JP2004527255A - 材料を操作するために光ピンセットを使用する装置 - Google Patents

Abstract

可視部分のスペクトルの中の光を使用して、光トラップのアレイ及び粒子のアレイの形成を制御する方法及び装置を提供する。この方法及び装置はレーザ及び時間的に可変の回折光学素子を提供して、光トラップのアレイの動的な制御及び結果として生ずる粒子のアレイの制御さらに複数の光トラップを使用して１つの対象物に対する操作をできるようにする。対象材料の強い吸収に関係する波長を避けること、連続波レーザを用いて光トラップを作ること、それぞれのトラップの効率を最適化すること、及び複数の点で広がったサンプルをトラップすることによって、有害で非線形的な光学処理の割合を最小にすることができる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、裁定番号ＤＭＲ−９８０８５９５のもとに国立科学財団のＭＲＳＥＣプログラムを通して、また教育省からのＧＡＡＮＮ奨励金を通して、国立科学財団によって与えられた契約番号ＤＭＲ−９７３０１８９により米国政府の支援によりなされたものである。米国政府も本発明に対して一定の権利を有している。
【０００２】
本発明は、概して、光トラップすなわち光ピンセットを制御する方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、可視光を用いて形成された光ピンセットに関する。この光ピンセットは、生体の生物学的材料などの種々の光感知材料を操作するために、調査又は操作される材料に対してかなりの損傷又は有害な影響を与えずに使用することができる。
【背景技術】
【０００３】
液状媒体の中に浸漬された小さい誘電体の粒子の位置を操作するために、単一の光ビームからの光学傾斜力（optical gradient force）を用いて光ピンセットを構成することは周知である。この場合、液状媒体の屈折率は、粒子のそれよりも小さい。この光ピンセットの技術は反射、吸収の操作をできるように、また誘電率が低い粒子も同様に操作できるように一般化されている。
【０００４】
このため、１つの光トラップを生成するために単一の光ビームを使用することによって、１つの粒子を操作することができるいくつかのシステムが開発されている。そのようなシステムを用いて複数の粒子を操作するには、複数の光ビームを使用する必要がある。従来の光ピンセット法を用いて拡張された複数ビームのトラップを作り出すことは難しいため、一般に生体物質の検査、また電子的、光子的及び光電子的装置、化学的及び生物学的アッセイで使用する化学センサのアレイ、並びにホログラフィック及びコンピュータ記憶マトリックスを含むナノ複合材料の製造及び操作のような多くの潜在的な商業上の用途ではそれらを使用できない。
【０００５】
光ピンセットは高輝度で緊密に集束された光ビームが及ぼす力を使用して、誘電体粒子を一般に液状媒体の中でトラップ及び操作する。光ピンセットの以前の説明では、調査、診断評価、及びさらに治療の目的のために、セル又はそれらの成分を捕捉するような生物学的な用途に対するそれらの潜在的な有用性が強調された。これらの同じ報告書は、可視光を使用する場合の光トラッピング法によって引き起こされた、本来の永続的な損傷又は変化の発生についても強調した。特に、Ａｒイオンレーザからの波長λ＝５１４．５ｎｍの緑色光が、生体物質に対して様々な悪影響を及ぼすことが観察されている。すなわち、赤血球は文字通り爆発し、緑色植物のセルは破壊され、また緑のレーザ光を継続して与えると、トラップされた繊毛バクテリアを死なせてしまう。最初の２つの例の緑色レーザ光による損傷は、明らかに、それぞれヘモグロビン及び葉緑素が緑色光を強く吸収して、急激な加熱及び破局的な破壊に至ったことにより結果として生じたものである。第３の種類の損傷の仕組みは、当業者には「オプティキューション（opticution）」と呼ばれ、直接的には明らかではなかった。その後の研究により、光ピンセットの使用によるセルの死亡に対する同様の仕組みの、光誘導による突発変異誘発（optically-induced mutagensis）であると特定された。
【０００６】
同様の材料がλ＝１０６４ｎｍで動作するＮｄ：ＹＡＧレーザからの赤外光によってトラップされた場合には、生体物質に対してはかなり少ない損傷しか観察されなかった。主に単一の光ピンセットを用いるこれらのまた同様の初期の観察に基づいて、研究者は、生体物質を光学的にトラップするには、赤外線照射は可視光照射よりも動作的に優れているとの結論に至った。すなわち、赤外光を用いても、生体物質に対して何ら明白な悪影響を及ぼさなかった。
【０００７】
しかしながら、レーザ誘起による損傷は、特定の環境の中では望ましいことがある。例えば、λ＝５３２ｎｍで動作するパルス式光ピンセットが、染色体のような生体物質を切断する能力に対して選び出されている。この方法で使用される光ピンセットは、光学的はさみ又は光学的メスとして周知である。例えそうであっても、可視光を用いて生体物質を非破壊的にトラッピングする見込みは、生体物質に対するかねて定評があり認められた悪影響のために、認めることができない光学的なトラッピング及び操作であると当業者によって以前は考えられていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、光の可視又は紫外の部分のスペクトルを用いる少なくとも１つの光トラップを使用する改良された方法及びシステムを提供することである。
【０００９】
また、本発明の目的は、効率、有用性及び使用上の安定性のレベルが増加した、可視光の光トラップを制御するための新規な方法及び装置を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、人の目に見える光を用いて比較的簡単に位置合わせされる、可視光の光トラップを制御するための新しい方法及び装置を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、局部的な領域を正確にトラップすることができる、可視光の光トラップを制御するための新しい方法及び装置を提供することである。
