엔지니어들이 생물학적 입자를 위한 칩 기반 트랙터 빔을 개발하다

MIT 연구원들은 영화 '스타워즈'에서 밀레니엄 팔코네를 포착하는 데 사용된 것과 같은 소형 칩 기반 '트랙터 빔'을 개발했습니다. 이는 언젠가 생물학자와 임상의가 DNA를 연구하고, 세포를 분류하고, 질병 메커니즘을 조사하는 데 도움이 될 수 있습니다.

손바닥에 쏙 들어갈 만큼 작은 이 장치는 실리콘 광자 칩에서 방출되는 빛줄기를 사용하여 칩 표면에서 밀리미터 떨어진 입자를 조작합니다. 빛은 생물학적 실험에 사용되는 샘플을 보호하는 유리 커버 슬립을 관통하여 세포가 무균 환경에 남아 있도록 합니다.

빛을 사용하여 입자를 포집하고 조작하는 기존의 광학 핀셋은 일반적으로 부피가 큰 현미경 장비가 필요하지만, 칩 기반 광학 핀셋은 생물학 실험에서 광학 조작을 위한 더욱 컴팩트하고 대량 생산이 가능하며, 널리 접근 가능하고 처리량이 높은 솔루션을 제공할 수 있습니다.

그러나 다른 유사한 통합 광학 핀셋은 칩 표면에 매우 가깝거나 직접 있는 세포만 포획하고 조작할 수 있습니다. 이는 칩을 오염시키고 세포에 스트레스를 주어 표준 생물학적 실험과의 호환성을 제한할 수 있습니다.

MIT 연구진은 통합 광학 위상 배열이라는 시스템을 사용하여 칩 표면에서 100배 이상 떨어진 곳에서 세포를 잡아서 뽑을 수 있는 새로운 통합 광학 집게 방식을 개발했습니다.

"이 연구는 이전에 입증된 것보다 훨씬 더 먼 거리에서 세포를 포획하고 핀셋으로 뽑을 수 있게 함으로써 칩 기반 광학 핀셋에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 이 기술로 가능해질 수 있는 다양한 응용 분야에 대해 생각하는 것은 흥미진진합니다."라고 Robert J. Shillman Career Development Professor in Electrical Engineering and Computer Science(EECS)이자 Research Laboratory of Electronics의 일원인 Jelena Notaros가 말했습니다.

Notaros와 함께 논문에 참여한 사람은 주저자이자 EECS 대학원생인 Tal Sneh, EECS 대학원생인 Sabrina Corsetti, 23년 박사 학위를 취득한 Milica Notaros, 24년 박사 학위를 취득한 Kruthika Kikkeri, EECS의 William R. Brody 교수인 Joel Voldman입니다. 이 연구는 오늘 Nature Communications 에 게재되었습니다.

새로운 트래핑 방식

광학 트랩과 핀셋은 초점이 맞춰진 광선을 사용하여 작은 입자를 포획하고 조작합니다. 광선이 가하는 힘은 미세 입자를 중앙의 강렬하게 초점이 맞춰진 빛으로 끌어당겨 포획합니다. 연구자들은 광선을 조정하여 미세 입자를 함께 끌어당겨 비접촉 힘을 사용하여 작은 물체를 조작할 수 있습니다.

그러나 광학 핀셋은 전통적으로 실험실에서 사용할 수 있는 대형 현미경 장비와 빛을 형성하고 제어하는 ​​여러 장치가 필요하기 때문에 활용 방법과 장소가 제한됩니다.

"실리콘 광자공학을 사용하면 이 대형, 일반적으로 실험실 규모의 시스템을 가져와 칩에 통합할 수 있습니다. 이는 생물학자에게 훌륭한 솔루션을 제공하는데, 복잡한 대량 광학 설정의 오버헤드 없이 광학 트래핑 및 핀셋 기능을 제공하기 때문입니다." Notaros가 말했습니다.

