JP2017003694A - 光ピンセット装置及び液体中の微粒子捕捉方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の光ピンセット装置では微粒子を捕捉できないくらい微粒子の屈折率と液体の屈折率との差が小さい場合であっても微粒子を捕捉できる光ピンセット装置及び液体中の微粒子捕捉方法を提供する。【解決手段】捕捉用のビームＬを出射する光源１０（ビーム光源）と、光源１０（ビーム光源）から出射されたビームＬを液体中に設定した焦点位置Ｆに向けて集光するビーム集光レンズ２８と、を有し、集光させたビームにて液体中の微粒子を捕捉する光ピンセット装置１であって、焦点位置Ｆを含めて焦点位置Ｆの周囲である捕捉領域（４１Ｂ）における液体Ｑの屈折率を、捕捉領域とは異なる領域である非捕捉領域（４１Ａ、４１Ｃ）における液体Ｑの屈折率よりも低下させる液体屈折率低下手段４０を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、光ピンセット装置、及び液体中の微粒子捕捉方法に関する。

近年、光ピンセットと呼ばれる技術がある。透明な微粒子が浮遊している透明な液体中にレーザビームを集光して、光圧力によってビームの焦点位置の近傍に、非接触で微粒子を捕捉し、焦点位置を移動させて、捕捉している微粒子を移動させるという、光をピンセットのように扱う技術である。

例えば特許文献１には、レーザ光源からのビームを対物レンズで集光し、焦点位置の対象物を捕捉する装置において、レーザ光源と対物レンズとの間に、外部電圧印加によって液晶分子の配向制御を行なって焦点位置を可変とする液晶光学素子によるレンズを備えた微粒子移動制御装置が開示されている。特許文献１では、液晶光学素子によるレンズを備えることで、外部電圧を制御するだけで焦点位置を移動させることができるので、シンプルな構成で実現可能であり、微粒子移動制御装置を軽量・小型化することができる。

特開２００６−２３５３１９号公報

光ピンセット装置を用いて、透明な液体中の透明な微粒子を捕捉する場合、微粒子の屈折率と液体の屈折率との差を利用して、ビームの焦点位置の近傍の微粒子に光圧力を作用させて捕捉しており、一般的に、微粒子の屈折率のほうが大きい。例えば屈折率が約１．３３の水（液体）の中に浮遊する、屈折率が約１．５３のポリエチレン（微粒子）は、光ピンセット装置で比較的容易に捕捉することができる。しかし、例えば屈折率が約１．５０のベンゼン（液体）の中に浮遊する、屈折率が約１．５３のポリエチレン（微粒子）は、屈折率の差が非常に小さく、光圧力を充分に作用させることができず、捕捉することができない。

特許文献１に記載の発明では、外部電圧でビームの焦点位置を移動させることで光ピンセット装置を軽量・小型化できる。しかし、特許文献１に記載の発明では、例えば微粒子がポリエチレンで液体がベンゼンの場合等、微粒子の屈折率と液体の屈折率との差が小さい場合では、微粒子を捕捉することができない。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、従来の光ピンセット装置では微粒子を捕捉できないくらい微粒子の屈折率と液体の屈折率との差が小さい場合であっても微粒子を捕捉できる光ピンセット装置及び液体中の微粒子捕捉方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る光ピンセット装置及び液体中の微粒子捕捉方法は、次の手段をとる。まず、本発明の第１の発明は、捕捉用のビームを出射する光源と、前記光源から出射された前記ビームを液体中に設定した焦点位置に向けて集光するビーム集光レンズと、を有し、集光させた前記ビームにて前記液体中の微粒子を捕捉する光ピンセット装置であって、前記焦点位置を含めて当該焦点位置の周囲である捕捉領域における前記液体の屈折率を、前記捕捉領域とは異なる領域である非捕捉領域における前記液体の屈折率よりも低下させる液体屈折率低下手段を備えている。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る光ピンセット装置であって、前記液体屈折率低下手段は、前記捕捉領域における前記液体の密度を、前記非捕捉領域における前記液体の密度よりも小さな密度にすることで、前記捕捉領域における前記液体の屈折率を、前記非捕捉領域における前記液体の屈折率よりも低下させる。

