JP3766870B2 - Micro force measuring device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蛋白質分子などの微小の粒子と所定のベース物質との間に働く力学的な力を経時的に測定する微小力測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば、微小な粒子たるモータ蛋白質分子とベース物質たる蛋白質フィラメントなどが相互作用する際に発生する微小な力の大きさをpN(ピコニュートン)の精度で測定するための微小なガラスプローブや光ピンセットを用いる方法等が知られていた。これらは、微小なガラスプローブの先端や光ピンセットを微小なバネ秤のように利用して、前記微小なガラスプローブの先端や光ピンセットで捕捉した粒子にモータ蛋白質一分子を固定し、観察対象物面に蛋白質フィラメントを固定して両者を接近させると、これらの間に相互作用が働いたときにモータ蛋白質の移動に基づく微小なガラスプローブの先端や光ピンセットで捕捉した粒子の変位が観察され、この変位を測定することにより、モータ蛋白質分子と蛋白質フィラメントとの間に働いた力の強さの経時変化を測定することができるようになっている(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)。
【0003】
また、レーザの放射圧を利用して、観察対象物面に垂直な方向のプローブの位置をフィードバック制御することにより、観察対象物面との距離を一定に保ちながら観察対象物面に垂直な方向の引力および斥力の非接触計測を行う分子間力顕微鏡が知られている(例えば、特許文献2参照)。
【0004】
しかしながら、これらの方法では、プローブや粒子の熱揺らぎ及び外力に伴う変位を消失させて、水平な方向の力を測定する手段を考慮していなかったため、微小な粒子間の相対的な位置を数ナノメートルのオーダーで制御しながら水平方向の力を検出することができないという課題を残していた。そこで、その課題を解決するべく本出願人は、モータ蛋白質及び蛋白質フィラメント等、微小な粒子とベース物質との水平な方向の相対位置を数ナノメートルのオーダーで制御することを可能にした装置として、微小な粒子を固定しているプローブと、前記微小な粒子の移動に伴って位置変化する前記プローブを光圧用レーザの放射圧を利用して所定目的位置に静止固定するようフィードバック制御するプローブ位置制御機構と、前記光圧用レーザのレーザの放射出力を経時的に測定記録する測定手段とを備えて構成したものを開発している。(例えば、特許文献3参照)
【0005】
【特許文献1】
特開平9−43434号公報
【特許文献2】
特開平7−12825号公報
【特許文献3】
特願2001−308744号公報
【非特許文献1】
TREND in Biotechnology vol.19 no.6 June 2001 P211−P216
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、上記装置で微小な力を測定する際には、測定に係る操作の前段階において微小な粒子をプローブの探針に固定せねばならないが、その場合には探針を複数の微小な粒子に接触させ所定の化学的手法によって固定するという方法を採っていた。その結果、図15にその一例を示したように、プローブ(1000で示す)の探針(1000aで示す)に複数の微小な粒子(1029で示す)が付着した状態のままベース物質(1030で示す)との間に作用する力を測定する可能性があるが、従来の装置においては、固定された微小な粒子の数を確認することができないため、微小な粒子一つ当たりの測定値を即時的に得ることは難しい。
【0008】
そこで、このような短所を解決すべく、微小な粒子のプローブに固定された数を確認することを可能とし、微小な粒子一つ当たりの力の測定値を得ることができるようにした優れた微小力測定装置を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、微小な粒子と所定のベース物質との間に働く力学的な力を測定するためのものであり、前記微小な粒子を固定しているプローブと、前記微小な粒子の移動に伴って位置変化する前記プローブを、光圧用レーザの放射圧を利用して所定目的位置に静止固定するようフィードバック制御するプローブ位置制御機構と、前記光圧用レーザの放射出力を経時的に測定記録する測定手段とを有してなる微小測定装置において、前記微小な粒子の前記プローブに固定された数を測定する粒子数測定機構を備えたことを特徴とする微小力測定装置である。
【0010】
なお、「プローブに固定された数を測定する」とは、プローブに固定された微小な粒子数を直接的或いは間接的に測り得るものであればよく、例えば粒子を視覚的に観察するようなものや、粒子数に相関関係を有する所定要素を観測或いは計測することによって判断するようなもの等を含むものとする。
【0011】
このようなものであれば、プローブに固定された微小な粒子の数を確認できるようになるため、微小な粒子をプローブに対して一つだけ固定することが可能となる。すなわち、一の微小な粒子とベース物質との間に作用する力の測定値を、得られた値が本当に一の微小な粒子の力かどうかを分析・確認等することなく即時的に得られるようになる。
【0012】
前記粒子数測定機構としては、全反射蛍光観察機構を備えたものが好適である。全反射蛍光観察機構によれば、微小な物質のプローブに対する固定の課程をリアルタイムで視覚によって直接的に観察できるからである。さらに、他の物質例えばベース物質の観察が可能な構成とすることも容易に実施でき、このようにすれば微小な物質とベース物質との位置関係の調整をも行うことができるようになり、これらの相互作用を適正な状態で測定することができるようになる。
【0013】
また、その全反射蛍光観察機構の好適な具体的態様としては、励起光レーザを対物レンズから観察対象物面に対して照射し全反射するようにしたものが挙げられる。このようなものであれば、観察対象物面より上方に、プローブの設置空間を確保することが容易となる。
【0014】
前記プローブの少なくとも前記光圧用レーザに照射される領域を、非金属の誘電体によって構成するようにすれば好ましい。照射領域が光圧用レーザから光照射を受けた場合にも自由電子の振動に基づく発熱を生じないために、プローブが変形・劣化することなく高い精度で適正な測定値を得られるようになるからである。このように可及的に正確な測定値を得られるようにすれば、一の微小な粒子の力の測定を可能としている本発明の装置の有用性を、極めて向上することができる。加えて、プローブの使用可能回数及び時間を増やし、部品の交換によるコスト増大を防止することも可能となる。なお、非金属の誘電体としては、ガラス、石英ガラス、水晶、シリコン、ダイヤモンドなどが挙げられる。
【0015】
このようなプローブの好ましい具体的態様としては、微小な粒子を固定する探針とこの探針に接続し前記光圧用レーザが照射される領域たる光照射部とこの光照射部を支持する支持部とを備えて構成しているものが挙げられる。
【0016】
光照射部としては、板状ガラスによって構成したものや、プリズムによって構成したものが挙げられる。
【0017】
支持部の具体的な態様としては、ベース物質を観察対象物面に固定するようしておき、その観察対象物面に対して水平方向へ移動できるように構成したものが挙げられる。このようなものの場合、光照射部と支持部とを一体の板状体となるように形成し、これら一体の光照射部及び支持部を観察対象物面に対して垂直方向に設置するようにすれば、製造を簡単にすることが可能である。また、探針に固定した微小な粒子の観察対象物面に対して垂直方向な動きに対応させるためには、前記支持部を観察対象物面に対してさらに垂直方向への移動可能に構成するようにすればよい。
【0018】
装置の簡素化・簡略化のためには、光圧用レーザを対物レンズから照射することによりレーザ放射圧を与えるようにすればよい。
【0019】
プローブ位置制御機構の具体的構成としては、プローブに対して光照射を行う位置検出用光照射手段と、分割光ダイオードに前記光照射による干渉像を映し出す投影手段と、前記干渉像によりプローブの位置を検出測定する検出手段とをプローブの位置検出手段として備え、さらに前記検出手段による検出結果よりプローブに照射する光圧用レーザの強度を調節する調節手段を有しているものが挙げられる。
【0020】
熱によるプローブの揺らぎの抑制に関しては、前記プローブ位置制御機構において、プローブの揺らぎを二乗平均で変位換算して0.6ナノメートル以下で保持していることを監視制御することで、熱揺らぎによるプローブの揺らぎを防止するようにすることが挙げられる。
【0021】
さらに、光圧用レーザの照射方向に対して微小な粒子が順方向或いは逆方向の移動する場合に関わらず、測定を可能にするためには、一定のバネ定数を有するプローブを固定器に接続し、該プローブに任意の強度の放射圧を負荷させ、動的な平衡が保持できるようオフセット機能を付加させるようすることが望ましい。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【0023】
この微小力測定装置は、タンパク質等の微小な粒子をプローブ1に固定し、その微小な粒子と観察対象物面2aに固定したベース物質との間において作用する力学的な力を測定するように構成したものであり、図1に機器構成図、図2に機能構成図を示しているように、前記プローブ1と、前記微小な粒子の移動に伴って位置変化するプローブ1を、光圧用レーザの放射圧を利用して所定目的位置に静止固定するようフィードバック制御するプローブ位置制御機構Aと、光圧用レーザの放射出力を経時的に測定記録する測定手段Bとしての機能を有するものである。
