JP2005345710A - 流体光学装置、該装置からなる光ピンセット及び該装置を有するマイクロ流体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ流体デバイスの微細流路内で細胞等をハンドリングすることができる光ピンセットとして使用できる流体光学装置を提供する。
【解決手段】 照射光を出射する光出射部と、この光出射部から出射された照射光を所定の幅の光に形成するための光学系を有し、
この光学系は流体レンズ部を含み、この流体レンズ部には屈折率の異なる少なくとも２種類の液体が隣接した層流が形成されていることを特徴とする流体光学装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は流体光学装置に関する。更に詳細には、本発明は流体光学装置からなる光ピンセット及び該光ピンセットを有するマイクロ流体デバイスに関する。

集光された光の光圧を用いて微粒子などを別々に捕捉して移送させたり、捕捉した微粒子を互いに衝突させたりする光学装置として光ピンセットが知られている。このような光ピンセットは半導体製造における汚染粒子の除去や、熱核融合における燃料ペレットの非接触遠隔操作などに利用できると言われている。

最近は、光ピンセットの重要な用途として、生物学、医学分野における細胞の操作が挙げられている。細胞は大きさが数μｍ程度であり、光ピンセットで掴みやすい寸法であり、しかも、光ピンセットには、壊れやすい細胞を非接触で操作できるというメリットがある。このため、最も強力に応用研究が進められている。

図９は細胞操作のための光ピンセットの一例の概要構成図であり、非特許文献１に記載されている。図９に示される光ピンセット装置は米国のベル研究所のアシキンらにより１９８７年に試作されたものである。サンプルの箱１００にバクテリア（細菌細胞）１０２が入れてあり、観察用に下から光源１０４及び集光レンズ１０６で照明し、上からトラッッピング用の波長１．０６μｍのレーザ光を照射し、細胞を捕捉する。レーザ光はＸ，Ｙ，Ｚマウント１０８に実装された凹レンズ１１０で拡散され、第１のビームスプリッター１１２と第２のビームスプリッター１１４を透過し、オイル１１６に浸漬された対物レンズ１１８及び標準レンズ１２０を介してサンプル箱１００内の細胞に照射される。細胞からの反射光は第２のビームスプリッター１１４で反射され、接眼レンズ１２２及びフィルタ１２４を経て観察者の肉眼１２６で視認される。同時に、第１のビームスプリッター１１２でも反射され、フィルタ１２８を透過し、ビデオ装置１３０に記録することもできる。この装置によれば、繊維組織の中を移動するミトコンドリア（呼吸を営む細胞内小器官。回転楕円体の形をしている）をトラップし、移動の様子を観測したり、移動速度を測定したりすることもできる。更に、２つの細胞をトラップして接触させ、次に接触させた部位に紫外光を照射して細胞を融合することもできる。時間の経過に従って、中の組織が移動し、最終的に合体する。

最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成する微細流路及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内に微細流路及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ流体デバイス」と呼ばれる。

マイクロ流体デバイスは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロ流体デバイスは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。このため、様々な分野でマイクロ流体デバイスが活発に使用されるようになってきた。マイクロ流体デバイスの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１及び特許文献２などに開示されている。

当然、マイクロ流体デバイスの微細流路内で細胞をハンドリングする必要性も存在する。しかし、図９に示されたような構造の光ピンセットは垂直方向からしか照射光を入射させることができず、しかも、油浸対物レンズをサンプルに接触させなければ測定ができない。従って、図９に示されたような構造の光ピンセットは、マイクロ流体デバイスなどにおける細胞ハンドリングのためには都合良く使用することができない。また、従来の光ピンセットで、マイクロ流体デバイス内のサンプルをハンドリングする場合、次のような問題点があった。(1)マイクロ流体デバイス表面が外部からの光ピンセットの光を透過させる必要があり、材質が透明でなければならない。透明であったとしても、電極等の構造物をマイクロ流体デバイスの表面に設置できない。(2)マイクロ流体デバイスの構造は単一層構造とは限らないので、光ピンセットが外部にあった場合、（目的箇所の）上下層に障害物（例えば、電極、あるいは他のサンプル流路等）があると光ピンセットの光を照射できない。(3)マイクロ流体デバイスの特定位置に光ピンセットをセッティングするための位置合わせが煩雑である。このため、マイクロ流体デバイスの微細流路内で細胞をハンドリングすることもできる光ピンセットの開発が強く求められてきたが、未だに実現していない。

特開２００１−１５７８５５号公報 米国特許第５９６５２３７号明細書 浮田宏生、"ここまできた光技術−オプトメカトロニクスの最前線"、（株）講談社、１９９５年１０月２０日、ｐ．１７５−１９５

