JPH1048102A - 光学ピンセット - Google Patents
光学ピンセットInfo
- Publication number
- JPH1048102A JPH1048102A JP20153496A JP20153496A JPH1048102A JP H1048102 A JPH1048102 A JP H1048102A JP 20153496 A JP20153496 A JP 20153496A JP 20153496 A JP20153496 A JP 20153496A JP H1048102 A JPH1048102 A JP H1048102A
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- JP
- Japan
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- fine particles
- light
- optical
- different
- sample
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- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、光学的な特性の異なる微粒子を捕
獲し独立に操作する光学トラップ手段を有する光学ピン
セットを提供することを目的とする。 【解決手段】 レーザー光源１１、１２で発生させた異
なる波長の単色のレーザー光は、光学レンズ３１、３２
を通過した後、レンズ３４によって集束させられ、試料
ステージ８上に固定した容器９中に焦点を結ぶ。容器９
中の試料を含む溶液中に導入された集束光は、試料内に
入射し、溶液と試料の屈折率の違いと境界面の方向の違
いから、入射方向と異なる方向に散乱される。このとき
の光の入射時に対する進行方向の変化が前記微粒子に運
動量を与え、微粒子を捕獲する力を生み出すが、前記入
射光に対して吸収が大きく散乱光が出ない微粒子は、集
束光による捕獲力を受けない。よって、たとえば、微粒
子１０１はもっぱらレーザー光源１１より供給される光
によって捕獲され、微粒子１０２はもっぱらレーザー光
源１２より供給される光によって捕獲される。
獲し独立に操作する光学トラップ手段を有する光学ピン
セットを提供することを目的とする。 【解決手段】 レーザー光源１１、１２で発生させた異
なる波長の単色のレーザー光は、光学レンズ３１、３２
を通過した後、レンズ３４によって集束させられ、試料
ステージ８上に固定した容器９中に焦点を結ぶ。容器９
中の試料を含む溶液中に導入された集束光は、試料内に
入射し、溶液と試料の屈折率の違いと境界面の方向の違
いから、入射方向と異なる方向に散乱される。このとき
の光の入射時に対する進行方向の変化が前記微粒子に運
動量を与え、微粒子を捕獲する力を生み出すが、前記入
射光に対して吸収が大きく散乱光が出ない微粒子は、集
束光による捕獲力を受けない。よって、たとえば、微粒
子１０１はもっぱらレーザー光源１１より供給される光
によって捕獲され、微粒子１０２はもっぱらレーザー光
源１２より供給される光によって捕獲される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学トラップ手段
を有する光学ピンセットに関する。
を有する光学ピンセットに関する。
【０００２】
【従来の技術】集束光を用いた微粒子の捕獲技術は例え
ばアーサー・アシュキンらによって提案されている（特
開平２−９１５４５号公報参照）。光学トラップでは、
溶液中で浮遊するポリスチレン球等の微粒子をレーザー
光の集束点に捕獲し、この集束点を移動させることで前
記微粒子を移動させることが可能となっている。また複
数の集束光を導入することで溶液中の複数の微粒子を独
立に操作する手法に関しても前記公報の中で言及されて
いる。そして、この光学トラップを用いることで、サイ
エンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）第２３５巻第１５１７−２０
頁（１９８７年）にアシュキンらが報告しているよう
