JP6551149B2 - Fine particle capturing method and optical tweezers device - Google Patents
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Description
本発明は、微粒子捕捉方法及び光ピンセット装置に関する。 The present invention relates to a fine particle capturing method and an optical tweezer device.
例えば1μm程度の微粒子を捕捉し、更には移動させる技術として光ピンセット技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。光ピンセット技術は、レーザー光をレンズにより集光させ、集光点に近づけた微粒子に作用する光圧力によってこの微粒子を捕捉することができる。この光ピンセット技術では、微粒子とその周囲との間に屈折率の差があり、微粒子に作用する光圧力の合力が集光点に向くことで微粒子を捕捉し続けることが可能となる。 For example, an optical tweezer technology is known as a technology for capturing and moving fine particles of about 1 μm (see, for example, Patent Document 1). In the optical tweezer technology, laser light is collected by a lens, and the fine particles can be captured by light pressure acting on the fine particles brought close to the focal point. In this optical tweezers technology, there is a difference in refractive index between the fine particle and its surroundings, and the combined force of the light pressure acting on the fine particle can be directed to the focal point to keep capturing the fine particle.
このような光ピンセット技術によって微粒子を捕捉するためには、微粒子が光透過性(レーザー光透過性)を有しており、また、微粒子の屈折率(n2)がその周囲の屈折率(n1)よりも大きい(n2>n1)ことが必要とされている。 In order to capture particulates by such an optical tweezers technique, the particulates have optical transparency (laser light permeability), and the refractive index (n2) of the particulates is the refractive index (n1) around it. Greater than (n2> n1) is required.
従来の光ピンセット技術では、扱う微粒子として光透過性を有するものを対象としているが、光透過性を有していない微粒子、例えば、金属製の微粒子についても捕捉及び移動させることを要する場合がある。例えば、ミクロ的な金属物質の摩擦力や弾性力等の物理計測を行う際に、このような金属製である微粒子を捕捉し移動させる必要がある。 The conventional optical tweezers technology targets light-transmissive particles as the particles to be handled, but it may be necessary to capture and move even non-light-transmissive particles, for example, metal particles. . For example, when performing physical measurement such as frictional force and elastic force of a microscopic metal material, it is necessary to capture and move such fine particles made of metal.
従来の光ピンセット技術では、金属製の微粒子を捕捉しようとしても、レーザー光を集光した際に発生する光圧力が集光点から離れる方向となるため、つまり金属製の微粒子は集光点に対して反発するため捕捉不能となる。そこで、従来では、少なくとも4本のレーザー光を用い、これらレーザー光の集光点により金属製の微粒子を囲むことで捕捉しようとする技術がある。しかし、微粒子は各集光点に対して反発することから微粒子の位置制御が困難であり、また、捕捉した微粒子を移動させるためには、少なくとも4本のレーザー光を同時に操作する必要があり、その操作は非常に困難となる。 In the conventional optical tweezers technology, even when trying to capture metal particles, the light pressure generated when the laser beam is collected is in the direction away from the light collection point, that is, metal particles are collected at the light collection point On the other hand, it becomes impossible to capture because it repels. Therefore, conventionally, there is a technique in which at least four laser beams are used, and the metal fine particles are surrounded by the condensing points of these laser beams to capture. However, since the fine particles repel each focusing point, it is difficult to control the position of the fine particles, and in order to move the captured fine particles, it is necessary to simultaneously operate at least four laser beams. The operation becomes very difficult.
そこで、本発明は、例えば金属製の微粒子であっても捕捉可能となる光ピンセット技術を用いた微粒子捕捉方法、及び光ピンセット装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a particle capturing method and an optical tweezers device using an optical tweezers technique that can capture even metal particles, for example.
本発明の微粒子捕捉方法は、レーザー光をレンズにより集光させ、当該レーザー光の集光点に近づけた微粒子を捕捉する光ピンセット技術を用いた微粒子捕捉方法であって、光透過性を有する第一微粒子を正負の一方に帯電させ、前記第一微粒子よりも光透過性の低い第二微粒子を正負の他方に帯電させ、前記レンズによって集光点に集光させたレーザー光により前記第一微粒子を捕捉し、捕捉した前記第一微粒子との間で生じるクーロン力により前記第二微粒子を捕捉する。 The particle capturing method of the present invention is a particle capturing method using an optical tweezers technique in which a laser beam is condensed by a lens and the particles brought close to the focusing point of the laser beam are captured, and have light transmittance. One particle is charged to one of positive and negative, the second particle having a light transmitting property lower than that of the first particle is charged to the other of the positive and negative, and the first particle is charged by a laser beam collected by the lens. Is captured, and the second particle is captured by the Coulomb force generated between the first particle and the captured first particle.
この微粒子捕捉方法によれば、第二微粒子が例えば金属製の微粒子であっても、光透過性を有する第一微粒子を正負の一方に帯電させ、この金属製の微粒子(第二微粒子)を正負の他方に帯電させることで、レンズによる集光点に近づけて捕捉した第一微粒子との間で生じるクーロン力により、金属製の微粒子(第二微粒子)を捕捉することが可能となる。 According to this particle capturing method, even if the second particle is, for example, a metal particle, the light transmitting first particle is charged to one of positive and negative, and the metal particle (second particle) is By charging to the other side, it is possible to capture metallic microparticles (second microparticles) due to the Coulomb force generated between the first microparticles captured close to the focal point by the lens.
また、前記微粒子捕捉方法において、複数の前記第一微粒子それぞれを正負の一方に帯電させ、レーザー光を異なる集光点それぞれで集光させ、異なる前記集光点それぞれに集光させたレーザー光により複数の前記第一微粒子を分けて捕捉し、捕捉した複数の前記第一微粒子それぞれとの間で生じるクーロン力により前記第二微粒子を捕捉するのが好ましい。
この場合、例えば、異なる二つの集光点で集光させたレーザー光により二つの第一微粒子を分けて捕捉し、これら捕捉した二つの第一微粒子によって、これらの間に位置する第二微粒子の捕捉が可能となる。これにより、第二微粒子の捕捉力が高まり、第二微粒子の操作の自由度を増やすことができる。
Further, in the particle capturing method, each of the plurality of first particles is charged to one of positive and negative, the laser beam is focused at different focusing points, and the laser beam is focused on the different focusing points. It is preferable that the plurality of first particles be separately captured and the second particles be captured by the Coulomb force generated between each of the plurality of first particles captured.