次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係る光ピンセット装置であって、前記液体が所定方向に流される流路であって当該流路の面積が第１流路面積に設定されて前記非捕捉領域を構成する液体流路と、前記液体流路の途中に設けられた流路であって前記焦点位置が設定されて前記ビームが集光されるとともに当該流路の面積が前記第１流路面積よりも大きな第２流路面積に設定されて前記捕捉領域を構成する捕捉流路と、にて構成された前記液体屈折率低下手段を有している。そして、前記第１流路面積の前記液体流路内から前記第２流路面積の前記捕捉流路内に流れ込んだ前記液体は、前記捕捉流路内において密度が低下して屈折率が下げられている。

次に、本発明の第４の発明は、上記第３の発明に係る光ピンセット装置であって、前記捕捉流路を含めて前記液体流路は、環状に構成されており、前記液体流路内及び前記捕捉流路内を前記液体が所定方向に循環されている。

次に、本発明の第５の発明は、捕捉用のビームを出射する光源と、前記光源から出射された前記ビームを液体中に設定した焦点位置に向けて集光するビーム集光レンズと、を用いて、集光させた前記ビームにて前記液体中の微粒子を捕捉する液体中の微粒子捕捉方法であって、前記焦点位置を含めて当該焦点位置の周囲である捕捉領域における前記液体の密度を、前記捕捉領域とは異なる領域である非捕捉領域における前記液体の密度よりも小さな密度とすることで、前記捕捉領域における前記液体の屈折率を、前記非捕捉領域における前記液体の屈折率よりも低下させ、前記捕捉領域内において前記微粒子の屈折率と前記液体の屈折率との差を大きくする。

第１の発明によれば、捕捉領域における液体の屈折率を、非捕捉領域における液体の屈折率よりも低下させることで、捕捉領域内における微粒子の屈折率と液体の屈折率との差を大きくする。液体全体の屈折率を低下させることは非常に困難であるが、比較的大量の液体を用いて、当該液体の一部分の屈折率をスポット的に低下させることは可能である。このように捕捉領域内で微粒子の屈折率と液体の屈折率との差を大きくすることで、従来の光ピンセット装置では微粒子を捕捉できないくらい微粒子の屈折率と液体の屈折率との差が小さい場合であっても微粒子を捕捉できる。

第２の発明によれば、捕捉領域における液体の密度を、非捕捉領域における液体の密度よりも小さな密度にする。液体の密度と屈折率の関係は、一般的に、密度が大きい場合は屈折率が大きくなり、密度が小さい場合は屈折率が小さくなる傾向にある。従って、捕捉領域内の液体の屈折率を、非捕捉領域内の液体の屈折率よりも小さくすることができる。これにより、捕捉領域内で微粒子の屈折率と液体の屈折率との差を大きくすることができる。

第３の発明によれば、液体を、静止状態でなく流れている状態として、第１流路面積の液体流路から、第２流路面積の捕捉流路へと液体を流すことで、液体流路から捕捉流路内に流れ込んだ液体の密度を、液体流路内の液体の密度よりも小さくする。これにより、捕捉領域内における液体の屈折率を低下させることができるので、捕捉領域内で微粒子の屈折率と液体の屈折率との差を大きくすることができる。

第４の発明によれば、捕捉流路を含めて液体流路を環状に構成することで、捕捉流路を含めた液体流路内で液体を循環させて、液体を流れている状態とする。これにより、液体を流れている状態とすることが容易であり、比較的安定した流速を維持することも容易である。すなわち、液体の密度の低下及び液体の屈折率の低下を安定的に維持することができる。

