WO2020218347A1 - 微小物体の集積方法および微小物体の集積システム - Google Patents

微小物体の集積方法および微小物体の集積システム Download PDF

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WO2020218347A1
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bubble
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light
convection
laser
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琢也 飯田
志保 床波
石川　弘樹
力 山崎
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公立大学法人大阪
株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present disclosure relates to a method for accumulating minute objects and a system for accumulating minute objects, and more specifically to a technique for accumulating a plurality of minute objects dispersed in a liquid.
  • Patent Document 1 A technique for accumulating a plurality of minute objects (fine particles, cells, microorganisms, etc.) dispersed in a liquid has been proposed.
  • Patent Document 2 International Publication No. 2017/195872
  • Patent Document 2 disclose a technique for accumulating a plurality of minute objects dispersed in a liquid by light irradiation.
  • the photothermal conversion region that converts light into heat is irradiated with light
  • the liquid in the vicinity of the light irradiation position is locally heated.
  • microbubbles are generated, convection occurs in the liquid.
  • a plurality of minute objects are carried by convection toward the microbubbles and accumulated in the vicinity of the light irradiation position.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and an object thereof is to efficiently accumulate a plurality of minute objects dispersed in a liquid.
  • the method for accumulating minute objects is to accumulate a plurality of minute objects dispersed in a liquid.
  • the method of accumulating minute objects includes the first to fourth steps.
  • the first step is a step of preparing a liquid on a photothermal conversion region provided on the main surface of the substrate.
  • the second step is a step of irradiating the photothermal conversion region with the first light ray and the second light ray, each of which has a wavelength included in the absorption wavelength region of the photothermal conversion region, separated from each other.
  • the third step is to heat the liquid by irradiating the first and second rays to generate a first bubble at the irradiation position of the first ray and a second at the irradiation position of the second ray. This is the step to generate a bubble.
  • the fourth step is to generate convection of the liquid in a specific direction which is parallel to the main surface and perpendicular to the alignment direction of the first bubble and the second bubble. It is a step of accumulating a plurality of minute objects in the region between the bubble and the second bubble.
  • the output of the first and second light rays and the second are such that the flow velocity of the convection along the specific direction is faster than the flow velocity of the convection along the other direction.
  • Convection along the other direction includes convection along a direction parallel to the main surface and parallel to the alignment direction.
  • the distribution of a plurality of minute objects accumulated in the first bubble is biased toward the second bubble side with respect to the arrangement direction, and is accumulated in the second bubble.
  • the output and the interval are set so that the distribution of the plurality of minute objects is biased toward the first bubble side with respect to the alignment direction, and includes a step of producing convection along a specific direction and convection along another direction.
  • the output and the interval are determined based on the output and spot diameter of the first light beam, the output and spot diameter of the second light beam, and the absorbance and thermal conductivity of the photothermal conversion region.
  • the micro-object integration system integrates a plurality of micro-objects dispersed in a liquid.
  • a holding device configured to hold a substrate including a main surface provided with a photothermal conversion region, and first and first, each having a wavelength included in the absorption wavelength region of the photothermal conversion region. It is provided with a photoheating device that emits two light rays. The light heating device irradiates the photothermal conversion region with the first light beam and the second light ray at intervals from each other in a state where the liquid is prepared on the photoheat conversion region, and by irradiating the first and second light rays.
  • a first bubble is generated at the irradiation position of the first light ray and a second bubble is generated at the irradiation position of the second light ray, and the direction is parallel to the main surface and the second
  • a plurality of minute objects are created in the region between the first bubble and the second bubble. Accumulate.
  • a plurality of minute objects dispersed in a liquid can be accumulated with high efficiency.
  • FIG. It is a figure which shows schematic the whole structure of the resin bead accumulation system which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows schematic the whole structure of the structure of the resin bead accumulation system which concerns on a comparative example.
  • FIG. It is a figure for demonstrating the accumulation mechanism of resin beads by single irradiation.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows the structure of another integration kit schematically. It is sectional drawing of the integration kit along the line XX-XX of FIG. It is a figure which shows the transmission image of the honeycomb polymer film at the time of single irradiation and the time of two-point irradiation. It is a figure which shows the fluorescence observation image before light irradiation. It is a figure which shows the fluorescence observation image after light irradiation. It is a figure which shows the fluorescence observation image when the spot interval G of two-point irradiation is changed. It is a figure which shows the spot interval dependence of the accumulation result of the bacterium B by two-point irradiation.
  • the “range from nanometer order to micrometer order” typically indicates a range of several nm to several hundred ⁇ m, preferably a range of 100 nm to 100 ⁇ m, and more preferably a range of 1 ⁇ m to several tens of ⁇ m. Can be shown.
  • the term "micro object” means an object having a size in the range of nanometer order to micrometer order.
  • the shape of the minute object is not particularly limited, and is, for example, a spherical shape, an elliptical spherical shape, or a rod shape (paddle shape).
  • the minute object is an ellipsoidal sphere
  • at least one of the length in the major axis direction and the length in the minor axis direction of the ellipsoidal sphere may be in the range of the nanometer order to the micrometer order.
  • the micro object is rod-shaped
  • at least one of the width and length of the rod may be in the range of nanometer order to micrometer order.
  • Examples of microscopic objects include metal nanoparticles, metal nanoparticle aggregates, metal nanoparticle integrated structures, semiconductor nanoparticles, organic nanoparticles, resin beads, PM (Particulate Matter), and the like.
  • Metal nanoparticles are metal particles having a size on the order of nanometers.
  • the “metal nanoparticle aggregate” is an aggregate formed by agglomeration of a plurality of metal nanoparticles.
  • the “metal nanoparticle integrated structure” means, for example, that a plurality of metal nanoparticles are fixed to the surface of a base material (resin beads, etc.) via an interaction site, and a gap is provided between them to be equal to or smaller than the diameter of the metal nanoparticles.
  • semiconductor nanoparticles are semiconductor particles having a size on the order of nanometers.
  • Organic nanoparticles are particles made of organic compounds having a size on the order of nanometers.
  • Resin beads are particles made of resin having a size in the range of nanometer order to micrometer order.
  • PM is a particulate matter having a size on the order of micrometers. Examples of PM include PM2.5, SPM (Suspended Particulate Matter) and the like.
  • the minute object may be a substance derived from a living body (biological substance). More specifically, microobjects can include cells, microorganisms (bacteria, fungi, etc.), biopolymers (proteins, nucleic acids, lipids, polysaccharides, etc.), antigens (allergens, etc.) and viruses.
  • microobjects can include cells, microorganisms (bacteria, fungi, etc.), biopolymers (proteins, nucleic acids, lipids, polysaccharides, etc.), antigens (allergens, etc.) and viruses.
  • the term "honeycomb” means a shape in which a plurality of regular hexagons are arranged in a hexagonal lattice (honeycomb shape) in a two-dimensional direction. Pore is formed in each of the plurality of regular hexagons. Each pore is a hole having an opening in the range of nanometer order to micrometer order. The pores may be through holes or non-through holes.
  • the shape of the pores is not particularly limited, and may include any shape such as a cylinder, a prism, a sphere other than a true sphere (for example, a hemispherical shape or a hemielliptical sphere).
  • a structure having a structure in which a plurality of pores are arranged in a honeycomb shape is referred to as a "honeycomb structure".
  • microbubbles means bubbles on the order of micrometers.
  • resin beads are adopted as one exemplary form of a micro object.
  • the material of the resin beads is polystyrene.