In this case, for example, the two first microparticles are divided and captured by laser beams collected at two different focusing points, and the two first microparticles thus trapped separate the second microparticles located between them. Capturing is possible. Thereby, the capture power of the second particulates can be enhanced, and the freedom of operation of the second particulates can be increased.
また、前記第一微粒子は前記第二微粒子よりも体積が大きいのが好ましい。例えば、第一微粒子と第二微粒子とが同じ電荷を有しており、第一微粒子が第二微粒子よりも体積が大きい場合、同じ体積の場合よりも、第一微粒子同士をその体積差分離すことができる。これによってそれぞれの微粒子同士の接触を避けることができる。 Moreover, it is preferable that the first fine particles have a volume larger than that of the second fine particles. For example, when the first particle and the second particle have the same charge, and the first particle has a volume larger than that of the second particle, the first particles are separated from each other by the volume difference as compared with the case of the same volume. Can do. This makes it possible to avoid contact between the respective particles.
また、本発明の光ピンセット装置は、レーザー光を出射する光源と、前記光源からのレーザー光を集光させるレンズと、前記光源と前記レンズとの間に設けられ所定の第一位置を前記光源からのレーザー光の集光点とするための光学手段と、を備え、前記光学手段によって前記第一位置に集光させた前記レーザー光により、光透過性を有し正負の一方に帯電させた第一微粒子を捕捉し、正負の他方に帯電させた第二微粒子を、前記第一微粒子との間で生じるクーロン力により前記第一位置とは異なる第二位置で捕捉する構成である。 Further, according to the optical tweezers device of the present invention, a light source for emitting laser light, a lens for condensing laser light from the light source, and a predetermined first position provided between the light source and the lens as the light source And optical means for setting a condensing point of laser light from the light source, and the laser light condensed at the first position by the optical means has light transparency and is charged to one of positive and negative. The first particle is captured, and the second particle charged to the other of positive and negative is captured at a second position different from the first position by the Coulomb force generated between the first particle and the second particle.
この光ピンセット装置によれば、第二微粒子が例えば金属製の微粒子であっても、光透過性を有する第一微粒子を正負の一方に帯電させ、この金属製の微粒子(第二微粒子)を正負の他方に帯電させることで、レンズの集光点(第一位置)に近づけて捕捉した第一微粒子との間で生じるクーロン力により、金属製の微粒子(第二微粒子)を第一位置とは異なる第二位置で捕捉することが可能となる。 According to this optical tweezers device, even if the second fine particle is, for example, a fine particle made of metal, the first fine particle having light transparency is charged to one of positive and negative, and the fine particle (second fine particle) made of metal is Of the metal particles (second particles) with the first position by the Coulomb force generated between the first particles captured close to the focusing point (first position) of the lens. It is possible to capture at a different second position.
また、前記光学手段は、前記光源からのレーザー光を分光する光学器を含み、前記光学器により分光した複数のレーザー光それぞれを異なる第一位置に集光させるのが好ましい。
この場合、複数に分光したレーザー光によって複数の集光点が得られ、これら集光点において複数の第一微粒子を分けて捕捉し、捕捉した複数の第一微粒子それぞれとの間で生じるクーロン力により第二微粒子を捕捉することができる。つまり、複数の集光点において複数の第一微粒子を分けて捕捉するが、光源は一つで済む。
Further, it is preferable that the optical unit includes an optical unit that disperses the laser light from the light source, and condenses each of the plurality of laser beams separated by the optical unit at different first positions.
In this case, a plurality of focusing points are obtained by the laser light divided into a plurality of parts, and a plurality of first particles are divided and captured at these focusing points, and Coulomb force generated between each of the plurality of captured first particles The second particle can be captured by the That is, although a plurality of first microparticles are divided and captured at a plurality of focusing points, only one light source is sufficient.
本発明によれば、光ピンセット技術を用いて、例えば金属製である微粒子を捕捉することが可能となる。 According to the present invention, optical tweezers technology can be used to capture particulates, for example made of metal.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、光ピンセット装置1の全体構成を説明する説明図である。光ピンセット装置1は、レーザー光用の光源10、導光手段(21〜27)、光学手段40、第一レンズ28、照明用の光源30、第二レンズ31、装置ベース45、ステージ46、駆動手段48、撮像手段50、及び制御手段60を含む。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the drawings.
FIG. 1 is an explanatory view for explaining the entire configuration of the optical tweezers 1. The optical tweezers 1 includes a light source 10 for laser light, light guiding means (21 to 27), an optical means 40, a first lens 28, a light source 30 for illumination, a second lens 31, an apparatus base 45, a stage 46, and driving. Means 48, imaging means 50, and control means 60 are included.
この光ピンセット装置1では、後にも説明するが、作業床に固定状態にある装置ベース45に対してステージ46が駆動手段48によって移動可能として構成されており、その他の機器である光源10、レンズ28、撮像手段50等は装置ベース45に固定状態として設けられており、これらは装置ベース45に対して移動しない。 In this optical tweezer device 1, as will be described later, a stage 46 is configured to be movable by a driving unit 48 with respect to a device base 45 that is fixed to the work floor. The imaging means 50 and the like are provided in a fixed state on the device base 45, and these do not move relative to the device base 45.
レーザー光用の光源10は、レーザー光(レーザービーム)Lを出射するレーザー装置であり、制御手段60からの制御信号に基づいて第一波長のレーザー光Lを出射する。このレーザー光Lに基づく光ピンセット技術によって、ステージ46に搭載されている保持部材(例えばプレパラート)47に保持されている微粒子が捕捉される(光トラップされる)。 The light source 10 for laser light is a laser device that emits laser light (laser beam) L, and emits laser light L of a first wavelength based on a control signal from the control means 60. By the optical tweezer technology based on the laser light L, fine particles held on a holding member (for example, a preparation) 47 mounted on the stage 46 are captured (light trapped).
