광 핀셋

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1. 개요

광 핀셋은 레이저 빔을 이용하여 나노미터에서 마이크로미터 크기의 입자를 조작하는 기술이다. 아서 애슈킨은 1970년대에 광 핀셋의 원리를 보고했으며, 1980년대 후반 생명 과학 분야에 적용되어 개별 바이러스와 박테리아 포획에 성공했다. 1997년 스티븐 추는 레이저 냉각을 이용한 연구로 노벨 물리학상을 수상했다. 2000년대 이후에는 세포 분류, 합성 생물학, 유전 연구, 양자 과학 등 다양한 분야로 응용이 확대되었다. 광 핀셋은 생물 물리학, 생명 과학, 의학, 재료 과학, 양자 과학 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 여러 개의 레이저를 사용하거나 광섬유를 활용하는 등 기술 개발이 이루어지고 있다.

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광 핀셋
광 핀셋
광 핀셋의 원리
분야	물리학 생물학 화학
발명자	아서 애슈킨
발명 연도	1986년
작동 원리
원리	빛의 운동량 전달을 이용한 미세 입자 조작
사용 장비	레이저 고배율 현미경 대물렌즈
조작 가능 크기	수 nm ~ 수십 μm
응용 분야
생물학	단일 분자 연구 세포 조작 DNA 조작 세포 소기관 연구
물리학	콜로이드 입자 연구 나노 입자 조작
화학	화학 반응 제어
기타	MEMS (미세전자기계시스템) 나노 기술 표면 플라즈몬 공명
관련 용어
관련 기술	홀로그래피 빔 조향
관련 현상	광압
관련 인물	스티븐 블록, 카를로스 부스타만테

2. 역사와 발전

광 핀셋 기술은 1970년 아서 애슈킨의 초기 연구에서 시작되어^[1], 스티븐 추 등의 연구자들에 의해 발전되었으며^[3], 생명과학, 물리학 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

1980년대 후반에는 생명과학 분야에 처음 적용되었고^[6], 1990년대에는 힘 분광법 연구에 활용되면서 분자 모터 연구에 기여했다.

2000년대 이후에는 세포 분류, 합성 생물학, 유전 연구, 양자 과학 등 다양한 분야로 응용이 확대되었다.^[11]^[12]^[7]^[8]^[9]^[10] 특히, 양자 과학 분야에서는 레이저 냉각된 원자 포획에 활용되어 양자 시뮬레이터 및 양자 컴퓨팅 연구에 기여하고 있다.^[16]^[25]^[28]

최근에는 광 핀셋 기술의 소형화 및 저비용화 연구도 진행되고 있다.^[3]^[29]

2. 1. 초기 개발

1970년 벨 연구소의 과학자 아서 애슈킨은 미크론 크기 입자에 대한 광 산란 및 기울기 힘을 감지한 것을 처음 보고했다.^[1] 몇 년 후, 애슈킨과 동료들은 강하게 초점을 맞춘 빛의 빔을 이용하여 3차원에서 미세 입자를 안정적으로 유지하는 최초의 광 핀셋 관찰 결과를 보고했다.^[2] 애슈킨은 이 업적으로 2018년 노벨 물리학상을 수상했다.

1986년에 발표된 이 획기적인 논문의 저자 중 한 명인 스티븐 추는 이후 레이저 냉각을 이용해 중성 원자를 냉각하고 포획하는 연구에 광 핀셋을 사용했다.^[3] 이 연구로 추는 1997년 노벨 물리학상을 클로드 코엔-타누지, 윌리엄 D. 필립스와 함께 수상했다.^[4] 스티븐 추는 인터뷰에서 애슈킨이 처음에는 원자 포획을 광 핀셋으로 구상했다고 설명했다.^[5] 애슈킨은 더 큰 입자(직경 10~10,000나노미터)를 포획할 수 있었지만, 추는 공명 레이저 빛과 자기 기울기 트랩(자기 광학 트랩 참조)을 사용하여 중성 원자(직경 0.1나노미터) 포획으로 확장했다.

2. 2. 1980년대 ~ 1990년대: 생명과학 응용

1986년 스티븐 추는 레이저 냉각을 이용해 중성 원자를 냉각하고 포획하는 연구에 광 핀셋을 사용했다.^[3] 이 연구로 추는 클로드 코엔타누지, 윌리엄 D. 필립스와 함께 1997년 노벨 물리학상을 수상했다.^[4] 스티븐 추는 인터뷰에서 아서 애슈킨이 원자 포획을 위한 광 핀셋을 처음 구상했다고 설명했다.^[5] 애슈킨은 더 큰 입자(직경 10~10,000나노미터)를 포획할 수 있었지만, 추는 공명 레이저 빛과 자기 기울기 트랩(자기 광학 트랩)을 사용하여 중성 원자(직경 0.1나노미터) 포획으로 확장했다.

1980년대 후반, 아서 애슈킨과 조셉 M. 지에지식은 광 핀셋 기술을 생명 과학에 처음 적용하여 담배 모자이크 바이러스와 ''대장균'' 박테리아를 포획했다.^[6] 1990년대 이후, 카를로스 부스타만테, 제임스 스푸디치, 스티븐 블록 등은 분자 규모의 생물학적 모터를 특징짓기 위해 광 핀셋 힘 분광법을 사용했다. 광 핀셋을 통해 이들 생물물리학자는 단일 분자 수준에서 나노 규모 모터의 힘과 역학을 관찰했으며, 이후 광 핀셋 힘 분광법은 이러한 힘 생성 분자의 확률적 특성에 대한 이해를 높였다.

2. 3. 2000년대 이후: 기술 확장 및 다양화

2000년대 이후 광 핀셋 기술은 다양한 분야로 응용이 확대되었다. 생물학 분야에서는 세포 분류^[11]^[12], 합성 생물학에서 인공 세포 네트워크 구성 및 생화학 반응 유도^[7]^[8], 유전 연구 및 염색체 구조와 역학 연구^[9]^[10] 등에 활용되고 있다. 또한, 세포 골격 탐구, 점탄성 특성 측정, 생체 고분자 연구^[13], 세포 운동성 연구에도 이용된다. 2011년에는 리간드 코팅된 나노 입자 클러스터를 이용한 생체 분자 분석법이 제안되었고^[14], 2013년에 실험적으로 증명되었다.^[15]