【0024】
より具体的に説明すると、まずプローブ1は、図3〜6に示すように、微小な粒子を固定する探針1aと、この探針に接続し前記光圧用レーザが照射される領域たる光照射部1b及びこの光照射部1bを支持する支持部1cとして機能する薄板状のカンチレバー1dとを備えて構成している。
【0025】
探針1aは、本実施形態においては、ZnOウイスカーによるものを採用し、この探針1aの先端部に蛋白質等の微小な粒子を固定するようにしている。なお、固定方法としては、金をこの探針1aに付け微小な粒子である蛋白質の一部をSH基で修飾して結合させる方法や、探針1aにニッケルを付けHisタグを蛋白質に融合して結合する方法や、アビジンとビオチンの相互作用により結合させる方法が挙げられる。
【0026】
また、カンチレバー1dは、例えば長さ200μm、幅20μm、厚さ100nmに成形し、探針1aを取り付けた自由端側を前記光照射部1bとして、また図示しない任意の固定器具に取り付けた基端側を前記支持部1cとしての機能を兼ねるようにしてある。また、バネ定数を約0.1pN/nmとなるように設定して観察対象物面2aに対して水平方向に移動できるように、かつ図5及び6に示しているように観察対象物面2aに対して垂直となるように前記固定器具に片持ち状に取り付けてある。なお、観察対象物面2aとは、探針1aに固定した微小な粒子が移動する場所であり、通常はスライドガラス2を用いる。そして、本実施形態においては、光照射部1b及び支持部1cとして機能するこのカンチレバー1dを、非金属の誘電体である板状ガラスによって構成している。
【0027】
プローブ位置制御機構Aは、光圧用レーザをプローブ1に照射する照射手段A1と、前記プローブ1に対して位置検出用の光照射を行う位置検出用照射手段A2と、分割光ダイオードに前記位置検出用照射手段A2の光照射による干渉像を映し出す投影手段A3と、前記干渉像によりプローブ1の位置を検出測定する検出手段A4と、前記検出手段A4による検出結果よりプローブ1に照射する光圧用レーザの強度を調整する調整手段A5とを備えて構成している。
【0028】
照射手段A1は、光圧用のレーザを照射する第1のレーザ光源3の光線を、EOM(電気光学変調器)4によってその照射強度の調整を行い、光圧用レーザレンズ5を通過させて、第1の反射鏡6で反射させ、請求項11記載の対物レンズに相当する第1対物レンズ7に入射し集光してプローブ1に照射するように構成している。なお、図示例のものには示していないが、EOM4から出力するレーザ光線を複数の集光レンズや反射鏡で反射させて第1対物レンズ7に入射するように構成してあってもよい。本実施形態においては、光圧用レーザとして、ガラスに吸収がほとんど見られない赤外線領域の波長のYAG(YittriumAluminium Garnet)レーザ(1064nm、500mW)を採用している。また、板状をなす光照射部1bの表面に対して斜め方向に照射するように設定しており、本実施形態においては、その入射角を約80°としている。これは、図7に示すように、P偏光及びS偏光において、その入射角とガラス製のカンチレバー1dに懸かる力との関係から最も大きな力が得られる角度を選択したものである。なお、図8に示すように、この光圧用レーザの有無で確実にプローブ1の位置が変化し再現性ある結果を示すことは確認できている。さらに、図9に示すように、光圧用レーザの強度とプローブ1に懸かる力とに比例関係が在ることも確認できている。なお、本実施形態の微小力測定装置は、図10に示しているように、プローブ1に任意の強度の光圧を負荷させたオフセット機能を与えて、プローブを動的平衡で所定目的位置に静止するようにしており、オフセットに要する力として、光圧用レーザの放射圧を、プローブ1に固定した微小な粒子が持つ力より十分大きいものに設定している。例えば、微小な粒子として蛋白質の運動を測定する場合には、この運動の力よりも大きな力でよいので8pNを超え好ましくは25pNの範囲で設定すればよい。
【0029】
位置検出用光照射手段A2は、位置検出用の第2のレーザ光源8の光線を、ビームエクスバンダ9で広げてから、第2の反射鏡10で反射させ、図6に示しているように前記第1対物レンズ7に入射し集光してプローブ1にフォーカス(クロス)して照射するように構成している。なお、図1に示すように、第2のレーザ光源8による光線を、ビームスプリッタ20、23(後述)を通し、その透過光を利用している。また、位置検出用レーザは、プローブ1に対しては特段の作用を及ぼさないように構成する必要があるもので、本実施形態においては、YAGレーザ(532nm、100μW)を採用している。
【0030】
投影手段A3は、光照射部1bを通過した位置検出用レーザ光線を第2対物レンズ12に入射させ、第3の反射鏡11で反射させて分割光ダイオードたるニ分割フォトダイオード13内でプローブ干渉像を得るように構成している。
【0031】
検出手段A4は、前記ニ分割フォトダイオード13に接続したI−V変換器14及び差動増幅器15を有する位置検出用増幅器16によって、前記干渉像を位置信号として電気信号に変換し、さらにA−D変換器17でデジタル信号に変換して、その出力信号をデータ収録用のコンピュータ18に集積記録してモニターできるように構成している。
【0032】
調整手段A5は、前記位置信号をフィードバック回路19によってフィードバック信号に変換させ、EOM4にその信号を送信して光圧用レーザの強度を調整して、プローブ1を静止固定させるように構成している。このとき、図3に示しているようにフィードバック制御により微小な粒子が作用した力と反対向きに光圧用レーザの放射圧を作用させ、見た目の上でプローブ1が静止させるようにしてある。ここで、プローブ1に固定した微小な粒子の運動及びバックグラウンドとして熱による揺らぎがプローブ1に生じるが、位置信号をフィードバック回路19へ入力し目標値信号へ追従させることにより、プローブ1の揺らぎを二乗平均変位に換算して0.6ナノメートル以下に抑えるように設定している。なお、プローブ1の位置が変位することにより、この干渉縞が変化するが、この変化量はプローブ1の位置変化と一定の相関関係を持って変化することがわかっているので、定量的にプローブ位置の測定が可能である。
【0033】
測定手段Bは、前記第1のレーザ光源3或いはEOM4に接続した前記コンピュータ18或いは図示しない専用の制御装置等によって放射出力を経時的に測定し、間接的にプローブ1に懸かる力学的な負荷を測定できるようにしたものである。
【0034】
しかして、本実施形態の微小力測定装置は、さらに前記微小な粒子のプローブ1に固定された数を測定する粒子数測定機構たる全反射蛍光観察機構Cを備えている。
【0035】
全反射蛍光観察機構Cは、励起光を観察対象物面等の所定の面に対して全反射させることによって生じるエバネッセント場において励起される蛍光物質を観察する、いわゆる全反射蛍光観察顕微鏡の原理に基づくものである。本実施形態では、微小な粒子の探針1aに固定された数を確認可能に観察できるようにするとともに、ベース物質を観察できるようにしており、微小な粒子に標識した所定の蛍光物質及びベース物質に標識した前記蛍光物質とは異なる蛍光物質をそれぞれ励起させる波長のレーザ光線を、観察対象物面2aに対して全反射するように設定した入射角度で照射して、観察対象物面2aから約100nmの範囲にエバネッセント場が形成されるようにしている。
【0036】
詳述すると、まず微小な粒子を観察するための励起光には、前記位置検出用照射手段A2を構成する第2のレーザ光源8を利用しており、すなわちYAGレーザ(532nm、500μW)を用いている。そして、第2のレーザ光源8からの光線を、ビームスプリッタ20によって分岐し、その反射光をビームエキスパンダ21で広げ、集光レンズ22を通し、ミラーMRで反射して、再びビームスプリッタ23によって反射し、さらに全反射光学系の光へ戻してから前記第2の反射鏡10で反射させて、第1対物レンズ7へ通し下方から観察対象物面2aを照射するようにしている。ここで、前記集光レンズ22によって第1対物レンズ7の後焦点面へ集光するように調整することにより、観察対象物面2aにおいて平行光を得、ミラーMRの位置を調整することにより、観察対象物面2aに対して全反射する入射角度を得るようにしている。なお、前記第2のレーザ光源8を、位置検出用光源として機能させる場合と励起用光源として機能させる場合とで使い分けるために、例えば図示しないシャッタを設置して照射のon・offを調整できるようにしている。
【0037】
一方、ベース物質を観察するための励起光には、ブルーレーザ(473nm、500μW)を採用しており、励起用の第3のレーザ光源24の光線をビームエスクパンダ25、集光レンズ26に通し、第3の反射鏡27で反射させて第1対物レンズ7を通じて観察対象物面2aを下方側から照射している。
【0038】
そして、これらそれぞれの励起光の照射領域を、例えばCCD28によって撮像して、その蛍光の様子を図示しないモニターに画像として表示するようにしている。
【0039】
以上のように構成した微小力測定装置によって、図11に示したように微小な粒子たるモータ蛋白質(キネシン)29とベース物質たるフィラメント蛋白質(微小管)30との間に作用する力を測定する場合の動作等について説明する。
【0040】
