JP4234579B2 - 微小粒子の観察方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は微小粒子の位置決め方法及び装置に関し、更に詳しくは、微細空間を浮遊、移動する微小粒子の位置情報を簡単な構造で求めることとができるようにした微小粒子の位置決め方法及び装置に関する。

微細空間を浮遊、移動する微小粒子を観察し位置情報を得るため、高倍率のレンズにカメラ等の光学系からなる観察系を搭載し、微細空間内の位置を決める必要がある。この場合、正確な座標を得るための微細空間内で３直交軸を設け、少なくとも２軸上に観察系を配置する必要がある。

図９は本発明で使用する装置の概念図である。図において、１は光を透過する透明な筐体、２は該筐体１内に形成された微細空間である。３は該微細空間２内を浮遊している微小粒子である。この微小粒子３に対し、図に示すようなＸ，Ｙ，Ｚの３直交軸を考える。４はＸＺ平面からの画像を撮影するカメラ、５はＹＺ平面からの画像を撮影するカメラである。カメラ４で撮影した画像はＡのようになり、カメラ５で撮影した画像はＢのようになる。これら３直交軸に対向して配置された２台のカメラで微小粒子３を写して（ｘ，ｚ）値及び（ｙ，ｚ）値を得ることにより、微小粒子３の位置情報を得ることができる。

なお、本発明方法及び装置は、図９に示す概念に基づいて全く新規に考案されたものであり、先行技術文献はない。

前述した方法では、微細空間であり、観察系の配置を得ることは難しく、１軸の観察系では空間座標上を移動する微小粒子を捕捉固定し、操作するために必要な位置情報も得ることができない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、微細空間を浮遊、移動する微小粒子の位置情報を１方向からの観察系で得ることができ、観察系における高倍率のレンズやカメラを削減することができる微小粒子の位置決め方法及び装置を提供することを目的としている。

本発明における構成上の特徴は、観察系の構成として、微細空間の少なくとも１面に反射面を作り、空間を浮遊、移動する微小粒子を２軸方向から観察することで、１軸方向に配置された高倍率のレンズやカメラ等の光学系で２軸方向の位置情報を得ることができるようにしたものである。
（１）請求項１記載の発明は、以下の通りである。図１は本発明方法の原理を示すフローチャートである。本発明は、光学手段によって微細空間内を浮遊、移動する微小粒子を観察する観察方法であって、前記光学手段に対して、微細空間周囲は外部へ高い透過性を有する領域を持ち、前記光学手段を、前記微小粒子の微細空間内を移動する方向を１軸とする３直交軸上のうち２直交軸上の１軸方向に配置しておき（ステップ１）、もう１軸上には、少なくとも前記光学手段を配置した軸方向に微小粒子周辺の像を反射する角度を持った反射面を配置しておき（ステップ２）、前記微小粒子周辺の像は前記透過性を有する領域を通り、前記光学手段の視野内に前記微小粒子周辺の像を写し出す（ステップ３）、ことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、以下の通りである。図２は本発明の原理構成図である。図９と同一のものは、同一の符号を付して示す。図に示す装置は、観察系によって微細空間２内を浮遊、移動する微小粒子３の位置情報を得る装置を構成している。観察系に対して微細空間２周囲は外部へ高い透過性を有する領域を持ち、微細空間２内を浮遊、移動する微小粒子３の微細空間内を移動する方向を１軸とする３直交軸を考える。６は３直交軸上のうち２直交軸上の１軸方向（ここではＺ軸方向）に設けた微小粒子周辺を撮影する観察用カメラである。該観察用カメラ６は、微小粒子３をＹＺ平面から撮影するようになっている。