  • the material of the resin beads is not limited to this, and may be acrylic, polyolefin, polyethylene, polypropylene or the like.
  • the x direction and the y direction represent the horizontal direction.
  • the x-direction and the y-direction are orthogonal to each other.
  • the z direction represents the vertical direction.
  • the direction of gravity is downward in the z direction.
  • the upper part in the z direction may be abbreviated as the upper part, and the lower part in the z direction may be abbreviated as the lower part.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of the resin bead integration system 100 according to the first embodiment.
  • the integrated system 100 includes an XYZ axis stage 1, a sample supply device 2, an adjustment mechanism 3, laser devices 401 and 402, an optical component 5, an objective lens 6, and a lighting device 7. ,
  • the photographing device 8 and the control device 9 are provided.
  • the XYZ-axis stage 1 is configured to be movable in the x-direction, y-direction, and z-direction.
  • the XYZ axis stage 1 holds the integration kit 10.
  • Sample S is dropped onto the integration kit 10.
  • the XYZ-axis stage 1 realizes light irradiation to the target position of the sample S dropped on the integration kit 10.
  • the detailed configuration of the integration kit 10 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the sample supply device 2 supplies the liquid sample S onto the integration kit 10 in response to a command from the control device 9.
  • a dispenser can be used as the sample supply device 2.
  • the adjustment mechanism 3 adjusts the positions of the XYZ-axis stage 1 in the x-direction, y-direction, and z-direction in response to a command from the control device 9.
  • the position of the objective lens 6 is fixed. Therefore, by adjusting the position of the XYZ-axis stage 1, the relative positional relationship between the integration kit 10 mounted on the XYZ-axis stage 1 and the objective lens 6 is adjusted.
  • a driving mechanism such as a servomotor and a focusing handle attached to the microscope can be used, but the specific configuration of the adjusting mechanism 3 is not particularly limited.
  • the adjusting mechanism 3 may adjust the position of the objective lens 6 with respect to the fixed integration kit 10.
  • the laser device 401 emits, for example, a near-infrared laser beam L1 in response to a command from the control device 9.
  • the laser device 402 emits, for example, near-infrared laser light L2 in response to a command from the control device 9.
  • the wavelengths of the laser beams L1 and L2 are not particularly limited as long as they are included in the light absorption band of the material of the thin film 12 (see FIGS. 4 and 5) described later.
  • the wavelength of the laser beam L1 is 1064 nm
  • the wavelength of the laser beam L2 is 800 nm.
  • the wavelength of the laser beam L1 and the wavelength of the laser beam L2 may be equal to each other.
  • the optical component 5 includes a mirror, a dichroic mirror, a prism, and the like.
  • the laser beam L1 from the laser device 401 is guided to the objective lens 6 by the optical component 5
  • the laser beam L2 from the laser device 402 is guided to the objective lens 6 by the optical component 5. Adjusted to be laser.
  • the laser devices 401 and 402 and the optical component 5 correspond to the "light heating device” according to the present disclosure. However, it is not essential that the "light heating device” is provided with two laser devices.
  • the “light heating device” may divide the laser light emitted from one laser device into two by, for example, a half mirror.
  • the objective lens 6 collects the laser light L1 from the laser device 401 and also collects the laser light L2 from the laser device 402.
  • the light collected by the objective lens 6 irradiates the sample S on the integration kit 10.
  • the beam waist of the light focused by the objective lens 6 may be located outside the sample S.
  • the optical component 5 and the objective lens 6 can be incorporated into an inverted or upright microscope body.
  • the lighting device 7 emits a white light WL for illuminating the sample S in the integration kit 10 in response to a command from the control device 9.
  • a halogen lamp can be used as the illuminating device 7.
  • the objective lens 6 is also used to capture the white light WL irradiated to the integration kit 10 from the illumination device 7.
  • the white light WL captured by the objective lens 6 is guided to the photographing device 8 by the optical component 5.
  • the photographing device 8 photographs the sample S on the integration kit 10 irradiated with the white light WL in response to the command from the control device 9, and outputs the captured image to the control device 9.
  • a video camera including a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor is used as the photographing device 8.
  • the lighting device 7 and the photographing device 8 are merely devices for photographing the state of the sample S, and are not essential components for the accumulation of the resin beads by the integration system 100.
  • the control device 9 controls each device (sample supply device 2, adjustment mechanism 3, laser devices 401, 402, lighting device 7, and photographing device 8) that constitutes the integrated system 100.
  • the control device 9 is a microcomputer including a processor such as a CPU (Central Processing Unit), memories such as ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory), and input / output ports (none of which are shown). Is realized by.
  • CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • the integrated system 100 and the integrated system 900 according to the comparative example will be described below in comparison with each other.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the overall configuration of the configuration of the resin bead integration system 900 according to the comparative example.
  • the integrated system 900 according to the comparative example is different from the integrated system 100 (see FIG. 1) according to the first embodiment in that it does not include the laser device 402.
  • Other configurations of the integrated system 900 are similar to the corresponding configurations in the integrated system 100.
  • a common integration kit 10 is used.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the optical system of the integrated system 100 according to the first embodiment and the optical system of the integrated system 900 according to the comparative example.
  • the sample S is dropped on the integration kit 10 held on the XYZ axis stage 1.
  • the lighting device 7 is arranged above the XYZ axis stage 1.
  • the objective lens 6, the optical component 5, and the photographing device 8 are arranged below the XYZ axis stage 1.
  • the optical component 5 shown in FIG. 3 is a dichroic mirror, which reflects near-infrared light while transmitting white light.
  • the optical component 5 reflects the near-infrared laser beam L1 emitted horizontally from the laser device 401 and guides it to the objective lens 6 above the optical component 5.
  • the objective lens 6 collects the laser beam L1 from below.
  • the focused light irradiates the sample S further above the objective lens 6.
  • the white light WL from the lighting device 7 passes through the sample S from above to below, and further passes through the objective lens 6 and the optical component 5 and is guided to the photographing device 8.
  • the state around the irradiation position (laser spot) of the laser beam L1 is photographed by the photographing device 8.
  • the integrated system 900 is a system that irradiates a single light
  • the integrated system 100 is a system that irradiates two points of light.
  • the mode of light irradiation in the comparative example is also referred to as “single irradiation”
  • the mode of light irradiation in the first embodiment is also referred to as “two-point irradiation”.
  • optical system of the integrated system 100 can irradiate the integrated kit 10 with the laser beams L1 and L2 and can capture the white light WL from the integrated kit 10 into the photographing device 8.
  • the configuration is not limited to the configuration shown in FIG.
  • the optical system of the integrated system 100 may be configured to irradiate the laser beams L1 and L2 from above to below, or may include another optical component 5 such as an optical fiber.
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing the configuration of the integration kit 10.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the integration kit 10 along the VV line of FIG. Note that FIG. 4 omits the illustration of the XYZ axis stage 1.
  • the integration kit 10 has a flat plate shape. Sample S is dropped onto the flat upper surface US.
  • the upper surface US of the integration kit 10 corresponds to the "main surface” according to the present disclosure.
  • Sample S is a liquid in which resin beads R are dispersed.
  • the type of liquid (dispersion medium) is not particularly limited, but in this example, it is water.
  • a nonionic surfactant for promoting the accumulation of the resin beads R is added to the sample S (see Patent Document 2 for details of the action of the surfactant).
  • the integration kit 10 includes a substrate 11 and a thin film 12.
