JPH0291545A - 光学トラップ装置 - Google Patents

光学トラップ装置

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JPH0291545A
JPH0291545A JP63223675A JP22367588A JPH0291545A JP H0291545 A JPH0291545 A JP H0291545A JP 63223675 A JP63223675 A JP 63223675A JP 22367588 A JP22367588 A JP 22367588A JP H0291545 A JPH0291545 A JP H0291545A
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trap
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particle
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D43/00—Separating particles from liquids, or liquids from solids, otherwise than by sedimentation or filtration
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、単一ビーム勾配カドラップ（ｇｒａｄｌｅｎ
ｔ　ｆ’ｏｒｃｅ　ｔｒａｐ）を用いた粒子の閉じ込め
に関する。
〔従来技術の説明〕
単一ビーム勾配カドラップは、中性原子及び誘電体粒子
に対して試みられてきＣいる。一般に、単一ビーム勾配
カドラップは、ガウス型の断面強度分布を有する強く集
光されたレーザー光のみからなる。この様なトラップに
おいては、輻射圧散乱及び勾配力成分の組み合わせによ
り、レーザー光の焦点の位置に近接した安定平衡点が生
成される。散乱力は光強度に比例し、入射レーザー光の
方向に作用する。勾配力は光強度勾配に比例し、強度勾
配の方向に作用する。
単一ビーム勾配カドラップ中の粒子は、勾配力の半径方
向成分により、レーザ光の光軸の周囲に閉じ込められる
。光軸に沿った方向の粒子の安定した閉じ込めは、勾配
力の軸方向成分が閉じ込め領域内で散乱力より大きくな
るように、レーザー光を強く集光することにより達成さ
れる。
従来の誘電体粒子に単一ビーム勾配力光学的トラップを
用いた例においては、粒子の閉じ込めは、高開口数対物
レンズを用いて集光した可視（λ−５１４，５ｎｍ　）
レーザー光源によってなされていた。
エイφアシニキン（Ａ、Ａｓｈｋｌｎ）らによるオブテ
ィクス・レターズ（Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）第
１１巻第２８８−２９０頁の論文を参照のこと。誘電体
粒子は球状あるいは回転楕円体状で、その大きさは、直
径１０μｍのミー　（Ｍｌｅ）ガラス球の大きさ（α〉
〉λ）から直径２６０オングストロームのレーリー（Ｒ
ａｙｌｅｌｇｈ）粒子（αくくλ）の範囲に入る。前掲
の参照文献及び他の記事によれば、このようなミー（Ｍ
ｌｅ）領域に属する規則的な形をした粒子を用いること
が望ましい。
ミー（Ｈｌｅ）粒子に関しては、力の大きさ及びその方
向は共に粒子の形状に依存する。このため、粒子の閉じ
込めは、球状、楕円体状等の比較的単純な形の、すなわ
ち、その光学散乱がトラップの方向によって緩やかに変
化するような粒子に限定される。レーリー（Ｒａｙｌｅ
ｉｇｈ）領域では、粒子は双極子として作用し、力の方
向は粒子の形状とは独立である：力の大きさのみが粒子
の方向によって変化する。
従来技術に係るトラップによって、シリカ及び他の誘電
体粒子が程度の差こそあれ不可逆的な光によるダメージ
を受けたということは非常に重要な結果である。単一ビ
ームトラップ及び従来の成果は生物粒子に対して拡張さ
れうると言われていたが、トラップ内で光を照射するこ
とによって生ずるダメージは、生物粒子を破壊あるいは
それから著しく機能を奪い、使用不能としてしまう。さ
らに、従来技術に係る光学トラップは、かなり規則的な
誘電体粒子を対象としたものであるため、生物粒子がそ
の属性として規則的な形状を有していないために、その
生物粒子への拡張は疑問視されている。
［発明の概要］ 生物粒子は赤外光源に用いた単一ビーム勾配力光学トラ
ップによってうまく閉じ込められる。閉じ込めた粒子の
再生が観察されている。閉じ込めを解除した後、粒子は