まず、プローブ1の探針1aにモータ蛋白質29を固定してその微小力を測定するまでの過程について説明する。なお、あらかじめ、モータ蛋白質29をCy3等の所定の蛍光物質で標識するとともに、フィラメント蛋白質30をAlexa488等の所定の蛍光物質で標識しておく。観察対象物面2aに固定した蛍光標識済みのフィラメント蛋白質30の位置を確認できるように、第3のレーザ光源24による励起光が観察対象物面2aに照射されると、CCDカメラ28がその励起光による蛍光の状態を撮像し、その画像がモニターに映し出される。次に、第2のレーザ光源8が、励起光用光源として観察対象物面2aに対して全反射するように照射されると、CCDカメラ28がこの励起光による蛍光の状態も同様に撮像し、その画像がモニターに映し出される。これにより、モータ蛋白質29の位置を確認することができる。そして、プローブ1は、所定のプログラムに従ってスキャンしてモータ蛋白質29を探針1aで拾い上げる。この際、前記第2のレーザ光源8による励起光を照射し続けておき、探針1a上の蛍光スポットが一段階で消えることが観察されれば、一分子が固定されたことを確認できることになる。その後で、第3のレーザ光源24から光線が照射されるとともにこの励起光に基づく蛍光状態がモニターに表示されるので、フィラメント蛋白質30の位置を画面上で確認しながら探針1aをそのフィラメント蛋白質30上にデポジットすることができる。
【0041】
そして、このように測定準備が完了した後、測定開始信号の入力により、第2のレーザ光源8はプローブ1の位置検出用として機能するように切り替えられるとともに、光圧用の第1のレーザ光源3の照射が開始される。具体的には、第1のレーザ光源3からのレーザ光線は、カンチレバー1dの光照射部1bの表面に対して第1対物レンズ7を通じて入射角80°で直径約20μmの範囲に照射される。ここで、ガラスからなる光照射部1bに対して光圧用レーザが照射される(図中F1で示している)と、図3及び4に示したように、入射角に依存した割合で一部が反射し(図中F2で示している)、一部が屈折し(図中F3で示している)、透過して出射する(図中F4で示している)ことになる。
【0042】
一方、第2のレーザ光源8から出力されたレーザ光線は、ビームエクスバンダ9で広げられ、第2の反射鏡10に反射され、第1対物レンズ7に入射し集光され、プローブ1の位置を検出する。プローブ1を通過した位置検出用レーザは、第2対物レンズ12に入射し、第3の反射鏡11に反射される。そして、プローブ1の位置を反映して、ニ分割フォトダイオード13内でプローブ干渉像が得られる。ここで、プローブ1は、熱揺らぎによるランダムに変位するが、これは干渉像の動きとして検出される(図12、13)。この干渉像が、位置検出用増幅器16によって位置信号として電気信号に変換され、さらにA−D変換器17でデジタル化され、コンピュータ18に入力される。コンピュータ18では、熱揺らぎ等によるバックグラウンドを二乗平均変位に変換計算する。また、前記位置信号がフィードバック回路19に入り、フィードバック信号に変換される。このフィードバック信号が、EOM4に移行し、そのフィードバック信号に応じて第1のレーザ光源3の照射強度が調整される。
【0043】
そして、フィードバック信号により調整された光圧用レーザの放射圧によって探針1aに固定したモータ蛋白質29による力の発生にかかわらず、プローブ1は、見た目上、静止固定される。この際、図12に示しているフィードバックをかけなかったときの熱揺らぎによるプローブの変位が、図13に示しているように、フィードバック制御によって約0.6ナノメートルの精度で制御して固定できたのと同様に制御できる。なお、本実施形態ではオフセット機能を付加させているので、図10に示しているように、プローブ1に固定されたモータ蛋白質29が光圧用レーザ照射方向に逆らう向きに移動する場合には、放射圧に懸かる強度は、オフセットに懸かる力と前記モータ蛋白質29の移動に伴う力が加算された力に相当することになる。一方、前記モータ蛋白質29が光圧用レーザ照射方向と同じ向きに移動する場合には、光圧用レーザの放射圧は、オフセットに懸かる力からモータ蛋白質29の移動に伴う力を減じた力に相当することになる。
【0044】
そして、カンチレバー1dのバネ定数を用い、フィードバック信号とプローブ1に対する光圧用レーザの放射圧との関係を求め、フィードバック信号を解析することにより、モータ蛋白質29とフィラメント蛋白30との間に作用する力を得ることができる。
【0045】
以上のように説明した本実施形態の微小力測定装置は、粒子数測定機構たる全反射蛍光観察機構Cを組み込んだので、微小な物質たるモータ蛋白質(キネシン)29を探針1aに固定する過程を、リアルタイムで直接視覚によって観察・確認することができ、モータ蛋白質29一分子のみを探針1aに固定させることが可能である。その結果、モータ蛋白質29一分子あたりの力(滑り力)を適正に測定できる。
【0046】
また、本実施形態の全反射蛍光観察機構Cは、ベース物質たるフィラメント蛋白質30をも観察することができるものとしたため、フィラメント蛋白質30の位置を確認しながらモータ蛋白質29を固定した状態の探針1aを適正な位置にデポジットすることができる。すなわち、モータ蛋白質29とフィラメント蛋白質30との間に作用する力を正確に測定できる。
【0047】
また、モータ蛋白質29を観察するための励起用レーザ及びフィラメント蛋白質30を観察するため励起用レーザを両方とも、第1対物レンズ7から観察対象物面2aに対して下方から照射して全反射するように構成したので、観察対象物面2aに載置したフィラメント蛋白質30の上方に、カンチレバーを配置する空間が容易に確保でき、装置の設計・製造がしやすくなる。
【0048】
また、本実施形態では、プローブ位置制御機構Aの構成要素である第2のレーザ光源8を、全反射蛍光観察機構Cを構成する励起用のレーザ光源としても機能するようにしたので、部品点数を低減できて低コスト化を期待できるとともに、装置のコンパクト化も可能である。
【0049】
また、光圧用レーザに照射される光照射部1bとしての機能を有するカンチレバー1dをガラスによって構成しているため、金属でコーティングしたカンチレバーと比較して、熱の発生に基づく変形を防止して、正確なデータを得ることができる。加えて、本実施形態の装置は、上述したように微小な粒子一つ当たりの力の適正な測定が可能であるため、このようなガラスを素材としたカンチレバー1dを採用したことによる測定値の正確さの向上が相乗効果となり、従来にない極めて信頼度の高いデータを提供することができる。また、熱による変形を防止することで長期間プローブ1を使用することが可能となり、コストの低減も期待できる。さらに、非金属の誘電体としてガラスを採用しているので手に入れやすくまた加工も簡単である。
【0050】
また、本実施形態では、光圧用レーザは、上述したようにEOM4で強度調整をし、光圧用レーザレンズ5、第1の反射鏡6、第1対物レンズ7を介してプローブ1に到達するようにしている。位置検出用レーザは、位置検出用レーザ光源8からの光線を、ビームエクスバンダ9、第2の反射鏡10、第1対物レンズ7を介してプローブ1に到達させるようにしている。さらには、微小な粒子を全反射観察するための機構も、第2のレーザ光源8を分岐して、ビームスエクパンダ21、集光レンズ22、第2の反射鏡10、第1対物レンズ7を介して観察対象物面2aに到達させるようにしている。ベース物質を全反射観察するための励起用レーザも、第3の光源24の光線を、ビームエクスバンダ25、集光レンズ26、第3の反射鏡27、第1対物レンズ7を介して観察対象物面2aに到達させるようにしている。すなわち、これらのようにすべて比較的簡単で且つ柔軟に扱うことのできる光学系を採用しているので、波長など異なる複数の光源を容易に接続することができる。くわえて、光圧用レーザ、位置調整用レーザ及び励起用レーザすべてを、第1対物レンズ7を通過するように設定したので装置の構成を簡素化し、嵩張るのを防ぐことができる。
【0051】
また、プローブ1にオフセット機能を付加させているので、プローブ1に固定した微小な粒子が、観察対象物面2aに対して左右何れの方向に移動しても測定できる。
【0052】
また、本実施形態の微小力測定装置では、プローブ1に光圧用レーザを照射する照射手段A1を500mWのYAGレーザとEOM4とを備えて構成したので、最大30pNの力を利用して、フィードバック制御が0.6nm rmsで行えることも実験で明らかとなった。すなわち、非常に高い精度での制御が行えるため、微小な粒子の力をより正確に測定することが可能である。
【0053】
本発明は、上記実施形態に限られない。
例えば、全反射蛍光観察機構が、上述のブルーレーザを励起光としてモータ蛋白質を一分子観察し、YAGレーザ等グリーンレーザを励起光としてフィラメント蛋白質を観察するようにしたものなど、励起用レーザに上記実施形態と異なる波長のレーザを利用したものであってもよい。
【0054】
また、全反射蛍光観察機構が、さらにモータ蛋白質の移動時におけるATP(蛍光標識済み)を観察できるようにしたものであってもよい。このようなものであれば、モータ蛋白質の力学的な力とATPの化学反応との関係を測定することができる。
【0055】
また、全反射蛍光観察機構が、微小な粒子のみを観察し得るものであってもよい。
【0056】
