JP6858409B2 - 集積装置および集積方法、微小物体集積構造体の製造装置、微生物の集積除去装置、被検出物質の検出装置、被分離物質の分離装置、ならびに被導入物質の導入装置 - Google Patents
集積装置および集積方法、微小物体集積構造体の製造装置、微生物の集積除去装置、被検出物質の検出装置、被分離物質の分離装置、ならびに被導入物質の導入装置 Download PDFInfo
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Description
好ましくは、保持領域は、レーザ光の照射方向に沿う厚みを有する。上記厚みは、レーザ光の強度および上記材料の光吸収性に基づいて決定される。
以下の実施の形態1では、微小物体の一つの例示的形態として、ポリスチレンからなる樹脂ビーズが採用される。ただし、樹脂ビーズの材料はこれに限定されるものではなく、たとえばアクリル、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン等であってもよい。
図1は、本発明の実施の形態1に係る集積装置の概略的構成を示した図である。図1を参照して、集積装置100は、基板10と、光発熱用光源20と、ダイクロイックミラー21と、対物レンズ22と、照明用光源30と、撮影機器31と、XYZ軸ステージ40と、制御部50とを備える。x方向およびy方向は水平方向を表す。x方向とy方向とは互いに直交する。z方向は鉛直方向を表す。重力の向きはz方向下方である。
図4は、本発明の実施の形態1に係るビーズの集積方法を説明するためのフローチャートである。図1〜図4を参照して、ステップS11において、ビーズが分散したサンプル13(第1〜第3のサンプルのいずれか)を準備する。そして、サンプル13が基板10上に滴下される(ステップS12)。なお、サンプル13の滴下後、所定の時間(たとえば5〜10分間程度)サンプル13を静置してもよい。これは、サンプル13中でのビーズの移動が少なくなる状態になるまで静置することにより、ビーズの集積条件を統一するためである。
続いて、ビーズが集積する様子の一例について、撮影機器31で撮影された写真を参照しながら説明する。ここではビーズ1,2の両方を含む第3のサンプルの写真を示す。
次に、第1〜第3のサンプルの各々における集積体の構造を説明する。以下において、集積体の走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)写真およびレーザ顕微鏡による集積体の断面形状の測定結果を示す。なお、以下に示す結果は自然乾燥後のサンプル13を測定したものである。
続いて、対物レンズ22の倍率が集積体の構造に与える影響について説明する。具体的には、10倍レンズを用いて形成された集積体と、100倍レンズを用いて形成された集積体とが比較される。
次に、ビーズ1とビーズ2との個数比が集積体の構造に与える影響について説明する。以下では、ビーズ1とビーズ2との個数比がN1:N2=1:43の場合(第3’のサンプルの場合)に形成された集積体の構造と、N1:N2=1:9の場合(第3’’のサンプルの場合)に形成された集積体の構造とが比較される。
実施の形態1の変形例においては、蛍光ビーズによってレーザ光が吸収される。また、本変形例では、サンプルの液体とその周囲の気体との気液界面にレーザ光が照射される。
実施の形態1に示した集積装置を用いて微小物体集積構造体の製造装置を実現することができる。実施の形態2では、樹脂ビーズからなる2元フォトニック構造を製造する例について説明する。微小物体集積構造体の製造装置の構成は、図1および図2に示した集積装置100の構成と同等である。また、微小物体集積構造体の製造方法は、図4に示したフローチャートの処理と同等である。したがって、微小物体集積構造体の製造装置の構成および微小物体集積構造体の製造方法についての説明は繰り返さない。
