JP5126804B2 - 極小線状柔軟物の切断方法及び切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ、ＤＮＡなどの、極小線状柔軟物に対し、強度や電気抵抗などの物理特性の測定やこれら物質を利用した電子デバイスやマイクロデバイスの製作等を行うために、所望の長さで切断することのできる極小線状柔軟物の切断方法及び切断装置に関するものである。

物質を原子レベルや一分子レベルで観測・操作・解析を行ったり、構造を制御することにより新しい機能や優れた特性を発揮させるナノテクノロジー技術は、それ自身が重要な科学技術であると共に、最近ではライフサイエンス、環境、エレクトロニクス分野の既存技術と融合することで、これら分野におけるブレークスルーをおこす革新的研究開発の共通基盤となりつつある。このような研究開発においては、新規に発見されたり開発された、極微量の物質の一分子単位での操作や特性測定が重要な役割を担っている。

ＤＮＡのような柔軟性を有する極小線状物質の一分子単位での操作方法としては、走査型プローブ顕微鏡や原子間力顕微鏡のブローブを利用したり、レーザトラップを利用する方法が知られている（下記特許文献１参照）。また、電気特性を測るためのＤＮＡハンドリング用ナノグリッパーなどが、マイクロマシニング技術を用いて製作が試みられている（下記非特許文献１，２参照）。本質的に非常に長い線状の形態を有するＤＮＡや金属ナノワイヤーなどの個々の電気特性や強度を測定したり、それらをマイクロデバイス上で利用するうえにおいては、単一の対象を取り出して伸張し、所望する適当な長さで切断し、伸張されたそのままの状態で測定装置上あるいは測定装置内へ運搬・固定することが重要である。
特開２００３−２００４００号公報 橋口原、他７名、「DNA manipulation and retrieval from an aqueous solution with micromachined nanotweezers」，Anal. Chem, vol.75, pp.4347-4350(2003). 橋口原、他６名、「マイクロマシニング技術による熱膨張アクチューエータ一体型ナノグリツパーの開発」，電気学会論文集，123巻１号,pp.1-8(2003).

しかしながら、先に述べたナノグリッパーなどの現状の操作技術では、例えば、ＤＮＡを捕獲するために、溶液中に濃度を制御して多数分散した状態のＤＮＡを誘電力を利用して引き寄せるなど、ブローブの近傍にある試料を偶然性を利用して捕獲しているにすぎず、所望する単一の試料を取り出すことは困難であり、また所望する長さでの切断は実現できていない。さらに、金属ナノワイヤーに至っては製造条件が未だ検討されている段階であり、単一試料の取り出し法や切断法は未検討の状態である。このため、ＤＮＡ一分子や金属ナノワイヤーなどナノメートルサイズの径を有する極小線状柔軟物質に関しては、それらを単一で利用したり、それら単一の特性を測定するマイクロデバイスを設計するうえで重要な指針となるほとんどの物理的特性は未知のままである。

以上のように、金属ナノワイヤー、ＤＮＡ、カーボンナノチューブなどを含む極小柔軟性物質を自由自在に所望の長さで切断し、そのままの状態で運搬する技術の開発が上記の分野における重要な課題の１つとなっている。

そこで、本発明は、液中の３次元空間において、第１に極小柔軟性物質を、所望の長さで非接触で切断し、そのままの状態で運搬するここのできる方法及び装置を提供すること、第２にこの切断と運搬を自動的に行うことのできる方法及び装置を提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、レーザマニピュレーション技術とレーザマイクロ加工技術を利用して、線状の形態を呈した柔軟性物質を自動操作・切断するための種々の研究を重ねた結果、ビームで微粒子を集積させることで極小線状柔軟物を保持・伸張し、この伸張された極小線状柔軟物に別の牲質のビームを照射することで所望の長さに切断できることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、液中にある極小線状柔軟物の周囲に分散させた微粒子をビームで集積させることで極小線状柔軟物の２箇所以上の位置をその集積体内に挟み込むことで保持し、保持したそれらビームの焦点位置を移動させることで極小線状柔軟物を伸張し、この伸張かつ保持された極小線状柔軟物に別の性質のビーム（切断ビーム）を照射することで、非接触で所望の長さに切断し、伸張したそのままの状態で運搬する方法及び装置とこれら一連の操作を自動化するための方法及び装置を提供するものである。

