JPS6224973A - 微細物体操作装置 - 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〕 本発明は、細胞等の微細物体を挟持操作する微細物体操
作装置に関し、特に挟持した微細物体の音響的性質の検
知等を行なう手段に関する。

〔従来の技術〕

従来、手で直接つかむことのできない小さな物体をつか
み取る道具としてビンセットが用いられてきた。しかる
に従来型のピンセットで挟持し得るのは、せいぜい数１
００譚程度の大きさを有するものまでであって、これよ
り微細なもの例えば数−〜数士譚程度の細胞等を挟持操
作することはできない。ところが最近はバイオ酵素にお
ける細胞の挟持操作あるいは高密度半導体分野での微細
物体の挟持操作等、微細物体の挟持操作を要することが
非常に増えてきた。

対象物が細胞である場合、挟持力の大きさが過度になる
と細胞が破壊されてしまうので、特に慎重を期す必要が
ある。細胞操作を行なう手段として、マイクロマニュビ
レーティングなる手段がある。これは細胞を顕微鏡下で
吸引、注入２選別。

切断等の操作をマイクロピペットを用いて行なうもので
ある。

第１２図は上記手段を備えた装置の一例を示す側面図で
ある。この装置は図に示すように、支持部材１，２によ
り支持されたりニアモータ３および４によってスライダ
５を矢印で示す如＜Ｘ、　Ｙ方向に摺動させ、スライダ
５の一端に取付けたマイクロピペット６をマニュビレー
トすることにより、細胞操作を行なうものとなっている
。なお第１２図中、７はステージ、８はシャーシ、９は
細胞、１０は照明レンズ、１１は対物レンズである。

Ｃ発明が解決しようとする問題点〕 細胞操作においては１０〜３００ｐｒｔ程度の細胞およ
びその中の５〜１０−程度の核プラスミド（細胞中の染
色体以外のＤＮＡ断片）を操作することが必要である。

したがって、操作装置としてはミリメートル・オーダの
粗動と０．１ａｘ程度の精度を有する微動とを行なえる
ことが条件となる。

しかるに第１２図に示した構成のマニュピレータでは上
記条件を十分に満たし得ない。

すなわち、上記装置では、■リニア動作しかできない、
■位置決め精度が比較的悪い、■アームが長ずぎて外部
振動の影響を受は易い、■細胞内への注入、脱核、切断
等を行なう際の力の入れ方を微妙にコントロールしにく
い、等の欠点をもっており、実用上の要請に応じきれな
い。

なお、本発明者らは微細物体操作用の圧電式ビンセット
を開発し、特願昭６０−７７８８９号として既に出願し
ている。

第１３図（ａ）（ｂ）はその−例を示す斜視図である。

図に示すように、一対の挟持側２１．２２と連結体２３
との間にバイモルフ構造の圧電素子２４゜２５を取付け
、この圧電素子２４．２５に印加する電圧を１ｌｔｌＪ
　Ｉｌｌすることによって挟持側２１．２２の先端を変
位させるようになっている。なお同図（ａ）の圧電素子
は一舛の圧電セラミックスを接合した構造のものであり
、同図（ｂ′）の圧電素子は非圧電部材と圧電セラミッ
クスとを接合した構造のものである。この圧電式ビンセ
ットによれば０．１〜０．０１譚程度の高い変位精度が
得られる上、リニアな変位だけでなく屈曲、ねじれ、振
動などのフレキシブルな機械的動作が可能となる。した
がって前述したリニアモータ式のマニュピレータに比べ
ると、かなり微妙な細胞操作を適確に行なえる利点を有
している。

しかしながら、上記の圧電式ビンセットは細胞等の微細
物体の挟持操作を行なうことだけを目的としたものであ
り、挟持している微細物体の性質等までは検知不能なも
のであった。

ところで、上記圧電式ビンセットは、装着されている圧
電素子へ印加する電圧を適宜コントロールすることによ
って、全く同一構造のままで、挟持機能のほかに超音波
の発信および受信が可能であることが判った。なお細胞
に電圧を印加し、そのとき細胞に流れる微小電流値の変
化等を測定することは従来から行なわれてきたが、細胞
操作の過程での超音波による情報検出は行なわれていな
かった。

