JP2020527701A - フォース・ゲージおよび力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気ＰＤＬトラップ・システムを使用した高感度フォース・ゲージを提供する。【解決手段】一態様では、フォース・ゲージが、１対の双極子線磁石と双極子線磁石の上方に浮揚する反磁性ロッドとを有するＰＤＬトラップと、ＰＤＬトラップに隣接する延長棒を備えたアクチュエータと、反磁性ロッドに装着された対象となる第１の物体と、延長棒に装着された対象となる第２の物体とを含み、アクチュエータは延長棒により、対象となる第２の物体をＰＤＬトラップに向かう方向またはＰＤＬトラップから遠ざかる方向に移動するように構成される。本フォース・ゲージを使用する力測定の方法も提供される。【選択図】図８

Description

本発明は、磁気平行双極子線（parallel dipole line：ＰＤＬ）トラップ・システムに関し、より詳細には、ＰＤＬトラップ・システムを使用した高感度フォース・ゲージに関する。

ファン・デル・ワールス力、化学結合力、およびカシミール力などの弱い相互作用を有する様々な物体に関係するきわめて小さい力の測定を行う必要がある場合が多い。例えば、Leckband et Al.,"Forces controlling protein interactions: theory and experiment,"Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 14 (August1999) pgs. 83-97を参照されたい。しかし、このシステムにおける従来の測定技術は、複雑でコストがかかる。

米国特許第８，８９５，３５５号 米国特許第９，０９３，３７７号 米国特許第９，２３６，２９３号 米国特許出願第１５／１３１，４４３号

Leckband et Al., "Forces controlling protein interactions: theory and experiment," Colloids and Surfaces B: Biointerfaces14 (August 1999) pgs. 83-97 Gunawan et al., "A parallel dipole line system," Applied Physics Letters 106, pp.062407-1-5 (February 2015)

したがって、改良された高感度フォース・ゲージが望ましいであろう。本発明は、磁気平行双極子線（ＰＤＬ）トラップ・システムを使用した高感度フォース・ゲージを提供する。

本発明の一態様では、フォース・ゲージが提供される。このフォース・ゲージは、1対の双極子線磁石と双極子線磁石の上方に浮揚する反磁性ロッドとを有するＰＤＬトラップと、ＰＤＬトラップに隣接する延長棒を備えたアクチュエータと、反磁性ロッドに装着された対象となる第１の物体と、延長棒に装着された対象となる第２の物体とを含み、アクチュエータは延長棒により対象となる第２の物体をＰＤＬトラップに向かう方向またはＰＤＬトラップから遠ざかる方向に移動させるように構成される。

本発明の別の態様では、力測定方法が提供される。この方法は、１対の双極子線磁石を有するＰＤＬトラップと、双曲線磁石の上方に浮揚する反磁性ロッドと、ＰＤＬトラップに隣接する延長棒を備えたアクチュエータとを備えるフォース・ゲージを設けることと、反磁性ロッドに対象となる第１の物体を装着することと、延長棒に対象となる第２の物体を装着することと、延長棒により対象となる第２の物体をＰＤＬトラップに向かう方向またはＰＤＬトラップから離れる方向に移動させることと、ＰＤＬトラップ内の反磁性ロッドの変位を、対象となる第２の物体の位置の関数として測定することとを含む。

以下の詳細な説明と図面を参照することによって、本発明と、本発明のその他の特徴および利点とをよりよく理解することができるであろう。

本発明の一実施形態による例示の平行双極子線（ＰＤＬ）トラップ式フォース・ゲージを示す前面図である。 本発明の一実施形態によるＰＤＬトラップ式フォース・ゲージを示す上面図である。 本発明の一実施形態による本フォース・ゲージの動作原理を示す図である。 本発明の一実施形態による、物体間に引力が存在する場合の本フォース・ゲージを操作する例示の方法を示す上面図である。 本発明の一実施形態による、物体間に反発力が存在する場合の本フォース・ゲージを操作する例示の方法を示す上面図である。 本発明の一実施形態によるＰＤＬトラップ内のロッドの位置を判断するための光源および光検出器の使用を示す側面図である。 本発明の一実施形態による、ＰＤＬトラップ内のロッドの位置を判断するための単極容量検知システムの使用を示す側面図である。 本発明の一実施形態による、本フォース・ゲージを使用した力測定の例示の方法を示す図である。

