JPH0731459A - 微小物体移動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レ−ザトラッピング現象を利用した、効率の
良い微小物体搬送装置を提供すること。 【構成】 駆動装置２２４，２２１を用いてビ−ムエキ
スパンダ１２を作動させることによって、搬送速度が最
大となるように、レ−ザビ−ムと、搬送対象となる細胞
との位置関係を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レ−ザ光線による光ト
ラッピング現象を利用して、細胞等の微小物体を移動さ
せる微小物移動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の細胞生物学の目覚ましい発展にと
もなって、細胞ハンドリングのための各種技術が開発さ
れている。

【０００３】例えば、溶媒中に懸濁した細胞を移動させ
る方法として光トラッピングを利用した方法がある。該
方法は、レ−ザ光線をレンズで絞り込んで、細胞に照射
し、該細胞がレ−ザ光線の光軸付近に捕捉されると（光
トラッピング現象）、そのままの状態で懸濁液（培養
液）を入れた容器、あるいはレ−ザ光線を、水平方向に
移動させることによって細胞を移動させるというもので
ある。このような光トラッピングによる細胞搬送の詳細
については、例えば、、日本レ−ザ医学会誌 １９９０
年３月、第１０巻第４号において、大弓正志らによって
報告されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光トラ
ッピングを利用した搬送方法では、細胞と周囲の培養液
との屈折率の差が小さいため、レ−ザ光線が細胞と培養
液との境界で屈折せず、十分な光トラッピングを起こす
ことができない場合があった。

【０００５】レ−ザ光の出力を増大して光トラッピング
を強くすることは可能であるが、その場合には、細胞内
に吸収される光の量が増大し、細胞が高温となり死んで
しまうという問題があった。

【０００６】本発明は、微小物体の光トラッピングによ
る搬送を効率良く行うことのできる微小物体移動装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたもので、その一態様としては、光ト
ラッピング現象を利用して、液中に存在する微小物体を
移動させる微小物体移動装置において、上記移動の対象
となる微小物体を液体とともに貯溜するチャンバ−と、
光トラッピングに用いる光を発生する光源と、上記チャ
ンバ−内の微小物体に、上記光源の発する光を照射する
照射光学系と、上記照射光学系の照射する光の上記チャ
ンバ−への入射位置および／または入射角度と、上記チ
ャンバ−の位置と、の少なくとも一方を変更する駆動装
置と、を備え、上記照射光学系は、照射する光の最小ス
ポット位置および最小スポット径を独立的に調整可能に
構成されていること、を特徴とする微小物体移動装置が
提供される。

【０００８】上記照射光学系は、ビ−ムエキスパンダを
含んで構成されていても構わない。

【０００９】

【作用】照射光学系を用いて、光源の発する光をチャン
バ−内の微小物体（例えば、細胞）に照射する。この
時、照射する光の最小スポット位置、最小スポット径を
各々制御することによって、移動の対象となっている微
小物体にあわせた最適条件を作りだすことができる。最
小スポット位置、最小スポット径を独立的に変更可能に
するには、例えば、照射光学系にビ−ムエキスパンダを
含めておけばよい。

【００１０】この後、駆動装置によって、光のチャンバ
−への入射位置および／または入射角度を変更すること
によって、微小物体を移動させることができる。

【００１１】あるいは、チャンバ−の位置、角度を変更
するようにしても良い。

【００１２】

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

【００１３】その前に、レ−ザトラッピングで細胞を搬
送する場合、レ−ザビ−ムと細胞とがどのような関係に
あるのが最も好ましいかという点について考える。

【００１４】光トラッピングによる捕捉力は、細胞
（注：ここでは球形であると仮定する）へのレ−ザの入
射角θと、細胞に照射されるレ−ザ光のスポット径ｄと
によって変化する。