導光手段(21〜27)は、光源10から出射させたレーザー光Lを、光学手段40へと導くためのものである。導光手段(21〜27)を順に説明する。
第一反射ミラー21は、光源10からのレーザー光Lを反射して第一絞り22へ入射させる。第一絞り22は、入射したレーザー光Lの径を絞って第一コリメートレンズ23へ出射する。第一コリメートレンズ23は、レーザー光Lの径を拡大して第二コリメートレンズ24へ出射する。第二コリメートレンズ24は、径が拡大されたレーザー光Lを平行光に変換して第二絞り25へ出射する。第二絞り25は、平行光とされたレーザー光Lの径を絞って第一ミラー26に向けて出射する。第一ミラー26は、入射するレーザー光Lを第二ミラー27に向けて反射する。第二ミラー27は、入射するレーザー光Lを光学手段40に向けて反射する。
The light guiding means (21 to 27) are for guiding the laser light L emitted from the light source 10 to the optical means 40. The light guiding means (21 to 27) will be described in order.
The first reflection mirror 21 reflects the laser light L from the light source 10 and causes the laser light L to be incident on the first stop 22. The first aperture stop 22 narrows the diameter of the incident laser beam L and emits it to the first collimator lens 23. The first collimating lens 23 enlarges the diameter of the laser light L and emits it to the second collimating lens 24. The second collimator lens 24 converts the laser beam L whose diameter is expanded into parallel light and emits the parallel light. The second diaphragm 25 narrows the diameter of the collimated laser light L and emits it toward the first mirror 26. The first mirror 26 reflects the incident laser light L toward the second mirror 27. The second mirror 27 reflects the incident laser light L toward the optical means 40.
光学手段40は、光学器40aとして、例えば音響光学変調器(AOM)を含む構成であり、光学器(音響光学変調器)40aは、第二ミラー27から入射するレーザー光Lを複数のレーザー光に分ける機能を有している。本実施形態では、光学器40aは、制御手段60からの制御信号に基づいて、入射する単一のレーザー光Lを二つのレーザー光L1,L2に分ける。そして、図2に示すように、これらレーザー光L1,L2は共に第一レンズ28に入射する。図2は、光学手段40、レンズ28、及び保持部材47の説明図である。 The optical means 40 is configured to include, for example, an acousto-optic modulator (AOM) as the optical device 40a, and the optical device (acousto-optic modulator) 40a includes a plurality of laser beams L incident from the second mirror 27. It has a function to categorize. In the present embodiment, the optical device 40a divides the incident single laser beam L into two laser beams L1 and L2 based on the control signal from the control means 60. Then, as shown in FIG. 2, these laser beams L1 and L2 both enter the first lens. FIG. 2 is an explanatory view of the optical means 40, the lens 28 and the holding member 47.
第一レンズ28は、光学手段40から入射する一方のレーザー光L1を保持部材47に設定される(一つ目の)焦点位置に向けて集光し、また、光学手段40から入射する他方のレーザー光L2を保持部材47に設定される別の(二つ目の)焦点位置に向けて集光する。このように分光された一方のレーザー光L1が集光する位置が第一集光点Q1となり、分光された他方のレーザー光L2が集光する位置が第二集光点Q2となる。 The first lens 28 condenses one laser beam L1 incident from the optical means 40 toward the (first) focal position set on the holding member 47 and the other lens incident from the optical means 40. The laser beam L2 is condensed toward another (second) focal position set in the holding member 47. The position at which one of the split laser beams L1 is focused is the first focusing point Q1, and the position at which the other split laser beam L2 is focused is the second focusing point Q2.
図1において、照明用の光源30は例えばLED照明であり、制御手段60からの制御信号に基づいて第二波長の照明光Sを出射する。この照明光Sは、保持部材47に保持されている微粒子の状態を観測する撮像手段50のための照明となる。第二レンズ31は、照明用の光源30から出射させた照明光Sを、集光点Q1,Q2を含む領域に集光する。 In FIG. 1, the light source 30 for illumination is, for example, an LED illumination, and emits illumination light S of a second wavelength based on a control signal from the control means 60. The illumination light S serves as illumination for the imaging unit 50 that observes the state of the particles held by the holding member 47. The second lens 31 condenses the illumination light S emitted from the light source 30 for illumination in a region including the condensing points Q1 and Q2.
ステージ46は、微粒子を保持する保持部材47を搭載する。保持部材47には、流体、及び、この流体に含まれ捕捉の対象とする微粒子が保持されている。また、この流体には、捕捉の対象としない微粒子が含まれていてもよい。本実施形態では、前記流体は液体である。なお、この流体の屈折率(n1)は、微粒子の屈折率(n2)よりも小さい(n1<n2)。 The stage 46 mounts a holding member 47 that holds fine particles. The holding member 47 holds a fluid and particulates contained in the fluid and targeted for capture. The fluid may contain fine particles that are not to be captured. In this embodiment, the fluid is a liquid. The refractive index (n1) of this fluid is smaller than the refractive index (n2) of the fine particles (n1 <n2).
ステージ46は、前後、左右、上下に移動可能として支持されており、駆動手段48がステージ46を前後、左右、上下に移動させる。図1では、前後方向、左右方向、及び上下方向をそれぞれX軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向として示している。駆動手段48は、制御手段60からの制御信号に基づいて、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の少なくとも一方向にステージ46を移動させ、保持部材47を同方向に移動させる。駆動手段48は、例えばピエゾ素子を用いたアクチュエータからなる。 The stage 46 is supported so as to be movable back and forth, left and right, up and down, and the driving means 48 moves the stage 46 back and forth, left and right, up and down. In FIG. 1, the front-rear direction, the left-right direction, and the up-down direction are shown as an X-axis direction, a Y-axis direction, and a Z-axis direction, respectively. The driving unit 48 moves the stage 46 in at least one of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction based on a control signal from the control unit 60, and moves the holding member 47 in the same direction. The driving means 48 is, for example, an actuator using a piezo element.