に、タバコモザイクウィルスや酵母菌、大腸菌、赤血球
などの生体試料や蛍光色素を付加したポリスチレン球、
色素を含んだポリスチレン球などを捕獲することが可能
である。
ばアーサー・アシュキンらによって提案されている（特
開平２−９１５４５号公報参照）。光学トラップでは、
溶液中で浮遊するポリスチレン球等の微粒子をレーザー
光の集束点に捕獲し、この集束点を移動させることで前
記微粒子を移動させることが可能となっている。また複
数の集束光を導入することで溶液中の複数の微粒子を独
立に操作する手法に関しても前記公報の中で言及されて
いる。そして、この光学トラップを用いることで、サイ
エンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）第２３５巻第１５１７−２０
頁（１９８７年）にアシュキンらが報告しているよう
に、タバコモザイクウィルスや酵母菌、大腸菌、赤血球
などの生体試料や蛍光色素を付加したポリスチレン球、
色素を含んだポリスチレン球などを捕獲することが可能
である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、複数
の集束光を用いた光学トラップで複数の試料を独立に捕
獲し、これらを各々独立に操作することで各微粒子を独
立に移動させた。このとき、前記複数の微粒子を捕獲し
ている集束点が各々離れており、各微粒子が他の微粒子
を捕獲している集束光から影響を受けない場合には、各
集束光の位置を独立に移動させることで各々の集束光で
捕獲されている微粒子を希望の位置に移動させることが
可能である。しかし、一旦各集束光を近付けることで微
粒子の位置が十分に接近した場合には、各集束光によっ
て形成されるポテンシャル場が重ね合わされてしまい、
重ね合わされたポテンシャル場中に集まった微粒子はも
はや各集束光で独立に制御することは不可能であり、そ
の後に各集束光を遠ざけても微粒子を分離することは極
めて難しかった。
の集束光を用いた光学トラップで複数の試料を独立に捕
獲し、これらを各々独立に操作することで各微粒子を独
立に移動させた。このとき、前記複数の微粒子を捕獲し
ている集束点が各々離れており、各微粒子が他の微粒子
を捕獲している集束光から影響を受けない場合には、各
集束光の位置を独立に移動させることで各々の集束光で
捕獲されている微粒子を希望の位置に移動させることが
可能である。しかし、一旦各集束光を近付けることで微
粒子の位置が十分に接近した場合には、各集束光によっ
て形成されるポテンシャル場が重ね合わされてしまい、
重ね合わされたポテンシャル場中に集まった微粒子はも
はや各集束光で独立に制御することは不可能であり、そ
の後に各集束光を遠ざけても微粒子を分離することは極
めて難しかった。
【０００４】本発明は、光学特性の異なる微粒子を捕獲
し独立に操作する光学トラップ手段を有する光学ピンセ
ットを提供することを目的とする。
し独立に操作する光学トラップ手段を有する光学ピンセ
ットを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、波長に対する光学的な吸収特性の異な
る微粒子について、それぞれの微粒子の光の波長に対す
る吸収特性の極小値の波長の光あるいはそれぞれの微粒
子の光の波長に対する吸収特性の異なる波長の光を光学
トラップに用いる光源として用い、また微粒子を捕獲す
る光の集束点における強度が同じとなるように前記光源
光の強度を調節する。また、光学的な吸収特性の異なる
微粒子を作成するには、光学特性の異なる色素を組み合
わせて微粒子中に封入する。あるいは、表面にカルボキ
シル基あるいはアミノ基などの反応残基を付加した微粒
子の表面に、これと反応する残基を持つ色素を共有結合
させることで、光学的な吸収特性の異なる微粒子を作成
する。
め、本発明では、波長に対する光学的な吸収特性の異な
る微粒子について、それぞれの微粒子の光の波長に対す
る吸収特性の極小値の波長の光あるいはそれぞれの微粒
子の光の波長に対する吸収特性の異なる波長の光を光学
トラップに用いる光源として用い、また微粒子を捕獲す
る光の集束点における強度が同じとなるように前記光源
