JP2765746B2 - Fine modification and processing method - Google Patents

Fine modification and processing method


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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この出願の発明は、微細修飾・加工方法に関するものである。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention (relates) This application relates to micro-modification and processing methods. さらに詳しくは、この出願の発明は、レーザ光照射により微粒子表面の化学修飾や加工を簡便にかつ精密に行うことのできる微細・微小操作のための方法に関するものである。 More specifically, the invention of this application relates to a method for fine-micro operations that can be easily and precisely perform chemical modification and processing of the fine particle surface by laser beam irradiation.

(従来の技術とその課題) 近年、化学物質、たとえば高分子物質や無機物質のミクロンオーダーの微細修飾やその加工技術が開発され、 (Its problems with the prior art) In recent years, chemical substances, such as micron fine modifications and their processing technologies polymeric substances and inorganic substances have been developed,
さらにサブミクロンオーダーでの加工を可能とする技術の開発が注目されており、物質変換の素過程の操作を可能とするものとして精力的に研究開発が進められてきている。 It has been further noted the development of technology enabling the processing of a sub-micron order, vigorously research and development has been promoted as to enable operation of the elementary processes of material conversion. また、生体細胞においてもその移植、移入、さらに融合などの微細操作を行うマイクロプロセシングが非常に重要になってきている。 Also, the transplanted in living cells, transfection, further microprocessing performing fine operations such fusion has become very important.

このような微細・微小操作については、これまでにも化学的操作によって行う方法が種々提案されてきているが、化学的方法の場合には処理対象と反応処理済との反応制御が非常に難しく、精度上の限界があった。 Such fine-minute operation, a method performed by also chemical manipulation so far have been proposed, in the case of chemical methods reaction control is very difficult and the reaction treated processed , there is a limit on the precision.

一方、生体細胞の操作分野においては微注入法等のマニュアル的方法により移入等処理を行うことができるようになっており、発現効率を10 -2程度にまで向上させることが可能となってきている。 On the other hand, in the operation field of biological cells are adapted to be able to perform the transfer and the like processed by manual methods, such as micro injection method, it has become possible to improve the expression efficiency to about 10 -2 there. しかしながらこの方法においては実施者が顕微鏡下でマイクロピペットなどを個々の細胞に直接接触させて処理するため、クリーンベンチ内での処理が必要不可欠となり、また処理の自動化を図ることもできないという問題がある。 However, since the practitioner in this way is processed in direct contact and micropipette into individual cells under a microscope, the process in the clean bench is essential, also is a problem that it can also be automated process is there. そして、このため、処理効率や処理量が実施者の熟練度や労力に依存することとなり、精密な処理を短時間に行うことが困難であるという問題がある。 Then, Thus, the processing efficiency and processing amount becomes to be dependent on the skill and effort of the practitioner, there is a problem that it is difficult to perform precise processing in a short time.

以上のような従来の方法に対して、近年、レーザ光を利用して微細・微小操作を行うプロセシング方法がこの出願の発明者らによって提案されている。 The conventional method described above, in recent years, processing method of performing fine-micromanipulation using a laser beam has been proposed by the inventors of this application.

レーザ光は単色性、指向性、光輝度性、制御性に優れているので、光エネルギーを微粒子の微小領域に集中的に照射することができることから、この方法では、従来の方法では不可能であった局所的な微細操作を非接触で精度よく行うことが可能となる。 Laser beam monochromaticity, directivity, light intensity property, since the excellent controllability, the light energy because it can be intensively radiated to small areas of particulate, in this method, not possible with conventional methods It can be accurately there were local micromanipulation contactlessly become.

たとえば、レーザ光を利用した微細加工法としては、 For example, fine processing method using the laser beam,
高出力エキシマレーザを用い、ホトマスクを通して基板にレーザ光を照射するパターン転写による方法が半導体分野等において有力な手法として知られている。 Using a high-output excimer laser, the method according to the pattern transfer is irradiated with a laser beam to the substrate through a photomask is known as a powerful technique in the semiconductor field and the like.

