JP2008509821A - 光制御可能なデバイス - Google Patents

Abstract

複数の光トラップによる操作のためのデバイスを開示する。透明なビーズのような接続されたトラップ要素は、トラップ要素から光トラッピング場の有効範囲より大きい距離だけ離された先端にも接続される。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、その位置および向きを光学的に制御することのできるデバイス、および１つ以上のそのようなデバイスを顕微操作、分析などに使用するための装置に関する。特に本発明は、光トラップを使用することによりナノメートル精度で制御することのできる、マイクロメートル寸法を有するプローブまたはガイドの形のデバイスに関する。該デバイスは、走査型プローブ顕微鏡法、分子間力測定、およびマイクロマニピュレーションをはじめ、それらに限らず、ミクロおよびナノベースの用途に使用するのに適している。

走査型力顕微鏡では、カンチレバーに取り付けられた先端を試料に接触（または近接）させる。次いで先端および試料を相互に相対的に移動させ、先端と試料との間に働く力および／または試料のトポグラフィの変動がカンチレバーを変位させる。これらの変位を検出して、試料の表面の画像を作成するために使用する。顕微鏡の力感度はカンチレバーのばね定数または剛性によって決定され、カンチレバーは、所定の力に対して最大の変位が達成されるように、できるだけ軟質であることが理想である。従来のカンチレバーは一般的に、１０ｐＮから１００ｎＮの間の力感度に対応する、１から０．１Ｎｍ^-1の間のばね定数を有する。

米国特許出願公開第2003/0066956号には、光トラップによって操作される錐、ねじ回し、およびレバーのようなマイクロメートルおよびナノメートルサイズのツールが記載されている。該ツールは一般的に、その表面の一部分にわたってツールヘッドが形成された、光トラップ可能なビーズまたはチューブから構成される。この文書は、そのようなツールを顕微鏡法で使用することを企図していない。

他方、米国特許第5,445,011号には、およそ１ｐＮの力感度を有する走査型力顕微鏡が記載されている。カンチレバーに取り付けられた先端を使用するのではなく、該顕微鏡は、光トラップによって所定の位置に保持される自由浮動プローブを使用する。光トラップの剛性は、従来のカンチレバーのそれより数桁低い、１０^-4から１０^-5Ｎｍ^-1の範囲である。したがって、プローブの先端は、１０^-12／１０^-13Ｎという小さい力を感知することが可能である。

米国特許第5,445,011号では、プローブは１端に先端を有する透明な円筒体を備え、円筒体の各端に１つずつ、１対の光トラップによって適位置に保持される。プローブが試料の表面上を走査するときに、その長手軸（つまりｚ軸）に沿ったプローブの変位は、伝送中のトラップビームを測定することによって、つまりそれらがプローブおよび試料を通過した後で、感知される。

米国特許第5,445,011号の走査型力顕微鏡は従来のカンチレバー式顕微鏡プローブより高感度の力測定が可能であるが、それでもなお装置は幾つかの欠点を免れない。第１に、プローブは透明でなければならず、したがって多くの他の形の力測定、例えば磁気力顕微鏡法が不可能である。第２に、長手軸に沿ったプローブの変位しか測定できない。プローブは、プローブに作用するかもしれない例えばねじり力を測定することや、三次元表面をプローブすることが不可能である。また、該プローブの配置構成には、試料を光トラップからの放射線に曝露させる危険性があり、それは、特に生物学的物質の場合には、光トラップ用ビームのグラディエント力（gradient force）から生じる生物学的試料の表面の損傷および／または歪みを引き起こすおそれがある。
米国特許出願公開第2003/0066956号 米国特許第5,445,011号

したがって、サブピコニュートンの力感度を有する、より汎用性の高いプローブが必要である。特に、長手軸以外の方向の先端の動きを感知しかつ制御することのできるプローブが必要である。さらに、透明な先端が不適当な、他の形の力顕微鏡法が可能なサブピコニュートンプローブも必要である。

マイクロマニピュレーションで、光トラップは、研究のために小粒子（ミクロンサイズ以下）を捕獲しかつ保持するために使用されてきた。特に、光トラップの使用は、ウィルス、バクテリア、生細胞、およびオルガネラをはじめ、溶液中に浮遊する生物学的試料の研究に極めて有用であることが立証されている。しかし、場合によっては、光トラッピングは、トラップ用ビームの強度が不可逆的熱損傷を引き起こし得るので、生物学的試料には適さない。

試料を光トラップによって保持し、走査型力顕微鏡法によって研究する場合、トラップ力は当然、走査プローブによって加えられる力より高くなければならない。したがって、走査型力顕微鏡法の研究には一般的に非常に強いトラップ用ビームが要求され、それは再び、トラップされた粒子に不可逆的な損傷を引き起こすおそれがある。

