JP2001232182A - 微粒子の配列方法 - Google Patents

微粒子の配列方法

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JP2001232182A JP2000047444A JP2000047444A JP2001232182A JP 2001232182 A JP2001232182 A JP 2001232182A JP 2000047444 A JP2000047444 A JP 2000047444A JP 2000047444 A JP2000047444 A JP 2000047444A JP 2001232182 A JP2001232182 A JP 2001232182A
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陽介 木内
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敬 住友
Jitsuo Sakakibara
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 周囲の媒質より低屈折率の微粒子や光を反射
する微粒子を包含する微粒子ついて、複数同時に移動、
配列させることができる方法を提供する。 【解決手段】 散在する多数の微粒子に対して、2本の
放射圧発生ビームを同期走査して照射し、ビームの空洞
を形成し、2本のビームの間に存在する複数の微粒子を
ビームの放射圧により同時に前記空洞内に捕捉し、所定
の位置に配列させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ビームの放射圧を
利用して複数の微粒子を配列させる方法、さらに詳しく
いえば、本発明は、生物工学、化学、医用工学、材料工
学等の諸分野において使用可能な、マイクロメートルサ
イズの複数微粒子を非接触で同時に制御しながら配列す
る方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】最近、マイクロマシン、μ‐TAS、バ
イオ技術における細胞操作など各分野において、微小対
象物を取り扱う技術が求められている。この微小対象物
の取り扱い技術には、接触型と非接触型があるが、非接
触型のなかの光の放射圧を利用する方法は、分子生物学
における重要なツール、例えば光ピンセットとして実用
化されている。
【0003】ところで、この光ピンセットは、原理的に
周囲の媒質より低屈折率の微粒子や、光を反射、吸収す
る微粒子を捕捉できないという欠点があったが、その後
にレーザ走査型マニピュレーション法により光を反射す
る金属微粒子や低屈折率の微粒子も取り扱うことが可能
となった。
【0004】他方、レーザ走査型マニピュレーション法
を利用して、周囲の媒質より高屈折率の微粒子を任意の
パターンに配置することも知られており、生物工学にお
ける細胞操作、分子生物学における遣伝子操作、化学分
野における微粒子の改質などに対しての応用が考えられ
ている。
【0005】しかしながら、周囲の媒質より低屈折率の
微粒子やレーザ光を反射する金属微粒子を任意のパター
ンに配置制御したり、複数の微粒子を同時に操作する方
法については、まだ実現することができず、マイクロマ
シンやμ‐TASの分野における重要な課題となってい
た。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、周囲の媒質
より低屈折率の微粒子や光を反射する微粒子を包含する
微粒子ついて、複数同時に移動、配列させることができ
る方法を提供することを目的としてなされたものであ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ビームの
放射圧を利用して微粒子を配列する方法について種々研
究を重ねた結果、単一光を分割したり、あるいは複数の
光源を用いて得られる2本のビームを同期走査して照射
し、ビームの空洞を形成させ、2本のビームの間に存在
する複数の微粒子をビームの放射圧により同時にこの空
間に捕捉することにより、屈折率の高低や反射に関係な
く微粒子を配列しうることを見出し、この知見に基づい
て本発明をなすに至った。
【0008】すなわち、本発明は、散在する多数の微粒
子に対して、2本の放射圧発生ビームを同期走査して照
射し、ビームの空洞を形成し、2本のビームの間に存在
する複数の微粒子をビームの放射圧により同時に前記空
洞内に捕捉し、所定の位置に配列させることを特徴とす
る微粒子の配列方法を提供するものである。この際の微
粒子は二次元的に散在していてもよいし、また三次元的
に散在していてもよい。
【0009】
【発明の実施の形態】次に、添付図面に従って、さらに
詳細に説明する。図1は、放射圧発生ビーム、例えば光