１Ａは筐体である。１ａはもう１軸上（ＸＺ）に配置された、少なくとも監視用カメラ６を配置した軸方向に微小粒子周辺の像を反射する角度を持った反射面である。微小粒子３の像は、透過性を有する部分を通り、前記観察用カメラ６の視野内に微細空間２を写し出す光学系により構成される。図のθは、ＸＺ面に対して反射面１ａがなす角度である。７は反射面１ａに形成された像を示す。Ｃは捉えられた微小粒子の画像を示している。２つの座標系（Ｙ，Ｚ）、（Ｘ，Ｚ）の画像が得られていることが分かる。
（３）請求項３記載の発明は、前記微小粒子の観察方法は、前記光学手段の視野内に微細空間を写し出すことにより、微細空間内における微小粒子の位置を検出するものであることを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、前記微小粒子の観察装置は、微細空間の中に浮遊、移動する微小粒子の位置と相対応する基準となる点若しくは領域を設けることを特徴とする。
（５）請求項５記載の発明は、前記微小粒子と前記基準となる点もしくは領域との相対距離を算出する演算手段を設けることを特徴とする。
（６）この場合において、前記視野に写る微細空間内を浮遊、移動する微小粒子に対し、位置情報を求めるための３直交軸は、観察用カメラと前述した反射面を配置することにより決定することを特徴とする。
（７）また、この場合において、前記反射面を有する微細空間は、透明な筐体の内部又は１端面上に形成されていることを特徴とする。
（８）また、この場合において、前記反射面は、金属又は光学ガラス又はアクリル樹脂等のブロックから構成された形状で、透明な筐体に形成された１面に近接又は接触する位置で、微細空間内の浮遊、移動する微小粒子の反射像を写し出す位置に配置されていることを特徴とする。
（９）また、この場合において、前記微細空間を有する筐体は、少なくとも微小粒子の位置情報を得るために必要な２方向を観察系の視野内に写し出すことが可能な透明部分を持つ構造となっていることを特徴とする。
（１０）また、この場合において、前記浮遊、移動する微小粒子の像を観察系の視野から外れないように微小粒子を視野内に捉えるため、観察系を構成する光学系又はその一部が、筐体内に構成された微細空間内を浮遊、移動する微小粒子を追跡するための移動機構を備え、微小粒子を視野内に捉えるよう移動することを特徴とする。
（１１）また、この場合において、前記微細空間内の任意の位置を基準位置として、常に又は特定の条件、指示において、浮遊、移動する微小粒子の相対位置や相対距離を算出することを特徴とする。
（１２）また、この場合において、前記筐体の所定の位置に微小穴を開けて、この穴から微細空間を充填する流体を吸引することで、前記微小粒子を当該微小穴に捕捉固定する機構を設けたことを特徴とする。

本発明によって、微細空間を浮遊、移動する微小粒子の位置情報を１軸方向からの観察系で得ることができ、反射面を追加することで観察系における高倍率のレンズやカメラの数を削減することができる。
（１）請求項１記載の発明によれば、１軸の観察カメラを設け、他の２軸目の画像情報は反射面を利用することにより、観察カメラ１台で微小粒子の観察を行なうことができる。（２）請求項２記載の発明によれば、１軸の観察カメラを設け、他の２軸目の画像情報は反射面を利用することにより、観察カメラ１台で微小粒子の観察を行なうことができる。（３）請求項３記載の発明によれば、観察カメラの視野内に微細空間を写し出すことにより、微小空間内の微小粒子の位置を検出することができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、浮遊、移動する微小粒子の少なくとも２方向から微小空間内の像を視野内に写し出すことで、微細空間内の微小粒子の位置座標及び距離を求めることができる。

このように、本発明によれば、観察系における高倍率のレンズやカメラを削減することができる微小粒子の観察方法及び装置を提供することができる。
（５）請求項５記載の発明によれば、微小粒子と基準となる点もしくは領域との相対距離を算出することができ、微小空間内の微小粒子の位置座標及び距離を求めることができる。
（６）また、３直交軸は、観察用カメラと反射面を配置することで決定するので、微小粒子の位置を正確に決めることができる。
（７）また、前記反射面を筐体の内部又は一端面に設けることで、浮遊、移動する微小粒子を微細通路内の広い範囲で探知、追跡が可能となる。
（８）また、反射面を所定の位置に配置することにより、微小粒子の位置を正確に決めることができる。
（９）また、前記微細空間を有する筐体が、微小粒子の位置情報を得るために必要な２方向を観察系の視野内に写し出すことで、微小粒子の位置を決めることができる。
（１０）また、微小粒子が移動する場合に、この微小粒子の移動に追随して観察系を移動させる構成とすることで、微小粒子を常に視野内に入れて微小粒子の相対位置や相対距離を算出することができる。
（１１）また、微細空間内の任意の位置を基準にとり、該基準位置から相対的な微小粒子の位置と距離を算出することができる。
（１２）また、筐体の微細空間内に設けた微小穴から微細空間を充填している流体を吸引することで、微小粒子を当該微小穴部分に捕捉固定することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。