本明細書では、１対の横円柱磁石（ＴＣＭ）からなる平行双極子線（ＰＤＬ）トラップ・システムを使用した高感度フォース・ゲージが提供される。反磁性（例えばグラファイト）ロッドなどの反磁性円柱ロッドがトラップの中心でトラップされる。反磁性円柱ロッドは、安定したトラップを実現するトラップの長手方向軸に沿った弱い１次元キャメルバック磁位に閉じ込められている。例えば、Gunawan et al.,"A parallel dipole line system," Applied Physics Letters 106,pp.062407-1-5 (February 2015)（以下、「Ｇｕｎａｗａｎ」）、および、Ｃａｏ等に発行された"Magnetic Trap for Cylindrical Diamagnetic Materials"という名称の米国特許第８，８９５，３５５号、米国特許第９，０９３，３７７号、および米国特許第９，２３６，２９３号を参照されたい。

反磁性ロッドは対象となる第１の物体（相互作用力を測定する物体）に装着される。対象となる第２の物体が、第２の物体の（第１の物体を基準にした）位置を調整可能にするアクチュエータ機構に装着される。以下で詳細に説明する例示の一実施形態によると、アクチュエータ機構は、（印加電圧に基づいて延長棒の直線運動を生じさせる）圧電セラミック・アクチュエータによって駆動される延長棒を含む。

アクチュエータ機構は、延長棒上の第２の物体を、反磁性ロッドに装着された第１の物体に向かう方向または第１の物体から遠ざかる方向に移動させる。延長棒上の第２の物体が第１の物体に近づけられると、物体間の相互作用力によって第１の物体（および第１の物体が装着されている反磁性ロッド）が第２の物体に向かう方向または第２の物体から遠ざかる方向に引かれる。この変位と（第２の）物体の位置との関係を分析することによって、物体間の相互作用力を距離の関数として求めることができる。

本発明の技術に関係するＰＤＬトラップ・システムの詳細は、以下の説明から明らかになるであろう。ただし、一般に、ＰＤＬトラップは、自然に結合する１対の横方向に磁化された（ダイアメトリックとも呼ぶ）円柱磁石からなる磁気平行双極子線システムからなる。これらの磁石は、磁化が横方向（長軸に対して直角）である、円柱、棒、または帯状などの細長い形状を有する。これらの磁石を本明細書では、「双極子線」磁石または「ダイアメトリック」磁石と呼ぶ。グラファイト・ロッドなどの反磁性円柱体は、１対のダイアメトリック磁石の中心でトラップされることができ、ダイアメトリック磁石の上方に浮揚する。ＰＤＬトラップのこの重要な発見および中心的特徴は、長手方向（ｚ軸）に沿った「キャメルバック磁位」の存在、すなわち、臨界長Ｌ_Ｃを超える長さを有するダイアメトリック磁石に対して発生する双極子線の縁付近の磁場増大であり、ここでＬ_Ｃは１対の円柱ダイアメトリック磁石システムの場合、約２．５ａであり、ａは磁石の半径である。

しかし、ＰＤＬトラップにおける円柱磁石は、互いに接触している必要はない。例えば、磁石間に間隙ｇがあいていてもよく、磁場分布は、一定の比率で縮小される以外は同一となる。間隙が臨界間隙ｇ_ｃ（すなわち、ロッドがトラップから落ちる間隙）未満に維持される限り、反磁性ロッドは磁石の上方に浮揚したままとなる。磁石間に間隙をあける１つの顕著な利点は、様々な装置または実験に適応するように磁石間に空間をあけ、例えばそれによって物体検出のために光線を縦方向に（磁石の間を）通過させることができることである。別の顕著な利点は、間隙により、対象となる物体が磁石間の空間にはまり、動作時に前後に自由に動くことが可能になる。

ＰＤＬトラップの磁石間に間隙をあけるためにいくつかの異なる技法を採用することができる。例えば、サイズが間隙の大きさと等しい固定サイズのスペーサを磁石の間に配置することができる。様々なサイズのスペーサを交換して間隙の大きさを変えることができるが、各スペーサは固定した寸法である。より調節可能なシステムの場合、磁石がそれぞれ別々の取り付け具に装着され、（例えば調整可能ねじ機構を使用して）取り付け具を互いに近づけたり遠ざけたりすることができる、可変間隙固定具を採用することができる。以下の説明では可変間隙固定具を使用するが、これは一例に過ぎず、記載されているのと同じ方式で固定スペーサも実装可能である。

