JPH04210231A - Fine particle behavior pattern - Google Patents
Fine particle behavior patternInfo
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- JPH04210231A JPH04210231A JP40206390A JP40206390A JPH04210231A JP H04210231 A JPH04210231 A JP H04210231A JP 40206390 A JP40206390 A JP 40206390A JP 40206390 A JP40206390 A JP 40206390A JP H04210231 A JPH04210231 A JP H04210231A
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Abstract
Description
[00011 [00011
【産業上の利用分野]この発明は、微粒子動態パターン
とその形成方法に関するものである。さらに詳しくは、
この発明は、微細加工技術や新物質構造の創製等に有用
な、レーザービームによって形成することのできる新し
い微粒子動態パターンとそのための方法等に関するもの
である。
[0002]
【従来の技術とその課題】近年、化学物質、たとえば高
分子物質や無機物質の微粒子レベルでのマイクロ修飾や
その加工技術の開発が注目されており、物質変換の素過
程の操作を可能とするものとして精力的に研究開発が進
められてきている。また、生体細胞においてもその移植
、移入、さらには融合などの微細操作を行うマイクロプ
ロセシングが非常に重要になってきている。
[0003]このようなマイクロ微粒子操作については
、これまでにも化学的操作によって行う方法が種々提案
されてきているが、化学的方法の場合には処理対象の微
粒子と反応処理剤との反応制御が非常に難しく、微粒子
やこれらの集合状態、位置等を制御し、所定の微粒子に
操作を加えるには精度上の限界があった。一方、生体細
胞の操作分野においては微注入法等のマニュアル的方法
により確実に移入処理を行うことができるようになって
おり、発現効率を10−2程度にまで向上させることが
可能となってきている。しかしながら、この方法におい
ては実施者が顕微鏡下でマイクロピペットなどを個々の
細胞に直接接触させて処理するため、クリーンベンチ内
での処理が必要不可欠となり、また処理の自動化を図る
こともできない。そのため処理効率や処理量が実施者の
熟練度や労力に依存することとなり、精密な処理を短時
間に行うことが困難であるという問題がある。
[00041以上のような従来の方法に対して、近年、
レーザー光を利用して微粒子マイクロ操作を行うプロセ
シングが提案されてきている。レーザー光は単色性、指
向性、光輝度性、制御性に優れているので、光エネルギ
ーを微粒子の微小領域に集中的に照射することができ、
従来の方法では不可能であった局所的な微細操作を非接
触で精度よく行うことが可能となる。
[0005]Lかしながら、これまでの方法ではレーザ
ー光照射部位を調整するために顕微鏡等のステージの位
置決め操作が難しく、また、操作されていても位置決め
精度が悪く実用上問題があり、特に、複数の微粒子群を
所定の空間配置に制御して、これに加工を加えることは
不可能であった。すなわち、これまでのレーザーマイク
ロプロセシングによっては、微粒子または微粒子群の動
態パターンを制御して、高精度な操作を可能とすること
が困難であるという課題があった。
[0006]この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたものであり、従来の微粒子マイクロプロセシングの
欠点を解消し、微粒子または微粒子群の高精度加工のた
めの空間動態パターンを自在に制御することのできる新
しい手段を提供することを目的としている。さらに詳し
くは、この動態パターンそのものと、これを形成し、利
用するための方法を提供することを目的としている。
[0007][Industrial Field of Application] This invention relates to a fine particle dynamic pattern and a method for forming the same. For more details,
The present invention relates to a new particle dynamic pattern that can be formed by a laser beam and a method therefor, which is useful for microfabrication technology and the creation of new material structures. [0002] [Prior Art and its Problems] In recent years, the development of micro-modification of chemical substances, such as polymeric substances and inorganic substances, at the fine particle level and their processing techniques have attracted attention, and the manipulation of elementary processes of material conversion has attracted attention. Research and development efforts are underway to make this possible. Furthermore, microprocessing, which performs micromanipulations such as transplantation, transfer, and even fusion of living cells, has become extremely important. [0003] Regarding such microparticle manipulation, various methods using chemical manipulation have been proposed, but in the case of chemical methods, it is necessary to control the reaction between the microparticles to be treated and the reaction treatment agent. It is very difficult to control the particles, their aggregation state, position, etc., and there are limits to accuracy in applying operations to predetermined particles. On the other hand, in the field of biological cell manipulation, it has become possible to reliably perform the transfer process using manual methods such as microinjection, and it has become possible to improve expression efficiency to about 10-2. ing. However, in this method, the practitioner directly contacts individual cells with a micropipette under a microscope, so processing in a clean bench is essential, and automation of the processing is not possible. Therefore, processing efficiency and processing amount depend on the skill level and labor of the person performing the processing, and there is a problem in that it is difficult to perform precise processing in a short time. [00041] In recent years, in contrast to the conventional methods described above,
Processing that uses laser light to micromanipulate particles has been proposed. Laser light has excellent monochromaticity, directionality, brightness, and controllability, so it is possible to concentrate light energy on a minute area of particles.
