JPH04191720A - 微粒子動態パターン - Google Patents

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） この発明は、微粒子動態パターンに関するものである。

さらに詳しくは、この発明は、微細加工技術や新物質構
造の創製等に有用な、レーザービームによって形成する
ことのできる新しい微粒子動態パターン等に関するもの
である。

（従来の技術とその課題） 近年、化学物質、たとえば高分子物質や無機物質の微粒
子レベルでのマイクロ修飾やその加工技術の開発が注目
されており、物質変換の素過程の操作を可能とするもの
として精力的に研究開発か進められてきている。また、
生体細胞においてもその移植、移入、さらに融合などの
微細操作を行うマイクロプロセシングか非常に重要にな
ってきている。

このようなマイクロ微粒子操作については、これまでに
も化学的操作によって行う方法か種々提案されてきてい
るか、化学的方法の場合には処理対象の微粒子と反応処
理剤との反応制御が非常に難しく、微粒子やこれらの集
合状態、位置等を制御し、所定の微粒子に操作を加える
には精度上の限界かあった。

一方、生体細胞の操作分野においては微注入法等のマニ
ュアル的方法により確実に移入処理を行うことができる
ようになっており、発現効率を１０−２程度にまで向上
させることか可能となってきている。しかしながらこの
方法においては実施者が顕微鏡下でマイクロピペットな
どを個々の細胞に直接接触させて処理するため、クリー
ンベンチ内での処理か必要不可欠となり、また処理の自
動化を図ることもてきない。そのため処理効率や処理量
が実施者の熟練度や労力に依存することとなり、精密な
処理を短時間に行うことが困難であるという問題がある
。

以上のような従来の方法に対して、近年、レーサー光を
利用して微粒子マイクロ操作を行うプロセシング方法が
提案されてきている。

レーザー光は単色性、指向性、光輝度性、制御性に優れ
ているので、光エネルギーを微粒子の微小領域に集中的
に照射することができ、従来の方法では不可能であった
局所的な微細操作を非接触で精度よく行うことが可能と
なる。

しかしながら、これまでの方法ではレーザー光照射部位
を調整するために顕微鏡等のステージの位置決め操作が
難しく、また、操作されていても位置決め精度が悪く実
用上問題かあり、特に、複数の微粒子群を所定の空間配
置に制御して、これに加工を加えることは不可能であっ
た。

すなわち、これまでのレーザーマイクロプロセシングに
よっては、微粒子または微粒子群の動態パターンを制御
して、高精度な操作を可能とすることか困難であるとい
う課題かあった。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
り、従来の微粒子マイクロプロセシングの欠点を解消し
、微粒子または微粒子群の高精度加工のための空間動態
パターンを自在に制御することのできる新しい手段を提
供することを目的としている。

さらに詳しくは、この動態パターンそのものの、これを
形成し、利用するための方法を提供することを目的とし
ている。

（課題を解決するだめの手段） この発明は、上記の課題を解決するものとして、微粒子
分散セルの基盤上にレーザービームにより形成された光
強度分布によって捕捉された微粒子または微粒子群から
なることを特徴とする微粒子動態パターンと、そのため
の形成方法を提供する。

この微粒子動態パターンは、この発明の発明者によって
検討されてきた光トラッピングの操作を踏まえてなされ
たものであり、この光トラッピング方法をさらに発展さ
せる新しい知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、微粒子に対する操作の一つとして注目される
ものに、レーサー光か有する優れたコヒーレント特性に
よって、光の持つ場の運動量を物体に働く力学的な運動
量として受は渡し、微粒子に力を加えてその物体を捕捉
、もしくは移動させる光トラッピング操作かある。

この光トラッピング操作では、レーザー光かもたらす力
のみが対象物に働くことから、完全な非接触および非破
壊での操作が可能になる。このため、微粒子に対する操
作としては、この光トラッピング技術への期待が極めて
大きい。

