JPH06123886A

JPH06123886A - 微粒子の配列制御方法

Info

Publication number: JPH06123886A
Application number: JP27274892A
Authority: JP
Inventors: Eiji Higure; 暮栄治日; Hiroo Ukita; 田宏生浮; Toru Maruno; 野透丸
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-10-12
Filing date: 1992-10-12
Publication date: 1994-05-06
Anticipated expiration: 2015-10-23
Also published as: JP3102523B2

Abstract

(57)【要約】【目的】単分子などの微粒子を複数同時に操作できる
ようにし、また複数の微粒子を２次元空間内で選択的に
配列制御できるようにする。【構成】微粒子の配列制御方法を、均一あるいは寸
法、形状、屈折率の異なる微粒子１３−１を層状に形成
する工程と、この層状の微粒子１３−１を光パターン発
生器３からの空間光パターンＰに基づく光トラップ力に
より面内に選択的に配列する工程と、この微粒子の面内
パターン配列を凍結や紫外線硬化樹脂などで固定する工
程から構成する。光強度が２次元的に制御された空間光
パターンに基づくトラップ力により微粒子が移動し、複
数の微粒子を同時に操作し、任意のパターンに配列制御
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、単分子膜、液晶など
を構成する微粒子を光学的手法により配列制御する微粒
子の配列制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】これまで、微粒子のレーザーマニピュレ
ーションは、個々の細胞や微粒子など単一微粒子を対象
とし、空中、液中で行われてきた（佐藤俊一，稲場文
男：レーザーピンセットによる微粒子，微生物操作，光
学，19，PP.513〜514 ，1990) 。図４は単一微粒子の光
トラップ原理図であり、微粒子にレーザービームを照射
すると、光の屈折と反射が起こる際の運動量の変化によ
り光トラップ力Ｆが発生し、この光トラップ力をピンセ
ットとして利用するものである。このような光操作方法
は、これまでのメカニカルな手法に比べて非接触で非破
壊的な遠隔操作を行うことができるという特徴を有して
いる。

【０００３】一方、これまで有機分子の特徴を生かした
分子素子やバイオ素子の実現には、有機分子を設計・合
成し、いかに秩序正しく並べるかが重要となっていた。
図５は従来の単分子膜（ＬＢ膜）作成のモデル図であ
り、単分子ドメイン５０を固定バリヤー５１内の液面
上に浮かべ、可動バリヤー５２による圧縮で単分子ド
メイン５０のエッジを接触させ、単分子ドメイン５０
を連続させる、という過程を経て均一な単分子膜が作成
される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レーザーマニピュレーションでは単一の微粒子しか操作
することができず、操作性、生産性が悪いという問題が
ある。また、従来の単分子膜の作成方法では、厚さ方向
に対しては配列制御が可能であるが、面内方向に配列制
御することは困難であり、面内では一種類の膜物質のみ
しか存在せず、均一な薄膜が形成されてきた。また、同
一面内に二種類以上の膜物質を存在させた例はあるが、
形成後の薄膜は二種類以上の物質がランダムに混ざり合
った構造となり、面内での構造制御は不可能であった。
面内方向での配列制御は、将来個々の分子の特性を充分
に発揮させたり、現在の半導体素子のように集積化した
りするためには必要不可欠の技術である。

【０００５】この発明は、前述のような問題点を解消す
べくなされたもので、その目的は、微粒子を複数同時に
操作することができると共に、複数の微粒子を２次元空
間内で選択的に配列制御することのできる微粒子の配列
制御方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は前記目的を達
成するために、光の並列性を生かし、光トラップ力を空
間的に制御することによって、微粒子を２次元空間パタ
ーン上に配列することを最も主要な特徴とする。具体的
には、微粒子の配列制御方法を、均一な微粒子または寸
法、形状もしくは屈折率の異なる微粒子（無機・有機材
料など）を層状に形成する工程と、この層状の微粒子を
空間光パターンに基づく光トラップ力により面内に選択
的に配列する工程と、この微粒子の面内パターン配列を
凍結や紫外線硬化樹脂などで固定する工程とから構成す
る。層状に形成する方法としては、液中の物質濃度を制
御し、液層の厚さで層厚さを制御する方法や、気液界面
上の展開膜を利用する方法がある。

【０００７】また、微粒子が有機分子の場合には、均一
な有機分子または寸法、形状もしくは屈折率の異なる有
機分子を層状に形成する工程と、この層状の有機分子を
空間光パターンに基づく光トラップ力により面内に選択
的に配列する工程と、この有機分子の面内パターン配列
を圧縮あるいは温度制御により固定する工程と、これら
工程を繰り返すことにより、前記面内パターンを立体配
列する工程とから構成する。

【０００８】さらに、面内パターンの制御性を良くする
ためには、パターン構造体やパターン立体構造体の面内
配列工程において、空間光パターンに基づく光トラップ
力に静電力あるいは温度制御を組み合わせた複合化法を
使用する。