本明細書において、「極小線状柔軟物」とは、１０μｍ未満の外径を有する細長い線状の形態をした柔軟性を有する物質を意味し、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ、ＤＮＡなどの、ナノメートルサイズの径を有し、且つ、１マイクロメートル以上の長さを有する線状の形態をした柔軟性を有する物質を含む。このことは、特許請求の範囲においても同様である。

本発明によると、ナノメートルサイズの径を有しマイクロメートル以上の長さを有する非常に長い線状の形状を呈するような極小線状柔軟物であっても、徐々に引き延ばしながら所望する長さに非接触で切断し、その後引き延ばされたそのままの状態で所定の場所へ運搬することができる。このような一連の作業はすべて非接触で行えるため、埃や細菌などの混入を防止できる閉鎖系システムでの作業も可能であり、また、連続的に繰り返すことや自動化も可能である。したがって、本発明を用いれば、単一の金属ナノワイヤーやＤＮＡなどの電気抵抗や強度など、従来知られていない物理特性を、外乱の少ない閉鎖系において、高感度かつ系統的に測定することが可能となり、これらの物質に特有の新規な特性の発見や、それら特性を利用したデバイス開発に大きく寄与し得る。

以下、本発明による極小線状柔軟物の切断方法を、微小ノズルから極小線状柔軟物が射出され、この射出された極小線状柔軟物を保持・伸張し、その後所望の長さに切断して運搬する例によって詳細に説明する。図１は、この例の説明図のうち３本の微粒子集積用ビームと１本の切断ビームを用いて、極小線状柔軟物を切断・運搬するまでの一連の様子を模式的に示すものである。

図１（Ａ）は、ノズル１から極小線状柔軟物２を射出し、射出された極小線状柔軟物２の一端２ａに集積用ビーム３ａを集光照射することで微粒子４ａを集積させ、その微粒子４ａの集積体内部に極小線状柔軟物２の一端２ａを挟み込むことで保持した状態を示している。極小線状柔軟物２のノズル１からの射出距離と速度は、射出制御装置６により集積用ビーム３ａで微粒子４ａを集積させて保持するのに適した条件となるように調整される。微小ノズル１は、例えば、先端の口径が１μｍ〜数μｍのガラスキャピラリーを使用することができる。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）において微粒子４ａを集積したビーム３ａの照射位置を徐々に動かすことにより、ノズル１から極小線状柔軟物２を引き出すことで、極小線状柔軟物２を伸張している様子を示している。所望の長さになった時点で２本目の集積用ビーム３ｂをノズル１近傍に照射することで、極小線状柔軟物２の別の１点を微粒子４ｂ内に保持する。

図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）において微粒子を集積しているビーム３ａ、３ｂの照射位置を徐々に動かすことにより、さらにノズル１から引き出し、３本目の集積用ビーム３ｃをノズル１近傍に照射することで、極小線状柔軟物２の３箇所目を微粒子４ｃ内に保持し、その後、切断ビーム５を位置保持された極小線状柔軟物２の微粒子４ｂ、４ｃの集積体間に照射している様子を示している。

この操作により、極小線状柔軟物は図１（Ｄ）に示すような所望の長さを有する部分２ｂと部分２ｃの２つに切断される。この切断された所望の長さを有する極小線状柔軟物２の部分２ｂは、その両端がビーム３ａ、３ｂで集積した微粒子４ａ、４ｂで保持されているので、ビーム照射位置の間隔を所望した長さに保ちながら徐々に動かすことで、図１（Ｅ）に示したように伸張したそのままの状態を保って固定台９へと運搬することができる。また、図１（Ｄ）におけるもう１つの切片部分２ｃは、図１（Ａ）の端部２ａと同じ状態となるので、これまでに図１（Ａ）から図１（Ｄ）を用いて説明した一連の操作を繰り返すことにより、極小線状柔軟物２を所望する長さに次々と切断することが可能となる。また、図示しないが、切断した極小線状柔軟物を一つずつ搬送して瓶詰め等することもできる。