１ｍｍより小さな微細空間から構成された通路（以下微細通路という）があり、微細通路内を流体と共に微小粒子が浮遊、移動する環境で、微小粒子を捕捉固定したり、固定した微小粒子に微細なアーム等を接触させる必要がある場合、微小粒子が微細通路内のどの位置を浮遊、移動しているかの位置情報を得て、捕捉動作の制御を行なう必要がある。

また、捕捉固定した微小粒子の中心に微細アーム等を挿入する場合、捕捉固定したことで微小粒子が不規則な形状に変形した場合、該微小粒子の形状等位置情報以外にも多くの情報が必要となる。本発明では、画像に微小粒子を捉える位置を求めるため、浮遊、移動する微小粒子をカメラ等で確認し、得られる画像データから微小粒子中心の３直交軸上の位置情報を得る方法及び装置について説明する。

先ず、図２に示した原理構成図について説明する。図の微細空間２が微細通路を構成している。高倍率のレンズやカメラ等からなる光学系を微小粒子の移動方向を１軸とする３直交軸座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の１軸上に配置し、微細通路２周辺に反射面１ａを配置し、反射面１ａからの反射像を前述した観察用カメラ６の視野内に写すことを可能とした観察系である。この場合において、前記視野に写る微細空間を浮遊、移動する微小粒子に対し、位置座標情報を求めるための３直交軸は、観察用カメラと前述した反射面を配置することにより決定することができる。このようにすることで、微小粒子の位置を正確に決めることができる。

このような観察系の構成により、従来２つ以上の画像を別々のカメラへ写していたが、１台のカメラで従来と同じ位置を正確に把握することが可能となる。図２の例では、直接観察する画像から（Ｙ，Ｚ）位置、反射面観察の画像から（Ｘ，Ｚ）位置を得ることができ、得られた２つの位置座標から微小粒子３の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）位置を求めることができる。このように、本発明によれば、１軸のカメラを設け、他の２軸目の画像情報は反射面を利用することにより、観察カメラ１台で微小粒子の位置を検出することができる。

また、微細通路２が観察可能な視野より十分長い場合や、微細通路内を浮遊、移動する微小粒子３が観察している微細通路２内の視野に捉えられない場合、図２に示す観察系（微小流体を観察するカメラと該カメラを移動させるステージからなる）を微細通路２に沿って動かすことで、微細通路２の１面全てに構成された反射面と観察画像から浮遊、移動する微小粒子を探し捉えることが可能となる。本発明では、浮遊、移動する微小粒子の少なくとも２方向から微細空間内の像を視野内に写し出すことで、微細空間内の微小粒子の位置座標及び距離を求めることができる。

また、前記微細通路を有する筐体が、微小粒子の位置情報を得るために必要な２方向を観察系の視野内に写し出すことで、微小粒子の位置を決めることができる。以後の説明において、得られた画像による位置情報等の処理は図９、図２と同じであり、画像処理や得られる画像の表示を一部省略する。

図３は本発明の第１の実施の形態例を示す構成図である。図において、図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図に示す実施の形態例は、図２に示す基本的構成と比較して、図２に示す微細通路２に構成された反射面が別部品として設けられたものである。この場合において、前記反射面は、金属又は光学ガラス又はアクリル樹脂等のブロックから構成された形状で、透明な筐体に形成された１面に近接又は接触する位置で、微細空間内の浮遊、移動する微小粒子の反射像を写し出す位置に配置されることが好ましい。このようにすれば、微小粒子の位置を正確に決めることができる。