【００１５】レ−ザトラッピングによって生じる力のう
ち、レ−ザビ−ムの軸方向の力は、図１に示すとおり、
常に、最小スポット位置Ｐｆを向いて作用する。従っ
て、レ−ザトラッピングに起因する力以外の外力が全く
作用していない場合には、捕捉されている細胞は該最小
スポット位置Ｐｆに移動していく。しかし、実際には、
重力などの外力が作用するため、細胞は、必ずしも最小
スポット位置に移動するわけではない。例えば、レ−ザ
−ビ−ムを下側から照射する場合には、捕捉されている
細胞は、レ−ザビ−ムの軸方向に作用する力と、重力
と、浮力と、が釣り合う位置に移動し、ここで安定す
る。逆に言えば、その時細胞の存在している位置におい
て、これらの力が釣り合うように、レ−ザビ−ムのスポ
ット径、入射角を当初から調整しておけば、搬送中に、
細胞がレ−ザビ−ムの軸方向に移動してしまうことを避
けることができる。

【００１６】最小スポット径が同じであるならば、レ−
ザビ−ムの軸方向に作用する力は、入射角θが大きいほ
ど強い。例えば、図２においては、入射角θ２のビ−ム
ｒａよりも、入射角θ３のビ−ムｒｂの方が、軸方向に
作用する力が大きい。従って、入射角θを大きくしてお
けば、軸方向については、細胞をいち早く所定の位置
（注：上述したとおり、必ずしも最小スポット位置では
ない）に移動させ安定な状態を作りだすことができる。

【００１７】一方、レ−ザビ−ムの光軸に垂直な方向に
作用する捕捉力は、ガウシアンビ−ムの強度分布および
ビ−ムの入射角度、反射角度に影響される。この力は、
入射角度θが小さいほど（ビ−ムが平行に近くなるほ
ど）強度分布の影響も大きくなっていく。しかし、実際
には、入射角度θは大きいため、入射角度、反射角度の
影響も大きく、単に強度分布だけに依存するわけではな
い。従って、細胞を光トラッピングで捕捉し、様々に条
件を変えて、実際にレ−ザビ−ムあるいは試料を載せた
ステ−ジを移動等させてみて、初めて最も速く移動させ
られる条件を知ることができる。

【００１８】従って、実際の細胞の搬送においては、光
軸方向に細胞が移動してしまわないような位置に最小ス
ポット位置をおく一方で、その細胞の位置におけるスポ
ット径θや入射角は、実測によって得られた条件に適宜
設定することが好ましい。

【００１９】本実施例の具体的構成を図３に示す。

【００２０】該微小物体移動装置は、レ−ザ照射光学系
１と、駆動装置２と、制御装置３と、試料となる懸濁液
を入れるチャンバ４と、観察光学系５とから主に構成さ
れる。

【００２１】レ−ザ照射光学系１は、レ−ザ光源１０
と、ビ−ムを絞るための集光レンズ１１と、ビ−ムの径
を変えるビ−ムエキスパンダ１２とから主に構成されて
いる。

【００２２】レ−ザ光源１０は、制御装置３からの指示
に従って、所望の強度のレ−ザ光を発生させるものであ
る。

【００２３】ビ−ムエキスパンダ１２は、集光レンズ１
１に入射側するレ−ザビ−ム径を変更するためのもので
ある。光強度分布がガウシアン分布となっているレ−ザ
ビ−ムの場合、回折の限界において得られる最小のスポ
ット径（以下、”最小スポット径”という）は、光学的
には、焦点比（ｆ／Ｗ）によって決定される。つまり、
同一のレンズで集光する場合、図４に示すとおり、最小
スポット径（２Ｗ）は集光レンズに入射するレ−ザビ−
ムのビ−ム径Ｄが大きいほど小さくなる（注：この点に
ついては実施例の説明の最後において詳細に説明す
る）。また、この場合、入射角θは、ビ−ム径Ｄが大き
いほど、入射角θは大きくなる。そこで、本実施例で
は、該ビ−ムエキスパンダ１２で集光レンズ１１に入射
側するレ−ザビ−ム径を変更することによって、入射角
θ等を変更する構成となっている。