したがって、さらに、小粒子を潜在的に有害な放射線に曝露させることなく制御しかつ操作することのできるガイドも必要である。

したがって、本発明は、光ピンセットを使用して操作することのできるプローブ構造体、および特に、２つ以上の光トラップによって制御される剛性、半剛性、または可撓性の構造体を提供する。該プローブ構造体は少なくとも１つの先端を含み、使用中に、試料または先端の動作がトラップ用ビームによって影響されないように、先端の動作部または端部を最近接トラップ用ビームからビーム径の少なくとも２倍離すことが好ましい。

本発明はまた、試料空間に配置される１つ以上のこれらの構造体と、構造体を三次元で操作するために前記試料空間に光トラップを形成するように配置されたトラップコントロールとを備えた、装置をも提供する。構造体の検出位置に応答して光トラップの高速フィードバック制御を可能するために、高速光センサを設けることが好ましい。

本発明はまた、複数の光トラップ可能要素に接続された先端を有する、光制御可能なデバイスをも提供する。光トラップ可能要素は、先端の自由端から光トラッピング場の有効範囲より大きい距離だけ離れる。デバイスは光制御可能なプローブまたはガイドの形を取ることができる。

複数の光トラップ可能要素を持つことで、プローブの長手軸に沿って働く力以外の力、例えばトルクを測定することができる。さらに、先端から光トラッピング場の有効範囲より大きい距離だけ離れたトラップ可能要素を持つことで、先端を透明にする必要なく、先端の位置および向きを光学的に制御することができる。

トラップ可能要素は、好ましくは球形または楕円形の形状および１０ｎｍから１０μｍの間の平均直径を有する、一般的に透明または半透明なビーズである。

トラップ可能要素の対合により少なくとも３つの非平行軸が画定されるように、少なくとも３つのトラップ可能要素を配設することが好ましい。その結果、先端の軸を中心とする回転を含め、先端の全ての方向の動きを制御しかつ感知することができる。

光制御可能なデバイスは、ヘッドへの入射放射線の散乱力がデバイスに駆動力を付与するように、入射放射線を受けるための１つ以上の力受け面を含むことができる。該面はしたがって、デバイスによって試料に働く力を増大するために使用することができる。加えて、該面は、デバイスを所望の方向に駆動することによって、より迅速にデバイスを再配置するために使用することができる。

ナノメートルスケールの物体は、トラップ用ビームの焦点のサイズのみならず熱雑音、例えばブラウン運動のせいもあって、光トラップ内に正確に保持することができない。本発明では、先端およびトラップ要素は分離する。したがって、マイクロメートルスケールの要素に作用する光トラップを使用して、ナノメートルスケールの先端を正確に制御し、配置することができる。したがって、光制御可能なデバイスはナノメートルの横方向分解能およびサブピコニュートンの力分解能が可能であり、該デバイスを近視野光学顕微鏡法、原子間力顕微鏡法、磁気力顕微鏡法、静電気力顕微鏡法、（先端増強型）ラマン分光法、および（先端増強型）蛍光分光法をはじめ、それらに限らず、走査型プローブ顕微鏡法および光学分光法に理想的に適したものにしている。

そのサイズのため、光制御可能なデバイスはまた、小さい粒子の制御および操作のためのガイドとしても理想的に適している。例えば、ガイドとして、該デバイスは粒子を基板に保持するために使用することができ、あるいは１対のガイドをピンセットとして使用して、粒子を自由空間で保持することができる。顕微鏡法および分光法に適用する場合、デバイスの先端は針状であることが好ましいが、先端は特定の用途によって異なる形状とすることができる。例えば、先端の端は一般的な工具のような形状、例えば粒子を拾い上げるために鉤状、粒子を切断するためにチゼル状、または球状粒子を保持するためにリング状に形成することができる。

デバイスは、例えば先端を化学的または生物学的に被覆することによって、細胞膜内または上の生物学的または化学的プロセスをトリガすることをはじめ、他の潜在的な用途を有する。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

図は一般的に正確な縮尺ではなく、本発明のプローブの別個の構成部品を明瞭に示すことを意図している。

図１Ａに示すプローブ１は、３つのビーズ３、４のマイクロメートルスケールの構造体に付着された剛性または半剛性のナノメートルスケールの先端２を備える。各ビーズ３、４は、「Creating Multiple Time-Shared Laser Traps with Simultaneous Displacement Detection Using Digital Signal Processing Hardware」Analytical Biochemistry 326,153(2004)と題するGuilfordらによる論文に記載されているような従来のトラッピング方法を用いて、例えば、３つの位置の間で単一源のビームを高速で切り替えるか、あるいは複数の源を使用することによって、光トラップ内に保持される。光トラッピング場は、開口数の高いレンズを用いて幾何学的に形成され、トラップ用ビームは一般的に、トラッピング領域で直径が約０．５ないし５．０μｍである。典型的なビーム波長は３００ないし２０００μｍであり、単一トラップの典型的な平均レーザ出力は１ないし５００ミリワットである。様々な空間モードをトラップ用ビームに使用することができるが、ガウス分布を持つＴＥＭ₀₀モードが有用である。ビーズ３、４およびしたがって先端２の位置および向きは、光トラップの位置および／または強度分布を変化させることによって調整される。さらに、光トラップの強度は個別に制御することができるので、試料をプローブする際に、ある範囲の光学ばね定数（optical spring constant）を使用することが可能となる。図１Ｂは図１Ａの構成と同様の構成を示し、ビーズ３、４を通過するトラップ用レーザビームが、線１０（ビーズ３の場合）および１１（ビーズ４の場合）によって表わされている。ビームのサイズはそれぞれのビーズのサイズとおおまかに合致することが見て取れる。

