JP6484538B2 - 力測定方法、及び力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物に作用する力に関わる情報の測定を行う力測定方法、及び力測定装置に関する。

従来の力測定方法として、ガウシアンビームを対物レンズで対象物に集光照射することで、対象物に駆動力を付与する技術（光ピンセット）を用いて測定することが知られている。この場合に対象物に付与できる駆動力は、集光中心の距離に比例する。すなわち、対象物に付与する駆動力を一定にするためには集光中心からの距離を一定に保つ必要がある。測定時には、集光中心と対象物の距離を一定に保つために、対象物の位置の移動量に伴って集光中心（あるいは対象物）を移動させ、高速フィードバック制御を行っている（例えば、特許文献１，２参照）。

Ｓｖｏｂｏｄａ，Ｋ．，＆Ｂｌｏｃｋ，Ｓ．Ｍ．，“Ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｋｉｎｅｓｉｎ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ．”Ｃｅｌｌ．７７（５），７７３−７８４（１９９４）． Ｆｉｎｅｒ，Ｊ．Ｔ．，Ｓｉｍｍｏｎｓ，Ｒ．Ｍ．，＆Ｓｐｕｄｉｃｈ，Ｊ．Ａ．，“Ｓｉｎｇｌｅ ｍｙｏｓｉｎ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ： ｐｉｃｏｎｅｗｔｏｎ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ｓｔｅｐｓ．”Ｎａｔｕｒｅ，３６８（６４６７），１１３−１１９（１９９４）．

上述のように光ピンセットを用いた場合、対象物に一定の駆動力を付与して、対象物に作用する力を測定するために、フィードバック制御、及び対象物を高精度に位置検出する技術が必要となる。従って、対象物に作用する力を容易に測定することが求められていた。

そこで、本発明は、測定対象物に作用する力を容易に測定できる力測定方法、及び力測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る力測定方法は、測定対象物に作用する力に関わる情報の測定を行う力測定方法であって、軌道角運動量を有する光である光渦の周方向における少なくとも一部の領域を駆動対象物に集光照射する集光照射工程と、光渦によって駆動対象物に付与される駆動力の方向と、測定対象物に作用する力の方向を位置合わせする位置合わせ工程と、駆動力と光渦の光強度との関係を示す情報を取得する情報取得工程と、光渦を集光照射された駆動対象物の動作と、情報取得工程で取得された情報とに基づいて、測定対象物に作用する力に関わる情報を測定する測定工程と、を備える。

本発明に係る力測定方法は、光渦の周方向における少なくとも一部の領域を対象物に集光照射する集光照射工程と、光渦によって駆動対象物に付与される駆動力の方向と、測定対象物に作用する力の方向の方向とを位置合わせする位置合わせ工程と、を備えている。従って、測定対象物は、光渦によって付与される駆動力と、測定対象物に作用する力との関係により、所定の動作を行う。また、情報取得工程において取得された情報は駆動力と光渦の光強度との関係を示している。測定工程では、光渦を集光照射された駆動対象物の動作と、情報取得工程で取得された情報とに基づくことで、測定対象物の所定の動作が発生した時の駆動力を光強度を介して把握することができる。従って、測定工程は、測定対象物の所定の動作が発生した時の駆動力に基づいて、測定対象物に作用する力を間接的に測定することができる。ここで、光渦の半径に対して、駆動対象物に集光照射する領域が大幅に小さい場合、当該領域内では、駆動対象物に実質的に一定の駆動力を付与できる。従って、本発明に係る力測定方法は、光渦の周方向における少なくとも一部の領域を駆動対象物に集光照射する集光照射工程を備えることで、駆動対象物に一定の駆動力を付与することができる。すなわち、駆動対象物を高精度に位置検出することと、それに基づく光渦の位置のフィードバック制御を行うことなく、容易に駆動対象物に一定の駆動力を付与できる。従って、上述のような力に関わる情報の測定を容易に行うことができる。以上より、測定対象物に作用する力を容易に測定できる。

本発明に係る力測定方法において、駆動対象物と測定対象物とが同一物であり、測定工程では、測定対象物に作用する力を推定してよい。測定対象物自体に光渦による駆動力を付与することで、容易に力に関わる情報を測定できる。

本発明に係る力測定方法において、測定対象物は、所定の方向へ進行するものであり、測定工程では、測定対象物に作用する力として、測定対象物の進行力を測定してよい。また、測定工程では、測定対象物が停止する時における駆動力を進行力として測定してよい。測定対象物に進行力が作用している場合に駆動力によって測定対象物が停止した場合、駆動力と進行力の大きさは等しくなる。従って、駆動力を把握することで、進行力を測定することができる。