実施の形態2では、樹脂ビーズからなる2元フォトニック構造が形成される例について説明した。実施の形態2にて説明した例では、光照射の停止後、液体が自然蒸発によりなくなるまでサンプルが乾燥(自然乾燥)される。これに対し、変形例1では、サンプルを真空乾燥させる例について説明する。変形例1,2に係る微小物体集積構造体の製造装置の構成は、図1および図2に示した集積装置100の構成と同等である。また、微小物体集積構造体の製造方法は、図4に示したフローチャートの処理と同等である。したがって、微小物体集積構造体の製造装置の構成および微小物体集積構造体の製造方法についての説明は繰り返さない。
実施の形態2およびその変形例1では、レーザ光の照射位置およびその周辺に集積体が形成されると説明した。しかし、基板上にサンプルの液滴を滴下する場合、液滴の縁の領域においても集積体を形成することが可能である。変形例2では、第1〜第3のサンプル(図7(A)参照)を用いた場合において、液滴の縁に集積体を形成する構成について説明する。
微小物体は生体由来のものであってもよい。実施の形態3においては、生体由来の微小物体の1つの例示的形態として、細菌が集積される。具体的には、ロッド形状の細菌である緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)が集積される。なお、実施の形態3に係る集積装置の構成は、図1および図2に示す集積装置100の構成と同等であるため、説明は繰り返さない。
実施の形態3で説明した集積装置を使用して、人間に有害な微生物を除去することが可能である。
環境汚染粒子であるPM2.5は、人体に吸引されると肺の奥まで侵入し得るので、呼吸系および循環器系への影響が懸念される。PM2.5の拡散状況を把握するために、大気中のPM2.5の質量濃度(単位:μg/m3)を簡易かつ迅速に測定する技術が求められている。実施の形態5では、実施の形態1の集積装置を用いてPM2.5を検出する検出装置について説明する。
実施の形態6においては、被分離物質を分離する分離装置に集積装置が適用される。ここでは分離装置の一つの例示的形態として、フローサイトメータについて説明する。本実施の形態における微小物体は細胞である。
実施の形態1〜6では、カバーガラス11上に形成された薄膜12(金薄膜)の光発熱効果を用いて液体が加熱されると説明した(図2参照)。しかし、液体の加熱手法はこれに限定されるものではない。実施の形態7においては、液体中に分散する金属ナノ粒子による光発熱効果によって液体が加熱される。
レーザ光201の光誘起力を用いた光トラップについて説明する。本発明およびその実施の形態において、「光誘起力」とは、散逸力、勾配力および物質間光誘起力の総称として用いられる。散逸力とは、光散乱あるいは光吸収といった散逸的過程において、光の運動量が物質に与えられることによって発生する力である。勾配力は、光誘起分極が生じた物質が不均一な電磁場の中に置かれた場合に、電磁気学的なポテンシャルの安定点に物質を移動させる力である。物質間光誘起力とは、光励起された複数の物質中の誘起分極から生じる縦電場による力と横電場(輻射場)による力との和である。
図46は、第8のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍領域の時間変化を示す連続写真である。図43および図46を参照して、レーザ光201の照射開始時刻を0秒とし、撮影機器31を用いて撮影された気液界面の様子が示される。煩雑になるのを防ぐため光照射開始前の写真にのみ示すが、各写真の上側の色の濃い部分(Lで表す)は液体である。各写真の下側の色の薄い部分(Aで表す)は気体である。液体と気体との間の白い部分(Iで表す)は気液界面である。
図50は、第10のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍の時間変化を示す連続写真である。図50を参照して、第10のサンプルにおいては、第8のサンプルの場合(図46参照)と同様に、光照射開始後、時間の経過に伴い集積体6の成長する様子が観察される。各時刻における第10のサンプルの集積体6のサイズ(以下、単に「集積体サイズ」と記載する)は、第8のサンプルの集積体サイズよりも小さいことが分かる。
実施の形態7では、直径1.0μmのビーズ1と、金ナノ粒子5とを含むサンプルが用いられる例について説明した。実施の形態7の変形例においては、直径0.2μmのビーズ2と、金ナノ粒子5とを含むサンプル(第12のサンプル)が採用される。