図において、２は図２の微細空間を示す微細通路である。この微細通路は、例えば水等の流体で充填されており、この流体が流れるようになっている。従って、微小粒子は３は、流体と一緒に特定方向（図の場合にはＺ方向）に移動していく。８が筐体１Ａと別体として設けられた反射体である。この反射体８の傾きはＸＺ平面に対してθである。観察用カメラ６を含む観察系又はその一部をステージ（図示せず）上に設け、該ステージを微小粒子３の移動につれて微細通路２に沿って移動するように構成されている。Ｄはこの時の画像例を示している。ここで、微細通路２は、円又は３面以上から構成される空間とすることで、微小粒子を微細空間に閉じこめることができる。

このように構成することで、浮遊、移動する微小粒子３を微細通路２内の広い範囲で探知、追跡が可能となる。また、画像から得ていた位置情報もステージの移動距離、位置を利用することで、図３に示すＺ位置情報に利用することができる。この場合において、前記微細通路２内の任意の位置を基準位置として、常に又は特定の条件、指示において、浮遊、移動する微小粒子の相対位置や相対距離を算出するようにすることができる。このようにすれば、基準位置から相対的な微小粒子の位置と距離を算出することができる。

図４は本発明の第２の実施の形態例を示す構成図である。図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態例は、反射面で観察する方向を変えた場合を示している。この実施の形態例では、ＸＹ面の画像を第１の反射体１０で入射して反射させ、第２の反射体１１で更に光路を曲げて観察用カメラ６に微小粒子３の画像を写し出すようにしたものである。Ｅはこの時得られた画像である。

以上、説明した微細空間内を浮遊、移動する微小粒子の観察方法では、画像観察に反射された像を利用している。この反射面は微細空間を持つ筐体内に配置し、浮遊、移動する微小粒子の得たい反射像と観察用カメラの配置に対応する角度θで作成された面で、本反射面は筐体を研磨し磨いた面であったり、筐体形状として予め反射面を設ける方法がある。また、事例として図３,図４で説明したように、反射面を微小通路を持つ筐体に作成するのではなく、筐体外部に反射面を設け配置する方法もある。この場合、反射面と対向する筐体部分は平面若しくは曲面とするほうが好ましい。

図３に示すように、微細通路を持つ筐体に反射面を設けることができない場合、例えば図５に示すような管状に構成された微細通路の場合、反射面を管の同心円上に配置して画像を得るのに適している。図５は本発明の第３の実施の形態例を示す構成図である。図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１Ｂは筒状の筐体であり、その内部に微小粒子３が浮遊、移動する微細通路２が形成されている。この円筒状の円の中心に対して同心円を形成する面に反射体１３の反射面を配置している。

以下、本発明の応用例について説明する。ここでは、生物細胞をマイクロチャネル等の微細な流路内を搬送し、所定の位置で固定し、細胞に薬剤等のインジェクション操作を行なう場合について、図６以降を例にとって説明する。生物細胞の直径は５μｍ〜２００μｍ程度である。微細通路内を浮遊、移動する細胞を固定する場合、固定方法の一つとして、ここでは細胞を細胞より十分小さい微細穴に吸引固定する方法で説明する。

図６，図７はそれぞれは本発明の第４，第５の実施の形態例を示す構成図である。図４と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１Ａは筐体、２は該筐体１Ａ内に形成された微細通路、３は微細通路２内を浮遊、移動する微小粒子としての細胞、１５は微細通路２に沿って、筐体１Ａ内に形成された微細穴である。６は観察用カメラである。

微細通路２内を浮遊、移動する細胞３に対し、細胞３を吸引し、固定する微細穴１５は微細通路２内に設けられ、浮遊、移動してきた細胞３との相対位置を観察系から求め、微細穴１５と細胞３の相対距離に合わせて、引き寄せる吸引力を調整、操作して細胞を確実に捕捉固定する。図７は、図６の場合と比較して、細胞３が微小穴１５から離れている場合を示している。このように離れている場合、微小穴１５からの吸引力を増やす必要がある。