本発明に係る力測定方法において、測定対象物は、結合部材と結合されるものであり、測定工程では、測定対象物に作用する力として、結合部材との結合力を測定してよい。また、測定工程では、測定対象物が結合部材から離れる時における駆動力を結合力として測定してよい。測定対象物に結合部材との結合力が作用している場合に駆動力によって測定対象物が結合部材から離れた場合、駆動力は結合力の大きさを示している。従って、駆動力を把握することで、結合力を測定することができる。

本発明に係る力測定方法において、光渦は、ラゲール・ガウシアンビームであってよい。ラゲール・ガウシアンビームを用いた場合、運動方向として平面方向の成分のみを考慮すればよいため、伝搬軸方向の駆動力を考慮する必要を無くすことができる。

本発明の一側面に係る力測定装置は、測定対象物に作用する力に関わる情報の測定を行う力測定装置であって、軌道角運動量を有する光である光渦の周方向における少なくとも一部の領域を駆動対象物に集光照射する集光照射部と、光渦によって駆動対象物に付与される駆動力の方向と、測定対象物に作用する力の方向を位置合わせする位置合わせ部と、駆動力と、光渦の光強度との関係を示す情報を取得する情報取得部と、光渦を集光照射された駆動対象物の動作と、情報取得部で取得された情報とに基づいて、測定対象物に作用する力に関わる情報を測定する測定部と、を備える。

本発明に係る力測定装置によれば、上述の力測定方法と同様な作用・効果を得ることができる。

本発明によれば、測定対象物に作用する力を容易に測定できる。

図１は、本発明の実施形態に係る力測定方法に用いられる力測定装置を示す模式図である。 図２は、光渦によって付与される駆動力を説明するための模式図である。 図３は、対象物配置部を示す図である。 図４は、カバーガラス間へ溶液を導入する手順を説明するための図である。 図５は、比較例と実施形態に係る力測定方法の比較を行う図である。 図６は、本実施形態に係る力の測定工程で用いられるグラフの一例である。 図７は、対象物の進行の様子を示す図である。 図８は、変形例に係る力測定方法の測定対象である対象物が結合部材に結合された様子を示す図である。 図９は、駆動力を付与された対象物が結合部材から離間するまでの様子を示す図である。 図１０は、変形例に係る力測定方法を示す図である。 図１１は、変形例に係る力測定方法を示す図である。 図１２は、変形例に係る力測定方法を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、本実施形態に係る力測定方法に用いられる力測定装置１００は、対象物に作用する力に関わる情報の測定を行う装置であって、集光照射部２０、ステージ７、対象物配置部８、レンズ９、照明部１０、ミラー１１、レンズ１２、撮像部１３、測定部１４、記憶部１６を備える。また、集光照射部２０は、光渦の周方向における少なくとも一部の領域を対象物に集光照射するものであり、光源２、光渦生成部３、ダイクロイックミラー４、及び対物レンズ６を備える。なお、本実施形態では、「測定対象物に作用する力に関わる情報」として測定対象物に直接的に作用する力を測定するものとする。また、測定対象物と光渦による駆動力を付与する駆動対象物とが同一物であるものとする。従って、当該同一物を単に「対象物」と称するものとする。

光源２は光を出力する。光源２はレーザー光源であってもよい。光源２から出力される光は、対象物配置部８中の対象物のダメージを軽減するため、エネルギーの低い波長であってもよい。光源２としてレーザー光源を用いる場合は、赤外レーザーであってもよい。赤外レーザーの波長としては、例えば、９００〜１２００ｎｍ程度とすることができる。

光渦生成部３は、光源２から出力された光を入力して光渦を生成し出力する。光渦生成部３が生成する光渦は、螺旋波面を持つ光ビームであり、例えば、ラゲール・ガウシアンビーム、ベッセルビーム等である。光渦生成部３として空間光変調器、回折光学素子、らせん状位相プレート、フォーク状ホログラム、レーザーキャビティ等を用いることができる。空間光変調器は、２次元配列された複数の画素を有し、各画素において光の振幅及び位相を変調して出力することができる。このような空間光変調器を光渦生成部３として用いれば、光学系を変更することなく、様々な形態の光渦を容易に生成することができる。光渦生成部３として用いられる空間光変調器は、透過型のものであってもよいし、反射型のものであってもよい。反射型の空間光変調器として、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いてもよい。図１では、光渦生成部３として反射型の空間光変調器が示されている。図１では、光渦生成部３へ光が垂直に入射しているが、斜め方向から光が光渦生成部３へ入射してもよい。また、空間光変調器に表示する位相パターンを変更すれば、光渦の回転半径、回転速度、回転の向き、及び光トラップ力等、及び対象物へ付与する駆動力を簡単に制御することができる。