第５の発明によれば、捕捉領域における液体の密度を、非捕捉領域における液体の密度よりも小さな密度にすることで、捕捉領域内における液体の屈折率を低下させ、捕捉領域内で微粒子の屈折率と液体の屈折率との差を大きくする。これにより、従来の光ピンセット装置では微粒子を捕捉できないくらい微粒子の屈折率と液体の屈折率との差が小さい場合であっても微粒子を捕捉できる、液体中の微粒子の捕捉方法を実現することができる。

光ピンセット装置の全体構成を説明する斜視図である。 液体屈折率低下手段の構成を説明する斜視図である。 液体屈折率低下手段の構成を説明する断面図である。 液体の密度と屈折率の関係を説明する図である。 図３に示す液体屈折率低下手段の各位置における液体の屈折率の状態を説明する図である。 ビームの焦点位置の近傍の微粒子に作用する光圧力を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて順に説明する。なおＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が記載されている図では、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸は互いに直交しており、Ｚ軸方向は上方に向かう鉛直方向を示し、Ｘ軸方向は、液体Ｑが液体屈折率低下手段４０内を流れる方向を示している。

●［光ピンセット装置１の全体構成（図１）］
光ピンセット装置１は、ビーム光源１０、符号２１〜２７にて示す導光手段、ビーム集光レンズ２８、照明光源３０、照明集光レンズ３１、液体屈折率低下手段４０、接続流路４３及び４４、ポンプ４５、移動ステージ４６、撮像手段５０、制御手段６０等にて構成されている。液体屈折率低下手段４０、接続流路４３及び４４、ポンプ４５内には、透明な微粒子を含有する透明な液体Ｑが流されている。

ビーム光源１０（光源に相当）は、例えばレーザビームを出射するレーザ装置であり、制御手段６０からの制御信号に基づいて、液体Ｑ中の微粒子を捕捉するための第１波長のビームＬを出射する。

導光手段である符号２１〜２７は、ビーム光源１０から出射された第１波長のビームＬを、適切にビーム集光レンズ２８へと導くためのものである。以下、導光手段を順に説明する。第１反射ミラー２１は、ビーム光源１０から出射されたビームＬを第１絞り２２に向けて反射する。第１反射ミラー２１は、第１絞り２２へ入射させるビームＬの角度や位置を調整する。

第１絞り２２は、入射されたビームＬの径を第１所定径のビームに変換して第１コリメートレンズ２３へと出射する。第１コリメートレンズ２３は、第１所定径のビームの径を拡大して第２コリメートレンズ２４へと出射する。第２コリメートレンズ２４は、第１コリメートレンズ２３にて径が拡大されたビームを平行光に変換して第２絞り２５へと出射する。第２絞り２５は、径が拡大されて平行光とされたビームの径を第２所定径の平行光のビームに変換して反射透過ミラー２６に向けて出射する。

反射透過ミラー２６は、第２絞り２５から入射されたビーム（ビーム光源１０からの第１波長のビーム）を第２反射ミラー２７に向けて反射するとともに、照明光源３０からの第２波長の照明光Ｓを透過する。反射透過ミラー２６は、第２反射ミラー２７へと入射するビームＬの角度や位置を調整する。第２反射ミラー２７は、反射透過ミラー２６から入射されたビームＬをビーム集光レンズ２８に向けて反射するとともに、照明光源３０から出射されて照明集光レンズ３１と液体屈折率低下手段４０及び液体とビーム集光レンズ２８とを透過してきた照明光Ｓを反射透過ミラー２６に向けて反射する。

ビーム集光レンズ２８は、第２反射ミラー２７から入射されたビームＬを、液体屈折率低下手段４０内に設定した焦点位置Ｆに向けて集光する。またビーム集光レンズ２８は、照明集光レンズ３１にて焦点位置Ｆに向けて集光された照明光Ｓが入射され、入射された照明光Ｓを平行光に変換して第２反射ミラー２７に向けて出射する。