本発明の付加的な目的は、操作されるサンプルが光の吸収により過渡に加熱又は変形されない、可視光の光トラップを制御するための新しい方法及び装置を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、大いに改良されたトラッキング精度を有する光トラップを制御するための新しい方法及び装置を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、電子的、機械的、化学的又は生物学的な状態が高輝度の光パターンを有する光ピンセットに極めて敏感などのような材料にも使用できる光ピンセットに対して可視光を使用するための新しい方法及び装置を提供することである。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、効率的な光トラップを行うが材料の望ましい化学的、生物学的、電子的又は機械的な状態を変えることがない、パワーレベルが可変の光トラップを制御するための新しい方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的に基づいて、可視の光ピンセットによって生物学的な物質及び他の高輝度の光に敏感な材料に対して加えられた損傷又は望ましくない変化は、１つには光トラッピングシステム及び方法の適切な設計によって、許容できる、最小の又はゼロの大きさ及びレベルにまでも減らすことができることが発見されている。さらに、紫外線の波長は、本発明の特徴を利用することによって、特殊な小形の物体及び特定の種類の材料に対して使用することもできると信じられている。その結果、そのような光ピンセットは、生物学的なシステム及び光に敏感な材料を有する他のシステムにおいて高範囲に及ぶ用途があり、また赤外線の光ピンセットに対して多数の利点を持つことができる。
【００１６】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、下記に示した添付の図面と併せて考慮すれば、その好ましい実施形態の次の説明から容易に明らかになるであろう。図面では、全体を通じて、同様の素子には同じ番号を付けてある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の改良を最も良く理解するために、図１及び図２はいくつかの従来の特徴を含む数個の方法及びシステムを示す。図１の光ピンセットシステム１０では、光学傾斜力（optical gradient force）は、媒体１６内に分散された小さい誘電体粒子１４を制御可能に操作するために、１つの光ビーム１２を使用することによって発生する。媒体１６の屈折率ｎｍは、粒子１４のそれよりも小さい。光学傾斜力の基本的な性質は周知であり、この原理は反射、吸収及び同様に誘電率が低い粒子の操作をできるように一般化されていることも理解されよう。これらの技術のいずれも後で説明される本発明の改良に関連して実行することができ、下記の専門用語の光ピンセット、光トラップ及び光学傾斜力のトラップを使用することによって達成される。
【００１８】
光ピンセットのシステム１０は、光トラッピング効果を実行するために必要な力を加えることができる光ビーム１２（レーザ光又は他の輝度が極めて高い光源など）を使用することによって利用される。この光トラッピング効果は、粒子を操作するために必要とされる。従来の形状の光ピンセット１０の目的は、収束光学素子（対物レンズ２０など）の後部開口部２４の中心に１つ以上の成形した光ビームを投影することである。図１に示すように、光ビーム１２の幅は「Ｗ」であり、光軸２２に対する入射角はφである。光ビーム１２は対物レンズ２０の後部開口部２４に入射し、前部開口部２６から出射して、結像体積（imaging volume）３２の焦点面３０内の焦点２８にほぼ収束する。ここで、焦点２８は光トラップ３３に一致する。一般に、どのような収束形光学システムも、光ピンセットのシステム１０に対するベースを形成することができる。
【００１９】
光ビーム１２がコリメートされたレーザ光であり、その軸が光軸２２に一致する場合、この光ビーム１２は対物レンズ２０の後部開口部２４に入射し、結像体積３２内の焦点である対物レンズの焦点面３０の中心点Ｃに送られる。光ビーム１２の軸が光軸２２に対して角度φだけ移動される場合、ビームの軸３１及び光軸２２は後部開口部２４の中心点Ｂで一致する。この変位により、対物レンズ２０の角倍率に依存する量だけ視野に沿って光トラップの移動が可能にされる。２つの変数、すなわち、角度変位φ及び光ビーム１２の変化する収束度を用いて、結像体積３２内の選択された位置に光トラップを形成することができる。複数の光ビーム１２を異なる角度φ及び異なるコリメーションの程度で後部開口部２４に加えることにより、複数の光トラップ３３を様々な位置に配置することができる。
【００２０】
三次元の中で光トラッピングを実行するには、トラップされる粒子上で作られた光学傾斜力は、光の散乱及び吸収から生じる他の放射圧力を超えなければならない。一般に、このことは、後部開口部２４において適当な形状を有するために光ビーム１２の波面を有することが必要である。例えば、ガウス形ＴＥＭ₀₀の入射レーザ光については、ビームの直径ｗは、後部開口部２４の直径にほぼ一致する必要がある。より一般的には、ビームプロフィール（ガウス−ラゲールのような）の比較可能な条件を公式化することができる。
【００２１】
いくつかの従来の特徴を含む図２の別のシステムでは、光ピンセットシステム１０は、対物レンズ２０の視野にわたって光トラップ３３を移動することができる。望遠鏡３４はレンズＬ１及びＬ２から構成され、図１の従来技術のシステムの中で中心点Ｂと光学的に結合する点Ａを確立する。図２のシステムでは、点Ａを通過する光ビーム１２は点Ｂも通過するため、光ピンセットシステム１０を実現するための基本的な要求事項に適合している。コリメーションの程度は、望遠鏡３４の移行特性（transfer property）を最適にするように、レンズＬ１及びＬ２を図２に示すように配置することによって保持される。さらに、望遠鏡３４の倍率は、対物レンズ２０の後部開口部２４の面において光ビーム１２及びその幅ｗの角変位を最適にするように選択することができる。前述したように、一般に、いくつかの光ビーム１２を用いていくつかの関連する光トラップを形成することができる。そのような複数のビーム１２は、複数の独立した入射ビーム又は従来の反射及び／又は屈折光学素子によって操作された１つのビームから作り出すことができる。
【００２２】
