DE69033509T2

DE69033509T2 - Laserverfahren zur Behandlung von Mikrokapseln oder Teilchen

Info

Publication number: DE69033509T2
Application number: DE69033509T
Authority: DE
Inventors: Noboru Kitamura; Masanori Koshioka; Hiroshi Masuhara; Hiroaki Misawa; Keiji Sasaki
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1989-12-07
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2010-12-08
Also published as: EP0437043A3; EP0437043B1; US5283417A; DE69033509D1; US5393957A; CA2031716A1; EP0437043A2; CA2031716C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lasermikroverarbeitung. Insbesondere betrifft sie Lasermikroverarbeitung, die eine einfache und genaue chemische Modifikation und Verarbeitung der Oberfläche eines Mikropartikels oder einer Mikrokapsel durch die Bestrahlung mit Laserstrahlen erlaubt, und weiter eine Feinverarbeitung unter Verwendung dieser Mikropartikel und Mikrokapseln sowie die Anwendung davon im Elektronikbereich, in der chemischen Verfahrenstechnik oder in der Medizin etc.
Während der letzten Jahre wurde die Aufmerksamkeit auf die Entwicklung von Feinmodifikationen von chemischen Materialien, wie hochmolekularen Materialien und anorganischen Substanzen, im Partikelbereich, und die Mikroverarbeitungstechnologien hierfür gerichtet. Eine intensive Forschungs- und Entwicklungstätigkeit wird auf diesem Gebiet in der Hoffnung durchgeführt, daß eine derartige Technik die Elementarverfahren von Umwandlungsverfahren verändern können wird. Auch bei lebenden Zellen wurde eine zur Ausführung der Transplantation, Migration, Fusion und anderer Feinmanipulation davon ausgelegte Mikroverarbeitung sehr wichtig.
Üblicherweise werden verschiedene chemische Manipulationsverfahren für derartige Mikropartikel vorgeschlagen. Aber mit chemischen Verfahren wurde es zunehmend schwieriger, die Reaktion zwischen den zu verarbeitenden Partikeln und dem Reaktionsentwicklungsagens zu steuern, und es gab eine Präzisionsobergrenze bei der Ausführung von Manipulationen von einzelnen Partikeln.
Andererseits ist es auf dem Gebiet der Manipulation lebender Zellen möglich, durch manuelle Verfahren, wie ein Feininjektionsverfahren, ein Migrationsverfahren durchzuführen und somit wurde es möglich, die Manifestationswirksamkeit auf etwa 102 zu erhöhen. Jedoch führt der Manipulierende bei diesem Verfahren die Verarbeitung durch, indem unter einem Mikroskop eine Mikropipette in direkten Kontakt mit Einzelzellen gebracht wird. Daher wird es unbedingt erforderlich, daß derartige Verarbeitungsschritte unter einer Sterilbank durchgeführt werden, und solche Verarbeitungsschritte können nicht automatisiert durchgeführt werden. Aus diesem Grund hängen die Verarbeitungseffizienz und die Verarbeitungsmenge von der Fähigkeit und dem Bemühen des Manipulierenden ab und es ist schwierig, innerhalb einer kurzen Zeitdauer eine genaue Verarbeitung durchzuführen.
Gegenüber den vorstehend beschriebenen üblichen Verfahren wird ein Verarbeitungsverfahren vorgeschlagen, das Laserstrahlen zur Durchführung von Mikromanipulationen von Partikeln verwendet.
Laser Focus, Vol. 18, Nr. 8, Aug. 1982, Seite 22-26 offenbart den Partikeleinfang mittels Laserstrahlung. Applied Physics Letters, Vol. 24, Nr. 12, 15. Juni 1974, Seite 586- 588 offenbart den Partikeleinfang mittels Laserstrahlung und die Verwendung einer derartigen Technik zum Halten von Zielpartikeln bei einer Laserfusion in Luft oder Vakuum.
Laserlicht ist hervorragend hinsichtlich der Homogenität, der Richtfähigkeit, der Leuchtdichte und der Regelbarkeit. Und daher kann Lichtenergie auf die Partikelfeinbereiche konzentriert und gestrahlt werden, und es wird möglich, eine kontaktfreie, genaue, örtlich bestimmte bzw. lokalisierte Mikroverarbeitung durchzuführen, die mit dem üblichen Verfahren unmöglich ist.
Als Verarbeitungsverfahren für Zellen bei Verwendung von Laserstrahlen wurde zum Beispiel ein Verfahren zum Sammeln von Ar-Laserstrahlen mit einem Linsensystem, Einstellen des zu bestrahlenden Partikelbereiches mit der Anvisiervorrichtung des Mikroskop-Objekttisches und dessen Bestrahlung vorgeschlagen. Die Wirkung auf Zellen und andere Partikel kann durch Veränderung der Wellenlänge der einzustrahlenden Laserstrahlen geändert werden und daher werden Versuche zur Verwendung von Laserstrahlen durchgeführt.