照明光源３０は、例えばＬＥＤ照明であり、制御手段６０からの制御信号に基づいて、微粒子の捕捉状態を観測する撮像手段５０への照明となる第２波長の照明光Ｓを出射する。照明集光レンズ３１は、照明光源３０から出射された照明光Ｓを、焦点位置Ｆに向けて集光する。

液体屈折率低下手段４０は、上側に設けられた板状の第１プレート４１と、第１プレート４１の下側に設けられた板状の第２プレート４２と、を上下に重ね合わせて構成されており、例えばアクリル樹脂等の透明な材質で形成されている。また液体屈折率低下手段４０の内部には、液体流路４１Ａ、捕捉流路４１Ｂ、液体流路４１Ｃとなる空洞部が形成されており、液体流路４１Ａから液体流路４１Ｃに向かって液体Ｑが流されている。捕捉流路４１Ｂは、液体流路４１Ａ及び４１Ｃの途中に設けられた流路である。なお液体屈折率低下手段４０の詳細については後述する。

接続流路４３は、内部に液体Ｑが流されており、液体流路４１Ａに接続されて液体流路４１Ａを延長している。接続流路４４は、内部に液体Ｑが流されており、液体流路４１Ｃに接続されて液体流路４１Ｃを延長している。ポンプ４５は、制御手段６０からの制御信号に基づいて、液体屈折率低下手段４０の側から流れてくる接続流路４４内の液体Ｑを吸引して反対方向に吐出する。ポンプ４５は、液体流路４１Ａから液体流路４１Ｃへと向かう液体Ｑの流れを作り出し、液体Ｑの流速を調整する。液体Ｑの流速は、微粒子を捕捉できるレベルまで液体Ｑの屈折率を低下させる流速、かつ、捕捉した微粒子が流されない程度の流速、に調整される。また捕捉流路４１Ｂを含めた液体流路４１Ａ及び４１Ｃと、接続流路４３及び４４とを含んだ流路の全体は、環状に構成されている。環状に構成することで、液体Ｑを循環させることが容易となる。また比較的安定した流速を維持することも容易であり、液体の密度の低下及び液体の屈折率の低下を安定的に維持することも容易である。

移動ステージ４６は、液体屈折率低下手段４０に取り付けられており、制御手段６０からの制御信号に基づいて、液体屈折率低下手段４０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の少なくとも一方向に移動させる。すなわち移動ステージ４６は、捕捉流路４１Ｂ内に設定した焦点位置Ｆを、捕捉流路４１Ｂに対して相対的に移動させる。

撮像手段５０は、例えばＣＣＤ方式やＣＭＯＳ方式のカメラであり、反射透過ミラー２６を透過してきた照明光Ｓとともに、焦点位置Ｆの周囲を撮像する。つまり、撮像手段５０の被写界深度（いわゆるピント）は、焦点位置Ｆに調整されている。反射透過ミラー２６から撮像手段５０に向かう光には、ビームＬが含まれていないので、ビームＬの光の色や強度等に影響されることなく、撮像手段５０は、焦点位置Ｆの周囲における微粒子の像を、より正確に撮像することができる。撮像手段５０は、撮像して得た画像データを制御手段６０に出力する。

制御手段６０は、例えばパーソナルコンピュータであり、上記に説明したように、ビーム光源１０、照明光源３０、ポンプ４５、移動ステージ４６に制御信号を出力し、撮像手段５０から画像データを取り込む。また制御手段６０は、移動ステージ４６の位置に応じた位置検出手段（図示省略）からの検出信号を取り込むようにしてもよい。

●［ビームＬの焦点位置の近傍で微粒子が捕捉される様子（図６）］
ここで図６を用いて、ビーム集光レンズ２８にて集光したビームＬの焦点位置の近傍に微粒子を捕捉する力である光圧力の概要について説明する。図６において、ビーム集光レンズ２８に入射されるビームＬの左端をビームａ、右端をビームｂと設定する。また、微粒子の屈折率をｎ２、微粒子の周囲に充填されている液体の屈折率をｎ１ａとする。なお、屈折率ｎ２＞屈折率ｎ１ａとする。