粒子数測定機構としては、モータ蛋白質を微小なビーズにある一定の比率で結合させ、微小力測定時に、ビーズ:モータ蛋白質比の関数としてモータ蛋白質により駆動されるビーズの割合をプロットし、この割合で粒子数を判断するようなものであってもよい。すなわち、前記割合が十分小さいとき、すなわちほとんどのビーズにモータ蛋白質が結合されていないような条件のときに観察される動くビーズは一分子のモータ蛋白質しか固定されていないということを利用したものである。
その他、測定される微小力を量子化しておき、その最小単位の力が一分子によるものということを判断基準として用いるようにした粒子数測定機構であってもよい。
【0057】
プローブが、照射される領域のみをガラスによって構成したようなものであってもよいし、探針を含めたプローブ全体をガラスで構成したようなものであってもよい。光照射部を構成する素材としては、非金属の誘電体であれば、ガラスに限らず、例えば石英ガラス、水晶、シリコン、ダイヤモンドのようなものであってもよい。
【0058】
また、プローブが、光照射部と支持部とを別体に形成したようなものであってもよい。その他、プローブを構成する素材は、上記のような非金属の誘電体に限らず、例えばガラスに金属でコーティングした光照射部及び支持部(カンチレバー)を備えたようなプローブであってもよい。
【0059】
さらに、図14に示したように、探針100aと、プリズムによって構成した光照射部100bと、この光照射部100bとは別体の円柱状乃至角柱状の支持体100cとを備えたプローブ100を有するようなものであってもよい。この支持部100cは、光照射部100bよりもその径を小さく設定し、観察対象物面2aに対して水平方向に移動可能であり、なお且つ垂直方向への移動可能となるようにしている。なお、上記実施形態と同様の構成には同符号を付して示している。このようなプローブ100であっても、光圧用レーザの照射に基づく熱の発生を抑えて正確な測定値を与えることが可能である。また、図中入射光をF1、反射光をF2で示しているように、プリズムであれば光圧用レーザの全反射が可能であるので、測定に必要な光圧用レーザの照射強度を抑えることも可能である。加えて、このようなプローブ100であれば微小な粒子が移動する際の観察対象物面2aに対して垂直方向への力が生じた場合に、その力をこの支持部100cの動きにより吸収することができるので、探針1aに固定した微小な粒子をつぶすことなく測定を行うことができる。
【0060】
また、微小な粒子としては、蛋白質に限らず、例えばDNA、RNA、ATPなど他の微小粒子、細胞などであってもよい。
【0061】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【0062】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【0063】
すなわち、本発明の微小力測定装置によれば、粒子数測定機構を備えたので、プローブに固定された微小な粒子の数を確認でき、微小な粒子をプローブに対して一つだけ固定することが可能である。すなわち、一の微小な粒子とベース物質との間に作用する力の測定値を、得られた値が本当に一の微小な粒子の力かどうかを分析・確認等することなく即時的に得ることができる。
【0064】
特に、粒子数測定機構を全反射蛍光観察機構を備えたものとした場合には、微小な物質のプローブに対する固定の課程をリアルタイムで視覚によって直接的な観察ができるので、一の微小な粒子のみのプローブに対する固定を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す機器構成図。
【図2】同実施形態を示す機能構成図。
【図3】同実施形態における光圧用レーザがプローブに照射された様子を示す説明図。
【図4】同実施形態における光圧用レーザが観察対象物面を通してプローブに照射された様子を示す説明図。
【図5】同実施形態におけるプローブと観察対象物面との様子を示す部分斜視図。
【図6】同実施形態における位置検出用レーザがプローブに照射される様子を示す説明図。
【図7】同実施形態において、プローブに対する光圧用レーザの入射角と、プローブに作用する力との関係を示すグラフ。
【図8】同実施形態において、光圧用レーザの放射によるプローブの位置変化の影響を、光圧用レーザの強度を変化させた場合での結果を示すグラフ。
【図9】同実施形態において、光圧用レーザの強度とプローブに懸かる放射圧との関係を示すグラフ。
【図10】同実施形態におけるオフセット機能を示す説明図。
【図11】同実施形態において、モータ蛋白質とフィラメント蛋白質との間に作用する力を測定する場合を示す図。
【図12】同実施形態において、フィードバック制御をかけなかった場合のプローブの熱揺らぎによる変位の経時的変化を示すグラフ。
【図13】同実施形態において、フィードバック制御をかけた場合のプローブの熱揺らぎによる変位の経時的変化を示すグラフ。
【図14】本発明の別の実施形態の要部示す斜視図。
【図15】従来の装置による測定時の様子を示す図。
【符号の説明】
1・・・プローブ
1a・・・探針
1b・・・光照射部
1c・・・支持部
2a・・・観察対象物面
7・・・対物レンズ(第1対物レンズ)
13・・・分割光ダイオード(ニ分割フォトダイオード)
29・・・微小な粒子(モータ蛋白質)
30・・・ベース物質(フィラメント蛋白質)
100・・・プローブ
100a・・・探針
100b・・・光照射部
100c・・・支持部
A・・・プローブ位置制御機構
A2・・・位置検出用照射手段
A3・・・投影手段
A4・・・検出手段
A5・・・調整手段
B・・・測定手段
C・・・粒子数測定機構(全反射蛍光観察機構)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro force measuring apparatus that measures, over time, a mechanical force acting between micro particles such as protein molecules and a predetermined base substance.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, a minute glass probe for measuring the magnitude of a minute force generated when a motor protein molecule as a minute particle interacts with a protein filament as a base substance with an accuracy of pN (piconeuton) A method using optical tweezers has been known. These use a small glass probe tip or optical tweezers as a small spring balance to fix a single motor protein molecule on the particles captured by the micro glass probe tip or optical tweezers. When the protein filament is fixed on the surface and the two are brought close to each other, when the interaction works between them, the displacement of the particles captured by the tip of a small glass probe or optical tweezers based on the movement of the motor protein is observed, By measuring this displacement, it is possible to measure the change over time in the strength of the force acting between the motor protein molecule and the protein filament (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). ).
[0003]
Also, by using the laser radiation pressure, feedback control of the position of the probe in the direction perpendicular to the surface of the object to be observed allows the direction perpendicular to the surface of the object to be observed while maintaining a constant distance from the surface of the object to be observed. An intermolecular force microscope that performs non-contact measurement of the attractive force and repulsive force is known (see, for example, Patent Document 2).