하지만 지금까지 칩 기반 광학 핀셋은 칩 표면에 매우 가까이서만 빛을 방출할 수 있었기 때문에 이러한 이전 장치는 칩 표면에서 몇 마이크론 떨어진 입자만 포집할 수 있었습니다. 생물학적 표본은 일반적으로 두께가 약 150마이크론인 유리 커버 슬립을 사용하여 무균 환경에서 보관되므로 이러한 칩으로 조작하는 유일한 방법은 세포를 꺼내서 표면에 놓는 것입니다.

하지만, 그것은 칩 오염으로 이어진다. 새로운 실험을 할 때마다 칩을 버려야 하고, 세포를 새로운 칩에 넣어야 합니다.

이러한 과제를 극복하기 위해 MIT 연구원들은 표면에서 약 5mm 위에 초점을 맞춘 광선을 방출하는 실리콘 광자 칩을 개발했습니다. 이런 방식으로 그들은 멸균 커버 슬립 내부에 남아 있는 생물학적 입자를 포획하고 조작하여 칩과 입자를 모두 오염으로부터 보호할 수 있습니다.

빛을 조작하다

연구자들은 통합 광학 위상 배열이라는 시스템을 사용하여 이를 달성합니다. 이 기술은 반도체 제조 공정을 사용하여 칩에 제작된 일련의 마이크로스케일 안테나를 포함합니다. 각 안테나에서 방출되는 광 신호를 전자적으로 제어함으로써 연구자들은 칩에서 방출되는 광선을 형성하고 조종할 수 있습니다.

라이더와 같은 장거리 애플리케이션에 의해 동기를 부여받은 대부분의 이전 통합 광학 위상 배열은 광학적 핀셋에 필요한 단단히 초점이 맞춰진 빔을 생성하도록 설계되지 않았습니다. MIT 팀은 각 안테나에 대한 특정 위상 패턴을 생성함으로써 칩 표면에서 밀리미터 떨어진 광학적 트래핑 및 핀셋에 사용할 수 있는 강하게 초점이 맞춰진 광선을 형성할 수 있다는 것을 발견했습니다.

"아무도 이전에 밀리미터 스케일 거리에서 미세입자를 포집할 수 있는 실리콘 광자 기반 광학 핀셋을 만든 적이 없습니다. 이것은 이전 시연에 비해 몇 배 더 높은 개선입니다."라고 Notaros는 말합니다.

연구진은 칩에 전원을 공급하는 광 신호의 파장을 변화시킴으로써, 초점이 맞춰진 빔을 1밀리미터보다 더 넓은 범위에 걸쳐 마이크로 단위의 정확도로 조정할 수 있었습니다.

연구자들은 장치를 테스트하기 위해 작은 폴리스티렌 구체를 포획하고 조작하는 것으로 시작했습니다. 성공한 후, 그들은 Voldman 그룹이 제공한 암세포를 포획하고 족집게로 뽑는 작업으로 넘어갔습니다.

스네는 "실리콘 광자공학을 생물물리학에 적용하는 과정에서는 많은 고유한 과제가 발생했습니다."라고 덧붙였습니다.

예를 들어, 연구자들은 반자동 방식으로 샘플 입자의 움직임을 추적하는 방법, 입자를 제자리에 고정하는 데 적절한 트랩 강도를 확인하는 방법, 효과적으로 데이터를 후처리하는 방법 등을 결정해야 했습니다.

결국, 그들은 단일 빔 광학 핀셋을 이용해 최초의 세포 실험을 선보일 수 있었습니다.

이러한 결과를 바탕으로, 팀은 광선의 초점 높이를 조절할 수 있도록 시스템을 개선하고자 합니다. 또한, 이 장치를 다양한 생물학적 시스템에 적용하고 동시에 여러 트랩 사이트를 사용하여 생물학적 입자를 더 복잡한 방식으로 조작하고자 합니다.

이 연구는 미국 국립과학재단(NSF), MIT Frederick and Barbara Cronin 펠로우십, MIT Rolf G. Locher 기금 펠로우십의 지원을 받아 진행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241003123242.htm