광 핀셋은 양자 과학 분야에서도 활용되어 레이저 냉각된 원자를 진공 상태에서 포획하는 데 사용된다. 2001년 단일 원자 포획^[16], 2002년 2D 원자 배열 포획^[17], 2010년 강하게 상호 작용하는 얽힌 쌍 포획^[18]^[19]^[20], 2016년 정밀하게 조립된 2차원 원자 배열 포획^[21]^[22], 2018년 3차원 배열 포획^[23]^[24] 등의 성과가 있었다. 이러한 기술은 양자 시뮬레이터에서 2021년에 196개 및 256개 원자의 프로그래밍 가능한 배열을 얻는 데 사용되었으며^[25]^[26]^[27], 양자 컴퓨팅을 위한 유망한 플랫폼으로 주목받고 있다.^[17]^[28]

연구자들은 광 핀셋의 소형화 및 저비용화를 위해 노력하고 있으며^[3]^[29], 2004년에는 에 의해 DLBT(Diode Laser Bar Trapping)가 개발되기도 했다.^[89]

3. 광 핀셋의 원리

광 핀셋은 빛의 파장에 비해 매우 작은 입자를 다룰 때, 레일리 산란 조건을 만족시켜 입자를 불균일한 전자기장 속의 점 쌍극자로 간주한다.^[33] 이때 입자에 작용하는 힘은 로렌츠 힘으로 나타낼 수 있으며, 쌍극자 모멘트와 전자기장의 기울기를 통해 계산된다.

쌍극자에 작용하는 힘은 다음과 같이 전개된다.^[33]

:: $\mathbf{F} = \left(\mathbf{p}\cdot\nabla\right)\mathbf{E}+\frac{d\mathbf{p}}{dt}\times\mathbf{B} = \alpha\left[\left(\mathbf{E}\cdot\nabla\right)\mathbf{E}+\frac{d\mathbf{E}}{dt}\times\mathbf{B}\right]$

여기서 p는 쌍극자 편극, α는 유전율, E는 전기장, B는 자기장을 나타낸다.

이 식은 벡터 미적분학 항등식과 패러데이 유도 법칙을 이용하여 다음과 같이 정리할 수 있다.^[33]

:: $\mathbf{F} = \alpha\left[\frac{1}{2}\nabla E^2+\frac{d}{dt}\left(\mathbf{E}\times\mathbf{B}\right)\right]$

위 식에서 두 번째 항은 포인팅 벡터와 관련된 값의 시간 미분인데, 레이저의 주파수가 매우 높으므로 평균적으로 0이 된다. 따라서 최종적으로 힘은 다음과 같이 간단하게 표현된다.^[34]

:: $\mathbf{F}=\frac{1}{2}\alpha\nabla E^2 = \frac{2 \pi n_1 a^3}{c}\left(\frac{m^2 - 1}{m^2 + 2}\right) \nabla I(\mathbf{r})$

여기서 ''a''는 입자의 반지름, ''n''₁은 입자의 굴절률, ''m''은 입자와 매질 간의 상대 굴절률, ''I(r)''은 빔의 세기를 나타낸다. 이 식에서 볼 수 있듯이, 유전체 입자에 작용하는 힘은 빔 세기의 기울기에 비례한다. 즉, 입자는 빔의 세기가 가장 강한 곳으로 끌려 들어간다.^[34]

그러나 빛의 산란력 또한 존재하며, 이는 트랩의 축 방향에서 기울기 힘에 반대로 작용한다. 이 때문에 평형 위치는 세기가 최대인 지점보다 약간 아래쪽에 형성된다. 레일리 근사에서 산란력은 다음과 같이 표현된다.^[35]

::

\mathbf{F}_{\text{scat}}(\mathbf{r}) = \frac{k^4 \alpha^2}{6 \pi c n_0^3\epsilon_0^2} I(\mathbf{r}) \hat{z} = \frac{8 \pi n_0 k^4 a^6}{3 c} \left(\frac{m^2 - 1}{m^2 + 2}\right)^2 I(\mathbf{r}) \hat{z}

산란은 등방성이므로 순 운동량은 정방향으로 전달된다. 운동량 보존 법칙에 따라, 입자는 광자의 원래 운동량을 축적하여 정방향으로 힘을 받게 된다.^[35]

원자 내에서 가우시안 빔의 상호작용은 조화 포텐셜 근사를 통해 이해할 수 있다. 2준위 원자의 경우, 경험하는 포텐셜은 AC 스타크 이동과 관련이 있다.

::

\mathbf{\Delta E}_{\text{AC Stark}} = \frac{3 \pi c^2 \Gamma}{2 \omega_0^3 \delta} \mathbf{I(r,z)}

여기서 Γ는 들뜬 상태의 자연 선폭, μ는 전기 쌍극자 결합, ω_o는 전이 주파수, δ는 레이저 주파수와 전이 주파수 사이의 디튜닝(detuning)을 의미한다.

가우시안 빔 프로파일의 강도는 다음과 같이 정의된다.

:

I(r,z)=I_0 \left (\frac{w_0}{w(z)}\right ) ^2 e^{-\frac{2 r^2}{w^2(z)}}

:

w(z)=w_0 \sqrt{1+\left(\frac{z}{z_R}\right)^2}

:

z_R = \frac{\pi w_0^2}{\lambda}

:

P_0 = \frac{1}{2} \pi I_0 w_0^2

여기서 λ는 파장, w_o는 최소 허리, P_o는 빔의 출력이다.

가우시안 포텐셜을 근사하여 조화 주파수(트랩 주파수)를 계산하면 다음과 같다.

:

\omega_r = \sqrt{\frac{4 \alpha P_0}{\pi \epsilon_{0} cm w_0^4}}

:

\omega_z = \sqrt{\frac{2 \alpha P_0\lambda^2}{m \pi^3 \epsilon_0 c w_0^6}}

따라서 빔 허리만의 함수로 반경 방향과 축 방향에 대한 상대 트랩 주파수는 다음과 같은 비율을 갖는다.

:

\frac{\omega_r}{\omega_z}=\sqrt{2}\frac{w_0 \pi}{\lambda}

3. 1. 일반적인 원리

광 핀셋은 고도로 집속된 레이저 빔을 이용하여 유전체 입자를 조작한다. 빔은 대물렌즈를 통해 초점이 맞춰지며, 빔 허리 근처에서 진동하는 전기장의 진폭이 공간적으로 빠르게 변한다. 유전체 입자는 전기장이 가장 강한 빔의 중심으로 기울기에 따라 끌려간다.