このような極小線状柔軟物２を微粒子４ａ〜４ｃの集積現象を用いて保持する３本のビーム３ａ〜３ｃについては、一般的にはレーザトラップ（光ピンセットとも言う。）としてよく知られた波長のレーザ光が利用可能であるが、レンズ等で高密度に集束可能で、微粒子を分散させた液中に照射した場合において、その焦点位置に微粒子が集積する性質を有するものであればレーザ光に限定されるものではない。

また、保持用の微粒子については、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ、ＤＮＡなどの、数ナノメートルサイズの径を有し、且つ、１マイクロメートル以上の長さを有する極小線状柔軟物を保持させる場合には、数十〜数百ナノメートルサイズの径を有するポリスチレンなどの誘電体極小球、ガラス球などが利用可能であるが、大きさ、形状、材質もこれらに限定されるものではなく、保持の対象となる極小線状柔軟物の性質や径に応じて適時選びうるものである。

切断ビームについては、一般的には、単一波長のパルスレーザをレンズで集束して切断箇所へ照射し、レーザアブレーション現象を利用して特定の部位を切断することができるが、ＤＮＡなど低エネルギーのビームで容易に切断できる物質については、紫外線による切断箇所での化学反応を利用することや赤外線の熱的効果を利用することなど、極小線状柔軟物の性質や径に応じて適時選びうるものである。

さらに、図１の例では極小線状柔軟物の保持に用いる微粒子は、あらかじめ極小線状柔軟物が射出される溶液中に分散若しくは散布されている場合について説明したが、保持用微粒子はあらかじめ溶液中に分散されている必要はなく、極小線状柔軟物をノズル１から射出するのと同時に、微粒子集積用ビームによる保持点近傍にのみ分散させることも可能である。この際の微粒子の散布については、極小線状柔軟物の射出ノズル１を利用するほか、別のノズル（不図示）を利用することが可能である。

上記の一連の操作は、以下に説明するようにして自動化することが可能である。

先ず、ノズル１から射出された極小線状柔軟物２に集積用ビーム３ａを照射させる位置は、視覚装置７によって決定することができる。視覚装置７は、カメラ等の撮像装置７ａから得られた画像データを処理装置７ｂ内に格納されたプログラムに従って画像処理し、極小線状柔軟物の位置・形状を認識することができる。処理装置７には、集積用ビーム３ａ〜３ｃの照射位置を制御する制御プログラムを組み込んでおき、当該制御プログラムによって、視覚装置７によって認識された極小線状柔軟物２上の位置（例えば一端２ａに相当する３次元空間座標位置）に集積用ビーム３ａが照射されるように、集積用ビーム３ａの位置を制御することができる。極小線状柔軟物には、ナノメートルサイズの蛍光性半導体量子ドット（紫外線を当てると強く光る性質を持つ粒子）等の蛍光体を結合させる等して、認識しやすくなるような修飾を施すこともできる。

微粒子による極小線状柔軟物の保持状態（集積状態）の進展の様子も視覚装置７を用いて評価することができる。視覚装置７は、撮像装置７ａから得られた微粒子の分布状態に関する画像データを処理装置７ｂ内に格納されたプログラムに従って画像処理し、保持状態にあるか否かを判定することができる。

保持状態にあるか否かの判定は、種々の判定アルゴリズムに従って行うことができるが、例えば、撮像装置７ａによって得られた微粒子の画像データを処理装置７ｂにおいて座標変換し、その座標データが、集積用ビーム３ａの焦点位置を中心とする所定半径の円内からはみ出た時に保持状態にあると判定し、前記円内にある時は保持状態にないと判定することができる。その他の判定アルゴリズムとして、例えば、微粒子に蛍光を持たせておいて、微粒子が集積することにより蛍光強度が上昇し、処理装置７ｂは、所定の蛍光強度以上となったときに保持状態にあると判定し、所定の蛍光強度より小さいときに保持状態にないと判定することができる。

そして、処理装置７ｂに集積用ビーム３ａ〜３ｂの照射位置を制御する制御プログラムを組み込んでおき、当該制御プログラムによって、前記判定アルゴリズムによって保持状態にあると判定された後に，集積用ビーム３ａ〜３ｂの位置を制御することで，極小線状柔軟物２を伸張することができる。

また、極小線状柔軟物２の伸張状態も視覚装置７によって評価することができる。伸張状態を評価するアルゴリズムとして、例えば、極小線状柔軟物２を一端から他端へ向かって連続的に画像データ上のＸＹ座標上で追跡し、その追跡途中においてＸ座標値とＹ座標値が共に連続的に単調増加か単調減少の場合は伸張状態にあると判定し，それ以外の場合は非伸張状態にあると判定することができる。