しかしながら、これまでの方法ではレーザの波長、スポットサイズ径、パルス幅、ショット数等の照射条件の選択に制約があり、また解像度もミクロンオーダー程度しか期待できない。 However, so far the laser wavelength of the methods, the spot size diameter, pulse width, there are restrictions on the selection of irradiation conditions of the shot number or the like, also the resolution can only expected micron order. このため、レーザ光による微細・微小プロセシングの精度の向上を図ることができなかった。 Therefore, it was not possible to improve the fine-fine processing by the laser beam accuracy.

この出願の発明は、以上の通りの事情を踏まえてなされたものであり、レーザ光照射による微細・微小操作をサブミクロンオーダーまで精密に行い、各種の対象物に対して微細な修飾・加工を高精度に行うことのできる新しい方法を提供することを目的としている。 The invention of this application, more than has been made in light of the circumstances as performed precisely fine-minute operation with laser beam irradiation up to submicron order, various fine modification and processing to the object of the and its object is to provide a new method that can be performed with high accuracy.

(問題を解決するための手段) この発明は、上記の課題を解決するものとして、単一微粒子の表面を修飾または加工する方法であって、微粒子をトラッピングレーザ光の照射によりトラップし、トラップされた状態の微粒子に対してプロセシングレーザ光を、そのエネルギーを制御して照射しレーザ多光子反応させることを特徴とする微細修飾・加工方法を提供する。 (Means for Solving the Problems) The present invention, as to solve the foregoing problems, a method of modifying or processing the surface of a single particle, trap the particles by the irradiation of trapping laser beam is trapped the processing laser beam to microparticles of state, provides a fine modification and processing method for causing emitted laser multiphoton reaction by controlling the energy.

まず第1の特徴として、この出願の発明の方法では、 As a first feature, in the method of the invention of this application,
レーザ光照射による光トラッピングが行われ、対象とする単一の微粒子をレーザ光により補促し、また補促したまま移動させることを可能としている。 Optical trapping is performed by laser light irradiation, and a single particle of interest encourage complement by the laser beam, also make it possible to move while urged complement.

すなわち、レーザ光が有する優れたコヒーレント特性によって、光の持つ場の運動量を微粒子に働く力学的な運動量として受け渡し、微粒子に力を加えて補捉し、補捉したまま移動させることを可能とする。 That is, by good coherent property with laser light, transfer momentum field with the light as mechanical momentum acting on particles, by applying a force to the microparticles Ho捉, makes it possible to move while Ho捉.

この光トラッピング操作では、レーザ光がもたらす力のみが対象としての微粒子に働くことから、完全な非接触および非破壊での操作が可能となる。 In this optical trapping operation, since only the force which the laser beam brings acts on particles as the target, completely non-contact and operation of a non-destructive becomes possible.

このような光トラッピングの原理をさらに説明すると、まず、レンズを介してレーザ光が液体や気体に分散させた微粒子に入射し、反射・屈折し、レーザ光の持つ運動量は、微粒子に受け渡される。 When such a principle of optical trapping further described, first, the lens is incident on the microparticles laser beam is dispersed in a liquid or gas through, reflected and refracted, momentum possessed by the laser beam is passed to the microparticles . 反射率は通常小さいので、屈折により受け渡される運動量が支配的となり、 The reflectance is usually small, momentum dominant will be passed by the refraction,
これによる力が微粒子に加わる。 This by the force is applied to the particles.

微粒子は、この力によって、レーザ光に補捉された状態となる。 Microparticles, by this force, a state of being Ho捉 the laser beam. このため、レーザ光を移動させると、この微粒子もそれに追随することになる。 Therefore, by moving the laser beam, so that the particles also follow it.