このように、図1に示す光ピンセット装置1では、レンズ28を移動させないことから(駆動手段48によって)集光点Q1,Q2(レンズ28)は移動せず、この結果、この集光点Q1,Q2に近づいて捕捉される微粒子は(駆動手段48によって)移動しない。これに対して、駆動手段48によってステージ46が保持部材47と共に移動することから、前記集光点Q1,Q2に近づいて捕捉される微粒子に対して、その周囲の流体(及びこの流体に含まれる捕捉されていない微粒子)が移動することとなる。
なお、図1に示す形態とは異なって、ステージ46は固定であり、レンズ28の焦点(集光点Q1,Q2)が移動する構成であってもよい。
また、本実施形態では、光学手段40が音響光学変調器からなるので、この光学手段(音響光学変調器)40によって集光点Q1,Q2の位置を変化させてもよい。すなわち、この音響光学変調器に作用させる電圧を変化させることでレンズ28におけるレーザー光L1,L2の入射位置を変更させ、これにより集光点Q1,Q2を移動させ、この集光点Q1,Q2に近づいて捕捉される微粒子を移動させてもよい。
As described above, in the optical tweezers device 1 shown in FIG. 1, the focusing point Q1 and Q2 (lens 28) does not move (by the driving means 48) because the lens 28 is not moved. , Q 2, and the trapped particles do not move (by the driving means 48). On the other hand, since the stage 46 is moved together with the holding member 47 by the driving means 48, the particles trapped in the vicinity of the focusing points Q1 and Q2 are contained in the fluid (and in the surrounding fluid) Particulates that are not trapped will move.
Note that, unlike the mode shown in FIG. 1, the stage 46 may be fixed, and the focal point of the lens 28 (focus points Q1 and Q2) may be moved.
Further, in the present embodiment, since the optical means 40 is an acousto-optic modulator, the positions of the focusing points Q1 and Q2 may be changed by the optical means (acousto-optic modulator) 40. That is, by changing the voltage applied to the acousto-optic modulator, the incident positions of the laser beams L1 and L2 in the lens 28 are changed, thereby moving the focusing points Q1 and Q2, and the focusing points Q1 and Q2 The particle to be captured may be moved closer to the
撮像手段50は、例えばCCDカメラやCMOSカメラであり、集光点Q1,Q2及びその周囲を含む領域を撮像する。撮像手段50は、撮像して得た画像データを制御手段60に出力する。
制御手段60は、例えばパーソナルコンピュータであり、前記のとおり各制御信号を出力し、また、撮像手段50から画像データを取り込む。
The imaging unit 50 is, for example, a CCD camera or a CMOS camera, and images a region including the focusing points Q1 and Q2 and the periphery thereof. The imaging unit 50 outputs the image data obtained by imaging to the control unit 60.
The control means 60 is, for example, a personal computer, and outputs each control signal as described above, and also takes in image data from the imaging means 50.
本実施形態の光ピンセット装置1は、前記のように構成されているが、例えば導光手段(21〜27)は他の構成であってもよい。すなわち、本発明の光ピンセット装置1は(図1参照)、レーザー光Lを出射する光源10と、この光源10からのレーザー光Lを集光させるレンズ28と、光源10とレンズ28との間の一部に設けられている光学手段40とを備えている。そして、図2に示すように、光学手段40は、所定の位置(第一位置P1−1,P1−2)を光源10からのレーザー光L1,L2の集光点Q1,Q2とする。光学手段40によって第一位置P1−1,P1−2に集光させたレーザー光L1,L2により、光透過性を有し負に帯電させた第一微粒子C1−1,C1−2を捕捉する(光トラップする)。そして、この光ピンセット装置1は、正に帯電させた第二微粒子C2を、負に帯電させた第一微粒子C1−1,C1−2との間で生じるクーロン力により、第一位置P1−1,P1−2とは異なる第二位置P2で捕捉するように構成されている。 The optical tweezer device 1 of the present embodiment is configured as described above, but the light guide means (21 to 27) may have other configurations, for example. That is, the optical tweezers device 1 of the present invention (see FIG. 1) includes a light source 10 for emitting the laser light L, a lens 28 for condensing the laser light L from the light source 10, and a space between the light source 10 and the lens 28. And optical means 40 provided in a part of the above. As shown in FIG. 2, the optical unit 40 sets the predetermined positions (first positions P <b> 1-1 and P <b> 1-2) as the condensing points Q <b> 1 and Q <b> 2 of the laser beams L <b> 1 and L <b> 2 from the light source 10. The first microparticles C1-1 and C1-2 which are light transmissive and negatively charged are captured by the laser beams L1 and L2 condensed at the first positions P1-1 and P1-2 by the optical means 40. (Light trap). And this optical tweezers device 1 is the 1st position P1-1 by the Coulomb force which arises between the 1st fine particles C1-1 and C1-2 which negatively charged the 2nd fine particles C2 positively charged. , P1-2 is configured to capture at a second position P2 different from the second position P2.
更に、本実施形態では、前記のとおり、光学手段40は、光源10からのレーザー光Lを分光する光学器40aとして音響光学変調器を含んでおり、この光学器(音響光学変調器)40aにより分光した複数のレーザー光L1,L2それぞれを相互異なる第一位置P1−1,P1−2に集光させている構成である。
このため、複数に分光したレーザー光L1,L2によって複数の集光点Q1,Q2が得られ、これら集光点Q1,Q2において複数の第一微粒子C1−1,C1−2を分けて捕捉し、捕捉した複数の第一微粒子C1−1,C1−2それぞれとの間で生じるクーロン力により第二微粒子C2を捕捉することができる。つまり、複数の集光点Q1,Q2において複数の第一微粒子C1−1,C1−2を分けて捕捉するが、光源10、及びレンズ28は一つで済み、光ピンセット装置1の構成の簡素化が図れる。また、前記音響光学変調器によれば、第一微粒子C1−1,C1−2を光トラップして同時に操作することができる。
Furthermore, in the present embodiment, as described above, the optical unit 40 includes an acousto-optic modulator as an optical unit 40a that splits the laser light L from the light source 10, and this optical unit (acousto-optic modulator) 40a In this configuration, the laser beams L1 and L2 that have been split are condensed at different first positions P1-1 and P1-2.