従って、本発明の目的は、マイクロ流体デバイスの微細流路内で細胞等をハンドリングすることができる光ピンセットとして使用できる流体光学装置を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項１における発明は、照射光を出射する光出射部と、この光出射部から出射された照射光を所定の幅の光に形成するための光学系を有し、この光学系は流体レンズ部を含み、この流体レンズ部には屈折率の異なる少なくとも２種類の液体が隣接した層流が形成されていることを特徴とする流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項２における発明は、前記光学系は、前記光出射部と前記流体レンズとの間に第１の光学系を有することを特徴とする請求項１に記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項３における発明は、前記第１の光学系が前記光出射部から出射された照射光を収束光に収束させる光学系であることを特徴とする請求項２に記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項４における発明は、前記流体レンズ部の前記光出射部とは反対側に、第２の光学系が配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項５における発明は、前記第２の光学系が前記流体レンズ部から出射された光を収束させる光学系であることを特徴とする請求項４に記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項６における発明は、前記第２の光学系は少なくとも２つのレンズを含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項７における発明は、前記第１の光学系は、前記光出射部側に配置された第１面及びこの第１面と反対側に配置された第２面とを有する第１のレンズを含み、前記第２の光学系は、前記流体レンズ部側に配置された第１面及びこの第１面とは反対側に配置された第２面とを有する第２のレンズを含み、前記第１のレンズの第２面と前記第２のレンズの第１面とにより、前記流体レンズ部の外形が規制されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項８における発明は、前記第１のレンズの第２面と前記第２のレンズの第１面との前記照射光の光軸に沿う方向の間隔が前記流体レンズ部の前記層流の方向に沿って漸次小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項９における発明は、前記第１のレンズの第２面と前記第２のレンズの第１面との前記照射光の光軸に沿う方向の間隔が前記流体レンズ部の前記層流の方向に沿って漸次大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項１０における発明は、前記照射光が照射されるサンプルが移動可能に形成されたサンプル流路を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項１１における発明は、光ピンセットとして使用されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の流体光学装置である。

前記課題を解決するための手段として、請求項１２における発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載の流体光学装置を有するマイク口流体デバイスである。

本発明の流体光学装置はマイクロ流体デバイス内に配設することができるような極微小な装置として実現できる。特に、従来は縦方向からしか、光を入射させることができなかったのに対し、本発明では横方向から光を入射させることができる。その結果、光ピンセットをマイクロ流体デバイス内で実現することが可能になった。また、屈折率の異なる２種類の液体を層流状態で連続的に流す際に、その流量割合を変化させることにより、照射光の集光位置を変化させることができる。従来のレンズで光学系を使用する場合は精密（複雑、高価）なアクチュエータが必要であるが本発明では不要である。また、従来の別の技術では、可変焦点レンズを構成するために電圧印加用の電極を配設したりするが、本発明では電極などの配設が一切不要である。

更に、本発明の流体光学装置は次のような効果を有する。
(1)光学系とマイクロ流体デバイスを一体化できるため、セットアップ全体が小さくできる。
(2)高精度の光軸合わせ作業が不要である。本発明のマイクロ流体デバイスは照射光源となる光ファイバも含めて一体型構造なので、マイクロ流体デバイスとして完成した時点で光軸調整が済んでいることとなる。
(3)光ピンセット機構がマイクロ流体デバイスと一体で作成できるため、光ピンセットと多数配置することが安価に可能となる。
(4)マイクロ流体デバイスの表面に、電極等の透明でない部分があっても光ピンセットが使用できる。

以下、図面を参照しながら本発明の流体光学装置の好ましい実施態様について具体的に説明する。
図１は本発明の流体光学装置の一例の部分拡大概要平面図であり、図２は図１におけるII-II線に沿った断面図である。本発明の流体光学装置は、互いに異なる屈折率を有する２種類の液体が層流状態で連続的に流される流体流路１を有し、この流体流路Ｉと平行にサンプル流路３を有する。そして、この流体流路１と直交するように、光学系５を有する。

光学系５は、光ファイバ７などの照射光源を導入するためのチャネル９と、第１の空間１１と、第１のレンズ部１３ａと、第２のレンズ部１３ｂと、第１のレンズ部１３ａと第２のレンズ部１３ｂとの間に形成された流体レンズ部１４と、第２の空間１５と、第３のレンズ部１７とから構成されている。

第１のレンズ部１３ａは光フアイバ７が導入されるチャネル９側に向かって凸状に形成された第１面を有するメニスカス形状を有し、全体として正のパワーを有している。第１のレンズ部１３ａは、第１面（第１の空間１１側の面）が非球面なシリンドリカル面に形成されるとともに、第１面と反対側に位置する第２面（流体流路１側の面）が球面なシリンドリカル面に形成されている。