次に、本技術による例示のフォース・ゲージ１００について図１（前面図）および図２（上面図）を参照しながら詳細に説明する。図１に示すように、フォース・ゲージ１００は、固定具（「固定具取り付け具」という名称で示されている）に取り付けられた１対の円柱磁石（「ＰＤＬ磁石」という名称で示されている）を有するＰＤＬトラップと、磁石の上方に浮揚する反磁性ロッド（例えばグラファイト・ロッド）とを含む。図１に示すように、固定具は磁石間に間隙ｇを生じさせる。上述のように、磁石間に間隙があることによって、光学センサを使用してＰＤＬトラップ内の反磁性ロッドの位置を示すことができる（例えば、反磁性ロッドが間を通過することができるように、光源と光センサとがＰＤＬトラップの上部／底部に配置される。以下を参照。）。

固定具取り付け具は、（図１に示すように）磁石間に「固定」間隙を生じさせることができるか、または上述のように、間隙を変化させるために（磁石に別々に取り付けられた）取り付け具を近づける方向または遠ざける方向に移動させるねじ機構を含むことができる。また、上述のように、代わりに固定スペーサを磁石の間で採用して間隙をあけることもできる。

フォース・ゲージ１００を上から見ると、アクチュエータ機構が見える。図２を参照されたい。図２に示すように、アクチュエータ機構は、ＰＤＬトラップの一方の側に位置し、延長棒の（ＰＤＬトラップに向かう方向または離れる方向への。以下を参照。）移動を制御するアクチュエータを含む。

例示の一実施形態によると、アクチュエータは、印加電圧に基づいて延長棒の直線運動を生じさせる圧電セラミック・アクチュエータである。圧電セラミック・アクチュエータは、例えば米国マサチューセッツ州オーバンのＰＩ（Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ）ＬＰから市販されている。延長棒は、好ましくは、プラスチック、アクリルなどの非強磁性の材料、または、銅または真ちゅうあるいはその両方などの非磁性金属で形成される。

図２に示すように、対象となる第１の物体が反磁性ロッドに装着され、対象となる第２の物体が延長棒に装着される。なお、第１の物体は、反磁性ロッドの、延長棒に近い／面した一端に装着され、第２の物体は、延長棒の、反磁性ロッドに近い／面した一端に装着される。一般に、フォース・ゲージ１００を使用して物体間の相互作用力を測定したい任意の２つの物体を実装することができる。例示に過ぎないが、物体１と物体２とは、金属または合成材料、またはタンパク質、（デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）またはリボ核酸（ＲＮＡ）などの）遺伝子物質などの生体材料あるいはその組合せ、または分子または化合物、金属などの無機材料、あるいはその組合せなどの任意の検査材とすることができる。検査物体は、例えばエポキシ接着剤などの接着剤を使用して、グラファイト・ロッドの先端と延長棒の端部とに装着することができる（図２参照）。例示に過ぎないが、測定される物体間の相互作用は、静電力、ファン・デル・ワールス力、またはカシミール力とすることができる。検査される物体の大きさは、支持する反磁性ロッドが浮揚し続けなければならないという条件によって制限される。具体的には、ロッドに装着された物体が大きすぎる場合、ロッドは浮揚しなくなる。

次に、本フォース・ゲージの動作原理について、図３を参照しながらさらに詳細に説明する。上述のように、対象となる第１の物体は（ＰＤＬトラップの上方に浮揚する）反磁性ロッドに装着され、対象となる第２の物体はアクチュエータによって制御される延長棒に装着される。延長棒上の第２の物体が第１の物体に近づけられると、物体間の相互作用力によって第１の物体（および第１の物体が装着されている反磁性ロッド）が第２の物体の方に引かれる（または力によっては、第２の物体からはね返される）。この変位と（第２の）物体の位置との関係を分析することによって、物体間の相互作用力を距離の関数として求めることができる。図３を参照されたい。

具体的には、反磁性ロッドは、ばね定数ｋ_ｚでＰＤＬキャメルバック磁位Ｕ_ＣＢ上にある。このばね定数は、ｋ_ｚ＝ω^２ｍとして与えられるトラップの共振周波数から求めることができ、ここでω＝２πｆであり、ｆはトラップの角振動数である。上記で示したように、キャメルバック磁位は、ＰＤＬトラップの長手方向軸（ｚ軸）に沿って存在する。（アクチュエータによって）延長棒が作動させられて第２の物体を第１の物体に近づけられると、物体間の相互作用力により第１の物体／反磁性ロッドがトラップ内でΔｚだけ移動する。例えば、第１の物体と第２の物体の間に引力が存在する場合、第２の物体を第１の物体に向かって移動させると、第１の物体／反磁性ロッドが第２の物体に向かって（この場合はＰＤＬトラップの右側に）移動する。しかし、第１の物体と第２の物体の間に反発力が存在する場合、第２の物体を第１の物体に向かって移動させると、第１の物体／反磁性ロッドは第２の物体から遠ざかる方向に（この場合はＰＤＬトラップの左側に）移動する。前者（引力）の場合を図３に示すが、同じ原理がいずれの場合にも適用される。反磁性ロッドの変位Δｚは、第１の物体と第２の物体との離隔（ｒ）の関数として測定される。したがって、力Ｆを、以下のように第１の物体と第２の物体との間の距離ｒの関数、すなわちＦ（ｒ）として得ることができる。
Ｆ（ｒ）＝ｋ_ｚΔｚ