この原理からも明らかなように、非接触、かつ非破壊での微粒子の補捉、移動という操作が可能となり、この状態において微粒子、たとえばポリマー粒子、あるいは生体細胞やバクテリアに修飾・加工が加えられるならば、この光トラッピングは、微粒子の反応操作においても極めて有益な手段となる。 As is apparent from this principle, the non-contact and complement 捉 of microparticles in nondestructive enables operation of moving particulate, for example the polymer particles or the modified and processed in living cells or bacteria, is added in this state If this light trapping, it is extremely valuable tool in the reaction procedure of the microparticles.

第2に、この出願の発明は、前記の光トラッピングのためのレーザ光とは別のプロセシングレーザ光を照射し、このプロセシングレーザ光のエネルギーを制御してレーザ多光子反応させることを特徴としている。 Second, the invention of this application, the the laser light for optical trapping was irradiated with different processing laser beam, it is characterized in that to the laser multiphoton reaction by controlling the energy of the processing laser beam . このレーザ多光子反応によって、単一微粒子表面の修飾、もしくは加工を行うことである。 This laser multiphoton reaction, is to perform modification of a single particle surface, or machining.

この場合のレーザ多光子反応は、単一波長のレーザ光のエネルギーを変化させるだけで制御することができるとともに、二つ、もしくはそれ以上の波長の異なるレーザ光を照射することにより、より選択的に多光子反応のエネルギー制御することも可能である。 Laser multiphoton reaction in this case, it is possible to control only by changing the energy of the laser beam of a single wavelength, by irradiating two or more laser beams having different wavelengths, more selective it is also possible to energy control of multiphoton reaction.

たとえば、多光子反応にはNd 3+ :YAGレーザの3倍波である355nmの光をそのエネルギーを制御して照射すること等が具体的に可能である。 For example, multiphoton the reaction Nd 3+: that like for irradiating light of 355nm which is the third harmonic of YAG laser by controlling the energy is specifically possible.

トラップ用レーザと同一入射方向のプロセシングレーザとを用いての微粒子の微細・微小操作としては、たとえば第1図に示した装置系を採用することができる。 The fine-micromanipulation of the fine particles of using and processing laser trap laser in the same incident direction, can be employed for example apparatus system shown in Figure 1.

この装置はレーザ装置部(A 1 )(A 2 )、レーザ光照射部位微小位置決め装置部(B)、画像処理装置部(C) The apparatus laser device part (A 1) (A 2) , the laser beam irradiation site micropositioning device section (B), the image processing apparatus unit (C)
を有している。 have.

レーザ装置部(A 1 )は、顕微鏡システムとして極めてコンパクトな光トラッピング操作のための装置を構成する。 The laser apparatus unit (A 1) constitutes a device for a very compact optical trapping operation as microscope system. この装置によって微粒子の操作を簡便に、かつ円滑に行うことができるようにする。 Conveniently the operation of the particulate by the device, and smoothly to be able to do.

また、レーザ装置部(A 2 )は、トラップされた微粒子に修飾および/または加工を加えるプロセシングレーザ光を照射する。 The laser device section (A 2) irradiates processing laser beam applying modified and / or processed to trapped particulates.

レーザ装置部(A 1 )(A 2 )は、対象とする微粒子の種類、大きさ、そして必要な修飾および/または加工の目的に応じてレーザ光源とその光学系を適宜に選択することができる。 The laser apparatus unit (A 1) (A 2) the type of fine particles of interest, suitably it is possible to select the optical system and a laser light source according to the size, and the necessary modifications and / or processing purposes of .

以下、実施例を示してさらにこの発明の微細修飾・加工のための方法について説明する。 Hereinafter, further illustrates an example method will be described for fine modification and processing of the present invention.

実施例 水中に分散させたポリメチルメアクリレート(PMMA) Polymethyl main acrylate dispersed in example water (PMMA)
微粒子にレーザ光を照射してトラップし、このトラップした状態においてプロセシングレーザ光を照射して極微加工を行った。 By irradiating a laser beam to trap fine particles were subjected to microscopic machining by irradiating a processing laser beam in the trapped state.