図３に示した全体的な光学操作システムの１つの好ましい実施形態では、任意の光トラップのアレイを形成することができる。回折光学素子４０は、大体において、対物レンズ２０の後部開口部２４と共役の面４２内に配置される。明確にするために、回折された出力ビーム４４は１つしか示してないが、複数のそのようなビーム４４を回折光学素子４０によって作ることができることを理解されたい。回折光学素子４０に入射する光ビーム１２は、この回折光学素子４０の特性に応じたパターンの出力ビーム４４に分割される。それぞれの出力ビームは、点Ａから放射する。このため、出力ビーム４４も、前述した下流の光学素子の結果として点Ｂを通過する。
【００２３】
図３の回折光学素子４０は入射する光ビーム１２に対して直角になるように示されているが、他の多くの構成も可能である。例えば、図４では、光ビーム１２は光軸２２に対して傾斜角βで到来し、回折光学素子４０に対して直角ではない。この実施形態では、点Ａから放射された回折ビーム４４は、結像体積３２の焦点面５２の中に光トラップ５０を形成する（図１に最も良く示されている）。光ピンセットシステム１０のこの構成では、入射した光ビーム１２の回折されない部分５４を光ピンセットシステム１０から取り除くことができる。従って、この構成によりバックグラウンド光の少ない処理が可能になり、光トラップの形成における効率及び有用性が改良される。
【００２４】
この回折光学素子４０は、入射した光ビーム１２を事前選択された所望のパターンに分割するコンピュータ生成によるホログラムを含むことができる。そのようなホログラムを図３及び図４の光学素子の残りの素子と結合することにより、任意のアレイを作ることができる。これらのアレイでは、回折光学素子４０を使用して、各回折ビームの波面を別々に成形する。このため、光トラップ５０の三次元の配列を形成するために、光トラップ５０を対物レンズ２０の焦点面５２の中だけでなく、焦点面５２から離れた位置にも配置することができる。
【００２５】
図３及び図４の光ピンセットシステム１０には、回折ビーム４を収束して光トラップ５０を形成するために、対物レンズ２０（又はフレネルレンズのような他の類似の機能的に等価な光学素子）などの収束光学素子も含まれる。さらに、望遠鏡３４又は他の等価の移行光学素子（transfer optics）は、上記の後部開口部２４の中心点Ｂと共役の点Ａを作る。回折光学素子４０は、点Ａを含む面内に置かれる。
【００２６】
別の実施形態では、望遠鏡３４を使用しないで、任意の光トラップのアレイ５０を作り出すことができる。そのような実施形態では、回折光学素子４０を点Ｂを含む面内に直接配置することができる。
【００２７】
光ピンセットシステム１０では、静的な又は時間依存性の回折光学素子４０のいずれも使用することができる。動的なすなわち時間依存性の素子については、時間的に変化する光トラップのアレイ５０を作り出すことができ、これらのアレイをそのような特徴を利用するシステムの一部とすることができる。さらに、これらの動的な光学素子４０を使用して、粒子及びマトリックス媒体を互いに相対的に活発に移動させることができる。例えば、回折光学素子４０を、コンピュータ生成のホログラフィックパターンにより転写された変化を受ける液晶のフェイズアレイとすることができる。
【００２８】
図５に示された別の実施形態では、システムは光ピンセットのトラップ５０を連続的に移動できるように構成することができる。ジンバルに搭載したミラー６０は、その回転中心を点Ａに置いて配置される。光ビーム１２はその軸が点Ａを通過するようにミラー６０の表面に入射し、後部開口部２４に投影される。ミラー６０が傾斜することにより、ミラー６０に対する光ビーム１２の入射角が変化され、この特徴を使用して結果として光トラップ５０を移動することができる。第２の望遠鏡６２がレンズＬ３及びＬ４から形成されて、点Ａと共役の点Ａ’を作る。点Ａ’に置かれた回折光学素子４０が次に、回折されたビーム６４のパターンを作り出す。それぞれの回折されたビームは点Ａを通り、光ピンセットアレイのシステム１０内にピンセットトラップ５０の１つを形成する。
【００２９】
図５の実施形態の動作に当たっては、ミラー６０がピンセットアレイ全体を一体として移動する。この方法は光ピンセットのアレイを静止した基板と精密に位置合わせして、小振幅で急速な振動の変位によって光トラップ５０を動的に固めることに対して、また一般的な移動能力を要求するどのような用途に対しても有用である。
【００３０】
試料ステージ（図示せず）を移動することにより又は望遠鏡３４を調整することにより、光トラップのアレイ５０を試料ステージに対して縦方向に移動することもできる。さらに、試料ステージを移動することによって、光ピンセットのアレイを試料に対して横方向に移動することもできる。この機能は、対物レンズの視野の範囲を超えた大規模な移動に対して特に有用になるであろう。
【００３１】
図６に示した別の実施形態では、光学システムは、光ピンセット１０によってトラップされた粒子のイメージを視察することができるように構成される。二色性ビームスプリッタ７０又は他の等価な光学ビームスプリッタが、光ピンセットシステム１０の対物レンズ２０と光学縦列（optical train）との間に挿入されている。図示した実施形態では、ビームスプリッタ７０は、光ピンセットのアレイを形成するために使用される光の波長を選択的に反射し、他の波長を透過させる。このため、光トラップ５０を形成するために使用される光ビーム１２は高い効率で後部開口部２４に送られ、一方イメージを形成するために使用される光ビーム６６はイメージ形成用光学素子（図示せず）を通過できる。
【００３２】
光学システムの１つの用途に対する図が、図７Ａ及び図７Ｂに示されている。回折光学素子４０は、１つの光ビーム１２と相互作用してコリメートされたビームの４ｘ４のアレイを作り出すように設計される。５３２ｎｍで動作する１００ｍＷの周波数倍増ダイオードポンプ式Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、光ビーム１２に対してガウス形ＴＥＭ₀₀形状を提供する。図７Ａでは、アレイの１６個の主光ピンセット１０の中でトラップされた１６個のシリカの球体により後方散乱されたレーザ光によって、視野が部分的に照射されている。直径が１μｍの球体が水中に分散され、顕微鏡のガラスのスライドと厚さが１７０μｍのカバーガラスとの間の試料体積の中に配置される。ピンセットのアレイはカバーガラスを通して上方に投影され、カバーガラスの８μｍ上側で顕微鏡の上側のスライドの２０μｍ以上下側の面内に配置される。シリカの球体は、１６個の光ピンセット１０のそれぞれの中に三次元で安定してトラップされる。
【００３３】