[0004]
However, these methods do not consider means for measuring the force in the horizontal direction by eliminating the displacement caused by thermal fluctuations and external forces of the probe and particles, and therefore, the relative positions between the minute particles are not counted. The problem remains that the horizontal force cannot be detected while controlling in nanometer order. Therefore, in order to solve the problem, the applicant of the present invention is an apparatus capable of controlling the relative position in the horizontal direction between minute particles such as motor proteins and protein filaments and the base material in the order of several nanometers. A probe position for performing feedback control so as to statically fix the probe that fixes a minute particle and the probe whose position changes as the minute particle moves to a predetermined target position using the radiation pressure of the laser for light pressure A control mechanism and a measuring means for measuring and recording the laser radiation output of the light pressure laser over time have been developed. (For example, see Patent Document 3)
[0005]
[Patent Document 1]
JP 9-43434 A
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-12825
[Patent Document 3]
Japanese Patent Application No. 2001-308744
[Non-Patent Document 1]
TREND in Biotechnology vol.19 no.6 June 2001 P211-P216
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
[0007]
By the way, when measuring a minute force with the above-mentioned apparatus, it is necessary to fix the minute particles to the probe tip in the previous stage of the operation related to the measurement. In this case, the probe is attached to a plurality of minute particles. And then fixed by a predetermined chemical method. As a result, as shown in FIG. 15, the base material (in 1030) remains in a state where a plurality of minute particles (indicated by 1029) are attached to the probe (indicated by 1000a) of the probe (indicated by 1000). In the conventional apparatus, the number of fixed fine particles cannot be confirmed, so the measured value per minute particle is It is difficult to get instantly.
[0008]
Therefore, in order to solve such disadvantages, it was possible to confirm the number of fine particles fixed to the probe, and it was possible to obtain a measurement value of force per minute particle A micro force measuring device is provided.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention is for measuring a mechanical force acting between a minute particle and a predetermined base substance, and includes a probe that fixes the minute particle, and the movement of the minute particle. A probe position control mechanism that feedback-controls the probe whose position changes with the stationary pressure to a predetermined target position using the radiation pressure of the light pressure laser, and measures and records the radiation output of the light pressure laser over time The micro force measuring device comprises a particle number measuring mechanism for measuring the number of the micro particles fixed to the probe.
[0010]
The “measuring the number immobilized on the probe” is not limited as long as it can directly or indirectly measure the number of fine particles immobilized on the probe. For example, the particle is visually observed. And those that are judged by observing or measuring a predetermined element having a correlation with the number of particles.
[0011]
In such a case, since the number of fine particles fixed to the probe can be confirmed, only one fine particle can be fixed to the probe. In other words, the measured value of the force acting between one minute particle and the base material can be obtained immediately without analyzing or confirming whether the obtained value is really the force of one minute particle. It becomes like this.
[0012]
As the particle number measurement mechanism, a mechanism having a total reflection fluorescence observation mechanism is suitable. This is because, according to the total reflection fluorescence observation mechanism, the process of fixing a minute substance to the probe can be directly observed in real time in a visual manner. In addition, it is possible to easily configure other substances such as a base substance to be observed, and in this way, the positional relationship between the minute substance and the base substance can be adjusted. These interactions can be measured in an appropriate state.
[0013]
Moreover, as a preferable specific aspect of the total reflection fluorescence observation mechanism, there is one in which an excitation light laser is irradiated from the objective lens to the observation object surface and totally reflected. If it is such, it will become easy to ensure the installation space of a probe above an observation object surface.
[0014]
It is preferable that at least a region of the probe irradiated with the light pressure laser is formed of a non-metallic dielectric. Even when the irradiated area is irradiated with light from a laser for light pressure, heat generation due to free electron vibration does not occur, so that accurate measurement values can be obtained with high accuracy without deformation or deterioration of the probe. It is. Thus, if the measurement value as accurate as possible can be obtained, the usefulness of the apparatus of the present invention that enables measurement of the force of one minute particle can be greatly improved. In addition, it is possible to increase the number of times the probe can be used and the time to prevent an increase in cost due to replacement of parts. Note that examples of the nonmetallic dielectric include glass, quartz glass, quartz, silicon, and diamond.
[0015]
As a preferred specific embodiment of such a probe, a probe for fixing minute particles, a light irradiation unit connected to the probe and irradiated with the laser for light pressure, and a support unit for supporting the light irradiation unit The thing which comprises and is mentioned.
[0016]
As a light irradiation part, what was comprised with plate glass and what was comprised with the prism are mentioned.
[0017]
As a specific aspect of the support portion, a base material may be fixed to the observation object surface and configured to be movable in the horizontal direction with respect to the observation object surface. In such a case, the light irradiation part and the support part are formed so as to be an integrated plate-like body, and the integrated light irradiation part and the support part are installed in a direction perpendicular to the observation target surface. In this way, the manufacturing can be simplified. Further, in order to correspond to the movement of the minute particles fixed to the probe in a direction perpendicular to the observation target surface, the support portion is configured to be movable in the vertical direction with respect to the observation target surface. What should I do?
[0018]
In order to simplify and simplify the apparatus, a laser radiation pressure may be applied by irradiating a laser for light pressure from an objective lens.
[0019]
As a specific configuration of the probe position control mechanism, a position detection light irradiating means for irradiating light to the probe, a projecting means for projecting an interference image by the light irradiation on a split photodiode, and a position of the probe by the interference image And a detecting means for detecting and measuring the position of the probe as a probe position detecting means, and further comprising an adjusting means for adjusting the intensity of the laser for light pressure applied to the probe from the detection result of the detecting means.
[0020]
Regarding the suppression of probe fluctuation due to heat, in the probe position control mechanism, the fluctuation of the probe is converted to a mean square displacement and is monitored and controlled to be held at 0.6 nanometers or less. It is possible to prevent the probe from fluctuating.
[0021]
In addition, a probe with a constant spring constant is connected to the fixture to enable measurement regardless of whether fine particles move in the forward or reverse direction relative to the irradiation direction of the laser for light pressure. It is desirable to load the probe with a radiation pressure of an arbitrary intensity and add an offset function so that dynamic equilibrium can be maintained.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
This minute force measuring device fixes minute particles such as proteins to the probe 1 and measures the mechanical force acting between the minute particles and the base substance fixed to the observation object surface 2a. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the probe 1 and the probe 1 whose position changes with the movement of the minute particles are arranged as shown in FIG. It has a function as a probe position control mechanism A that performs feedback control so as to be stationary and fixed at a predetermined target position using the radiation pressure, and a measuring means B that measures and records the radiation output of the optical pressure laser over time.
[0024]
More specifically, as shown in FIGS. 3 to 6, the probe 1 first irradiates light that is a probe 1 a that fixes minute particles, and a region that is connected to the probe and is irradiated with the light pressure laser. And a thin plate-shaped cantilever 1d that functions as a support portion 1c that supports the light irradiation portion 1b.
[0025]
In this embodiment, the probe 1a employs a ZnO whisker, and fine particles such as protein are fixed to the tip of the probe 1a. As a fixing method, gold is attached to the probe 1a and a part of a protein, which is a fine particle, is modified with an SH group, and nickel is attached to the probe 1a and a His tag is fused to the protein. And a method of binding by the interaction of avidin and biotin.
[0026]
Further, the cantilever 1d is formed to have a length of 200 μm, a width of 20 μm, and a thickness of 100 nm, for example. The free end side to which the probe 1a is attached is used as the light irradiation unit 1b, and the base end is attached to an arbitrary fixing device (not shown). The side also serves as the support portion 1c. The spring constant is set to be about 0.1 pN / nm so that the spring constant can be moved in the horizontal direction with respect to the observation target surface 2a, and as shown in FIGS. 5 and 6, the observation target surface 2a. Is attached to the fixing device in a cantilevered manner. Note that the observation target surface 2a is a place where minute particles fixed to the probe 1a move, and a slide glass 2 is usually used. And in this embodiment, this cantilever 1d which functions as the light irradiation part 1b and the support part 1c is comprised with the plate-shaped glass which is a nonmetallic dielectric material.
[0027]
The probe position control mechanism A includes an irradiation unit A1 for irradiating the probe 1 with a laser for light pressure, a position detection irradiation unit A2 for irradiating the probe 1 with light for position detection, and the position detection for the split photodiode. A projecting means A3 for projecting an interference image by light irradiation of the irradiating means A2, a detecting means A4 for detecting and measuring the position of the probe 1 from the interference image, and a light pressure laser for irradiating the probe 1 from the detection result by the detecting means A4. And adjusting means A5 for adjusting the strength of the lens.