光の強度を調節する。また、光学的な吸収特性の異なる
微粒子を作成するには、光学特性の異なる色素を組み合
わせて微粒子中に封入する。あるいは、表面にカルボキ
シル基あるいはアミノ基などの反応残基を付加した微粒
子の表面に、これと反応する残基を持つ色素を共有結合
させることで、光学的な吸収特性の異なる微粒子を作成
する。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の代表的な実施例
の装置構成図を示す。本装置は、複数の集束光を試料溶
液中に作り出す機構と、試料観察、解析のための機構か
らなる。集束光を試料溶液中に作り出す機構は、以下の
ような構成になっている。レーザー光源１１、１２で発
生させた異なる波長の単色のレーザー光は、まずフィル
ター６１、６２によって、試料の微粒子１０１、１０２
を捕獲する場所での強度が等しくなるように強度が調整
される。つぎに強度を調整されたレーザー光は光学レン
ズ３１、３２を通過した後、駆動機構１１１、１１２に
よって傾きが制御できる鏡４１、４２に各々入射され
る。鏡４１、４２で反射方向を制御されたレーザー光は
ダイクロイックミラー５１によって重ね合わされる。つ
ぎに重ね合わされたレーザー光はダイクロイックミラー
５２によって反射されて、レンズ３４によって集束させ
られ、試料ステージ８上に固定した容器９中に焦点を結
ぶ。この焦点の位置は鏡４１、４２の傾きを制御するこ
とで試料ステージ平面上のＸ−Ｙ方向について自在に移
動させることができる。ここで、図２で曲線１２１のよ
うなレーザー光源１１の波長に吸収の極小波長１３１を
持つ微粒子１０１と、曲線１２２のようなレーザー光源
１２の波長に吸収の極小波長１３２を持つ微粒子１０２
とを、容器９中に導入すると微粒子１０１、１０２はそ
れぞれレーザー光源１１、１２の単色レーザー光によっ
て捕獲される。このとき、光学トラップによって微粒子
を捕獲する仕組みは、以下のように幾何光学的に説明さ
れる。容器９中の試料を含む溶液中に導入された集束光
は、試料内に入射し、溶液と試料の屈折率の違いと境界
面の方向の違いから、入射方向と異なる方向に散乱され
る。このときの光の入射時に対する進行方向の変化が前
記微粒子に運動量を与え、微粒子を捕獲する力を生み出
す。したがって、前記入射光に対して吸収が大きく散乱
光が出ない微粒子は、集束光による捕獲力を受けない。
よって、微粒子１０１と１０２を、それぞれのレーザー
光の集束点を移動させ、微粒子１０１、１０２にレーザ
ー光源１１、１２の両方から同強度の集束光が供給され
た場合であっても、微粒子１０１に対してレーザー光源
１１から供給された光による散乱光の強度は、レーザー
光源１２から供給された光は微粒子１０１中で吸収され
るため、レーザー光源１２による散乱光の強度に対して
十分大きくなり、微粒子１０１はもっぱらレーザー光源
１１より供給される光によって捕獲制御される。同様に
微粒子１０２はもっぱらレーザー光源１２より供給され
る光によって捕獲制御される。したがって、２つの集束
レーザー光を引き離した場合にも、微粒子１０１はレー
ザー光源１１に追従し、微粒子１０２はレーザー光源１
２に追従する。
の装置構成図を示す。本装置は、複数の集束光を試料溶
液中に作り出す機構と、試料観察、解析のための機構か
らなる。集束光を試料溶液中に作り出す機構は、以下の
ような構成になっている。レーザー光源１１、１２で発
生させた異なる波長の単色のレーザー光は、まずフィル
ター６１、６２によって、試料の微粒子１０１、１０２
を捕獲する場所での強度が等しくなるように強度が調整
される。つぎに強度を調整されたレーザー光は光学レン
ズ３１、３２を通過した後、駆動機構１１１、１１２に
よって傾きが制御できる鏡４１、４２に各々入射され
る。鏡４１、４２で反射方向を制御されたレーザー光は
ダイクロイックミラー５１によって重ね合わされる。つ
ぎに重ね合わされたレーザー光はダイクロイックミラー
５２によって反射されて、レンズ３４によって集束させ
られ、試料ステージ８上に固定した容器９中に焦点を結
ぶ。この焦点の位置は鏡４１、４２の傾きを制御するこ
とで試料ステージ平面上のＸ−Ｙ方向について自在に移