第２のレンズ部１３ｂは光ファイバ７が導入されるチャネル９側に向かって凹状に（サンプル流路３側に凸状に）形成された第２面を有するメニスカス形状を有し、全体として正のパワーを有している。また、第２のレンズ部１３ｂは、第２面（第２の空間１５側の面）が非球面なシリンドリカル面に形成されるとともに、第２面と反対側に位置する第１面（流体流路１側の面）が球面なシリンドリカル面に形成されている。

流体レンズ部１４は、流体流路１の流路形成方向に沿って隣接した層流として流れる互いに異なる屈折率を有する２種類の液体（図１及び図２ではこれら液体はいずれも図示されていない）により形成され、図２における断面から見た形状は双方の液体とも矩形状を呈している。また、流体レンズ部１４は、第１のレンズ部１３ａの第２面と第２のレンズ部１３ｂの第１面とによって外形（外幅）が規制されるようになっている。

第３のレンズ部１７は、光ファイバ７が導入されるチャネル９側の第１面がチャネル９に向かって凸状の非球面なシリンドリカル面に形成され、第１面と反対側に位置する第２面がサンプル流路３の―方の側面の―部となるような平坦な面に形成された正のパワーを有するレンズである。

ここで、第１のレンズ部１３ａは、光ファイバ７から出射された照射光を流体レンズ部１４に向かう収束光にするための第１の光学系としての機能を有する。また、第２のレンズ部１３ｂ及び第３のレンズ部１７は、流体レンズ部１４から出射された照射光を収束させ、照射光が集光する集光位置（集光位置については後述する）までの距離を短くするための第２の光学系としての機能を有する。

このように構成された光学系５において、光ファイバ７によって導入された照射光は、第１の空間１１を伝播し、第１のレンズ部１３ａを透過することにより、流体レンズ部１４に向かって収束するような収束光となって流体レンズ部１４に入射する。流体レンズ部１４に入射した照射光は、屈折率の異なる第１及び第２の２種類の液体のそれぞれによって屈折される。このように流体レンズ部１４を透過した照射光は第２のレンズ部１３ｂ及び第３のレンズ部１７によって更に収束され、サンプル流路３内における所定の位置（集光位置）で所定の幅をもって集光する。このように、サンプル流路３内にて照射光が最も集光される集光位置において照射光の光圧を利用することにより、光ピンセット作用が達成される。なお、上述の所定の幅とは、サンプル流路３内で行う各種の処理、操作において利用される際に形成される照射光の光軸に直交する方向の幅をいい、上述の光ピンセットに利用する場合には、光ピンセット作用を達成するのに必要な光圧を実現するのに必要な収束された照射光の光軸に直交する方向の幅のことをいう。

図２に示されるように、本発明の流体光学装置は、従来のマイクロ流体デバイスと同様に、流路１，３や光学系５が形成された上面基板２０を、対面基板２２の上面に貼り合わせることにより構成することができる。上面基板２０は、透明な光透過性であり、しかも、流路１，３や光学系５などを常法により形成し易い素材からなることが好ましい。このような観点から、上面基板２０は例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなどの材料を使用することができる。上面基板２０としては成形加工が容易なＰＤＭＳが特に好ましい。また、対面基板２２は、上面基板２０が湾曲したり変形したりすることを防止するのに必要十分な機械的強度を有することが必要であり、例えば、ガラス、シリコン、合成樹脂（例えば、ＰＤＭＳ、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＥ、ＰＳなど）又は金属（例えば、クロム又はステンレスなど）などの材料を適宜選択して使用することができる。上面基板２０がＰＤＭＳである場合、対面基板２２はＰＤＭＳと恒久接着することができるガラス製であることが好ましい。上面基板２０の厚さは数ｍｍ程度（例えば、１ｍｍ〜５ｍｍ）である。また、対面基板２２の厚さは数百μｍ〜数ｍｍ程度（例えば、５００μｍ〜２ｍｍ）である。

本発明の流体光学装置で重要なことは、流路１内を連続的に流れる流体が、(1)層流であること、及び(2)屈折率が異なる２種類の液体であることである。流路１内を流れる流体が乱流の場合、流体レンズを透過する光軸の広がりが時間変化に対して一定しなくなるため、光ピンセットとして対称を保持できない。また、屈折率が同じ液体では集光位置変化を与えられない。

屈折率が異なる２種類の液体を選択する場合、その屈折率差が大きい液体を選択することが好ましい。屈折率差に関しては実質的に必要な数値は屈折率比に換算することもできる。この観点から、本発明の流体光学装置において求められる屈折率比（高屈折率／低屈折率）は１．０４〜１．４の範囲内であることが好ましい。屈折率比は１．０４未満では本発明の流体光学装置において必要とされるレンズ作用が発揮されない。一方、屈折率比が１．４超となる２流体の組合せは実質的に存在しない。