図７Ｂでは、光ピンセット１０（トラップ）が消滅された１／３０秒後で、球体がトラップ側から拡散する時間を有する前の、球体が光学的に組織化された配列が示されている。
【００３４】
［適応ピンセットモード］
種々の実施形態の中で、前に記述した基本的な光トラップモードは、様々な有用な手順の中で使用することができる。さらに、他の実施形態は、光トラップの動作及び効用を向上させるために、これらの方法に適合するように構成することができる装置及びシステムを含む。特に、光トラップを制御及び変更することができ、これらの特徴を利用する種々の実施形態を以下に説明する。
【００３５】
光トラップの各種の新しい使用及び用途は、光トラップの構成の時間的に変化する構成及び動的な変化から生じる。本発明の１つの形態では、光トラップのアレイを図８に示す方法で都合よく操作することができる。図示した光学システム１００では、回折光学素子１０２は、コリメートされたレーザビーム１０４をいくつかの（２つ以上の）レーザビーム１０６及び１０８に分割する。いくつかのレーザビーム１０６及び１０８の各々は、対物面１１８内の個々の光トラップの中に送られる。これらのいくつかのレーザビーム１０６、１０８の各々は、レーザ１１４及び１１６によって形成された望遠鏡のような従来の光学的配列の動作により、対物ビーム１１２の後部開口部１１０に移される。対物レンズ１１２は、これらいくつかのビーム１０６，１０８の各々を収束する。本発明の好ましい形態では、移動可能なナイフエッジ１２０が、いくつかのレーザビーム１０６，１０８の光路の中に移動できるように配置され、これにより、いくつかのレーザビームの任意の選択された１つを選択的にブロックして、一部の光トラップの形成を選択的に阻止できるようにする。そのような方法及び構造により、適当に設計されたナイフエッジ又は開口付きのナイフエッジの構造体及び同様のそのような構造体を用いて、どのような望ましい光トラップのアレイも作ることができる。
【００３６】
そのような光トラップ制御方法を使用する場合の図が、図９に示されている。ここでは、光トラップは回折光学素子１２のホログラフィック形状で形成される。図８の移動可能なナイフエッジ１２０は、その光トラップの１つの線１２４以外の全てをブロックすることができ、ナイフエッジ１２０を組織的に移動することによって、それぞれの線１２４を設定することができる。これにより、光トラップ１３２を粒子１２６で組織的に充填することができる。この方法は光トラップ１３２を様々な違った種類の粒子で充填することができ、光トラップのアレイの外側部分を優先的に充填する傾向があるという粒子１２６の一般的な問題を回避することもできる。そのような優先的な充填は、内側の光トラップの充填をブロックすることがある。このように光トラップを制御して形成することにより、光トラップの配列を正確に形成及び変更することもできる。
【００３７】
光トラップ１３２のアレイを充填することに対して詳細な制御を行うことの他に、光トラップの充填を加速する装置を設けることができる。例えば、図８には、下記を行うための装置を示す機能ブロック１２８が示されている、すなわち、（１）選択された粒子１２６を出力すること（図１０参照）、（２）粒子１２６に（電気泳動又は電気浸透によって）圧力差を加えること、（３）温度勾配を加えること、及び（４）漁網のような方法で粒子１２６を含む懸濁液を通して光トラップのアレイ全体を移動すること、である。粒子の濃度が約１０^-4μｍ^-3で、また約１００μｍ／ｓｅｃの妥当な流速で開始して、粒子１３４を光トラップ１３２の中に充填して、約１分で線１２４すなわちアレイのパターンの１つの行を充填することができることが、実験から求められた。アレイを基板上に移すことによって又は粒子が浮遊している流体をゲル化することによって、粒子１２６の十分に発達したアレイを永続的なものにすることができる。そのような方式により、多種多様な異なる粒子のアレイ及び粒子１２６が結合したアレイを作ることもできる。光トラップ１３２の前述した特性及び機能性を用いて、それぞれの粒子１２６を運用上の用途及び研究目的に対してさらに探索、イメージ形成及び操作することもできる。
【００３８】
さらに別の実施形態では、光トラップ１３２を特定の光学的な要求事項に対応して動的に変更することができる。このことは、１つ以上の光トラップ１３２を用いて様々な光トラップの位置において粒子を変更、除去、又は追加することができるように、又は１つの対象物に対して様々な操作ができるように、所望の命令情報を有するコンピュータプログラムを用いて行うことができる。さらに、植物又は動物のセルなどの任意の対象物を動的に操作するために、１つ以上の光トラップ１３２を移動したり、それらの特性を変えること（トラップの形状又は強度の変更など）ができる。このことは、壊れやすい構造体を操作する場合又は対象物に対して複雑な操作を行う必要がある場合に特に好適である。これまで、そのような対象物は、１つの力任せのトラップによって扱われていた。このトラップは、対象物に対して損傷を与える可能性があるか、又は所望の機能を行うために必要とされることが多い自由度を備えていないことがある。
【００３９】
さらに、別の処理では、粒子１２６を大きさによって動的に分類することができる。粒子１２６のアレイを、図１０に示した方法で映像化することもできる。顕微鏡１３８は粒子１２６を映像化することができ、パーソナルコンピュータ１４０は粒子１２６を識別し、これらの粒子をトラップするために（図８の回折光学素子１４４に対する）ホログラム１４２のみの位相を計算することができる。次に、コンピュータ制御の空間光変調器１４３は、レーザビーム１４４に位相変調のパターンを加えることによって、コンピュータ設計のホログラム１４２を実行することができる。このレーザビームは、任意の様々な目的に対して動的に変化させることもできる。修正されたレーザビーム（図８の数個のレーザビーム１０６，１０８も参照のこと）は顕微鏡によって収束され、映像スクリーン１５０上で粒子１２６をトラップする（ピンセットとしても周知の）光トラップ１３２のアレイを作り出す。次に、粒子１２６を分類するために又は所定の対象物の形状を操作、検査若しくは変形するために、それぞれの粒子１２６を個別に操作して所望の構造体を作ることができる。
【００４０】
［可視及びＵＶスペクトルの光の使用］