레이저 빛은 운동량 보존에 따라 빔 전파 방향으로도 힘을 가한다. 유전체 입자에 흡수되거나 산란된 광자는 입자에 운동량을 부여하며, 이를 산란력이라고 한다. 산란력은 입자가 빔 허리의 정확한 위치에서 약간 하류로 이동하게 한다.^[30]

광학 트랩은 매우 민감한 장치로, 마이크론 미만의 유전체 입자에 대해 서브 나노미터 변위를 조작하고 감지할 수 있다.^[30] 이러한 이유로 DNA와 상호 작용하는 단백질,^[31] 효소 등을 연구하는 데 사용된다.

광학 트랩은 입자가 트랩 중심에서 멀리 이동하지 않는 방식으로 작동하며, 이때 입자에 가해지는 힘은 변위에 대해 선형적이다. 따라서 광학 트랩은 훅의 법칙을 따르는 스프링과 유사하다.

3. 2. 광선 광학적 설명 (입자 크기 >> 파장)

트랩된 입자의 직경이 빛의 파장보다 상당히 클 경우, 광선 광학을 사용하여 트랩 현상을 설명할 수 있다.

광 핀셋은 강하게 집속된 레이저 광을 사용함으로써 나노미터에서 마이크로미터 크기의 유전체 미립자를 이동시킬 수 있다. 대부분 레이저 광은 현미경용 대물렌즈를 사용하여 집속된다(광 핀셋 장치의 기반으로 낙사형 형광 현미경이 사용되는 경우가 많다).

집속된 빛의 초점 부근에서는 강력한 전장 기울기가 발생한다. 이때 유전체 미립자는 전장이 가장 강한 부분으로 끌려간다. 이에 더해, 레이저 광의 전파 방향으로도 힘이 작용한다.

포획된 미립자의 거동에 대한 설명은 포획된 입자의 입경에 크게 좌우된다. 입경이 사용하는 레이저 광의 파장보다 큰 경우, 간단한 광선 광학(기하 광학)적인 처리가 충분하다.

미세 입자의 직경이 파장보다 충분히 큰 경우에는 트래핑 현상을 광선 광학으로 설명할 수 있다. 그림에서 보듯이, 레이저에서 방출된 개별 광선은 유전체 비드 안으로 들어가고 나올 때 굴절된다. 결과적으로, 광선은 원래 방향과 다른 방향으로 나간다. 빛은 운동량을 가지고 있으므로, 이 방향의 변화는 운동량이 바뀌었음을 나타낸다. 뉴턴의 제3법칙(작용-반작용의 법칙)에 의해 입자에도 동일하고 반대 방향의 운동량 변화가 있어야 한다.

대부분의 광학 트랩은 가우시안 빔 (TEM₀₀ 모드) 프로파일 강도로 작동한다. 이때, 그림 (a)와 같이 미세 입자가 광축 중심에서 벗어난 위치에 있다면, 모든 힘을 합한 힘은 미세 입자를 광축 중심으로 끌어당기는 방향으로 작용한다. 왜냐하면, 가우시안 빔의 중심에 있는 강한 광선(그림 (a)의 광선 2)은 중심축에서 벗어나는 방향으로 굴절하여, 미세 입자에 중심 방향의 운동량 변화를 주기 때문이다. 이 운동량 변화는 가우시안 빔의 주변부의 광선(그림 (a)의 광선 1)에 의해 주어지는 바깥 방향의 운동량 변화보다 크다. 입자가 빔의 중심에서 벗어나면, 더 강한 빔이 덜 강한 빔보다 트랩 중심을 향해 더 큰 운동량 변화를 전달하기 때문에, 입자는 트랩 중심으로 되돌아가는 순 힘을 받는다. 덜 강한 빔은 트랩 중심에서 멀어지는 방향으로 더 작은 운동량 변화를 전달한다. 순 운동량 변화 또는 힘은 입자를 트랩 중심으로 되돌린다.

입자가 빔의 중심에 위치하면 개별 광선은 입자를 통해 대칭적으로 굴절되어 순 측면 힘이 발생하지 않는다. 그림 (b)와 같이 미세 입자가 광축상에 있다면, 개별 광선은 광축에 대해 원대칭으로 굴절하므로, 광축에 수직인 방향으로는 힘이 작용하지 않는다. 이 경우 순 힘은 트랩의 축 방향을 따라 작용하며, 이는 레이저 빛의 산란력을 상쇄한다. 이 축 방향의 기울기 힘과 산란력의 상쇄가 비드가 빔 허리에서 약간 하류에 안정적으로 트랩되는 원인이다. 산란력과의 균형에 의해, 미세 입자의 안정적인 포착 위치는 빔의 초점보다 약간 하류에 위치하게 된다.

표준 핀셋은 중력 방향으로 전파되는 트랩 레이저와 함께 작동하고, 역 핀셋은 중력에 반하여 작동한다.^[32]

3. 3. 전기 쌍극자 근사 (입자 크기 << 파장)

레일리 산란 조건을 만족하는 경우, 즉 입자의 지름이 빛의 파장보다 훨씬 작은 경우, 입자는 불균일한 전자기장 내의 점 쌍극자로 취급될 수 있다.^[33] 이때, 입자에 작용하는 힘은 로렌츠 힘으로 주어지며, 쌍극자 모멘트와 전자기장의 기울기를 통해 계산된다.

쌍극자에 작용하는 힘은 다음과 같이 전개할 수 있다.^[33]

:

\mathbf{F} = \left(\mathbf{p}\cdot\nabla\right)\mathbf{E}+\frac{d\mathbf{p}}{dt}\times\mathbf{B} = \alpha\left[\left(\mathbf{E}\cdot\nabla\right)\mathbf{E}+\frac{d\mathbf{E}}{dt}\times\mathbf{B}\right]

여기서 p는 쌍극자 편극, α는 유전율, E는 전기장, B는 자기장이다.