本発明の流体光学装置で使用できる液体は例えば、水、各種水溶液、シリコーンオイル、アルコール、フッ素系不活性液体、ブロモナフタレン、ジヨードメタンなどである。フッ素系不活性液体としては、フロリナート(Fluorinert)の商品名で３Ｍ社から市販されている。このフロリナートは様々な屈折率を有する液体である。例えば、２０℃で１．２９の屈折率を有するフロリナートが市販されている。シリコーンオイルにも様々な屈折率を有するオイルが存在する。ブロモナフタレンの屈折率は１．６６０であり、ジヨードメタンの屈折率は１．７４０（いずれも、２０℃における値）である。屈折率が異なれば、２種類の液体は同種又は異種の何れであっても構わない。

流路１内を層流状態で連続的に流れる屈折率が異なる２種類の液体の、第１の液体対第２の液体の流量割合は１：９９〜９９：１の範囲内で適宜変化させることができる。どんなに薄い流体層でも屈折は起きるはずであるから、屈折率差さえあれば、流量割合は１：９９９〜９９９：１の範囲とすることもできるが、実際問題として、１：９９以下の流量比を実現することは困難である。第１の液体対第２の液体の流量割合を変化させることにより、集光位置を前後に変化させることができる。また、ＮＡ（開口数）を変化させることができる。集光位置は屈折率差と流量割合のどちらを変えても前後に動かすことができる。ただ、実際に使用する際には、２種類の液体種類は固定し、その流量割合を可変する形で集光位置を制御する方が、液体を替えて屈折率差を変えるよりも容易である。

液体の動粘度は２０℃で１０^−７ｍ^２／ｓ〜５ｘ１０^−２ｍ^２／ｓの範囲内であることができる。液体の動粘度が１０^−７ｍ^２／ｓ未満となる液体は実質的に存在しない。一方、液体の動粘度が５ｘ１０^−２ｍ^２／ｓ超の場合、流路１内を流動させるのに過大な高圧が必要になり流路１が損傷する可能性があり好ましくない。液体の動粘度又は表面張力を調整するために公知慣用の界面活性剤を適宜選択して使用することもできる。

図３は本発明の流体光学装置の別の例の部分拡大概要平面図である。図１における光学系５では、第１のレンズ部１３ａ及び第２の流体レンズ部１３ｂの平面形状は互いに外側に凸状となるメニスカス形状に形成されていたが、この実施態様における光学系５Ａの平面形状は、第１のレンズ部１３ａの第１面及び第２のレンズ部１３ｂの第２面は互いに外側に凸状に形成されているものの、第１のレンズ部１３ａの第２面及び第２のレンズ部１３ｂの第１面は、それらの２つの面の照射光の光軸に沿う方向の間隔が流体レンズ部１４の層流の方向（図３における矢線方向）に沿って漸次大きくなるように形成されている。

これにより、流体レンズ部１４は、その平面形状が図３中下から上へ向かう方向に拡開する斜辺を有する略二等辺三角形状に形成されている。このように、略二等辺三角形状に形成された流体レンズ部１４Ａに、屈折率の異なる第１及び第２の２種類の液体（図示されていない）が層流状態となるように連続的に流れるように構成し、ここに、照射光が入射されると、流体レンズ部１４Ａを構成する２つの液体の層流によるプリズム作用により、照射光が屈折される。

このような実施の形態においては、上述のプリズム作用及び流体レンズ部１４Ａにおける第１及び第２の液体の流量比の調整により、照射光の集光位置を、照射光の光軸に対して左右方向（図３のサンプル流路３内における上下方向）に移動、制御することができる。例えば、集光位置を光軸に対して左右に振る場合（図３では、照射光は紙面左から右に進むので、紙面上側を光軸左、下側を光軸右とすると）、流体レンズ部１４Ａの２層流の流量割合で決まる。屈折率の小さい流体の割合が大きいほど集光位置は光軸に対して右側となり、屈折率の大きい流体の割合が大きいほど集光位置は光軸に対して左側になる。

第１のレンズ１３ａ、第２のレンズ１３ｂ及び第３のレンズ１７の非球面は次の数式１により定義される。

｛式中、Ｚは面上の点の光軸方向の座標であり、Ｘは面上の点の光軸からの座標であり、ｋは円錐定数であり、ｃは曲率であり、Ａは４次非球面係数である。また、ｃ＝１／Ｒ（ここで、Ｒは曲率半径である。）である。｝
第１のレンズ１３ａ、第２のレンズ１３ｂ及び第３のレンズ１７などの隔壁の曲率や球面レンズの曲率が変われば、集光位置は変化する。また、屈折率差が変わっても同様に集光位置は変化する。しかし、各レンズの各部の曲率を決める作業はレンズの最適化設計であり、本発明の目的である光路の可変制御とは別問題である。各レンズの曲率は、デバイスの形状であるため、使用中に変更することはできない。流体レンズに使用する流体も、液体の種類はセットアップ時に流体を満たした液体を入れ替えることは面倒であり、従って、屈折率差も変更し難い。これに対して、屈折率の異なる２種類の液体の流量比を変えることは送液系の制御で容易に対応することができる。なお、屈折率差が大きいほど流量割合変化に対して集光位置（あるいは開口数（ＮＡ））が変化する量が大きくなるため、本発明の流体光学装置において、屈折率差は重要なファクターである。