本発明の好ましい実施形態では、可視の光ピンセットを都合よく使用することができる。本発明の別の形態では、紫外光に適合した特定の大きさの材料に対して又は紫外光に感受性が低い用途に対して、本発明は紫外光を含む可視光よりも短い波長にまで拡張することができる。これまでは、生きている生体物質の中で使用するピンセットは、前述した理由のために赤外光から形成されてきた。一般に、光ピンセットは、少なくとも３つの主要な仕組み、すなわち、（１）機械的に崩壊する物理的な相互接続、（２）加熱、及び（３）生体材料の場合、生体分子の光化学作用による変形、により生物学的システムを損傷することがある（単に典型的な仕組みを示したが、他の仕組みも考えられる）。第１の仕組みには、膜を構成するリン脂質光トラップ内に引き込み、次にそれらをミセル又は気胞として排出するような工程が含まれる。そのような工程は光ピンセットの動作に固有のものであり、使用する光の波長には依存しない。所定の用途に対してできるだけ小さくかつ最も効率的なトラッピング力を用いることによって、これらの破壊的な工程を最小限にすることができる。加熱は、緑のレーザ光がヘモグロビンが豊富な赤血球を破壊することに代表されるように、光トラッピング光子の吸収に起因する。しかしながら、大抵の生体物質は本質的に可視光に対しては透明であり、実際には、赤外光をより強く吸収する。例えば、水の吸収係数は、λ＝１μｍのときμ∂＝０．１ｃｍ^-1（赤外範囲）と比べるとλ＝５００ｎｍのとき約μ∂＝３ｘ１０^-4ｃｍ^-1（可視範囲）である。従って、赤外ベースの光トラップは、可視光ベースのトラップよりも約３００倍も効率的に水を加熱する。この差は、他の生物学的システムの構成要素に対して報告されているものよりもはるかに少ない。例えば、大抵の蛋白質及び多糖類のモル吸収係数は、可視光に対してはμ∂≒０．１ｃｍ^-1／Ｍであり、赤外放射に対してはμ∂≒０．０１ｃｍ^-1／Ｍである。ヘモグロビンは例外であり、可視光部分のスペクトル内でμ∂≒１０⁴ｃｍ^-1／Ｍという比較的巨大なモル吸収係数を有する。そのような強い吸収条件がない場合は、可視光は加熱に対しては赤外光よりも優れていることになり、実際に、生物学的システムでは水が行き渡っているため望ましいであろう。
【００４１】
光化学作用による変形は、別個の分子状態に対する１つ以上の光子の共振吸収（resonant absorption）又は広い分子帯域に対する非共振吸収のいずれかによって進行する。最も関連する共振遷移は赤外光（振動遷移に対する）から可視光（電子遷移に対する）までの中で発生する。しかしながら、最も関連する共振遷移は光の周波数に強く依存するため、それらの遷移が任意の特定の赤外又は可視のレーザからの単色光によって駆動されることは極めて起こりそうもない。広帯域への遷移は、主に光スペクトルの紫外の端部で発生するため、赤外光又は可視光のいずれによっても行われることはない。
【００４２】
（前述した）「オプティキューション」は加熱又は機械的な崩壊によってではなく、主に光化学によって行われると信じられているため、可視の（又は場合によっては紫外の）光ピンセットが同様の光化学的な反応（又は光感知化学状態、光感知電子状態又は顕微鏡レベルにおける敏感な機械的構造などのある種の材料に悪影響をもたらすような他の光学的に行われる事象）を有する生物学的な又は他の材料に対して結果として悪影響を与えることがある理由を理解することは重要である。そのような材料は、例えば、分子が小さい薬物、ドープされた半導体、高温超伝導、触媒及び低融点の金属を含むことができる。
【００４３】
例えば、可視光における光化学的な劣化に対する生体の耐性は、太陽光の中で進化した自然の副産物と思われる。しかしながら、太陽からの可視の光束は、一般的な１ｍＷの光ピンセットのそれよりも約６桁小さい。光ピンセットの焦点における強力な照射により、２つ以上の光子が協力して１つの光遷移を行う多光子吸収（multiple-photon absorption）の割合が大いに増加される。多光子の事象は光子が同時に到達することが必要であり、そのような事象が発生する度合いは光の輝度に大きく依存する。光トラップの強力な焦点は、実際に、そのような多光子の処理を行うために必要な高輝度の光環境を提供する。
【００４４】
多光子の吸収は、１つの紫外の光子と同じエネルギーを発生する２つの可視の光子が同時に吸収されるため、可視の光ピンセットでは赤外の光ピンセットよりも大きな損傷を与えることがある。同様に、このことは、紫外の光子にまで拡張することができる。これらの紫外の光子は、材料の化学的、生物学的、電子的又は機械的な状態を変えるような光エネルギーを発生するためには、２つ以上のそのような光子が必要とされる波長を有する。これに反して、赤外光の２個光子の吸収は可視の光子と同じエネルギーを発生するため、通常は光化学的な又は同様の光による変形を発生させるには十分ではない。このため、赤外光を用いて関連する光化学的事象を実現するには、３個又は４個もの光子の吸収を必要とする。高次の吸収処理は低次の処理よりも可能性が高くないため、生体物質における染色体の組み替えなどの有害な光化学反応を引き起こす可能性は、可視の光ピンセットは赤外光のピンセットよりも高いと思われる。このことは、確実に収束されたλ＝５３２ｎｍの光のパルスが染色体を正確に切断できる光メスを形成する仕組みであると信じられている。
【００４５】
光ピンセットの焦点体積内のｎ個光子の吸収の概算速度Ｗ_nは、次のように変化する。
【数１】

ここで、Ｐはビームのパワーであり、σは吸収体に対する光子の捕獲断面積である。上記の式が示すように、短い波長における低次の処理は、少なくともパワーが等しいビームに対しては、波長が長い高次の処理よりもはるかに多く発生する。
【００４６】
しかしながら、光ピンセットは、赤外光よりも短い波長の光（例えば、可視また場合によっては紫外）を用いて作られる場合は、はるかに効率的である。その結果、そのような光ピンセットは、赤外のピンセットのトラッピング力に適合するためにはるかに小さいパワーしか必要としない。そのようなピンセットがこのようなかなりの利点を有するため、生体物質の顕微操作（及び前述したような他の光に極めて敏感な材料）に対してそれらを使用する門戸が開かれる。誘電体材料を光トラップの焦点に吸引する光学傾斜力の大きさは、概略で、下記のレイリーの近似式の中でλの４乗に逆比例して変化する。
【数２】

このため、例えば、λ＝５３２ｎｍで動作する可視のトラップは、λ＝１０６４ｎｍで動作する赤外のトラップと同じトラッピング力を得るために、１／１６のパワーしか必要としない。パワーの相対的な減少は、直ちに可視トラップ用の２個光子の吸収事象の速度Ｗ₂における減少に移される。