벡터 미적분학 항등식과 패러데이 유도 법칙을 이용하여 식을 정리하면 다음과 같다.^[33]

:

\mathbf{F} = \alpha\left[\frac{1}{2}\nabla E^2+\frac{d}{dt}\left(\mathbf{E}\times\mathbf{B}\right)\right]

마지막 등식의 두 번째 항은 포인팅 벡터와 관련된 양의 시간 도함수인데, 레이저 주파수가 매우 높기 때문에 평균적으로 0이 된다. 따라서 힘은 다음과 같이 간단하게 표현된다.^[34]

:

\mathbf{F}=\frac{1}{2}\alpha\nabla E^2 = \frac{2 \pi n_1 a^3}{c}\left(\frac{m^2 - 1}{m^2 + 2}\right) \nabla I(\mathbf{r})

여기서 a는 입자 반지름, n₁은 입자 굴절률, m은 입자와 매질 간의 상대 굴절률, I(r)은 빔의 세기이다. 즉, 유전 입자에 작용하는 힘은 빔 세기의 기울기에 비례하며, 입자를 빔의 세기가 가장 강한 곳으로 끌어당긴다.^[34]

하지만 빛의 산란력도 존재하여, 트랩의 축 방향에서 기울기 힘에 반대로 작용한다. 이로 인해 평형 위치는 세기 최댓값의 약간 아래쪽에 형성된다. 레일리 근사 하에서 산란력은 다음과 같다.^[35]

:

\mathbf{F}_{\text{scat}}(\mathbf{r}) = \frac{k^4 \alpha^2}{6 \pi c n_0^3\epsilon_0^2} I(\mathbf{r}) \hat{z} = \frac{8 \pi n_0 k^4 a^6}{3 c} \left(\frac{m^2 - 1}{m^2 + 2}\right)^2 I(\mathbf{r}) \hat{z}

산란은 등방성이므로 순 운동량은 정방향으로 전달되며, 운동량 보존에 의해 입자는 광자의 원래 운동량을 축적하여 정방향 힘을 받는다.^[35]

원자 내에서 가우시안 빔의 상호 작용은 조화 포텐셜 근사를 통해 분석할 수 있다. 2레벨 원자의 경우, 경험하는 포텐셜은 AC 스타크 시프트와 관련된다.

:

\mathbf{\Delta E}_{\text{AC Stark}} = \frac{3 \pi c^2 \Gamma}{2 \omega_0^3 \delta} \mathbf{I(r,z)}

여기서 Γ는 들뜬 상태의 자연 선폭, μ는 전기 쌍극자 결합, ω_o는 전이 주파수, δ는 레이저 주파수와 전이 주파수 사이의 디튜닝이다.

가우시안 빔 프로파일의 강도는 다음과 같이 정의된다.

:

I(r,z)=I_0 \left (\frac{w_0}{w(z)}\right ) ^2 e^{-\frac{2 r^2}{w^2(z)}}

:

w(z)=w_0 \sqrt{1+\left(\frac{z}{z_R}\right)^2}

:

z_R = \frac{\pi w_0^2}{\lambda}

:

P_0 = \frac{1}{2} \pi I_0 w_0^2

여기서 λ는 파장, w_o는 최소 허리, P_o는 빔의 출력이다.

이 가우시안 포텐셜을 근사하여 조화 주파수(트랩 주파수)를 계산하면 다음과 같다.

:

\omega_r = \sqrt{\frac{4 \alpha P_0}{\pi \epsilon_{0} cm w_0^4}}

:

\omega_z = \sqrt{\frac{2 \alpha P_0\lambda^2}{m \pi^3 \epsilon_0 c w_0^6}}

따라서 빔 허리만의 함수로 반경 방향과 축 방향에 대한 상대 트랩 주파수는 다음과 같이 스케일링된다.

:

\frac{\omega_r}{\omega_z}=\sqrt{2}\frac{w_0 \pi}{\lambda}

3. 4. 광 부양 (Optical Levitation)

입자를 공중에 띄우기 위해서는 중력의 하향력에 광자(photon) 운동량 전달에서 발생하는 힘이 대응해야 한다. 일반적으로 충분한 강도의 집속된 레이저 빔의 광자 복사 압력은 중력의 하향력에 대응하는 동시에 측면(좌우) 및 수직적 불안정성을 방지하여 작은 입자를 부유 상태로 유지할 수 있는 안정적인 ''광학 트랩''을 가능하게 한다.

이러한 종류의 실험에서는 융합 석영 구체, 기름 또는 물방울과 같이 마이크로미터 크기(지름 수 마이크로미터에서 50 마이크로미터)의 투명한 유전체 구체를 사용한다. 레이저 방사선은 아르곤 이온 레이저 또는 가변 색소 레이저의 파장으로 고정될 수 있다. 필요한 레이저 출력은 수십 마이크로미터의 스폿 크기로 집속된 1 와트 정도이다. 구형 광 공동에서 형태 의존 공명과 관련된 현상이 여러 연구 그룹에서 연구되었다.

금속성 마이크로 구체와 같은 광택 물체의 경우 안정적인 광학 부상은 달성되지 않았다. 거시적 물체의 광학 부상 또한 이론적으로 가능하며,^[36] 나노 구조화를 통해 향상될 수 있다.^[37]

성공적으로 부상된 재료에는 블랙 리커, 산화 알루미늄, 텅스텐, 니켈 등이 있다.^[38]

3. 5. 광열 핀셋 (Optothermal Tweezers)

지난 20년 동안, 광학적 힘과 열영동력을 결합하여 레이저 출력 감소 상태에서의 트랩핑을 가능하게 함으로써 광자 손상을 최소화했다. 빛 흡수 요소(입자 또는 기판)를 도입하여 미세 규모의 온도 기울기를 생성하여 열영동을 발생시킨다.^[39] 일반적으로 입자(세포, 박테리아, DNA/RNA와 같은 생물학적 객체 포함)는 차가운 쪽으로 이동하며, 이는 광 핀셋을 사용하여 입자를 반발시키는 결과를 낳는다. 이러한 제한을 극복하기 위해 빔 성형, 전해질 및 계면활성제를 이용한 용액 변형과 같은 다양한 기술^[40]이 객체를 성공적으로 트랩하는 데 사용되었다. 또한, 레이저 냉각은 이터븀이 도핑된 플루오린화 리튬 이트륨 결정을 사용하여 레이저를 통해 냉점을 생성하여 광퇴색을 줄인 트랩핑을 달성했다.^[41] 더불어, 샘플 온도를 낮추어 약물 전달 응용 분야에서 옵토서멀 핀셋을 사용하여 선택 가능한 입자를 상당히 늘려 광학 트랩핑을 달성했다.^[42]

4. 구성 및 작동

광 핀셋 시스템은 기본적으로 광학 현미경을 기반으로 하며, 다음과 같은 주요 구성 요소들로 이루어진다.

레이저: 주로 Nd:YAG 레이저 (1064 nm 파장)가 사용된다. 생물학적 표본은 이 파장에서 낮은 흡수 계수를 가지므로, 광학 살해라고 불리는 생물학적 물질 손상을 최소화할 수 있다.
빔 확장기, 빔 조향 광학계: 레이저 빔을 확장하고, 샘플 평면에서 빔 위치를 조작하여 트랩 위치를 조절한다.
대물렌즈 및 컨덴서: 대물렌즈는 샘플 평면에 빛을 집중시켜 트랩을 생성하고, 컨덴서는 빔 변위를 측정한다. 안정적인 트랩을 위해서는 대물렌즈의 수치 구경 (NA)이 중요하다.
위치 감지기: 사분면 포토다이오드를 이용하여 빔의 측면 편향을 측정한다. 이는 원자력 현미경 (AFM)에서 사용되는 방식과 유사하다.
현미경 조명 및 CCD 카메라: 별도의 광원으로 샘플 평면을 조명하고, CCD 카메라로 이미지를 획득하여 관찰하거나 비디오 추적으로 트랩된 입자 위치를 추적한다.