  • the substrate 11 is made of a material that does not affect the photothermal conversion (described later) of the laser beams L1 and L2 by the thin film 12 and is transparent to the white light WL. Examples of such a material include quartz and silicon.
  • a glass substrate (cover glass) is used as the substrate 11.
  • the thin film 12 absorbs the laser light L1 from the laser device 401 and the laser light L2 from the laser light source 402, and converts the light energy into thermal energy.
  • the material of the thin film 12 is preferably a material having high photothermal conversion efficiency in the wavelength range of the laser beams L1 and L2 (near infrared region in the present embodiment).
  • a gold thin film having a film thickness on the order of nanometers (specifically, for example, 10 nm) is formed as the thin film 12.
  • the gold thin film can be formed by using a known method such as sputtering or electroless plating.
  • the thin film 12 does not have to be formed on the entire surface of the substrate 11, and may be formed on at least a part of the substrate 11.
  • the thin film 12 is a gold thin film
  • the free electrons on the surface of the gold thin film form surface plasmons and are vibrated by the laser beams L1 and L2.
  • the energy of this polarization is converted into the energy of lattice vibration by the Coulomb interaction between free electrons and nuclei.
  • the gold thin film generates heat.
  • this effect is also referred to as a "light heat generation effect”.
  • the material of the thin film 12 is not limited to gold, and a metal element other than gold (for example, silver) or a metal nanoparticle integrated structure (for example, gold nanoparticles or silver nanoparticles) that can generate a photoheating effect is used. It may be a structure) or the like. Alternatively, the material of the thin film 12 may be a material other than metal having a high light absorption rate in the wavelength range of the laser beams L1 and L2. Examples of such a material include a material close to a blackbody (for example, a carbon nanotube blackbody).
  • the film thickness of the thin film 12 is determined designably or experimentally in consideration of the laser output, the absorption wavelength range of the material of the thin film 12, and the photothermal conversion efficiency.
  • the thin film 12 corresponds to the "photothermal conversion region" according to the present disclosure.
  • the shape of the integration kit 10 is not limited to the flat plate shape.
  • the integration kit 10 may be a container in which an internal space for holding the sample S is formed.
  • a cylindrical glass bottom dish may be used as the integration kit 10.
  • a gold thin film can be formed on the bottom surface of a glass bottom dish (see Patent Document 2).
  • the bottom surface of the glass bottom dish corresponds to the "board" according to the present disclosure.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the method of accumulating the resin beads R in the first embodiment.
  • each step after step S3 is basically realized by software processing by the control device 9, but a part or all of them is realized by hardware (electric circuit) manufactured in the control device 9. May be done.
  • the method of accumulating the resin beads R in the comparative example is also common.
  • step S1 the sample S in which the resin beads R are dispersed is prepared.
  • a surfactant is introduced into this sample S (step S2).
  • the introduction of a surfactant is not essential.
  • the sample S prepared in steps S1 and S2 is stored in the sample supply device 2.
  • step S3 the control device 9 installs the integration kit 10 on the XYZ axis stage 1.
  • This process can be realized, for example, by a substrate feeding mechanism (not shown) provided in the integrated system 100.
  • step S4 the control device 9 controls the sample supply device 2 to drop an appropriate amount of the sample S onto the integration kit 10.
  • the amount of the sample S dropped may be, for example, a small amount of about several ⁇ L to several hundred ⁇ L, or may be a larger amount.
  • step S5 the control device 9 controls the lighting device 7 so as to emit white light WL for irradiating the sample S. Further, the control device 9 controls the photographing device 8 so as to start photographing the sample S.
  • the process of step S5 is a process for observing the sample S, and is not an essential process for accumulating the resin beads R.
  • step S6 the control device 9 controls the adjustment mechanism 3 so that the laser beams L1 and L2 irradiate the target region in the sample S, thereby controlling the position and height of the XYZ axis stage 1 in the horizontal direction. Adjust the position in the vertical direction). Specifically, the control device 9 can acquire the position of the sample S in the horizontal direction by extracting the outer shape pattern of the sample S from the image taken by the photographing device 8 by using the image processing technique of pattern recognition. Then, the control device 9 can adjust the horizontal irradiation position of the laser beams L1 and L2 to the target position in the sample S by appropriately adjusting the horizontal position of the XYZ axis stage 1 from the initial position. ..
  • the position of the focal point (beam waist) of the laser beams L1 and L2 in the vertical direction is known from the wavelengths of the laser beams L1 and L2 and the specifications (magnification and the like) of the objective lens 6. Therefore, the control device 9 can adjust the height of the beam waist of the laser beams L1 and L2 to the target height in the sample S by appropriately adjusting the height of the XYZ axis stage 1 from the initial height. ..
  • step S7 the control device 9 controls the laser device 401 so as to start the irradiation of the laser beam L1 and controls the laser device 402 so as to start the irradiation of the laser beam L2.
  • the irradiation start timings of the laser beams L1 and L2 may be the same or different. In the measurement examples described later (see FIGS. 10 to 14 and 21 to 25), the irradiation start timings of the laser beams L1 and L2 are the same.
  • step S8 the control device 9 continues to irradiate the integration kit 10 with the laser beams L1 and L2 for a specified time.
  • the specified time is, for example, about several tens of seconds to several minutes, and is predetermined by the user.
  • the resin beads R are accumulated with this light irradiation.
  • step S9 the control device 9 controls the laser devices 401 and 402 so as to stop the irradiation of the laser beams L1 and L2 to the integration kit 10. Further, the control device 9 controls the lighting device 7 so as to stop the irradiation of the white light WL on the integration kit 10. As a result, a series of processes is completed.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the accumulation mechanism of the resin beads R by a single irradiation.
  • the irradiation of the laser beam L1 is started with reference to FIG. 7, the vicinity of the laser spot is locally heated by the light heat generation effect of the thin film 12 at the laser spot.
  • the dispersion medium of the sample S in the vicinity of the laser spot boils, and microbubble MB is generated in the laser spot.
  • Microbubble MB grows over time.
  • the direction of heat convection generated during a single irradiation is a direction that once goes toward the microbubble MB and then moves away from the microbubble MB, as shown with reference numeral HC.
  • the reason why heat convection occurs in this way can be explained as follows.
  • the dispersion medium existing above the region where the microbubble MB is generated becomes relatively diluted by heating and rises by buoyancy.
  • a relatively low temperature dispersion medium existing in the horizontal direction of the microbubble MB flows into the microbubble MB.
  • the resin beads R are accumulated in the vicinity of the laser spot by being carried toward the microbubble MB by heat convection. More specifically, a region where the flow velocity of convection becomes almost zero (hereinafter referred to as "stagnation region") is generated between the microbubble MB and the thin film 12.
  • the resin beads R carried by thermal convection stay in the stagnation region and accumulate. After that, when the irradiation of the laser beam L1 is stopped, the heat convection weakens and eventually stops.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an outline of the accumulation mechanism of the resin beads R by two-point irradiation. This figure is for explaining the content of the process included in step S8 in more detail.
  • the microbubble MB1 is generated by the irradiation of the laser beam L1 and the microbubble MB2 is generated by the irradiation of the laser beam L2.
  • the resin beads R are carried by heat convection and stay in the stagnation region of each of the microbubbles MB1 and MB2 and accumulate. The details of this accumulation mechanism will be described later.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the accumulation result of the resin beads R by single irradiation.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the accumulation result of the resin beads R by the two-point irradiation. 9 and 10 show continuous images showing the state of accumulation of the resin beads R when 100 seconds, 200 seconds, and 300 seconds have elapsed from the start of light irradiation. In this example, the irradiation start timings of the two points (laser light L1 and L2) are the same. As described above, these images are taken of the integration kit 10 from the bottom to the top.