従って、相当な損傷が発生する可能性は大幅に減少され、対象の素材に対してほとんど損傷を与えないことすら可能である。さらに、使用する光の波長を注意深く選択することによって（可視又は場合によっては紫外）、検査する材料の吸収ウィンドウ（absorption window）を使用して、光の吸収を減らしこれにより材料の損傷又は変形を軽減することができる。
【００４７】
トラッピングビームの波面を適当に成形することによって、光ピンセットのトラッピング効率をさらに一層増加させ、パワーについての要求事項をそれに応じて減少させることができる。例えば、輝度が光軸で消滅するドーナツモードのレーザビームから作られた光トラップは、ガウス形のＴＥＭ₀₀モードで形成された従来の光ピンセットの軸方向のトラッピング力を得るために、極めて少ないパワーしか必要としないことが既に実証されてきた。波面を成形することによりトラッピング効率を改良でき、これにより、２個光子の吸収を減らすことができることは明白であるが、最適な波面のプロフィールについての研究は報告されていない。従って、トラッピング波面の特性をうまく処理することにより、さらに一層改良された技術を使用できるようになる。
【００４８】
時間平均したパワーは光ピンセットのトラッピング力を確立するが、そのピークパワーは２個光子の処理の割合を設定する。その結果、連続波の可視の光ピンセットは、パルスレーザによって作られたトラップよりも損傷を与えることが少ない。
【００４９】
局所的な照射及びこれによる２個光子を処理する割合は、前述したように、ただ１つのトラップではなく、複数の個別のトラップをシステムに与えることによってさらに一層減らすことができる。このため、トラッピング力をＮ個の光ピンセットの中の広がったサンプルに与えることにより、Ｗ₂をＮ分の１に削減することになる。
【００５０】
光トラップを被験材料の感知領域から離して配置することに注意すれば、別個の感光性成分を有するシステム（生物学的又は他のシステム）を可視（又は場合によっては紫外）の光ピンセットを用いてさらにトラップすることができる。
【００５１】
さらに、多くの生体物質などのいくつかのサンプルは可視範囲の光を強く吸収するため、可視の光ピンセットを用いてトラップすることはできない。可視光をほとんど感じない多くのシステムについては、様々なステップを用いて有害な非線形の光学処理の割合を最小にすることができる。これらのステップには下記の内容が含まれるが、これらに限定されるものではない。
１．可視光の波長範囲を選択することにより、材料の種類による強い吸収特性に関係する光の波長を使用することを避けることができる。
２．パルスレーザではなく、連続波（ＣＷ）レーザによりトラップを作ることができる。
３．ただ１つの点ではなく複数の点において、広がったサンプルをトラップすることができる。
４．各トラップをできるだけ効率的に作ることができる。例えば、波面の成形を利用して、所望のトラッピング力を得るために必要なパワーを最小にすることができる。
【００５２】
連続波（ＣＷ）レーザを用いてトラップを作り、強い吸収に関係する波長を避けるという考え方は、一般的に全ての光ピンセットのシステムに適用することができる。しかしながら、複数の点で広がったサンプルをトラップし、各トラップの効率を最大にすることは、従来の光ピンセットのシステムで実行するには困難であるが、ホログラフィック光ピンセットの意図した用途の範囲では首尾良く行うことができる。特に、ホログラフィック光ピンセット（「ＨＯＴ」）は任意の数Ｎの光トラップを任意の位置に作り、広がった生物学的サンプル（又は他の極めて光に敏感な材料）を複数の点でトラップすることができる。１つのピンセットを望ましいトラップのアレイの間に素早くスキャンすることによって、これらの複数のトラッピングパターンの最も簡単なものを作ることもできる。パワーの全てをサンプルの１つの点に加える必要がないため、このことは生物学的なサンプル又は他の極めて光に敏感な材料に対しては特に有用である。その代わりパワーを多数の点に分配することによって、サンプルに対する全体的な損傷は、「針のむしろ」と同様な方法で著しく削減される。しかしながら、所望の時間平均したトラッピング力をＮ個のスキャンされたトラップのそれぞれの中で実現するには、各トラップ内にＮ倍のピークパワーか必要とされる。その結果、非破壊的にトラッピング材料に来る場合、ＨＯＴはスキャンされたピンセットに対して本来の利点を有する。
【００５３】
ＨＯＴは、スキャン式ピンセットシステムができるよりも複雑で連続的に展開するトラップのパターンを作ることもできる。光ピンセットの操作が生物学的な又は極めて光に敏感な材料を移動又は分類する意図がある場合、このことは利点になるであろう。
【００５４】
ホログラフィック光ピンセットは、トラップのアレイを作り上げる個々のビームの波面を調整したり、各ビームをトラッピングシステムの収束用光学素子の中に正確に向けることもできる。その結果、ＨＯＴシステムで形成された光ピンセットは、所望のトラッピング力を得るために必要なパワーの大きさを動的に最小にすることができる。
【００５５】
上記の定性的な実施例の指針を使用して、可視光を使用する光トラッピングによって生物学的システム（又は他の極めて光に敏感な材料）に対して加えられた放射又は他の光による損傷の割合を最小にすることができる。これらの指針に従うことによって、特定の用途に対する損傷の割合を許容できるほど小さくすることができる。従って、ＨＯＴシステムで可視光を使用することにより、生物学的システムの用途に対して少なくともいくつかの利点が得られる。
【００５６】
光の効率。光ピンセットを形成するために適当な顕微鏡の対物レンズは、一般に、可視及び紫外の波長を使用するように最適化され、赤外光を透過するために使用する場合には数々の欠点がある。このため、可視光を用いるトラッピングには、従来の光学素子に対して設計された特性による最適な利点がある。赤外のシステムは対照的に、より高価な特殊用途の光学素子を使う必要があり、そうしない場合は可視のトラッピングシステムに対する赤外のシステムの潜在的な利点をいくらか減らしてしまうような光学収差が発生する。
【００５７】
安定性。人の視覚系には、可視のトラッピングシステムからの迷光がユーザの視力を損傷する可能性を低減する、目を保護する瞬目反射が含まれる。赤外光では、そのような反射はユーザの視力を保護しない。
【００５８】
位置合わせの容易さ。肉眼で見える光学縦列の位置合わせは、赤外の場合よりもはるかに容易である。
【００５９】