好ましくは、ｒの別の値を得るために延長棒が移動され、ロッドの変位Δｚの変化に基づく測定がさらに１回または複数回繰り返される。これは、これらの物体の距離依存性の法則（すなわち力が物体間の距離にどのように対応するか）を立証するのに役立つ。

次に、本フォース・ゲージを操作する例示の方法について、フォース・ゲージの上面図として示す図４の方法４００を参照しながら説明する。ステップ４０２に示すように、（磁石間に間隙を生じさせる）固定具に取り付けられた１対の円柱磁石と、磁石の上方に浮揚する反磁性ロッド（例えばグラファイト・ロッド）と、ＰＤＬトラップの一方の側に外れた延長棒を備えるアクチュエータ（例えば圧電セラミック・アクチュエータ）とを有する上述のＰＤＬフォース・ゲージが設けられる。対象となる第１の物体が反磁性ロッドに装着され、対象となる第２の物体が延長棒に装着される。図４のステップ４０２を参照されたい。ＰＤＬフォース・ゲージは、第１の物体と第２の物体との間の力（引力または反発力）を測定するために使用されることになる。

ステップ４０４に示すように、アクチュエータを使用して延長棒により第２の物体を第１の位置に移動させる。図４に示す例では、第１の位置は、ステップ４０２の初期設定と比較して第１の物体により近い。この場合、第１／第２の物体間に引力があり、第２の物体を第１の物体に近づけると、第１の物体およびそれと共に反磁性ロッドが第２の物体の方向に（すなわち第２の物体に向かって）移動する。非限定的な設定として、この例では、アクチュエータはＰＤＬトラップの右側に位置する。したがって、引力に基づいて、第２の物体をＰＤＬトラップの右側に近づけると第１の物体（およびそれと共に反磁性ロッド）もＰＤＬトラップの右側に引きつけられる。第１の物体／反磁性ロッドがトラップ内で変位させられる量は、第１／第２の物体間の力（この場合は引力）と第２の物体の位置とに比例する。第１／第２の物体間の力は第１の物体と第２の物体が互いに近いほど強くなるため、第２の物体の位置は係数である。したがって、単純な非限定的例を使用すると、初期設定（例えばステップ４０２を参照）では、第１／第２の物体は、高確率でＰＤＬトラップ内の第１の物体／反磁性ロッドの変位が起こらないほど十分に離れており、反磁性ロッドは（キャメルバック磁位のために）ＰＤＬトラップの中央に静止している（すなわちΔｚ＝０）。第１の位置では、第１の物体と第２の物体との距離が短縮され、第１の物体と第２の物体との間の引力の作用は、ＰＤＬトラップ内の第１の物体／反磁性ロッドを変位させるのに十分である。次に、第２の物体をＰＤＬトラップにより近いかまたはより遠い１つまたは複数の他の位置に移動させて、第１／第２の物体間の距離を短縮または増大させることが変位に対してどのような作用を有するかを調べることができる。次に、これらの物体について距離依存性の法則を立証することができる。この概念を例示するために単純な例を使用すると、ＰＤＬトラップにおいて第１の物体／反磁性ロッドの最大変位が起こるまで、第２の物体をＰＤＬトラップに連続して近づけることができる。次に、第１の物体／反磁性ロッドがＰＤＬトラップの中心に戻るまで、第２の物体をＰＤＬから遠ざかる方向に連続して移動させることができる。ＰＤＬトラップにおける第１の物体／反磁性ロッドの変位は、それぞれこの最小距離と最大距離との間の距離に相関して増大縮小することになる。

ステップ４０４に示すように、ＰＤＬトラップの中心からの第１の物体／反磁性ロッドの変位（ある場合）が測定される。以下で詳述するように、本明細書ではＰＤＬトラップ内の第１の物体／反磁性ロッドの位置、したがって変位があればそれを測定するためのいくつかの異なる技法が企図される。例えば、（デジタル・ビデオ・キャプチャまたは光検知器によるなど）光学検知技術または容量検知技術を採用することができる。