  • the diameter of the resin beads R was 1.0 ⁇ m.
  • the volume of sample S was 10 ⁇ L.
  • the concentration of the resin beads R based on the 1.01 ⁇ 10 8 (/ mL) , 1/2 -fold, was prepared in ways 1x and twice and three. Tween 20 (registered trademark) was used as the surfactant.
  • the concentration of the surfactant was 4.52 ⁇ 10-5 (mol / L).
  • the numerical aperture (NA: Numerical Aperture) of the objective lens 6 was 0.30.
  • the diameter of the laser spot at this time was 10.4 ⁇ m.
  • the distance between the two laser spots was 160 ⁇ m.
  • the diameter of the laser spot is also referred to as “spot diameter”, and the distance between the two laser spots is also referred to as “spot distance G”.
  • the spot spacing G is preferably larger than the sum of the two spot diameters (ie, the two laser spots are separated).
  • the spot diameter is, for example, 1.0 ⁇ m.
  • the spot diameter is 2.5 ⁇ m.
  • the spot diameter is 10 ⁇ m.
  • the output of the laser beam L1 after passing through the integration kit 10 was set to 100 mW.
  • the output of the laser beam L1 after passing through the integration kit 10 and the output of the laser beam L2 after passing through the integration kit 10 were both set to 50 mW. That is, the conditions are arranged so that the total output of the laser beam L1 and the laser beam L2 at the time of two-point irradiation is equal to the output of the laser beam L1 at the time of single irradiation.
  • microbubble MB is generated in the vicinity of one laser spot in a single irradiation.
  • microbubbles MB1 and MB2 are generated one by one in the vicinity of the two laser spots.
  • the resin beads R are accumulated in the stagnation region generated between the microbubbles and the thin film 12.
  • the size of the microbubbles increases, and the number of resin beads R accumulated in the stagnation region (the number of accumulations) also increases.
  • the number of accumulated resin beads R increases as the concentration of the resin beads R increases.
  • the number of accumulated resin beads R can be calculated as follows. First, from the images shown in FIGS. 9 and 10, the contour of the region where the resin beads R are accumulated is extracted by edge detection. Next, the accumulated area of the resin beads R (the projected area on the surface of the integrated kit 10) is calculated from the extracted contour. Further, the accumulated volume of the resin beads R corresponding to the accumulated area of the resin beads R is geometrically calculated. More specifically, by reading the diameter of the microbubbles from the image, the space sandwiched between the sphere representing the microbubbles and the plane representing the upper surface US of the integration kit 10 is defined.
  • the volume of this defined space By multiplying the volume of this defined space by the filling rate of 0.74 in the hexagonal close-packed structure, it is possible to calculate the total volume of the accumulated resin beads R (accumulated volume of the resin beads R). .. Then, the number of accumulated resin beads R is calculated by dividing the accumulated volume of the resin beads R by the volume of each resin bead R.
  • FIG. 11 is a diagram for comparing how the accumulation of resin beads R progresses with light irradiation between single irradiation and two-point irradiation.
  • the horizontal axis represents the elapsed time from the start of light irradiation
  • the vertical axis represents the accumulation rate of the resin beads R.
  • the accumulation rate of the resin beads R increased linearly with the passage of time from the start of light irradiation by both single irradiation and two-point irradiation.
  • the accumulation rate of the resin beads R by the two-point irradiation was higher than the accumulation rate of the resin beads R by the single irradiation, and was about 1.4 times.
  • the two-point irradiation is compared with the single irradiation.
  • the accumulation rate of the resin beads R can be improved.
  • FIG. 12 is a diagram showing the spot spacing dependence of the number of accumulated resin beads R by two-point irradiation.
  • the horizontal axis represents the elapsed time from the start of irradiation of the laser beams L1 and L2, and the vertical axis represents the number of accumulated resin beads R.
  • the spot intervals G were set in four ways (160 ⁇ m, 200 ⁇ m, 240 ⁇ m, 300 ⁇ m), and the time change of the number of accumulated resin beads R at each spot interval G was measured.
  • the numerical aperture of the objective lens 6 was 0.30.
  • FIG. 12 also shows the time change of the number of accumulated resin beads R at the time of single irradiation.
  • the number of accumulated resin beads R was larger at any of the four spot intervals G than at the time of single irradiation. In the example shown in FIG. 12, the number of accumulated resin beads R was maximized when the spot interval G was 200 ⁇ m.
  • the spot interval G has an optimum value capable of maximizing the number of accumulated minute objects according to the spot diameters of the laser beams L1 and L2 and the characteristics (absorbance and heat conduction) of the thin film 12.
  • the spot interval G is a value as close to the optimum value as possible within a range longer than 1/2 of the sum of the spot diameter of the laser beam L1 and the spot diameter of the laser beam L2 so that the two laser spots do not overlap. It is desirable to determine the value experimentally or by design and set the value. Similarly, it is desirable to set the outputs of the laser beams L1 and L2 to values as close as possible to the optimum values according to the spot diameters of the laser beams L1 and L2 and the characteristics of the thin film 12.
  • the present inventors conducted an experiment in which a plurality of resin beads R were photographed in order to clarify the reason why the accumulation rate of the resin beads R was improved by the two-point irradiation. Then, the captured moving image (actual measurement image) was analyzed, and the movement of the resin beads R in the horizontal plane (xy plane) was tracked. The trajectory drawn by the resin beads R reflects the direction and magnitude (speed) of convection.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the direction of convection obtained from the actually measured image.
  • the locus of the resin beads R obtained from the experimental result of single irradiation is shown superimposed on the enlarged image showing the accumulation result of the resin beads R by single irradiation. ..
  • the locus of the resin beads R obtained from the experimental results of the two-point irradiation is shown superimposed on the enlarged image showing the accumulation result of the resin beads R by the two-point irradiation.
  • the laser spot is located at the center of the image (the intersection of two straight lines drawn by the rectangular image), and the laser spot is defined. Resin beads R are uniformly accumulated in the center.
  • the midpoint of the two laser spots is located in the center of the image.
  • the resin beads R were unevenly accumulated on the side closer to the center of the image than each laser spot.
  • More resin beads R were accumulated compared to the region outside the center.
  • the irradiation of the laser beam L1 was started from the state where a plurality of (four in this example) resin beads R were located on the circumference having a radius of 300 ⁇ m centered on the laser spot.
  • the irradiation of the laser beams L1 and L2 was started from the state where a plurality of (8 in this example) resin beads R were located on the circumference having a radius of 300 ⁇ m centered on the midpoint of the two laser spots. ..
  • each of the plurality of resin beads R starts to move in the direction approaching the laser spot.
  • the locus of each resin bead R by a single irradiation becomes a straight line toward the laser spot. This indicates that point-symmetrical convection with the microbubble MB as the center of symmetry occurs in a single irradiation.
  • the locus of each resin bead R becomes a curve extending between the two laser spots. From this, it can be seen that in the two-point irradiation, convection toward the region between the microbubble MB1 and the microbubble MB2 occurs.
  • FIG. 14 is a diagram summarizing the velocities of the resin beads R carried to the convection in the experimental results shown in FIG.
  • the direction and magnitude of the velocity of the resin beads R carried by convection are displayed in polar coordinates.