そこで本発明は、細胞等の微細物体を適確に挟持操作す
ることができる上、挟持した微細物体の性質がどのよう
なものかを同時に検知可能な微細物体操作装置を提供す
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し、目的を達成するために、
次のような手段を講じたことを特徴としている。すなわ
ち本発明の微細物体操作装置は、微細物体を挟持した状
態で、上記微細物体に超音波を加え得るように、例えば
ピンセット本体に圧電素子を装着し、この圧電素子に直
流電圧を印加して変位を生じさせると共に、上記圧電素
子に超音波発生用の励振電圧を印加して超音波を発生さ
せ、微細物体に超音波を加えるようにしたものであり、
必要に応じてその透過波または反対波を受信して電気信
号を外部に取出すようにしたことを特徴としている。

（作用） このような手段を講じたことにより、挟持した微細物体
の超音波処理を行なえると共に、取出された信号を解析
することによって超音波の伝搬時間や減衰量を知ること
ができ、挟持した微細物体の硬さその他の性質を検知可
能となる。

第１図は本発明の基本的構成を示す図であり、第２図は
第１図のＡ部の拡大図である。第１図。

第２図に示すように本装置３０は一対の挟持側３１゜３
２が、それぞれ圧電素子３１ａ　、　３１ｂおよび３２
ａ。

３２ｂを接合してなるバイモルフ構造の圧電素子によっ
て構成されている。上記各圧電素子３１８゜３１ｂに、
それぞれ所定極性および大きさを有する直流電圧を印加
すると、挟持側３１．３２の各先端は狭ばめられ、細胞
等の微細物体３３を挟持可能となる。

この状態で、上記一方の挟持側たとえば３１を構成して
いる圧電素子３１ａ　、　３１ｂに超音波発生用の励振
電圧をたとえば前記直流電圧に重畳した形で印加すると
、厚み縦振動が起こり、超音波を発生させる。この超音
波は第２図に示すように細胞などの微細物体３３の内部
を伝搬し反対側の挟持面３２の先端に達する。そうする
と、この超音波は挟持面３２を構成している圧電素子３
２ａ　、　３２ｂにより受信され、電気信号に変換され
て外部に取出される。

したがってこの取出された電気信号を解析することによ
って、超音波が微細物体３３を伝搬する速度や減衰度等
を知ることができ、その結果、微細物体３３の性質が判
明する。なお、超音波発生用の励振電圧の振幅等を変化
させることによって、細胞等に撮動を加えたり、いわゆ
る超音波処理を行なうことができる。

〔実施例〕

第３図および第４図は本発明の一実施例の斜視図および
平面図である。第３図、第４図において、４１、４２は
対をなす挟持面であり、これらの各基端は連結体４３に
対しビス４４．４５により固定されている。上記各挟持
面４１．４２はそれぞれ圧電素子４１ａ。

４１ｂおよび４２ａ　、　４２ｂを接合したバイモルフ
構造の圧電素子により構成されている。圧電素子４１ａ
。

４１ｂの中間および圧電素子４２ａ　、　４２ｂの中間
には、それぞれリン青銅などの弾性を有する金属板が中
間電極４１ｃ　、　４２ｃとして挟込まれている。なお
、圧電素子４１ａ　、　４１ｂの両外側面および圧電素
子４２ａ　、　４２ｂの両外側面には、Ａｃ＋、’Ｎｉ
等からなる外側電極が設けられている。そして圧電素子
４１ａ　、　４１ｂの外側電極は端子４６に対して共通
に接続されており、中間電極４１ｃは端子４７に接続さ
れている。また圧電素子４２ａ　、　４２ｂの外側Ｎ極
は端子４８に対して共通に接続されており、中間電極４
２ｃは端子４９に接続されている。

第５図は第３図および第４図に示した挟持面４１゜４２
を構成しているバイモルフ構造の圧電素子の構造を示す
部分断面図である。第５図に示すように、第３図、第４
図に示す挟持面４１．４２を構成している圧電素子５０
は、図中矢印で示すごとく分極方向が同一方向を向くよ
うに配置された２枚の圧電セラミックス５１．５２を、
中間電極５３をはさんで接合し、かつその両側に外側電
極５４．５５を設け、上記外側電極５４．５５を端子４
６　（４８）に接続し、中間電極５３を端子４７　（４
９）に接続するようにした、並列型バイモルフ構造の素
子である。

なお圧電素子の構造としては第５図のものに限られるも
のではなく、第６図あるいは第７図に示す構造のもので
あってもよい。

第６図に示した圧電素子６０は、分極方向を逆にして配
置した２枚の圧電セラミックス６１．６２を接合し、そ
の両側に外側電極６４．６５を設け、これらの外側電極
６４．６５を端子４６（４８）および４７（４９）に接
続するようにした直列型バイモルフ構造の素子である。

第７図に示した圧電素子７０は、圧電セラミックス７１
を非圧電部材７２の上に接合し、圧電セラミックスの両
側電極を端子４６（４８）および４７（４９）に接続す
るようにした単一圧電素子である。