For this reason, a plurality of focusing points Q1 and Q2 are obtained by the laser beams L1 and L2 which are split into a plurality of pieces, and the plurality of first microparticles C1-1 and C1-2 are divided and captured at the focusing points Q1 and Q2. The second particle C2 can be captured by the Coulomb force generated between each of the plurality of captured first particles C1-1 and C1-2. That is, although the plurality of first microparticles C1-1 and C1-2 are separately captured at the plurality of focusing points Q1 and Q2, only one light source 10 and one lens 28 are required, and the configuration of the optical tweezers device 1 is simplified. Can be Further, according to the acousto-optic modulator, the first fine particles C1-1 and C1-2 can be optically trapped and operated simultaneously.
なお、光学手段40は音響光学変調器以外の別の手段から構成されていてもよく、各種導光手段を組み合わせて得られる構成であってもよい。また、光源10、及びこの光源10からのレーザー光Lを集光させるレンズ28についても複数設けられていてもよく、これらにより複数の集光点を得る構成であってもよい。 In addition, the optical means 40 may be comprised from another means other than an acousto-optic modulator, and the structure obtained by combining various light guide means may be sufficient as it. Also, a plurality of light sources 10 and lenses 28 for condensing the laser light L from the light sources 10 may be provided, and a configuration in which a plurality of condensing points are obtained by these may be employed.
〔微粒子捕捉方法について〕
以上の構成を備えた光ピンセット装置1によって実行される微粒子捕捉方法について説明する。
図3は、保持部材47に保持されている微粒子の説明図である。保持部材47に、負(マイナス)に帯電させた第一微粒子C1−1,C1−2と、正(プラス)に帯電させた第二微粒子C2とを混入させている。本実施形態では、第一微粒子C1−1,C1−2は樹脂製の微粒子であり、光透過性(レーザー光透過性)を有している。これに対して、第二微粒子C2は金属製の微粒子であり、光透過性(レーザー光透過性)を有していない。
また、これら微粒子C1−1,C1−2,C2は、液体W中に保持されている。つまり、本実施形態では、保持部材47に液体Wが保持されており、この液体Wの中に微粒子C1−1,C1−2,C2が存在している。
[Regarding the particle capture method]
A particle capturing method performed by the optical tweezers device 1 having the above configuration will be described.
FIG. 3 is an explanatory view of the particles held by the holding member 47. As shown in FIG. In the holding member 47, the first microparticles C1-1 and C1-2 charged negatively (negative) and the second microparticles C2 charged positively (plus) are mixed. In the present embodiment, the first particles C1-1 and C1-2 are resin-made particles, and have light transmittance (laser light transmittance). On the other hand, the second particles C2 are metal particles and do not have light transmittance (laser light transmittance).
Further, the particles C1-1, C1-2, and C2 are held in the liquid W. That is, in the present embodiment, the liquid W is held by the holding member 47, and the particles C1-1, C1-2, and C2 exist in the liquid W.
樹脂製の第一微粒子C1−1,C1−2を負に帯電させる方法(一例)は、次のとおりである。例えば、コロナ帯電法とすることができ、コロナ放電により電離されたマイナス(負)イオンを対象物に放出することによって帯電させる方法とすることができる。なお、ここでの帯電は、非接触式とするのが好ましい。
また、金属製の第二微粒子C2を正に帯電させる方法(一例)は、次のとおりである。例えば、コロナ放電法とすることができる。なお、ここでは、非接触式とする以外に接触式の方法も採用できる。例えば、同じ金属の板を対象物に接触させ電圧を印加させることで電子の移動が生じ、前記板と対象物とを離すことで帯電させる方法であってもよい。
The method (one example) for negatively charging the resin-made first fine particles C1-1 and C1-2 is as follows. For example, it can be a corona charging method, and can be a method of charging by releasing a negative (negative) ion ionized by corona discharge to an object. In addition, it is preferable to set it as non-contact type charging here.
Moreover, the method (an example) which positively charges the metal 2nd microparticles | fine-particles C2 is as follows. For example, a corona discharge method can be used. Here, in addition to the non-contact type, a contact type method can also be adopted. For example, movement of electrons may occur by bringing a plate of the same metal into contact with an object and applying a voltage, and charging may be performed by separating the plate from the object.
図2において、前記のとおり、光学手段40は、光源30側からのレーザー光Lを分光する光学器40aとして音響光学変調器を含む構成であり、この光学器(音響光学変調器)40aは、入射する単一のレーザー光Lを二つのレーザー光L1,L2に分ける。これらレーザー光L1,L2は単一のレンズ28に入射し、レンズ28によりそれぞれ異なる集光点Q1,Q2で集光させる。つまり、一方のレーザー光L1を第1集光点Q1で集光させ、他方のレーザー光L2を第1集光点Q1と異なる第2集光点Q2で集光させる。
これにより、第1集光点Q1に一方の第一微粒子C1−1を近づけて捕捉することができ、第2集光点Q2に他方の第一微粒子C1−2を近づけて捕捉することができる。
In FIG. 2, as described above, the optical means 40 is configured to include an acousto-optic modulator as an optical unit 40 a that splits the laser light L from the light source 30 side, and this optical unit (acousto-optic modulator) 40 a is A single incident laser beam L is divided into two laser beams L1 and L2. The laser beams L1 and L2 are incident on a single lens 28, and are condensed by the lens 28 at different condensing points Q1 and Q2, respectively. That is, one laser beam L1 is focused at the first focusing point Q1, and the other laser beam L2 is focused at the second focusing point Q2 different from the first focusing point Q1.
Thereby, one first particle C1-1 can be captured close to the first focusing point Q1, and the other first particle C1-2 can be captured closer to the second focusing point Q2. .
そして、図3に示すように、樹脂製の第一微粒子C1−1,C1−2は、前記のとおり負(マイナス)に帯電していることから、これら第一微粒子C1−1,C1−2の近くに存在し正(プラス)に帯電している金属製の第二微粒子C2は、クーロン力の吊り合う位置で、これら第一微粒子C1−1,C1−2によって捕捉される。なお、第一微粒子C1−1,C1−2それぞれと第二微粒子C2との間で生じるクーロン力Fは、次の式(1)による。 As shown in FIG. 3, since the resin-made first fine particles C1-1 and C1-2 are negatively charged as described above, the first fine particles C1-1 and C1-2 are charged. The second metallic fine particles C2 that are present near and positively charged (positive) are captured by the first fine particles C1-1 and C1-2 at the position where the Coulomb force is suspended. In addition, the Coulomb force F which arises between each of 1st microparticles | fine-particles C1-1 and C1-2 and 2nd microparticles | fine-particles C2 is following Formula (1).