[0028]
The irradiation means A1 adjusts the irradiation intensity of the light beam of the first laser light source 3 that irradiates the laser for light pressure by an EOM (electro-optic modulator) 4, passes through the laser lens for light pressure 5, and passes through the first light source. The light is reflected by one reflecting mirror 6, is incident on a first objective lens 7 corresponding to the objective lens according to claim 11, is condensed, and is irradiated onto the probe 1. Although not shown in the illustrated example, the laser beam output from the EOM 4 may be reflected by a plurality of condensing lenses or reflecting mirrors and incident on the first objective lens 7. In this embodiment, a YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser (1064 nm, 500 mW) having a wavelength in the infrared region in which almost no absorption is observed in the glass is employed as the light pressure laser. Moreover, it sets so that it may irradiate to the diagonal direction with respect to the surface of the light irradiation part 1b which makes | forms plate shape, and the incident angle is about 80 degrees in this embodiment. As shown in FIG. 7, in P-polarized light and S-polarized light, the angle at which the greatest force can be obtained is selected from the relationship between the incident angle and the force applied to the glass cantilever 1d. In addition, as shown in FIG. 8, it has confirmed that the position of the probe 1 changes reliably and shows a reproducible result by the presence or absence of this optical pressure laser. Furthermore, as shown in FIG. 9, it has also been confirmed that there is a proportional relationship between the intensity of the laser for light pressure and the force applied to the probe 1. In addition, as shown in FIG. 10, the micro force measuring device of the present embodiment provides an offset function in which a light pressure of an arbitrary intensity is loaded on the probe 1 to bring the probe into a predetermined target position by dynamic equilibrium. As a force required for the offset, the radiation pressure of the laser for optical pressure is set to be sufficiently larger than the force of the fine particles fixed to the probe 1. For example, when measuring the movement of a protein as fine particles, a force larger than the force of this movement may be used, and therefore, it should be set in the range of more than 8 pN, preferably 25 pN.
[0029]
As shown in FIG. 6, the position detection light irradiation means A2 spreads the light beam of the second laser light source 8 for position detection by the beam expander 9 and then reflects it by the second reflecting mirror 10. The light is incident on the first objective lens 7, condensed, focused (crossed) on the probe 1 and irradiated. As shown in FIG. 1, the light beam from the second laser light source 8 passes through beam splitters 20 and 23 (described later), and the transmitted light is used. Further, the position detection laser needs to be configured so as not to have a special effect on the probe 1. In this embodiment, a YAG laser (532 nm, 100 μW) is employed.
[0030]
The projection means A3 causes the position detection laser beam that has passed through the light irradiation unit 1b to be incident on the second objective lens 12, reflected by the third reflecting mirror 11, and probe interference within the two-divided photodiode 13 that is a divided photodiode. It is configured to obtain an image.
[0031]
The detection means A4 converts the interference image into an electric signal as a position signal by a position detection amplifier 16 having an IV converter 14 and a differential amplifier 15 connected to the two-divided photodiode 13, and further converts A- The digital signal is converted by the D converter 17 and the output signal is integrated and recorded in the data recording computer 18 for monitoring.
[0032]
The adjustment means A5 is configured to convert the position signal into a feedback signal by the feedback circuit 19 and transmit the signal to the EOM 4 to adjust the intensity of the optical pressure laser, thereby fixing the probe 1 stationary. At this time, as shown in FIG. 3, the radiation pressure of the laser for optical pressure is applied in the opposite direction to the force applied by the fine particles by feedback control, and the probe 1 is made to stand still on the appearance. Here, the movement of minute particles fixed to the probe 1 and the fluctuation due to heat as the background are generated in the probe 1. By inputting the position signal to the feedback circuit 19 and following the target value signal, the fluctuation of the probe 1 is reduced. It is set so that it is suppressed to 0.6 nanometer or less in terms of root mean square displacement. The interference fringes change when the position of the probe 1 is displaced, but it is known that the amount of change changes with a certain correlation with the position change of the probe 1. Position measurement is possible.
[0033]
The measuring means B measures the radiation output over time by the computer 18 connected to the first laser light source 3 or the EOM 4 or a dedicated control device (not shown), etc., and mechanically loads the probe 1 indirectly. It can be measured.
[0034]
Therefore, the micro force measuring apparatus of the present embodiment further includes a total reflection fluorescence observation mechanism C which is a particle number measuring mechanism for measuring the number of the micro particles fixed to the probe 1.
[0035]
The total reflection fluorescence observation mechanism C is based on the principle of a so-called total reflection fluorescence observation microscope that observes a fluorescent substance excited in an evanescent field generated by totally reflecting excitation light with respect to a predetermined surface such as an observation target surface. Is based. In the present embodiment, the number of minute particles fixed to the probe 1a can be observed in a recognizable manner, and the base material can be observed. The predetermined fluorescent material labeled on the minute particles and the base A laser beam having a wavelength for exciting a fluorescent substance different from the fluorescent substance labeled on the substance is irradiated at an incident angle set so as to totally reflect the observation target surface 2a, and then from the observation target surface 2a. An evanescent field is formed in the range of about 100 nm.
[0036]
More specifically, first, the excitation light for observing fine particles uses the second laser light source 8 that constitutes the position detecting irradiation means A2, that is, a YAG laser (532 nm, 500 μW) is used. ing. Then, the light beam from the second laser light source 8 is branched by the beam splitter 20, the reflected light is spread by the beam expander 21, passed through the condenser lens 22, reflected by the mirror MR, and again by the beam splitter 23. The light is reflected, returned to the light of the total reflection optical system, then reflected by the second reflecting mirror 10, passed through the first objective lens 7, and irradiated on the observation object surface 2 a from below. Here, by adjusting the condensing lens 22 so as to condense on the rear focal plane of the first objective lens 7, parallel light is obtained on the observation object surface 2a, and the position of the mirror MR is adjusted, An incident angle for total reflection with respect to the observation object surface 2a is obtained. In order to selectively use the second laser light source 8 as a position detection light source or as an excitation light source, for example, a shutter (not shown) can be installed to adjust irradiation on / off. I have to.
[0037]
On the other hand, a blue laser (473 nm, 500 μW) is used as the excitation light for observing the base material, and the light beam of the third laser light source 24 for excitation is passed through the beam expander 25 and the condenser lens 26. The object surface 2 a is reflected from the lower side through the first objective lens 7 after being reflected by the third reflecting mirror 27.
[0038]
Then, the irradiation areas of these respective excitation lights are imaged by, for example, the CCD 28, and the state of the fluorescence is displayed as an image on a monitor (not shown).
[0039]
As shown in FIG. 11, the force acting between the motor protein (kinesin) 29, which is a fine particle, and the filament protein (microtubule) 30, which is a base substance, is measured by the micro force measuring apparatus configured as described above. The operation of the case will be described.
[0040]
First, a process from fixing the motor protein 29 to the probe 1a of the probe 1 and measuring the micro force will be described. The motor protein 29 is previously labeled with a predetermined fluorescent material such as Cy3, and the filament protein 30 is previously labeled with a predetermined fluorescent material such as Alexa488. When excitation light from the third laser light source 24 is irradiated onto the observation object surface 2a so that the position of the fluorescently labeled filament protein 30 fixed to the observation object surface 2a can be confirmed, the CCD camera 28 is excited. The state of fluorescence by light is imaged and the image is displayed on the monitor. Next, when the second laser light source 8 is irradiated as a light source for excitation light so as to totally reflect the observation target surface 2a, the CCD camera 28 similarly captures the fluorescence state of the excitation light. The image is displayed on the monitor. Thereby, the position of the motor protein 29 can be confirmed. The probe 1 scans according to a predetermined program and picks up the motor protein 29 with the probe 1a. At this time, if the excitation light from the second laser light source 8 is continuously irradiated and it is observed that the fluorescent spot on the probe 1a disappears in one step, it can be confirmed that one molecule is fixed. Become. Thereafter, a light beam is emitted from the third laser light source 24 and the fluorescence state based on the excitation light is displayed on the monitor, so that the probe 1a is moved to the filament protein 30 while confirming the position of the filament protein 30 on the screen. 30 can be deposited.
[0041]
After the measurement preparation is completed in this way, the second laser light source 8 is switched to function as a position detection for the probe 1 by the input of the measurement start signal, and the first laser light source 3 for light pressure is used. Irradiation starts. Specifically, the laser beam from the first laser light source 3 is applied to the surface of the light irradiation part 1b of the cantilever 1d through the first objective lens 7 in an incident angle of 80 ° and a diameter of about 20 μm. Here, when the light pressure laser is irradiated to the light irradiation portion 1b made of glass (indicated by F1 in the figure), as shown in FIGS. 3 and 4, a part of the glass is irradiated at a rate depending on the incident angle. Are reflected (indicated by F2 in the figure), partially refracted (indicated by F3 in the figure), and transmitted through (indicated by F4 in the figure).