ビーズ３、４の位置は、トラップ用ビームに感応しないセンサを用いて光学的に制御される。これは、例えばトラップ用ビームの周波数とは異なる周波数を有する後方散乱レーザ光によって、または例えば白色光を使用する光透過によって、達成することができる。センサからの信号を使用してビーズの位置を検出し、ビーズの望ましくない動きを低減するために、この位置情報をフィードバックプロセスとして、光トラッピング場を動かすために使用すると、改善された空間制御および有効解像度を得ることができる。

先端２に使用される寸法および材料はプローブ１の要件に従って選択され、１ないし１００μｍの先端の長さが一般的である。特に、先端２のサイズおよび材料は、従来の力顕微鏡法で使用されるものを反映することができる。例えば、ＡＦＭプローブには２μｍ程度のシリコンまたは窒化シリコンの先端を使用することができる一方、ＭＦＭプローブにはＣｏＣｒ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＮｉ、およびＦｅＣｏＮｉのような合金を、ＳＴＭプローブにはカーボンナノチューブを使用することができる。先端の端は一般的に約１ないし１０００ｎｍの有効直径を有する。

先端２の全部または一部は、静電気力の測定を達成するために、静電気を帯電させることができる。代替的に、先端２を電磁場にさらすことによって先端２に電圧を誘導させることができるように、先端２の全部または一部を導電性材料で作るかあるいは被覆することができる。同様に、先端増強型無開口近視野光学顕微鏡法および分光法、例えば先端増強型ラマンまたは蛍光分光法の場合、先端２の全部または一部を例えば金または銀のような金属で作るかあるいは被覆することができる。

先端基材の適切な材料として、金、銀、シリコン、ガラス、石英、カーボンナノチューブ、プラスチック、タンパク質、および軟質材料が挙げられる。能動プローブ先端は、先端の端部領域または全部を酵素、フラーレン、触媒、トキシン、結合剤、薬剤、イオン性分子、親水性分子、および疎水性分子で被覆することによって形成することができる。先端の形状は、要求される機能によって形成することができ、例えば近視野の光学的増強を最大にするために貴金属で細長い寸法にし、あるいは下述するように単一分子で作業するために二又状にすることができる。

ビーズ３、４は、それらを光トラップすることができるように、トラップ用レーザビームに透明または半透明な材料から作られる。適切な材料としてシリカ、ポリマ、およびルチルが挙げられる。ビーズ３、４を光トラップすることができるためには、ビーズ３、４の屈折率が当然、周囲の媒体のそれより大きくなければならない

ビーズ３、４の個数および形状は、プローブ１の特定の要件に適合するように調整することができる。図１Ａおよび１Ｂに示すプローブでは、３個のビーズ３、４が使用され、ビーズの各対合が異なる軸を形成するので、３軸配列と表現される。したがって、ビーズ３、４の相対位置の変化を観察することによって、先端２の全ての方向の動きを感知することができる。特に、ねじり力によって引き起こされる先端２の中心軸を中心とする回転を感知することができる。

図１Ａのプローブ１は、先端２に直接付着した中央ビーズ３と、接続ストランド５によって先端２に間接的に付着した２個の周辺ビーズ４とを有する。中央ビーズ３は楕円形の形状である一方、周辺ビーズ４は球状である。異なる形状のビーズは、光トラップの強度分布に応じて異なる仕方でトラップされる。例えば、細長い楕円ビーズは、軸方向の改善された安定性を有する。必ずしも楕円ではない、他のビーズ形状を使用して、異なる方向のトラップ安定性を高めることができる。安定性は部分的にトラップ用ビームの焦点体積の形状に関係し、それは一般的に楕円形であり、ビーズは光トラップの強度分布に対応するように形作ることができる。図１Ａおよび１Ｂのプローブ１では、例として楕円形および球形の両方のビーズが示されている。細長い中央ビーズ３は横方向の安定性をもたらす一方、２個の周辺ビーズ４は回転方向の安定性をもたらす。

ビーズ３、４は一般的に、再び意図された用途に応じて数十ナノメートルから数十ミクロンの間の平均直径を有し、典型的な光トラップの寸法と同様のおよそ１ミクロンであることが好ましい。図１Ｂから明確に見て取れるように、ビーズ３からの先端２の自由端の距離およびビーズ３の直径は、プローブの先端２の自由端が、トラップ用ビームの有効範囲の外に、例えばトラップ用ビームの光子束がビーズの経験する平均束の２０％未満、より好ましくは１０％未満となる場所に、配置されるように選択される。