ビームａは、ビーム集光レンズ２８にて屈折されて第２プレート４２の下面を屈折しながら透過した後、位置ａ１にて微粒子Ｂ内に入射される。第２プレート４２の屈折率は、微粒子Ｂを捕捉する光圧力には影響しない。微粒子Ｂの表面の位置ａ１に入射されたビームａは、位置ａ１で屈折して微粒子Ｂ内を進み、微粒子Ｂの表面の位置ａ２で屈折して微粒子Ｂの外部に出射される。同様に、ビームｂは、ビーム集光レンズ２８にて屈折されて第２プレート４２の下面を屈折しながら透過した後、位置ｂ１にて微粒子Ｂ内に入射される。微粒子Ｂの表面の位置ｂ１に入射されたビームｂは、位置ｂ１で屈折して微粒子Ｂ内を進み、微粒子Ｂの表面の位置ｂ２で屈折して微粒子Ｂの外部に出射される。

位置ａ１では、微粒子Ｂの外側に向かう法線方向の光圧力Ｆａｔが発生し、位置ｂ１では、微粒子Ｂの外側に向かう法線方向の光圧力Ｆｂｔが発生する。また位置ａ２では、微粒子Ｂの外側に向かう法線方向の光圧力Ｆａｏが発生し、位置ｂ２では、微粒子Ｂの外側に向かう法線方向の光圧力Ｆｂｏが発生する。そして、光圧力Ｆａｔと光圧力Ｆａｏとを合成した合成圧力Ｆａ（Ｆａ＝Ｆａｔ＋Ｆａｏ）は、図６中において右下方向に向かう力となる。また、光圧力Ｆｂｔと光圧力Ｆｂｏとを合成した合成圧力Ｆｂ（Ｆｂ＝Ｆｂｔ＋Ｆｂｏ）は、図６中において左下方向に向かう力となる。この合成圧力Ｆａと合成圧力Ｆｂとを合成した力が、微粒子Ｂに印加される合成光圧力ＦＦ（ＦＦ＝Ｆａ＋Ｆｂ）となる。従って、合成光圧力ＦＦは、図６中において下方に向かう力となる。

そして微粒子Ｂが合成光圧力ＦＦによって下方に移動していくと、微粒子Ｂへのビームａの入射する位置ａ１がずれて、位置ａ１におけるビームａの入射角度（入射方向）が、位置ａ１の法線方向に近づいていき、位置ａ１におけるビームａの屈折が小さくなっていく。同様に、位置ａ２、位置ｂ１、位置ｂ２においても、ビームａ、ビームｂの入射角度（入射方向）が法線方向に近づいていき、ビームａ、ビームｂの屈折が小さくなっていく。位置ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２における入射角（入射方向）が法線方向に近づくと光圧力Ｆａｔ、Ｆａｏ、Ｆｂｔ、Ｆｂｏのベクトル量は小さくなる。このため、入射角（入射方向）が法線方向に近づくと、図６中における光圧力Ｆａｔ、Ｆｂｔの垂直下方向成分が小さくなる。つまり、図６中における合成圧力Ｆａ、Ｆｂの垂直下方向成分が小さくなるため、合成光圧力ＦＦが小さくなる。微粒子Ｂの屈折率ｎ２と、液体Ｑの屈折率ｎ１ａと、の差が大きいほど、光圧力Ｆａｏ、Ｆｂｏよりも光圧力Ｆａｔ、Ｆｂｔのほうが、図６中における垂直下方向成分が大きくなり、合成光圧力ＦＦが大きくなる。従って、図６の状態から、合成光圧力ＦＦによって微粒子が下方に移動していくと、合成光圧力ＦＦが徐々に小さくなり、微粒子に働く浮力や重力等と合成光圧力ＦＦとが釣り合った位置となるビームａ及びビームｂの焦点位置の近傍で微粒子が捕捉される。