[0042]
On the other hand, the laser beam output from the second laser light source 8 is spread by the beam expander 9, reflected by the second reflecting mirror 10, incident on the first objective lens 7 and condensed, and the position of the probe 1. Is detected. The position detection laser that has passed through the probe 1 enters the second objective lens 12 and is reflected by the third reflecting mirror 11. Then, a probe interference image is obtained in the two-divided photodiode 13 reflecting the position of the probe 1. Here, the probe 1 is randomly displaced due to thermal fluctuation, but this is detected as the movement of the interference image (FIGS. 12 and 13). The interference image is converted into an electric signal as a position signal by the position detection amplifier 16, digitized by the A / D converter 17, and input to the computer 18. The computer 18 converts the background due to thermal fluctuation or the like into a mean square displacement and calculates. The position signal enters the feedback circuit 19 and is converted into a feedback signal. This feedback signal shifts to the EOM 4 and the irradiation intensity of the first laser light source 3 is adjusted according to the feedback signal.
[0043]
Then, regardless of the generation of force by the motor protein 29 fixed to the probe 1a by the radiation pressure of the light pressure laser adjusted by the feedback signal, the probe 1 is apparently fixed stationary. At this time, the displacement of the probe due to the thermal fluctuation when the feedback shown in FIG. 12 is not applied can be controlled and fixed with an accuracy of about 0.6 nanometer by feedback control as shown in FIG. Can be controlled in the same way as In this embodiment, since the offset function is added, as shown in FIG. 10, when the motor protein 29 fixed to the probe 1 moves in the direction opposite to the light pressure laser irradiation direction, radiation is performed. The strength applied to the pressure corresponds to the force obtained by adding the force applied to the offset and the force accompanying the movement of the motor protein 29. On the other hand, when the motor protein 29 moves in the same direction as the light pressure laser irradiation direction, the radiation pressure of the light pressure laser corresponds to a force obtained by subtracting the force accompanying the movement of the motor protein 29 from the force acting on the offset. It will be.
[0044]
Then, the force acting between the motor protein 29 and the filament protein 30 is obtained by using the spring constant of the cantilever 1d to determine the relationship between the feedback signal and the radiation pressure of the optical pressure laser with respect to the probe 1 and analyzing the feedback signal. Can be obtained.
[0045]
Since the micro force measurement apparatus of the present embodiment described above incorporates the total reflection fluorescence observation mechanism C, which is a particle number measurement mechanism, the process of fixing the motor protein (kinesin) 29, which is a minute substance, to the probe 1a. Can be directly observed and confirmed in real time, and only one molecule of the motor protein 29 can be fixed to the probe 1a. As a result, the force (sliding force) per molecule of the motor protein 29 can be measured appropriately.
[0046]
Further, since the total reflection fluorescence observation mechanism C of the present embodiment can also observe the filament protein 30 as a base material, the probe in a state where the motor protein 29 is fixed while checking the position of the filament protein 30. 1a can be deposited at an appropriate position. That is, the force acting between the motor protein 29 and the filament protein 30 can be accurately measured.
[0047]
Further, both the excitation laser for observing the motor protein 29 and the excitation laser for observing the filament protein 30 are irradiated from the first objective lens 7 to the observation object surface 2a from below and totally reflected. Since it comprised in this way, the space which arrange | positions a cantilever above the filament protein 30 mounted in the observation object surface 2a can be ensured easily, and it becomes easy to design and manufacture an apparatus.
[0048]
In the present embodiment, since the second laser light source 8 that is a component of the probe position control mechanism A functions also as an excitation laser light source that constitutes the total reflection fluorescence observation mechanism C, the number of parts is reduced. The cost can be reduced and the device can be made compact.
[0049]
In addition, since the cantilever 1d having a function as the light irradiation unit 1b irradiated to the laser for light pressure is made of glass, compared to a cantilever coated with metal, deformation due to generation of heat is prevented, Accurate data can be obtained. In addition, since the apparatus of this embodiment can appropriately measure the force per minute particle as described above, the measurement value obtained by adopting such a cantilever 1d made of glass is used. The improvement in accuracy has a synergistic effect, and can provide highly reliable data that has never existed before. Further, by preventing deformation due to heat, the probe 1 can be used for a long time, and cost reduction can be expected. Furthermore, since glass is employed as a non-metallic dielectric, it is easy to obtain and process.
[0050]
In this embodiment, the light pressure laser is adjusted in intensity by the EOM 4 as described above, and reaches the probe 1 via the light pressure laser lens 5, the first reflecting mirror 6, and the first objective lens 7. I have to. The position detection laser causes the light beam from the position detection laser light source 8 to reach the probe 1 via the beam expander 9, the second reflecting mirror 10, and the first objective lens 7. Furthermore, the mechanism for total reflection observation of minute particles also branches the second laser light source 8 so that the beam expander 21, the condensing lens 22, the second reflecting mirror 10, and the first objective lens 7 are separated. Through the observation object surface 2a. The excitation laser for observing the base material with total reflection also observes the light beam of the third light source 24 through the beam expander 25, the condensing lens 26, the third reflecting mirror 27, and the first objective lens 7. It is made to reach the object surface 2a. That is, since all of these optical systems that can be handled relatively easily and flexibly are employed, a plurality of light sources having different wavelengths can be easily connected. In addition, since all of the laser for pressure, the laser for position adjustment, and the laser for excitation are set so as to pass through the first objective lens 7, the configuration of the apparatus can be simplified and it can be prevented from becoming bulky.
[0051]
In addition, since the offset function is added to the probe 1, measurement can be performed even if minute particles fixed to the probe 1 move in any direction left or right with respect to the observation target surface 2a.
[0052]
Further, in the micro force measuring apparatus according to the present embodiment, the irradiation means A1 for irradiating the probe 1 with the laser for optical pressure is configured to include the 500 mW YAG laser and the EOM 4, so that feedback control is performed using a maximum force of 30 pN. It has also been clarified through experiments that can be performed at 0.6 nm rms. That is, since control can be performed with very high accuracy, the force of minute particles can be measured more accurately.
[0053]
The present invention is not limited to the above embodiment.
For example, the total reflection fluorescence observation mechanism uses the above-mentioned blue laser as excitation light to observe a single molecule of a motor protein, and a YAG laser or other green laser as excitation light to observe the filament protein. A laser having a wavelength different from that of the embodiment may be used.
[0054]
Further, the total reflection fluorescence observation mechanism may further be able to observe ATP (fluorescently labeled) when the motor protein moves. If it is such, the relationship between the mechanical force of a motor protein and the chemical reaction of ATP can be measured.
[0055]
Further, the total reflection fluorescence observation mechanism may be capable of observing only minute particles.
[0056]
The mechanism for measuring the number of particles is to bind the motor protein to a small bead at a certain ratio, and plot the ratio of the bead driven by the motor protein as a function of the bead: motor protein ratio when measuring the microforce. Or the number of particles may be determined. In other words, when the ratio is small enough, that is, when the motor protein is not bound to most of the beads, the moving bead is observed that only one molecule of the motor protein is immobilized. is there.
In addition, a particle number measurement mechanism may be used in which the micro force to be measured is quantized and the minimum unit force is based on a single molecule.
[0057]
The probe may be such that only the irradiated region is made of glass, or the entire probe including the probe may be made of glass. The material constituting the light irradiation part is not limited to glass as long as it is a non-metallic dielectric material, and may be, for example, quartz glass, quartz, silicon, or diamond.
[0058]
Further, the probe may be such that the light irradiation part and the support part are formed separately. In addition, the material constituting the probe is not limited to the non-metallic dielectric as described above, and may be a probe including a light irradiation part and a support part (cantilever) coated with metal on glass, for example.
[0059]
Further, as shown in FIG. 14, a probe 100 including a probe 100a, a light irradiation unit 100b constituted by a prism, and a columnar or prismatic support 100c separate from the light irradiation unit 100b. It may be such that it has. The diameter of the support part 100c is set smaller than that of the light irradiation part 100b, and the support part 100c is movable in the horizontal direction with respect to the observation object surface 2a and is movable in the vertical direction. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and shown to the structure similar to the said embodiment. Even with such a probe 100, it is possible to suppress the generation of heat due to irradiation of the laser for light pressure and to give an accurate measurement value. In addition, as shown in the figure, the incident light is indicated by F1 and the reflected light is indicated by F2, and if it is a prism, the light pressure laser can be totally reflected, so that the irradiation intensity of the light pressure laser necessary for measurement can be suppressed. Is possible. In addition, in the case of such a probe 100, when a force in a direction perpendicular to the observation object surface 2a when the fine particles move is generated, the force is absorbed by the movement of the support portion 100c. Therefore, measurement can be performed without crushing minute particles fixed to the probe 1a.
[0060]
The fine particles are not limited to proteins, but may be other fine particles such as DNA, RNA, ATP, cells, and the like.