このような光トラッピングの原理を説明すると、まず、
レンズを介してレーサー光が微粒子に入射し、反射・屈
折し、レーサー光の持つ運動量は、微粒子に受は渡され
る。反射率は通常小さいので、屈折により受は渡される
運動量が支配的となり、これによる力が微粒子に加わる
。

微粒子は、この力によって、レーサー光に捕捉された状
態となる。このため、レーサー光を移動させると、この
微粒子もそれに追随することになる。

この原理からも明らかなように、非接触、かつ非破壊で
の微粒子の捕捉、移動という操作が可能となり、この状
態において微粒子、たとえばポリマー粒子、あるいは生
体細胞やバクテリアに修飾・加工が加えられるならば、
この光トラッピングは、微粒子の反応操作においても極
めて有益な手段となる。

しかしながら、このトラッピングは、微粒子分散セルの
基盤上にレーザービームによって形成された光強度分布
によっても可能となること、さらには微粒子群が特有の
パターンを生じることが可能であることが見出された。

この発明は、このような現象を利用するものである。

さらに詳しく説明すると、この発明の微粒子動態パター
ンについては、様々な手段によって光強度分布の形成が
可能であるが、たとえば、この光強度分布は、微粒子ト
ラップレーザーの焦点位置をセル基盤よりも下方に移動
させることによって形成した干渉縞としてもよいし、こ
れと併用して、もしくは単独に、レーザービーム系のマ
スクパターンを通じて形成したもの、あるいはセル基盤
表面の修飾によっても可能となる。その他各種の光学手
段か適宜に採用される。

形成された微粒子動態パターンは、同心円状、直線状、
その他任意の形状のイメージに沿って配列可能である。

この場合、レーザービームの光強度を変化させることに
よって、動態パターンを自由に、連続的に変化させるこ
とができる。この場合、空間的に光の強弱を付与するこ
とで、光の弱い領域方向から強い領域方向へと微粒子を
移動させ、輸送することもできる。

このようにしてパターン形成した微粒子に対して、光反
応、熱反応、さらには化学反応を行って、そのパターン
を固定することや、捕捉した微粒子に対して所定の状況
下において修飾や加工の操作を加えることもできる。そ
の最も代表的で、かつ、この発明において重要な操作に
は、微粒子の分解、分割、局部変換、化学修飾、微粒子
相互の接続、融合、官能性反応基による架橋等がある。

対象とする微粒子または微粒子群については、その種類
に特段の限定はなく、たとえば高分子ラテックスの各種
のもの、マイクロカプセル、二酸化チタン、その他の無
機粒子、生物細胞、ウィルス、あるいは種々の分子組織
体を用いることができる。

レーザービームとしては、Ｎｄ　：　ＹＡＧレーサーの
基本波（１０１０６４ｎをはじめ各種のものが使用可能
である。また、分散セルの分散媒体については、水、有
機物、その他の、捕捉される微粒子の屈折率が分散媒体
よりも高い条件を満たす各種の媒体が使用される。

また、この発明の微粒子動態パターンの形成においては
、屈折率の異なる微粒子群の混合物から、より屈折率の
大きい微粒子を選別して空間パターンを形成することが
できる。つまり、空間パターンを保ちながら、物質の濃
縮、選別をすることができる。また、粒径の差異によっ
ても可能である。

以下、実施例を示して、さらに詳しくこの発明について
説明する。

（実施例） 添付した図面の第１図は、この発明のパターン形成とそ
の加工等への利用に用いることのできる実験装置の一例
を示したものである。

この装置を用い、水を分散媒体としたラテックス粒子（
粒径１μｍ）の分散セルに、捕捉用レーザービームとし
てＮｄ：ＹＡＧレーザー基本波（１１０６４ｎ、〜４Ｗ
）を照射し、分散セルのガラス基盤より下方に焦点を移
行させた。