細胞は、その周囲に存在する物質を細胞表面で分子認識して選択的に結合したり、細胞の周囲に存在する物質を細胞内に取り込んだりする作用(取込作用)を生じることが知られている。実施の形態8では、樹脂ビーズに代えて、細胞と、細胞の取込作用により細胞内に導入可能な物質(被導入物質)とが適用される。取込作用の例としては、細胞によるエンドサイトーシス等の飲食作用、膜チャネルタンパク質(細胞膜を貫通するチャネルタンパク質)を経由したイオン等の通過作用、または、細胞膜の直接的な通過作用が挙げられる。
実施の形態8では、培地中に浮遊細胞および付着細胞が混在している例について説明した。本変形例では、培地中の細胞7のほとんどが浮遊細胞である例について説明する。
Claims (7)
- 複数種類の微小物体を集積する、微小物体の集積方法であって、
前記複数種類の微小物体は、
複数の第1の微小物体と、
各々が前記複数の第1の微小物体よりも小さなサイズを有する複数の第2の微小物体とを含み、
前記微小物体の集積方法は、
光を吸収して熱に変換する材料により形成された薄膜上に、前記複数種類の微小物体が分散した液体を準備するステップと、
前記薄膜の光吸収領域に含まれる波長の光を発する光源および対物レンズを用いて、前記光源から発せられ前記対物レンズにより集光された光を前記薄膜に照射することによって前記薄膜を加熱するステップと、
前記薄膜の加熱により前記薄膜上にマイクロバブルを発生させるとともに前記液体中に対流を起こし、前記複数種類の微小物体を前記対流により前記マイクロバブルに向けて移動させて、前記マイクロバブルと前記薄膜との間に形成される前記対流の速度がゼロとなる淀み領域に前記複数の第1の微小物体および前記複数の第2の微小物体を集積するステップとを含み、
前記薄膜の吸収飽和は、前記薄膜に照射される光の強度と前記薄膜の厚みとに依存し、
前記薄膜の熱伝導性は、前記薄膜の厚みに依存し、
前記薄膜に照射される光の強度と前記薄膜の厚みとの間には、前記薄膜が薄いほど前記薄膜にて生じた熱が前記薄膜を伝導し易くなるものの、前記薄膜に照射される光の強度に対して前記薄膜が薄いと前記薄膜にて生じる熱エネルギーが小さくなるとの関係が存在し、
前記複数の第1の微小物体と前記複数の第2の微小物体との集積体のサイズは、前記対物レンズの倍率によって制御される、微小物体の集積方法。 - 前記薄膜を加熱するステップは、61マイクロメートルから1,000マイクロメートルまでの範囲の直径の前記マイクロバブルが発生するような倍率を有する前記対物レンズ用いて、前記光源から発せられた光を集光するステップを含む、請求項1に記載の微小物体の集積方法。
- 前記対物レンズの焦点が、前記液体中にあり、かつ、前記液体の周囲の気体と前記液体
との界面である気液界面の近傍に位置するように、前記対物レンズの焦点を調整することによって前記マイクロバブルを成長させるステップをさらに含む、請求項1または2に記載の微小物体の集積方法。 - 前記光源から発せられる光の波長は、前記複数の第1の微小物体に2光子吸収を起こさせる波長である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の微小物体の集積方法。
- 前記集積するステップの後に前記液体を真空乾燥させることによって前記マイクロバブルの直径を拡大させるステップをさらに含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の微小物体の集積方法。
- 前記複数の第1の微小物体の各々は、生体由来の微小物体であり、
前記複数の第2の微小物体の各々は、ビーズである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の微小物体の集積方法。 - 金属ナノ粒子の自己組織化により前記薄膜を形成するステップをさらに含み、
前記薄膜を加熱するステップは、前記対物レンズにより照射された光の照射箇所を前記金属ナノ粒子の密度に基づいて決定するステップを含む、請求項6に記載の微小物体の集積方法。
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