本発明の流体光学装置において、光ファイバ７で導入される照射光はレーザ光を用いたが、電球、発光ダイオードも使用できる。波長の観点から述べれば、遠紫外光、紫外光、可視光、近赤外光、遠赤外光など任意の波長の光を使用することができる。本発明の流体光学装置を細胞などをトラップするための光ピンセットとして使用する場合、細胞と相性のよい近赤外光を使用することが好ましい。また細胞を殺滅する場合には、紫外光、遠紫外光などを使用することが好ましい。従って、必要な光源は本発明の流体光学装置の用途に応じて適宜選択することができる。

本発明の流体光学装置において使用される光の出力は、１ｍＷ〜１０Ｗの範囲内で適宜変化させることができる。光の出力が１ｍＷ未満では光ピンセットとしてトラップ作用を発揮させることができない。一方、光の出力が１Ｗ超では、流路内で集熱してサンプルが蒸発したり、焼損する危険性があるので好ましくない。細胞をトラップするための光ピンセットとして使用する場合、光の出力は １Ｗ程度で十分な効果が得られる。

本発明の流体光学装置の流路１において、屈折率の異なる２種類の液体を層流状態で流すには、例えば、図４に示されるような三叉流路を使用することが好ましい。すなわち、ポート２４に連通する流路２６とポート２８に連通する流路３０が交差点３２で流路１に合流するように形成すればよい。このようにすることで、先ずポート２４及びポート２８から各液体を圧力注入し、流路２６及び３２にそれぞれ送出すると交差点３２で合流し、層流を形成する。この際、ポート２４又はポート２８からの液体送出量を制御することにより２種類の液体の流量割合を変化させることができる。

図５は、本発明の流体光学装置を光ピンセットとして有するマイクロ流体デバイス４０の一例の平面図である。屈折率の異なる２種類の液体を層流状態で連続的に流すために、流路１の末端には液体排出用のポート３４が配設されている。同様に、サンプル流路３の一端にはサンプル送入用ポート３６と、他端にはサンプル排出用ポート３８が配設されている。サンプル送入用ポート３６から細胞サンプルを送入し、サンプル流路３内を移動させ、光ファイバ７から入射された光を光学系５を経てサンプル流路３内で集光させ、光ピンセットとして機能させる。図示されていないが、言うまでもなく、光ファイバ７の他端は適当な光源に接続されている。目的とする細胞が集光された光（すなわち、光ピンセット）でトラップされたか否かは別の拡大鏡（図示されていない）などの公知慣用の手段で確認することができる。目的とする細胞がトラップされたことが確認されたら、集光光（すなわち、光ピンセット）でトラップしたままの状態で観察、融合、変性、取出しなどの所望の処理を施す。

図６は、図１に示された流体光学装置の流体流路１内を層流状態で連続的に流れる２種類の液体の流量割合を変化させた場合の集光位置の移動状態を示す模式図である。（Ａ）は、一方の屈折率を有する液体（グレー色で表示されている液体）と、他方の屈折率を有する液体（黒色で表示されている液体）を５０：５０で流した状態の集光位置（Ｆ１）を示す。（Ｂ）は、一方の屈折率を有する液体（グレー色で表示されている液体）と、他方の屈折率を有する液体（黒色で表示されている液体）を１：９９で流した状態の集光位置（Ｆ２）を示す。図示されているように、使用する各液体の屈折率差が固定されていれば、２種類の液体の流量割合を変化させることにより、集光位置を中心光軸に沿って前後に移動させることができる。

図７は、図３に示された流体光学装置の流体流路１内を層流状態で連続的に流れる２種類の液体の流量割合を変化させた場合の集光位置の移動状態を示す模式図である。（Ａ）は、一方の屈折率を有する液体（グレー色で表示されている液体）と、他方の屈折率を有する液体（黒色で表示されている液体）を９９：１で流した状態の集光位置（Ｆ１）を示す。（Ｂ）は、一方の屈折率を有する液体（グレー色で表示されている液体）と、他方の屈折率を有する液体（例えば、黒色で表示されている液体）を５０：５０で流した状態の集光位置（Ｆ２）を示す。（Ｃ）は、一方の屈折率を有する液体（グレー色で表示されている液体）と、他方の屈折率を有する液体（黒色で表示されている液体）を１：９９で流した状態の集光位置（Ｆ３）を示す。図示されているように、使用する各液体の屈折率差が固定されていれば、２種類の液体の流量割合を変化させることにより、集光位置を中心光軸に対して左右（又は上下）に移動させることができる。