[0061]
In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0062]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the following effects.
[0063]
That is, according to the micro force measuring apparatus of the present invention, since the particle number measuring mechanism is provided, the number of micro particles fixed to the probe can be confirmed, and only one micro particle is fixed to the probe. Is possible. In other words, it is possible to immediately obtain a measurement value of the force acting between one minute particle and the base material without analyzing or confirming whether the obtained value is really the force of one minute particle. Can do.
[0064]
In particular, when the particle number measurement mechanism is equipped with a total reflection fluorescence observation mechanism, the fixation process of a minute substance to a probe can be directly observed in real time, so only one minute particle can be observed. Can be securely fixed to the probe.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a device configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a functional configuration diagram showing the embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which the probe is irradiated with a light pressure laser in the embodiment.
FIG. 4 is an explanatory view showing a state in which the probe for light pressure in the embodiment is irradiated to the probe through the surface of the observation object.
FIG. 5 is a partial perspective view showing a state of a probe and an observation object surface in the same embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a state in which the probe is irradiated with a position detection laser in the embodiment.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the incident angle of the optical pressure laser to the probe and the force acting on the probe in the same embodiment;
FIG. 8 is a graph showing a result of changing the position of the probe due to the radiation of the light pressure laser when the intensity of the light pressure laser is changed in the embodiment.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the light pressure laser intensity and the radiation pressure applied to the probe in the same embodiment;
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an offset function in the embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a case where a force acting between a motor protein and a filament protein is measured in the same embodiment.
FIG. 12 is a graph showing a change with time of displacement due to thermal fluctuation of the probe when feedback control is not performed in the embodiment.
FIG. 13 is a graph showing a change with time of displacement due to thermal fluctuation of the probe when feedback control is applied in the embodiment.
FIG. 14 is a perspective view showing the main part of another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a state during measurement by a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
1 ... Probe
1a ... Probe
1b: Light irradiation part
1c ... support part
2a: Object surface to be observed
7 ... Objective lens (first objective lens)
13: Split photodiode (dual photodiode)
29 ... fine particles (motor protein)
30 ... Base material (filament protein)
100: Probe
100a ... probe
100b ... Light irradiation part
100c ... support part
A: Probe position control mechanism
A2 ... Irradiation means for position detection
A3 ... Projection means
A4 ... Detection means
A5 ... Adjustment means
B ... Measurement means
C ... Particle number measurement mechanism (total reflection fluorescence observation mechanism)

Claims (14)

微小な粒子と所定のベース物質との間に働く力学的な力を測定するためのものであり、
前記微小な粒子を固定しているプローブと、
前記微小な粒子の移動に伴って位置変化する前記プローブを、光圧用レーザの放射圧を利用して所定目的位置に静止固定するようフィードバック制御するプローブ位置制御機構と、
前記光圧用レーザの放射出力を経時的に測定記録する測定手段とを有してなる微小測定装置において、
前記微小な粒子の前記プローブに固定された数を測定する粒子数測定機構を備えており、
前記プローブの少なくとも前記光圧用レーザに照射される領域を、非金属の誘電体によって構成してあり、
前記光圧用レーザの一部が、前記プローブの前記光圧用レーザに照射される領域を透過することを特徴とする微小力測定装置。
It is for measuring the mechanical force acting between a minute particle and a given base material,
A probe fixing the fine particles;
A probe position control mechanism that performs feedback control so that the probe whose position changes with the movement of the minute particles is stationary and fixed to a predetermined target position using a radiation pressure of a laser for light pressure;
In a micro-measuring device having measuring means for measuring and recording the radiation output of the laser for light pressure over time,
Comprising a particle number measuring mechanism for measuring the number of the fine particles fixed to the probe ;
A region irradiated with at least the light pressure laser of the probe is formed of a non-metallic dielectric,
A part of the laser for light pressure transmits a region irradiated to the laser for light pressure of the probe .
前記光圧用レーザは、YAGレーザである請求項1記載の微小力測定装置。2. The micro force measuring apparatus according to claim 1, wherein the light pressure laser is a YAG laser. 前記粒子数測定機構が、全反射蛍光観察機構を備えたものである請求項1又は2記載の微小力測定装置。The micro force measuring apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the particle number measuring mechanism includes a total reflection fluorescence observation mechanism. 前記全反射蛍光観察機構が、励起光レーザを対物レンズから前記観察対象物面に対して照射するものである請求項記載の微小力測定装置。4. The micro force measuring apparatus according to claim 3, wherein the total reflection fluorescence observation mechanism irradiates the observation target surface with an excitation light laser from an objective lens. 前記プローブが、前記微小な粒子を固定する探針と、この探針に接続し前記光圧用レーザが照射される領域たる光照射部と、この光照射部を支持する支持部とを具備したものである請求項1乃至4何れかに記載の微小力測定装置。The probe includes a probe for fixing the fine particles, a light irradiation unit connected to the probe and irradiated with the laser for light pressure, and a support unit for supporting the light irradiation unit. The micro force measuring device according to any one of claims 1 to 4 . 前記光照射部を、板状ガラスによって構成している請求項5記載の微小力測定装置。The micro force measuring apparatus according to claim 5, wherein the light irradiating unit is made of sheet glass. 前記光照射部を、プリズムによって構成している請求項5記載の微小力測定装置。The micro force measuring device according to claim 5, wherein the light irradiating unit is constituted by a prism. 前記ベース物質を観察対象物面に固定し、前記支持部を前記観察対象物面に対して水平方向への移動可能に構成している請求項5乃至7何れかに記載の微小力測定装置。The micro force measuring device according to any one of claims 5 to 7, wherein the base material is fixed to an observation object surface, and the support portion is configured to be movable in a horizontal direction with respect to the observation object surface. 前記光照射部と支持部とを一体の板状に成形し、これら一体の光照射部及び支持部を前記観察対象物面に対して垂直方向に設置している請求項8記載の微小力測定装置。9. The micro force measurement according to claim 8, wherein the light irradiation part and the support part are formed into an integral plate shape, and the integral light irradiation part and the support part are installed in a direction perpendicular to the surface of the object to be observed. apparatus. 前記支持部を、さらに観察対象物面に対して垂直方向への移動可能に構成している請求項8記載の微小力測定装置。The micro force measuring device according to claim 8, wherein the support portion is further configured to be movable in a direction perpendicular to an observation object surface. 前記光圧用レーザを対物レンズから照射することによりレーザ放射圧を与えるようにしている請求項1乃至10何れかに記載の微小力測定装置。11. The micro force measuring apparatus according to claim 1, wherein a laser radiation pressure is applied by irradiating the laser for light pressure from an objective lens. 前記プローブ位置制御機構が、
前記プローブに対して光照射を行う位置検出用光照射手段と、
分割光ダイオードに前記光照射による干渉像を映し出す投影手段と、
前記干渉像によりプローブの位置を検出測定する検出手段と、
前記検出手段による検出結果よりプローブに照射する光圧用レーザの強度を調節する調節手段とを備えている請求項1乃至11何れかに記載の微小力測定装置。
The probe position control mechanism is
A position detecting light irradiating means for irradiating the probe with light;
A projecting means for projecting the interference image by the light irradiation onto the split photodiode;
Detection means for detecting and measuring the position of the probe from the interference image;
The micro force measuring device according to claim 1, further comprising an adjusting unit that adjusts the intensity of the laser for light pressure applied to the probe based on a detection result by the detecting unit.
前記プローブ位置制御機構を、プローブの揺らぎを二乗平均で変位換算して0.6ナノメートル以下で保持していることを監視制御することで、熱揺らぎによるプローブの揺らぎまたは外力によるプローブの変位を防止するように構成している請求項1乃至12何れかに記載の微小力測定装置。The probe position control mechanism monitors and controls that the fluctuation of the probe is converted to a mean square displacement and is held at 0.6 nanometers or less, so that the fluctuation of the probe due to thermal fluctuation or the displacement of the probe due to external force can be reduced. The micro force measuring device according to claim 1, which is configured to prevent the micro force. 一定のバネ定数を有するプローブを固定器に接続し、そのプローブに光圧用レーザによる任意の強度の放射圧を負荷させ、動的な平衡が保持できるようオフセット機能を付加している請求項1乃13何れかに記載の微小力測定装置。An offset function is added so that a probe having a constant spring constant is connected to a fixture, and a radiation pressure of an arbitrary intensity is applied to the probe by an optical pressure laser so that dynamic equilibrium can be maintained. The micro force measuring device according to any one of 13.
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