この時のPMMA微粒子にはピレンをドープしておいた。 The PMMA particles at this time had been doped with pyrene.

プロセシングレーザ光として、Nd 3+ :YAGレーザK3倍波 As processing laser beam, Nd 3+: YAG laser K3 harmonic
355nm(パルス)の光を照射し、直径0.5μm深さ5μm Irradiated with light of 355 nm (pulse), the diameter 0.5μm depth 5μm
の微細な穴をレーザアブレーションにより生成させた。 The fine holes were generated by laser ablation.

この時のレーザ光の照射強度は、およそ10J/cm 2以下のレベルにある。 Irradiation intensity of the laser beam at this time is approximately 10J / cm 2 or less levels. レーザ光の絞り込みとの関連で、より正確にこのエネルギーを制御することにより、さらに高精度のサブミクロンオーダーの修飾・加工が可能とされた。 In the context of the narrowing of the laser beam, by controlling the energy more accurately, it has been possible to further modify and processing of high-precision submicron.

もちろん、この実施例に限られることなく、この発明の方法によって、たとえば、 1)ポリマー、有機物等の不導体微粒子に、光化学反応により、導体を極微創製することができる。 Of course, without being limited to this example, by the method of the present invention, for example, 1) a polymer, the nonconductive fine particles of organic substances by a photochemical reaction, a conductor can be microscopic created.

2)ポリマー、微粒子に、極微的な熱交換による屈折率変化を起こさせ、導波路を創製することができる。 2) polymer, the fine particles, to cause a refractive index change due to microscopic heat exchange, it is possible to create a waveguide.

3)磁性体微粒子に、極微的にキューリー温度を越えるような変化を起こさせ、メモリーの創製を行うことができる。 3) magnetic microparticles, microneedles manner to cause a change that exceeds the Curie temperature, it is possible to perform the creation of memory.

(発明の効果) この発明によれば、レーザ多光子反応によってサブミクロンオーダーでの精密な微細・微小操作が可能となる。 According to (Effect of the Invention) This invention enables precise micro-micro-manipulation of submicron order is by laser multiphoton reaction.


第1図は、この発明の方法に用いることのできる装置の一例を示したブロック図である。 Figure 1 is a block diagram showing an example of a device that can be used in the method of the present invention. A 1 、A 2 ……レーザ装置部 B……レーザ光照射部位微小位置決め装置部 C……画像処理装置部 A 1, A 2 ...... laser device portion B ...... laser light irradiation site micropositioning device unit C ...... image processing apparatus section

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl. 6 ,DB名) B23K 26/00 C12M 1/00 JOIS ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (58) investigated the field (Int.Cl. 6, DB name) B23K 26/00 C12M 1/00 JOIS

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】 (57) [the claims]
  1. 【請求項1】単一微粒子の表面を修飾または加工する方法であって、微粒子をトラッピングレーザ光の照射によりトラップし、トラップされた状態の微粒子に対してプロセシングレーザ光を、そのエネルギーを制御して照射しレーザ多光子反応させることを特徴とする微細修飾・ 1. A method of modifying or processing the surface of a single particle, fine particles trapped by the irradiation of trapping laser beam, the processing laser beam to microparticles trapped state, to control the energy fine characterized by that to the laser multiphoton reaction irradiation Te modifications,
    加工方法。 Processing method.
  2. 【請求項2】単一波長のレーザ光のエネルギーの変化、 2. A change in the energy of the laser light of a single wavelength,
    または複数の波長のレーザ光の照射と各々のレーザ光のエネルギーの制御による請求項1の微細修飾・加工方法。 Or a plurality of laser beam irradiation and each laser beam energy fine modification and processing method according to claim 1 under the control of the of the wavelength.
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