正常な運動性を示し、１６０ｍＷの高レーザー出力下で
数ライフサイクルの間閉じ込めた後においても生殖力を
維持していた。
ある具体例においては、単一ビーム勾配カドラップに用
いられる高開口数対物レンズが、同時に、閉じ込めた生
物粒子を観察するために用いられる。
２組の単一ビーム勾配カドラップを同一のセルに対して
適用することによって、生物粒子の３次元的な操作が可
能となる。
［実施例の説明］ 単一ビーム勾配力光学トラップは、セル、液滴あるいは
それらに類似する物の中に含まれた一群の粒子の中の少
なくとも単一の粒子を、閉じ込め、隔離し、移動しかつ
操作する、ということに対して有用である。前述の粒子
が生物粒子である場合に特別な問題が表面化する。例え
ば、閉じこめられた粒子によるトラップ内での光エネル
ギーの吸収により、粒子が死滅したり、粒子の運動性が
著しく失われたりする。さらに、前述の間居を避けるた
めに光の波長を変化させるにつれて、当該光トラップの
強度が減少し、興味ある粒子に対しては有効ではなくな
ってしまう。一方、選択された波長が、光学トラップの
有効な動作に充分なものである場合には、その波長が粒
子の周囲に存在する媒質によって吸収されるものである
可能性があり、それゆえ、セル中での熱の発生を引き起
こすことになる。明らかに、光学トラップの動作波長を
選択する際には多くのファクターを考慮しなければなら
ない。
文献に報告されている従来の光学トラップの実験におい
ては、粒子選択性（又は感受性；　５ｅｎｓ１ｔＩｖｉ
ｔｙ）は問題とされていなかった。このことは、誘電体
粒子が−様な組成及び−様に規則的な形状を有し、その
結果、トラップの、−粒子あるいは一部の粒子群に対す
る効果を観測することによって、他の粒子あるいは同一
の誘電体粒子の他の部分に対する効果を正確に予測する
ことが直接的に可能である、という事実に一般に帰せら
れている。
生物粒子に関しては、粒子選択性は非常に重要である。
生物粒子は多様な組成及び不規則な形状を有する。よっ
て、ある生物粒子の一部分に対する効果は、同一粒子の
他の部分に対する効果を決定するものでは全くない。
第１図は、本発明の原理に係る単一ビーム勾配力光学ト
ラップを生成する装置の断面図を模式的に示した図であ
る。ＩＲ（赤外線）レーザーＩＯは、実質的に赤外線領
域の波長、例えば０．８μｍから１．８μｍ１のコヒー
レント光束を放射する標準的なレーザーである。
！ＲレーザーＩＯからの光束１１は光学素子の組み合わ
せに入射し、充分に集光されて所望位置の生物粒子を閉
じ込めるための単一ビーム勾配力光学トラップを形成す
る。当該光学素子の組み合わせには、調整可能にマウン
トされた発散レンズ１２と高収束レンズ２３とが含まれ
る。
レンズ１２は、マウント１３を操作することにより３次
元（ｘ、　　ｙ＋　　ｚ）のどの方向にも調整が可能で
ある。レンズ１２が光束１１のスポット径を拡大し、レ
ンズ２３の表面上の充分な領域をカバーしていることは
重要である。第１図に示されているように、発散光束１
４はレンズ２３の表面の大部分に入射し、比較的高い強
度の光束１４がレンズ２３のアパーチャを満たす。単一
ビーム勾配力光学トラップの動作に要求される力を生成
するために、レンズ２３は、スポットサイズをλ以下で
λ／２に迫る位まで集光可能であることが望ましい。実
際の具体例では、レンズ２３は顕微鏡の強収束水浸対物
レンズで開口数約１．２５　（水中にて測定）を有する
ものである。
ここで、開口数は、媒質に対する屈折率に、収束光束に
よってカバーされる角度の１７２の正弦を乗じたもの、
として定義されている。図中の要素２４は、セル２５へ
の光学結合を向上させるためにレンズ２３が浸されてい
る液体（水又は油）を示している。
光学トラップはセル２５中に示されており、そのトラッ
プに粒子２７が閉じ込められている。粒子２７は、セル
２５中に充填された、例えば、水のような液体媒体中に
浮遊している。セル２５は浮遊させた生物粒子を受は入
れる透明容器、あるいは当該粒子を含む液滴を保持する
ための透明なスライドである。ある具体例においては、
セル２５は１ｅｍＸ３ｃｍＸ１００μｍの大きさである
。
セル２５の位置はマウント２Ｂの使用によって３次元（
ｘ、　　ｙ、ｚ）的に調節可能である。実際、マウント
２Ｂは生物粒子の位置決めを行なったり操作したりする
際に有効である。
トラップ中の生物粒子の観察は直接あるいはモニターを
用いて行なわれる。セル２５内で直接観察するような他
の種類の観察も可能であるが、光学トラップを形成する
対物レンズを用いて同時に粒子の観察を行うことは、本
発明の付加的な特徴である。