작동 방식은 다음과 같다. 포획용 레이저 광선은 낙사 형광의 여기 광 도입용 포트에서 도입되어 다이크로익 미러로 반사된 후 대물렌즈로 집광되어 작은 초점을 형성, 시료를 포획한다. 빔 확장기와 빔 조향 광학계로 레이저 빔을 조절하여 트랩 위치를 정밀하게 제어한다. 현미경의 조명 및 관찰 시스템은 시료 관찰에 그대로 사용되며, 위치 감지기로 포획된 시료의 위치를 정밀하게 검출한다.

4. 1. 기본 구성 요소

광 핀셋의 가장 기본적인 구성 요소는 다음과 같다.

레이저: 주로 Nd:YAG 레이저가 사용된다. 생물학적 표본(대부분 물)은 1064 nm 파장에서 낮은 흡수 계수를 가져 광학 살해라고 불리는 손상을 최소화할 수 있다. 생물 조직이 이 파장에 대해 거의 투명하여 레이저에 의한 손상을 줄일 수 있기 때문이다.^[43]
빔 확장기: 레이저 빔을 확장하여 대물렌즈의 구경을 채워 더 조밀하고 회절 제한된 스폿을 생성한다.^[45] 대물렌즈의 동공 지름 전체를 채우도록 한다.^[92]
빔 조향 광학계: 샘플 평면에서 빔 위치를 조작한다. 현미경 슬라이드를 변환하거나, 렌즈(그림에서 "빔 조향"으로 표시된 렌즈 쌍 중 레이저에 가까운 렌즈)를 움직이거나, 갈바노 미러를 설치하여 빔 방향을 바꾸는 방식으로 조작한다.
대물렌즈 및 컨덴서: 대물렌즈는 샘플 평면에 트랩을 생성하고, 컨덴서는 빔 변위를 측정한다. 안정적인 트랩을 위해서는 대물렌즈의 수치 구경 (NA)이 1.2에서 1.4 사이인 고개구수 렌즈(액침 렌즈)를 사용한다.^[44]^[91]
위치 감지기: 빔 변위를 측정하며, 주로 사분면 포토다이오드가 사용된다. 원자력 현미경 (AFM)과 유사한 방식으로 측정하며, 포획 시료의 정밀한 위치 검출에 사용된다.
현미경 조명 및 CCD 카메라: 샘플 평면을 시각화하는 데 사용된다. 이색 거울을 사용하여 반대 방향으로 광학 경로에 연결된 별도의 광원으로 조명하며, CCD 카메라를 통해 외부 모니터에서 보거나 비디오 추적으로 트랩된 입자 위치를 추적한다.

광 핀셋은 광학 현미경을 기반으로 하며, 포획용 레이저 광선은 낙사 형광의 여기 광 도입용 포트에서 도입되어 다이크로익 미러로 반사된 후 대물렌즈로 집광되어 작은 초점을 형성하여 시료를 포획한다. 현미경의 조명 및 관찰계는 시료 관찰에 그대로 사용된다.

4. 2. 작동 방식

광 핀셋의 가장 기본적인 구성 요소는 다음과 같다.

레이저 (일반적으로 Nd:YAG 레이저)
빔 확장기
샘플 평면에서 빔 위치를 조작하는 데 사용되는 광학 장치
샘플 평면에 트랩을 생성하는 대물렌즈 및 컨덴서
빔 변위를 측정하는 위치 감지기 (예: 사분면 포토다이오드)
CCD 카메라에 연결된 현미경 조명 소스

Nd:YAG 레이저 (1064 nm 파장)는 생물학적 표본을 다루는 데 흔히 사용되는 레이저이다. 이는 이러한 표본(대부분 물로 구성)이 이 파장에서 낮은 흡수 계수를 갖기 때문이다.^[43] 낮은 흡수는 생물학적 물질에 대한 손상 (광학 살해)을 최소화하는 데 도움이 된다. 광 핀셋 설계에서 가장 중요한 고려 사항은 대물렌즈의 선택이다. 안정적인 트랩은 대물렌즈의 수치 구경 (NA)에 따라 달라지는 구배력이 산란력보다 커야 한다. 적절한 대물렌즈는 일반적으로 1.2에서 1.4 사이의 NA를 갖는다.^[44]

위치 감지를 위한 가장 간단한 방법은 샘플 챔버에서 나오는 트랩 레이저를 사분면 포토다이오드에 이미징하는 것이다. 빔의 측면 편향은 원자력 현미경 (AFM)을 사용하여 수행되는 방식과 유사하게 측정된다.

레이저에서 방출되는 빔을 확장하여 대물렌즈의 구경을 채우면 더 조밀하고 회절 제한된 스폿이 생성된다.^[45] 샘플에 대한 트랩의 측면 변환은 현미경 슬라이드를 변환하여 수행할 수 있지만, 대부분의 핀셋 구성은 추가적인 변환 자유도를 제공하기 위해 빔을 변환하도록 설계된 추가 광학 장치를 갖추고 있다. 이는 "빔 조향"으로 표시된 두 렌즈 중 첫 번째 렌즈를 변환하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 해당 렌즈를 측면 평면에서 변환하면 측면 편향된 빔이 생성된다. 빔 조향 렌즈와 대물렌즈 사이의 거리를 적절하게 선택하면, 이는 대물렌즈에 들어가기 전 유사한 편향 및 샘플 평면에서 결과적인 ''측면 변환''에 해당한다. 광학 트랩의 초점인 빔 웨이스트의 위치는 초기 렌즈의 축 방향 변위를 통해 조정할 수 있다. 이러한 축 방향 변위는 빔이 약간 발산하거나 수렴하게 하며, 그 결과 샘플 챔버에서 빔 웨이스트의 축 방향 변위된 위치가 나타난다.^[46]

샘플 평면의 시각화는 일반적으로 이색 거울을 사용하여 반대 방향으로 광학 경로에 연결된 별도의 광원을 통해 조명을 통해 수행된다. 이 빛은 CCD 카메라에 입사하며 외부 모니터에서 보거나 비디오 추적을 통해 트랩된 입자 위치를 추적하는 데 사용할 수 있다.