第８図（ａ＞（ｂ）はバイモルフ構造の圧電素子の動作
説明図である。同図（ａ）のように長さ℃２幅Ｗ、厚み
ｔなるバイモルフ構造の圧電素子８０の電気歪み係数を
ｄ３１とし、印加電圧を■とすると、同図（ｂ）に示す
ように基端８１を固定したときの先端８２の変位量ΔＸ
は、 Δ　ｘ　＝　３　・　β　２　　・　ｄ　ヨ　１　　・
　Ｖ　／　ｔ　２となる。またこのときの圧電素子８０
の変位端における押圧力ｐは、バイモルフ幅をＷ、ヤン
グ率をＥｈとすると、 Ｐ−３ｗｔ−ｄ３ｔ　　・Ｅｈ　・Ｖ／４℃となる。か
くして前記端子４６（４８）および４７（４９）に所定
の極性および大きさを有する信号電圧を印−加すると、
この信号電圧による電界方向と圧電セラミックスの分極
方向との関係において、一方の圧電セラミックスが伸び
るとき他方の圧電セラミックスが縮むように作動し、結
果としてΔＸなる変位量およびＰなる押圧力にて圧電セ
ラミックスの重合方向へ湾曲変形する。

第９図は第５図に示した並列型バイモルフ構造の圧電素
子５０を二側用圧電素子５０Ａ、５０Ｂとして用いたも
のの動作制御手段を示す図である。図に示すように圧電
素子５０Ａには直流電圧供給源９１からの直流電圧を抵
抗９２を介して印加すると共に、圧電素子５０３には別
の直流電圧供給源９５からの直流電圧を抵抗９６を介し
て印加し、圧電素子５０Ａ。

５０Ｂを変位させて細胞等の微細物体３３を挟持するも
のとなっている。なお、場合によっては上記直流電圧供
給＃Ｉ９１または９５のいずれか一方のみを選択的に作
動させることにより、一方の挟持脚５０Ａまたは５０Ｂ
のみを変位させて微細物体３３を挟持するようにしても
よい。

このように微細物体３３を挟持した状態で、超音波発生
用の励振電源９３を作−動させると、上記励振電源９３
からの高周波の励振電圧が結合コンデンサ９４を介して
前記直流電圧に重畳された形で圧電素子５０Ａに与えら
れる。なお上記励振電圧の振幅は直流電圧の大きさに対
して十分小さいものとする。

上記励振電圧が圧電素子５０　　に供給されると、圧電
素子５０Ａが微小振動を起こｑ、超音波が励起されて微
細物体３３内に発信される。なおこの場合の超音波の励
起動作においては屈曲振動数が数１０Ｋ）ｌｘ〜１００
ＫＨｚ程度の周波数領域の超音波が効率よく励起される
。

微細物体３３内を伝搬した超音波は他方の圧電素子ＳＯ
Ｂの先端に到達して受信される。受信された超音波は電
気信号に変換され、結合コンデンサ９１を介して出力端
子９８．９９間に取出される。この取出された電気信号
の到達時間や周波数特性を解析することによって微細物
体３３の音響的性質等を評価することができる。

第１０図は第６図に示した直列型バイモルフ構造の圧電
素子６０を三脚用圧電素子６０Ａ、６０Ｂとして用いた
ものの動作制御手段を示す図である。図示のように、圧
電素子６０Ａ、６０Ｂに直流電圧供給［１０１、１０４
の少なくとも一方から直流電圧を印加することにより、
圧電素子６０Ａ、６０１３の少なくとも一方が変位し、
微細物体３３を挟持するものとなっている。

この状態で一方の圧電素子６０Ａの中間電極に対し、超
音波発生用の励振電源１０２からの励振電圧を結合コン
デンサ１０３を介して印加すると、圧電素子６０Ａには
厚み縦撮動が励起されることになる。

その結果、圧電素子６０Ａの厚みに相当する振動が励起
される。例えば圧電素子６０Ａの厚みが０．２゜であれ
ば約１０Ｍ）ｌｘの超音波振動が励起されることになる
。この超音波は微細物体３３内を伝搬し、他方の圧電素
子６０３に受信される。そして電気信号に変換されて中
間電極から出力され、これが結合コンデンサ１０５を介
して出力端子１０６　、１０７間に取出される。この取
出された電気信号を解析することにより、微細物体３３
の性質を評価できることになる。