観察のための照明は可視光源２９によってなされ、集光
レンズ２８によって視野内の粒子に照射される。
この可視光はレンズ２３を通して接眼レンズ２１又はモ
ニタ１８に達するが、このレンズ２３によって高分解能
の観察が可能となる。直接観察のために、鎖線で示され
ている可視光はビームスプリッタ−１９によって反射さ
れて顕微鏡接眼レンズに達する。
赤外阻止フィルター２２が接眼レンズ２１の前に置かれ
、観察光学系（観察者の眼）をセル２５からの後方反射
から隔離している。モニターを行うために、可視光はビ
ームスプリッタ１９を通過しビームスプリッタ−１５で
反射され、赤外阻止フィルター１７を介して最終的にモ
ニター１８に達する。赤外阻止フィルター１７は、モニ
ター１８をセルからの後方反射から隔離している。
第２図においては、第１図に示した装置に、セル２５中
での第２の単一ビーム勾配力光学トラップを生成するた
めの第２の赤外レーザー光源及び光学系が追加されてい
る。赤外レーザー光源は光束３１を生成し、光束３１は
調整可能にマウントされた発散レンズ３２に入射する。
レンズ３２により光束３１は光束３４のように発散する
。レンズ３２の調整は、マウント３３によって３次元的
（ｘ、　　ｙ＋　　ｚ）に行なわれる。光束３４は鏡３
５によって反射し光束１４は鏡３５を通過する。このこ
とは、動作波長の異なるレーザ光源を別個に設け、これ
らの波長を注意深く選択することによって達成される。
他方、光学素子３５は、入射光の約半分を反射し残りの
半分を透過させるようなビームスプリッタ−としても実
現されうる。第２図に示されているように、光束３４は
レンズ２３によって集光され、セル２５中に第２のトラ
ップを形成する。粒子３６は第２トラップに閉じ込めら
れている。
ここに示されてはいないが、もう１つの高収束顕微鏡レ
ンズを含む光学系を付加することによってセル内に第２
のトラップを生成することも容易に行いうる。第２トラ
ップは、第１トラップのビームに対して反対側からセル
に入射するビームによって、あるいは、実際には、第１
トラップのビームに対して任意の角度を有するビームに
よって形成されうる。
粒子の操作、あるいは方向付けは、例えばロッド状粒子
の各々の端部を引っ掛けて、それを必要に応じて動かす
ことによって達成される。
実際の操作においては、閉じ込めた生物粒子を視野内に
移動させることが必要である。このことは発散レンズの
位置を調整することにより実行される。同様に、生物粒
子の移動、分離、あるいは隔離はマウント２６を必要な
量だけ調整することによって容易になされる。
第３図から第５図は、同一光学トラップのいくつかの異
なった態様を示したものである。第３図は、一般的な態
様を示したもので、レンズ２３からのビームの焦点がセ
ル２５の内部にあり、閉じ込め作用は、光学的力の後方
勾配力成分による。粒子の大きさによるが、約４個ある
いは５個までの粒子をトラップ内に同時に閉じこめるこ
とが可能である。
第４図及び第５図に示した態様においては、第３図のト
ラップよりも弱い強度が要求される。第４図においては
、セル２５の底板が後方閉じ込め力を生成し、光強度勾
配が横方向の閉じ込め力を生成している。同時に約１２
個あるいはそれ以上の生物粒子を閉じこめることが可能
である。第５図においては、集光光束の散乱力がその内
部方向性により横方向の閉じ込めを行ない、後方閉じ込
めはセル２５の底板によってなされる。後者の態様にお
いては第３図及び第４図に示した他の態様よりもはるか
に多くの粒子を閉じ込めることができる。
種々の生物粒子が、この種の光学トラップにより、隔離
され、閉じ込められ、そして移動させられている。例え
ば、生物粒子としては、タバコモザイクウィルス（アシ
ュキン（Ａｓｈｋｌｎ）らによるサイエンス（Ｓｃｉｅ
ｎｃｅ）第２３５巻第１５１７−２０頁（１９８７年）
の記事を参照）、酵母菌、大腸菌、ヘモグロビンを含む
血球、及びクロロフィル構造を含む複合細胞あるいはそ
の一部、などがある。
一般に、研究されている生物粒子は、以前から研究され
ている誘電体球状粒子のような規則的な形状を有しない
。例えば、活動的でない、糸状の微生物で、長さが約５
０μｍ１直径が１μｍであったり、タバコモザイクウィ
ルスの場合は、直径が２００オングストローム、長さが
３１００オングストロームの円柱状であったりする。
本発明の重要な属性の１つは、粒子の運動性が保存され
ていて、粒子の生殖力が維持されていることである。ト
ラップされた生物粒子の生殖力は、その子孫がトラップ
内に残存していることによって、観１１＃１されている
。言い換えれば、本発明に係る光学トラップは、数百ミ