  • the origin of polar coordinates coincides with the center of each image shown in FIG.
  • the declination is set so that the x direction shown in FIG. 13 is 0 ° and the y direction is 90 °.
  • the length of the moving diameter represents the average speed ( ⁇ convection speed) (unit: ⁇ m / s) of the resin beads R obtained by carrying out the experiment a plurality of times.
  • the speed of convection increases as the distance from the origin of polar coordinates increases.
  • the direction of 45 ° -225 ° in the figure in which the two microbubbles MB1 and MB2 are lined up is called the "lineup direction”.
  • the 135 ° -315 ° direction in the figure is called the "direction perpendicular to the alignment direction".
  • the speed of convection generated at the time of two-point irradiation was about the same as the speed of convection generated at the time of single irradiation.
  • the speed of convection generated during two-point irradiation was about 1.5 times the speed of convection generated during single irradiation.
  • the resin beads R are highly efficiently placed in the region between the two microbubbles MB1 and MB2 by enhancing the convection along the direction perpendicular to the alignment direction. Can be accumulated.
  • FIG. 15 is a diagram showing a convection simulation result when it is assumed that Marangoni convection does not occur at the time of single irradiation.
  • FIG. 16 is a diagram showing a convection simulation result when it is assumed that Marangoni convection does not occur during two-point irradiation.
  • FIG. 17 is a diagram showing convection simulation results when it is assumed that Marangoni convection occurs during a single irradiation.
  • FIG. 18 is a diagram showing a convection simulation result when it is assumed that Marangoni convection occurs during two-point irradiation.
  • the convection simulation is based on the finite element method.
  • the direction of the arrow indicates the direction of convection in the plane located 1 ⁇ m above the upper surface US (the surface of the thin film 12) of the integration kit 10.
  • the length of the arrow is the same regardless of the speed of convection.
  • the speed of convection is represented by the grayscale of the background of the arrow, not the length of the arrow. The whiter the background, the faster the convection speed (see the scale bar on the right side of each figure).
  • FIG. 19 is a perspective view schematically showing the configuration of another integrated kit 20.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the integration kit 20 along the XX-XX line of FIG. However, in FIG. 20, the illustration of the sample S is omitted.
  • the integration kit 20 includes a substrate 21, a honeycomb polymer film 22, and a thin film 23.
  • a cover glass is used for the substrate 21.
  • the honeycomb polymer film 22 is formed on the substrate 21.
  • the honeycomb polymer film 22 is a polymer film on which a honeycomb structure is formed.
  • a resin is used as the material of the honeycomb polymer film 22.
  • a thin film 23 is further formed on the honeycomb polymer film 22.
  • the thin film 23 is made of a material that absorbs laser light L1 and L2 and converts light energy into heat energy, similarly to the thin film 12 (FIGS. 4 and 5) formed in the integration kit 10.
  • the thin film 23 is a gold thin film having a film thickness on the order of nanometers (specifically, for example, 40 nm to 50 nm).
  • the thin film 23 has a honeycomb structure reflecting the structure of the honeycomb polymer film 22. Therefore, the thin film 23 is formed with a plurality of pores 24 in which the plurality of bacteria B are captured, and a plurality of partition walls 25 each of which separates adjacent pores of the plurality of pores 24 from each other. (See Patent Document 2 for the detailed configuration of the honeycomb integration kit 20).
  • Pseudomonas aeruginosa was used as the bacterium B.
  • Pseudomonas aeruginosa is a bacillus.
  • a typical Pseudomonas aeruginosa has a major axis length of about 2 ⁇ m and a minor axis length of about 0.5 ⁇ m.
  • Pseudomonas aeruginosa is a gram-negative bacterium.
  • FIG. 21 is a diagram showing transmission images of the honeycomb polymer film 22 during single irradiation and two-point irradiation.
  • the honeycomb polymer film 22 before and after the start of single irradiation is shown on the left side of the figure, and the honeycomb polymer film 22 before and after the start of two-point irradiation is shown on the right side of the figure. In this example as well, the start timing of the two-point irradiation was the same.
  • the output of the laser beam L1 transmitted through the integration kit 20 at the time of single irradiation was 15 mW.
  • the outputs of the laser beams L1 and L2 that passed through the integration kit 20 during the two-point irradiation were 7.5 mW, respectively.
  • the spot interval G was 60 ⁇ m.
  • the magnification of the objective lens 6 was 40 times.
  • the light irradiation time was 20 seconds.
  • the size of the microbubble MB2 generated during the two-point irradiation was larger than the size of the microbubble MB1. That is, the microbubbles grew larger when the laser beam L2 having a wavelength of 800 nm was irradiated than when the laser beam L1 having a wavelength of 1064 nm was irradiated. It is considered that this is due to the wavelength dependence of the absorbance of the honeycomb polymer film 22.
  • SYTO9 is a membrane-permeable DNA staining reagent that stains DNA regardless of whether or not the bacterial cell membrane (the outer membrane of Pseudomonas aeruginosa, which is a gram-negative bacterium) is damaged. That is, SYTO9 stains both live bacteria (live bacteria) and dead bacteria (killed bacteria).
  • bacteria containing SYTO9 When bacteria containing SYTO9 are irradiated with light having an excitation wavelength of SYTO9, they emit green fluorescence.
  • PI does not have membrane permeability. Therefore, only bacteria (killed bacteria) whose cell membrane is damaged are stained with PI. When PI is excited from the outside, it emits red fluorescence.
  • FIG. 22 is a diagram showing a fluorescence observation image before light irradiation.
  • FIG. 23 is a diagram showing a fluorescence observation image after light irradiation.
  • a fluorescence observation image also referred to as “SYTO9 image”
  • SYTO9 image a fluorescence observation image according to the excitation wavelength of SYTO9
  • PI image a fluorescence observation image according to the excitation wavelength of PI.
  • the amount of bacteria observed (that is, the amount of dead bacteria) is smaller in two-point irradiation than in single irradiation.
  • Bacteria B was found to have a high survival rate. From this, it was confirmed that the two-point irradiation can suppress the thermal damage to the bacterium B as compared with the single irradiation. The reason is that under the above-mentioned laser output conditions, the output of each of the laser beams L1 and L2 irradiated at two points is half the output of the laser beam L1 irradiated at a single point. This is probably because the amount of temperature rise of the laser spot is small.
  • FIG. 24 is a diagram showing a fluorescence observation image when the spot interval G of two-point irradiation is changed.
  • the spot interval G was changed in four ways in the same manner as in FIG. 12, and SYTO9 images and PI images were acquired to confirm the accumulation result of bacteria B.
  • the outputs of the laser beams L1 and L2 transmitted through the integration kit 20 were 20 mW, respectively.
  • the magnification of the objective lens 6 was 10 times.
  • the light irradiation time was 20 seconds.
  • FIG. 25 is a diagram showing the spot interval dependence of the accumulation result of bacteria B by two-point irradiation.
  • the horizontal axis represents the spot interval G.
  • the vertical axis on the left side represents the accumulation area of Bacteria B.
  • the vertical axis on the right side represents the ratio of the accumulation area of bacteria B at the time of two-point irradiation based on the accumulation area of bacteria B at the time of single irradiation.
  • the results of a single irradiation are shown for comparison.
  • the two-point irradiation conditions are the same as the conditions described with reference to FIG. 24.
  • the output of the laser beam L1 at the time of single irradiation was 40 mW.