図１に示すような光学系５を有する、図５に示されるようなマイクロ流体デバイスを作製した。上面基板は縦２ｃｍ、横３ｃｍ、厚さ１．５ｍｍのＰＤＭＳ製であり、対面基板は縦７．５ｃｍ、横５．０ｃｍ、厚さ１ｍｍのガラス製であった。流体流路１の幅は１００μｍであり、また、サンプル流路３の幅は５０μｍであった。高さ（又は深さ）は両方とも１３０μｍであった。第１の空間１１は、高さ１３０μｍ、幅２４０μｍ、長さ２４０μｍであり、第２の空間１５は、高さ１３０μｍ、最大幅２２０μｍ、長さ１８０μｍであった。光ファイバ７としてはコア径が６０μｍのマルチモードファイバを使用した。使用した光源は、波長８０８ｎｍ、出力１Ｗのレーザダイオードであった。第１の液体としては屈折率が１．４９のシリコーンオイルを、第２の液体としては屈折率が１．４２のシリコーンオイルを使用し、流量割合５０：５０で流路１内を層流状態で連続的に流した。
第１のレンズ１３ａの第１面は、第１面の光軸上の点が光ファイバ７の出射端面から０．２４ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が０．１３０１７ｍｍで、円錐係数（ｋ）が−０．９２２３４、４次非球面係数（Ａ）が−５．３５１３８によって定義される非球面であり、第１のレンズ１３ａの第２面は、第２面の光軸上の点が第１面から０．０３５ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が０．１３３ｍｍの球面であった。また、第１面及び第２面の高さは双方とも０．１３ｍｍ（１３０μｍ）であった。
第２のレンズ１３ｂの第１面は、第１面の光軸上の点が第１のレンズ１３ａの第２面から０．１３ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が−０．１６６ｍｍの球面であり、第２のレンズ１３ｂの第２面は、第２面の光軸上の点が第１面から０．０３５ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が−０．１３９２７ｍｍで、円錐係数（ｋ）が−３．２７２９０７、４次非球面係数（Ａ）が−１．１４８６８によって定義される非球面であった。また、第１面及び第２面の高さは双方とも０．１３ｍｍ（１３０μｍ）であった。
第３のレンズ１７の第１面は、第１面の光軸上の点が第２のレンズ１３ｂの第２面から０．１８ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が０．０４９５５ｍｍで、円錐係数（ｋ）が−０．３３１１２、４次非球面係数（Ａ）が−１３．２９６２によって定義される非球面であり、第３のレンズ１７の第２面は、第２面の光軸上の点が第１面から０．０８５ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が無限大の平面であった。また、第１面及び第２面の高さは双方とも０．１３ｍｍ（１３０μｍ）であった。
上面基板のＰＤＭＳの５８９ｎｍにおける屈折率は１．４１０であり、アッベ数は５３．５であった。
第１の空間１１及び第２の空間１５には空気が満たされていた。
この条件で実験をしたところ、サンプル流路３内に集光することが確認された。ポート３６から直径２５μｍのポリスチレン製ビーズを流し、集光光（光ピンセット）でトラップすることができた。

