과 연결되도록 상기 복수의 광 트위저스 각각에 대응되는 위치에 마련된 것으로, 상기 복수의 광 트위저스 각각에 의하여 크기별로 다른 위치에서 속도가 대략 영으로 된 입자들이 광산란력에 의하여 분리되어 진행하는 복수의 분리 채널;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광포획을 이용한 입자분리장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광포획을 이용한 입자분리장치를 보인 개략적인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 입자분리장치는 후술하는 광포획 원리에 의하여 점성를 가지는 유체 내에 포함되어 마이크로 채널을 따라 이동하는 나노입자, 바이오-셀(bio-cell), 바이오-세포기관(bio-organelle) 등의 마이크로 입자를 입자크기에 따라 분리한다. 이를 위하여 입자분리장치는 마이크로 채널(10)과, 복수의 광 트위저스(optical tweezers)(20) 및, 복수의 분리 채널(15)을 포함한다.
상기 마이크로 채널(10)은 점성을 가지는 유체 내에 포함된 입자(P)가 상기 유체와 함께 소정 속도(υ)로 스토크스(Stokes) 힘을 받으면서 이동하는 통로이다. 이때, 상기 마이크로 채널(10) 내에서 진행하는 입자는 다양한 입자크기를 가지는 것으로, 상기 광 트위저스(20)에 의해 포획되어 크기별로 구별된다.
상기 광 트위저스(20)는 적어도 한 곳 또는 복수의 위치에 마련되어, 서로 세기를 달리하는 소정 패턴을 가지는 복수의 레이저 빔을 각각 조명하여 상기 입자들이 크기에 따라 다른 위치에서 속도가 대략 영(零)이 되도록 한다. 이와 같은 속도 변화는 상기 광 트위저스(20)를 통하여 레이저 빔을 조사함에 의하여, 상기 입자들에 대해 스토크스 힘의 반대방향으로 광 기울기력을 받도록 하는 것으로 수행된다.
상기 분리 채널(15)은 상기 마이크로 채널과 연결되도록 상기 복수의 광 트위저스 각각에 대응되는 위치에 마련된다. 따라서, 상기 분리 채널(15)을 통하여, 상기 복수의 광 트위저스 각각에 의하여 크기별로 다른 위치에서 속도가 대략 영으로 된 입자들(P1, P2, P3, P4)이 광산란력에 의하여 분리되어 진행한다.
이하, 광 트위저스를 이용한 광 포획 원리와, 광 포획에 이용되는 레이저 빔의 패턴 제조방식 및 분리 대상 입자의 크기에 따른 분리 동작을 상세히 설명하기로 한다.
<광 포획 원리>
Ashkin에 의해 광포획 기술이 알려진 이후, 원자나 유전체에 작용하는 복사력에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광 트위저스는 이러한 광포획 기술 중 하나이다. 광포획을 위하여, 입자에 작용한 반력은 광과 입자 사이의 운동량 전달이다.
중성입자에 작용하는 힘을 정확히 계산하기 위해서는 주어진 시스템에 대해 적당한 경계조건을 가진 전자기장에 대한 맥스웰방정식을 풀어야한다. 광포획의 이론적인 접근에서 두 가지 극한의 경우가 있다.
만약 입자의 직경 a가 레이저 빔의 파장 λ 보다 상당히 크다면(a ≫λ), Mie 산란을 만족하는 영역이 된다. 따라서, 전자기파가 국소적으로 평면파인 기하광학으로 설명될 수 있으며, 이러한 극한에서 회절은 무시할 수 있다. 빛은 진행방향으로 에너지에 비례하는 운동량을 가지고 움직이기 때문에, 입자 예컨대, 유전체 구의 경계면에서의 반사와 굴절은 빛의 운동량을 변화시킨다. 만약 빛의 운동량이 △p 만큼 변하면, 운동량 보존법칙에 의해 유전체는 같은 크기이며 방향이 반대인 -△p 만큼 변해야 한다. 유전체 구에 작용하는 합성력은 단위시간당 운동량 변화이다.
입자의 굴절률이 주변 물질의 굴절률 보다 크면 굴절에 의해 발생하는 광력은 광세기 기울기 방향으로 작용한다. 한편, 반대의 경우 입자의 굴절률이 주변 물질의 굴절률보다 크면 광력은 광세기 기울기의 반대방향으로 작용한다.
산란력은 포획된 물체의 흡수와 반사에 의해 발생한다. 입자가 균일한 구 형 상으로 된 경우 광력은 레이-옵틱스(ray-optics) 영역에서 직접 계산할 수 있다. 레이저 빔의 가장자리 부분은 축상의 기울기력으로 작용하고, 중심부분은 주로 산란력으로 작용한다.
매우 작은 입자의 경우(a ≫λ), 레일리 영역에서 입자 직경에 대한 순간적인 전기장은 균일하다고 할 수 있다. 입자는 조화 전기장내에서 단순히 진동하는 유도 쌍극자로 다룰 수 있다. 입자에 작용하는 운동량 전달은 전기장과 쌍극자의 작용으로 계산할 수 있다. 복사력은 기하광학이나 레일리에서 유사하게 기술된다. 이 두 영역에서 입자에 작용하는 힘은 산란력과 기울기력으로 나눌 수 있다. 산란력은 흡수와 쌍극자에 의한 빛의 재방출에 의한 것으로, 입사 빛의 진행방향을 향하며 광 세기에 비례한다. 입자가 유전체 구의 경우, 산란력 Fscatt는 수학식 1 및 2와 같다.
Figure 112005021103602-PAT00001
Figure 112005021103602-PAT00002
여기서 Io는 입사빔의 세기, σ는 구의 산란 단면적, nm은 물질의 굴절률, c 는 진공에서의 빛의 속도, m(=np/nm)은 물질의 굴절률에 대한 입자의 굴절률의 비, λ는 포획 빔의 파장이다.
