JP2002500110A - レーザ・ピンセットを測定し、較正し、使用する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学的ケージの焦点における少なくとも１個の粒子上の光学的に誘導された力を測定し、または光学的に誘導された力を及ぼすために、ａ）電気的捕獲領域を形成する電界勾配を有する３次元電界によって微小（マイクロ）電極配置で、上記捕獲領域から離れ対置に焦点を配置するステップと、ｂ）上記電界の振幅，上記光学的ケージを形成する光ビームの光パワー、および／または上記捕獲領域の上記焦点からの距離を変化させて、粒子が上記焦点から捕獲領域へ、または上記捕獲領域から焦点へ移動させられるときの上記変化した電界特性を検出し、または上記粒子を上記捕獲領域に少なくとも一時的に移動させるステップと、がとられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、光フィールド（場、界）トラップを測定し較正し、ミクロン・サイ
ズの粒子に加えられた光学的に誘導（誘発）された３次元の力を決定し、光フィ
ールド・トラップを使用する方法（プロセス）および装置に関する。

【０００２】 光フィールド・トラップは、“光学的ピンセット”、“レーザ・ピンセット”
または“光学的トラップ”ともいわれ、この約２０年の間、バイオテクノロジー
、医学および分子生物学並びにその他の技術分野において、ミクロン・サイズお
よびサブミクロン・サイズの粒子を配置し操作するのに使用されてきた（G. Web
er et al.,“Int. Rev. Cytol.” Vol.131, 1992, p.1; S. M. Block,“Noninva
sive Techniques in Cell Biology”, Wiley-Liss., New York 1990, p.375）。
Ａ．アシュキン氏は、とりわけレーザ・ピンセットの開発を始めた（A. Ashkin,
“Phys. Rev. Lett.” Vol.24, 1970, p.156）。光学的に誘導された力によっ て粒子を捕獲する原理は、光源から離れる方向に粒子を連続的に押す放射圧力に
加えて、粒子を焦点へと移動させ、または焦点にしっかりと保持し、または焦点
とともに動かす勾配（グラジエント）力が生じることに基づくものである。粒子
の吸収および反射は低くなければならず、一方、周囲（環境）の溶液に対する屈
折率の差は可能な限り大きくすべきである。

【０００３】 この数年、レーザ・ピンセットは特に受け入れられている。その理由は、光ビ
ームが均等に強く集束されたとき、波長より大きい粒子（ミー(Mie)粒子）およ び波長より小さい粒子（レイリー(Rayleigh)粒子）を捕獲（トラップ）できるか
らである。その粒子には、生物学的対象物、例えば細胞（セル）または細胞内小
器官（オルガネラ、Organellen, organelles)およびその他の細胞成分、並びに 大きな分子（例えばＤＮＡ）または人工的微粒子(Mikropartikel)が含まれる（S
. M. Block et al.,“Nature”, 1990, p.348; E. M. Bonder et al.,“J. Cell
Bio”,Vol.11, 1990, p.421）。

【０００４】 Ｗ.ポール氏は電界ケージ(Feldkaefig、field cage)を発見した（W. Paul et
al.,“Forschungsberichte des Wirtschaftsministeriums Nordrhein-Westfalen
”, No.415&450; W. Paul,“Phys. Blaetter”, Vol.46, 1990, p.227）。それ は、特に、低いガス圧における原子粒子を捕獲して測定する素（元素）粒子物理
学で使用される。１９９３年、誘電体泳動（移動）力(dielektrophoretischer K
raeft, dielectrophoretic forces)を用いた、液体が充填された３次元の微小領
域（マイクロ・フィールド）のケージ(cage)が初めて提示された（T. Schnelle
et al.,“Biochim. Biophys.”, Acta, Vol.1157, 1993, p.127）。懸濁液の導 電率（伝導度、伝導率）が粒子の平均導電率より高い場合には、Ｅ界（電界）に
おいて誘導された粒子上の表面電荷は、粒子に力を作用させるように配置され分
極される（G. Fuhr et al., “Biochim. Biophys.” , Acta, Vol.1201, 1994,
p.353）。この原理を用いて、粒子を捕獲し配置し移動させることができる（T.
Schnelle et al.,“Biochim. Biophys.”, Acta, Vol.1157, 1993, p.127）。ミ
−粒子およびレイリー粒子に対応する対象物は、誘電体電界ケージにおいて保持
することができる。光学的力および電気的力のフィールドは互いに干渉すること
がほとんどないので、両方の原理を組み合わせて捕獲力を増大させるための多数
の提案（示唆）がなされてきた（G. Fuhr et al.,“Topics in Current Chemist
ry”, Vol.194, 1998, p.84）。

【０００５】 これまでの未解決の問題は、粒子に作用する光フィールド（レーザ・トラップ
）における実際の光学的に誘導された力をどのようにして測定するかである。そ
のような測定を行うための非常に時間と費用のかかる方法が幾つかあり、次のよ
うにまとめられる。

【０００６】 方法Ｉ（K. Svoboda et al.,“Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struc”, 1994,
p.247）： 較正された流れがレーザの焦点中に捕獲された粒子に作用する。粒子がレーザ
焦点から引き離される場合のまたはその直前の流速が求められる。捕獲力は、ス
トークス（Stokes）摩擦（の法則）を用いてその流速から計算できる。この手順
の欠点は、同じ粒子を用いて測定を繰り返すことが困難であり、様々な空間的方
向の測定を行うには非常に複雑なチャンネル（溝）構造が必要なことである。力
の３次元的測定（ｘ、ｙ、ｚ）は不可能である。また、この手順はスムーズな表
面を有する或る粒子形状（球、楕円体）に限定される。