ステップ４０６に示すように、アクチュエータを使用して延長棒により第２の物体が第２の位置に移動され、ＰＤＬトラップ内の第１の物体／反磁性ロッドの変位（ある場合）が再度測定される。ここでの着想は、上記で示したように、ＰＤＬトラップ内の第１の物体／反磁性ロッドの変位の量が、（第２の物体の位置に基づいて制御される）物体間の距離の関数として分析され、したがって第２の物体のＰＤＬトラップを基準にした別の位置（例えば第１の位置と比較してＰＤＬトラップにより近いかまたはより遠い位置）への移動を使用して、この距離依存係数を推定することができることである。例えば、図４に示す例を使用すると、第２の位置は第１の位置よりもＰＤＬトラップに近い。この場合、ステップ４０６で物体を互いに近づけると、ＰＤＬトラップ内の物体／反磁性ロッドの変位が大きくなる。ただし、これは常に当てはまるわけではない。例えば、物体間の引力に基づいて、第１の位置が結果として実現可能最大変位量となることがある。その場合、物体を互いに近づけても変位は増大しない。また、図４に示す位置の各増分は、本技術を例示することを意図した例に過ぎない。必要であれば、ＰＤＬトラップにより近いかまたはより遠いかあるいはその両方の複数の他の位置も、説明した方式と同じ方式で評価することができるものと理解すべきである。

第２の物体をＰＤＬトラップから離れる方向に第３の位置まで移動することによっても、力の距離依存性を評価することができる。例えば、ステップ４０８を参照されたい。例えば、この例のように、第１の物体／反磁性ロッドの（例えば位置１または位置２あるいはその両方における）変位が示された後、次に第２の物体をＰＤＬトラップから離れる方向に戻して距離依存性を分析することができる。この場合も、これは、図示されていない１つまたは複数の他の位置によって漸進的に行うことができる。基本的には、物体が互いに離れる方向に移動されると、引力の影響がキャメルバック磁位に対して相対的に減少する。引力が弱まる結果として、ステップ４０８に示すように第１の物体／反磁性ロッドがＰＤＬトラップの中心に向かって戻ることになる。図４には、上述のように、このプロセスが様々な異なる位置で繰り返されて力の距離依存性を評価することが示されている。

完全を帰するために、図５に、物体間に反発力が存在する場合の本フォース・ゲージを操作する例示の方法５００（フォース・ゲージの上面図として示す）を示す。上述した方式と同じ方式で、ステップ５０２に示すように、（磁石間に間隙を生じさせる）固定具に取り付けられた１対の円柱磁石と、磁石の上方に浮揚する反磁性ロッド（例えばグラファイト・ロッド）と、ＰＤＬトラップの一方の側に外れた延長棒を備えたアクチュエータ（例えば圧電セラミック・アクチュエータ）とを有する本ＰＤＬフォース・ゲージが設けられる。対象となる第１の物体が反磁性ロッドに装着され、対象となる第２の物体が延長棒に装着される。図４のステップ４０２を参照されたい。

ステップ５０４に示すように、アクチュエータを使用して延長棒により第２の物体を第１の位置に移動する。図５に示す例では、第１の位置はステップ５０２の初期設定と比較してＰＤＬトラップにより近い。この場合、第１／第２の物体間に反発力が存在し、第２の物体を第１の物体に近づけると第１の物体と反磁性ロッドとが第２の物体から離れる方向に移動する。この例では、アクチュエータがＰＤＬトラップの右側に位置する。したがって、反発力に基づいて、第２の物体をＰＤＬトラップの右側に近づけると第１の物体（およびそれと共に反磁性ロッド）がＰＤＬトラップの左側にはねのけられる。第１の物体／反磁性ロッドがトラップ内で変位させられる量は、第１／第２の物体間の力（この場合は反発力）と第２の物体の位置とに比例する。

したがって、第１の位置で、第２の物体がＰＤＬトラップに近づけられ、第１／第２の物体間の反発力の作用がＰＤＬトラップにおいて第１の物体／反磁性ロッドを変位させるのに十分であることがわかる（上記のように、ステップ５０２に示す初期設定では、物体は物体間の力の結果としてＰＤＬトラップにおいて第１の物体／反磁性ロッドの変位が生じないほど十分に離隔されているものとする）。次に、第２の物体をＰＤＬトラップにより近いかまたはより遠い１つまたは複数の他の位置に移動させて、第１／第２の物体間の距離を短縮または増大させることが変位に対してどのような作用を有するかを調べることができる。次に、物体の距離依存性法則を確立することができる。