광 핀셋의 기본적인 시스템 구성은 광학 현미경을 기반으로 한다. 포획용 레이저 광선은 낙사 형광의 여기 광 도입용 포트에서 도입되어, 다이크로익 미러로 반사되어 대물렌즈로 집광되어 작은 초점을 형성하여 시료를 포획한다. 레이저 광이 현미경에 들어가기 전까지 빔 익스팬더나 빔을 편향시키기 위한 광학계가 설치되는 경우도 많다. 현미경의 조명 및 관찰계가 그대로 시료 관찰에 사용된다. 또한, 일반적인 관찰에 더해, 포획 시료의 위치를 정밀하게 검출하기 위한 기기도 종종 사용된다.

광원으로는 파장 1,064 nm의 Nd:YAG 레이저가 일반적으로 사용된다. 이는 생물 조직이 파장 1,000 nm 정도의 적외선에 대해 거의 투명하며, 생물 조직을 다룰 때 레이저에 의한 손상을 조금이라도 피할 수 있기 때문이다. 안정적인 포획을 위해서는 대물렌즈의 선택이 매우 중요하다. 일반적으로 개구수 (NA)가 1.2-1.4 정도에 달하는 고개구수 렌즈(액침 렌즈)가 사용된다^[91]。

포획 시료의 정밀한 위치 검출에는 4분할 포토 다이오드가 많이 사용된다. 원자 간력 현미경에서 캔틸레버의 변위를 검출하는 것과 마찬가지로, 시료의 면내 위치가 계측된다.

빔 익스팬더로 레이저 광선의 지름을 넓혀, 대물렌즈의 동공 지름 전체를 채우도록 함으로써 회절 한계 스폿을 얻을 수 있다^[92]。포획 위치를 면내 방향으로 움직이는 것은 현미경 스테이지로도 가능하지만, 많은 광 핀셋 장치에서는 이외의 편향 장치를 가지고 있다. 여기에는 렌즈를 움직이는 방법이나 도중에 갈바노 미러를 설치하여 그것으로 방향을 바꾸는 방법 등이 있다.

4. 3. 다양한 레이저 빔 모드

광 핀셋은 대부분 TEM₀₀ 가우시안 빔을 사용하지만, 에르미트-가우시안 빔 (TEM_xy), 라게르-가우시안(LG) 빔 (TEM_pl), 베셀 빔 등 다른 유형의 빔도 입자를 가두는 데 사용된다.

라게르-가우시안 빔 기반 광 핀셋은 광학적으로 반사 및 흡수하는 입자를 가둘 수 있다.^[47]^[48]^[49] 또한, 이 빔은 궤도 각운동량을 이용해 입자를 회전시킬 수 있다.^[50]^[51] 이는 외부의 기계적, 전기적 조작 없이 가능하다.

0차 및 고차 베셀 빔은 밀리미터 단위로 떨어져 있거나 장애물 주위에 있는 여러 입자를 가두고 회전시키는 고유한 기능을 가지고 있다.^[52]

이러한 특수 광학 빔은 빛의 스핀과 궤도 각운동량에 의한 회전 메커니즘을 통해 미세 기계를 구동하는 데 활용될 수 있다.^[53]

4. 4. 다중 광 핀셋 (Multiplexed Optical Tweezers)

일반적인 광 핀셋 장치는 하나의 레이저를 사용하여 하나 또는 두 개의 트랩을 생성한다. 그러나 두 개 이상의 트랩을 사용한 광 핀셋 작업은 단일 레이저 빔을 여러 광 핀셋 간에 시분할하거나,^[54] 빔을 회절적으로 여러 트랩으로 분할하여 실현할 수 있다.

음향 광학 편향기 또는 갈바노미터 구동 거울을 사용하면 단일 레이저 빔을 초점 평면에서 수백 개의 광 핀셋에 공유하거나 확장된 1차원 트랩으로 분산시킬 수 있다. 특수 설계된 회절 광학 소자는 단일 입력 빔을 임의의 3차원 구성의 수백 개의 지속적으로 조명된 트랩으로 나눌 수 있다. 트랩 형성 홀로그램은 또한 각 트랩의 모드 구조를 개별적으로 지정할 수 있으므로, 예를 들어 광학 와류, 광 핀셋 및 홀로그램 선형 트랩의 배열을 만들 수 있다.^[55] 공간 광 변조기로 구현하면 이러한 홀로그램 광 트랩은 물체를 3차원으로 이동시킬 수도 있다.^[56] 강도와 위상의 평활도를 제어하는 임의의 공간 프로파일을 가진 고급 형태의 홀로그램 광 트랩은 미세 조작에서 초저온 원자에 이르기까지 과학의 여러 분야에서 응용 분야를 찾는다.^[57]

4. 5. 광섬유 기반 핀셋 (Fiber-based Tweezers)

광섬유를 통해 전달되는 가우시안 레이저 빔을 사용하는 광학 트래핑 방식은 표준 광섬유 트랩의 기본 원리이다. 단일 모드 표준 섬유의 한쪽 끝을 렌즈처럼 성형하면, 섬유 팁에서 일정 거리 떨어진 곳에 거의 가우시안 빔이 초점을 형성한다. 하지만 이 방식은 유효 수치 구경이 작아 3D 광학 트랩을 구현하기 어렵고, 2D 트랩, 즉 물체가 표면에 닿을 때만 광학적 트래핑 및 조작이 가능하다.^[59] 비표준 환상 코어 섬유 배열과 전반사 기하학을 이용하면 섬유 팁에 거의 닿는 트래핑 지점을 가진 진정한 3D 광학 트래핑을 단일 섬유 기반으로 구현할 수 있다.^[60]

섬유 끝이 성형되지 않은 경우에는, 섬유에서 나오는 레이저가 발산하므로, 안정적인 광학 트랩을 위해서는 섬유 양쪽 끝에서 나오는 구배력과 산란력을 균형 있게 조절해야 한다. 구배력은 입자를 가로 방향으로 가두고, 축 방향의 광학력은 두 섬유에서 나오는 반대 방향 빔의 산란력으로 인해 발생한다. 트랩된 비드의 평형 z 위치는 두 산란력이 같아지는 지점이다. A. Constable 외, ''Opt. Lett.'' '''18''', 1867 (1993)와 J. Guck 외, ''Phys. Rev. Lett.'' '''84''', 5451 (2000)의 연구에서는 이 기술을 이용하여 미세 입자를 늘리는 방법을 제시했다. 섬유 양 끝에 입력되는 전력을 조절하면 "광학적 늘이기"가 증가하여 세포의 점탄성 특성을 측정할 수 있으며, 인간 적혈구와 마우스 섬유아세포 등 서로 다른 세포 골격 표현형을 구별할 수 있다. 최근에는 두 개의 반대 방향 비초점 레이저 빔을 이용하여 암세포와 비암세포를 구별하는 데 성공했다.^[61]