Als Feinverarbeitungsverfahren bei Verwendung von Laserstrahlen ist als wichtiges Verfahren im Halbleitergebiet eine Musterübertragung bekannt, bei der Laserstrahlen durch eine Fotomaske auf ein Substrat gestrahlt werden.
Jedoch gibt es bei den herkömmlichen Verfahren Grenzen hinsichtlich der Auswahl von Bestrahlungsbedingungen, einschließlich der Wellenlänge der Laserstrahlen, des Lichtpunktdurchmessers, der Impulslänge und der Schußanzahl sowie eine Auflösung, die so gering war, daß nur die Größenordnung von Mikron erwartet werden kann. Aus diesem Grund war es unmöglich, die Präzision von Fein- und Mikroverarbeitungen mit Laserstrahlen zu verbessern.
Aus dem herkömmlichen Verfahren ist nicht viel über die Bestrahlung mit Laserstrahlen und die Steuerung des Partikelverhaltens bekannt. Die Technik der chemischen Modifikation bzw. Veränderung und Verarbeitung von Partikeln hat sich zum Beispiel noch nicht durchgesetzt und die Präzision der Ortsbestimmung von Partikeln ist gering und weit entfernt von einer praktischen Anwendung.
EP-A-0 137 504 offenbart die Verwendung eines Impulslasers, um lebende biologische Zellen in einem Flüssigmedium vorübergehend so zu modifizieren, daß ihnen eine Fremdsubstanz implantiert werden kann.
EP-A-0 307 940 beschreibt den zerstörungsfreien Einfang von biologischen Partikeln, die in einem Flüssigmedium, wie Wasser, suspendiert sind, mittels eines Infraroteinfanglasers.
In Applied Physics B. Photophysics and Chemistry, Vol. B46, Nr. 3, Juli 1988, Heidelberg DE, Seite 221-236 offenbart J. Wolfrum die Verwendung eines UV-Impulslasers zur Manipulation von biologischen Partikeln.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Erwägung der vorgenannten Umstände gemacht und hat die Aufgabe, eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur Verfügung zu stellen, die bzw. das Laserstrahlen auf eine Partikelprobe mit mindestens einer Genauigkeit im Mikron-Bereich strahlt, und die Modifikation und Verarbeitung von Partikeln kann mit einer hohen Präzision bzw. Genauigkeit durchgeführt werden.
Zur Lösung der obigen Aufgabe stellt diese Erfindung ein Verfahren zur Mikroverarbeitung oder zur Mikromodifikation von Mikropartikeln zur Verfügung, gekennzeichnet durch Einfangen der Mikropartikel, wobei die Mikropartikel in einem Dispersionsmedium auf der Grundlage von Wasser oder einer organischen Verbindung dispergiert sind, durch Laserbestrahlung von einer ersten Quelle und Verarbeitung oder Modifizierung der eingefangenen Partikel durch gepulste Laserbestrahlung bzw. Impulslaserstrahlung von einer zweiten Quelle.
Bei der Anwendung der Erfindung kann man eine durch die Strahlung von Laserstrahlen eingefangene Mikrokapsel verschieben und zur Implosion mit Verarbeitungslaserstrahlen bestrahlen und an einem bestimmten Ort mit dem durch die Implosion freigesetzten Reaktionssubstrat chemische Modifikationen und Bearbeitungen durchführen.
Bei dieser Erfindung kann man ein mikroskopisches Mikrospektroskop verwenden, das durch die Ausstattung mit einem Anregungsimpulslaser und einem Einfanglaser gekennzeichnet ist, um die Reaktionseigenschaften der Erscheinungen zu bestimmen, die die Basis für diese Mikroverarbeitung bereitstellen.
In der angefügten Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Beispiels für eine kleine erfindungsgemäße Mikroverarbeitungsvorrichtung,
Fig. 2 (a), (b) und (c) Zeichnungen, die den Zustand der Partikel während der Bestrahlung mit Laserstrahlen darstellen, welche Ausführungsformen der Erfindung zeigen,
Fig. 3 (a), (b) und (c) Zeichnungen, die den Implosionszustand einer Mikrokapsel als Ausführungsformen der Erfindung darstellen, und
Fig. 4 die Darstellung eines Meßspektrums durch mikroskopische Spektroskopie gemäß der Erfindung