  • the accumulation area of bacteria B by two-point irradiation having a spot interval G of 160 ⁇ m to 200 ⁇ m was about 1.5 to 2.0 times the accumulation area of bacteria B by single irradiation. .. It was also confirmed that when the spot interval G was 220 ⁇ m or more, the accumulation area of bacteria B became relatively small, but still exceeded the accumulation area of bacteria B by single irradiation.
  • two microbubbles MB1 and MB2 are generated by two-point irradiation, and convection is generated along a specific direction perpendicular to the alignment direction of the microbubbles MB1 and the microbubbles MB2. Due to this convection, a plurality of minute objects dispersed in the sample S are drawn between the two microbubbles MB1 and MB2 and accumulated in the stagnation region between the two microbubbles MB1 and MB2. As elucidated by the present inventors by actual measurement images and convection simulation, the convection in the specific direction is remarkably enhanced by the two-point irradiation (see FIGS. 13 to 18).
  • the minute objects can be accumulated with high efficiency while suppressing the thermal damage to the minute objects.
  • FIG. 26 is a diagram schematically showing the overall configuration of the micro-object integration system 200 according to the second embodiment.
  • the integrated system 200 differs from the integrated system 100 (see FIG. 1) according to the first embodiment in the following two points.
  • the integrated system 200 includes a laser module 4, a cooling device 4A, and a power supply 4B in place of the laser devices 401 and 402 and the objective lens 6.
  • the integrated system 200 includes a sample stage 1A and a light source stage 1B instead of the XYZ axis stage 1.
  • the sample stage 1A is an XYZ-axis stage and is configured to be movable in the x-direction, y-direction, and z-direction.
  • the sample stage 1A holds the integration kit 10 in the same manner as the XYZ axis stage 1.
  • the light source stage 1B is an XYZ-axis stage and is configured to be movable in the x-direction, y-direction, and z-direction.
  • the light source stage 1B holds the laser module 4 and the cooling device 4A.
  • the laser module 4 is a semiconductor laser module that emits a large number of laser beams in response to a command from the control device 9.
  • the configuration of the laser module 4 will be described in detail with reference to FIGS. 27 and 28.
  • the cooling device 4A cools the laser module 4.
  • the laser module 4 can be miniaturized by using a Peltier element (not shown) as the cooling device 4A.
  • the cooling device 4A can be omitted when an energy-saving laser light source (laser module 4) is used.
  • the power supply 4B supplies a current for driving the laser module 4. Further, the power supply 4B supplies electric power for driving the cooling device 4A.
  • the adjusting mechanism 3 adjusts the positions of the sample stage 1A in the x-direction, y-direction, and z-direction in response to a command from the control device 9, and also adjusts the positions of the light source stage 1B in the x-direction, y-direction, and z-direction. It is configured to be possible.
  • the horizontal position (position in the x direction and y direction) of the sample stage 1A is adjusted, and the height (position in the z direction) of the light source stage 1B is adjusted. Be adjusted.
  • the relative positional relationship between the integration kit 10 mounted on the sample stage 1A and the laser module 4 mounted on the light source stage 1B is adjusted.
  • the configuration of the adjustment mechanism 3 is not particularly limited as long as the relative positional relationship between the integration kit 10 and the laser module 4 can be adjusted.
  • the adjusting mechanism 3 may, for example, adjust the position of the integration kit 10 with respect to the fixed laser module 4, or may adjust the position of the laser module 4 with respect to the fixed integration kit 10.
  • the white light WL emitted from the lighting device 7 is guided to the photographing device 8 by using, for example, an optical fiber (not shown), and is directed to the photographing device near the laser spot. It is irradiated from 8.
  • FIG. 27 is a diagram showing an optical system of the minute object integration system 200 according to the second embodiment.
  • the laser module 4 is installed on the light source stage 1B and below the sample stage 1A.
  • An integration kit 10 (which may be an integration kit 20) is installed on the sample stage 1A.
  • a large number of laser beams L emitted upward from the laser module 4 irradiate the integration kit 10 on the sample stage 1A.
  • the cooling device 4A is not shown in FIG. 27.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of the laser module 4 along the line XXVIII-XXVIII of FIG. 27.
  • the laser module 4 includes a substrate 41, a surface light emitting element 42, a bonding member 43, an optical waveguide 44, and a lens 45.
  • the substrate 41 is a flat plate formed of an insulating material, and is, for example, a printed wiring board or a ceramic substrate.
  • a surface light emitting element 42 is mounted on the surface of the substrate 41.
  • An electrode 411 is formed on the back surface of the substrate 41. The electrode 411 is electrically connected to the surface light emitting element 42 by wire bonding, for example.
  • a drive current is supplied to the surface light emitting element 42 from the power supply 4B (see FIG. 26) via the electrode 411.
  • the surface light emitting element 42 is an array type vertical cavity surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER).
  • the surface light emitting element 42 has a plurality of (for example, 30) light emitting regions 421 arranged in an array. All light emitting regions 421 emit light at the same time, for example, emitting near-infrared laser light L.
  • the laser beam L is emitted in a direction perpendicular to the surface of the surface emitting element 42 (upward in the z direction).
  • the joining member 43 is, for example, an adhesive, and the optical waveguide 44 is joined onto the surface light emitting element 42.
  • the joining member 43 is made of a material that is transparent to the light (near infrared light in this example) emitted from the surface light emitting element 42.
  • the optical waveguide 44 collects a plurality of laser beams L emitted from the surface light emitting element 42.
  • the material of the optical waveguide 44 is, for example, resin or glass.
  • the optical waveguide 44 includes a core 441 and a clad 442.
  • the core 441 has a cylindrical shape.
  • the incident end of the core 441 is formed so as to cover all the light emitting regions 421 included in the surface light emitting element 42 so that all the laser light L emitted from the surface light emitting element 42 is incident.
  • the clad 442 has a cylindrical shape.
  • the clad 442 is formed so as to cover the side surface of the core 441.
  • the lens 45 is a plano-convex lens having a flat surface and a convex surface.
  • the plane of the lens 45 is joined to the exit end of the optical waveguide 44.
  • the convex surface of the lens 45 projects in the light emitting direction from the emitting portion of the laser module 4.
  • the optical waveguide 44 is a graded index (GI) type optical fiber. Therefore, the refractive index of the core 441 of the optical waveguide 44 is highest at the radial center of the core 441 and smoothly decreases toward the outside in the radial direction.
  • the laser beam L propagating inside the core 441 has a plurality of modes having different propagation distances. The light in the lower mode travels in the center of the core, and the light in the higher mode travels off the center of the core. Although the propagation distance of the light in the low-order mode is short, the propagation speed of the light in the low-order mode is relatively slow due to the high refractive index at the center of the core. On the contrary, in high-order mode light, the propagation distance is long but the propagation speed is relatively high.
  • the index of refraction distribution of the core 441 is designed so that the difference in propagation time between modes is sufficiently short.
  • a plurality of laser beams L propagating inside the core 441 having such a refractive index distribution form a node P and an antinode Q.
  • the positions of the node P and the antinode Q may change depending on the wavelength of the laser beam L.
  • the length of the optical waveguide 44 is set so that the exit end of the optical waveguide 44 is not located in the middle from the node P to the ventral Q.
  • the length of the optical waveguide 44 is such that the exit end of the optical waveguide 44 is located in the middle from the vent Q to the node P as shown in FIG. 28, or the exit end of the optical waveguide 44 coincides with the vent Q. It is stipulated as.
  • the plurality of laser beams L propagating through the optical waveguide 44 are emitted from the exit end of the optical waveguide 44 in a condensing tendency.