動させることができる。ここで、図２で曲線１２１のよ
うなレーザー光源１１の波長に吸収の極小波長１３１を
持つ微粒子１０１と、曲線１２２のようなレーザー光源
１２の波長に吸収の極小波長１３２を持つ微粒子１０２
とを、容器９中に導入すると微粒子１０１、１０２はそ
れぞれレーザー光源１１、１２の単色レーザー光によっ
て捕獲される。このとき、光学トラップによって微粒子
を捕獲する仕組みは、以下のように幾何光学的に説明さ
れる。容器９中の試料を含む溶液中に導入された集束光
は、試料内に入射し、溶液と試料の屈折率の違いと境界
面の方向の違いから、入射方向と異なる方向に散乱され
る。このときの光の入射時に対する進行方向の変化が前
記微粒子に運動量を与え、微粒子を捕獲する力を生み出
す。したがって、前記入射光に対して吸収が大きく散乱
光が出ない微粒子は、集束光による捕獲力を受けない。
よって、微粒子１０１と１０２を、それぞれのレーザー
光の集束点を移動させ、微粒子１０１、１０２にレーザ
ー光源１１、１２の両方から同強度の集束光が供給され
た場合であっても、微粒子１０１に対してレーザー光源
１１から供給された光による散乱光の強度は、レーザー
光源１２から供給された光は微粒子１０１中で吸収され
るため、レーザー光源１２による散乱光の強度に対して
十分大きくなり、微粒子１０１はもっぱらレーザー光源
１１より供給される光によって捕獲制御される。同様に
微粒子１０２はもっぱらレーザー光源１２より供給され
る光によって捕獲制御される。したがって、２つの集束
レーザー光を引き離した場合にも、微粒子１０１はレー
ザー光源１１に追従し、微粒子１０２はレーザー光源１
２に追従する。
【０００７】つぎに、試料観察、解析の機構は以下のよ
うな構成になっている。水銀ランプ、ハロゲンランプ等
の顕微鏡光源２より照射された白色光は鏡４３でコンデ
ンサーの役割を果たす光学レンズ３３に導入される。光
学レンズ３３を通過した光は試料溶液を含む容器９に入
射し、対物レンズとなる光学レンズ３４を通過してダイ
クロイックミラー５２に達する。ダイクロイックミラー
５２を通過した光はレーザー光源１１、１２の波長の光
を遮断するフィルター６３、６４を通過した後、鏡４４
によってＣＣＤカメラ７に入射し、容器９中の試料を観
察することができる。
うな構成になっている。水銀ランプ、ハロゲンランプ等
の顕微鏡光源２より照射された白色光は鏡４３でコンデ
ンサーの役割を果たす光学レンズ３３に導入される。光
学レンズ３３を通過した光は試料溶液を含む容器９に入
射し、対物レンズとなる光学レンズ３４を通過してダイ
クロイックミラー５２に達する。ダイクロイックミラー
５２を通過した光はレーザー光源１１、１２の波長の光
を遮断するフィルター６３、６４を通過した後、鏡４４
によってＣＣＤカメラ７に入射し、容器９中の試料を観
察することができる。
【０００８】本実施例では２つの異なる吸収特性を持つ
微粒子と、それぞれの吸収が極小となる波長の２つの単
色レーザーを用いたが、それぞれの吸収特性が異なれば
３つ以上の吸収特性の異なる微粒子と波長の異なる単色
光源を用いることで、３つ以上の微粒子を独立に制御す
ることもできる。
微粒子と、それぞれの吸収が極小となる波長の２つの単
色レーザーを用いたが、それぞれの吸収特性が異なれば
３つ以上の吸収特性の異なる微粒子と波長の異なる単色
光源を用いることで、３つ以上の微粒子を独立に制御す
ることもできる。
【０００９】吸収特性の異なる微粒子としては、例えば
図２のような吸収特性を持つ溶液を内包したリポソーム
を用いてもよいし、あるいは表面にカルボキシル基ある
いはアミノ基などの反応残基を持つポリスチレン球など
の微粒子に、図２のような吸収特性を持つように複数の
色素をサクシミル化等の反応によって共有結合させても
よい。
図２のような吸収特性を持つ溶液を内包したリポソーム
を用いてもよいし、あるいは表面にカルボキシル基ある
いはアミノ基などの反応残基を持つポリスチレン球など
の微粒子に、図２のような吸収特性を持つように複数の
色素をサクシミル化等の反応によって共有結合させても
よい。
【００１０】また、本発明を用いると吸光特性の異なる
微粒子を以下の手順で分離することができる。たとえ