It becomes possible to perform fine local operations without contact with high precision, which was impossible with conventional methods. [0005] However, in the conventional methods, it is difficult to position the stage of a microscope etc. in order to adjust the laser beam irradiation area, and even if it is operated, the positioning accuracy is poor and there are practical problems, especially However, it has been impossible to control a plurality of fine particle groups into a predetermined spatial arrangement and then process them. That is, with conventional laser microprocessing, there has been a problem in that it is difficult to control the dynamic pattern of microparticles or a group of microparticles to enable highly accurate manipulation. [0006] The present invention has been made in view of the above circumstances, and it solves the drawbacks of conventional microparticle microprocessing and freely controls spatial dynamic patterns for high-precision processing of microparticles or groups of microparticles. The aim is to provide new means that can be used. More specifically, we aim to provide this dynamic pattern itself and methods for forming and utilizing it. [0007]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、レーザー光の焦点位置を高速で
繰り返し走査し、その軌跡上に複数の微粒子を捕捉して
パターン形成してなることを特徴とする微粒子動態パタ
ーンを提供する。この微粒子動態パターンは、この発明
の発明者によって検討されてきた光トラッピングの操作
を踏まえてなされたものであり、この光トラッピング方
法をさらに発展させる新しい知見に基づいて完成された
ものである。
[0008]すなわち、微粒子に対する操作の一つとし
て注目されるものに、レーザー光が有する優れたコヒー
レント特性によって、光の持つ場の運動量を物体に働く
力学的な運動量として受は渡し、微粒子に力を加えてそ
の物体を捕捉、もしくは移動させる光トラッピング操作
がある。この光トラッピング操作では、レーザー光がも
たらす力のみが対象物に働くことから、完全な非接触お
よび非破壊での操作が可能になる。このため、微粒子に
対する操作としては、この光トラッピング技術への期待
が極めて大きい。
[0009]このような光トラッピングの原理を説明す
ると、まず、レンズを介してレーザー光が微粒子に入射
し、反射・屈折し、レーザー光の持つ運動量は、微粒子
に受は渡される。反射率は通常率さいので、屈折により
受は渡される運動量が支配的となり、これによる力が微
粒子に加わる。微粒子は、この力によって、レーザー光
に捕捉された状態となる。このため、レーザー光を移動
させると、この微粒子もそれに追随することになる。
[0010]このようなレーザートラッピングでは、レ
ーザー光を波長オーダまで絞り込むことにより、微粒子
を重力に逆らって持ち上げ3次元的に捕捉することが可
能であり、ビームの操作や試料ステージの移動により、
目的の粒子だけの非接触なマニピユレーションが実現で
きる。そのため、生物学や化学の分野での応用が検討さ
れており、生体細胞の操作やセルソータ、マイクロサー
ジヤリ−等が報告されている。また、この発明の発明者
もポリマーラテックスのレーザーアブレーションなどの
極微化学の応用を試みている。
[0011]Lかし、従来のレーザートラッピングは単
一微粒子のマニピユレーションを目的としたものである
。これに対し、レーザー光の干渉パターンを利用して多
数の微粒子を光強度の高い所に配列させ、微粒子による
空間パターンを形成させる手法が提案されている。この
手法を用いれば、光による微粒子の疑似結晶化が可能で
あり、また、微小機能サイトを空間的に配列させて高効
率・高選択的な物質変換システムを構築する道が拓ける
。しかしながら、レーザー光の干渉パターンを利用する
だけでは、当然、描けるパターンには制限がある。これ
に対し、トラッピングレーザー光学系において、試料面
と結像関係の位置にマスクパターンを置き、それを試料
上に投影して微粒子パターンを形成する手法が考えられ
る。この場合、パターンの自由度は増加するが、レーザ
ー光のエネルギ利用効率は非常に低く、高いパワーのレ
ーザー光に耐えるマスクの作製も困難である。また、可
干渉性の高いレーザー光による結像のため、スペックル
雑音などの問題も生じる。 (さらに、微粒子パターン
は、基盤上に2次元的にしか作ることができない。)そ
こでこの発明の発明者は、レーザー光の焦点位置を高速
で繰り返し操作することにより、その軌跡上に複数の微
粒子を捕捉しパターンを形成してなる新しい微粒子動態
パターンとその手法を提案する。
[0012]この発明は、微粒子の粒径や媒質の粘度に
よって決まる微粒子の機械的応答速度よりも十分早くレ
ーザー光を繰り返し走査すると、各微粒子は定常光が照
射されたときと同じトラップ状態となるため、焦点の軌
