광집게를 이용한 미세 입자의 조작 및 분석

Abstract

광집게 시스템은 강하게 집속된 레이저 광의 gradient force를 사용하여 미세 입자를 포획 및 조작하는 기술이다. 물리적인 접촉 없이 미세 입자를 포획 및 조작한다는 장점으로 인해서 활발히 연구되고 있을 뿐만 아니라, 여러 분야에서 응용되고 있다. 본 논문에서는 광집게 시스템을 구성하고 광집게 시스템의 광포획 효율을 ray optics model과 beam optics model을 이용하여 분석하였다. Raman spectroscopy와 결합된 LTRS(Laser Tweezers Raman Spectroscopy) 시스템으로 Raman spectrum을 측정하였고 상용 Raman specetrocopy와 비교하였다. 비대칭 입자인 CNT를 포획하고 조작 및 응용에 대해서 다루었다. Biological cell을 포획하고 생물학적인 특성을 관측하였으며, Raman spectroscopy와 결합하여 Raman spectrum을 측정하였다. 각 장의 상세한 내용은 다음과 같다.

2장에서는 광집게 시스템의 광포획 효율을 조사하였다. 먼저 ray optics model을 이용하여 입사하는 광 반경(beam radius)에 따른 광포획 효율의 변화를 분석하였다. 사용된 입자는 반경 5㎛인 폴리스티렌을 사용하였고, w0/R(ratio of the beam radius to the aperture radius)의 함수에 따른 광포획 효율을 측정하였다. 광포획 효율은 w0/R에 따라서 증가하였고 w0/R>1.5 이상의 영역에서는 일정한 값을 가지는 경향을 나타낸다. 이 결과를 광 반경을 고려한 ray optics model로 설명하였다. 다음으로, 중간영역(1㎛~10㎛, intermediate regime)에서의 광포획 효율을 설명하기 위해, beam optics model을 제안하고 실험적으로 검증하였다. 광포획 힘은 ray optics model (R>>λ) 또는 electromagnetic model (R<<λ)로 설명이 가능하다. 그러나 중간영역(1㎛~10㎛)에서의 광포획 현상에 대한 실험 결과를 명확하게 설명하는 이론은 아직 제안되지 않았다. 따라서, 본 논문에서는 가우스 광(Gaussian beam)의 전파를 고려하는 beam optics model을 제안하여, 실험치와의 비교를 통해 중간영역에서의 광포획 효율을 설명할 수 있도록 확장될 수 있음을 보였다.

3장에서는 광포획된 입자의 라만 분광 신호에 대해서 다루었다. 광집게 시스템과 라만 분광기를 결합한 LTRS(Laser Tweezers Raman Spectroscopy) 시스템을 설계 및 구성하였고, 입자를 광포획해서 Raman spectrum을 측정하였다. 측정된 Raman spectrum을 상용 Raman spectroscopy에서 얻어진 spectrum 결과와 비교하였다. 또한 포획 깊이와 입자의 크기에 따른 Raman spectrum을 측정하였고, 광포획 효율이 증가할수록 Raman spectrum의 peak의 크기가 증가함을 확인하였다. 이를 통해서 LTRS 시스템에서 Raman spectrum을 측정함에 있어서, 포획 깊이와 입자의 크기를 고려해줘야 함을 확인하였다.

4장에서는 CNT(Carbon Nanotube)의 포획 및 조작에 대해서 논하였다. 포획 깊이와, 포획 위치, 레이저의 편광 상태를 조절하면서 CNT의 포획 현상을 관측하였다. 입자의 기하학적 구조와 집속점의 위치에 따라서 horizontal trapping, vertical trapping, collective trapping, ring pattern 등의 광포획 현상을 관측하였으며, 편광 상태에 따라서 회전하거나 정렬하는 현상을 관측하였다. 또한, 화학적으로 처리된 CNT가 글래스에서 고착화 되는 현상도 관측하였다.

5장에서는 yeast의 포획 및 조작에 대해서 다루었다. Yeast의 생물학적 특성을 알기 위해서, 간섭계 광집게(interferometric optical tweezers) 시스템을 설계하고 yeast를 포획 및 조작하였다. Yeast의 발아(budding) 방향은 cell의 바깥 방향으로 향하는 것을 관측하였으며, 딸세포들은 주위에 있는 다른 yeast들에 의해서 성장(growth)이 저해되는 현상을 관측하였다. 또한, 광포획된 yeast의 spectrum을 얻기 위해서 LTRS 시스템과 결합하여 Raman spectrum을 측정하였다. 측정된 Raman spectrum은 상용 Raman spectroscopy에서 얻은 결과와 유사한 결과를 나타냄을 확인하였다.; In chapter 2, Microparticles were optically trapped and manipulated by using optical tweezers. The optical trapping efficiency on a 5㎛ sized microsphere was measured as a function of the ratio of the beam radius to the aperture radius(w0/R). The optical trapping efficiency increased with the ratio of the beam radius to the aperture radius and became constant over the region w0/R>1.5. We analyzed this behavior of the optical trapping efficiency by using the ray optics model. From the experimental results, we confirmed that the ratio could be a factor causing wide variability of the reported experimental data concerning force or efficiency measurements. The optical force of optical tweezers can be explained by ray optics model(R>>λ) or electromagnetic theory(R<<λ). But, in the intermediate regime, there is no suitable model to explain the experimental results, even though trapping and manipulation of micro-particles with the size in intermediate regime is very interesting. In this study, we suggested calculated results by beam optics model which is valid in intermediate regime.

In chapter 3, Raman spectroscpy is powerful tool to analyze the property and structure of particles. We constructed the LTRS(Laser Tweezers Raman Spectroscopy) system and compared with the date acquired from the commercial Raman spectroscopy. Raman spectrum acquired the back scattered light from the LTRS system. Although the LTRS system exists the disadvantages, it is a useful tools that analyze and study the chemical concentration from the local and selective of individual particles and is the very economical system.

In chpter 4, multi-dimensional manipulations of CNTs bundles including single- and multi-walled carbon nanotubes (SWNTs and MWNTs) with optical trap are performed. By controlling trapping depth, trapping position and polarization of the laser beam, SWNTs and MWNTs bundles with big sizes can be trapped horizontally or vertically, and the vertically trapped MWNTs can be rotated by optical trap while small CNTs can only be trapped collectively. The CNTs bundles with medium length can be trapped orientated with the polatrization direction of the trapping laser beam. Rotation of MWNT bundles was confirmed using a circular polarized infrared optical tweezers system. Patterning of dots and letters with CNTs was successfully carried out on glass substrates. Also, we showed that the ring pattern would occurred by the thermophoresis and convection. Theoretical calculation based on the interaction between CNTs and laser field shows that the high order nonlinear effect of CNTs in pulsed laser filed can enhance the trapping force.

In chpter 5, yeast cells were trapped and manipulated by using optical tweezers. To confirm the movement of daughter cell, we constructed the interferometric optical tweezers to trap and manipulate yeast cells. The daughter cell was moved almost outward direction and the daughter cell was influenced on the other yeast cell. Also, we observed Raman spectra of optically trapped yeast cell. We confirmed that the Raman spectrum of yeast in the optical trap agree relatively well with the reported results concerning commercial Raman spectroscopy. We expect that this system is a tool to investigate physical state of a single biological cell.