このように、微粒子が捕捉されるためには、位置ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２にてビームが屈折する必要があり、このビームの屈折は、微粒子の屈折率ｎ２と液体の屈折率ｎ１ａとの差で発生する。そして屈折が大きいほど、すなわち、微粒子の屈折率ｎ２と液体の屈折率ｎ１ａとの差が大きいほど、合成光圧力ＦＦは大きくなり、合成光圧力ＦＦが大きいほど、微粒子の中心Ｃがビームの焦点位置により近い位置に捕捉される。

例えば、微粒子がポリエチレン（屈折率＝１．５３）であり、液体がベンゼン（屈折率＝１．５０）である場合、従来の光ピンセット装置では、微粒子の屈折率（＝１．５３）と、液体の屈折率（＝１．５０）との差が小さく、ビームを集光しても微粒子を捕捉することができなかった。なお、微粒子の径は、例えば約０．１〜１０［μｍ］である。

本実施の形態にて説明する光ピンセット装置１は、液体屈折率低下手段４０を有して捕捉流路４１Ｂ内の液体の屈折率を、強制的に、液体流路４１Ａ及び４１Ｃ内の液体の屈折率よりも低下させている。これにより、例えば微粒子がポリエチレン（屈折率＝１．５３）で、液体がベンゼン（屈折率＝１．５０）等、微粒子の屈折率と液体の屈折率との差が小さい場合であっても、捕捉流路４１Ｂ内において微粒子の屈折率と液体の屈折率との差を強制的に大きくして、微粒子を捕捉可能としている。

●［液体屈折率低下手段の構成（図２、図３）と、液体の密度と屈折率の関係（図４、図５）］
図２は液体屈折率低下手段４０の外観斜視図を示し、図３は液体屈折率低下手段４０の断面図を示している。液体屈折率低下手段４０の上側である第１プレート４１の下面には、液体流路４１Ａの上側半分と、捕捉流路４１Ｂの上側半分と、液体流路４１Ｃの上側半分と、を形成する空洞部が設けられている。同様に、液体屈折率低下手段４０の下側である第２プレート４２の上面には、液体流路４１Ａの下側半分と、捕捉流路４１Ｂの下側半分と、液体流路４１Ｃの下側半分と、を形成する空洞部が設けられている。この第１プレート４１と第２プレート４２とを上下に重ね合わせることで、液体屈折率低下手段４０内には、液体流路４１Ａ、捕捉流路４１Ｂ、液体流路４１Ｃのそれぞれに相当する空洞部が形成されている。なお、捕捉流路４１Ｂは、焦点位置Ｆを含めて焦点位置Ｆの周囲である捕捉領域に相当しており、液体流路４１Ａ及び４１Ｃは、捕捉領域とは異なる領域である非捕捉領域に相当している。なお接続流路４３及び４４の内部（流路）も非捕捉領域に相当している。

図２に示すように、液体流路４１Ａの流路面積（流路の長手方向に直交する仮想平面で流路を切断した際の流路の開口部の面積）は、第１流路面積ＳＡに設定されており、捕捉流路４１Ｂの流路面積（最大部分の流路面積）は、第２流路面積ＳＢに設定されている。第２流路面積ＳＢは、第１流路面積ＳＡよりも大きい。つまり、液体流路４１Ａ及び４１Ｃに対して、捕捉流路４１Ｂは、２次元状に膨張した形状または３次元状に膨張した形状とされている。またビーム集光レンズ２８の焦点位置Ｆ（照明集光レンズ３１の焦点位置Ｆでもある）は、捕捉流路４１Ｂ内に設定されている。図３に示す例では、捕捉流路４１Ｂ内の中央に焦点位置Ｆが設定された例を示している。なお、液体流路４１Ｃの流路面積は第１流路面積ＳＡに設定されており、接続流路４３の流路面積は第１流路面積ＳＡに設定されており、接続流路４４の流路面積は第１流路面積ＳＡに設定されている。