  • the plurality of emitted laser beams L are further focused on the same location by the lens 45 to form a single focusing point F.
  • the adjusting mechanism 3 can adjust the height (position in the z direction) of the light source stage 1B on which the laser module 4 is mounted in response to a command from the control device 9 as described above. It is configured.
  • the control device 9 adjusts the height of the light source stage 1B so that the position of the integration kit 10 in the z direction is above the focusing point F.
  • the plurality of laser beams L emitted upward from the convex surface of the lens 45 are separate in the vicinity of the lens 45, but intersect with each other above the lens 45 to form a focusing point F. Then, the plurality of laser beams L are separated again above the focusing point F. Therefore, by arranging the integration kit 10 above the condensing point F, the integration kit 10 is irradiated with a plurality of laser beams L (30 laser beams in this example). That is, multi-point irradiation to the integrated kit 10 is realized.
  • spot distance G becomes wider toward the upper side of the focusing point F. Therefore, it is possible to appropriately set the spot interval G by adjusting the position of the XYZ axis stage 1 in the z direction. As a result, as described in the first embodiment, the spot interval can be adjusted, and the number of accumulated minute objects can be increased by irradiating the plurality of laser beams L.
  • the minute objects can be accumulated with high efficiency while suppressing the thermal damage to the minute objects.
  • the laser module 4 a large number of laser light sources and a condenser lens are integrally formed.
  • the integrated system 200 is smaller than the integrated system 100 (see FIG. 1) in which the laser devices 401 and 402 and the objective lens 6 are individually configured. Can be converted.
  • a plurality of laser modules 4 may be arranged in an array.

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Abstract

樹脂ビーズ（Ｒ）の集積方法は、第１～第４のステップを含む。第１のステップは、基板（１１）の上面（ＵＳ）に設けられた薄膜（１２）上にサンプル（Ｓ）を準備するステップである。第２のステップは、レーザ光（Ｌ１）とレーザ光（Ｌ２）とを互いに隔てて薄膜（１２）に照射するステップである。第３のステップは、レーザ光（Ｌ１，Ｌ２）の照射によりサンプル（Ｓ）を加熱することで、レーザ光（Ｌ１）の照射位置にマイクロバブル（ＭＢ１）を発生させるとともにレーザ光（Ｌ２）の照射位置にマイクロバブル（ＭＢ２）を発生させるステップである。第４のステップは、マイクロバブル（ＭＢ１）とマイクロバブル（ＭＢ２）との並び方向に垂直な方向にサンプル（Ｓ）の対流を生じさせることによって、マイクロバブル（ＭＢ１）とマイクロバブル（ＭＢ２）との間の領域に複数の樹脂ビーズ（Ｒ）を集積するステップである。

Description

微小物体の集積方法および微小物体の集積システム
　本開示は、微小物体の集積方法および微小物体の集積システムに関し、より特定的には、液体中に分散した複数の微小物体を集積する技術に関する。
　液体中に分散した複数の微小物体（微粒子、細胞または微生物など）を集積するための技術が提案されている。たとえば国際公開第２０１７／１９５８７２号（特許文献１）および国際公開第２０１８／１５９７０６号（特許文献２）は、液体中に分散した複数の微小物体を光照射により集積する技術を開示する。光を熱に変換する光熱変換領域に光を照射すると、光照射位置近傍の液体が局所的に加熱される。これにより、マイクロバブルが発生するととともに液体中に対流が生じる。そうすると、複数の微小物体が対流に乗ってマイクロバブルに向けて運ばれて光照射位置近傍に集積される。
国際公開第２０１７／１９５８７２号 国際公開第２０１８／１５９７０６号
　液体中に分散した複数の微小物体を光照射により集積する技術では、より短時間に、より多くの微小物体を集積すること、言い換えると、より高効率に微小物体を集積することが要求されている。
　本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、液体中に分散した複数の微小物体を高効率に集積することである。
　（１）本開示のある局面に従う微小物体の集積方法は、液体中に分散した複数の微小物体を集積する。微小物体の集積方法は、第１～第４のステップを含む。第１のステップは、基板の主面に設けられた光熱変換領域上に液体を準備するステップである。第２のステップは、各々が光熱変換領域の吸収波長域に含まれる波長を有する光線である第１の光線と第２の光線とを互いに隔てて光熱変換領域に照射するステップである。第３のステップは、第１および第２の光線の照射により液体を加熱することで、第１の光線の照射位置に第１のバブルを発生させるとともに第２の光線の照射位置に第２のバブルを発生させるステップである。第４のステップは、主面に平行な方向であり、かつ、第１のバブルと第２のバブルとの並び方向に垂直な方向である特定方向に液体の対流を生じさせることによって、第１のバブルと第２のバブルとの間の領域に複数の微小物体を集積するステップである。
　（２）上記集積するステップ（第４のステップ）は、特定方向に沿う対流の流速が他の方向に沿う対流の流速よりも速くなるように、第１および第２の光線の出力ならびに第２の光線の照射位置と第２の光線の照射位置との間の間隔を設定して、特定方向に沿う対流を増強するステップを含む。他の方向に沿う対流は、主面に平行な方向であり、かつ、並び方向に平行な方向に沿う対流を含む。
　（３）上記集積するステップ（第４のステップ）は、第１のバブルに集積される複数の微小物体の分布が並び方向に関して第２のバブル側に偏り、かつ、第２のバブルに集積される複数の微小物体の分布が並び方向に関して第１のバブル側に偏るように上記出力および上記間隔を設定して、特定方向に沿う対流および他の方向に沿う対流を生じさせるステップを含む。
　（４）上記出力および上記間隔は、第１の光線の出力およびスポット径、第２の光線の出力およびスポット径、ならびに、光熱変換領域の吸光度および熱伝導率に基づいて決定される。
　（５）本開示の他の局面に従う微小物体の集積システムは、液体中に分散した複数の微小物体を集積する。微小物体の集積システムでは、光熱変換領域が設けられた主面を含む基板を保持するように構成された保持装置と、各々が光熱変換領域の吸収波長域に含まれる波長を有する第１および第２の光線を発する光加熱装置とを備える。光加熱装置は、液体が光熱変換領域上に準備された状態において第１の光線と第２の光線とを互いに間隔を隔てて光熱変換領域に照射し、第１および第２の光線の照射により液体を加熱することで、第１の光線の照射位置に第１のバブルを発生させるとともに第２の光線の照射位置に第２のバブルを発生させ主面に平行な方向であり、かつ、第１のバブルと第２のバブルとの並び方向に垂直な方向である特定方向に液体の対流を生じさせることによって、第１のバブルと第２のバブルとの間の領域に複数の微小物体を集積する。