跡上に多数の微粒子を捕捉できることを利用したもので
ある。このような捕捉された微粒子の動態パターンは、
ガルバノミラ−、ポリゴンミラー、光音響偏向器など、
レーザープリンターやレーザー走査顕微鏡で使われる技
術を利用すれば容易に実現できる。任意の微粒子パター
ンを形成することが可能であり、レーザー光のエネルギ
もほとんど全て利用できる。また、レーザー走査顕微鏡
で議論されているように、レーザー光を利用するにもか
かわらず、インコヒーレントな結像系と同様にコヒーレ
ント雑音の影響もない。
[0013]さらに、この走査型レーザートラッピング
を用いたパターン形成のもう1つの大きな特徴として、
空間パターンを形成した微粒子をすべて同時に動かし、
パターン上を流れるように輸送し、かつ、流速を制御で
きることがある。これは、レーザー光が微粒子上を走査
したとき、微粒子に僅かながら走査方向に力を及ぼすこ
とを利用したものであり、走査速度が遅くなるほどこの
力は大きくなる。
[00141形成された微粒子動態パターンは、任意の
形状のイメージに沿って配列可能である。この場合、動
態パターンを自由に連続的に変化させることができる。
光の強弱を付与することで、さらに多様なパターンを形
成することもできる。このようにしてパターン形成した
微粒子に対して、光反応、熱反応、さらには化学反応を
行って、そのパターンを固定することや、捕捉した微粒
子に対して所定の状況下において修飾や加工の走査を加
えることもできる。その最も代表的で、かつ、この発明
において重要な操作には、微粒子の分解、分割、局部変
換、化学修飾、微粒子相互の接袂、融合、官能性反応基
による架橋等がある。
[0015]対象とする微粒子または微粒子群について
は、その種類に特段の限定はなく、たとえば高分子ラテ
ックスの各種のもの、マイクロカプセル、二酸化チタン
、その他の無機粒子、生物細胞、ウィルス、あるいは種
々の分子組織体を用いることができる。レーザービーム
としては、Nd :YAGレーザーの基本波(1064
nm)をはじめ各種のものが使用可能である。また、分
散セルを用いる場合には、その分散媒体については、水
、有機物、その他の、捕捉される微粒子の屈折率が分散
媒体よりも高い条件を満たす各種の媒体が使用される。
[0016][Means for Solving the Problems] This invention solves the above problems by repeatedly scanning the focal position of a laser beam at high speed, capturing a plurality of fine particles on the trajectory, and forming a pattern. The present invention provides a particle dynamics pattern characterized by the following. This particle dynamic pattern was created based on the optical trapping operations studied by the inventor of the present invention, and was completed based on new findings that further develop this optical trapping method. [0008] In other words, one of the methods that has attracted attention as a method for manipulating fine particles is that, due to the excellent coherent properties of laser light, the momentum of the field of light is transferred as mechanical momentum acting on an object, and force is applied to the fine particles. There is an optical trapping operation that captures or moves the object by adding . In this optical trapping operation, only the force produced by the laser beam acts on the object, making it possible to perform completely non-contact and non-destructive operation. For this reason, there are great expectations for this optical trapping technology as a means of manipulating fine particles. [0009] To explain the principle of such optical trapping, first, a laser beam enters a fine particle through a lens, is reflected and refracted, and the momentum of the laser beam is transferred to the fine particle. Since the reflectance is usually low, the momentum transferred by refraction becomes dominant, and the resulting force is applied to the particles. This force causes the particles to be captured by the laser beam. Therefore, when the laser beam moves, the particles will follow it. [0010] In this type of laser trapping, by narrowing down the laser light to the wavelength order, it is possible to lift particles against gravity and capture them three-dimensionally.By manipulating the beam and moving the sample stage,