【００２４】ビ−ムエキスパンダ１２の概要を図５を用
いて説明する。ビ−ムエキスパンダ１２は、部材１２１
に固定されたレンズ１２０と、部材１２４に固定された
レンズ１２３と、を含んで構成されている。部材１２１
と部材１２４とは、レンズ１２０およびレンズ１２３の
光軸を一致させるように配置されている。また、該光軸
の方向における互いの位置関係を変更可能に構成されて
いる。これにより、両レンズ１２０，１２３は光軸を一
致させたままで、その距離を変更可能に構成されてい
る。この図上、下側からレンズ１２０に入射した径の細
い光線束（入射光ｒ_in）は、レンズ１２０、１２３によ
って径の太い光線束(出射光ｒ_out)に変えられる。この
場合、部材１２１を図中白抜き矢印の方向に移動させる
ことによって、該出射光ｒ_outの太さを変えることがで
きる。例えば、レンズ１２０とレンズ１２３との間隔を
広くすれば、出射光ｒ_outのビ−ム径を小さくすること
ができる。部材１２１の移動は、後述する駆動装置２２
１によって行われる。

【００２５】なお、ビ−ムエキスパンダ自体は既に広く
知られている技術であるため、各レンズ１２０，１２３
等に要求される仕様、配置の仕方等の詳細は、ここでは
説明しない。この図の例ではビ−ムエキスパンダ１２
を、２枚のレンズ（レンズ１２０，１２３）で構成して
いるが、そのレンズ構成は、上記ビ−ムエキスパンダと
しての目的を実現可能であれば、なんら限定されるもの
ではない。ビ−ムエキスパンダは、一般には、平行光束
の径を（平行光束のままで）変更するものであるが、本
発明の目的を達成するためには、ビ−ムエキスパンダ１
２からの出射光は、必ずしも平行光束となっている必要
はない。最終的に細胞に照射されるレ−ザビ−ムの最小
スポット径、入射角θを、最小スポット位置とは独立的
に、調整可能であれば、他のいかなる構成であっても構
わない。

【００２６】集光レンズ１１は、ビ−ムエキスパンダ１
２から出射されてきたレ−ザ光をさらに絞り込むための
ものである。該集光レンズ１１は、上述の部材１２３
に、レンズ１２０等と光軸を一致させて固定されてい
る。従って、レンズ１２３との間隔は変更できない。

【００２７】上記レ−ザ照射光学系１の具体的構成は単
なる一例であって、本発明は上記構成になんら限定され
るものではない。細胞に照射されるレ−ザ光の径を変更
可能であれば、いかなる構成であっても構わない。

【００２８】駆動装置２は、レ−ザ照射光学系１の照射
するレ−ザ光のチャンバ−４への入射位置および／また
は入射角度を変えることによって、該レ−ザ光に捕捉さ
れている細胞の該チャンバ−４内における位置を変更さ
せるものである。駆動装置２には、レ−ザ照射光学系１
の全体を移動させる駆動機構２２４と、上記部材１２１
を移動させる駆動機構２２１とがある。両機構とも、制
御装置３からの制御を受けて動作するようになってい
る。

【００２９】駆動機構２２４は、ベ−ス６に設置されて
おり、部材１２４をステ−ジ４２と平行な面内に存在し
互いに直行する２つの方向（Ｘ方向，Ｙ方向）と、ステ
−ジ４２と垂直な方向（Ｚ方向）に移動させることがで
きる。該駆動機構２２４を、Ｘ．Ｙ方向に作動させるこ
とによって、ビ−ムのチャンバ４への入射位置を変更す
ることができる。また、Ｚ方向に作動させることによっ
て、レ−ザビ−ムの最小スポット位置（ピント位置）
と、細胞との相対的な位置関係を変更することができ
る。

