[논문 리뷰] Simultaneous optical trapping and magnetic micromanipulation of ferromagnetic iron-doped upconversion microparticles in six degrees of freedom

Gokul Nalupurackal, M. Gunaseelan외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 04.

Orbital Angular Momentum in Optics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 6 자유도에서 동시에 광학 포획과 자기적 조작이 가능한 펌웨어 자기성 첨가된 업컨버전 NaYF4:Yb,Er 마이크로입자를 실험적으로 입증한다. 입자의 굴절률은 1.55이며, 높은 포화 자화율(1 Am²/kg)을 가지므로 자기 성분이 있음에도 불구하고 안정적인 광학 포획이 가능하다. 975 nm 조명 조건에서 강한 업컨버전 형광을 나타내며, 뚜렷한 광열 가열 효과를 보이며, 이는 형광 현미경 및 광열 치료 응용 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Optical trapping of magnetic Fe-oxide particles is notoriously difficult due to their high refractive indices, not to mention high absorptivity at the trapping infra-red wavelengths. We synthesize Fe co-doped NaYF4:Yb,Er ferromagnetic upconversion particles that not only have refractive indices conducive for optical trapping, but also heat less than Haematite particles at off-resonant wavelengths. These particles are hexagonal shaped with dimensions of the order of 3 micrometer and also bear high coercivity of 20 mT and saturation magnetisation of 1 Am^2/kg. This enables simultaneous use of optical trapping and magnetic forces to generate micro-manipulation in all the six degrees of freedom of a rigid body. We also show that these particles heat significantly when illuminated on absorption resonance at 975 nm while emitting visible light with possible implications for fluorescence microscopy and photothermal therapy of cancer cells.

연구 동기 및 목표

• 고도의 광학 포획 능력과 강한 자기 반응을 동시에 갖춘 마이크로입자를 개발하기 위해.
• 예를 들어 철 산화물처럼 고굴절률 및 고흡수성을 갖는 자기성 입자에서 광학 포획을 극복하기 위해.
• 광학적 및 자기적 힘을 조합하여 마이크로입자의 전체 6자유도 제어를 가능하게 하기 위해.
• 이러한 입자가 형광 현미경 및 광열 치료와 같은 생물학적 응용 분야에서의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 열분해 방법을 이용한 삼각형형, 3–5 µm 크기의 철(Fe) 도핑된 NaYF4:Yb,Er 마이크로입자의 합성.
• 자기장 조절이 가능한 고리형 세라믹 페라이트 자석(8 cm 거리에서 30 G)을 사용하여 요동, 기울임, 기울기 운동 유도.
• 1064 nm 레이저 빔을 이용한 광학 포획과 975 nm 레이저 빔을 이용한 광열 자극을 각각 적용.
• 실시간 입자 운동 추적을 위해 CMOS 카메라(Thorlabs CS165CU1) 사용.
• 고정밀 위치 감지에 다이오드 포지션 센서를 사용한 간섭계 감지 기법 적용.
• Fe 도핑된 NaYF4 구조에서의 펌웨어 자기성 기원을 조사하기 위해 첫 원리 DFT 계산(제약 조건: VASP, GGA, PBE 기능)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철 도핑된 업컨버전 NaYF4 마이크로입자는 6 자유도에서 동시에 광학 포획과 자기 조작이 가능한가?
• RQ2 철 도핑된 NaYF4에서 펌웨어 자기성의 기원은 무엇이며, 결정 구조상 어떻게 유도되는가?
• RQ3 975 nm 조명 조건에서 이러한 입자의 광열 가열 특성은 어떻게 변화하며, 생물학적 응용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 입자는 암세포에 내재화되어 치료 응용을 위해 안정적으로 포획될 수 있는가?
• RQ5 Fe-NYF의 굴절률은 기존의 자기성 입자와 비교해 어떻게 다른가? 그리고 효과적인 광학 포획을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 철 도핑된 NaYF4 마이크로입자는 굴절률 1.55를 가지며, 자기 성분이 있음에도 불구하고 효과적인 광학 포획이 가능하다.
• 입자는 높은 포화 자화율 1 Am²/kg과 20 mT의 난이도를 보이며, 강력한 자기 조작이 가능하다.
• 975 nm 조명 조건에서 입자는 뚜렷한 광열 가열과 강한 업컨버전 형광을 나타내며, 광열 치료 및 형광 영상에 응용 가능성이 있다.
• 광학적 및 자기적 힘을 조합하여, 밀도 및 공기-물 표면계에서의 환경 모두에서 입자를 6 자유도 모두에서 성공적으로 포획 및 조작하였다.
• DFT 계산 결과, NaYF4 격자 내 철 도핑이 국소 전자 상태와 철 이온 위치에서 스핀 정렬을 유도함으로써 펌웨어 자기성이 유도됨을 확인하였다.
• 15% 철 도핑된 입자가 MCF-7 암세포에 내재화되었으며, 1064 nm 및 975 nm 레이저를 사용하여 세포 내 단일 입자를 성공적으로 광학 포획하였다.