捕捉固定した細胞の内部に微細な針等を挿入し、針内部に予め含まれた薬品その他の物質を注入する際も、細胞内と細胞中心部への挿入で状況は変わる場合があるが、細胞と微細な針先端の精確な相対位置が必要となる。図８は本発明の第６の実施の形態例を示す構成図である。図７と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１６は捕捉固定された細胞３に針１６を注入した状態を示している。針１６は、その直径は１μｍ（内径φ０．５μｍ）程度であり、図の矢印で示す方向に移動して細胞３内に注入される。

図８に示すように、本発明による観察系から得られる位置情報によって、微細な針１６の先端と細胞３の位置情報を得ることができ、薬品その他の物質の注入が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、微細通路に対し２方向に透明な面を構成し、うち１面と同じ視野へ写し出すことで、微細通路内の対象の空間上の位置情報を得ることができ、制御、操作することが可能となる。

（付記１） 観察系によって微細空間内を浮遊、移動する微小粒子の位置情報を得る方法であって、観察系に対して微細空間周囲は外部へ高い透過性を有する領域を持ち、微細空間内を浮遊、移動する微小粒子の微細空間内を移動する方向を１軸とする３直交軸上のうち２直交軸上の１軸方向に微小粒子周辺を撮影する観察用カメラを配置し（ステップ１）、
もう１軸上には、少なくとも前記観察用カメラを配置した軸方向に微小粒子周辺の映像を反射する角度を持った反射面を配置し（ステップ２）、
透過性を有する部分を通り、前記観察用カメラの視野内に微細空間を写し出す（ステップ３）、
ことを特徴とする微小粒子の位置決め方法。

（付記２） 観察系によって微細空間内を浮遊、移動する微小粒子の位置情報を得る装置であって、観察系に対して微細空間周囲は外部へ高い透過性を有する領域を持ち、微細空間内を浮遊、移動する微小粒子の微細空間内を移動する方向を１軸とする３直交軸上のうち２直交軸上の１軸方向に設けた微小粒子周辺を撮影する観察用カメラと、
もう１軸上に配置された、少なくとも観察用カメラを配置した軸方向に微小粒子周辺の映像を反射する角度を持った反射面と、
透過性を有する部分を通り、前記観察用カメラの視野内に微細空間を写し出す光学系と、
を具備して構成される微小粒子の位置決め装置。

（付記３） 微細空間内を浮遊、移動する微小粒子の位置情報を得る方法であって、微小粒子が浮遊、移動する微細空間を持つ筐体は、微細空間の中に浮遊、移動する微小粒子の位置と相対応する基準となる点若しくは領域を設け（ステップ１）、
その基準点若しくは領域との相対距離を求めるため、表面又は内部に複数の反射面を設け（ステップ２）、
浮遊、移動する微小粒子の少なくとも２方向から微細空間内の像を視野内に写し出し（ステップ３）、
微細空間内の位置座標及び距離を求める（ステップ４）、
ことを特徴とする微小粒子の位置決め方法。

（付記４） 微細空間内を浮遊、移動する微小粒子の位置情報を得る装置であって、微小粒子が浮遊、移動する微細空間を持つ筐体は、微細空間の中に設けられた浮遊、移動する微小粒子の位置と相対応する基準となる点若しくは領域と、
その基準点若しくは領域との相対距離を求めるため、前記筐体の表面又は内部に設けられた複数の反射面と、
浮遊、移動する微小粒子の少なくとも２方向から前記微細空間内の像を視野内に写し出す光学手段と、
微細空間内の位置座標及び距離を求める演算手段、
とを具備することを特徴とする微小粒子の位置決め装置。

（付記５） 前記微細空間は、円又は３面以上から構成される空間であることを特徴とする付記２記載の微小粒子の位置決め装置。

（付記６） 前記視野に写る微細空間内を浮遊、移動する微小粒子に対し、位置座標情報を求めるための３直交軸は、観察用カメラと前述した反射面を配置することにより決定することを特徴とする付記２記載の微小粒子の位置決め装置。