接続流路４３内を液体流路４１Ａに向かって流れる液体Ｑは、液体流路４１Ａから捕捉流路４１Ｂへ流れ込み、液体流路４１Ｃを経由して接続流路４４及びポンプ４５（図１参照）へと流れる。この液体Ｑの流れる経路において、第１流路面積ＳＡを有する液体流路４１Ａから第２流路面積ＳＢを有する捕捉流路４１Ｂに流れ込んだ液体Ｑは、第１流路面積＜第２流路面積であることにより、流体（液体Ｑ）の密度が低下する。

一般的に、液体の密度と屈折率の関係は、図４に示す傾向を有している。すなわち、液体の密度が密になる（密度が高くなる）に従って屈折率は徐々に大きくなり、液体の密度が疎になる（密度が低くなる）に従って屈折率は徐々に小さくなる傾向を有している。液体状態のベンゼンも、この傾向を有している。上記のとおり、液体流路４１Ａ内の液体Ｑの密度よりも、捕捉流路４１Ｂ内の液体Ｑの密度を低くしているので、液体流路４１Ａ内の液体Ｑの屈折率よりも、捕捉流路４１Ｂ内の液体Ｑの屈折率を強制的に低くすることができる。

ここで、図３に示すように、液体流路４１Ａ内に位置Ｐａを設定し、捕捉流路４１Ｂ内の焦点位置Ｆを位置Ｐｆに設定し、液体流路４１Ｃ内に位置Ｐｃを設定した場合、各位置における屈折率は、図５の例に示すとおりとなる。微粒子Ｂがポリエチレン（屈折率［ｎ２］＝１．５３）、液体Ｑがベンゼン（屈折率［ｎ１］＝１．５０）である場合、液体流路４１Ａ内の位置Ｐａ、及び液体流路４１Ｃ内の位置Ｐｃでは、微粒子の屈折率ｎ２と液体の屈折率ｎ１との差であるΔｎ２１（＝屈折率ｎ２−屈折率ｎ１）は、非常に小さく、図６に示す合成光圧力ＦＦが非常に小さくなり、ビームＬを集光しても微粒子を捕捉することはできない。

しかし、捕捉流路４１Ｂ内の位置Ｐｆでは、液体Ｑの密度が強制的に低くされて屈折率（ｎ１ａ）が強制的に下げられているので、微粒子の屈折率ｎ２と液体Ｑの屈折率ｎ１ａとの差であるΔｎ２１ａ（＝屈折率ｎ２−屈折率ｎ１ａ）が強制的に大きくされている。従って、図６に示す合成光圧力ＦＦを、ビームＬを集光して微粒子を捕捉するために充分な大きさとすることができる。

また図１〜図３に示すように、捕捉用のビームを出射するビーム光源１０と、ビーム光源１０から出射されたビームを液体Ｑ中に設定した焦点位置Ｆに向けて集光するビーム集光レンズ２８と、を用いて、集光させたビームにて液体Ｑ中の微粒子を捕捉する液体中の微粒子捕捉方法とすることもできる。液体中の微粒子捕捉方法は、焦点位置Ｆを含めて焦点位置Ｆの周囲である捕捉領域（捕捉流路）における液体Ｑの密度を、捕捉領域とは異なる領域である非捕捉領域における液体Ｑの密度よりも小さな密度とする。これにより、捕捉領域における液体Ｑの屈折率を、非捕捉領域における液体Ｑの屈折率よりも低下させ、捕捉領域内において微粒子の屈折率と液体の屈折率との差を大きくする。

本発明の光ピンセット装置、及び液体中の微粒子捕捉方法は、本実施の形態にて説明した構成、構造、形状、捕捉方法等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。