ば、複数の異なる波長λ１、λ２、λ３…の光源に対し
て吸収特性の異なる微粒子を、まず波長λ１の光束でそ
の集束点に捕獲する。次に、この微粒子を波長λ１の光
束で捕獲したまま、同じ強度の波長λ２の光束を重ね合
わせた後に波長λ２の光束を移動させる。もし、微粒子
の吸収特性が波長λ１に比べて波長λ２で小さい場合に
は、波長λ２の集束光による拘束力のほうが強くなるた
め、微粒子は波長λ２の光束の移動に追従して移動す
る。しかし、微粒子の吸収特性が波長λ１に比べて波長
λ２で大きい場合には、波長λ１の集束光による拘束力
のほうが強くなるため、微粒子は波長λ２の光束の移動
に追従しないで集束光λ１の位置に留まる。同様に、順
次段階的にλ３、λ４…と比較して行くことで微粒子が
最も強く捕獲される吸収極小波長の異なる微粒子を分離
精製することができる。
微粒子を以下の手順で分離することができる。たとえ
ば、複数の異なる波長λ１、λ２、λ３…の光源に対し
て吸収特性の異なる微粒子を、まず波長λ１の光束でそ
の集束点に捕獲する。次に、この微粒子を波長λ１の光
束で捕獲したまま、同じ強度の波長λ２の光束を重ね合
わせた後に波長λ２の光束を移動させる。もし、微粒子
の吸収特性が波長λ１に比べて波長λ２で小さい場合に
は、波長λ２の集束光による拘束力のほうが強くなるた
め、微粒子は波長λ２の光束の移動に追従して移動す
る。しかし、微粒子の吸収特性が波長λ１に比べて波長
λ２で大きい場合には、波長λ１の集束光による拘束力
のほうが強くなるため、微粒子は波長λ２の光束の移動
に追従しないで集束光λ１の位置に留まる。同様に、順
次段階的にλ３、λ４…と比較して行くことで微粒子が
最も強く捕獲される吸収極小波長の異なる微粒子を分離
精製することができる。
【００１１】あるいは、本発明を用いると抗原抗体反
応、疎水結合力などの異なる２粒子間の相互作用力の大
きさを以下の手順で見積もることができる。まず２つの
異なる波長λ１、λ２の光源に対して吸収特性の異なる
２つの微粒子の表面を相互作用力を見積もりたい試料、
たとえば抗原と抗体で各々修飾する。つぎに、これらの
微粒子を波長λ１、λ２の光束で各々その集束点に捕獲
し、２つの集束点の位置を重ね合わせることでこれらの
微粒子を接触させる。２つの微粒子が接触した後に、２
つの光の集束点を徐々に引き離して行く。すると、２つ
の微粒子は結合力によって接着しているため、最初は集
束点の移動に追従しない。しかし、光の集束点の位置と
微粒子の重心の間の距離Ｌの増加に対してＬの２乗に比
例して２つの微粒子を引き離そうとする力が増加するた
め、２つの焦点の距離がある一定のＬの値になったとこ
ろで、２つの微粒子は離れる。したがって、このときの
値Ｌから２つの微粒子表面に結合した抗原と抗体の結合
力を見積もることができる。
応、疎水結合力などの異なる２粒子間の相互作用力の大
きさを以下の手順で見積もることができる。まず２つの
異なる波長λ１、λ２の光源に対して吸収特性の異なる
２つの微粒子の表面を相互作用力を見積もりたい試料、
たとえば抗原と抗体で各々修飾する。つぎに、これらの
微粒子を波長λ１、λ２の光束で各々その集束点に捕獲
し、２つの集束点の位置を重ね合わせることでこれらの
微粒子を接触させる。２つの微粒子が接触した後に、２
つの光の集束点を徐々に引き離して行く。すると、２つ
の微粒子は結合力によって接着しているため、最初は集
束点の移動に追従しない。しかし、光の集束点の位置と
微粒子の重心の間の距離Ｌの増加に対してＬの２乗に比
例して２つの微粒子を引き離そうとする力が増加するた
め、２つの焦点の距離がある一定のＬの値になったとこ
ろで、２つの微粒子は離れる。したがって、このときの
値Ｌから２つの微粒子表面に結合した抗原と抗体の結合
力を見積もることができる。
【００１２】
【発明の効果】本発明によれば、波長に対する光学的な
吸収特性の異なる複数の微粒子を独立に捕獲操作するこ
とができるため、前記吸収特性の異なる複数の微粒子を
分離精製したり、抗原抗体反応、疎水結合などの相互作
用力を見積もることができる効果を奏する。
吸収特性の異なる複数の微粒子を独立に捕獲操作するこ
とができるため、前記吸収特性の異なる複数の微粒子を