ストランド５は、先端２の動きが周辺ビーズ４に直接伝わり、かつその逆に周辺ビーズ４の動きも先端２に直接伝わるように、剛性材料から作られることが好ましい。しかし、特定の用途では、下述するように、可撓性または弾性ストランド５が必要になることがある。ストランド５は、プローブ１の総質量を最小化するために、細い（＜０．１μｍ）ことが好ましい。

これまで、全てのビーズ３、４を光トラップすることに言及してきたが、全てのビーズをトラップすることが望まれない状況がある。例えば、図１Ａのプローブ１の周辺ビーズ４は、先端２の回転運動を監視するために自由に動くことができる。

単一のビーズを有するプローブ１は、付与できる力が制限される。これは、トラップ用ビームの強度が特定の閾値を超えると、ビーズが破損するためである。複数のビーズを有する場合、プローブ１によって付与される力は、線形的に比例させることができる。例えば５個のビーズを有するプローブ１は、単一のビーズを有するプローブより５倍大きい力を付与することができる。

プローブ１は、図２および３に示すように、プローブ１によって付与することのできる力をさらに高めるために、１つ以上の力受け面６を含むことができる。グラディエント力が散乱力を克服するビーズ３、４とは異なり、表面６は入射ビームによってそれが受ける散乱力を入射ビームの方向の駆動力に変換し、それが先端のその方向の移動を引き起こす。したがって、表面６は吸収性の高い（つまり不透明な）材料または反射性材料を含むことが好ましい。

表面６は好ましくは円板形であり、きれいに合焦したレーザスポット直径、例えば０．３から１０μｍに対応する直径を有する。円板形の表面６は、プローブ１の質量を最小化するために薄い（例えば＜０．１μｍ）ことが好ましい。円板形の表面６を持つことで、標的面積対質量比は最大になり、つまりプローブ１の質量を不当に増大させることなく、大きい表面積を入射放射線に利用可能にすることができる。

図２および３の実施例では、プローブ１に上向きまたは下向きの力を付与するために、レーザビームを力受け面６のいずれかの面に直接向けることができる。

表面６は一定高さの力顕微鏡法に役立てることができ、それにより表面６は、試料と先端２との間の力がビーズトラップ力を超えたときに、先端２の位置を復元するように使用することができる。表面６はまた、周囲媒体中のプローブ１の移動を補助するのに特に有用である。走査型顕微鏡法の実行中の場合のように、プローブ１が再配置されるときに、プローブを再配置することのできる速度は、中でも特に、媒体の粘度、および光トラップによって付加される復元力に依存する。光トラップによって付与することのできる復元力には閾値があり、それを超えるとビーズは逃散する。したがって、光トラップおよびプローブ１が動くことのできる速度は制限される。したがって、表面６は、力受け面に入射するビームの方向にプローブ１を駆動することによってプローブ１が移動することのできる速度を増大させるために使用することができる。

力受け面６は、標的面積対質量比を最大にするために円板形であることが好ましいが、それにもかかわらず他の形状を使用することができる。例えば、散乱力が単一の力受け面６を通して全方向に働くことができるように、立方形または球形を使用することができる。

図４Ａおよび４Ｂは、同様の実施例を平面図および斜視図で示す。図４Ａで、２個の透明なビーズまたは頂点３、４は四辺形の対角を形成する。他の２つの対角は、力受け面または円板６である不透明な頂点によって形成される。先端２は透明な頂点３から延び、４つの頂点がストランド５によって連結される。

図４Ｂの斜視図では、透明な頂点がトラップ用ビーム１０、１１によって操作される一方、不透明な頂点６は、各力受け面６に入射するビームの光子束およびモーメントに応じて圧力を加える光ビーム１２によって操作される。したがって、この圧力は、各ビーム１２の平均強度を変動させることによって簡便に制御することができる。圧力の効果は「力」と標記された矢印によって示される。

図５は、先端２が第１ビーズ３に直接付着され、第１ビーズ３が今度は弾性ストランド５によって第２ビーズ４に付着された、本発明の代替的実施形態を示す。ストランド５は、先端２、ビーズ３、４、およびストランド５が全て、実質的に同一軸に沿って位置するように、その先端２から反対側に延びる。使用中に、第２ビーズ４だけが光トラップされ、先端２の方向の付加力を受ける。この付加力は先端２を振動させ、それは、第１ビーズ３の位置を監視することによって測定される。その結果、振動する先端２が試料によってどのように影響されたか、調べることができる。第１ビーズ３もまた光トラップされ、改善された制御が達成されることが好ましい。

ストランド５は、弾性材料よりむしろ、ジグザグ状または螺旋状に配置された細い紐状の剛性材料を含むことができる。

図６は、走査型近視野光学顕微鏡法（ＳＮＯＭ）に適した本発明のさらなる実施形態を示す。先端２は、典型的なＳＮＯＭ用先端の材料および寸法であり、例えばおよそ１ミクロンの入力開口および１００ナノメートル未満の出力直径を有する金属被覆シリカである。先端２を配置しかつ方向付けるために、４個の光トラップ可能なビーズ４が先端２に付着される。本発明のプローブ１により、目障りな光ファイバの必要が無くなり、先端２は自由空間で正確に位置決めすることができる。使用中に、先端２は、入力開口に結合されたレーザ光、および先端誘導光によって照射され、透過または無開口モードのいずれかで信号が収集される。プローブのこの特定の設計は、とりわけ剪断力表面形態、ラマン分光法、および蛍光分光法に特に適している。