【０００７】 方法ＩＩ（C. P. Dennis,“Faraday Discuss, Chem. Soc.”, Vol.90, 1990,
p.209）： レーザ焦点における粒子の平均反射はブラウン衝突（ブラウン運動）に基づい
て測定される。原理的に、３つの次元全てについて測定できる。但し、粒子運動
はサブミクロンの精度で非常時正確に測定されるが、その精度は、たいていのミ
ー粒子については、任意の顕著な偏向に対してミー粒子が大き過ぎるので実現で
きない。さらに、その測定は、レーザ・パワー（出力、仕事率）が増大するに従
って次第に困難になり正確でなくなり、非常に狭いレーザ焦点範囲（領域）でし
か測定できない。

【０００８】 方法ＩＩＩ（C. P. Dennis et al., “Applied Optics”, 1993, p.1629）： その研究は、レーザ・ピンセットを用いた特定の方法で、基板に付着した粒子
を引き離す試みに関する。短時間しか続かない（evanescent）表面波の全体の反
射による散乱を用いて、ｚ方向（表面の垂直方向）における対象物の動きをナノ
メートル範囲（領域）の精度で決定する。この手順は３つの次元全てにおいて用
いることはできず、それは遅く（時間がかかり）、多くの較正および費用を要す
る。さらに、表面近くの光照射フィールドは任意の解（溶液）の条件（状態）に
対応しない。

【０００９】 一般に、その粒子そのものを用いて、同じ条件で、後で利用される粒子周囲（
環境）媒体において行われる力の測定のための、速くて使用容易な方法は、存在
しない。

【００１０】 顕微鏡的（微視的）粒子の取扱いにおけるこれまでの別の未解決の問題は、粒
子間に働く分子間の引力（付着力、粘着力）の測定である。生物材料に基づく合
成粒子と天然粒子の双方（特に、生物細胞または細胞成分）は、接触したときに
互いに付着しやすい。付着のタイプに応じて、付着現象は非特有的付着と特有的
付着とに分けることができ、または付着における結合（ボンディング）のタイプ
に応じて、化学的結合による付着と、ファンデルワールス結合による付着とに分
けられる。顕微鏡的粒子間の付着の結合タイプ従って付着の結合力といった特性
を測定することは、生物学、医学および薬理学の分野における大きな関心事であ
る。従って、個々の粒子の付着現象を測定し、例えば生物学的細胞に対する高分
子（この文脈において高分子は顕微鏡的粒子をも含む）の特有の結合を測定して
、免疫反応を研究し、または感染病またはその他の細胞の病気を認識するための
、定量可能な、反復可能なおよび非破壊的手順に対するニーズが存在する。別の
例として、特有のレセプタ−リガンド（Rezeptor-Ligand）系（システム）が粒 子表面において活性状態にある顕微鏡的な各粒子の間の相互作用がある。

【００１１】 個々の浮遊する(suspendierten)顕微鏡的粒子間の特有の付着現象を設定する ための手順、または発生する結合力を決定する手順は存在しない。

【００１２】 Ｋ．モリシタ(Morishita)氏、他の文献、“Proc. of IEEE”, 1997, p.155に は、光学的に誘導した力と電界による力とを組み合わせて用いてバクテリア（細
菌）を操作することが記載されている。顕微鏡的に観察したバクテリアのクラス
タのマイクロシステム（微細系、微細組織）において、特定のバクテリアはレー
ザ・ピンセットを用いて捕獲されて固定され、一方、他のバクテリアを、電界の
作用下において個々の固定されたバクテリアから離して移動させる。Ｋ．モリシ
タ氏、他によって記載されたその手順は多数の粒子からなるグループから個々の
粒子を上述のように分離することに対する適用例に限定されている。そのプロセ
スは、粒子を分離するための電界をターンオンまたはターンオフ（付勢または消
勢）することに関する。粒子間の相互作用の研究は不可能である。さらに、個々
の粒子は、現在のグループ粒子または粒子の集合体（凝集体）に移動させて特有
の相互作用を形成することはできない。

【００１３】 本発明は、光学的に誘導された力または結合力を測定し特有の力を与えるのに
特に使用されるレーザ・ピンセットを用いて、粒子を取り扱うための改善された
手順を実現（提供）することを目的としている。特に、本発明による方法（プロ
セス）は、力を、より速く、より高い再現性と精度で測定することができる。顕
微鏡的粒子に作用する力は、電気信号を介して、高速で反復可能な自動的な形態
で測定される。その力は、ｐＮの範囲（領域）以下の精度で任意の次元方向で測
定される。本発明の別の目的は、その手順を実行する装置を提供（実現）するこ
とである。

【００１４】 上述の目的は請求項１および１７に記載の特徴を有する方法および装置によっ
て達成される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

【００１５】 特に、本発明は、微小（マイクロ、微細）電極配置における光学的ケージの焦
点において少なくとも１つの顕微鏡的粒子を捕獲し、微小電極配置における電界
勾配（グラジエント）によって形成される電気的捕獲領域（または捕獲点）に関
連して（を基準として）それを配置することを実現する。粒子を有する光学的ケ
ージの焦点は、最初にその捕獲領域から離れた位置に、即ち電界ケージを表す捕
獲領域の最小フィールド（電界）レベルから離れた位置に配置される。次いで、
光学的ケージにおけるおよび／または電気的捕獲領域における電界力、および／
または光学的ケージと電気的捕獲領域の間の距離は、粒子が焦点から捕獲領域に
または逆に捕獲領域から焦点に移動するまで、変化させる。適用例（アプリケー
ション）に応じて、粒子が移動開始したときの所与の電界（領域）特性を用いて
、本発明により力を測定し、または遷移的移動そのものを用いて特有の力が加え
られる。

【００１６】 本発明による手順において、捕獲領域を形成する電界勾配を含む３次元電界を
有する微小電極配置においてそれぞれの電界が最小レベルを有する１つまたは複
数の粒子に作用する力が、発生される。その電界の最小レベルは捕獲領域に対応
する。光学的に誘導された力の最小レベルは光学的ケージの焦点に対応する。そ
の２つの最小レベルの間には、有効電界の振幅、光学的ケージの光パワー、およ
びその最小レベルの間の距離に応じて決まる電界バリア（障壁、Feldbarriere、
field barrier）が存在する。これらの量の設定に応じて、１つまたは複数の粒 子は、所定の形態の微小電極配置内に配置でき、または（多数の粒子が存在する
場合に）互いに分離できる。