Non-contact manipulation of only the target particles can be achieved. Therefore, applications in the fields of biology and chemistry are being considered, and applications such as manipulation of living cells, cell sorters, and microsurgery have been reported. The inventor of this invention is also attempting to apply microchemistry such as laser ablation of polymer latex. [0011] However, conventional laser trapping is aimed at the manipulation of single microparticles. On the other hand, a method has been proposed in which a large number of fine particles are arranged in a place where the light intensity is high using an interference pattern of laser light to form a spatial pattern of fine particles. Using this method, it is possible to pseudo-crystallize microparticles using light, and it also opens the door to constructing highly efficient and highly selective material conversion systems by spatially arranging microscopic functional sites. However, there are naturally limits to the patterns that can be drawn just by using the interference pattern of laser light. On the other hand, in a trapping laser optical system, a method can be considered in which a mask pattern is placed at a position in image formation relation to the sample surface, and the mask pattern is projected onto the sample to form a particle pattern. In this case, the degree of freedom in patterning increases, but the energy utilization efficiency of laser light is extremely low, and it is difficult to produce a mask that can withstand high-power laser light. Furthermore, since the image is formed using highly coherent laser light, problems such as speckle noise occur. (Furthermore, a fine particle pattern can only be created two-dimensionally on a substrate.) Therefore, the inventor of this invention has developed a method for creating a plurality of fine particles on the trajectory by repeatedly controlling the focal position of a laser beam at high speed. We propose a new particle dynamic pattern and its method by capturing and forming a pattern. [0012] This invention provides that when a laser beam is repeatedly scanned sufficiently faster than the mechanical response speed of the particles determined by the particle size of the particles and the viscosity of the medium, each particle will be in the same trap state as when irradiated with steady light. Therefore, it takes advantage of the fact that a large number of particles can be captured on the trajectory of the focal point. The dynamic pattern of such captured particles is
Galvano mirrors, polygon mirrors, photoacoustic deflectors, etc.