ステップ５０４に示すように、ＰＤＬトラップ内の第１の物体／反磁性ロッドの変位（ある場合）が（第１の位置で）測定され、ステップ５０６でアクチュエータを使用して第２の物体が延長棒により第２の位置（この例ではＰＤＬトラップにさらに近い）に移動され、ＰＤＬトラップにおける第１の物体／反磁性ロッドの変位（ある場合）が再度測定される。図５に示す位置の各増分は、本技術を例示することを意図した例に過ぎず、必要であればＰＤＬトラップにより近いかまたはより遠いあるいはその両方の複数の他の位置も記載されているのと同じ方式で評価することができるものと理解すべきである。ここでの着想は、上記で示したように、ＰＤＬトラップ内の第１の物体／反磁性ロッドの変位の量が、（第２の物体の位置に基づいて制御される）物体間の距離の関数として分析され、したがって第２の物体のＰＤＬトラップを基準にした別の位置（例えば第１の位置と比較してＰＤＬトラップにより近いかまたはより遠い位置）への移動を使用して、この距離依存係数を推定することができることである。物体間の力の強度によっては、それを越えて第２の物体をＰＤＬトラップに近づけるとＰＤＬトラップにおいて第１の物体／反磁性ロッドがさらに変位することになる点が存在することがある。

力の距離依存性は、第２の物体をＰＤＬトラップから離れる方向に戻すことによっても評価することができる。例えば、第２の物体が第３の位置に移動されるステップ５０８を参照されたい。例えば、第１の物体／反磁性(diamagnetic)ロッドの変位が（例えば位置１または位置２あるいはその両方において）示された後、次に第２の物体をＰＤＬトラップから遠ざかる方向に戻して距離依存性を分析することができる。この場合も、これは、図示されていない１つまたは複数の他の位置によって漸進的に行うことができる。物体が互いからさらに遠ざかる方向に移動されると、キャメルバック磁位(magnetic camelback potential)に対して相対的に引力の影響が低下し、ステップ５０８に示すように第１の物体／反磁性ロッドがＰＤＬトラップの中心に向かって戻ることになる。図５に示すように、このプロセスを様々な異なる位置で繰り返して力の距離依存性を評価することができる。

ここで、ＰＤＬトラップ内のロッドの位置の評価／測定のためのいくつかの異なる選択肢を示す。図６に示す第１の例示の実施形態では、ＰＤＬトラップ内のロッドの位置を検出するために複数の光検知器と１つの光源とが使用される。具体的には、図６に示すように、ＰＤＬトラップの上方に光源が配置され、ＰＤＬトラップの下に光検知器（ＰＤ）が配置される。これらのＰＤは、両方のＰＤからの光電流信号の差分を取り、それらを増幅し、トラップされた物体の変位信号を出力する、差分光検知器回路に接続される。適合する光源には、白熱電球、発光ダイオード、またはレーザ、あるいはその組合せが含まれるがこれらには限定されず、適合する光検知器には、半導体光ダイオードまたは光依存性抵抗（ＬＤＲ）あるいはその両方が含まれるがこれらには限定されない。

次に、光源と光検知器とを使用してＰＤＬトラップ内のロッドの位置を判断する。すなわち、図６に示すように、ＰＤＬトラップ内でロッドが移動するとき、ロッドは光源と光検知器の間を通過する。この例では、２つの光検知器が示されている。しかし、これは例示のみを目的としたものであり、必要に応じてこれより多くの（または少ない）光検知器も採用可能である。ロッドがトラップの左側に移動する場合、ロッドは光源からの光が左側の光検知器に到達するのを遮る。しかし、光源からの光は右側の光検知器には到達することになる。ロッドがＰＤＬトラップの右側に移動する場合、ロッドは光源からの光が右側の光検知器に到達するのを遮る。しかし、光源からの光は左側の光検知器には到達する。

別の例示の実施形態では、ＰＤＬトラップ内のロッドの位置が容量検知技術を使用して検出される。例えば図７を参照されたい。一般に、容量検知は、少なくとも１対の電極をＰＤＬトラップの双極子線磁石の上方に（ロッドが電極に接触せずに１対の電極の間を自由に出入りすることができ、それでも浮揚状態を保ったままであるように）配置する必要がある。例示の実施形態によると、各電極対は、（浮揚した(levitated)）ロッドを囲み、それによってロッドの位置に応じた値を有するキャパシタを形成する、１対の電極シェル（図７の断面図を参照）を含む。容量計が電極シェルのキャパシタンスを測定するように構成される。ＰＤＬトラップ内でロッドが移動するにつれて、キャパシタンスが変化する。したがって、キャパシタンスを測定することによってＰＤＬトラップ内のロッドの位置を判断することができる。