プローブの部品の識別は、被覆用またはドープ用着色剤またはフルオロフォアを使用することなどによって、構造または光学マーカを含めることによって助けることができる。図７には、３個のトラップ可能な頂点ビーズ１５、１６、１７を含み、先端２が頂点の１つから延びるプローブ構造が斜視図で示されている。各々の透明な頂点は、頂点１５、１６、および１７がそれぞれ特徴的な波長λ₁、λ₂、およびλ₃を有する放射線を放出するように、異なるフルオロフォアで標識される。代わりに、ビーズに着色剤が使用された場合、各ビーズは例えば、位置を検出するために使用される光ビームに対するそれぞれの作用によって、光学位置検出器で識別することができる。

図８は、複数の先端２０を有するプローブの平面図を示す。図８では、四辺形に配置された４個の透明な頂点ビーズ２２の別々の１個に各先端が付着される。各先端は、異なる構造、材料構成、および／または機能を持つことができる。各先端は、隣接頂点ビーズの対応する着色剤または蛍光マーカによって識別することができる。各先端は、無開口近視野走査型光学顕微鏡法（ａＮＳＯＭ）、分子操作、または力測定用に最適化することができる。

図９は、この実施例ではＤＮＡまたはコラーゲンのような伸張分子である単一マクロ分子２５を研究するために使用中の上述したプローブを斜視図で示す。先端２の端は、ａＮＳＯＭおよび力プローブ能力が可能となるように、貴金属先端で形成されるか被覆される。

本発明をこれまで、走査型プローブ顕微鏡法および光学分光法に関連して説明してきた。しかし、光制御可能なデバイス１は多くの他の潜在的用途を、特にマイクロマニピュレーションの分野におけるガイドとしての用途を有する。

図１０は、研究のために微小粒子７を保持するピンセットとして使用される１対のガイド１を示す。この特定の用途は、これ無しでは光トラップによって損傷するであろう細胞および卵のような生物学的試料を保持するのに極めて有用である。このような仕方でガイドを使用すると、先端２の端は一般的に鈍端であり、保持された粒子に発生する潜在的な損傷を防止する。

本発明の光制御可能なデバイスは、マイクロマニピュレーションに多くの他の潜在的用途を有する。例えば、粒子を基板に押し当てて保持するために単一のガイド１を使用することができる。尖鋭な先端２を有するプローブ１は、粒子に壁に穿孔するために使用することができる。さらに、図６に示したものと同様のプローブ１は、試料をエッチングまたは切断するために試料表面にレーザ光を正確にガイドするために使用することができる。

光制御可能なデバイス１の先端２は、図１ないし９に示すように針状である必要はなく、特定の用途によって異なる形状とすることができる。例えば、先端２の端は、粒子を拾い上げるために鉤状または杯状に形成することができる。それは、粒子を２つに切断するためにチゼル状または鋤状に形成することができる。それは、球状粒子等を保持するためにリングとして形成することができる。

光制御可能なデバイスは多くの他の潜在的な用途を有する。例えばプローブ１の先端２は、細胞膜または細胞構造における機能プロセスをトリガするように、化学的または生物学的に被覆することができる。

図１１は、上述した１つ以上のプローブ３０を使用して、ここではナノプローブ誘起相互作用を通して細胞間連絡を受ける哺乳類細胞３２として示される生細胞３２に作業する用途を示し、本書で説明したようにプローブを使用して可変分離距離ｘを制御する。プローブ先端は、細胞表面上の力、光学場強度、および分子プローブの位置の正確な配置のために使用することができる。細胞の表面トポグラフィをナノメートルスケールで測定することができる。力を表面変形に関係付けることによって、表面弾性を測定することができる。細胞は、光トラッピング場を受けることなく操作しかつ配置することができる。プローブ先端は、酵素、薬剤、トキシン、結合分子、分子ラベル、フルオロフォア、ＤＮＡ、ＲＮＡ、および様々な種類の触媒のような単一または複数の分子で被覆することができる。先端は細胞膜を貫通して、酵素、ＲＮＡ、ＤＮＡ、ウィルス、薬剤、トキシン、結合分子、分子ラベル、フルオロフォア、および触媒のようなマクロ分子および構造を例えば挿入するため、または取り出すために使用することができる。

図１２は、上述した２つのプローブ３０を使用して、特にＤＮＡまたはＲＮＡ分子を展開する（unzipping）際に、マクロ分子３６の２本のストランドを分離するために使用される用途を示す。プローブの微細先端は、小さいリンカ分子を使用してマクロ分子に付着させることを可能にし、力測定の感度を高め、プローブ先端構造は、マクロ分子を潜在的に損傷するおそれのあるトラップ用ビームから離して配置させることを可能にする。分子が分離するときの必要な力を測定することにより、例えば酵素および他の影響の存在下で、分子構造および結合強度に関する情報を取得することができる。