This can be easily achieved using technology used in laser printers and laser scanning microscopes. It is possible to form any pattern of fine particles, and almost all of the energy of laser light can be used. Furthermore, as discussed in laser scanning microscopes, despite the use of laser light, there is no effect of coherent noise, similar to incoherent imaging systems. [0013] Furthermore, another major feature of pattern formation using scanning laser trapping is that
All particles forming a spatial pattern are moved simultaneously,
It may be possible to transport the material in a flowing manner over a pattern and control the flow rate. This utilizes the fact that when a laser beam scans a particle, it exerts a slight force on the particle in the scanning direction, and the slower the scanning speed, the greater this force becomes. [00141 The formed particulate movement pattern can be arranged along an arbitrary-shaped image. In this case, the dynamic pattern can be freely and continuously changed. By varying the intensity of light, even more diverse patterns can be formed. The patterned particles are subjected to photoreactions, thermal reactions, and even chemical reactions to fix the pattern, and the captured particles are scanned for modification and processing under predetermined conditions. You can also add The most representative and important operations in this invention include decomposition, division, local conversion, chemical modification of fine particles, adhesion of fine particles to each other, fusion, and crosslinking with functional reactive groups. [0015] There are no particular limitations on the type of target fine particles or fine particle groups, such as various types of polymer latex, microcapsules, titanium dioxide, other inorganic particles, biological cells, viruses, or various types. Molecular tissues can be used. As a laser beam, the fundamental wave (1064
A variety of materials including nanometer (nm) can be used. When a dispersion cell is used, the dispersion medium may be water, an organic substance, or any other medium that satisfies the condition that the refractive index of the fine particles to be captured is higher than that of the dispersion medium. [0016]
【実施例】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明
について説明する。
〈実験システム〉
実験システムの構成を図1に示す、トラッピング用レー
ザー光はCWNd :YAGレーザ−(Spectro
n S L 902T、波長101064n (1
)である。これを、2枚のガルバノミラ−(GSIG3
52DT)(2)で2軸方向に偏向させ、2枚のレンズ
系(3)で顕微鏡光学系の開口数と焦点位置に合わせる
。顕微鏡(Nikon 0ptiphotXF)内では
ダイクロイックミラー(4)で反射し、油浸対物レンズ
(x 100、NA=1.30) (5)で試料上に
集光する。集光スポットの大きさは約1μmである。2
枚のガルバノミラ−(2)は共に顕微鏡の開口瞳と結像
位置にあり、ガルバノミラ−(2)による偏向により、
焦点位置は試料上を2次元的に走査する。ガルバノミラ
−(2)はコントローラ(Marubun ) (6
)で制御し、たとえば、後述する四角のパターンの場合
、毎秒30回の繰り返し描画が可能である。描画パター
ンの形状はコンピュータ(NECPC9801RA)
(7)からコントローラ(6)に指示を与える。微粒
子のパターン形成の様子は、試料の下方からの照明によ
り、CCDカメラ(NECN(、−15M) (8)
上に結像してモニター(9)で観測する。レーザー光の
パワーは、本実験では600mWであった。
[0017]試料(10)は、エチレングリコール(屈
折率1,46、粘度17.3cP)中に分散させた17
xmの単分散ポリスチレンラテックス(屈折率1゜59
)であり、この分散溶液を2枚のカバーガラスで挟み、
スペーサを使って液層の厚みを約100μmとしたもの
を用いた。
〈試験結果〉
図2は、レーザ光でアルファベット文字“M”を描画し
、その上にラテックス微粒子を配列させたものである。
約60個のラテックスが数珠状に並んで、きれいに“′
M“のパターンが形成されている。レーザ光の照射を開
始した時点では、観測面上にラテックス微粒子は存在せ
ず、自然に落下し7てきた一部のラテックスを除いては
、レーザ光の放射圧で引き寄せられたものである。1個
当たりに照射されているレーザパワーは約10mWであ
り、毎秒20回の繰り返し走査を行った。同様にしてそ