以上のように図1に示す光ピンセット装置1によって行われる微粒子捕捉方法は、レーザー光Lをレンズ28により集光させ、レーザー光の集光点Q1,Q2に近づけた第一微粒子C1−1,C1−2を捕捉する光ピンセット技術(光トラップ技術)を用いた方法である。更に、この微粒子捕捉方法は、荷電微粒子間に働く引力を更に用いている。 As described above, in the particle capturing method performed by the optical tweezers device 1 shown in FIG. 1, the first particle C1-1, in which the laser beam L is condensed by the lens 28 and brought close to the focusing points Q1 and Q2 of the laser beam. This is a method using optical tweezer technology (optical trap technology) for capturing C1-2. Further, this fine particle capturing method further uses an attractive force acting between charged fine particles.
前記実施形態では、第一微粒子C1−1,C1−2を負に帯電させ、第二微粒子C2を正に帯電させた場合について説明したが、反対であってもよい。つまり、本発明の微粒子捕捉方法は、光透過性を有する第一微粒子C1−1,C1−2を正負の一方に帯電させ、第二微粒子C2を正負の他方に帯電させればよく、これにより、集光点Q1,Q2に集光させたレーザー光L1,L2により第一微粒子C1−1,C1−2を捕捉し、捕捉したこれら第一微粒子C1−1,C1−2との間で生じるクーロン力により第二微粒子C2を捕捉する方法である。 Although the said embodiment demonstrated the case where 1st microparticles | fine-particles C1-1 and C1-2 were negatively charged and 2nd microparticles | fine-particles C2 were positively charged, it may be contrary. That is, in the particle capturing method of the present invention, the first particles C1-1 and C1-2 having light transmittance may be charged to one of positive and negative, and the second particles C2 may be charged to the other of positive and negative. The first fine particles C1-1 and C1-2 are captured by the laser beams L1 and L2 condensed at the condensing points Q1 and Q2, and are generated between the captured first fine particles C1-1 and C1-2. This is a method of capturing the second microparticles C2 by the Coulomb force.
この微粒子捕捉方法によれば、第二微粒子C2が金属製の微粒子であり光透過性を有していなくても、光透過性を有する樹脂製の第一微粒子C1−1,C1−2を正負の一方に帯電させ、この金属製の第二微粒子C2を正負の他方に帯電させることで、レンズ28による集光点Q1,Q2に近づけて捕捉した樹脂製の第一微粒子C1−1,C1−2との間で生じるクーロン力により、金属製の第二微粒子C2を捕捉することが可能となる。 According to this fine particle capturing method, even if the second fine particle C2 is a metal fine particle and does not have light transmittance, the resin-made first fine particles C1-1 and C1-2 having positive and negative properties are positive and negative. By charging the second particle C2 made of metal to the other of positive and negative, the first particle C1-1 and C1- made of resin captured close to the focusing points Q1 and Q2 by the lens 28 are captured. The Coulomb force generated between 2 and 2 makes it possible to capture the metal second microparticles C2.
そして、本実施形態では、ステージ46を保持部材47と共に移動させることで、樹脂製の第一微粒子C1−1,C1−2を介して捕捉した金属製の第二微粒子C2と、その周囲とを相対的に移動させることができる。また、音響光学変調器を含む光学手段40によって集光点Q1,Q2の位置を変更した場合、これら集光点Q1,Q2に樹脂製の第一微粒子C1−1,C1−2を追従させて移動させることができ、そして、これら第一微粒子C1−1,C1−2に追従するように金属製の第二微粒子C2を移動させることができる。 In this embodiment, by moving the stage 46 together with the holding member 47, the metal second fine particles C2 captured via the resin first fine particles C1-1 and C1-2, and the periphery thereof. It can be moved relatively. When the positions of the focusing points Q1 and Q2 are changed by the optical means 40 including the acousto-optic modulator, the first particles C1-1 and C1-2 made of resin are made to follow the focusing points Q1 and Q2. The metal second fine particles C2 can be moved so as to follow the first fine particles C1-1 and C1-2.
特に本実施形態では、図2及び図3に示すように、二つの樹脂製の第一微粒子C1−1,C1−2それぞれを負に帯電させており、レーザー光Lを異なる集光点Q1,Q2それぞれで集光させている。そして、これら異なる集光点Q1,Q2それぞれに集光させたレーザー光L1,L2により、二つの第一微粒子C1−1,C1−2を分けて捕捉している。そして、捕捉した二つの第一微粒子C1−1,C1−2それぞれとの間で生じるクーロン力により、金属製の第二微粒子C2を捕捉している。 In particular, in the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, each of the two resin-made first fine particles C1-1 and C1-2 is negatively charged, and the laser light L is collected at different condensing points Q1, Q2. Each Q2 is condensed. And two first microparticles | fine-particles C1-1 and C1-2 are divided | segmented and captured by laser beam L1, L2 condensed on each of these different condensing points Q1, Q2. Then, the metal second fine particles C2 are captured by the Coulomb force generated between the captured two first fine particles C1-1 and C1-2.
このように、異なる二つの集光点Q1,Q2で集光させたレーザー光L1,L2により二つの第二微粒子C1−1,C1−2を分けて捕捉し、これら捕捉した二つの第一微粒子C1−1,C1−2によって、これらの間に位置する第二微粒子C2の捕捉が可能となる。これにより、第二微粒子C2の捕捉力が高まり、第二微粒子C2の操作(位置制御)の自由度を増やすことができる。つまり、第二微粒子C2を、直線的に移動させるのみならず、二次元的に更には三次元的に捕捉し、二次元的更には三次元的に移動させることが可能となる。 Thus, the two second microparticles C1-1 and C1-2 are divided and captured by the laser beams L1 and L2 condensed at two different condensing points Q1 and Q2, and these two first microparticles captured C1-1 and C1-2 make it possible to capture the second fine particle C2 located therebetween. As a result, the capturing power of the second particle C2 is enhanced, and the degree of freedom in the operation (position control) of the second particle C2 can be increased. That is, the second fine particles C2 can be moved not only linearly but also two-dimensionally and three-dimensionally and moved two-dimensionally and three-dimensionally.