図１３Ａは、２個のさらなる頂点ビーズ４が付着した第１頂点ビーズ３に付着した先端構造２から形成されたプローブ３８を用いて、マクロ分子３６を調べる用途を示す。先端構造２の端および使用中のマクロ分子３６に対するその関係を、図１３Ｂに拡大して示す。この拡大図から、先端構造２が、マクロ分子の厚さをフォークの間に楽に受け入れる大きさに、金のような貴金属から作られたフォーク形の構造４０で終端していることが分かる。マクロ分子は、光トラップを用いて制御される、透明なビーズ４４に付着されたリンカ分子４２または上述のプローブによって、精査のために適位置に保持される。フォーク構造４０と受け入れられるマクロ分子との間の相対的運動は、様々な光トラップの適切な制御によって達成される。

図１３Ａおよび１３Ｂの構成は、マクロ分子３６の正確な力マッピングのために使用することができ、マクロ分子の光学マッピングを可能とし、プローブまたは活性分子の送達などを可能とする。先端、特にフォーク構造４０は、１つ以上の酵素、薬剤、トキシン、結合分子、分子ラベル、フルオロフォア、ＤＮＡ、ＲＮＡ、および触媒のような１つ以上の活性分子を被覆することができる。

光制御可能なデバイス１は、従来の微細加工プロセスを用いて製造することができる。例えば先端２、ビーズ４、ストランド５、および表面６は、シリコン基板をエッチングし、次いでそれを酸化させて透明なシリカビーズを形成することによって形成することができる。次いで表面６および必要ならば先端２に、薄い金属コーティングを堆積させることができる。

代替的に、デバイス１は、光硬化性の透明または半透明なポリマにリソグラフィでパターン形成することによって製造することができる。

本発明の光制御可能なデバイスでは、光トラップを使用して先端を正確に配置し、ナノメートルの横方向分解能およびサブピコニュートンの力分解能を達成することができる。複数のビーズを使用することで、先端の軸を中心とする回転を含めて、先端のあらゆる方向の動きを制御し、感知することができる。加えて、プローブによって比較的大きい力を付加することができるように、単一の光トラップの力を加減することができる。

多種多様な先端の設計を使用して、光制御可能なデバイスを、走査型プローブ顕微鏡法およびマイクロマニピュレーションをはじめ、それらに限らず多くの異なる用途に適したものにすることができる。

上述した１つ以上の光制御可能なデバイスまたはプローブは、概略的に図１４に示す装置に使用することができる。装置は一般的に顕微鏡として記載することができるが、その主な目的は異なることがあり、例えば微細スケールの操作、力の測定、および制御に応用される。

１つ以上のプローブ１００は、一般的に流体で満たされた試料空間１０２に配置される。レーザ源１０４は、試料空間１０２に向けられる複数のトラップビームを形成するためにビームを分割または多重化するトラップコントロール１０６に、連続レーザビームを供給する。ランプ１０８または他の光源が試料空間１０２を照射し、光は高速センサ１１０に伝わり、そこでプローブ頂点の位置に関連する情報を搬送する信号が検出される。これらの信号は位置検出要素１１２に送られ、それは信号からプローブの位置を決定する。位置検出器は、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイをデジタル信号処理装置として使用して実現することができる。この位置情報は、トラップビームの特性および位置を調整することによって、トラップコントロール１０６がプローブの洗練された位置制御を達成するために使用される。高速センサがプローブ頂点位置を追跡し続けることを可能にするために、位置情報は高速センサ１１０に戻される。

試料空間１０２の画像をコンピュータ１１６に提供するために、画像検出器１１４を使用することもできる。コンピュータは位置検出器１１２およびトラップコントロール１０６とも通信し、装置を一般的に制御するために使用される。トラップコントロール、試料空間、および画像検出器は、適切なレンズおよびミラー要素を含む任意のアセンブリ１１８を介して光学的に連絡する。

使用中に、トラップコントロール１０６は、試料空間に配置された１つ以上のプローブ１００を操作して、試料空間内の試料要素の様々な操作および研究を実行するために使用される。トラップ用ビームは、軸１２０によって示されるように、各プローブ頂点の三次元制御を達成することが好ましい。ランプ１０８は適切な光学系と共に位置センサ光ビーム１２２を提供し、それはプローブによって、例えば透明の頂点ビーズによる屈折によって影響を受け、変化した位置センサ光ビームは、光学アセンブリ１１８によって高速センサ１１０に向けられる。高速センサは一般的に、画素アレイ全体を読み出すことによって通常達成することができるよりずっと高いデータレートで、制御された関心領域からセンサデータを読み出すように構成された画素アレイである。適切な高速センサは、英国特許出願第0415498.4号に記載されており、その内容全体を参照によって本書に援用する。