【００３０】駆動機構２２１は、部材１２１を光軸方向
に移動させることによって、ビ−ムエキスパンダ１２か
ら集光レンズ１１に入射されるレ−ザビ−ムの径を調整
するためのものである。該駆動機構２２１を用いること
によって、最小スポットのＺ軸方向の位置（ピント位
置）を変えることなく、最小スポット径を変えることが
できる。

【００３１】本実施例においては、レ−ザ照射光学系１
を移動などさせているが、チャンバ−４の位置、向き等
を変えるようにしても構わない。

【００３２】観察光学系５は、チャンバ４内の細胞等を
観察するためのものである。該観察光学系５は、チャン
バ４の上方に配置されており、細胞に実際に照射されて
いる（言い替えれば、細胞の位置における）レ−ザビ−
ムの径を観察することができる。

【００３３】制御装置３は、主に、入力装置３１と、駆
動機構制御回路３２，３３と、演算処理回路３４と、画
像メモリ３７と、モニタ３９と、メモリ４１と、これら
各部をつなぐデ−タバス４０とからなる。

【００３４】入力装置３１は、駆動装置２による部材１
２４等の移動指示を、使用者が入力するためのものであ
る。また、この他にも、観察光学系５により得た映像を
画像処理する場合等における、処理条件等を入力するた
めのものである。移動指示は、ジョイスティック等で行
うこととすれば、操作性が良い。

【００３５】駆動機構制御回路３２，３３は、入力装置
３１あるいは、演算処理回路３４からの出力に従って、
駆動装置２を作動させるものである。

【００３６】モニタ３９は、観察光学系５によって得ら
れた画像を表示するためのものである。観察光学系５が
出力するアナログデ−タは、Ａ／Ｄ変換器３６によって
デジタルデ−タに変換され、デ−タバス４０を介して画
像メモリ３７に格納される。該画像メモリ３７に格納さ
れたデジタルデ−タは、Ａ／Ｄ変換器３８によって再び
アナログデ−タに変換され、モニタ３９に表示される。

【００３７】メモリ４１には、レ−ザの出力、細胞の種
類、細胞の大きさ等と、搬送速度が最大となる（細胞の
位置における）スポット径と、その最大搬送速度と、対
応づけて記憶している。これらの情報は予め実測を行う
ことによって得たものである。

【００３８】演算処理回路３４は、上記各部の動作・処
理を統括するものである。また、観察光学系５によって
得られた映像の画像処理等を行う機能を備えている。さ
らに、本実施例の演算処理回路３４は、上記メモリ４１
に保持されたデ−タと、観察光学系５から得られた搬送
対象細胞に関するデ−タとを比較参照することによっ
て、搬送動作を効率良く行うことができるように駆動装
置２を制御する機能を備えている。なお、これら機能の
詳細については動作説明と併せて行う。但し、制御装置
３の機能およびその構成は、これに限定されるものでは
ない。例えば、外部記憶装置に各種デ−タを保持するよ
うにしても良い。

【００３９】特許請求の範囲において言う”駆動装置”
とは、上記駆動装置２、制御装置３等によって実現され
るものである。また、”照射光学系”とは、上記レ−ザ
照射光学系１に相当するものである。

【００４０】動作を説明する。

【００４１】観察光学系５を用いて移動の対象となる細
胞を決定すると、駆動機構２２４によってレ−ザ照射光
学系１を、Ｘ軸、Ｙ軸方向に移動させ、レ−ザビ−ムの
光軸上に、当該細胞を位置させる。該光軸と、細胞との
位置関係は、観察光学径５を用いて観察することにより
知ることができる。

【００４２】つづいて、駆動機構２２４によってレ−ザ
照射光学系１をＺ軸方向に移動させ、最小スポット位置
と細胞の位置とを一致させる。最小スポット位置と細胞
との相対的な位置関係も、同様に、観察光学系５を用い
て観察することによって判別することができる。つま
り、細胞の位置におけるスポット径の大きさが最小とな
っていれば、両者が一致していることになる。また、レ
−ザビ−ムの部分と背景部分とではその輝度が大きく異
なるため、該輝度をみればスポット径は容易に知ること
ができる。従って、細胞の位置におけるスポット径の大
きさが最小となる位置にまで、レ−ザ照射光学系１をＺ
軸方向に移動させればよい。なお、当然ながら、細胞の
位置におけるスポット径を知るためには、観察光学系５
のピントを細胞にあわせていなければならない。