ダイクロイックミラー４、対物レンズ６は、光渦生成部３から出力された光渦を対象物配置部８の対象物に導く。ダイクロイックミラー４は、光渦生成部３から出力される光渦を反射させる。対物レンズ６は、光渦生成部３から出力された光渦を対象物に集光照射して、対象物に駆動力を与える。

ここで、図２を参照して、集光照射部２０が光渦６０を対象物５０に集光照射することによって、対象物５０へ駆動力を付与することについて説明する。集光照射部２０は、光渦６０の周方向における少なくとも一部の領域を対象物５０へ集光照射することで、光渦６０の接線方向へ一定な駆動力を付与する。

光渦６０について詳細に説明する。光渦６０とは、螺旋状の位相構造を光波面形状の全体あるいは一部に含む光に対する、一般的呼称である。螺旋状位相波面の中心部は位相特異点と呼ばれ、そこでは有意な位相値が定義できないことから、光振幅が必ず０となる性質を持つ。とくに、光の伝搬軸Ｌ（図２（ｃ）参照）を軸とする単一の位相特異点のみを有する光（ベッセルビーム、ラゲール・ガウシアンビーム）においては、伝播軸を中心とするリング状の光形状を有するとともに、螺旋状波面の方向と螺旋のピッチに対応した方向・大きさの軌道角運動量をもっており、このような光の照射を受けた物質は、光の伝搬軸Ｌ回りに回転力を受けることが知られている。一般に、位相特異点周辺のビーム形状は多重リング状となるが、説明を簡略化するために以下において光渦は光の伝搬軸Ｌ上にのみ位相特異点を有し、かつ単一のリング状（ドーナツ状）光パターンを持つものとする。

図２（ａ）に示すように、光渦６０は、伝搬軸Ｌからある距離のところで光強度が最大となるドーナツ型の光強度分布を有する。集光照射部２０は、光渦６０の周方向における一部の領域を対象物５０に集光照射させる。なお、光渦６０は、径方向に一定の幅を有しているが、対象物５０は、光渦６０の径方向のどの部分が照射されてもよい。図２（ｃ）に示すように、光渦６０は、集光面Ｐ１付近において対象物５０をトラップする。トラップされた対象物５０は、トラップ面Ｐ２上を回転運動する。トラップ面Ｐ２は、集光面Ｐ１よりも半波長分、下流側に設定される。なお、光渦６０がラゲール・ガウシアンビームである場合は、運動方向として平面方向の成分のみを考慮すればよいため、伝搬軸Ｌ方向の駆動力を考慮する必要がない。従って、対象物５０には、伝搬軸Ｌと垂直な方向に駆動力が作用する。

ここで、図２（ａ）に示すように、光渦６０の半径に対して、光渦６０の円弧上の領域が十分に小さい（例えば、半径が円弧上の領域の長さの５倍〜１０倍以上）とみなせる場合には、光渦６０が集光照射された対象物５０に働く接線方向の駆動力は一定であるとみなすことができる。具体的に、半径Ｒの光渦６０の接線方向に働く駆動力の大きさをＦとすると、図２（ｂ）に示すように、接線方向にｄＬ進んだときに働く駆動力のｘ成分Ｆｘ及びｙ成分Ｆｙは、以下の式（１），（２）に示すように表現される。

Ｆｘ＝Ｆｓｉｎ（ｄθ）＝Ｆ√（Ｒ^２−ｄＬ^２）／Ｒ^２ …（１）
Ｆｙ＝Ｆｃｏｓ（ｄθ）＝Ｆ・ｄＬ／Ｒ …（２）

ＲがｄＬに比べて大幅に大きい場合、Ｆｘ＝０、Ｆｙ＝Ｆと近似することができる。この近似が成り立つ領域を、一定の駆動力がかかる領域と定義することができる。例えば、半径１μｍの光渦６０では、約１４０ｎｍの領域で、駆動力の変位は１％以下となる。それに対して、生体分子モータの１分子の運動は数〜数十ｎｍである。従って、約１４０ｎｍの領域では生体分子モータの１分子に一定の駆動力がかかるとみなすことができる。光渦６０の大きさは、集光照射部２０の光学系によって調整可能である。