に対し反射性の金属微粒子に光を対物レンズで集光して
照射した場合に発生する放射圧の作用を模式的に示した
説明図であって、フォトンの衝突により生じる力Fa及
びFbが微粒子を押し出すように作用する状態を示して
いる。そして、光線が走査されていない場合は、これら
の合成力Ftにより微粒子は一瞬にして弾き飛ばされる
ことになる。周囲の媒質より低屈折率の微粒子に光を集
光して照射した場合も同様に、光の屈折による運動量の
変化により光の焦点位置から微粒子の中心方向に微粒子
を押すような力が作用し、微粒子は光から遠ざかる方向
に移動する。
【0010】図2は、対物レンズにより集光された2本
の放射圧発生ビーム(ビーム1、ビーム2)をY方向に
同期して、平行に直線状の走査を行った場合の模式図で
ある。この場合、集光して同期走査される2本の放射圧
発生ビーム(ビーム1、ビーム2)の間にY方向のビー
ムの空洞が形成され、この中に微粒子、例えば金属微粒
子が配列されることになる。
【0011】この図2においては、2本の放射圧発生ビ
ーム(ビーム1、ビーム2)を用いた例が示されている
が、3本のビームを平行に同期走査することでビームの
空洞を2本形成させ、この中に微粒子を平行に2列配列
させたり、さらにビームの数を増やして微粒子を3列、
4列…等の複数列に配列させることもできる。また、複
数のビームを同心円状に走査して微粒子を同心円状に配
列したり、複数のビーム対を中心から外側に放射状に同
期走査して微粒子を放射状に配列することもでき、さら
にこれらを組み合わせてより複雑な形状の配列を形成さ
せることもできる。
【0012】本発明方法において用いる放射圧発生ビー
ムは、フォトンのような放射圧を生じるようなものであ
ればどのようなものでもよいが、レーザ、例えばCO2
レーザ、YAGレーザ、銅蒸気レーザ、Nd:YAGレ
ーザ、Nd:YVO4レーザなどを光源としたレーザ光
が好ましい。そのほか、可視光、紫外光やα線、電子
線、中性子線などの素粒子線も用いることができる。
【0013】本発明方法は、さらにコンピュータによる
画像処理によって微粒子の配列状態を計測し、その結果
に基づいてビームの走査位置、走査速度、走査位相差及
び走査パターンを適宜変更することで、微粒子の配列を
維持したままの状態で自動的に位置を移動したり、配列
形状を変更することができる。
【0014】次に、図3は、本発明方法の構成の1例を
説明するためのシステム図であり、光源1からのビーム
は、ビームエクスパンダ2で変換され、半波長板3を通
り、第一偏光ビームスプリッタ4,4′により分解さ
れ、それぞれ電磁シャッタ5,5′を介してガルバノミ
ラー6,6′で光軸Zと直交するX−Y軸平面状を所望
の形状が得られるように、走査位置がコンピュータCp
によって制御される。上記の分解されたビームは、再び
第二偏光ビームスプリッタ7,7′で同軸とされたの
ち、リレーレンズ8により落射照明光の軸と一致させて
顕微鏡9内に導入し、対物レンズ10により波長サイズ
程度、例えば1μm程度のスポットサイズに集光して微
粒子11,…に照射する。
【0015】この際、2本のビームは偏光方向が直交す
るので干渉を起すことはなく、したがって2本のビーム
の相対位置により強度分布が変化することはない。な
お、上記の分解した2本のビームのパワー比は第一偏光
ビームスプリッタ4の手前に配置した半波長板3により
調整することができ、ビームの照射のタイミングは電磁
シャッタ5,5′により別々にコンピュータ制御するこ
とができる。また、2本のビームの走査位置、走査速
度、走査位相差及び走査パターンは、CCDカメラ12
からの微粒子の配置状態のモニター画像を画像処理装置
13で処理することにより、その目的とする配置制御に
応じて自動的に変更することができる。
【0016】
【実施例】次に、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。
【0017】実施例1 図3に示すシステムにおいて、同期走査用の放射圧発生
ビームとして、連続発振のNd:YAGレーザ(波長1
064nm,直線偏光)を用い、顕微鏡カバーガラス上
に、直径2μmの銀微粒子と蒸留水とを一緒に滴下した
ものに、倒立顕微鏡の油浸対物レンズ(倍率100倍)
を通して下方よりレーザ光を照射し、同期照射すること
によって微粒子の配列を行った。すなわち、Y軸方向に
51μmの直線走査(繰り返し周波数12.5Hz)を
同期して行い、徐々に2本のビームの間隔を狭めていき
ながら、微粒子の配列状態を顕微鏡で観察した結果を図
4に示す。図4における黒い小さな点は銀微粒子1個で
あり、黒い塊は微粒子の凝集体である。また、上下に走
る2本の白い直線は、レーザ光の走査位置を表示したも
のである。図4(a)は、25μmの間隔で同期走査し
た微粒子の配置状態であり、図4(b)は速度を調整し
ながら2本のレーザ光の間隔を狭めるに従って、2本の