２個光子処理の有用性。２個光子の処理は、例えば、光学的なはさみ及びメスを作る上でいくつかの生物学的用途では有用である。可視の光トラップの損傷を最小にする構成を作る同じ光学縦列をリアルタイムで再構成して、２個光子の吸収に対して最適化された個々のビームを、パワー利用の効率を最大にして作り出すことができる。このため、同じシステムは、光トラップの１つ又はマトリックスを励起する１つのレーザを用いてそのサンプル内でトラップ、切断、及び一般に光化学による変形を引き起こすことができる。
【００６０】
加熱の低減。赤外システムは、恐らく、可視のシステムが行うよりもかなりの程度まで、水の直接吸収によりそれらのサンプルを加熱する。この過渡の加熱は、生体システムに対する赤外のトラッピング経験の中で報告されたいくつかの損傷を説明することができる。
【００６１】
改良されたトラッピング精度。光ピンセットのトラッピング体積は、光の波長と共に変化する。このため、可視光は赤外光よりも正確に局部的な領域をトラップすることができる。
【００６２】
改良されたトラッキング精度。光トラップは、例えば、遠距離電磁界の中にトラップされた粒子によって散乱された光の時間発展（time evolution）により、トラップされた対象物の動きを追跡するために使用されることもある。そのようなトラッキング技術の分解能は光の波長と共に変化するため、赤外光よりも可視光で形成されたトラップにより改良される。
【００６３】
様々な生物学的また非生物学的な材料を変化する波長、レーザの種類及び実験条件により前述した方法で操作することも可能である。使用される特定のパラメータは、操作すべき材料並びに光に敏感な光学的、化学的、機械的及び電気的な状態に依存する。より詳細には、例えば、可視範囲のある種の波長における材料の吸収特性は、操作に使用されるレーザビームの波長に対してかなりの影響を有することがある。例えば、ある種の緑のレーザ光はある材料とは首尾良く使用することができるが、別の材料（ある種の植物の葉緑体など）とはうまく行かないことがある。電子素子などの非生物学的な材料については、素子の構成要素が強い吸収を示さない可視光の波長を選択することができる。
【００６４】
可視のスペクトル部分が、約４００ｎｍから約７００ｎｍの範囲にあると考えられていることが多いことにも注意されたい。しかしながら、本発明のより広い態様によれば、より広い範囲の波長を使用することができる。例えば、水に対する透明性のウィンドウは、約２００ｎｍと約８００ｎｍとの間であり、ある種の状態では、より大きな範囲の波長さえも使用することができる。
【００６５】
下記の非限定的な実施例は、生体の生物学的サンプルを操作するための可視の光ピンセットの有効性を具体的に説明する。特に、周波数倍増したＮｄ：ＹＶＯ₄レーザのλ＝５３２ｎｍの光を使用する長期にわたるトラッピングを実証する。
【実施例１】
【００６６】
実施例Ｉ
多数の酵母セル（フライシュマンの酵母（Fleischman's Yeast）のパッケージからの一般的な品種）を培養基の中でトラップし、連続的な照射を行う間に数世代の発芽を観察した。これらの試験の間は、酵母セルをトラップするために、周波数倍増したＮｄ：ＹＶＯ₄レーザからの波長が５３２ｎｍの光を使用した。酵母は室温の水溶液の中にＳ．セレビシエ（S. cerevisiae）の様々な菌株を含んでいた。個々のセルは、約１ｍＷの連続波のレーザ光によりトラップされた。１つの例証では、１６個のセルが４ｘ４のアレイに閉じ込められた。これらの１６個のセルの約半分に発芽娘セルが現れ、６時間後にコロニーを形成した。
【実施例２】
【００６７】
実施例ＩＩ
周波数倍増したＮｄ：ＹＶＯ₄レーザからの波長が５３２ｎｍの光を使用して、複数の頬上皮セルをトラップした。綿棒で採取されたセルが室温の水溶液の中に浮遊され、ガラスのカバースリップ上に付着された。光ピンセットは最大１０分間様々なセルの核及び空胞に向けられた。浮遊したセルをその培養基から外すためにセル膜の領域が十分強くトラップされたとき、目視検査で分かるように、その内部突起は著しく影響されたようには見えなかった。ピンセットが消えた後は、正常なセルの機能が回復したと思われた。
【実施例３】
【００６８】
実施例ＩＩＩ
周波数倍増したＮｄ：ＹＶＯ₄レーザからの波長が５３２ｎｍの光を使用して、小麦の下かんセルをトラップした。セルは固体培地の中で得られ、室温で光トラップが行われる前に、ガラスのカバースリップ上に付着された。連続的に光トラッピングをしても、セル壁を破壊する程十分ではなかった。照射されたセルの目視検査では、頬上皮セルの場合に得られたものと定性的に同様の結果が得られた。
【００６９】
本発明の好ましい実施形態を図示し説明してきたが、様々な変更及び修正を、下記の特許請求の範囲の中で記載されるその広い態様の中で本発明から逸脱せずに行うことができることは当業者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】単一の光ピンセットに対していくつかの従来の特徴を含む方法及びシステムを示す図である。
【図２】単一で操縦可能な光ピンセットに対していくつかの従来の特徴を含む方法及びシステムを示す図である。
【図３】回折光学素子を用いる方法及びシステムを示す図である。
【図４】入射光ビームに対して傾斜した光学素子を用いる別の方法及びシステムを示す図である。
【図５】回折光学素子を用いる連続的に移動可能な光ピンセット（トラップ）のアレイを示す図である。
【図６】光ピンセットのアレイを用いて、同時にこの光トラップのアレイを見るためのイメージも形成する、粒子を操作するための方法及びシステムを示す図である。
【図７Ａ】図６の光学システムを使用する４ｘ４アレイの光ピンセット（トラップ）のイメージを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａの光ピンセットによって水中に浮遊された直径が１マイクロメータの石英の球体の、トラッピング照射が終わった直後であるが球体が拡散する前のイメージを示す図である。
【図８】光トラップの充填を加速しながら光ピンセットを使用して粒子を操作するための方法及びシステムを示す図である。
【図９】図９Ａ〜図９Ｄは、光トラップがホログラフィック回折光学素子によって形成される光トラップ制御法を用いる場合の図である。
【図１０】光トラップ制御法を用いる場合の図であり、この方法では、顕微鏡が粒子をイメージ形成し、パーソナルコンピュータを使用して粒子を識別し、粒子をトラップするホログラムのみの位相を計算する。

Claims (21)

1. ビームが収束されたレーザ光を用いて生体物質を操作する方法であって、