典型的な構成では、高速センサ１１０は５２５×５２５のアクティブ画素アレイであり、各画素は約２５μｍの直径を有する。全フレームを約５０Ｈｚで読み出すことができるが、センサは、各ＲＯＩを最高２０ｋＨｚで最訪しながら、各々が６×６画素までの面積を持つ最高６個までのより小さい関心領域（ＲＯＩ）を読み出すように構成することができる。ＲＯＩは形状およびサイズをプログラム可能とすることができ、約１０ｋＨｚの周波数で再形成し、移動することができる。ＲＯＩ構成は、事前にプログラムされた代替的構成の間で迅速に反転させることによって、ずっと高速で切り替えることができる。

そのようなセンサを使用して、ブラウン運動を補償するためにトラップの特性および位置を調整すべく、プローブの位置および向きを充分に素早く追跡することができる。さらに、プローブの先端の力をピコニュートンの精度で測定することができ、先端の位置をナノメートルの精度で安定的に制御しかつ測定することができる。先端の力の変化は、２０ｋＨｚより高いレートで測定することができる。

図１５Ａは、高速センサの面に対応するｘ‐ｙ面内のプローブ頂点の位置の変化を検出するように最適化された、高速センサ１１０の構成を示す。点描された３つの６×６画素の領域１３０は各々、頂点ビーズの１つのおおよその現在位置に対応し、各ビーズに対応する屈折パターンの横方向移動は容易に検出される。

図１５Ｂは、高速センサに直交する面に対応するｚ面内のプローブ頂点位置の変化を検出するように最適化された高速センサ１１０の構成を示す。点描された２０画素の領域１３５は、各頂点ビーズによって生成された屈折パターンの周辺にほぼ対応し、屈折パターンのこの周辺への拡張または収縮は容易に測定される。

図１６は、トラップ用ビームを形成し、高速センサ１１０および位置検出器１１２から受け取るフィードバックに基づく高速ｘ、ｙ、およびｚ制御を達成するための光学構成を模式的に示す。レンズＬ１ないしＬ９は、トラップビームの顕微鏡対物ＭＯの入力開口への角収束を形成する。音響光学偏向器ＡＯＤ１およびＡＯＤ２は各々、６０ｋＨの更新レートおよび２０％未満の不感時間で、約１０μｍの範囲内に３つのトラップを形成するようにビームを切り替えるために使用される。圧電ティルトミラーＰＭ１およびＰＭ２は、各群のトラップに約１００μｍの作業範囲を提供する。電気光学移相器ＥＯ１、ＥＯ２はＡＯＤ要素後のビームを２つの直角偏光ビームに分割し、ビームが再視準されて約１μｍだけｚ方向に変位した２つの焦点が形成される前に、偏光の１つに小さい発散がレンズＬ５によって導入される。トラップ頂点のｚ軸制御は、移相器を用いて２つの偏光の相対強度を調整することによって達成される。

図１７は、複数の光トラップされたプローブ頂点の各々（ｉ）を制御するためのフィードバックスキームを示す。流れ図の左側は、ｘ‐ｙ面内のフィードバックスキームを示し、右側はｚ面内のスキームを示す。各々の場合に、ステップ１５０で、画定された関心領域の画素強度を測定するために高速センサ１１０が使用される。画素強度は、ステップ１５２でｘ−ｙプロセスのセントロイドおよびステップ１５４でｚプロセスの中心／縁コントラストの尺度を決定するために使用される。ステップ１５６および１５８で、意図された位置からの検出位置のオフセットを検出することによって誤差信号が決定され、ステップ１６０および１６２でオフセットを補償するために音響光学偏向器制御信号が生成される。これらの制御信号はステップ１６４および１６６で音響光学偏向器に送られ、それによって利用され、ｘ‐ｙおよびｚ両方の誤差フィードバックプロセスが約１０ｋＨｚの周波数で繰り返される。

誤差信号は、プローブ頂点の決定された位置と対応するトラップ位置との間の差を表わし、頂点またはデバイスの例えば先端に付加される他の力の測定を達成するために使用することができる。

上に記載した顕微鏡およびプローブの構成は、本発明の例証を意図したものであって、付属の特許請求の範囲によって画定される本発明の範囲を限定するものではない。

本発明に係る第１の光制御可能なプローブの模式図である。 本発明に係る第２の光制御可能なプローブの模式図である。 図２の第２プローブの平面図である。 第３の光制御可能なデバイスの平面図である。 第３の光制御可能なデバイスの斜視図である。 さらなる光制御可能なデバイスを示す模式図である。 さらなる光制御可能なデバイスを示す模式図である。 頂点を識別するフルオロフォアマーカ付き光制御可能なデバイスの模式図である。 複数の先端を持つ光制御可能なデバイスの模式図である。 単一マクロ分子を研究、操作、または変質させるための光制御可能なデバイスの使用の模式図である。 細胞を誘導するために使用される光制御可能なデバイスの模式図である。 光制御可能なデバイスによる細胞の研究または変質を示す模式図である。 マクロ分子のストランドの分離を示す模式図である。 二又状先端を持つプローブによるマクロ分子の検査を示す模式図である。 図１ないし１３に示したプローブを試料空間内で使用するための顕微鏡のような装置の略図。 トラップ可能要素のｘ−ｙ−ｚ移動を追跡する図１４の高速センサの画素領域構成を示す略図である。 図１４の装置の光トラップの発生の光学的模式図である。 図１４の装置の位置フィードバックメカニズムを示す流れ図である。