れぞれ、■°“、” c ”、“R”、“○゛の文字パ
タンを形成することもできた。文字の一辺は約15μm
であり、繰り返し周波数は、それぞれ、40.30.1
5.30回/秒であった。これらの文字は、このままの
形で視野内を自由に平行移動させることも可能であった
。ラテックス微粒子がレーザ光で引き寄せられて1つの
文字を形成するのに要する時間は約30秒であった。
これは、粘度の高いエチレングリコールを媒質に用いた
ためで、水などの場合は格段に速くなる。
[0018]図31図4、図5および図6は、正方形を
描画したときに、微粒子全体が輸送される様子を20秒
秒間下観測したものである。図中の矢印を付した粒子が
移動していることがわかる。正方形の一辺は15μmで
あり、毎秒30回の繰り返し描画である。これは、レー
ザ光焦点位置の移動速度に換算すると1.8mm/ s
である。
また、粒子の移動速度(流速)を推定すると、2.0μ
m/Sであった。
[0019]このようにラテックス微粒子が輸送される
原理について考察するため、いま、1個の微粒子に注目
し、その上をレーザー光が1回走査するとする。微粒子
が固定されており全く動かないとしたときには、レーザ
ースポットの位置に関数として微粒子に働く力を図7の
ように模式的に表わすことができる。この図7において
は、縦軸は、上方が座標の正の方向、すなわち、レーザ
ースポットの進行方向の力、下方がその逆の力を表す。
レーザースポットが微粒子に近づいてくると、まず、微
粒子を引きつける力が働き、その大きさは電場の勾配に
よって図の様に変化する。レーザー光が微粒子と重なっ
たときには、水平方向に力は作用しなくなり、通り過ぎ
ると全く反対の現象が起こる。この場合、微粒子に働く
力を時間的に積分すると、進行方向とその逆方向の力が
キャンセルしてゼロとなる。
[o o 201次に、微粒子が動ける場合を考える。
レーザー光が近づいてくると、微粒子が引き寄せられて
動くため、図7(b)の様に、レーザー光が微粒子と重
なるまでの波形は図7(a)より圧縮される。一方、レ
ーザー光か微粒子を通過した後は、同じく引き寄せられ
ることにより、力の波形は広げられる。すると1時間積
分した力は、レーザーの進行方向にある値を持つ。この
力に1秒間の繰り返し走査回数を掛けたものが仕事量と
して微粒子に働き、この仕事量と溶媒による粘性抵抗や
基盤との摩擦抵抗により微粒子の移動速度が決まる。
[00211図3〜図6の正方形の描画繰り返し回数を
かえて、レーザースポットの走査速度の関数として微粒
子の移動速度をプロットすると、走査速度が速くなるほ
ど流速が下がっていることが確認される。これは、図7
の原理から考えると、レーザー光の走査速度が速いと微
粒子が動く量は小さくなり、進行方向の力と逆方向の力
の差が小さくなってくるためと考えられる。
(0022]また、微粒子の移動速度のレーザーパワー
依存性を測定した結果からは、最小的100 mWのパ
ワーで正方形のパターが形成でき、レーザーパワーを上
げると移動速度は速くなることが確認される。このよう
にして、微粒子を輸送する場合の流速は、レーザーパワ
ー、レーザースポットの走査速度によって制御すること
が可能である。
[0023]原理的に3次元的なlへラッピングも可能
であり、形成したパターンを基盤上から持ち上げること
もできる。また、レーザー光の波長に吸収のある微粒子
はトラップできないことを利用して、たとえば、2種類
の微粒子を混ぜ合わせたとき、一方にレーザー光を吸収
する物質を含有させておけば、1種類だけの微粒子で選
択的にパターン形成することができ、もう一方の微粒子
は異なる波長のレーザー光を同時に照射して、別のパタ
ーンを形成させることも可能である。
[0024]一方、輸送機能を用いれば、マイクロメー
トル・オーダの化学工程制御ができ、たとえば、図3〜
6の正方形のパターンの2辺にそれぞれ異なる波長の光
を照射し、ラテックス中に光反応物質を含有させておく
と、一方の光で反応した粒子が輸送されながら周囲の溶
媒と次第に反応し、さらに、もう1つの光で反応が起こ
るといった系が構成できる。この様な空間的に微小な反
応場を構築すれば、生物細胞・生体組織の物質循環系に
対応する高効率・高選択的な物質・エネルギの変換・転
送が可能となると期待される。
[00251図8は、ラテックスに変えて、0.5μm
以下の粒径の酸化チタン粒子を用い、図2と同様にして
星形のパターンを形成したものである。このように、こ
の発明においては、各種の微粒子、あるいはマイクロカ
プセルを用い、レーザー光により特定の動態パターンを
形成することができる。もちろん、この発明は上記の例
によって限定されるものではない。各種の具体的態様が
可能である。
[0026][Examples] Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. <Experimental system> The configuration of the experimental system is shown in Figure 1. The trapping laser beam was a CWNd:YAG laser (Spectro
n S L 902T, wavelength 101064n (1
). Connect this to two galvano mirrors (GSIG3
52DT) (2) to deflect in two axial directions, and two lens systems (3) to match the numerical aperture and focal position of the microscope optical system. Inside the microscope (Nikon 0ptiphot The size of the focused spot is approximately 1 μm. 2
Both galvano mirrors (2) are located at the aperture pupil and imaging position of the microscope, and due to the deflection by the galvano mirrors (2),
The focal position scans the sample two-dimensionally. The galvanometer mirror (2) is connected to the controller (Marubun) (6
), and for example, in the case of a square pattern to be described later, it is possible to repeatedly draw 30 times per second. The shape of the drawing pattern is created by a computer (NECPC9801RA)
An instruction is given from (7) to the controller (6). The pattern formation of fine particles was observed using a CCD camera (NECN (,-15M) (8)) by illuminating the sample from below.