本実施の形態にて説明した光ピンセット装置、及び液体中の微粒子の捕捉方法において、透明な液体Ｑはベンゼンに限定されるものではなく、透明な微粒子Ｂはポリエチレンに限定されるものではない。透明な微粒子、及び透明な液体、は種々のものを用いることが可能であり、微粒子の屈折率と液体の屈折率との差が、従来の光ピンセット装置では捕捉できない程度の小さな差であっても、本実施の形態の光ピンセット装置では、適切に捕捉することができる。

また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。

１ 光ピンセット装置
１０ ビーム光源
２１ 第１反射ミラー
２２ 第１絞り
２３ 第１コリメートレンズ
２４ 第２コリメートレンズ
２５ 第２絞り
２６ 反射透過ミラー
２７ 第２反射ミラー
２８ ビーム集光レンズ
３０ 照明光源
３１ 照明集光レンズ
４０ 液体屈折率低下手段
４１ 第１プレート
４１Ａ、４１Ｃ 液体流路（非捕捉領域）
４１Ｂ 捕捉流路（捕捉領域）
４２ 第２プレート
４３、４４ 接続流路
４５ ポンプ
４６ 移動ステージ
５０ 撮像手段
６０ 制御手段
Ｆ 焦点位置
Ｌ ビーム
Ｓ 照明光

Claims (5)

1. 捕捉用のビームを出射する光源と、前記光源から出射された前記ビームを液体中に設定した焦点位置に向けて集光するビーム集光レンズと、を有し、集光させた前記ビームにて前記液体中の微粒子を捕捉する光ピンセット装置であって、
   前記焦点位置を含めて当該焦点位置の周囲である捕捉領域における前記液体の屈折率を、前記捕捉領域とは異なる領域である非捕捉領域における前記液体の屈折率よりも低下させる液体屈折率低下手段を備えている、
   光ピンセット装置。
2. 請求項１に記載の光ピンセット装置であって、
   前記液体屈折率低下手段は、前記捕捉領域における前記液体の密度を、前記非捕捉領域における前記液体の密度よりも小さな密度にすることで、前記捕捉領域における前記液体の屈折率を、前記非捕捉領域における前記液体の屈折率よりも低下させる、
   光ピンセット装置。
3. 請求項１または２に記載の光ピンセット装置であって、
   前記液体が所定方向に流される流路であって当該流路の面積が第１流路面積に設定されて前記非捕捉領域を構成する液体流路と、
   前記液体流路の途中に設けられた流路であって前記焦点位置が設定されて前記ビームが集光されるとともに当該流路の面積が前記第１流路面積よりも大きな第２流路面積に設定されて前記捕捉領域を構成する捕捉流路と、にて構成された前記液体屈折率低下手段を有しており、
   前記第１流路面積の前記液体流路内から前記第２流路面積の前記捕捉流路内に流れ込んだ前記液体は、前記捕捉流路内において密度が低下して屈折率が下げられている、
   光ピンセット装置。
4. 請求項３に記載の光ピンセット装置であって、
   前記捕捉流路を含めて前記液体流路は、環状に構成されており、
   前記液体流路内及び前記捕捉流路内を前記液体が所定方向に循環されている、
   光ピンセット装置。
5. 捕捉用のビームを出射する光源と、前記光源から出射された前記ビームを液体中に設定した焦点位置に向けて集光するビーム集光レンズと、を用いて、集光させた前記ビームにて前記液体中の微粒子を捕捉する液体中の微粒子捕捉方法であって、
   前記焦点位置を含めて当該焦点位置の周囲である捕捉領域における前記液体の密度を、前記捕捉領域とは異なる領域である非捕捉領域における前記液体の密度よりも小さな密度とすることで、前記捕捉領域における前記液体の屈折率を、前記非捕捉領域における前記液体の屈折率よりも低下させ、前記捕捉領域内において前記微粒子の屈折率と前記液体の屈折率との差を大きくする、
   液体中の微粒子捕捉方法。
   
   

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