JPH04210231A - 微粒子動態パターン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［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］

【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］

【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］

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【図３】

【図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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ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。