レーザ光の間に存在する凝集した大きな塊の微粒子が自
動的に直線状に配置された状態を示す。
【0018】実施例2 実施例1と同様のシステムを用い、半径20μmと5μ
mの同心円を描くように時計方向に同期して繰り返し周
波数7.7Hzで円形走査した。このようにして、2本
のビームに挟まれた領域に終端のないトーラス状の光の
空洞が形成された。図5は、同期走査開始直後(a)と
30秒後(b)における微粒子の配列状態を示す顕微鏡
写真である。これらの図から光の空洞内に閉じこめられ
た、1個あるいは2〜3個の凝集した微粒子が、時間の
経過とともにトーラスの中心付近に円弧状に配置されて
いくこと及び同心円の中心付近を移動することにより、
外側の円の外の微粒子が排除されることが分かる。
【0019】
【発明の効果】本発明によると、2本のビームの放射圧
を利用して、複数の微粒子を任意の形状に配列すること
ができ、また3本以上のビームを利用すればさらに複雑
な形状の配列も可能になる。さらに、コンピュータによ
る画像処理を組み合わせ、微粒子の配置状態を観測しな
がら、ビームの走査位置、走査速度、走査位相差及び走
査パターンを変更することで、微粒子を配列したままの
状態で自動的に位置を移動したり、配置形状を変更する
ことができる。したがって、本発明を用いれば、マイク
ロマシンやμ‐TASを構築するための微粒子の自動的
な配置制御、移動が可能になるばかりでなく、マイクロ
メートルオーダーの化学反応場や生物の生育場を構築し
たり、それによってその反応や成長の制御を行うことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 金属微粒子に光を照射したときの放射圧の作
用を模式的に示した説明図。
【図2】 2本のビームを同期して平行に直線状の走査
を行った場合の状態を模式的に示した説明図。
【図3】 本発明の構成の1例を示すシステム図。
【図4】 2本のビームの間の微粒子が直線状に配列す
る過程を示す顕微鏡写真図。
【図5】 2本のビームの間の微粒子が同心円状に配列
する過程を示す顕微鏡写真図。
【符号の説明】
1 ビーム光源 3 半波長板 4,4′ 第一偏光ビームスプリッタ 6,6′ガルバノミラー 7,7′ 第二偏光ビームスプリッタ 9 顕微鏡 10 対物レンズ 11 微粒子 12 CCDカメラ 13 画像処理装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 住友 敬 香川県高松市林町2217番14 工業技術院四 国工業技術研究所内 (72)発明者 榊原 実雄 香川県高松市林町2217番14 工業技術院四 国工業技術研究所内 Fターム(参考) 4G075 AA27 AA70 CA36 EB33 EB34

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 散在する多数の微粒子に対して、2本の
    放射圧発生ビームを同期走査して照射し、ビームの空洞
    を形成し、2本のビームの間に存在する複数の微粒子を
    ビームの放射圧により同時に前記空洞内に捕捉し、所定
    の位置に配列させることを特徴とする微粒子の配列方
    法。
  2. 【請求項2】 放射圧発生ビームとして単一の発生源か
    らのビームを分割したのち、これをさらに同軸化した2
    本のビームを用いる請求項1記載の微粒子の配列方法。
  3. 【請求項3】 放射圧発生ビームとして単一の発生源か
    らのビームを偏光し、偏光ビームスプリッターで分割し
    たのち、これをさらに同軸化した2本のビームを用いる
    請求項2記載の微粒子の配列方法。
  4. 【請求項4】 放射圧発生ビームがレーザ光である請求
    項1,2又は3記載の微粒子の配列方法。
  5. 【請求項5】 画像処理により微粒子の配列状態を観察
    しながら、2本のビームの同期走査速度、走査位置、走
    査位相差及び走査パターンの変更を行う請求項1ないし
    4のいずれかに記載の微粒子の配列方法。
  6. 【請求項6】 微粒子が放射圧発生ビームに対し周囲の
    媒質より低屈折率のものである請求項1ないし5のいず
    れかに記載の微粒子の配列方法。
  7. 【請求項7】 微粒子が放射圧発生ビームを反射するも
    のである請求項1ないし5のいずれかに記載の微粒子の
    配列方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004243434A (ja) * 2003-02-12 2004-09-02 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 微小棒状物の姿勢制御装置及び姿勢制御方法
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