【００１７】 本発明の重要な特徴によれば、光学的ケージの焦点において粒子に作用する光
学的に誘導された力が測定される。その実施形態において、１つの粒子だけが、
１つの焦点にまたは一時的に微小電極配置の捕獲領域に置かれる。電界特性、即
ち電界の振幅、光パワー、および／または最小レベル間の距離を、粒子が最小レ
ベル間、即ち焦点と捕獲領域の間または逆に捕獲領域と焦点の間で移動するまで
、変化させる。驚くことに、その遷移的移動は、再現性のある（再現可能な）形
態で非常に正確に決定できた。光学的ケージにおいて光学的に誘導された力は、
遷移的移動をトリガ（誘発）するのに必要な微小電極配置における電界の振幅か
ら測定できる。

【００１８】 本発明の第２の重要な特徴によれば、幾つかの粒子の間の結合力（例えば複数
の粒子に対する結合力）が測定される。その実施形態において、光学的ケージの
焦点には１つの粒子が置かれ、電気的捕獲領域には１つの粒子が置かれる。微小
電極配置における電界の特性を変化させて、焦点中の粒子を捕獲領域中の粒子に
向けて移動させ、またはその逆に捕獲領域中の粒子を焦点中の粒子に向けて移動
させるような電界特性を決定する。この原理は、焦点または捕獲領域における粒
子グループを用いて適合した形で実現できる。

【００１９】 粒子間に作用する付着結合力は、電界力から測定でき、（結合力の測定が第１
の実施形態による光学的に誘導された力の測定と組み合わされたときの）粒子間
の遷移的移動または引き離し移動の観察によって、光学的に誘導された力から測
定できる。本発明の大きな利点は、プロセスが、特定の材料、粒子および結合の
タイプによって（に応じて）観察され評価されることである。

【００２０】 本発明の第３の重要な特徴によれば、相対的な設定電界力を有する前述の（少
なくとも）２つの最小フィールド（電界）レベルを有する微小電極配置における
顕微鏡的粒子は、グループまたは集合体に少なくとも一時的に配置しまたは加え
ることができ、またはその各グループまたは各集合体は複数の部分に分けること
ができる。本発明によるその集合体の操作は、本発明の上述の特徴と組み合わせ
て用いることが好ましく、所定の（未知であっても）電界および／または光フィ
ールドの強度の範囲内で独立に使用することもできる。

【００２１】 本発明の主題は、電気的捕獲領域および光学的ケージの少なくとも２つの最小
フィールド・レベルを同時に形成することによって生成される光電気的２重ケー
ジを形成するように適合化されたマイクロシステムである。流体（流動性）マイ
クロシステムは、上述の電気的捕獲領域を形成する微小電極配置と、微小電極配
置内に光学的ケージを形成するための透明構造体とを有する。そのマイクロシス
テムは、光学的ケージを形成するために光源に面した一方の側を開くことができ
る流体マイクロシステムであることが好ましい。

【００２２】 本発明により使用される、マイクロシステムを形成し電界強度を生成し光学的
ケージを生成する技術は公知であり、以下の記載においてその詳細は説明しない
。

【００２３】 次の記載において、まず本発明の基本的原理を概略的に説明する。

【００２４】 レーザ捕獲プロセスにおいて、少なくとも１つのレーザビームの焦点における
光学的トラップまたは光学的ケージによって形成される局所的（ローカル）平衡
状態に、１つの粒子を保持できる。高周波数のマイクロ領域（フィールド）のケ
ージにおいて、それぞれの電界（フィールド）分布の電気的捕獲領域(Fangberei
ch)によって形成された局所的平衡状態に、１つの粒子を保持できる。その捕獲 領域は、その電界分布に応じて、点、線または面（面積）によって形成できる。
以下の記載においては、非限定的な意味で捕獲領域を捕獲点(Fangpunkt)として 扱うが、本発明は任意の形状の捕獲領域を用いて適合的に実施構成することがで
きる。上述の第１の特徴によれば、本発明は、特に、２つの平衡状態の間で即ち
焦点から捕獲点へまたは逆に捕獲点から焦点へと移行するときに粒子に加わる電
気的力で構成された光学的トラップ（光学的ケージ）における、光学的に誘導さ
れた力の測定に基づいている。従って、本発明の目的は、特に、既知の電界強度
および電界分布を有する電気的高周波数マイクロ電界（フィールド）ケージであ
って、光学的ケージを形成するのに必要なレーザ光を注入するように適合化され
ている電界ケージにおいて、レーザ・トラップ（捕獲）を用いて達成（解決）さ
れる。レーザ・トラップ（焦点）に捕獲された粒子を、低い電気的トラップ・パ
ワーのフィールド・ケージの捕獲点から、その捕獲点から離れた特定の点（位置
）までシフトし（移動させ）、その後、電界ケージの電気的制御信号の振幅を増
大させることによって、電界力が、光学的焦点から捕獲点にまたは逆に捕獲点か
ら光学的焦点へと粒子を移動させる（戻す）場合の閾値を正確に決定できる。

【００２５】 光学的ケージを形成するのに必要なレーザ光は、マイクロ電界ケージの種々の
構造的手段（措置）によって、注入される。これらの中でも特に、マイクロ電界
ケージの電極の少なくとも１つの部分グループが、内部に焦点が形成されるよう
にマイクロ電界ケージの充分近くに配置されるレーザ光源に対して充分薄くて透
明な基板に取り付けられる。レーザ・ピンセットの実際的設計において、レーザ
光源は、非常に高い数値のアパーチャ（口径）を有する結合レンズを具えている
。焦点距離は、通常、数百ミクロン（μｍ）の範囲にある。従って、透明基板の
好ましい厚さは、レーザ光源の焦点距離より小さい。