   光トラップの状態を形成するために可視の波長範囲の中のビームが収束されたレーザ光を提供するステップであって、前記レーザ光は選択された物質が生体物質に対して相当な損傷を与えずに操作を可能にする前記レーザ光の波長範囲の中で選択された吸収係数を示すような波長を有する、ビームが収束されたレーザ光を提供するステップと、
   前記ビームが収束されたレーザ光を用いて、前記生体物質を操作する複数の光トラップを提供するステップと、
   前記生体物質に相当な損傷を与えないようにするために、前記光トラップのそれぞれのパワーレベル、レーザ光の波長及び前記選択された結果として生ずる吸収係数を制御するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記ビームが収束されたレーザ光が約４００ｎｍから約７００ｎｍまでの波長の光を含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記光ビームが連続波のレーザビームを含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法が、所定のトラッピング力を得るために必要なパワーが、成形されないビームが収束された光よりも軽減されるように、前記ビームが収束された光の波面を成形するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、前記光ビームがドーナッツモードを含むことを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、前記複数の光トラップが回折光学素子から発生することを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、前記複数の光トラップのそれぞれのパワーレベルが、生物学的にかなりの量の生体物質の遺伝暗号が変わらないように制御されることを特徴とする方法。
8. ビームが収束されたレーザ光を用いて生体物質を操作する方法であって、
   前記物質の吸収係数が前記レーザ光の波長範囲の中で小さい波長を有する、連続波でビームが収束されたレーザ光を提供するステップと、
   前記生体物質の別個の部分を操作するための少なくとも１つの光トラップを提供するステップと、
   生体物質の遺伝暗号のかなりの部分が変更されないようにするための小さい吸収係数と併せて、少なくとも１つの光トラップのパワーレベルを制御するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記複数の光トラップが前記ビームが収束されたレーザ光を用いて形成され、前記これらのトラップのそれぞれが前記物質の別個の部分を操作することを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法が、少なくとも１つの光トラップのトラッピング効率が、形成されていないビームが収束された光よりも増加されるように、ビームが収束された光の波面を成形するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記ビームが収束された光が前記物質による吸収を最小にするように計算された形状を備えることを特徴とする方法。
12. 請求項９に記載の方法であって、各トラッピング位置が前記生体物質内の生物学的に敏感な位置ではないことを特徴とする方法。
13. ビームが収束されたレーザ光を用いて生体物質を操作するシステムであって、
    最大波長が赤外光の最小波長よりも小さい波長範囲を有し、光トラップを形成し、かつ前記生体物質の吸収係数がレーザ光の前記波長範囲内では小さいような波長を有するビームが収束されたレーザ光と、
    生体物質の別個の部分を操作するための複数の光トラップと、
    を備え、
    前記光トラップのそれぞれのパワーレベルが制御され、さらに前記吸収係数が小さいことにより、前記生体物質の生物学的にかなりの量の遺伝暗号の少なくとも変更を避けることができるようにされる、
    ことを特徴とするシステム。
14. 請求項１３に記載のシステムであって、前記ビームが収束されたレーザ光が可視及び紫外の波長範囲から選択されることを特徴とするシステム。
15. 請求項１３に記載のシステムであって、前記ビームが収束されたレーザ光が連続波のレーザビームを備えることを特徴とするシステム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、所定のトラッピング力を得るように成形された前記ビームが収束されたレーザ光の波面が成形されていないビームが収束された光よりも減少されることを特徴とするシステム。
17. 請求項１３に記載のシステムであって、前記複数の光トラップがホログラフィック光トラップを含むことを特徴とするシステム。
18. ビームが収束されたレーザ光を用いて材料を操作する方法であって、
    光トラップの状態を形成するために赤外光の波長範囲よりも短い波長範囲のビームが収束されたレーザ光を提供するステップと、
    前記材料の別々の部分を操作するために複数の光トラップを提供するステップと、
    前記材料に対するかなりの損傷を避けるために、前記光トラップのそれぞれのパワーレベルを制御するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、前記ビームが収束されたレーザ光が可視及び紫外の波長範囲から成るグループから選択されることを特徴とする方法。
20. 請求項１８に記載の方法が、光の吸収を最小にするために、前記材料の吸収ウィンドウに適合する波長を有するレーザ光を用いるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
21. ビームが収束されたレーザ光を使用して材料を操作する方法であって、
    前記材料の吸収係数が前記レーザ光の波長範囲の中で小さい波長を有する、連続波でビームが収束されたレーザ光を提供するステップと、
    前記材料を操作するために少なくとも１つの光トラップを提供するステップと、
    前記少なくとも１つの光トラップのパワーレベル及び前記材料がかなり変化されることを避けるための小さい吸収係数を制御するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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