図１に示すように、ステージ７は、対象物配置部８を載置するものであり、対象物配置部８をＸＹＺ方向に移動させることができる。ステージ７は、対象物５０と光渦６０の集光照射位置とを位置合わせすることができる。なお、位置合わせは、光渦６０に対してステージ７で対象物配置部８を移動させることによって実行されている。これに代えて、光渦６０を対象物配置部８に対して移動させて位置合わせしてもよく、両方を移動させて位置合わせしてもよい。なお、対物レンズ６に入射する前の光渦６０の光路上にλ／４板又はλ／２板を配置して、光渦６０の回転形状（円、楕円形）を制御することもできる。

ここで、図５（ｂ）を参照して、光渦６０の駆動力の方向（すなわち接線方向）と、対象物５０に作用する力の方向とを位置合わせすることについて説明する。図５に示すように、本実施形態では、対象物５０は、所定の方向への進行力を付与されることによって、所定の方向へ進行するものである。具体的には、分子モータの一部に結合した粒子が対象物５０に該当する。対象物５０を構成する粒子の材質は、ポリスチレン、ガラス等の誘電体、あるいは金属酸化物などの光吸収体、あるいは金属や結晶等、光と相互作用を持ち、光から軌道角運動量を受け取り得る物質である。本実施形態において、対象物５０は、微小管６１に沿って一の方向へ進行するキネシン６２に接続されている。キネシンは、分子モータの一つであり、大きさは数ｎｍ程度であって、生体内では小胞輸送などを行う。キネシン６２は、ＡＴＰ加水分解に伴って微小管６１上を進行する。すなわち、キネシン６２は、ＡＴＰ加水分解のエネルギーを運動エネルギーに変換するリニア分子モータである。従って、対象物５０は、キネシン６２の進行力Ｄ１が作用することで、微小管６１に沿って直線的に進行している。

ステージ７が対象物配置部８を移動させることで、光渦６０の接線方向と、対象物５０に作用する進行力Ｄ１の方向との位置合わせが行われる。これにより、対象物５０には光渦６０の集光照射によって接線方向へ駆動力Ｄ２が付与される。位置合わせによって、進行力Ｄ１の方向と駆動力Ｄ２の方向が、平行、且つ逆向きとなるように設定される。ただし、進行力Ｄ１の方向と駆動力Ｄ２の方向は厳密に平行でなくともよい。

図１に示すように、照明部１０は、対象物配置部８を挟んで対物レンズ６と反対の側に設けられ、対象物配置部８へコンデンサレンズ９を介して照明光を出力する。照明部１０は、光源２から出力される光の波長と異なる波長の光を出力することが好ましい。照明部１０として、白色光源、水銀ランプ、レーザ光源等が用いられる。

撮像部１３は、照明部１０により照明された対象物配置部８における対象物５０を、対物レンズ６、ダイクロイックミラー４、ミラー１１、及びレンズ１２を介して撮像して、画像データを出力する。撮像部１３として、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等が用いられる。ダイクロイックミラー４は、照明部１０より照明された対象物配置部８からの光を透過させる。

測定部１４は、撮像部１３から出力された画像データに基づいて、対象物に作用する力を測定する。測定部１４としてパーソナルコンピュータ等が用いられる。測定部１４は、記憶部１６から予め記憶された情報を取得する情報取得部としても機能する。具体的には、測定部１４は、光渦６０によって対象物５０に付与される駆動力と、光渦６０の光強度との関係を示す情報を記憶部１６から取得する。また、測定部１４は、光渦６０を集光照射された対象物の動作と、記憶部１６から取得した情報とに基づいて、対象物５０に作用する力を測定する。なお、測定部１４の詳細な測定方法については、後述する。

次に、上述のように構成された力測定装置１００を用いて、対象物５０に作用する力（ここでは進行力）の測定を行う力測定方法について説明する。

まず、対象物配置部８に対象物５０を含む試料を設置する工程を実行する。図３に示すように、対象物配置部８は、カバーガラス６５，６７を用いた試料容器によって構成される。図３（ａ）に示すように、カバーガラス６５の上面に、グリースを塗布した薄紙６６を一対設置する。図３（ｂ）に示すように、一対の薄紙６６間を覆うようにカバーガラス６７を設置する。図３（ｃ）に示すように、設置されたカバーガラス６７とカバーガラス６５の隙間に対して、一方側（例えば右側）から溶液Ｔを導入し、他方側（例えば左側）からろ紙で吸い込む。図３（ｄ）に示すように、溶液Ｔの導入が完了したら、カバーガラス６７の両端をグリース６８で封止する。