【００２６】 適用例に応じて、本発明によって、粒子に加わる光学的に誘導された力の定性
的および／または定量的パラメータの測定が可能になる。光学的に誘導された力
は、例えば、焦点および捕獲点の位置、電極間の電界分布、粒子および周囲の溶
液の電気的特性、並びに全ての電極信号の波形（形状）、位相角、周波数および
振幅、等からなる数種類の量から定量的に測定できる。これら全ての量は、実際
の測定に関係なく、または前もって、純粋な電気的手段を用いて、または高周波
数ケージにおける電界分布の１つの数値シミュレーションによって、決定するこ
とができる。粒子に作用する光学的に誘導された力は、その粒子が平衡状態を変
えたときに（遷移的動き）、電界ケージの電気的制御信号の振幅から測定できる
。ｘおよび／またはｙおよび／またはｚの方向の既知の受動的電気特性を有する
粒子をシステマティックに動かすことによって、そのサイズの粒子に作用する焦
点を有するレーザビームから、各力を高い分解能で定量的に決定できる。

【００２７】 本発明の利点は、光学的に誘導された力の勾配が相対的に急勾配であり、その
結果、上述の平衡状態間の遷移が短時間で従って簡単に正確に決定できることで
ある。

【００２８】 本発明によれば、この手順は自動化され、この手順を用いてレーザビームが較
正される。測定は、所望の頻度で繰り返すことができ、数秒で実行でき、後で使
用される環境（周囲）において同じ粒子を用いることもできる。光学的に誘導さ
れた力の絶対値に加えて、例えば、光ビームの対称的（均整的）偏差、および焦
点領域とその付近にあるその強度外形（輪郭、プロファイル）のような相対的値
も測定できる。

【００２９】 光学的に誘導された力の決定に関する上述の説明は、結合強度を決定するのに
適合させて適用できる。その理由は、それを電気的捕獲領域における電界力に付
加的に寄与するものとして説明できるからである。

【００３０】 本発明は、例えば合成（微）粒子または生物学的細胞（セル）またはその構成
要素（成分）のような任意のタイプの粒子に使用できる。粒子サイズには、レー
ザ・ピンセットで操作できるサイズ（寸法）の全範囲を含めることができるが、
２００μｍより小さいサイズであることが好ましい。

【００３１】 以下、図面を参照して本発明の好ましい典型例の実施形態を説明する。

【００３２】

【発明の実施の形態】

本発明を、捕獲領域を形成する８極電界ケージと、光学的ケージを形成する個
別の捕獲レーザの組合せを参照して説明する。但し、本発明は、任意の電界ケー
ジ形状でもまたは幾つかのレーザビームでも実現することができる。

【００３３】 図１は、本発明によるマイクロシステムの拡大部分を概略的に示している。こ
の図は、微小電極１１〜１８（制御線は省略）で構成された微小電極配置と、そ
の微小電極間にあって懸濁液中にある顕微鏡的（微視的）粒子１１３とだけを示
している。その微小電極はマイクロシステム構造の対向する壁が平坦であり、例
えば、ｘ−ｙ平面が基板面と一致する。微小電極１１〜１８は、１つの最小フィ
ールド（電界）レベルを有する電界勾配を形成する電位（電圧）が与えられるよ
うに設定される。特定の最小レベルを生成する電極制御の技術そのものは、公知
であり、従って詳細は説明しない。最小電界レベルの位置は、微小電極１１〜１
８における制御電位の位相および振幅に応じて決まり、所定の形態で調整できる
。捕獲領域または電界ケージは、高周波数ケージとも称される。その理由は、負
の誘電体泳動(negative dielectrophoresis)に基づく顕微鏡的粒子を操作するた
めに、その微小電極には高周波数制御電位が供給されることが好ましいからであ
る（周波数範囲については後の記載を参照）。

【００３４】 図１において、微小電極１１〜１８によって形成される高周波数電界ケージは
、焦点を有する光ビーム１９と組み合わされて、焦点１１０ａが微小電極の電界
中に位置し、即ち、電界ケージ領域１１１中にまたはそのケージに直接隣接した
領域１１２に位置するようになっており、一方、高周波数電界ケージの捕獲点１
１０ｂの最小電界レベルは離れた位置にある（例えば座標（ｘ１、ｙ１、ｚ１）
によって識別される位置１１４における、例えば幾つかの粒径までの一部分）。

【００３５】 本発明によれば、まずレーザビームの焦点に粒子１１３を捕獲して、次いでそ
の焦点を指定位置（例えば１１４）に移動（シフト）することによりその粒子を
移動させることによって、粒子１１３に作用する光学的に誘導されたフィールド
力が測定される。公知のレーザビーム用の装置および／または反射装置を移動さ
せることによりマイクロシステムとレーザビーム１９の光源の相対的位置関係を
機械的に変化させることによって、その焦点が移動（シフト）される。その電極
に印加される高周波数信号の振幅を増大させることによって、粒子１１３がレー
ザ焦点から引き離されて捕獲点１１０ｂまで移動させられる（各最小フィールド
・レベルにおける局所的平衡状態間の遷移的移動）まで、電界ケージの電気的分
極力が増大される。

【００３６】 レーザ・パワーを増大させて電界ケージの捕獲領域から焦点に粒子を移動させ
ることによって、および／または捕獲点または焦点の位置を移動させることによ
って、局所的平衡状態間で粒子を交互に動かして、遷移的移動が生じる最小フィ
ールド・レベルの経路（パス）または距離を決定できる。粒子に作用する電気分
極力と、電極１１〜１８間の電界分布とは分かっているので、焦点領域における
測定可能なレーザ・パワーと、電気信号の振幅と、粒子に作用する光学的に誘導
された力との間に、正比例関係が存在する。その手順を繰り返して粒子１１３を
任意の空間的方向に移動させることによって、具体的な粒子に作用する光学的に
誘導された力を定量的に決定することができる。これは、光学的に誘導された反
力の電気的較正を表し、その較正は、設定が容易であり、ｆＮ〜数百ｐＮまでの
範囲における力の測定を可能にする。