【０００９】

【作用】層状に形成された微粒子は、空間光操作手法に
より任意の２次元空間パターン上に配列制御され、この
パターンが固定、保持される。この空間光操作手法は、
コヒーレント性に優れたレーザービームを利用し、その
微粒子を光のポテンシャルの井戸に捕捉することを原理
としている。レーザー光が微粒子に与える力（光圧）
は、微粒子と媒質の屈折率差によって光の屈折と反射が
起こる際、光の場の運動量変化が微粒子の力学的な運動
量として伝達されて発生する。その結果、光の場に置か
れた微粒子は、その屈折率が周りの媒質の屈折率より大
きい場合、光強度が最大である所に引き寄せられ、屈折
率が小さい場合、押し退けられる力を受ける。さらに、
光強度を空間的に制御すること（空間光パターン）によ
って、複数微粒子を任意のパターンに配列制御すること
が可能となる。

【００１０】寸法、形状もしくは屈折率の異なる微粒子
の混合物の場合、光トラップ力には寸法・形状・屈折率
依存性があるため、それぞれの微粒子を分離して配列制
御することができる。有機分子の場合には、気液界面上
の展開膜を利用し、空間光パターンで配列制御された単
分子膜を圧縮固定し、あるいは温度制御により固定し、
基板上に移し取る。さらに、この１層膜の移し取りを繰
り返し、複数層累積することにより、立体配列の構造体
を得ることができる。また、光トラップ力の他に、静電
力あるいは温度制御を組み合わせて配列制御を行うこと
により、パターン配列の制御性が良くなり、高品質の構
造体を得ることができる。

【００１１】

【実施例】以下、この発明を図示する実施例に基づいて
詳細に説明する。図１はこの発明の第１実施例を示す概
略斜視図、図２はこの発明の第２実施例を示す概略断面
図、図３はこの発明の第３実施例を示す概略断面図であ
る。

【００１２】〔実施例１〕これは、図１に示すように、
光パターン発生器を用いて微粒子を面内に配列制御する
例である。配列制御装置は、レーザー１、ビームエキス
パンダ２、光パターン発生器３、ダイクロイックミラー
４、顕微鏡対物レンズ５、ステージ６から構成し、レー
ザー１からのビームをエキスパンダ２で拡大し、光パタ
ーン発生器３で光強度を２次元的に制御し、このパター
ン制御されたレーザービームをダイクロイックミラー４
で反射し、ステージ６上に集光させる。

【００１３】ステージ６上には、微粒子１３−１を液１
３−２に分散させて微粒子層１３を形成する。また、観
察用として照明７、集光レンズ８、フィルター９、ＣＣ
Ｄカメラ１０、ＶＴＲ１１、モニター１２を付加し、ス
テージ６上の微粒子１３−１の配列状況を観測できるよ
うにする。

【００１４】レーザー１は、パルス発振、連続発振のど
ちらでもよい。また、波長も特に制限はないが、微粒子
１３の吸収による損傷などを考えると、近赤外域のＹＡ
Ｇレーザーなどを用いた方がよい。光パターン発生器３
としては、干渉計、マスク（ガラスマスク、位相シフト
マスク）あるいは空間光変調器（液晶など）を使用でき
る。

【００１５】以上のような構成において、次のように配
列制御を行う。 (1) 微粒子１３−１を液１３−２中に分散させ、微粒子
１３−１の濃度を制御し、液層の厚さを制御することに
より、所定の微粒子層１３を得る。 (2) このような微粒子層１３にレーザービームを照射す
る。レーザービームは光強度が２次元的に制御され、微
粒子層１３に空間光パターンＰが形成される。この空間
光パターンＰに基づく光トラップ力により、微粒子１３
−１が面内を移動し、空間光パターンＰの形の通りに配
列する。

【００１６】ここで、微粒子１３−１は寸法・形状・屈
折率の均一なものに限らない。寸法・形状の異なる微粒
子の混合物の場合、トラップ力の寸法・形状依存性によ
ってそれぞれの微粒子を分離して選択的に配列制御する
ことができる。また、１種類の微粒子だけでなく、２種
類以上の微粒子に対しても、トラップ力の屈折率依存性
があり、選択的な配列制御が可能である。

【００１７】(3) 照射しているレーザー光を消すと、こ
の光によって形成された構造体は、再びランダムな状態
に戻ってしまうが、温度低下による凍結あるいは紫外線
硬化樹脂などで前記構造体を保持・固定する。なお、対
象とする微粒子としては、有機材料、分子膜、液晶、Ｃ
６０などが可能である。

【００１８】〔実施例２〕これは、図２に示すように、
気液界面に膜状に配置した有機分子を配列制御する例で
ある。配列制御装置は、実施例１と同様にレーザー１、
光パターン発生器３、ダイクロイックミラー４、顕微鏡
対物レンズ５、ステージ６から構成する。単分子１４は
水槽１５内の液面上に配置し、水槽１５内には可動バリ
ヤー１７、表面圧力センサー１８を設置する。照明に
は、水銀ランプ１９を使用し、ダイクロイックミラー２
０を介して上から光を当てる。カメラには、ＳＩＴカメ
ラ（高感度撮像管）２１やイメージインテンシファイア
を採用した高感度ＣＣＤカメラを用いることにより、単
分子１４のドメイン形態を直接蛍光観察することができ
る。