図４を参照し、カバーガラス６５，６７間へ溶液を導入する手順について説明する。まず、図４（ａ）に示すように、微小管６１を含む溶液を導入する。これによって、カバーガラス６５の上面に微小管６１が付着し、キネシン６２及び対象物５０を進行させるためのレールを構成する。次に、図４（ｂ）に示すようにガゼイン６３を含む溶液を導入する。これによって、カバーガラス６５の上面のうち、微小管６１が付着しなかった部分をブロックするために、当該部分にガゼイン６３が付着する。最後に、図４（ｃ）に示すように、対象物５０に結合したキネシン６２を導入する。これによって、対象物５０に結合したキネシン６２が微小管６１に付着する。

上述のように、対象物配置部８に対象物５０を含む試料を設置する工程が完了したのち、当該対象物配置部８をステージ７に載置し、集光照射部２０で対象物５０に光渦６０の周方向における少なくとも一部の領域を集光照射する工程を実行する。ここでは、キネシン６２の結合していない浮遊している対象物５０に光渦６０を集光照射し、当該対象物５０の駆動状況を把握する。駆動状況を把握したら、その情報を記録しておく。

このとき、光渦６０によって対象物５０に付与される駆動力と、光渦６０の光強度との関係を示す情報を取得する情報取得工程を実行してよい。光渦６０によって物質に作用する駆動力は、物質の大きさと材質によって決まり、光強度に比例する。従って、キネシン６２の結合していない対象物５０のみに光渦６０を集光照射し、対象物５０の回転運動を解析することで、駆動力と光強度との関係を示す情報を取得できる。具体的には、回転運動する対象物５０を観察することによって、回転速度を求める。例えば、図６（ａ）に示すように、回転数と経過時間に基づいて回転速度を算出する。当該回転速度から対象物５０にかかっている粘性抵抗力を見積もる。

例えば、１μｍ程度の微小ビーズの水中運動では、粘性抵抗力のみを考えればよいため、回転速度から光渦６０によって付与される駆動力を求めることができる。光渦６０によって付与される駆動力は、光強度に比例するため、ある光強度で付与される駆動力に基づいて、光渦６０の光強度を駆動力に換算するキャリブレーションカーブを取得することができる（図６（ｂ））。例えば、駆動力の大きさＦは、「η」を溶液の粘度とし、「ｒ」を対象物５０の半径とし、「ｖ」を対象物５０の速度（回転速度から求めることができる）とした場合、「Ｆ＝６πηｒｖ」で求めることができる。これにより、ある光強度と、そのときの駆動力の関係から、図６に示すようなキャリブレーションカーブを取得することができる。当該キャリブレーションカーブは、駆動力と光強度との関係を示す情報として、記憶部１６で記憶してよい。

次に、駆動力の方向と、対象物５０に作用する力の方向とを位置合わせする位置合わせ工程を実行する。当該工程では、まず、微小管６１上を直線的に進行している対象物５０を見つける。その後、当該対象物５０の進行方向と、光渦６０によって付与される駆動力の方向（すなわち接線方向）が一致するような位置に、光渦６０の照射位置と対象物５０の位置を合わせる。このとき、図５（ｂ）に示すように、対象物５０の進行力Ｄ１の方向と光渦６０による駆動力Ｄ２の方向が逆向きとなるように位置合わせする。

次に、光渦６０を集光照射された対象物５０の動作と、情報取得工程で取得された情報とに基づいて、対象物５０に作用する力を測定する測定工程を実行する。測定工程では、対象物５０に作用する力として、対象物５０の進行力を測定する。また、測定工程では、対象物５０が停止する時における駆動力を進行力として測定する。なお、測定工程では、測定部１４が、撮像部１３からの画像・映像、及び記憶部１６から情報を取得することで実行される。

具体的に、まず、図７（ａ）に示すように、対象物５０に光渦６０を集光照射しない状態で、対象物５０の動作を観察する。この場合、対象物５０は、キネシン６２によって作用する進行力のみに基づいて微小管６１上を進行する。次に、図７（ｂ）に示すように、光渦６０を集光照射した状態で、対象物５０の動作を観察する。初めの段階では、光強度が低い光渦６０を対象物５０に照射する。このとき、対象物５０へ駆動力Ｄ２が付与されることで、図７（ａ）の場合に比して、対象物５０の速度が遅くなる。徐々に光強度を高くしてゆくと、図７（ｃ）に示すように、進行力Ｄ１と駆動力Ｄ２とが釣り合うことで、対象物５０が停止する。