【００３７】 従って、少なくとも１つの場合において、粒子１１３の電界または位置の特性
から、粒子を動かしたときの光学的に誘導された力が決定される。微小電極１１
〜１８間の直ぐに計算可能な電界と、粒子を動かしたときの焦点１１０ａおよび
捕獲点１１０ｂの所与の位置とから、粒子１１３に作用する電気分極力が計算さ
れる。これらの位置は観察顕微鏡で測定することができる。その他の全ての場合
に、光学的に誘導された力は、前記の比例関係に基づいて相対的に測定すること
ができる。

【００３８】 図２は、焦点に捕獲された粒子に作用する光学的に誘導された力を測定するた
めのシステムの拡大図を示している。マイクロ電界ケージは、基板２７と２９の
各対向面に位置する微小電極によって形成される。基板２７、２９は、調査され
る粒子がマイクロ電界ケージの電界に晒されるサスペンション（浮遊、懸架）ギ
ャップ（間隙）を形成するスペーサ（隔板）２８によって分離されている。図２
における最も上の基板は、サスペンション領域において光学的ケージの焦点を調
整できるように充分薄い。

【００３９】 開孔２１を通して、溶液中に浮遊しているセルまたはその他の微粒子は、チャ
ンネル（経路、溝）２２中に注入され、次いで、電界ケージ２３に到達する。そ
の出力電極２４ａ〜ｄは、高周波数領域の電圧（任意の信号波形（例えば、矩形
波、正弦波、三角波またはその他の信号波形）と、数ｍＶ〜数１０Ｖの振幅とを
有するｋＨｚまたはＭＨｚの信号）が加えられる。まず電位を一方の側の微小電
極に印加することによって、挿入された微粒子に対する電界バリアがチャンネル
２２に形成される。粒子がケージ２３内に位置するとき、入力電極２５ａ〜ｄも
スイッチ・オンされ、および／または流れ（流動、Stroemung）が停止される。 粒子が電界ケージ領域内で上述のレーザ・ビーム２６とともに動かされ、光学的
に誘導された力が測定される。可能な２つのタイプの交番電界と２つの回転電界
と（２＊ＡＣ（交番、交流）電界、または２＊回転電界）を制御するための電気
的捕獲用の電極信号に対する典型的な位相シフト（移相）が表１にまとめられて
いる。

【００４０】

【表１】

【００４１】 ＡＣ（交番、交流）電界と比較すると、粒子を回転させる回転電界（表１の最
も下の行）において、粒子にトルクが加わり、それを用いて力が求められる。そ
のトルクは、表１の下から２番目の行の各値で補償される。

【００４２】 この例において、半導体技術で知られている方法を用いてスペーサ２８によっ
て頂部（端部）から液体を通さない（液体密の）形態で取付られた２枚のガラス
基板２７、２９上に平坦電極が形成されていて、その電極はチャンネル液体２２
中に浸されるようになっている。レーザを強く集束させるために、ガラス基板の
１つ（この場合２７）は非常に薄くなければならない。この例では、基板２７は
、厚さ１５０〜２００ミクロン（μｍ）であり、基板２９は厚さ０．５〜１ｍｍ
のガラスまたはプラスチックからなる。

【００４３】 レーザ出力が増大するにつれて、光学的に誘導された力も増大し、その結果、
前述のような最小フィールド・レベル間の遷移を生じさせるためにはそれに対応
して増大する電界強度すなわち信号振幅が必要になる。それが実験結果による図
３に示されている。その曲線は、レーザ出力すなわち光学的に誘導された力のレ
ベルとケージ電圧の振幅すなわち微小電極に印加される電位の振幅との間の関係
を示している。レーザ出力が増大するにつれて、焦点と捕獲点の間で粒子を移動
させるのに必要なケージ電圧の振幅が次第に大きくなる。光学的トラップの捕獲
パワーは、ｚまたはｙ方向（下側の曲線）よりも、ｚ方向の方（上側の曲線）が
より弱い。

【００４４】 図５に示されたｚ方向のレーザ・ピンセットの捕獲力は、図４における電界分
布から（図１における実際の電極次元(dimensions)と距離とを考慮して１回の数
値計算から得られる）、およびテスト粒子（この場合、直径８ミクロンのラテッ
クス・ビード（玉））の受動的電気特性から得られる。図示した曲線は１０Ｖの
ケージ電極の信号振幅に関する。実験的には、最高３０Ｖまでの振幅が印加され
た。電気的ケージの捕獲力の２乗（２次）に依存する場合は、これは、ｐＮ領域
およびそれより小さい領域における分解能で約１５０ｐＮの最大検出可能な力に
対応する。それらの測定結果は、レーザ・ピンセットの理論によく対応する（A.
Ashkin,“Biophys. J.”Vol.61, 1992, p.569参照）。より微細な（良質の）設
計の電極によって、信号振幅をはるかにより大きくでき、従って、電気的に誘導
されたより大きい力が生じて、実質的により大きい力が検出できるようになる。

【００４５】 本発明の大きな利点は、特に、後で調査または操作するときに同じ粒子を用い
て同等の条件を用いて後で使用される周囲（環境）媒体において、その方法を速
く簡単に実行できることである。さらに、この手順は、特定の粒子および表面形
状に限定されることがなく、任意の形状の粒子が使用できる。任意の形状の粘着
性の粒子グループ（群）（例えば、集合体、等）に加わる力が測定できる。