또한, 비균일한 전기장 하에서 유도 쌍극자에 작용하는 시간 평균된 기울기력 F▽과 구의 편극성(polarizablility) α 각각은 수학식 3 및 4와 같다.
Figure 112005021103602-PAT00003
Figure 112005021103602-PAT00004
수학식 3 및 4를 살펴보면, 기울기력 F▽는 세기의 기울기 ▽Io에 비례하고, m > 1 일때 기울기의 증가방향으로 힘이 작용한다.
<광 포획에 이용되는 레이저 빔의 패턴 제조방식>
도 1은 광 트위저스(20)로서, 서로 크기가 다른 입자들을 제어할 수 있도록, 서로 세기를 달리하는 소정 패턴을 가지는 복수의 레이저 빔을 각각 조명하는 것을 나타낸 것이다. 여기서, 상기 레이저 빔의 패턴을 형성하는 방식에는 여러 가지가 있으며, 본 실시예에 있어서는 이들 중 어느 한 패턴의 빔을 조사한다.
우선, 두 레이저 빔의 간섭에 의한 주기적인 간섭무늬를 만들 수 있다(optics letters vol. 26 p.863 (2001) 참조).
또한, 컴퓨터 제어 홀로그램을 사용하는 홀로그래픽 광 트위저스(Holographic Optical Tweezers; HOTs), 회절광학소자(Diffractive Optical Element; DOE) 또는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulater; SLM) 등으로 가우시안 모드 이외의 다른 모드의 빔이나 어레이 패턴 등을 가지는 다중빔을 형성할 수 있다. 그리고, 무회절 베셀 빔(diffractiveless Bessel beam)을 이용하여 형성된 축방향으로 길이가 긴 광트랩 빔을 조사하는 것도 가능하다(nature vol. 424 p.810 (2003) 참조).
<분리 대상 입자의 크기에 따른 분리 동작>
기울기력이 입자 반경의 3승에 비례하므로 입자가 클수록 더 큰 힘을 받는다는 것을 이용하면 점성이 있는 용액 내에 있는 입자 예컨대 콜로이드 입자를 크기에 따라 분리해 낼 수 있다. 콜로이드 입자가 점성이 있는 물질 내를 움직일 때 콜로이드 입자는 속도에 비례하는 스토크스(Stokes) 힘을 받는다. 콜로이드 입자에 작용하는 스토크스 힘은 수학식 5와 같다.
Figure 112005021103602-PAT00005
여기서 η는 점성계수, α는 입자의 반경, υ는 유체의 속도이다.
유체의 속도와 같은 속도로 움직이던 콜로이드 입자는 초점의 중심을 지나면서 광 기울기력은 스토스크 힘의 반대방향으로 작용하게 되어 입자의 속도는 줄어들게 된다. 광 기울기력 때문에 모든 콜로이드 입자들의 속도는 비균일하게 된다. 작은 크기의 입자는 거의 요동없이 지나가지만 큰 입자는 기울기력에 의해 빔의 중심으로 당겨지다가 천천히 풀리게 된다. 예를 들어 같은 성분으로 된 두 가지의 크 기를 가진 입자들을 분리할 경우 큰 직경의 입자 P1가 기울기력에 의해 중심에 포획될 정도로 레이저를 세게 입사하면, 즉 F▽(P1) ∼ - Fvis(P1)이면 작은 직경의 입자들(P2, P3, P4) 만이 분리되어 통과할 것이다. 그러므로, 다른 입자 P2, P3, P4들 각각의 경우, 입자 P1의 경우와 같이 기울기력과 스토크스 힘의 균형에 의하여 입자를 포획하는 방식으로 입자들을 크기별로 분리할 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 광포획을 이용한 입자분리장치는 입자반경의 3승에 비례하는 광 기울기력을 이용하여 마이크로 채널 내에서 이동하는 유체 내의 마이크로 입자를 포획하여 크기별로 입자를 분리 할 수 있다. 그러므로, 종래의 광산란법에 의하여 측정이 곤란한, 나노 크기의 극미세 입자에 대해서도, 입자를 분리할 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (3)

  1. 점성을 가지는 유체와 함께 분리 대상 입자들이 소정 속도로, 스토크스 힘을 받으면서 통과하는 마이크로 채널과;
    상기 입자들이 스토크스 힘의 반대방향으로 광 기울기력을 받도록, 서로 세기를 달리하는 소정 패턴을 가지는 복수의 레이저 빔을 각각 조명하여 상기 입자들이 크기에 따라 다른 위치에서 속도가 대략 영이 되게 하는 복수의 광 트위저스와;
    상기 마이크로 채널과 연결되도록 상기 복수의 광 트위저스 각각에 대응되는 위치에 마련된 것으로, 상기 복수의 광 트위저스 각각에 의하여 크기별로 다른 위치에서 속도가 대략 영으로 된 입자들이 광산란력에 의하여 분리되어 진행하는 복수의 분리 채널;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광포획을 이용한 입자분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 광 트위저스 각각은,
    두 레이저 빔의 간섭에 의한 주기적인 간섭무늬와,
    홀로그래픽 광 트위저스, 회절광학소자 또는 공간 광 변조기에 의해 형성된 다중 빔 및,
    무회절 베셀(Bessel) 빔을 이용하여 형성된 축방향으로 길이가 긴 광트랩 빔 중 어느 한 패턴의 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 광포획을 이용한 입자분리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    소정 입자의 광포획 위치에서, 상기 입자가 받는 스토크스 힘 Fvis와 광 기울기력 F▽는 대략적으로 크기가 같고 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 광포획을 이용한 입자분리장치.
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