対象物５０が停止して速度が０になったときの光強度に基づいて、対象物５０に作用する進行力Ｄ１を測定する。光強度と駆動力Ｄ２との関係を示す情報を記憶部１６から取得し（情報取得工程）、当該情報を用いることで、光強度から駆動力Ｄ２を把握することができ、当該駆動力Ｄ２から対象物５０の進行力Ｄ１を測定することができる。あるいは、図６（ｃ）に示すように、光渦６０の駆動力Ｄ２を複数パターンで変化させ、各駆動力Ｄ２における対象物５０の速度を把握する。これによって、プロットされた点に対して近似線を設定する。当該近似線に基づいて、対象物５０の速度が０になる時の光渦の駆動力Ｄ２を推定できる。これによって、進行力Ｄ１の大きさを測定することができる。

次に、本実施形態に係る力測定方法、及び力測定装置１００の作用・効果について説明する。

まず、図５（ａ）を参照して、比較例に係る力測定方法で用いられる技術について説明する。比較例においては、ガウシアンビームを対物レンズで対象物５０に集光照射することで、対象物５０に駆動力を付与する技術（光ピンセット）を用いて測定することが知られている。この場合に対象物５０に付与できる駆動力は、集光中心の距離に比例する。例えば、図５（ｃ）の表に示すように、比較例においては、集光中心から離れるに従って力が増加するようにＶ字状のグラフを描いている。すなわち、対象物５０に付与する駆動力を一定にするためには集光中心からの距離を一定に保つ必要がある。従って、測定時には、集光中心と対象物５０の距離を一定に保つために、対象物５０の位置の移動量に伴って集光中心（あるいは対象物５０）を移動させ、高速フィードバック制御を行う必要がある。このように、比較例に係る力測定方法は、対象物５０の位置の高度な検出と、高速フィードバック制御等が必要となり、測定に手間がかかる場合があった。

これに対して、本実施形態に係る力測定方法は、光渦６０の周方向における少なくとも一部の領域を対象物に集光照射する集光照射工程と、光渦６０によって対象物５０に付与される駆動力の方向と、対象物５０に作用する力の方向とを位置合わせする位置合わせ工程と、を備えている。従って、対象物５０は、光渦６０によって付与される駆動力と、作用する力との関係により、所定の動作を行う。また、情報取得工程において取得された情報は駆動力と光渦６０の光強度との関係を示している。測定工程では、光渦６０を集光照射された対象物の動作と、情報取得工程で取得された情報とに基づくことで、対象物５０の所定の動作が発生した時の駆動力を光強度を介して把握することができる。従って、測定工程は、対象物５０の所定の動作が発生した時の駆動力に基づいて、対象物５０に作用する力を間接的に測定することができる。ここで、光渦６０の半径に対して、対象物５０に集光照射する領域が大幅に小さい場合、当該領域内では、対象物５０に実質的に一定の駆動力を付与できる。従って、実施形態に係る力測定方法は、光渦６０の周方向における少なくとも一部の領域を対象物５０に集光照射する集光照射工程を備えることで、対象物５０に一定の駆動力を付与することができる。すなわち、対象物５０を高精度に位置検出することと、それに基づく光渦６０の位置のフィードバック制御を行うことなく、容易に対象物５０に一定の駆動力を付与できる。従って、上述のような力の測定を容易に行うことができる。以上より、対象物５０に作用する力を容易に測定できる。なお、本実施形態に係る力測定装置１００も同様な作用・効果を得ることができる。

また、本実施形態に係る力測定方法において、対象物５０は、所定の方向へ進行するものであり、測定工程では、対象物５０に作用する力として、対象物５０の進行力を測定している。また、測定工程では、対象物５０が停止する時における駆動力を進行力として測定している。対象物５０に進行力が作用している場合に駆動力によって対象物５０が停止した場合、駆動力と進行力の大きさは等しくなる。従って、駆動力を把握することで、進行力を測定することができる。

本実施形態に係る力測定方法において、光渦６０は、ラゲール・ガウシアンビームであってよい。ラゲール・ガウシアンビームを用いた場合、運動方向として平面方向の成分のみを考慮すればよいため、伝搬軸方向の駆動力を考慮する必要を無くすことができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、図８及び図９に示される対象物の力を測定してよい。対象物５０は、ベース部材７０上において、結合部材７１と結合されるものである。測定工程では、対象物５０に作用する力として、結合部材７１との結合力を測定してよい。また、測定工程では、対象物５０が結合部材７１から離れる時における駆動力を結合力として測定してよい。この場合、対象物５０として、ポリスチレン、ガラス等の物質が採用される。