Eines der erfindungsgemäßen Merkmale der Mikroverarbeitung, das wir Fotoeinfang nennen, ist als eine der Partikelmanipulationen von Bedeutung und wendet hervorragende Kohärenzeigenschaften an, die Laserstrahlen besitzen, um den Impuls zu übertragen, den Licht als auf einen Körper wirkenden dynamischen Impuls aufweist und der Kraft auf Partikel ausübt, um den Körper einzufangen oder zu verschieben.
Durch diese Fotoeinfangmanipulation wirkt nur die durch Laserstrahlen erbrachte Kraft auf ein Objekt, wodurch eine völlig kontaktfreie und zerstörungsfreie Manipulation ermöglicht wird.
Zusätzlich zu einem derartigen Einfanglaser verwendet die vorliegende Erfindung einen Verarbeitungsimpulslaser.
Diese Laserverarbeitung ist zur Durchführung von Modifikationen, Verarbeitungsschritten und anderen Manipulationen bei den eingefangenen Partikeln unter den erforderlichen Bedingungen ausgestaltet. Die typischsten und wichtigsten Manipulationen nach der Erfindung umfassen die Auflösung, Teilung, örtliche Umwandlung und chemische Modifikation von Partikeln, die Verbindung und Verschmelzung zwischen Partikeln und die Quervernetzung mit funktionellen Reaktionsgruppen.
Große Erwartungen werden in diese Fotoeinfangtechnik als Verfahren für Mikropartikel bzw. Operationen an Mikropartikeln gesetzt.
Es folgt ist eine Beschreibung des Prinzips des Fotoeinfangs. Ein Laserstrahl tritt durch eine Linse in die Partikel ein und wird reflektiert und gebrochen und der Impuls des Lasers wird auf das Partikel übertragen. Da die Reflexionsrate gewöhnlich gering ist, wird der durch Brechung abgegebene Impuls überwiegend bzw. bestimmend und die dadurch ausgeübte Kraft wird auf das Partikel übertragen.
Das Partikel wird von dem Laser eingefangen. Dementsprechend folgt das Partikel der Bewegung, wenn der Laserstrahl zur Bewegung veranlaßt wird.
Wie aus diesem Prinzip offensichtlich ist, werden Manipulationen möglich, wie kontaktfreies und zerstörungsfreies Einfangen und Verschieben von Partikeln, und wenn die Partikel, zum Beispiel Polymerpartikel auf lebenden Zellen und Bakterien, der Modifikation und Verarbeitung unterzogen werden, wird dieser Fotoeinfang ein sehr nützliches Mittel bei der Reaktionsmanipulation von Mikropartikeln.
Eine der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung übernimmt die vorstehend genannten Laserstrahleinfangmittel.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine kleine erfindungsgemäße Mikroverarbeitungsvorrichtung darstellt.
Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, besitzt die erfindungsgmäße Vorrichtung Lasereinrichtungen (A¹) (A²), eine Feinpositioniereinrichtung für einen Laserstrahlbereich (B) und eine Bildverarbeitungseinrichtung (C).
Die Lasereinrichtung (A¹) bildet eine Einrichtung für eine sehr kompakte Fotoeinfangvorrichtung als mikroskopisches System. Diese Vorrichtung ermöglicht es, Mikropartikel einfach und sanft zu manipulieren.
Die Lasereinrichtungen (A¹) (A²) gestatten die Auswahl einer Laserquelle und dessen optischen Systems entsprechend der Art und Größe der betroffenen Partikel und dem Zweck der erforderlichen Modifikation und/oder Verarbeitung.
Die Lasereinrichtung (A²) strahlt Impulslaserstrahlen aus, was zur Bereitstellung einer Modifikation und/oder einer Verarbeitung mit der eingefangenen Mikrokapsel verwendet wird.
Der Verarbeitungslaser implodiert die eingefangenen Mikrokapseln, wodurch die Modifikation und Verarbeitung unter festgelegten Bedingungen gestattet wird.
Durch Verwendung eines derartigen Implosionsverfahrens wird die Reaktionsgruppe dazu gebracht, durch Implodieren der Mikrokapsel freigesetzt zu werden, wobei die reaktive Gruppe bis zur Implosion eingeschlossen ist, was eine festgelegte Reaktion und Verarbeitung gestattet.
Es wird zum Beispiel möglich, diese Reaktionen an den Feinbereichen eines Oberflächensubstrats zu bewirken.
Diese Erfindung ist für verschiedene Partikel anwendbar, einschließlich organischer Polymere, deren Latizes, anorganischer Partikel, Metallpartikel oder Mikrokapseln.
Wenn die Partikel in einem Dispersionsmedium dispergiert vorliegen, kann das Dispersionsmedium Wasser, Alkohol, Ether oder verschiedene andere organische Verbindungen sein.
Einige Ausführungsformen werden dargestellt, um die Mikroverarbeitung und die Vorrichtung dafür weiter zu beschreiben.