前記実施例１と同じデバイスを用い、流量割合を第１の液体１０：第２の液体９０のように変化させたところ、ＮＡが大きくなることが確認された。

図３に示すような光学系５を有する、図５に示されるようなマイクロ流体デバイスを作製した。上面基板は縦２ｃｍ、横３ｃｍ、厚さ１．５ｍｍのＰＤＭＳ製であり、対面基板は縦７．５ｃｍ、横５．０ｃｍ、厚さ１ｍｍのガラス製であった。流体流路１の幅は１００μｍであり、また、サンプル流路３の幅は５０μｍであった。高さ（又は深さ）は両方とも１３０μｍであった。第１の空間１１は、高さ１３０μｍ、幅２４０μｍ、長さ２４０μｍであり、第２の空間１５は、高さ１３０μｍ、最大幅２２０μｍ、長さ１８０μｍであった。光ファイバ７としてはコア径が６０μｍのマルチモードファイバを使用した。使用した光源は、波長８０８ｎｍ、出力１Ｗのレーザダイオードであった。第１の液体としては屈折率が１．４９のシリコーンオイルを、第２の液体としては屈折率が１．２９のフロリナートを使用し、流量割合５０：５０で流路１内を層流状態で連続的に流した。
第１のレンズ１３ａの第１面は、第１面の光軸上の点が光ファイバ７の出射端面から０．２１４ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が０．１０７８７ｍｍで、円錐係数（ｋ）が−０．９２２３４、４次非球面係数（Ａ）が−５．３５１３８によって定義される非球面であり、第１のレンズ１３ａの第２面は、第２面の光軸上の点が第１面から０．０８６ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が無限大の平面で、第２面の法線と光軸とのなす角度が−２０゜であった。また、第１面及び第２面の高さは双方とも０．１３ｍｍ（１３０μｍ）であった。
第２のレンズ１３ｂの第１面は、第１面の光軸上の点が第１のレンズ１３ａの第２面から０．０９ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が無限大の平面で、第１面の法線と光軸とのなす角度が２０゜であり、第２のレンズ１３ｂの第２面は、第２面の光軸上の点が第１面から０．０７４ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が−０．１１７５１ｍｍで、円錐係数（ｋ）が−３．２７２９１、４次非球面係数（Ａ）が−１．１４８６８によって定義される非球面であった。また、第１面及び第２面の高さは双方とも０．１３ｍｍ（１３０μｍ）であった。
第３のレンズ１７の第１面は、第１面の光軸上の点が第２のレンズ１３ｂの第２面から０．１５３ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が０．０４４４７ｍｍで、円錐係数（ｋ）が−０．３３１１２、４次非球面係数（Ａ）が−１３．２９６２によって定義される非球面であり、第３のレンズ１７の第２面は、第２面の光軸上の点が第１面から０．０５９ｍｍの距離にあり、光軸上の曲率半径（Ｒ）が無限大の平面であった。また、第１面及び第２面の高さは双方とも０．１３ｍｍ（１３０μｍ）であった。
上面基板のＰＤＭＳの５８９ｎｍにおける屈折率は１．４１０であり、アッベ数は５３．５であった。
第１の空間１１及び第２の空間１５には空気が満たされていた。
この条件で実験をしたところ、サンプル流路３内に集光することが確認された。ポート３６から直径２５μｍのポリスチレン製ビーズを流し、集光光（光ピンセット）でトラップすることができた。

前記実施例３と同じデバイスを用い、流量割合を第１の液体１０：第２の液体９０のように変化させたところ、集光点が光軸に対して垂直方向に動くことが確認された。

実施例１で作製したマイクロ流体デバイスを用いた。但し、この実施例では実施例１で用いた２種類の液体を乱流状態で連続的に流して、実施例１と同じ実験を行った。その結果、サンプル流路３内に集光することは無かった。

実施例１で作製したマイクロ流体デバイスを用いた。但し、この実施例では実施例１で用いた２種類の液体を全く流すこと無く、実施例１と同じ実験を行った。その結果、サンプル流路３内に集光することは無かった。

以上、本発明の流体光学装置の好ましい実施態様について具体例を挙げて説明したきたが、本発明は上記に説明され、かつ、添付図面に示された実施態様にのみ限定されるものではなく、様々な変更又は改変が可能である。例えば、上述の実施態様において、光学系５における第１〜第３のレンズ部１３ａ、１３ｂ、１７は、非球面又は球面状に形成されたシリンドリカル面に代えて、それぞれのレンズ面を光軸を中心とする回転対称面としてもよい。

また、上述の実施態様において、第１〜第３のレンズ部１３ａ、１３ｂ、１７にシリンドリカル面を使用した光学系５について説明してきたが、本発明はこれに限られるものではなく、シリンドリカル面に代えて、例えば、トロイダル面を用いて光学系５を構成するようにしてもよい。

更に、上述の実施態様において、光学系５における第１〜第３のレンズ部１３ａ、１３ｂ、１７は、上面基板２０に一体的に形成された例を用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、第１〜第３のレンズ部１３ａ、１３ｂ、１７を上面基板２０とは別にそれぞれ形成し、これら個々のレンズを上面基板２０に取り付けることにより光学系５を形成するものであってもよい。

また、本発明の流体光学装置により、集光位置を光軸進行方向に対して前後及び左右に動かすことができることを光ピンセットを中心に説明してきたが、光ピンセット以外でも、マイクロ流体デバイスと組み合わせた光学系の集光位置を可変にしたい場合の多くに利用可能である。例えば、マイクロ流体デバイスの流路内の物質に対する光化学反応全般の反応位置を変えることが可能となる。（蛍光も光化学反応の一種である。）この集光位置を前後若しくは左右に移動させることを蛍光検出の励起光として利用すると、図８（Ａ）及び（Ｂ）のような利用が可能である。例えば、集光位置を前後に移動させる図１に示される光学系（凸レンズ状流体レンズ）の場合、図８（Ａ）に示されるように、サンプル流路３に２層流があり、その界面で起きている反応を検出する際に、界面で励起光が最大になるような形に励起光を制御可能である。また、集光位置を左右に移動させる図３に示される光学系（プリズム状流体レンズ）の場合、図８（Ｂ）に示されるように、サンプル流路の長手方向のどこかに蛍光物質があるとして、本発明の図３の光学系で励起光をスキャンすることにより蛍光物質の位置を測定することができる。符号５０は蛍光検出器を示す。蛍光検出器はＣＣＤ、フォトダイオードなど任意の装置を使用できる。また、本発明の流体光学装置を光ピンセットとして使用する場合、細胞のトラップ以外に、微粒子制御、化学反応制御、微小力測定、微小球レーザなどにも使用できる。