【００１９】なお、ステージ６はモーター２２、モータ
ーコントローラー２３、コンピューター２４によりＸＹ
平面上を移動可能とされている。また、可動バリヤー１
７は、表面圧力センサー１８からの検出信号に基づいて
フィルムバランスコントローラー２５により制御され、
後述する基板１６はリフトコントローラー２６により制
御される。

【００２０】以上のような構成において、次のように有
機分子の配列制御を行う。 (1) 単分子１４を水槽１５の水面上に膜状に配置する。 (2) このような単分子膜にレーザービームを照射する。
空間光パターンＰによる配列の原理、手順は実施例１と
同様である。 (3) 配列制御した単分子膜は、可動バリヤー１７で配列
固定し、水面上の膜の構造を変えないように基板１６上
に移し取る。

【００２１】(4) この１層膜の移し取りを繰り返し、複
数層累積する。累積方法は、基板１６を膜面に水平に接
触させる水平付着法や、基板１６を膜面に僅かに傾斜さ
せて沈めておき、基板１６を上方に引き上げて膜を累積
する傾斜累積法が有効である。この累積工程を繰り返す
ことにより薄膜を厚み方向へ成長させ、立体配列を実現
することができる。

【００２２】〔実施例３〕これは、図３に示すように、
実施例２における光トラップ力に静電力と温度制御を組
み合わせた例である。光トラップ力の他に高周波電界を
用いた電気泳動力・誘電泳動力により微粒子を操作す
る。図３の単分子１４の場合、水槽１５内には微小電極
３０と底部電極３１を配置し、針状電極のような微小電
極３０が作る局所的な電界により単分子１４を移動させ
る。

【００２３】また、温度制御することにより、ミクロブ
ラウン運動の影響を小さくすることができ、さらに配列
後、熱処理することにより高品質の単分子膜が作成でき
る。図３では、水槽１５の裏蓋には恒温水槽３２からの
恒温水３３を循環させ、温度を制御する。

【００２４】このような空間光トラップ力・静電力・温
度制御を組み合わせた複合化法においては、非常に制御
性の高い配列を行うことができ、良好な配列の単分子膜
を得ることができる。また、実施例２で述べたように、
可動バリヤー１７で配列固定し、基板１６に累積を繰り
返すことにより、配列の良好な立体配列を得ることがで
きる。

【００２５】

【発明の効果】前述の通り、この発明は、層状の微粒子
を空間光パターンに基づく光トラップ力により選択的に
面内に配列し、これを固定するようにしたため、従来の
単一の微粒子操作から複数の微粒子の同時操作を容易に
行うことができ、操作性、生産性を大きく改善できる。
また、単一あるいは混合物の微粒子を面内において選択
的に配列制御することができると共に、積層を繰り返す
ことによりパターン化された立体構造体も作成できる。
このため、例えば単分子膜作成に用いた場合、これまで
困難であった、個々の分子機能を発揮した分子素子を作
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の空間光パターン発生器を用いた微粒
子の配列制御装置を示す概略斜視図である。

【図２】この発明の空間光パターン発生器を用いた単分
子膜の配列制御装置を示す概略断面図である。

【図３】光トラップ力・静電力・温度制御による複合化
法を図２に適用した例を示す概略断面図である。

【図４】従来の単一微粒子の光トラップ原理図である。

【図５】従来の単分子膜作成のモデル図である。

【符号の説明】

Ｐ空間光パターン１レーザー２ビームエキスパンダ３光パターン発生器４ダイクロイックミラー５顕微鏡対物レンズ６ステージ７照明８集光レンズ９フィルター１０ＣＣＤカメラ１１ＶＴＲ１２モニター１３微粒子層１３−１微粒子１３−２液１４単分子１５水槽１６基板１７可動バリヤー１８表面圧力センサー１９水銀ランプ２０ダイクロイックミラー２１ＳＩＴカメラ２２モーター２３モーターコントローラー２４コンピューター２５フィルムバランスコントローラー２６リフトコントローラー３０微小電極３１底部電極３２恒温水槽３３恒温水

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微粒子を層状に形成する工程と、この層
状の微粒子を空間光パターンに基づく光トラップ力によ
り面内に選択的に配列する工程と、この微粒子の面内パ
ターン配列を固定する工程とからなることを特徴とする
微粒子の配列制御方法。
【請求項２】有機分子を層状に形成する工程と、この
層状の有機分子を空間光パターンに基づく光トラップ力
により面内に選択的に配列する工程と、この有機分子の
面内パターン配列を圧縮あるいは温度制御により固定す
る工程と、これら工程を繰り返すことにより、前記面内
パターンを立体配列する工程とからなることを特徴とす
る微粒子の配列制御方法。
【請求項３】微粒子を層状に形成する工程と、この層
状の微粒子を空間光パターンに基づく光トラップ力に静
電力あるいは温度制御を組み合わせた複合化法により面
内に選択的に配列する工程と、この面内パターン配列を
固定する工程とからなることを特徴とする微粒子の配列
制御方法。