リワットに迫る光パワー下において生物粒子の非破壊的
操作を可能とするものである。
なお、赤外光の使用により、同一レーザーパワーの場合
には、可視光を用いた場合よりも、焦点における閉じ込
め強度が弱くなるがトラップ内の力はほぼ同一である。
よって、赤外線トラップは、焦点における局所加熱を生
ずることのより少ない可視光を用いたトラップに対して
、さらに利点を有している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に係る具体例の断面図を模式的に示し
た図； 第２図は、本発明に係る、２組の単一ビーム勾配カドラ
ップを単一のセルに対して適用した具体例の断面図を模
式的に示した図；及び 第３図から第５図は、セル中の粒子に対する光学トラッ
プの、相異なった作用の様子を示した図である。 １０・・・ＩＲレーザー　　１１・・・光束１２・・・
発散レンズ １３・・・マウント １４・・・発散光束　　　　１５・・・ビームスプリッ
タ１７・・・赤外阻止フィルター １８・・・モニター　　　　１９・・・ビームスプリッ
タ−２１・・・接眼レンズ　　　２２・・・赤外阻止フ
ィルター２３・・・高収束レンズ　　２４・・・液体２
５・・・セル ２６・・・マウント ２７・・・捕捉粒子 ２９・・・可視光源 ３１・・・光束 ３３・・・マウント ３４・・・光束 ３６・・・粒子 ２８・・・集光レンズ ３０・・・ＩＲレーザー ３２・・・発散レンズ ３５・・・鏡 出 願１人：アメリカン テレフォン アンド ＦＩＧ。 ０三１

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）粒子に関する単一ビーム勾配力光学トラップを形
    成する装置において、 所定の波長の光束を発生するレーザーと、所定の領域に
    前記光学トラップを形成するために前記光束を充分に集
    光させる手段とを有し、 前記所定の波長が実質的に赤外線領域の波長域に含まれ
    、その結果前記トラップが少なくとも１つの生物粒子を
    非破壊的に閉じ込めることを特徴とする光学トラップ装
    置。
  2. （２）上記集光手段が０．９以上の開口数を有するレン
    ズを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学トラッ
    プ装置。
  3. （３）上記所定の波長は、０．８μｍから１．８μｍま
    での波長域に含まれることを特徴とする請求項１に記載
    の光学トラップ装置。
  4. （４）実質的に所定の波長で第２光束を発生する手段を
    有し、前記第２光束が前記集光手段によって集光されて
    第２の所定の領域に第２光学トラップを形成することを
    特徴とする請求項１に記載の光学トラップ装置。
  5. （５）上記所定の領域の相対的な位置を独立に変化させ
    るための手段を有することを特徴とする請求項４に記載
    の光学トラップ装置。
  6. （６）上記所定の領域の位置を変化させる手段を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光学トラップ装置。
JP63223675A 1987-09-17 1988-09-08 光学トラップ装置 Granted JPH0291545A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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US098120 1987-09-17
US07/098,120 US4893886A (en) 1987-09-17 1987-09-17 Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same

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JP63223675A Granted JPH0291545A (ja) 1987-09-17 1988-09-08 光学トラップ装置

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US (1) US4893886A (ja)
EP (1) EP0307940B1 (ja)
JP (1) JPH0291545A (ja)
AU (1) AU585757B2 (ja)
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