【００４３】この後改めて、最小スポット位置が、予め
定められた距離だけ、細胞より手前側位置となるよう
に、レ−ザ照射光学系１をＺ軸方向に移動させる。この
ような操作を行うのは、Ｚ軸方向について、細胞に作用
する力を無くすためである。この場合の、該予め定めら
れた距離とは、当然、重力の大きさ、レ−ザの出力、細
胞の大きさ、細胞に作用する浮力、後述するスポット径
の設定値等を考慮して決定される。

【００４４】また、駆動機構２２１によって、ビ−ムエ
キスパンダ１２を作動させ、細胞の位置におけるスポッ
ト径を設定値に合わせる（注：厳密に一致させる必要は
なく、両者の差が予め設定された範囲内に収まっていれ
ば十分である）。レ−ザ照射光学系の構成によっては、
最小スポットの位置（つまり、ピント位置）が、多少ず
れてしまう場合がある。この場合には、駆動機構２２４
を用いて、該ずれ分を補正してやればよい。

【００４５】そして、最後に、駆動機構２２４により、
レ−ザ照射光学系１をＸ，Ｙ方向に移動させれば、細胞
を所望の位置にまで搬送することができる。この場合、
制御装置３は、移動速度が、上記スポット径の設定値と
併せて実測された最大搬送速度を越えないようにする。

【００４６】なお、観察光学系５を用いて得られる画像
を画像メモリ３７に取り込み、各種演算を施すようにす
れば、上記レ−ザビ−ムのスポット径を自動検出するこ
とも可能である。例えば、予め適当な閾値を設定してお
き、輝度が該閾値以上となる領域を、スポットエリアと
する。該スポットエリアの外接円の半径が上記スポット
径を、また、スポットエリアの重心がレ−ザビ−ムの照
射位置を示すことになる。

【００４７】さらには、観察光学系５にオ−トフォ−カ
ス機能を備えておけば、レ−ザ照射光学系１の移動、ス
ポット径の調整等を完全に自動制御することも可能であ
る。

【００４８】この場合には、使用者は搬送する細胞をモ
ニタ３９上で指示するだけでよいことになる。

【００４９】レ−ザ光照射系が、最小スポット位置と、
最小スポット径および入射角とを完全に独立的に制御で
きない場合には、スポット径の変更に伴て最小スポット
位置が移動してしまう。このような場合でも、その移動
量は、レ−ザ照射光学系のレンズ構成に基づいて予め求
めることができるため、制御装置３の制御プログラムに
該ずれの補正を組み込んでおけば、使用者は該補正につ
いてなんら意識する必要はない。

【００５０】上記説明においては、細胞を、Ｘ軸方向、
Ｙ軸方向についてのみ移動させることを前提としてい
た。しかし、最小スポット位置を変更することによっ
て、Ｚ軸方向に作用する力をより積極的に制御すれば、
細胞を３次元空間内において搬送することも不可能では
ない。

【００５１】上記実施例を具体的に設計する際に必要と
なる、レンズに入射するレ−ザビ−ムのスポット径と、
当該レンズからの出射光の最小スポット径との関係を以
下において説明しておく。

【００５２】光強度がガウシアン分布となっているレ−
ザビ−ムを前提とした場合、レンズに対する入射ビ−ム
のウエストと、出射ビ−ムのウエストとの関係は、数１
に示すものとなる。