その結果、ラテックス粒子の同心円状パターンが形成さ
れた。同心円の最外円の径は、約２８μｍであった。こ
れを模式的に例示したものが第２図である。

また、捕捉用レーザービームの糸路にマスクパターンを
介在させても、同様の同心円状パターンが形成された。

ラテックスは、レーザービームの照射とともに徐々に幾
何学的空間パターンを形成していくことが確認された。

マスクパターンを介して、光の強度を変化させることに
より、第３図に示したように、微粒子を直線状に配列す
ることや、第４図のように矢印の右上方への微粒子の輸
送も可能であった。

微粒子を０，２５〜０．９８μｍのラテックとした場合
にも、以上と同様の微粒子の動態パターンを得ることが
できた。

なお、たとえば第２図および第３図に例示したパターン
状態にある微粒子に、第１図に示した励起用パルスレー
ザ−を照射し、所定の微粒子に部分崩壊現象を生じさせ
ることもできた。

この励起用レーザーによってパターンを固定することも
できる。

なお、レーザービームを消去すると、以上の微粒子動態
パターンは解消された。

もちろん、この発明は、以上の例に限定されることはな
い。レーザービームの種類、数、照射方向、微粒子の種
類、その他の細部については様々な態様が可能である。

（発明の効果） この発明により、以上詳しく説明した通り、所定のパタ
ーンに微粒子動態を制御することができ、また、この動
態パターンにある微粒子を固定し、加工・修飾すること
も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に用いた実験装置例を示した断面図
である。第２図、第３図および第４図は、この発明の微
粒子動態を模式的に示したパターン図である。 代理人　弁理士　　西　　澤　　利　　夫第２図 第３図 第４図

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）　微粒子分散セルの基盤上にレーザービームによ
   り形成された光強度分布によって捕捉された微粒子また
   は微粒子群からなることを特徴とする微粒子動態パター
   ン。
2. （２）　光強度分布が、微粒子トラップレーザーの焦点
   位置の移動でセル基盤によって形成された干渉縞である
   請求項（１）の微粒子動態パターン。
3. （３）　光強度分布が、レーザービーム系のマスクパタ
   ーンを通じて形成されたものである請求項（１）の微粒
   子動態パターン。
4. （４）　光強度分布によって捕捉配列された請求項（１
   ）の微粒子動態パターン。
5. （５）　光強度分布によって捕捉されて移動する請求項
   （１）の微粒子動態パターン。
6. （６）　請求項（１）記載の微粒子動態パターンを光ま
   たは熱、化学反応により固定してなる微粒子または微粒
   子群パターン。
7. （７）　微粒子分散セルにレーザービームを照射してセ
   ル基盤上に光強度分布を形成し、これにより微粒子また
   は微粒子群からなる動態パターンを形成することを特徴
   とする微粒子動態パターンの形成方法。
8. （８）　レーザービームが１または２以上である請求項
   （７）の微粒子動態パターンの形成方法。
9. （９）　光強度分布を微粒子トラップレーザービームの
   焦点位置の移動によってセル基盤上に形成した干渉縞と
   する請求項（７）の微粒子動態パターンの形成方法。
10. （１０）　光強度分布をレーザービーム系のマスクパタ
    ーンを通じて形成する請求項（７）の微粒子動態パター
    ンの形成方法。
11. （１１）　屈折率または粒径の異なる微粒子混合物から
    屈折率または粒径の差異に対応して微粒子を選別してパ
    ターン形成する請求項（７）の微粒子動態パターンの形
    成方法。
12. （１２）　請求項（７）記載の方法によって形成された
    微粒子動態パターンを光または熱、化学反応によって固
    定する微粒子または微粒子群パターンの形成方法。
13. （１３）　請求項（７）または（８）記載の方法によっ
    て形成したパターンを構成する微粒子プロセシングレー
    ザービームを照射して加工・修飾する微粒子パターンの
    加工・修飾方法。