また、微小ノズル１から微粒子を極小線状柔軟物２の近傍に供給する場合は、その供給状態を視覚装置７によって画像として計測し、極小線状柔軟物２の近傍に微粒子が十分に供給された時に、その微粒子群内にある極小線状柔軟物２に集積用ビームを照射するようにすることもできる。

次に、図２は先に述べた例における本発明方法の実施において、３本の微粒子集積用ビームと極小線状柔軟物切断用ビームを生成し、先に述べた一連の手順により所望する長さに切断するためのシステム構成の１例を説明するための図であり、光源１１ａからのレーザ光は、ビームエクスパンダ１２ａで径を変換され、半波長板１３を通り、第１ミラー群（偏光ビームスプリツタ）１４ａ、１４ｂにより２本のビーム分解され、それぞれ電磁シャッタ１５ａ、１５ｂを介した後に、ガルバノミラー対および焦点位置変更レンズで構成される焦点位置移動機構１６ａ、１６ｂを経由して、第２ミラー群１７ａ、１７ｂで再び同軸とされた後、リレーレンズ１８により落射照明光の軸と一致させて顕微鏡２２内に導入される。

上記の分解されたレーザ光は、顕微鏡の対物レンズ２０によりその焦点位置で、波長限界程度、例えば直径１μｍ程度のスポットサイズまで高密度に集光される。このとき、各々のレーザ光の顕微鏡下での焦点の位置座標ＸＹＺは、焦点位置移動機構１６ａ、１６ｂを処理装置７ｂで制御するここで精密に操作される。この際、２本の分解されたレーザ光は偏光方向が直交するので干渉を起こすことはなく、したがって、２本のビームの相対位置により強度分布が変化することはないので、各々のレーザ光で安定して微粒子を集積できる。

微粒子を集積するための３本目のビームは、光学的干渉を避けるために上記の２本のビームと波長の異なるレーザ光を発生する光源１ｌｂを利用する。光源１ｌｂからのレーザ光も上記２本のビームと同様に、ビームエクスパンダ１２ｂで径を変換され、電磁シャッタ１５ｃを介した後に、焦点位置移動機構１６ｃを経由して、第２ミラー群１７ｃで上記２本のビームと同軸とされた後、リレーレンズ１８を経由して顕微鏡２２内に導入され、３本目の柔軟物保持ビームとして微粒子集積を行う。

また、切断用レーザ光源１０は、焦点位置移動機構１６ｄを経て、第２ミラー群１７ｄを用いて上記３本の微粒子集積用ビームと同軸とした後、リレーレンズ１８を経由して顕微鏡２２内に導入される。この切断ビームの焦点位置は、本システム図ではＺ方向のみ変更できる構成としたが、切断長さを決めるうえで特に可変である必要はない。また、照射のタイミングは、例えば、視覚装置７によって、撮像装置（高感度ＣＣＤカメラ）７ａからの画像を処理装置７ｂで画像処理し、微粒子による保持と伸張の状態が十分であることを判定した後、決定される。

以上のようなシステムにより、３本のレーザ光の焦点位置を独立して顕微鏡内のようなマイクロ３次元空間において精密に制御することが可能となり、先に述べた微粒子の集積による極小線状柔軟物の保持・伸張が可能となる。そしてさらに、伸張した状態で所望の長さでの切断と、そのままの状態での運搬が可能となる。なお、本発明は以上のシステム構成例に限定されるものではなく、微粒子集積および保持した極小線状柔軟物の切断のためのビームの選択、光学系、制御のための視覚装置など、適宜設計変更できるものである。

本発明に係る極小線状柔軟物の切断方法の好適な実施形態を模式的に示す説明図である。 図１に示す切断方法を実施するための好適な切断装置を示すシステム図である。

符号の説明

１ ノズル
２ 極小線状柔軟物
３ａ、３ｂ、３ｃ 集積用ビーム
４ａ、４ｂ、４ｃ 微粒子
７ 視覚装置

Claims (9)