本発明の流体光学装置の一例の部分拡大概要平面図である。 図１におけるII-II線に沿った断面図である。 本発明の流体光学装置の別の例の部分拡大概要平面図である。 ２種類の液体から層流を形成するための機構の一例の部分拡大概要平面図である。 本発明の流体光学装置を有するマイクロ流体デバイスの一例の概要平面図である。 図１に示される本発明の流体光学装置で屈折率の異なる２種類の液体を層流状態で連続的に流す際に、その流量割合を変化させた場合の集光位置の移動状態を示す模式図である。 図３に示される本発明の流体光学装置で屈折率の異なる２種類の液体を層流状態で連続的に流す際に、その流量割合を変化させた場合の集光位置の移動状態を示す模式図である。 本発明の流体光学装置の使用例の一例を示す模式図である。 従来の光ピンセットの一例の概要構成図である。

符号の説明

１ 流体流路
３ サンプル流路
５，５Ａ 光学系
７ 光ファイバ
９ 光ファイバ導入チャネル
１１ 第１の空間
１３ａ 第１のレンズ部
１３ｂ 第２のレンズ部
１４，１４Ａ 流体レンズ部
１５ 第２の空間
１７ 第３のレンズ部
２０ 上面基板
２２ 対面基板
２４，２８ ポート
２６，３０ 液体流路
３２ 交差点
３４ 液体排出用ポート
３６ 送入用ポート
３８ 排出用ポート
４０ マイクロ流体デバイス
５０ 蛍光検出器
１００ サンプル箱
１０２ バクテリア
１０４ 光源
１０６ 集光レンズ
１０８ Ｘ，Ｙ，Ｚマウント
１１０ 凹レンズ
１１２ 第１のビームスプリッター
１１４ 第２のビームスプリッター
１１６ オイル
１１８ 対物レンズ
１２０ 標準レンズ
１２２ 接眼レンズ
１２４ フィルタ
１２６ 観察者の肉眼
１２８ フィルタ
１３０ ビデオ装置

Claims (12)

1. 照射光を出射する光出射部と、この光出射部から出射された照射光を所定の幅の光に形成するための光学系を有し、
   この光学系は流体レンズ部を含み、この流体レンズ部には屈折率の異なる少なくとも２種類の液体が隣接した層流が形成されていることを特徴とする流体光学装置。
2. 前記光学系は、前記光出射部と前記流体レンズとの間に第１の光学系を有することを特徴とする請求項１に記載の流体光学装置。
3. 前記第１の光学系が前記光出射部から出射された照射光を収束光に収束させる光学系であることを特徴とする請求項２に記載の流体光学装置。
4. 前記流体レンズ部の前記光出射部とは反対側に、第２の光学系が配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の流体光学装置。
5. 前記第２の光学系が前記流体レンズ部から出射された光を収束させる光学系であることを特徴とする請求項４に記載の流体光学装置。
6. 前記第２の光学系は少なくとも２つのレンズを含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の流体光学装置。
7. 前記第１の光学系は、前記光出射部側に配置された第１面及びこの第１面と反対側に配置された第２面とを有する第１のレンズを含み、
   前記第２の光学系は、前記流体レンズ部側に配置された第１面及びこの第１面とは反対側に配置された第２面とを有する第２のレンズを含み、
   前記第１のレンズの第２面と前記第２のレンズの第１面とにより、前記流体レンズ部の外形が規制されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流体光学装置。
8. 前記第１のレンズの第２面と前記第２のレンズの第１面との前記照射光の光軸に沿う方向の間隔が前記流体レンズ部の前記層流の方向に沿って漸次小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の流体光学装置。
9. 前記第１のレンズの第２面と前記第２のレンズの第１面との前記照射光の光軸に沿う方向の間隔が前記流体レンズ部の前記層流の方向に沿って漸次大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の流体光学装置。
10. 前記照射光が照射されるサンプルが移動可能に形成されたサンプル流路を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の流体光学装置。
11. 光ピンセットとして使用されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の流体光学装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の流体光学装置を有するマイク口流体デバイス。

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