Claims (29)

1. 複数の光トラップ可能要素に接続された先端を有する光制御可能なデバイスであって、前記光トラップ可能要素が前記先端の自由端から光トラッピング場の有効範囲より大きい距離だけ離れて成る光制御可能なデバイス。
2. 要素の対合が少なくとも３つの非平行軸を画定するように配設された少なくとも３つの光トラップ可能要素に前記先端が付着される、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記光トラップ可能要素が１０ｎｍから１０μｍの間の平均直径を有する、請求項１または２のいずれかに記載のデバイス。
4. 前記先端が１００ｎｍより大きい長さを有する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記先端が１００ｎｍから１０μｍの範囲の長さを有する、請求項４に記載のデバイス。
6. 入射放射線によって付加された散乱力を前記デバイスの動きに変換するための１つ以上の力受け面をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記面が円板状である、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記面が反射性である、請求項６または７のいずれかに記載のデバイス。
9. 前記先端がストランドによって少なくとも１つのトラップ可能要素に付着される、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 少なくとも１つのストランドが弾性である、請求項９に記載のデバイス。
11. 前記先端および少なくとも１つのトラップ可能要素が異なる光学特性を有する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のデバイス。
12. 前記先端および少なくとも１つのトラップ可能要素が異なる材料から作られる、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 前記先端が金属製であるかまたは金属被覆される、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のデバイス。
14. 前記デバイスが光制御可能なプローブである、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載のデバイス。
15. 前記デバイスが光制御可能なガイドである、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載のデバイス。
16. 前記先端の自由端が前記複数の光トラップ可能要素から少なくとも１μｍ離れる、請求項１ないし１５のいずれか一項に記載のデバイス。
17. 試料空間に複数の光トラッピング場を形成するように構成されたトラップコントロールと、
    試料空間に配置される請求項１ないし１６のいずれかに記載の１つ以上の前記光制御可能なデバイスと、を備えた顕微鏡。
18. 前記光トラップ要素の位置に応じて信号を出力するように構成された光センサと、前記信号を処理して位置情報を前記トラップコントロールに提供するように構成された位置検出器とをさらに備えた、請求項１７に記載の顕微鏡。
19. 制御位置からの前記デバイスの位置の変位によって、光制御可能なデバイスに対する外力を決定するように構成された、請求項１７または１８に記載の顕微鏡。
20. 前記または各先端が各接続各トラップ要素から各トラップ要素に中心を合わせたときの前記光トラッピング場の１つの１０％束強度の距離より大きい距離だけ離れる、請求項１７ないし１９のいずれかに記載の顕微鏡。
21. 各々が複数の光トラップ可能要素に接続された先端を有するプローブであって、試料空間に配置される１つ以上の光制御可能なプローブと、
    前記プローブを操作するために前記試料空間に複数の光トラップを形成するように構成されたトラップコントロールと、
    前記光トラップ可能要素の位置によって変化する信号を出力するように構成された光センサと、
    前記信号を処理して位置信号を前記トラップコントロールに提供するように構成された位置検出器と、を備えた装置。
22. 前記光センサが複数の離散画素領域から前記信号を構成するように配置され、各画素領域が前記センサにマップされた前記光トラップ可能要素の１つに対応する、請求項２１に記載の装置。
23. 前記光トラップ可能要素の位置に応じて前記画素領域を変更するように構成された、請求項２１または２２に記載の装置。
24. 前記トラップ可能要素の位置の前記光トラップの構成に基づく予想位置からの変位を決定し、それにより前記プローブに働く外力を測定するように構成された、請求項２１ないし２３のいずれかに記載の装置。
25. 前記トラップコントロールおよび光トラップが各トラップ可能要素の三次元操作を提供する、請求項２１ないし２４のいずれかに記載の装置。
26. 前記または各先端が、使用中に前記光トラップのビームの外に位置するように前記光トラップ可能要素から離れた動作領域を含む、請求項２１ないし２５のいずれかに記載の装置。
27. 前記動作領域におけるビームの光束が光トラップ可能要素における各トラップ用ビームの平均光束の１０％未満である、請求項２６に記載の装置。
28. 試料空間に複数の光トラッピング場を形成するように構成されたトラップコントロールと、
    前記試料空間に配置される少なくとも１つの光制御可能なデバイスであって、複数の光トラップ可能要素に接続された先端を含み、前記複数の光トラップ可能要素が前記先端の自由端から前記光トラッピング場の有効範囲より大きい距離だけ離れて成る光制御可能なデバイスと、を備えた顕微鏡。
29. 各光制御可能なデバイスが、前記光トラッピング場の制御下で三次元で自由に移動および回転することができる、請求項２８に記載の顕微鏡。

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