Ausführungsform 1

Bei einem Vorrichtungsaufbau wie aus Fig. 1 werden Polymethylmethacrylat-(PMMA)-Latexpartikel eingefangen und durch einen Impulslaser zum Umformen und zur örtlichen Umwandlung der Partikel bestrahlt.
Der Durchmesser der PMMA-Partikel war zu diesem Zeitpunkt etwa 5 bis 10 um.
1064 nm-(CW)- und 355 nm-(Impuls)-Laserstrahlen eines Nd : YAG- Lasers, wie in Fig. 1 dargestellt, wurden in ein Mikroskop eingeleitet und Partikel wurden mit dem 1064 nm-(CW)- Laserstrahl eingefangen und PMMA-Partikel wurden mit dem 355 nm-(Impuls)-Laserstrahl verarbeitet.
Die Fig. 2 (a), (b) und (c) zeigen den Zustand der Partikel bei einem einfachen, einem zweifachen und bei mehrfachen Laserlichtbeschuß. Bei dem eingefangenen Partikel (1) wird ein bearbeiteter Bereich (2) erzeugt, wahrscheinlich aufgrund der Tatsache, daß die PMMA-Quervernetzung getrennt wird, und der bearbeitete Abschnitt (2) wird durch mehrfachen Beschuß erweitert. Die Ablation bzw. Abschmelzung bei 1 Hz ist dargestellt.
Das Ergebnis zeigt die Möglichkeiten des Einfangs und der Modifikation und Verarbeitung von Partikeln mit Laser und es ist zu erwarten, daß die Laserstrahlung weitere Anwendungen finden wird, wenn sie bei Verwendung vielfacher Partikelarten verwendet wird.

Ausführungsform 2

Tabelle 1 zeigt den durchgeführten Lasereinfang bei Verwendung der Grundschwingung (1064 nm) eines cwNd³ : YAG-Lasers. Sie zeigt, daß der Brechungsindex von Polystyren-Latex, PMMA-Latex, Flüssigparaffintröpfchen und anderen Partikeln größer ist als der des sie umgebenden Mediums. Sie werden wie in dem Prinzip geschildert eingefangen. Jedoch konnte beobachtet werden, daß bei den Wassertröpfchen in Flüssigparaffin das Verhältnis der Brechungsindizes umgekehrt ist und sich das Wassertröpfchen aus dem Laserfokus heraus bewegt. Als der Partikeldurchmesser größer als ein Laserpunkt (~ 1 um) war, konnten sie dreidimensional eingefangen werden, aber wenn ihr Durchmesser kleiner als der Laserpunkt war, wurde die in Richtung der Laserlichtachse (Z-Achse) wirkende Kraft überaus klein. Bei einem derartigen Fall konnten die Partikel auf einer Glasplatte auf dem Boden der Probenzelle zweidimensional manipuliert werden. Obwohl die Partikel aus oxidiertem Titan (Titanium) nicht kugelförmig waren, konnten sie zweidimensional eingefangen werden. Tabelle 1: Lasereinfang von verschiedenen Partikeln

Ausführungsform 3

Nachdem eine asphärische Mikrokapsel mit einem Durchmesser von 10 um durch einen Laser eingefangen wurde, wurde ein Impulslaser (355 nm, 7 ns fwhm) darauf gestrahlt, um eine Implosion zu verursachen. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 (a) zeigt den Zustand, in dem die Mikrokapsel (3) mit dem Laser eingefangen war. Die für den Einfang verwendete Laserlichtstärke beträgt 3,2 W. Durch Verschieben des Objektträgers eines Fotomikroskops wurde bestätigt, daß diese Mikrokapsel (3) dreidimensional eingefangen war. Fig. 3(b) zeigt den Zustand, nachdem 41,7 J/cm² des Impulslasers auf die eingefangene Mikrokapsel (3) mit einem einzigen Schuß gestrahlt wurde. Obwohl keine Implosion der Kapsel beobachtet wurde, kann bestätigt werden, daß die Kapsel durch die Bestrahlung des Impulslasers umgeformt wurde. Als zusätzlich 1,37 kJ/cm² in einem einzigen Schuß eingestrahlt wurden, trat eine Implosion der Kapsel (3) auf und bei einer Pyren-haltigen Lösung wurde die Toluenlösung (4) in die äußere Wasserphase ausgestoßen (Fig. 3c). Es wurde festgestellt, daß zu diesem Zeitpunkt die in die Wasserphase ausgestoßene Toluenlösung sphärisch ist und daß diese mit dem Laser eingefangen ist.
Bei Verwendung dieser Technik wird eine Mikrokapsel, in der eine Reaktionsgruppe enthalten ist, zu einem vorbestimmten Platz auf einer der Feinverarbeitung ausgesetzten Elektrode transportiert und nur ein räumlicher Bereich bei oder in der Nähe der Elektrode mit einer Größe im Mikron-Bereich kann durch die Strahlung eines anderen Anregungslaserlichts chemisch modifiziert werden.