また、本実施形態では、一方の第一微粒子C1−1と他方の第一微粒子C1−2とは同じものであり、同じ大きさである。これにより、第一微粒子C1−1,C1−2の電荷量(q1)を同じとすることができる。この結果、電場のバランスが崩れるのを防ぐことができ、第二微粒子C2の捕捉性能を高めることができる。
更に、本実施形態では、第一微粒子C1−1(C1−2)は第二微粒子C2よりも体積が大きい。例えば、第一微粒子C1−1(C1−2)と第二微粒子C2とが同じ電荷を有しており、第一微粒子C1−1(C1−2)が第二微粒子C2よりも体積が大きい場合、同じ体積の場合よりも、第一微粒子C1−1,C1−2同士をその体積差分離すことができる。これによってそれぞれの微粒子同士の接触を避けることができる。
Further, in the present embodiment, one first particle C <b> 1-1 and the other first particle C <b> 1-2 are the same and have the same size. Thereby, the charge amount (q1) of the first fine particles C1-1 and C1-2 can be made the same. As a result, the balance of the electric field can be prevented from being lost, and the capture performance of the second fine particles C2 can be improved.
Further, in the present embodiment, the first fine particles C1-1 (C1-2) have a larger volume than the second fine particles C2. For example, when the first particle C1-1 (C1-2) and the second particle C2 have the same charge, and the first particle C1-1 (C1-2) has a larger volume than the second particle C2 The first fine particles C1-1 and C1-2 can be separated from each other by a volume difference as compared with the case of the same volume. This can avoid contact between the respective fine particles.
なお、前記実施形態では、第一微粒子C1−1,C1−2は光透過性を有しているのに対して、第二微粒子C2は光透過性を有していない場合(金属微粒子)を説明したが、第二微粒子C2は光透過性の低い微粒子であってもよい。光透過性の低い微粒子はレーザー光による捕捉を行いにくくなるが、前記実施形態のように、光透過性の低い微粒子を前記第二微粒子とすることで、捕捉可能となる。つまり、本発明の微粒子捕捉方法は、第二微粒子が、光透過性を有していない場合の他に、第一微粒子よりも光透過性の低い場合においても適用可能である。 In the above-described embodiment, the first particles C1-1 and C1-2 have light transmission, whereas the second particles C2 do not have light transmission (metal particles). As described above, the second particles C2 may be particles with low light transmittance. Fine particles with low light transmittance are difficult to be captured by laser light, but can be captured by using fine particles with low light transmittance as the second fine particles as in the above embodiment. That is, the particle capturing method of the present invention can be applied to the case where the second particle does not have light permeability, but also when the light transmittance is lower than that of the first particle.
また、前記実施形態では、第一微粒子C1−1,C1−2が樹脂製であり、第二微粒子C2が金属製である場合について説明したが、第一微粒子C1−1,C1−2は、光透過性を有していれば樹脂製以外であってもよく例えばガラス製であってもよい。また、第二微粒子C2は、金属製以外であってもよく例えばセラミックス製であってもよい。
更に、前記実施形態では、第一微粒子C1−1,C1−2を負(マイナス)に帯電させ、第二微粒子C2を正(プラス)に帯電させているが、反対であってもよい。第一微粒子C1−1,C1−2が正に帯電しやすいものである場合、第一微粒子C1−1,C1−2を正に帯電させて第二微粒子C2を負に帯電させればよく、微粒子における帯電のしやすさに応じて正負を決定すればよい。
In the above embodiment, the first particles C1-1 and C1-2 are made of resin and the second particles C2 are metal, but the first particles C1-1 and C1-2 are It may be made of other than resin as long as it has optical transparency, for example, it may be made of glass. The second particles C2 may be made of other than metal, for example, may be made of ceramics.
Furthermore, in the above-described embodiment, the first particles C1-1 and C1-2 are negatively charged, and the second particles C2 are positively charged. If the first particles C1-1 and C1-2 are likely to be positively charged, the first particles C1-1 and C1-2 may be positively charged and the second particles C2 may be negatively charged. The polarity may be determined according to the ease of charging of the particles.
また、前記実施形態では、捕捉の対象とする微粒子(C1−1,C1−2,C2)を液中に含ませているが、空中に存在させてもよい。しかし、液中である場合、微粒子を浮遊させるのが容易となり、取り扱いが容易である。
微粒子(C1−1,C1−2,C2)が液中に含まれている場合は特に、レーザー光Lを一つとしてもよく、この場合、一つの集光点に単一の第一微粒子を捕捉することができ、そして、この第一微粒子と第二微粒子とがある程度離れた位置であって、第二微粒子が第一微粒子に接近する方向の(液体による)抵抗力とクーロン力による引力とが釣り合う位置において、第二微粒子を捕捉する(止めておく)ことができる。そして、第一微粒子を一方向(第二微粒子から離れる方向)に直線的に移動させると、第二微粒子はこれに追従して移動することができる。
In the above embodiment, although the particles (C1-1, C1-2, C2) to be captured are contained in the liquid, they may be present in the air. However, when in the liquid, it becomes easy to suspend the fine particles and handling is easy.
In the case where the particles (C1-1, C1-2, C2) are contained in the solution, one laser beam L may be used in particular. It can be trapped, and the first microparticle and the second microparticle are separated to some extent, and the drag force (by the liquid) and the attractive force by the coulomb force in the direction in which the second microparticle approaches the first microparticle The second particle can be captured (stopped) at a position where it is balanced. Then, when the first particle is moved linearly in one direction (the direction away from the second particle), the second particle can move following it.