An image is formed on top and observed on a monitor (9). The power of the laser light was 600 mW in this experiment. [0017] Sample (10) is 17 dispersed in ethylene glycol (refractive index 1.46, viscosity 17.3 cP).
xm monodispersed polystyrene latex (refractive index 1°59
), and this dispersion solution is sandwiched between two cover glasses,
The thickness of the liquid layer was set to about 100 μm using a spacer. <Test Results> In FIG. 2, the alphabet letter "M" is drawn with a laser beam, and latex fine particles are arranged on it. Approximately 60 pieces of latex are lined up in a rosary, neatly
A pattern of "M" is formed.When the laser beam irradiation was started, there were no latex particles on the observation surface, except for some latex particles that had fallen naturally. They were attracted by radiation pressure. The laser power irradiated per one was about 10 mW, and scanning was repeated 20 times per second. In the same way, ■°", "c", " It was also possible to form character patterns of “R” and “○゛.One side of the character is approximately 15 μm.
and the repetition frequency is 40.30.1, respectively.
It was 5.30 times/second. It was also possible to move these characters freely in parallel within the field of view in their original form. It took about 30 seconds for the latex fine particles to be attracted by the laser beam to form one character. This is because ethylene glycol, which has a high viscosity, is used as a medium, and water is much faster. [0018] FIG. 31 FIGS. 4, 5, and 6 are images of a 20-second observation of how the entire particulate is transported when a square is drawn. It can be seen that the particles marked with arrows in the figure are moving. One side of the square is 15 μm, and drawing is repeated 30 times per second. This is 1.8 mm/s when converted to the moving speed of the laser beam focal position.
It is. In addition, when estimating the moving speed (flow speed) of particles, it is 2.0μ
It was m/S. [0019] In order to consider the principle by which latex fine particles are transported in this way, let us now focus on one fine particle and assume that a laser beam scans over it once. Assuming that the particles are fixed and do not move at all, the force acting on the particles as a function of the position of the laser spot can be schematically expressed as shown in FIG. In FIG. 7, the upper part of the vertical axis represents the force in the positive direction of the coordinates, that is, the force in the advancing direction of the laser spot, and the lower part represents the force in the opposite direction. When the laser spot approaches a particle, a force that attracts the particle acts, and its size changes as shown in the figure, depending on the gradient of the electric field. When a laser beam overlaps with a particle, no horizontal force is exerted on it, and when it passes by, the exact opposite phenomenon occurs. In this case, when the force acting on the particle is integrated over time, the force in the direction of movement and the force in the opposite direction cancel and become zero. [o o 201 Next, consider the case where particles can move. When the laser beam approaches, the fine particles are attracted and move, so the waveform until the laser beam overlaps the fine particles is compressed compared to that in FIG. 7(a), as shown in FIG. 7(b). On the other hand, after the laser beam passes through a particle, the force waveform is broadened due to the same attraction. Then, the force integrated over one hour has a certain value in the direction of travel of the laser. This force multiplied by the number of repeated scans per second acts on the particles as work, and the movement speed of the particles is determined by this work, viscous resistance due to the solvent, and frictional resistance with the substrate. [00211 When the number of repetitions of drawing the squares in FIGS. 3 to 6 is changed and the moving speed of the particles is plotted as a function of the scanning speed of the laser spot, it is confirmed that the faster the scanning speed is, the lower the flow speed is. This is shown in Figure 7.