Ausführungsform 4

Bei einem Aufbau wie aus Fig. 1 wurde das als Zusatzstoff zum Pyren verwendete Latex eingefangen und der Strahlung des Impulslasers zur Anregung der Partikel ausgesetzt.
Der Durchmesser der PMMA-Partikel war in diesem Fall etwa 5 bis 10 um.
1064 nm-(cw)- und 355 nm-(Impuls)-Niedrigenergie-Laserstrahlen aus dem Nd : YAG-Laser wurden in ein Mikroskop eingelassen, die Partikel wurden mit dem 1064 nm-(cw)-Laserstrahl eingefangen und die Partikel wurden mit den 355 nm-(Impuls)- Laserstrahlen angeregt.
Es wird möglich, aufgrund dieser Anregung das Zeitaufgelöste Spektrum und die Reaktionsspezies aus der Lichtemission zu verfolgen.
Fig. 4 zeigt das Spektrum aus der Wellenlänge und Stärke des emittierten Lichts.
Das Ergebnis zeigt die Möglichkeiten des Einfangs und der spektrochemischen Analyse mit Lasern und es wird erwartet, daß seine Anwendung bei der Partikelanalyse sich erweitern wird.
Als Pyren wurde eine Flüssigparaffinlösung (1 · 10² mol dm&sup9;) in Wasser dispergiert und das Fluoreszenzlicht der Mikrotröpfchen davon wurde gemessen. Die nach Aussetzen der 3,6 um-Tröpfchen einem Lasereinfang und einer spektrochemischen Analyse erhaltenen Ergebnisse sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Die Figuren zeigen, daß ermittelt wurde, daß das Fluoreszenzspektrum die besondere Vibrationsstruktur des Pyrens in der Nähe von 370 und 400 nm und die Excimerbande bzw. die Bande des angeregten Dimers mit ihrer maximalen Wellenlänge in der Nähe von 470 nm anzeigt und auch, daß es möglich war, eingefangene Partikel zu identifizieren. Darüber hinaus konnte die Dämpfung und der Anstieg beobachtet werden. Ähnliche Messungen konnten bei einem Polymerlatex, in dem ein Pyren, p-Tarphenil und andere fluoreszierende Pigmente zugesetzt sind, beobachtet werden.

Claims

1. Verfahren zur Mikroverarbeitung oder zur Mikromodifikation von Mikropartikeln, gekennzeichnet durch Einfangen der Mikropartikel, wobei die Mikropartikel in einem Dispersionsmedium auf der Grundlage von Wasser oder einer organischen Verbindung dispergiert sind, durch Laserbestrahlung von einer ersten Quelle und Verarbeitung oder Modifizierung der eingefangenen Partikel durch gepulste Laserbestrahlung bzw. Impulslaserstrahlung von einer zweiten Quelle.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem bewirkt wird, daß sich die eingefangenen Mikropartikel an einen bestimmten Ort bewegen und einer gepulsten Laserbestrahlung von der zweiten Quelle unterzogen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das Mikropartikel eine Mikrokapsel ist, bei welcher bewirkt wird, daß sie aufgrund der gepulsten Laserbestrahlung von der zweiten Quelle implodiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Mikrokapsel eine Reaktionsgruppe einschließt, und bewirkt wird, daß die Mikrokapsel mittels der gepulsten Laserbestrahlung von der zweiten Quelle implodiert, so daß eine chemische Modifikation der Reaktionsgruppe bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das Verfahren eine Mikromodifikation oder Mikrobearbeitung einer Sorte bzw. einer Spezies durch Variierung der Energie eines einzelnen Lasers oder Steuerung der Strahlungsenergie einer Anzahl von Wellenlängen umfaßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die eingefangenen Mikropartikel und eine chemische Spezies auf der Oberfläche und/oder innerhalb dieser zur Emittierung von Licht für eine Spektrometrie angeregt werden.