【００４６】 粘着性の粒子グループに作用する力を測定し、粒子に力を加えて、粒子グルー
プを操作する例を、図６〜８を参照して以下説明する。

【００４７】 図６は、図１に類似した微小電極６１〜６８を有する８極形状の微小電極配置
を示している。捕獲領域または捕獲点を形成する最小電界を有する電界ケージを
形成する互いに空間的に隔てられた２つのレベルで本発明による処理を行うため
に、微小電極６１〜６４および６５〜６８がマイクロシステムに設けられる。電
界ケージは、図６におけるキューブ（立方体）を用いて描かれた微小電極配置に
存在する。参照番号６９は、微小電極配置内に焦点を有する光ビーム（好ましく
はレーザビーム）を示している。生物学的セル（細胞）６１１としての第１の粒
子は光ビーム６９の焦点に位置する。図示した例における生物学的セル６１２と
しての第２の粒子は、電界ケージの捕獲点に位置する。粒子間の結合力は、以下
説明するように、上述のような焦点から捕獲領域への粒子の遷移的移動を観測す
ることによって光学的に誘導された力の測定と同様の形態で、決定される。

【００４８】 最初の２つのセル６１１、６１２は、微小電極配置６１〜８１内に順に導入さ
れる。微小電極配置が流体マイクロシステムのチャンネル構造体に接続されてい
る図２を参照して説明した注入プロセスを用いて行われることが好ましい。第１
のセル６１１は微小電極配置内に注入（押し流）され、８極電界が完全に制御さ
れた後で電気的捕獲領域（トラップ領域）に保持される。次いで、第１のセル６
１１が、レーザビーム６９によって形成された光学的ケージによって捉えられ、
捕獲領域から離れた位置に配置される。次いで、第２のセル６１２は捕獲領域に
、例えば微小電極配置６１〜６８の中央に、注入されて配置（位置決め）される
。但し、その他の任意の技術を用いて、その顕微鏡的粒子を微小電極配置に注入
することができる。用途に応じて、２つの粒子は、同様のまたは相異なる生物学
的セル、または生物学的セル、セル成分、および／または特定の活性成分を有す
る合成粒子であってもよい。

【００４９】 次いで、セル６１１，６１２は、互いに接触し、粘着性の結合が両セル間に形
成される。その粘着性の結合は、例えば次の技術の中の１つから生じる。まず、
レーザビーム６９を遮断することによって第１のセル６１１を解放し、次いで、
それを電界効果の下で電界ケージの捕獲領域まで移動させることができ、その捕
獲領域において、第１のセルが第２のセル６１２に接触し、粘着性結合が形成さ
れる。第１のセル６１１が第２のセル６１２に接触しまたはそのセルに対して所
定の力で押圧されるように、捕獲領域を基準にして（捕獲領域に関連して）レー
ザビーム６９の焦点を調整することもできる。互いに押圧される相互の力は、例
えば上述の技術によって決定されるような、捕獲領域における電界力と、レーザ
ビーム６９の焦点における光学的力とから導出できる。測定された結合力を定量
的に比較するために、粘着性結合は所定期間（例えば、約０．１〜１０秒）だけ
設定（形成）される。例えば最大１，０００秒までのより長い時間も可能である
。

【００５０】 適用例に応じて設定された接触期間の後、セル間の結合力（相互作用力、粘着
強度）が次のように決定される。電界特性を変化させ、セルを互いに引き離す電
気的捕獲領域および光学的ケージにおける電界強度を決定することによって、そ
の力は、上述した個々の粒子に作用する光学的に誘導される力の測定と同様に測
定される。例えば、所与の電位振幅において、第１のセル６１１上に集束される
レーザビーム６９は、焦点が捕獲領域から離れるように繰り返し移動される。第
１のセル６１１が焦点とともに移動しない場合には、その焦点はリセットされ、
そのセルは段階的に増大する光パワーを受ける。光パワーによって誘導された光
学的力が分かっているときは、２つのセルを引き離すのに必要な力、従って相互
結合力は、焦点を動かすことによって第１のセル６１１を移動させるまたは伴出
する(Mitfuerung、entrain)のに必要な光パワーから計算できる。この力を測定す
る他の可能性は、電位振幅を段階的に変化させ、微小電極６１〜６８を適合的に
制御することによって捕獲領域の位置を移動させることことである。２つの技術
の組合せを用いて電界特性を変化させることができる。

【００５１】 この手順の大きな利点は、その手順を所与の１対の粒子に対して繰り返すこと
ができ、任意の所望のセル接触時間が正確に設定できることである。

【００５２】 図６を参照して説明した手順の好ましい適用例は（従来は許容できない程高価
であった）、正確な期間に対して、より類似したまたは相異なる２つ以上の生物
学的セルを接触させる例である。従って、そのプロセスは薬理学的および医学的
な診断テストに有用である。この文脈（関係）におけるプロセスの例は、第１の
セル６１１に第２のセル６１２を一時的に接触させることによって第２のセル６
１２を刺激して、第２のセル６１２の結合(Bindung)の振る舞いを変化させる例 である。次いで、第３のセル（図示せず）を結合（カップリング）させることに
よって、その変化させた結合の振る舞いをテストすることができる。別の例は、
第１のタイプのセルを微小電極配置に注入（導入）することによって、ペプチド
またはその他の分子ライブラリをスクリーニングする（screen）ことである。次
いで、第１のセルの表面レセプタが、マイクロシステムにおける懸濁液を通して
分子ライブラリからテスト物質または活性物質と接触させる。次いで、第２のセ
ル（またはよく結合する表面分子を有する合成粒子）を第１のセルまでもって来
る。結合力の上述の測定は次の結果の中の１つを生じさせる。第１のセルの結合
位置（サイト）が活性物質で既に飽和している場合は、テスト・セルに結合は生
じない（または弱い結合だけが生じる）。それ以外の場合はテスト・セルに強い
結合が形成される。このようにして、生物学的セルが、特定の活性物質の反応に
関して評価されソート（分類）される。

【００５３】 生物学的セルを刺激する別の例を図７を参照して以下説明する。図７は、図１
および６のように、微小電極７１〜７８を有する微小電極配置と、微小電極配置
に集束される光ビーム７９とを示している。