以上より、前記光ピンセット装置及び微粒子捕捉方法によれば、可及的に少ない本数のレーザー光によって、例えば金属製等の第二微粒子を捕捉することが可能となる。さらに、第二微粒子を非接触非破壊で容易に捕捉することができ、第二微粒子の位置制御が可能となる。
また、ミクロ的な金属物質の摩擦力や弾性力等の物理計測を行う際に、例えば金属製である微粒子を捕捉し移動させる必要があるが、前記光ピンセット装置及び微粒子捕捉方法によればこれが可能となる。
As mentioned above, according to the said optical tweezers apparatus and the microparticles | fine-particles trapping method, it becomes possible to capture | acquire 2nd microparticles | fine-particles, such as metal, for example by laser light of the number as small as possible. Furthermore, the second particulates can be easily captured nondestructively and nondestructively, and position control of the second particulates becomes possible.
In addition, when performing physical measurement such as frictional force or elastic force of a microscopic metal substance, it is necessary to capture and move fine particles made of metal, for example, but according to the optical tweezers device and the fine particle capturing method It becomes possible.
また、前記実施形態では、撮像手段50によって微粒子C1−1,C1−2,C2の様子を撮像することから、その様子を明確とするために、第一微粒子C1−1,C1−2と第二微粒子C2との内の少なくとも一方を着色するのが好ましい。第一微粒子C1−1,C1−2を帯電可能なマイクロカプセルとし、この中に染料や顔料を入れて構成してもよい。 Moreover, in the said embodiment, since the mode of microparticles C1-1, C1-2, and C2 is imaged by the imaging means 50, in order to clarify the mode, the first microparticles C1-1 and C1-2 and It is preferable to color at least one of the two microparticles C2. The first particles C1-1 and C1-2 may be made into chargeable microcapsules, and dyes and pigments may be contained therein.
そして、前記光ピンセット装置及び微粒子捕捉方法によれば、図3に示すように微粒子(C1−1,C1−2,C2)によって静電場を作り、例えば、マイクロ電場での帯電粒子の(正又は負の)判別を行ったり、微粒子の大きさや種類の分別を行ったりする技術に適用可能となる。さらに、物質表面の付着物を前記第二微粒子とし、この第二微粒子を物質表面から第一微粒子によって引き剥がす技術に適用可能である。 Then, according to the optical tweezers device and the particle capturing method, as shown in FIG. 3, an electrostatic field is created by the particles (C1-1, C1-2, C2), and, for example, (positive or The present invention can be applied to techniques for performing negative (negative) discrimination, and sorting of the size and type of fine particles. Further, the present invention can be applied to a technique in which the deposit on the material surface is the second fine particle, and the second fine particle is peeled off from the material surface by the first fine particle.
以上のとおり開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。つまり、本発明の光ピンセット装置及び微粒子捕捉方法は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。 The embodiments disclosed above are illustrative in all respects and not restrictive. That is, the optical tweezers and the fine particle capturing method of the present invention are not limited to the illustrated forms, and may be in other forms within the scope of the present invention.
1:光ピンセット装置 10:レーザー光用の光源 28:レンズ
40:光学手段 40a:光学器 C1−1:第一微粒子
C1−2:第一微粒子 C2:第二微粒子 L1:レーザー光
L2:レーザー光 P1−1:第一位置 P2:第二位置
Q1:第一集光点 Q2:第二集光点
1: Optical tweezers 10: Light source for laser light 28: Lens 40: Optical means 40a: Optical device C1-1: First particulate C1-2: First particulate C2: Second particulate L1: Laser light L2: Laser light P1-1: First position P2: Second position Q1: First focusing point Q2: Second focusing point
Claims (5)
光透過性を有する第一微粒子を正負の一方に帯電させ、
前記第一微粒子よりも光透過性の低い第二微粒子を正負の他方に帯電させ、
前記レンズによって集光点に集光させたレーザー光により前記第一微粒子を捕捉し、
捕捉した前記第一微粒子との間で生じるクーロン力により前記第二微粒子を捕捉する、微粒子捕捉方法。 A particulate capturing method using an optical tweezers technique in which laser light is collected by a lens and the fine particles brought close to the focusing point of the laser light are captured,
Charge one of the light-transmissive first particles positively and negatively;
Charging the second particle, which has lower light transmittance than the first particle, to the other of positive and negative,
The first particle is captured by a laser beam condensed at a condensing point by the lens,
A particulate capturing method, comprising capturing the second particulate by Coulomb force generated between the captured first particulate and the first particulate.
レーザー光を異なる集光点それぞれで集光させ、
異なる前記集光点それぞれに集光させたレーザー光により複数の前記第一微粒子を分けて捕捉し、
捕捉した複数の前記第一微粒子それぞれとの間で生じるクーロン力により前記第二微粒子を捕捉する、請求項1に記載の微粒子捕捉方法。 Charging each of the plurality of first particles to one of positive and negative,
Condensing the laser light at different focusing points,
A plurality of the first fine particles are divided and captured by the laser light condensed to each of the different condensing points;
The particulate capturing method according to claim 1, wherein the second particulates are captured by Coulomb force generated between each of the plurality of captured first particulates.
前記光源からのレーザー光を集光させるレンズと、
前記光源と前記レンズとの間に設けられ所定の第一位置を前記光源からのレーザー光の集光点とするための光学手段と、を備え、
前記光学手段によって前記第一位置に集光させた前記レーザー光により、光透過性を有し正負の一方に帯電させた第一微粒子を捕捉し、
正負の他方に帯電させた第二微粒子を、前記第一微粒子との間で生じるクーロン力により前記第一位置とは異なる第二位置で捕捉する、
光ピンセット装置。 A light source for emitting laser light,
A lens for condensing laser light from the light source;
Optical means provided between the light source and the lens for setting a predetermined first position as a focusing point of the laser light from the light source;
By the laser beam condensed at the first position by the optical means, the first fine particles having optical transparency and charged to one of positive and negative are captured.
The second particle charged to the other of positive and negative is captured at a second position different from the first position by the Coulomb force generated with the first particle,
Optical tweezers device.
前記光学器により分光した複数のレーザー光それぞれを異なる第一位置に集光させる、請求項4に記載の光ピンセット装置。 The optical means includes an optical device that disperses the laser light from the light source,
5. The optical tweezers device according to claim 4, wherein each of the plurality of laser beams separated by the optical device is focused at different first positions.
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