分離精製したり、抗原抗体反応、疎水結合などの相互作
用力を見積もることができる効果を奏する。
【図１】本発明の実施例の装置構成図。
【図２】微粒子の光の波長に対する吸収特性を示すグラ
フ。
フ。
１１、１２…レーザー光源、 ２…顕微鏡光源、 ３１、３２、３３、３４…光学レンズ、 ４１、４２、４３、４４…鏡、 ５１、５２…ダイクロイックミラー、 ６１、６２、６３、６４…フィルター、 ７…ＣＣＤカメラ、 ８…試料ステージ、 ９…容器、 １０１、１０２…微粒子、 １１１、１１２…鏡駆動装置部、 １２１、１２２…微粒子１０１、１０２の光の波長に対
する吸収曲線、 １３１、１３２…微粒子１０１、１０２の光の吸収の極
小波長。
する吸収曲線、 １３１、１３２…微粒子１０１、１０２の光の吸収の極
小波長。
Claims (2)
- 【請求項１】光の波長について異なる光学的な吸収特性
を持つ複数の微粒子を捕獲する光学ピンセットにおい
て、前記微粒子を捕獲するために複数の異なる波長領域
で同じ強度の光束を発生させる複数の光源と、前記各々
の波長領域の光束を集光させて所定の領域に前記波長領
域の異なる微粒子を各々捕獲する手段と、前記各波長領
域の光束の集光点を独立に移動させる手段とを具備する
ことを特徴とする光学ピンセット。 - 【請求項２】前記微粒子を捕獲するために前記複数の異
なる光学的な吸収特性を持つ微粒子各々の光学的な吸収
特性の極小値に一致する波長領域の光束を発生させる複
数の光源を有することを特徴とする請求項１記載の光学
ピンセット。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20153496A JPH1048102A (ja) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | 光学ピンセット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20153496A JPH1048102A (ja) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | 光学ピンセット |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1048102A true JPH1048102A (ja) | 1998-02-20 |
Family
ID=16442650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20153496A Pending JPH1048102A (ja) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | 光学ピンセット |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1048102A (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000241310A (ja) * | 1999-02-19 | 2000-09-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 微細物体の操作装置および操作方法 |
| JP2002082287A (ja) * | 2000-08-08 | 2002-03-22 | Leica Microsystems Heidelberg Gmbh | 顕微鏡用物体の検査及び操作のための装置及び方法 |
| JP2002303800A (ja) * | 2001-04-09 | 2002-10-18 | Nikon Corp | 光による微粒子操作装置 |
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-
1996
- 1996-07-31 JP JP20153496A patent/JPH1048102A/ja active Pending
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