【００５４】 上述の注入または流れ（流動）の原理のように、第１のセル７１１は、微小電
極配置７１〜７８の電気的捕獲領域に捕獲されて配置（位置決め）される。第２
のセル７１２または活性成分を有する合成粒子は、光ビームで捕獲されて、第１
のセル７１１を通って設定されたパス（経路）７１３に沿って動かされ、または
所定時間だけ第１のセルに接触する。セルまたは粒子が結合または付着しないと
きでも、表面が互いに接触したときに化学的信号が送信でき、その結果、１つま
たは両方のセルにおいて連続的に分析可能な変化が生じ得る。個々のセルの代わ
りにセル・グループまたは集合体を加えて分離して、設定された期間だけ所定の
力の効果の下で互いに刺激し合うことができる。

【００５５】 生物学的セルまたはセル・グループを刺激するこの手順は、医学またはバイオ
テクノロジーにおける多数の適用例を有する。従来多大な努力を払ってのみ可能
であった周囲（環境）の溶液からの例えば薬剤の適用によるような刺激を、所定
のおよび再現可能な条件の下で特定のセルに対して与えることができるようにな
った。生きている生物(Organismen)において、そのような刺激（または阻止、抑
制）は、通常、互いに接近したまたは互いに接触したセル間の相互作用から生じ
る。従って、その生物において生じるその状態は、本発明によるプロセスで有利
な形態でシミュレート（模倣）できる。

【００５６】 図７に示された手順は、所定の電界特性を設定することによって光学的に誘導
された力を上述のように測定してまたは測定することなく有利な形態で行われる
。セルまたはセル・グループに設定された力を加えるための図８を参照して説明
したプロセスと同じプロセスが行われる。

【００５７】 図８は、微小電極８１〜８８を有する微小電極配置と、その微小電極配置にお
ける光ビーム８９とが示されている。

【００５８】 上述の注入または流れの技術によれば、多数の生物学的セルを微小電極配置の
内部に注入することができる。光ビーム８９の光学的ケージを用いて、セルを適
正に捕獲領域に移動させて、そこに配置され、場合によっては現存するセルとの
関係で配置される。例えば、４つのセル８１１〜８１４が図８の電気的捕獲領域
に位置し、それに対して第５のセル８１５（矢印に対応する）が設定された位置
に加えられる。第５のセル８１５は、形成されたセル・グループ８１１〜８１４
に対して、設定された期間だけ設定された力で押圧されて、その所定の相対的位
置における結合力の形成を可能にする。

【００５９】 所定の形状を有する任意のセル集合体をこのようにして組み立てることができ
る。また、この手順は負に分極(polarisieren)した合成微粒子を用いて実行でき
、その微粒子は電気的捕獲領域における微小電極によって引き離す（追い出す）
ことができる（負の誘電体泳動）。

【００６０】 本発明による装置は、流体マイクロシステム９１、マイクロシステム９１にお
ける微小電極配置において光学的ケージを形成するための発光装置９２の配置で
構成される。そのマイクロシステム９１および発光装置９２は、図９に概略的に
描かれているように、調整装置９３、モニタ装置および／またはセンサ９４（例
えば顕微鏡）を用いて互いに相対的に調整可能である。マイクロシステムには、
公知の流体および電位制御手段９５が設けられている。発光装置９２は、例えば
従来公知の１対のレーザ・ピンセットであり、光源としてのダイオード・レーザ
または半導体レーザを含み、集束用の顕微鏡配置（装置）を備えていてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明の第１の実施形態による電界ケージ電極と光学的ケージの配置
の概略的表現である。

【図２】 図２は、電界ケージ電極と光学的ケージの配置の別の概略的表現である。

【図３】 図３は、実験結果を示す曲線である。

【図４】 図４は、８極電界ケージの電界分布の例である。

【図５】 図５は、図４に示したｚ方向の電界ケージの捕獲力を例示する曲線である。

【図６】 図６は、本発明の第２の実施形態による光学的ケージおよび捕獲領域の配置図
である。

【図７】 図７は、本発明の第３の実施形態による、微小電極におけるセルの配置図であ
る。

【図８】 図８は、本発明の第４の実施形態による、微小電極配置におけるセルの配置図
である。

【図９】 図９は、本発明による装置を表す概略図である。

【符号の説明】

１１〜１８ 微小電極 １９ 光ビーム １１０ａ 焦点 １１０ｂ 捕獲点 １１１ 電界ケージ １１２ ケージに隣接した領域 １１３ 粒子

【手続補正書】

【提出日】平成１２年８月２４日（２０００．８．２４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トルシユテン ミユラー ドイツ連邦共和国 デー−12439 ベルリ ン ハートリーゲルシユトラーセ 100 (72)発明者 ヘルミーヌ ヒツラー ドイツ連邦共和国 デー−12681 ベルリ ン ライラーシユトラーセ ６ (72)発明者 カール−オツトー グロイリツヒ ドイツ連邦共和国 デー−69117 ハイデ ルベルク プレツク 27 (72)発明者 シヤムチ モナイエームバシユル ドイツ連邦共和国 デー−69121 ハイデ ルベルク フリツツ−フレイ−シユトラー セ ２