초기 광섬유 기반 레이저 트랩은 단일 모드 빔만 사용했지만, 최근 M. Kreysing과 동료들은 짧은 광섬유 조각에서 추가적인 광학 모드를 신중하게 여기하면 비자명한 트랩 기하학을 구현할 수 있음을 보여주었다. 이를 통해 연구자들은 현미경에서 다양한 인간 세포 유형(개별 세포 및 클러스터)의 방향을 지정할 수 있었다. "광학 세포 회전자" 기술은 트랩과 이미징 광학의 분리라는 장점을 가진다. 모듈식 설계와 발산 레이저 트랩의 생물학적 물질과의 높은 호환성은 의학 연구 및 생명 과학 분야에서 이 기술의 잠재력을 보여준다.^[62] 최근에는 적응 광학을 기반으로 광학 세포 회전자 기술을 구현하여 작동 중에 광학 트랩을 동적으로 재구성하고 샘플에 적응할 수 있게 되었다.^[63]

5. 응용 분야

광 핀셋 기술은 생물 물리학, 생명 과학 및 의학, 양자 과학, 재료 과학 등 다양한 분야에 응용된다.

세포 분류: 형광 이미징을 이용한 유세포 분석은 세포 분류에 널리 사용되는 방법 중 하나이다. 광학적 분류 과정에서 세포는 고유한 굴절률 특성에 따라 분류된다. K. Ladavac 외 연구진은 공간 광 변조기를, K. Xiao와 D. G. Grier는 홀로그래픽 비디오 현미경을 적용하여 광학 분류 기술을 발전시켰다.^[64]^[65] 세인트 앤드루스 대학교는 영국 공학 및 물리 과학 연구 위원회(EPSRC)로부터 관련 연구 자금을 지원받았다.^[66]
레이저 빔 종류: 일반적인 가우시안 빔 외에도 에르미트-가우시안 빔, 라게르-가우시안 빔, 베셀 빔 등이 사용된다. 라게르-가우시안 빔은 궤도 각운동량을 이용해 미세 입자를 회전시킬 수 있고,^[93]^[94] 베셀 빔은 여러 입자를 포획 및 회전시킬 수 있어 마이크로 머신의 동력원으로 활용될 가능성이 있다.^[95]
광 핀셋 발전: 여러 개의 레이저를 사용하거나 레이저를 분할하여 다수의 미세 입자를 조작하고, 광섬유를 이용해 시스템을 간소화하는 연구가 진행 중이다.^[96]
기타 연구: 표면 플라즈몬을 이용하여 극히 일부의 미세 입자를 평면적으로 조작하거나, 유전영동을 이용하여 미세 입자를 선별하는 연구도 진행되고 있다. 유세포 분석과 형광 이미징을 결합하여 인위적인 세포 조직을 구축하려는 시도도 이루어지고 있다.^[97]

5. 1. 생물 물리학

광학 핀셋은 형광 현미경과 결합하여 형광을 나타내는 샘플을 조작하고 동시에 이미징할 수 있다.^[81] 이러한 장치는 형광 표지된 단일 또는 소수의 생체 분자를 연구하거나, 트랩될 물체를 추적하고 시각화하기 위해 형광을 사용하는 응용 분야에 특히 유용하다.

이러한 접근 방식은 고효율 다단계 효소적 방법을 통해 생성된 길고 강력한 테더를 사용하여 동적 단백질 복합체의 동시 감지 및 이미징을 위해 확장되었으며,^[82] 작동 중인 응집 제거 기계 연구에 적용되었다.^[83] '표준' 형광 외에도, 여러 색상의 공초점, 와이드필드, STED, FRET, TIRF 또는 IRM이 결합된 광 핀셋이 현재 제작되고 있다.

이를 통해 단백질/DNA 국소화 결합, 단백질 폴딩, 응축, 운동 단백질 힘 생성 측정, 세포 골격 필라멘트 및 운동 역학 시각화, 미세 소관 역학, 액체 방울 조작(유변학) 또는 융합과 같은 응용 분야가 가능하다.

1980년대, 아서 애슈킨 등은 담배 모자이크 바이러스 및 대장균의 조작을 통해 광 핀셋의 생물학에의 적용을 처음으로 실시했다.^[86] 1990년대에는 카를로스 바스만테, 제임스 스푸디치, 스티븐 블록 등이 이 분야에 참여하여, 광 핀셋·레이저 분광학·단분자 세포 생물학의 발전에 기여했다. 이 과정에서는 분자 모터의 발견 등 획기적인 발견이 이루어져, 생물물리학 등의 분야가 비약적으로 발전했다.

2003년에는 광 핀셋을 이용한 세포의 정렬에 성공했다.^[87]^[88] 광 핀셋은 오늘날, 세포 골격의 조작, 생체 고분자의 점탄성 측정, 세포 조작 등에 이용되고 있다.

5. 2. 생명 과학 및 의학

형광 이미징을 이용한 유세포 분석은 세포 분류에 널리 사용되는 방법 중 하나이다. 이 방법은 세포의 형광 특성에 따라 세포를 분류한다. 광학적으로 작동되는 분류 과정에서는 세포가 2D 또는 3D 광학 격자를 통과하며, 고유한 굴절률 특성에 따라 분류된다.

K. Ladavac 외 연구진은 공간 광 변조기를 사용하여 광학 분류 과정을 활성화했고,^[64] K. Xiao와 D. G. Grier는 홀로그래픽 비디오 현미경을 적용하여 이 기술이 크기와 굴절률에 대해 높은 해상도로 콜로이드 구체를 분류할 수 있음을 보여주었다.^[65] 광학 격자점의 배열을 이동시켜 광학적 힘이 지배적인 경로를 만들고, 세포의 흐름과 광학적 기울기 힘 사이의 관계를 조절하여 광학 분류 효율을 높인다.