（付記７） 前記反射面を有する微細空間は、透明な筐体の内部又は１端面上に形成されていることを特徴とする付記２記載の微小粒子の位置決め装置。

（付記８） 前記反射面は、金属又は光学ガラスのブロックから構成された形状で、透明な筐体に形成された１面に近接又は接触する位置で、微細空間内の浮遊、移動する微小粒子の反射像を写し出す位置に配置されていることを特徴とする付記２記載の微小粒子の位置決め装置。

（付記９） 前記微細空間を有する筐体は、少なくとも微小粒子の位置情報を得るために必要な２方向を観察系の視野内に写し出すことが可能な透明部分を持つ構造となっていることを特徴とする付記４記載の微小粒子の位置決め装置。

（付記１０） 前記浮遊、移動する微小粒子の像を観察系の視野から外れないように微小粒子を視野内に捉えるため、観察系を構成する光学系又はその一部が、筐体内に構成された微細空間内を浮遊、移動する微小粒子を追跡するための移動機構を備え、微小粒子を視野内に捉えるよう移動することを特徴とする付記４記載の微小粒子の位置決め装置。

（付記１１） 前記微細空間内の任意の位置を基準位置として、常に又は特定の条件、指示において、浮遊、移動する微小粒子の相対位置や相対距離を算出することを特徴とする付記４記載の微小粒子の位置決め装置。

（付記１２） 前記筐体の所定の位置に微小穴を開けて、この穴から微細空間を充填する流体を吸引することで、前記微小粒子を当該微小穴に捕捉固定する機構を設けたことを特徴とする付記４記載の微小粒子の位置決め装置。

本発明方法の原理を示すフローチャートである。 本発明の原理構成図である。 本発明の第１の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第３の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第４の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第５の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第６の実施の形態例を示す構成図である。 従来装置の構成概念図である。

符号の説明

１Ａ 筐体
１ａ 反射面
２ 微細空間
３ 微小粒子
６ 観察用カメラ

Claims (5)

1. 光学手段によって微細空間内を浮遊、移動する微小粒子を観察する観察方法であって、前記光学手段に対して、微細空間周囲は外部へ高い透過性を有する領域を持ち、前記光学手段を、前記微小粒子の微細空間内を移動する方向を１軸とする３直交軸上のうち２直交軸上の１軸方向に配置しておき（ステップ１）、
   もう１軸上には、少なくとも前記光学手段を配置した軸方向に微小粒子周辺の像を反射する角度を持った反射面を配置しておき（ステップ２）、
   前記微小粒子周辺の像は前記透過性を有する領域を通り、前記光学手段の視野内に前記微小粒子周辺の像を写し出す（ステップ３）、
   ことを特徴とする微小粒子の観察方法。
2. 光学手段によって微細空間内を浮遊、移動する微小粒子を観察する観察装置であって、
   前記光学手段は前記微小粒子の微細空間内を移動する方向を１軸とする３直交軸上のうち２直交軸上の１軸方向に配置され、
   前記光学手段に対して高い透過性を有する微細空間周囲の領域と、
   もう１軸上に配置された、少なくとも前記光学手段を配置した軸方向に微小粒子周辺の像を反射する角度を持った反射面と、
   を具備して構成される微小粒子の観察装置。
3. 前記微小粒子の観察方法は、前記光学手段の視野内に微細空間を写し出すことにより、微細空間内における微小粒子の位置を検出するものであることを特徴とする請求項１記載の微小粒子の観察方法。
4. 前記微小粒子の観察装置は、微細空間の中に浮遊、移動する微小粒子の位置と相対応する基準となる点若しくは領域を設けることを特徴とする請求項２記載の微小粒子の観察装置。
5. 前記微小粒子と前記基準となる点もしくは領域との相対距離を算出する演算手段を設けることを特徴とする請求項４記載の微小粒子の観察装置。

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