第１１図は第１０図の場合と同様に直列型バイモルフ構
造の圧電素子６０を三脚用圧電素子６０Ａ。

６０Ｂとして用いたものの動作制御手段を示す図である
が、動作制御手段としては第９図に示したものと同様の
ものを用いた例である。この例では屈曲振動が励起され
る。

上述した実施例においては、圧電式ピンセットの三脚を
構成する圧電素子に直流電圧を印加することにより変位
動作させ、微細物体３３を挟持するようにしているので
、微妙なコントロールをもって精度のよい挟持操作を行
なうことができる。又上記挟持操作した状態において一
方の挟持脚の圧電素子に超音波発生用の励振電圧を印加
して超音波を励起し、微細物体３３を透過した超音波を
他方の挟持脚の圧電素子によって受信して電気信号に変
換し、外部に取出すようにしているので、挟持している
細胞等の微細物体３３における音響的性質あるいは弾性
的な性質を検知可能となる。特に例えば細胞の硬さ等を
明確に知ることができるのでその細胞の取畿い方やその
後の病理学的判断ないし診断等の方向づけが大変し易い
ものとなる。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではない。た
とえば前記実施例では三脚を同一構造の圧電素子にて構
成した場合を示したが、異なる構造の圧電素子を用いて
構成してもよい。また前記実施例では一方の挟持脚を構
成する圧電素子から超音波を発信させ、他方の挟持脚を
構成する圧電素子にて上記超音波を受信するようにした
場合を示したが、一方挟持脚を構成する圧電素子単体で
、超音波の発信を行なうと共に、その反射波を受信する
ようにしてもよい。また前記実施例では二側を構成する
バイモルフ構造の圧電素子にて挟持操作および超音波送
受信動作を行なうようにした場合を示したが、挟持操作
は二側の基端部間に装着した積層型圧電素子によって行
ない、超音波送受信のみを二側に装着した圧電素子によ
って行なうようにしてもよい。また超音波送受信の圧電
素子の取付は位置は必ずしも二側先端部に限られるもの
ではなく、屈曲振動を利用するタイプのものである場合
には例えば第１３図（ａ）（ｂ）に示すように二側の途
中等に取付けてもよい。さらに前記実施例では挟持操作
と超音波送受信動作とをいずれも圧電素子にて行なう例
を示したが、挟持操作は別の手段で行ない、超音波送受
信のみを圧電素子にて行なうようにしてもよい。また超
音波の受信は行なわずに、超音波発信のみを行ない、対
象とする微細物体の超音波処理等だけを行なうようにし
てもよい。このほか本発明の要旨を変えない範囲で種々
変形実施可能であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明の微細物体操作装置は、微細物体を挟持した状態
で上記微細物体に超音波を加えるように構成したことを
特徴としている。

したがって、本発明によれば細胞等の微細物体を適確に
挟持操作することができる上、挟持した微細物体の性質
がどのようなものかを同時に検知可能な微細物体操作装
置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を示す図、第２図は第１図
の主要部を拡大して示す図、第３図および第４図は本発
明の一実施例の構成を示す斜視図および平面図、第５図
は同実施例の挟持脚を構成する圧電素子の構造を示す断
面図、第６図および第７図は同じ（挟持脚を構成する圧
電素子の異なる構造例を示す部分断面図、第８図（ａ）
（ｂ）は同実施例の圧電素子の変位動作説明図、第９図
は同実施例の圧電素子からなる挟持脚の動作制御手段を
示す図、第１０図および第１１図は同じく挟持脚の動作
制御手段の異なる例を示す図である。 第１２図は従来例を示す図、第１３図（ａ）（ｂ）は解
決すべき問題点を説明するための斜視図である。 ３１、３２．４１．４２・・・挟持脚、５０　（５０Ａ
　、　５０Ｂ　）　。 ６０　（６０Ａ　、　６０Ｂ　）　、　７０・・・圧電
素子、３３・・・細胞等の微細物体、５１．５２．６１
．６２．７１・・・圧電セラミックス、５４．５５．６
４．６５・・・外側電極、４１Ｇ、　４２Ｃ，５３・・
・中間電極、９１．９５．１０１　、１０４・・・直流
電圧供給源、９３．１０２・・・超音波発生用の励振電
源。 出願人代理人　　弁理士　坪井　淳 第１図 第２図 ４ご 第４図 第５因　　　　　　　　　Ｎ６ｒｊｇＪη 第７因 Ｍ８Ｆ！！！Ｊ 第１２図 第１３図 手続補正書 昭和６０．９・」４Ｉ］

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 微細物体を挟持した状態で上記微細物体に超音波を加え
   るように構成されたことを特徴とする微細物体操作装置
   。