具体的には、図９（ａ）に示すように、結合部材７１に結合された状態の対象物５０を準備する。次に、図９（ｂ）に示すように、結合部材７１に結合された状態の対象物５０に対して、光渦６０を照射する。このとき、対象物５０に駆動力Ｄ２が付与される。図９（ｃ）に示すように、対象物５０に駆動力Ｄ２が付与された場合、結合部材７１と対象物５０との結合状態を維持しようとする反力Ｄ３（結合力に起因する力）が、対象物５０に作用する。これに対して、光渦６０の光強度を高めることで駆動力Ｄ２を大きくすると、対象物５０が結合部材７１から離間（破断）する。この時の駆動力Ｄ２が、対象物５０と結合部材７１との結合力と見なされる。従って、予め測定しておいた駆動力と光強度の関係から、破断時における光強度に基づいて駆動力Ｄ２把握し、それによって結合力を測定することができる。

なお、本発明の測定対象となる対象物５０は、上述のような分子モータの粒子や結合部材７１に結合された粒子に限定されず、タンパク質やＲＮＡ・ＤＮＡなどでできたタンパク質複合体および生体分子に結合した粒子、細胞小器官に結合した粒子及び細胞小器官自身、細胞に結合した粒子及び細胞自身、結合されていない自由に浮遊する粒子等であってもよい。

例えば、図１０（ａ）においては、駆動力を付与される対象物５０として自由粒子が適用され、当該自由粒子を介して部材５３に付着した細胞５２に駆動力を付与している。図１０（ｂ）においては、駆動力を付与される対象物５０として細胞５２に固定された粒子が適用され、当該粒子を介して部材５３に付着した細胞５２に駆動力を付与（細胞５２を部材５３に押し付けてもよく、引っ張ってもよい）している。なお、図１０（ａ），（ｂ）の態様においては、駆動力を付与される対象物５０が「駆動対象物」に該当し、測定対象となる細胞５２が「測定対象物」となる。このように、当該形態においては、駆動対象物と測定対象物とが異なるものとして構成されている。

また、図１０（ｃ）においては、部材５３に付着した細胞５２自体に光渦６０による駆動力が付与（細胞５２を部材５３に押し付けてもよく、引っ張ってもよい）される。図１０（ｄ）においては、対象物５０として浮遊した細胞に光渦６０による駆動力が付与される。この場合、細胞自体に対しては粘性抵抗による外力が作用することとなる。なお、図１０（ｃ），（ｄ）の態様においては、駆動力を付与されると共に測定対象となる細胞自体が「駆動対象物」であると共に「測定対象物」に該当する。

図１０に示す態様の測定対象として、細胞の弾性力を測定する場合の方法について、図１１を参照して説明する。ここでは、細胞の弾性力を示す値として、ヤング率を測定するものとする。すなわち、ヤング率は「測定対象物に作用する力に関わる情報」に該当する。

図１１（ａ）に示すように、スライドガラス状の細胞５２に対し、ポリエチレンビーズで構成された対象物５０を光渦６０で押し当てる。このとき、対象物５０の移動量を測定することで、光渦６０によって付与した駆動力と対象物５０の移動量に基づき、下記の式（３）を用いてヤング率を測定する。なお、ポアソン比は細胞５２を蛍光染色して、その形の変化から見積もることができる。対象物５０であるビーズの半径は既知である。従って、ビーズが細胞５２に沈んだ距離と光渦６０で与えた駆動力の関係からヤング率を求めることができる。

Ｆ：光渦で与えた駆動力
Ｅ：ヤング率
ν：ポアソン比（縦ひずみと横ひずみの比）
Ｒ：ビーズの半径
σ：ビーズが細胞に沈んだ距離

なお、上述のようにヤング率を測定する場合は、分子モータと同様に図１に示すような光学系を利用することができる。照明系については、対象物の位置を可視化するための明視野画像の他に、蛍光染色した細胞膜を可視化できる蛍光画像を取得するためのフィルターセットやダイクロイックミラーをミラー１１とレンズ１２の間などに用いることが出来る。細胞５２はカバーガラスに自然に接着してよい。細胞５２が接着しやすいようにガラス表面をフィブロネクチンなどでコートしてもよい。

次に、力のキャリブレーションについて説明する。分子モータの力測定と同様に、実験の前に、光渦６０によって対象物５０に作用する駆動力と光渦６０の光強度との関係を測定しておく。光渦６０の強度ごとに、光渦６０を照射したときの回転速度を見積り、回転速度から対象物５０に加わるトルクすなわち駆動力を見積もる。この操作によって、光渦６０による駆動力を光渦６０の光強度から見積もることが出来る。