1. 液中において極小線状柔軟物を切断する方法であって、
   微粒子を前記液中に分散させるステップと、
   前記極小線状柔軟物の先端部が前記液中に突出するよう、前記極小線状柔軟物を微小ノズルから射出するステップと、
   第１の集積用ビームを集光照射することで焦点位置において前記微粒子の第１の集積体を形成し、前記第１の集積体内に前記極小線状柔軟物を挟み込み保持させるステップと、
   前記第１の集積用ビームの焦点位置を移動させることにより、前記保持された極小線状柔軟物を前記微小ノズルから引き出して伸張させるステップと、
   第２の集積用ビームを集光照射することで焦点位置において前記微粒子の第２の集積体を形成し、前記第１の集積体よりも後端側で前記極小線状柔軟物を前記第２の集積体内に挟み込み保持させるステップと、
   前記極小線状柔軟物において前記第２の集積体に保持された位置よりも後端側に切断用ビームを照射することで、前記極小線状柔軟物を切断するステップと、
   前記第１及び第２の集積用ビームの各焦点位置の間隔を保ちながら前記各焦点位置を移動させることで、前記切断された極小線状柔軟物を伸張かつ保持された状態で運搬するステップと、
   を含むことを特徴とする、極小線状柔軟物の切断方法。
2. 上記微粒子が、微小ノズルから前記極小線状柔軟物の近傍に供給されることを特徴とする請求項１に記載の極小線状柔軟物の切断方法。
3. 前記極小線状柔軟物の伸張状態及び前記微粒子の集積体による保持状態を、視覚装置を用いて画像として計測し、該視覚装置によって計測された画像データに基づいて、前記切断用ビームを前記極小線状柔軟物に照射し、該極小線状柔軟物を切断することを特徴とする請求項１に記載の極小線状柔軟物の切断方法。
4. 前記微小ノズルから射出された極小線状柔軟物の射出状態を、視覚装置を用いて画像として計測し、該視覚装置によって計測された画像データに基づいて、前記集積用ビームを前記極小線状柔軟物に集光照射することを特徴とする請求項１に記載の極小線状柔軟物の切断方法。
5. 前記微小ノズルからの微粒子の供給状態を、視覚装置を用いて画像として計測し、該視覚装置によって計測された画像データに基づいて、前記集積用ビームを前記極小線状柔軟物に集光照射することを特徴とする請求項２に記載の極小線状柔軟物の切断方法。
6. 微粒子を分散させた液中において、極小線状柔軟物を切断するシステムであって、
   前記極小線状柔軟物の先端部が前記液中に突出するよう、前記極小線状柔軟物を射出する微小ノズルと、
   集光用ビームを生成する集光用ビーム発生装置と、
   切断用ビームを生成する切断用ビーム発生装置と、
   前記集光用ビームの照射位置や、前記切断用ビームの照射タイミングを制御する視覚装置とを備え、
   前記視覚装置の制御により、
   前記微小ノズルから射出された前記極小線状柔軟物の一端に、前記集光用ビーム発生装置が生成する第１の前記集積用ビームが照射されることで、前記極小線状柔軟物の一端に前記微粒子の第１の集積体が形成され、
   該第１の集積体内に前記極小線状柔軟物が挟み込まれて保持された状態で、前記第１の集積用ビームの照射位置が動かされることにより、前記極小線状柔軟物が前記微小ノズルから引き出されて伸張され、
   該伸張した極小線状柔軟物が所望の長さになった時点で、前記微少ノズルの近傍に、前記集光用ビーム発生装置が生成する第２の集積用ビームが照射されることで、前記微少ノズルの近傍に、前記微粒子の第２の集積体が形成され、
   該第２の集積体内に前記極小線状柔軟物が挟み込まれ保持された状態で、前記第２の集積体よりも後端側に、前記切断用ビーム発生装置が生成する切断用ビームが照射されることで、前記第２の集積体よりも後端側で前記極小線状柔軟物が切断されることを特徴とする極小線状柔軟物の切断システム。
7. 前記微小ノズルは、微粒子を前記極小線状柔軟物の近傍に供給することを特徴とする請求項６記載の切断システム。
8. 前記視覚装置は、前記極小線状柔軟物の位置及び姿勢を評価することを特徴とする請求項６記載の切断システム。
9. 前記視覚装置は、微粒子の分布状態を評価することを特徴とする請求項６記載の切断システム。