세인트 앤드루스 대학교의 과학자들은 영국 공학 및 물리 과학 연구 위원회(EPSRC)로부터 광학 분류 기계에 대한 상당한 자금을 지원받았다. 이 기술은 기존의 형광 활성화 세포 분류와 경쟁할 수 있다.^[66]

광 핀셋은 세포 골격 조작, 생체 고분자의 점탄성 측정, 세포 조작 등에도 활용된다. 1980년대에 아서 애슈킨 등은 담배 모자이크 바이러스 및 대장균 조작을 통해 광 핀셋의 생물학적 응용을 처음으로 선보였다.^[86] 1990년대에는 카를로스 바스만테, 제임스 스푸디치, 스티븐 블록 등이 이 분야에 참여하여 단분자 세포 생물학 발전에 기여했다.

2003년에는 광 핀셋을 이용한 세포 정렬에 성공했으며,^[87]^[88] 2018년 애슈킨은 광 핀셋 발명 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.^[90]

또한, 유세포 분석과 같은 형광 이미징을 이용하여 세포를 인식하고, 자동 조작으로 정렬을 수행함으로써 인위적인 세포 조직을 구축하려는 시도도 이루어지고 있다.^[97]

5. 3. 양자 과학

1986년 스티븐 추는 레이저 냉각에 관한 연구에서 광 핀셋을 언급했다. (1997년, 추는 레이저 냉각 연구로 노벨 물리학상을 수상했다.) 스티븐 추는 인터뷰에서 애슈킨을 "원자 포획·광 핀셋의 선구자"라고 평가했다.^[85] 애슈킨은 10~10,000 nm 직경의 미립자 포획을 가능하게 했지만, 스티븐 추는 이를 더욱 발전시켜 0.1 nm 직경 포획, 즉 레이저 냉각 원자 포획을 가능하게 하여 양자 시뮬레이터 및 양자 컴퓨터 개발에 기여하였다.

5. 4. 재료 과학

광 핀셋은 나노 입자 조작 및 분석, 콜로이드 및 분산 시스템 연구, 마이크로/나노 기계 구동에 활용된다. 마이클 M. 번스, 장-마르크 푸르니에, 제인 A. 골로브첸코는 광학 결합의 실험적 증거를 보고했으며,^[78] 이는 T. 티루나마찬드란에 의해 예측되었다.^[79] 최근 연구에서는 키랄 나노 입자 시스템의 결합력 크기가 레이저 빔 편광과 입자의 손잡이에 따라 달라지며,^[80] 이는 거울상 이성질체 분리 및 광학 나노 조작에 응용될 수 있다.

아서 애슈킨은 1970년대에 광학적 수법에 의한 미세 물체 조작 이론을 처음 보고했다.^[84] 1986년에는 스티븐 추가 레이저 냉각에 대한 논문에서 광 핀셋을 언급했다.

에르미트-가우시안 빔, 라게르-가우시안 빔, 베셀 빔 등 다양한 레이저 빔이 사용된다. 라게르-가우시안 빔은 궤도 각운동량을 가지며 미세 입자를 회전시킬 수 있고,^[93]^[94] 베셀 빔은 여러 개의 입자를 포획하고 회전시킬 수 있어,^[95] 마이크로 머신의 동력원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

광 핀셋은 여러 개의 레이저를 사용하거나 레이저를 분할하여 여러 개의 미세 입자를 조작하고, 광섬유를 사용하여 시스템을 간소화하는 방향으로 발전하고 있다.^[96]

5. 5. 기타

광 핀셋 기술은 다양한 분야에서 활용되며, 지속적으로 발전하고 있다.

형광 현미경과의 결합: 광 핀셋은 형광 현미경과 결합하여 형광을 나타내는 샘플을 조작하고 동시에 이미징할 수 있다.^[81] 이는 형광 표지된 단일 또는 소수의 생체 분자 연구나, 형광을 이용해 트랩된 물체를 추적하고 시각화하는 데 유용하다. 이러한 접근 방식은 고효율 다단계 효소적 방법을 통해 생성된 길고 강력한 테더를 사용하여 동적 단백질 복합체의 동시 감지 및 이미징을 위해 확장되었으며,^[82] 작동 중인 응집 제거 기계 연구에 적용되었다.^[83]

표면 플라즈몬을 이용한 미세 입자 조작: 표면 플라즈몬은 금속/유전체 계면에 국한된 향상된 소멸파이다. 평평한 금속/유전체 계면에서 표면 플라즈몬에 노출된 콜로이드 입자가 경험하는 힘은 일반적인 소멸파에 비해 40배 더 강력하다.^[71] 금 미세 섬으로 표면을 패턴화하면 이러한 섬에서 선택적이고 병렬적인 트래핑이 가능하며, 이때 힘은 펨토뉴턴 범위에 있다.^[72]

유전 영동을 이용한 입자 선별: 유전영동은 액체에 현탁된 입자가 전기장 기울기에 민감하게 반응하여 유도된 전기 쌍극자 때문에 끌리거나 밀려나는 현상이다. 이 현상을 이용하여 미세 입자의 물성에 따라 선별하는 연구가 진행되고 있다.

기타 연구:
렌즈 없는 광학 트래핑(LOT): 광 도파관 대신 확장된 광학적 풍경 패턴을 사용하여 다수의 입자를 동시에 유도한다.
분자 진동 공명을 이용한 입자 분류: 중적외선 레이저로 생성된 소멸장을 이용하여 분자 진동 공명에 따라 입자를 선택적으로 분류한다.
초저온 원자 및 분자 포획: 소멸장을 사용하여 초저온 원자와 분자를 광 도파관 또는 광 나노섬유 표면 근처에 가둔다.^[73]^[74]
광전도 기반 광 핀셋: 저전력 발광 다이오드(LED)의 광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 다양한 광학 환경을 유연하게 전환한다.
열광 핀셋: 빛을 사용하여 온도 구배를 만들고 물질의 열영동 이동을 활용하여 광학 포획을 한다.
광냉각 핀셋: 레이저 냉각을 열영동과 통합하여 비침습적 광학 포획 및 조작 시 열 손상을 방지한다.^[77]
다양한 레이저 모드 활용: 에르미트-가우시안 빔, 라게르-가우시안 빔, 베셀 빔 등 다양한 레이저 모드를 사용하여 미세 입자를 회전시키거나 여러 개의 입자를 포획하는 연구가 진행되고 있다.^[93]^[94]^[95]
다중 레이저 및 광섬유 활용: 여러 개의 레이저 유닛을 사용하거나 레이저를 분할하여 여러 개의 미세 입자를 조작하고, 광섬유를 사용하여 시스템을 간소화하는 연구가 발표되고 있다.^[96]
인공 세포 조직 구축: 유세포 분석과 같은 형광 이미징을 이용하여 세포를 인식하고 자동 조작으로 정렬하여 인위적인 세포 조직을 구축하려는 시도가 이루어지고 있다.^[97]

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