図７に示すように、１対の電極はＰＤＬトラップの上方で（ＰＤＬトラップの一方の側に片寄って）使用され、容量計は電極に接続され、上述のようにキャパシタンスを測定するように構成される。図７に示すように、ＰＤＬトラップ内でロッドの位置が変化するにつれて、そのキャパシタンスが−ｌ／２＜ｚ＜ｌの範囲で変化する。ここで、ｚはロッドの重心位置であり、ｌはロッドの長さである。

米国特許出願第１５／１３１，４４３号に記載されているように、図７に示すシステムのようなシステムのキャパシタンスは以下のように与えられる。

ここで、Ｃ_０はロッドがない場合の基準キャパシタンス、ΔＣはロッドが完全に電極内にあるときに起こるキャパシタンスの最大変化である。したがって、ロッド重心の位置ｚは、−ｌ／２＜ｚ＜ｌ／２について測定されたキャパシタンスから求めることができる。したがって、ロッド変位（Δｚ）とアクチュエータの動きがわかっていることによって、第１の物体と第２の物体との間の離隔距離（ｒ）を求めることができる。

上記の説明を踏まえて、図８に本フォース・ゲージを使用して２つの対象物体（すなわち第１の物体と第２の物体）の間の力を測定するための例示の方法８００を示す。ステップ８０２で、対象となる第１の物体がロッドに装着され、対象となる第２の物体が延長棒に装着される。上述のように、これらの物体はその間に働く力（例えば引力または反発力）が測定される任意の２つの物体を含み得る。例示に過ぎないが、これらの物体は、タンパク質、（デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）またはリボ核酸（ＲＮＡ）などの）遺伝子物質などの生体材料、または、分子または化合物、金属などの無機材料あるいはその組合せなどを含み得る。

ステップ８０４で、延長棒を使用して第２の物体を作動させ、第２の物体を、ＰＤＬトラップを基準にした第１の位置（位置１）に移動する。ステップ８０４では第２の物体をＰＤＬトラップに向かう方向または離れる方向に移動させることができるが、本実施例では、第１の位置はＰＤＬトラップにより近い。上述のように、物体間の力に基づいて、第２の物体の第１の位置へのこの移動が、ＰＤＬトラップ内の第１の物体とロッドの位置を変化させる。例えば、引力は第１の物体とロッドとをＰＤＬトラップ内で第２の物体に近づけさせ、反発力は第１の物体とロッドとをＰＤＬトラップ内で第２の物体から離れさせる。ステップ８０６で、すなわち第２の物体が位置１にある状態で、ＰＤＬトラップ内のロッドの位置が測定される。上述のように、ロッドの変位は物体の離隔距離（ｒ）、すなわち第１の物体と第２の物体との間の離隔の関数として測定される。したがって、力Ｆを第１の物体と第２の物体との間の距離ｒの関数、すなわちＦ（ｒ）として求めることができる。

力測定の距離依存性（上記参照）を判断するために、次にステップ８０８で（延長棒を既知の距離だけ移動することによって）第２の物体が、第１の位置（位置１）よりもＰＤＬトラップに近いかまたは遠い少なくとも１つの第２の位置（位置２）に移動され、すなわち、第２の物体が位置２にある状態で、ＰＤＬトラップ内のロッドの位置が再度測定される。例えば、例示の一実施形態によると、第２の物体はＰＤＬトラップに近づく方向または遠ざかる方向あるいはその両方に、漸進的に移動され、それぞれの移動後にトラップ内のロッドの位置が測定される。

本明細書では本発明の例示の実施形態について説明したが、本発明はこれらの厳密な実施形態には限定されないことと、本発明の範囲から逸脱することなく当業者により様々な他の変更および修正が加えられ得ることを理解すべきである。

Claims (20)