【００５３】

【数１】

【００５４】ｓ ：入射ビ−ムのウエストと、レンズ第
１主点との距離（第１共役距離） ｓ”：出射ビ−ムのウエストと、レンズ第２主点との距
離（第２共役距離） ｆ ：レンズの有効焦点距離 ω₀ ：波面が平面なる位置における放射ビ−ム強度（１
／ｅ²）の輪郭半径（ビ−ムウエストにおけるスポット
サイズ） λ ：波長 ｚ_R ：＝（π・ω₀ ²）／λ 従って、倍率（ω₀”／ω₀）は、

【００５５】

【数２】

【００５６】で与えられる。

【００５７】また、出射ビ−ムのレイリ−範囲ｚ”Ｒ
は、下記数３で示される。

【００５８】

【数３】

【００５９】上記数１、数２、数３から、下記数４の出
射ビ−ムのレイリ−範囲に関係するガウシアンビ−ムの
公式が得られる。

【００６０】

【数４】

【００６１】ここで、ｓ＝ｆである場合（入射ビ−ムの
ウエストが光学システムの前側焦点にある場合）、ガウ
シアンビ−ムのスポットサイズとフォ−カシングの位置
は、数２、数４より、下記数５、数６のとおりになる。

【００６２】

【数５】

【００６３】

【数６】

【００６４】すなわち、スポット径ｄは、入射時のビ−
ム径の変化に対して反比例して変化する。従って、実際
のレ−ザ照射光学系１は、上記各関係式を考慮して設計
すれば良い。

【００６５】以上説明した実施例においては、レ−ザ光
の最小スポット位置と、最小スポット径および入射角度
とを、独立的に調整可能であるため、搬送中に細胞がレ
−ザ光から外れてしまうような事態を最小限に抑え、細
胞の搬送を効率良く確実に行うことができる。上記実施
例においては、細胞を搬送する例のみを示したが、本発
明はこれに限定されるものではない。光トラッピング力
を生じるあらゆる物体の搬送に広く適用可能である。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したとおり本発明微小物体移動
装置によれば、光トラッピング現象を用いた搬送を効率
的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レ−ザビ−ムのピント位置と、光軸方向の力の
向きを示す図である。

【図２】レ−ザビ−ムの入射角と、光軸方向の力の大き
さとの関係を示す図である。

【図３】本発明の一実施例である細胞搬送装置の構成を
示す図である。

【図４】入射側レ−ザビ−ムの径と、最小スポット径
と、の関係を示す図である。

【図５】ビ−ムエキスパンダの詳細を示す図である。

【符号の説明】

１……レ−ザ照射光学系、２……駆動装置、３……制御
装置、４……チャンバ、５……観察光学系、６……ベ−
ス、１０……レ−ザ光源、１１……集光レンズ、１２…
…ビ−ムエキスパンダ、３１……入力装置、３２……駆
動機構制御回路、３３……駆動機構制御回路、３４……
演算処理回路、３６……Ａ／Ｄ変換器、３７……画像メ
モリ、３８……Ａ／Ｄ変換器、３９……モニタ、４１…
…メモリ、４２……ステ−ジ、１２０……レンズ、１２
１……部材、１２３……レンズ、１２４……部材、２２
１……駆動機構、２２４……駆動機構

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光トラッピング現象を利用して、液中に存
   在する微小物体を移動させる微小物体移動装置におい
   て、 上記移動の対象となる微小物体を液体とともに貯溜する
   チャンバ−と、 光トラッピングに用いる光を発生する光源と、 上記チャンバ−内の微小物体に、上記光源の発する光を
   照射する照射光学系と、 上記照射光学系の照射する光の上記チャンバ−への入射
   位置および／または入射角度と、上記チャンバ−の位置
   と、の少なくとも一方を変更する駆動装置と、 を備え、 上記照射光学系は、照射する光の最小スポット位置およ
   び最小スポット径を独立的に調整可能に構成されている
   こと、 を特徴とする微小物体移動装置。
2. 【請求項２】上記照射光学系は、ビ−ムエキスパンダを
   含んで構成されていること、 を特徴とする請求項１記載の微小物体移動装置。