Considering this principle, it is thought that when the scanning speed of the laser beam is high, the amount by which the particles move becomes smaller, and the difference between the force in the forward direction and the force in the opposite direction becomes smaller. (0022) Furthermore, the results of measuring the laser power dependence of the particle movement speed confirm that a square pattern can be formed with a minimum power of 100 mW, and that the movement speed increases as the laser power is increased. In this way, the flow rate when transporting fine particles can be controlled by the laser power and the scanning speed of the laser spot. [0023] In principle, three-dimensional wrapping is also possible, The formed pattern can also be lifted off the substrate.Also, by taking advantage of the fact that fine particles that absorb the wavelength of laser light cannot be trapped, for example, when two types of fine particles are mixed, one of them absorbs the laser beam. If a material is included in the material, it is possible to selectively form a pattern using only one type of fine particles, and it is also possible to form another pattern by simultaneously irradiating the other fine particles with laser light of a different wavelength. [0024] On the other hand, if the transport function is used, chemical process control on the micrometer order can be performed, for example, as shown in FIGS.
When light of different wavelengths is irradiated on each side of the square pattern 6 and a photoreactive substance is contained in the latex, the particles that reacted with one side of the light are transported and gradually react with the surrounding solvent. Furthermore, it is possible to construct a system in which a reaction occurs with another type of light. By constructing such a spatially minute reaction field, it is expected that highly efficient and highly selective conversion and transfer of substances and energy will be possible, which corresponds to the material circulation system of biological cells and tissues. [00251 In Figure 8, instead of latex, 0.5 μm
A star-shaped pattern was formed in the same manner as in FIG. 2 using titanium oxide particles having the following particle sizes. In this way, in the present invention, a specific dynamic pattern can be formed using laser light using various types of fine particles or microcapsules. Of course, the invention is not limited to the above examples. Various specific embodiments are possible. [0026]
【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明した通
り、所定のパターンに微粒子動態を制御することができ
、また、この動態パターンにある微粒子を固定し、加工
・修飾することも可能である。[Effects of the Invention] As explained in detail above, according to the present invention, it is possible to control the movement of fine particles into a predetermined pattern, and it is also possible to fix, process and modify the fine particles in this movement pattern.
【図1】この発明に用いることのできる実験システムを
示した光学系ブロック図である。FIG. 1 is an optical system block diagram showing an experimental system that can be used in the present invention.
【図2】この発明による微粒子動態パターンの一例を示
した模式平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view showing an example of a particle dynamic pattern according to the present invention.
【図3】[Figure 3]
【図4】[Figure 4]
【図51
【図6】この図3〜6は、この発明による微粒子動態パ
ターンにおける微粒子の輸送状態を示した模式平面図で
ある。51 [FIG. 6] FIGS. 3 to 6 are schematic plan views showing the transport state of fine particles in the fine particle movement pattern according to the present invention.
【図7】微粒子の輸送について原理的に示した作用力の
模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram of acting forces showing the principle of transport of fine particles.
【図8】この発明のさらに別の動態パターンを示した模
式平面図である。FIG. 8 is a schematic plan view showing still another dynamic pattern of the present invention.
I CWNd:YAGレーザ− 2ガルバノミラ− 3レンズ系 4 ダイクロイックミラー 5 対物レンズ 6 コントローラ 7 コンピュータ 8 CCDカメラ 9 モニタ 10 拭料 I CWNd: YAG laser 2 galvano mirror 3 lens system 4 Dichroic mirror 5 Objective lens 6 Controller 7 Computer 8 CCD camera 9 Monitor 10 Wiping material
Claims (1)
し、その軌跡上に複数の微粒子を捕捉してパターン形成
してなることを特徴とする微粒子動態パターン。1. A particulate dynamic pattern characterized by forming a pattern by repeatedly scanning the focal position of a laser beam at high speed and trapping a plurality of particulates on the trajectory.
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|---|---|---|---|---|
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