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学的ケージの焦点において少なくとも１個の粒子に光学的
   に誘導された力を測定しまたは力を及ぼすための方法であって、 ａ）電気的捕獲領域を形成する電界勾配をもつ３次元電界によって微小電極配置
   に内に、上記捕獲領域から離れた位置に焦点を配置するステップと、 ｂ）上記電界の振幅，上記光学的ケージを形成する光ビームの光パワー、および
   ／または上記捕獲領域の上記焦点からの距離を変化させて、上記焦点から捕獲領
   域へまたは上記捕獲領域から焦点へ粒子が移動したときの上記変化した電界特性
   を検出し、または上記粒子を上記捕獲領域に少なくとも一時的に移動させるステ
   ップと、 を含む、方法。
2. 【請求項２】 光学的に誘導された力を測定するために粒子は焦点または捕
   獲領域に配置され、上記光学的に誘導された力は、電界の振幅および粒子が上記
   焦点から上記捕獲領域へまたは上記捕獲領域から焦点へ移動するときの距離から
   測定される、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 上記光学的に誘導された力は、上記捕獲領域に対する上記焦
   点位置の相対的配置に対応する空間における関連するすべての方向に対してくり
   返し測定される、請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 光学的ケージは、この光学的ケージを発生させる光パワーと
   この光学的ケージ内の粒子上に誘導される力との間の関係を測定することによっ
   て較正される請求項２または３に記載の方法。
5. 【請求項５】 上記焦点と捕獲領域との間の距離は上記粒子の直径の少なく
   とも１０分の１である、請求項２乃至４のいずれか１つに記載の方法。
6. 【請求項６】 上記捕獲領域は光学的ケージのビームフィールドにおける捕
   獲点であり、それによって電極の信号の振幅あるいは光パワーが低下または上昇
   したときに、粒子が上記捕獲点と焦点との間で前後に移動し、また上記振幅に関
   連する値は光学的に誘導された力を測定するために使用される、請求項１乃至５
   のいずれか１つに記載の方法。
7. 【請求項７】 顕微鏡学的粒子相互間の結合力を決定するために少なくとも
   １個の第１の粒子が焦点に、少なくとも１個の第２の粒子が捕獲領域に配置され
   ており、それによって上記第１の粒子と第２の粒子は予め設定された接触期間中
   互いに接触しており、次いで電界の振幅、光パワーおよび／または上記捕獲領域
   の上記焦点からの距離は、上記第１の粒子が上記焦点と共に上記捕獲領域および
   上記第２の粒子から移動することができるまで変化させられ、それによって粒子
   相互間の結合力は上記粒子が移動するときの上記電界の振幅と光パワーとから決
   定される、請求項１に記載の方法。
8. 【請求項８】 微小電極配置の電極には１８０度位相シフトされた信号が交
   互に、および／または予め設定された位相分割をもった回転発生信号が交互に供
   給される、請求項１乃至７のいずれか１つに記載の方法。
9. 【請求項９】 上記捕獲領域は少なくとも１つの電界のバリアによって光学
   的ケージから分離されている、請求項１乃至８のいずれか１つによる方法。
10. 【請求項１０】 捕獲領域に既に存在する可能性がある粒子に関して上記捕
    獲領域における光学的ケージで設定された位置に配置された光学的領域中に大量
    の粒子が連続的に注入される、請求項１に記載の方法。
11. 【請求項１１】 光学的ケージの光ビームが調整され、および／または上記
    光学的ケージの捕獲の特性、対称性または較正特性が決定される、請求項１乃至
    ６のいずれか１つに記載の方法。
12. 【請求項１２】 粒子は、測定された光学的に誘導された力に基づいて特徴
    付けられる、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の方法。
13. 【請求項１３】 粒子の動きは光学的および／または電気的に検出される、
    請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の方法。
14. 【請求項１４】 粒子は２００ミクロン以下のサイズをもった合成粒子また は天然粒子である、請求項１乃至１３のいずれか１つに記載の方法。
15. 【請求項１５】 粒子は生物学的セルまたはその構成要素である、請求項１
    乃至１４のいずれか１つに記載の方法。
16. 【請求項１６】 捕獲領域から焦点へのあるいは焦点から捕獲領域への粒子
    の過渡的な動きは、光学的ケージを調整するために使用される、請求項１乃至１
    ５のいずれか１つに記載の方法。
17. 【請求項１７】 光学的ケージの焦点において少なくとも１個の粒子に光学
    的に誘導された力を測定および／または力を及ぼす装置であって、 電気的捕獲領域を具えた３次元電界を形成するために構成された微小電極配置
    を具えた流体マイクロシステムと、 上記マイクロシステムの微小電極配置中に光学的ケージを形成するために構成
    された照射装置と、 上記微小電極配置中の粒子の動きを測定するためのモニタおよび／または検出
    装置と、 からなる、装置。
18. 【請求項１８】 微小電極配置は、少なくとも一方が透明である間隔を置い
    て配置された２枚の基板のグループの形式である平坦電極からなる、請求項１７
    に記載の装置。
19. 【請求項１９】 透明な基板の厚みは５００ミクロン以下である、請求項１
    ８に記載の装置。
20. 【請求項２０】 電極は基板の対向面上に取り付けられており、基板はサス
    ペンション領域を形成するスペーサによって互いに隔てられており、上記サスペ
    ンション領域には光学的ケージの焦点が上記２枚の基板の一方を通して照射装置
    によって結合される、請求項１８に記載の装置。
21. 【請求項２１】 サスペンション領域は管状構造の一部であり、その管状構
    造を通して粒子が溶液の流れによって微小電極配置のフィールド内に導入される
    、請求項２０に記載の装置。
22. 【請求項２２】 微小電極配置は、ｘ、ｙおよび／またはｚ方向に対称な電
    界分布をもった多極電界を発生するように構成された多数の電極を含む、請求項
    １７乃至２１のいずれか１つの装置。
23. 【請求項２３】 電極は、絶縁性の誘電体被膜で覆われているか、あるいは
    懸濁液に対して本質的に不活性の金属からなる、請求項１７乃至２２のいずれか
    １つに記載の装置。
24. 【請求項２４】 電極は、白金、チタン、タンタル、または金からなる、請
    求項２３に記載の装置。
25. 【請求項２５】 電極は、半導体技術からの方法を使用して、またはハイブ
    リッド技術を使用して構成された３次元形状に構成されている、請求項１７乃至
    ２４のいずれか１つに記載の装置。
26. 【請求項２６】 レーザ・ピンセットを較正する、請求項１乃至１６のいず
    れか１つに記載の方法、または請求項１７乃至２５のいずれか１つに記載の装置
    。
27. 【請求項２７】 生物学的セルを選択的に刺激する、請求項１乃至１６のい
    ずれか１つに記載の方法、または請求項１７乃至２６のいずれか１つに記載の装
    置。