1. フォース・ゲージであって、
   １対の双極子線磁石と前記双極子線磁石の上方に浮揚する反磁性ロッドとを有する平行双極子線（ＰＤＬ）トラップと、
   前記ＰＤＬトラップに隣接する延長棒を備えたアクチュエータと、
   前記反磁性ロッドに装着された対象となる第１の物体と、
   前記延長棒に装着された対象となる第２の物体とを含み、前記アクチュエータは前記延長棒によって対象となる前記第２の物体を前記ＰＤＬトラップに向かう方向または前記ＰＤＬトラップから遠ざかる方向に移動させるように構成された、フォース・ゲージ。
2. 前記１対の双極子線磁石は間隙ｇだけ互いから離隔されている、請求項１に記載のフォース・ゲージ。
3. 対象となる前記第１の物体と対象となる前記第２の物体とは、それぞれ、タンパク質と、遺伝子物質と、デオキシリボ核酸と、リボ核酸と、分子と、化合物と、金属とこれらの組合せとからなるグループから選択される、請求項１に記載のフォース・ゲージ。
4. 前記アクチュエータは、印加電圧に基づいて前記延長棒の直線運動を生じさせるように構成された、請求項１に記載のフォース・ゲージ。
5. 前記アクチュエータは、圧電セラミック・アクチュエータを含む、請求項１に記載のフォース・ゲージ。
6. 前記ＰＤＬトラップの上方の光源と、
   前記ＰＤＬトラップの下の、前記光源の反対側にある少なくとも１つの光検知器であって、前記反磁性ロッドが前記光源と前記少なくとも１つの光検知器との間を通過するときに前記ＰＤＬトラップ内の前記反磁性ロッドの位置を検出するように構成された前記光検知器とをさらに含む、請求項１に記載のフォース・ゲージ。
7. 前記光源は、白熱電球と、発光ダイオードと、レーザと、これらの組合せとからなるグループから選択される、請求項６に記載のフォース・ゲージ。
8. 前記少なくとも１つの光検出器は、半導体光ダイオードと、光依存性抵抗と、これらの組合せとからなるグループから選択される、請求項６に記載のフォース・ゲージ。
9. 前記反磁性ロッドが少なくとも１対の電極と前記１対の双極子線磁石との間を通過することができるように前記ＰＤＬトラップの上方にある前記少なくとも１対の電極をさらに含む、請求項１に記載のフォース・ゲージ。
10. 前記少なくとも１対の電極に接続された容量計をさらに含む、請求項９に記載のフォース・ゲージ。
11. 力測定の方法であって、
    １対の双極子線磁石を有するＰＤＬトラップと、前記双極子線磁石の上方に浮揚する反磁性ロッドと、前記ＰＤＬトラップに隣接する延長棒を備えたアクチュエータとを備えたフォース・ゲージを設けることと、
    前記反磁性ロッドに対象となる第１の物体を装着することと、
    前記延長棒に対象となる第２の物体を装着することと、
    対象となる前記第２の物体を前記延長棒によって前記ＰＤＬトラップに向かう方向または遠ざかる方向に移動することと、
    前記ＰＤＬトラップ内の前記反磁性ロッドの変位を対象となる前記第２の物体の位置の関数として測定することとを含む方法。
12. 前記第２の物体を第１の位置に移動することと、
    前記第２の物体が前記第１の位置にあるときに前記ＰＤＬトラップ内の前記反磁性ロッドの前記変位を測定することと、
    前記第２の物体を第２の位置に移動することと、
    前記第２の物体が前記第２の位置にあるときに前記ＰＤＬトラップ内の前記反磁性ロッドの前記変位を測定することとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２の物体を前記第１の位置に移動することは、前記第２の物体を前記ＰＤＬトラップに向かって移動することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第２の位置は前記第１の位置より前記ＰＤＬトラップに近い、請求項１２に記載の方法。
15. 前記第２の位置は、前記第１の位置より前記ＰＤＬトラップから遠い、請求項１２に記載の方法。
16. 前記フォース・ゲージは前記ＰＤＬトラップの上方の光源と、前記ＰＤＬトラップの下の、前記光源の反対側にある少なくとも１つの光検知器とをさらに含み、前記ＰＤＬトラップ内の前記反磁性ロッドの変位を測定することは、
    前記反磁性ロッドが前記光源と前記少なくとも１つの光検知器との間を通過するときに前記ＰＤＬトラップ内の前記反磁性ロッドの位置を検出することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
17. 前記フォース・ゲージは、前記ＰＤＬトラップの上方の少なくとも１対の電極をさらに含み、前記ＰＤＬトラップ内の前記反磁性ロッドの変位を測定することは、
    前記反磁性ロッドが前記少なくとも１対の電極の間を通過するときに前記少なくとも１対の電極間のキャパシタンスの変化に基づいて、前記ＰＤＬトラップ内の前記反磁性ロッドの位置を検出することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記１対の双極子線磁石は間隙ｇだけ互いから離隔されている、請求項１１に記載の方法。
19. 対象となる前記第１の物体と対象となる前記第２の物体とは、それぞれ、タンパク質と、遺伝子物質と、デオキシリボ核酸と、リボ核酸と、金属と、これらの組合せとからなるグループから選択される、請求項１１に記載の方法。
20. 前記延長棒の直線運動を生じさせるように前記アクチュエータに電圧を印加することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。