次に、試料容器および試料の作製について説明する。図１１（ｂ），（ｃ）に示すように、細胞５２のヤング率を測定するために、細胞５２に対象物５０であるビーズを押し当てる試料を作製する。試料を封入するチャンバー容器８０はカバーガラス７３を２枚とスペーサー７４を用いて作製する。作製したチャンバー容器８０に細胞５２と対象物５０としてのポリスチレンビーズの混合液を封入し、グリース７２を使って封じる。試料が作製出来たら、細胞５２に対象物５０を介して駆動力を加える。この時の駆動力とビーズの移動度の関係を見積もる。見積もったビーズの移動度と力から、前述の式（３）を用いてヤング率を測定する。

また、上述の実施形態では、対象物５０に作用する力の方向と、光渦６０による駆動力の方向は、反対向きになるように位置合わせされていたが、これに限定されない。例えば、図１２（ａ）に示すように、脂質膜５６に平行な方向に係る張力Ｄ４を測定する場合には、脂質膜５６に垂直な方向に駆動力Ｄ２を与えるように設定してよい。その他、定常的に対象物に係る力（定常力）がわかっている場合には、定常力を無視し、定常力とは別方向の対象物の力測定のみを行うことも可能である。例えば、図１２（ｂ）に示すように、容器７５内で一定の流れがある溶液中を遊泳するバクテリア７６について、溶液の流れと垂直方向における発生力の測定などを行ってもよい。光渦６０による駆動力を測定対象物であるバクテリア７６が発生する発生力とを同一方向に設定することで、測定対象物が本来有する能力以上の速度領域における力学的性質（測定対象物に作用する力に関わる方法）を測定することができる。

また、上述の実施形態においては、光渦６０の全体を照射していたが、例えばスリット付きのマスク等を配置することによって、対象物５０の集光照射に必要な領域のみを透過させてもよい。

７…ステージ（位置合わせ部）、１４…測定部（測定部、情報取得部）、２０…集光照射部、５０…対象物（駆動対象物、測定対象物）、５２…細胞（駆動対象物、測定対象物）、６０…光渦、７６…バクテリア（駆動対象物、測定対象物）、１００…力測定装置、Ｄ１…進行力、Ｄ２…駆動力。

Claims (8)

1. 測定対象物に作用する力に関わる情報の測定を行う力測定方法であって、
   軌道角運動量を有する光である光渦の周方向における少なくとも一部の領域を駆動対象物に集光照射する集光照射工程と、
   前記光渦によって前記駆動対象物に付与される駆動力の方向と、前記測定対象物に作用する前記力の方向を位置合わせする位置合わせ工程と、
   前記駆動力と前記光渦の光強度との関係を示す情報を取得する情報取得工程と、
   前記光渦を集光照射された前記駆動対象物の動作と、前記情報取得工程で取得された前記情報とに基づいて、前記測定対象物に作用する前記力に関わる情報を測定する測定工程と、を備える力測定方法。
2. 前記駆動対象物と前記測定対象物とが同一物である、請求項１に記載の力測定方法。
3. 前記測定対象物は、所定の方向へ進行するものであり、
   前記測定工程では、前記測定対象物に作用する前記力として、前記測定対象物の進行力を測定する、請求項１又は２に記載の力測定方法。
4. 前記測定工程では、前記測定対象物が停止する時における前記駆動力を前記進行力として測定する、請求項３に記載の力測定方法。
5. 前記測定対象物は、結合部材と結合されるものであり、
   前記測定工程では、前記測定対象物に作用する前記力として、前記結合部材との結合力を測定する、請求項１又は２に記載の力測定方法。
6. 前記測定工程では、前記測定対象物が前記結合部材から離れる時における前記駆動力を前記結合力として測定する、請求項５に記載の力測定方法。
7. 前記光渦は、ラゲール・ガウシアンビームである、請求項１〜６の何れか一項に記載の力測定方法。
8. 測定対象物に作用する力に関わる情報の測定を行う力測定装置であって、
   軌道角運動量を有する光である光渦の周方向における少なくとも一部の領域を駆動対象物に集光照射する集光照射部と、
   前記光渦によって前記駆動対象物に付与される駆動力の方向と、前記測定対象物に作用する前記力の方向を位置合わせする位置合わせ部と、
   前記駆動力と、前記光渦の光強度との関係を示す情報を取得する情報取得部と、
   前記光渦を集光照射された前記駆動対象物の動作と、前記情報取得部で取得された前記情報とに基づいて、前記測定対象物に作用する前記力に関わる情報を測定する測定部と、を備える力測定装置。

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