　本開示によれば、液体中に分散した複数の微小物体を高効率に集積できる。
実施の形態１に係る樹脂ビーズの集積システムの全体構成を概略的に示す図である。 比較例に係る樹脂ビーズの集積システムの構成の全体構成を概略的に示す図である。 実施の形態１に係る集積システムの光学系と、比較例に係る集積システムの光学系とを説明するための図である。 集積キットの構成を模式的に示す斜視図である。 図４のＶ－Ｖ線に沿う集積キットの断面図である。 実施の形態１における樹脂ビーズの集積方法を示すフローチャートである。 単一照射による樹脂ビーズの集積メカニズムを説明するための図である。 二点照射による樹脂ビーズの集積メカニズムの概要を説明するための図である。 単一照射による樹脂ビーズの集積結果の一例を示す図である。 二点照射による樹脂ビーズの集積結果の一例を示す図である。 光照射に伴い樹脂ビーズＲの集積が進む様子を単一照射と二点照射との間で比較するための図である。 二点照射による樹脂ビーズの集積数のスポット間隔依存性を示す図である。 実測画像から求められた対流の向きを説明するための図である。 図１３に示した実験結果において対流に運ばれた樹脂ビーズの速度をまとめた図である。 単一照射時にマランゴニ対流が発生していないと仮定した場合の対流シミュレーション結果を示す図である。 二点照射時にマランゴニ対流が発生していないと仮定した場合の対流シミュレーション結果を示す図である。 単一照射時にマランゴニ対流が発生していると仮定した場合の対流シミュレーション結果を示す図である。 二点照射時にマランゴニ対流が発生していると仮定した場合の対流シミュレーション結果を示す図である。 他の集積キットの構成を模式的に示す斜視図である。 図１９のＸＸ－ＸＸ線に沿う集積キットの断面図である。 単一照射時および二点照射時におけるハニカム高分子膜の透過像を示す図である。 光照射前における蛍光観察像を示す図である。 光照射後における蛍光観察像を示す図である。 二点照射のスポット間隔Ｇを変更した場合の蛍光観察像を示す図である。 二点照射による細菌Ｂの集積結果のスポット間隔依存性を示す図である。 実施の形態２に係る微小物体の集積システムの全体構成を概略的に示す図である。 実施の形態２に係る微小物体の集積システムの光学系を示す図である。 図２７のＸＸＶＩＩＩ－ＸＸＶＩＩＩ線に沿うレーザモジュールの断面図である。
　本開示において、「ナノメートルオーダー」には、１ｎｍから１０００ｎｍ（＝１μｍ）までの範囲が含まれる。「マイクロメートルオーダー」には、１μｍから１０００μｍ（＝１ｍｍ）までの範囲が含まれる。したがって、「ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲」には、１ｎｍから１０００μｍまでの範囲が含まれる。「ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲」は、典型的には数ｎｍ～数百μｍの範囲を示し、好ましくは１００ｎｍ～１００μｍの範囲を示し、より好ましくは１μｍ～数十μｍの範囲を示し得る。
　本開示において、「微小物体」との用語は、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲のサイズを有する物体を意味する。微小物体の形状は特に限定されず、たとえば球形、楕円球形、ロッド形（棹形）である。微小物体が楕円球形の場合、楕円球の長軸方向の長さおよび短軸方向の長さの少なくとも一方がナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲内であればよい。微小物体がロッド形の場合、ロッドの幅および長さの少なくとも一方がナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲内であればよい。
　微小物体の例としては、金属ナノ粒子、金属ナノ粒子集合体、金属ナノ粒子集積構造体、半導体ナノ粒子、有機ナノ粒子、樹脂ビーズ、ＰＭ（Particulate　Matter）などが挙げられる。「金属ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する金属粒子である。「金属ナノ粒子集合体」とは、複数の金属ナノ粒子が凝集することによって形成された集合体である。「金属ナノ粒子集積構造体」とは、たとえば複数の金属ナノ粒子が相互作用部位を介して基材（樹脂ビーズ等）の表面に固定され、互いに隙間を設けて、金属ナノ粒子の直径以下の間隔で配置された構造体である。「半導体ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する半導体粒子である。「有機ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する有機化合物からなる粒子である。「樹脂ビーズ」とは、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲のサイズを有する樹脂からなる粒子である。「ＰＭ」とは、マイクロメートルオーダーのサイズを有する粒子状物質である。ＰＭの例としては、ＰＭ２．５、ＳＰＭ（Suspended　Particulate　Matter）などが挙げられる。
　微小物体は生体由来の物質（生体物質）であってもよい。より具体的には、微小物体は、細胞、微生物（細菌、真菌等）、生体高分子（タンパク質、核酸、脂質、多糖類等）、抗原（アレルゲン等）およびウイルスを含み得る。
　本開示において、「ハニカム状」との用語は、複数の正六角形が２次元方向に六方格子状（ハチの巣状）に配列された形状を意味する。複数の正六角形の各々には細孔が形成される。各細孔は、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲の開口を有する孔である。細孔は、貫通孔であってもよく非貫通孔であってもよい。また、細孔の形状は特に限定されず、円柱形、角柱形、真球形を除く球形（たとえば半球形または半楕円球形）等の任意の形状を含み得る。複数の細孔がハニカム状に配列された構造を有する構造体を「ハニカム構造体」と称する。
　本開示において、「マイクロバブル」との用語は、マイクロメートルオーダーの気泡を意味する。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　［実施の形態１］
　実施の形態１では、微小物体の一つの例示的形態として樹脂ビーズが採用される。樹脂ビーズの材料はポリスチレンである。ただし、樹脂ビーズの材料はこれに限定されるものではなく、アクリル、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン等であってもよい。
　以下では、ｘ方向およびｙ方向は水平方向を表す。ｘ方向とｙ方向とは互いに直交する。ｚ方向は鉛直方向を表す。重力の向きはｚ方向下方である。なお、ｚ方向上方を上方と略し、ｚ方向下方を下方と略す場合がある。
　＜集積システムの構成＞
　図１は、実施の形態１に係る樹脂ビーズの集積システム１００の全体構成を概略的に示す図である。図１を参照して、集積システム１００は、ＸＹＺ軸ステージ１と、サンプル供給装置２と、調整機構３と、レーザ装置４０１，４０２と、光学部品５と、対物レンズ６と、照明装置７と、撮影機器８と、制御装置９とを備える。
　ＸＹＺ軸ステージ１は、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に移動可能に構成されている。ＸＹＺ軸ステージ１は集積キット１０を保持する。集積キット１０にはサンプルＳが滴下される。ＸＹＺ軸ステージ１は、集積キット１０上に滴下されたサンプルＳの狙った位置への光照射を実現する。集積キット１０の詳細な構成については図４および図５にて説明する。
　サンプル供給装置２は、制御装置９からの指令に応じて、集積キット１０上に液体状のサンプルＳを供給する。サンプル供給装置２としては、たとえばディスペンサを用いることができる。
　調整機構３は、制御装置９からの指令に応じて、ＸＹＺ軸ステージ１のｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の位置を調整する。本実施の形態では対物レンズ６の位置が固定されている。そのため、ＸＹＺ軸ステージ１の位置を調整することにより、ＸＹＺ軸ステージ１上に搭載された集積キット１０と、対物レンズ６との相対的な位置関係が調整される。調整機構３としては、たとえば顕微鏡に付属するサーボモータおよび焦準ハンドルなどの駆動機構（図示せず）を用いることができるが、調整機構３の具体的な構成は特に限定されるものではない。なお、調整機構３は、固定された集積キット１０に対して対物レンズ６の位置を調整してもよい。
　レーザ装置４０１は、制御装置９からの指令に応じて、たとえば近赤外のレーザ光Ｌ１を発する。レーザ装置４０２は、制御装置９からの指令に応じて、たとえば近赤外のレーザ光Ｌ２を発する。レーザ光Ｌ１，Ｌ２の波長は、後述する薄膜１２（図４および図５参照）の材料の光吸収帯に含まれる波長であれば特に限定されるものではない。本実施の形態ではレーザ光Ｌ１の波長は１０６４ｎｍであり、レーザ光Ｌ２の波長は８００ｎｍである。ただし、レーザ光Ｌ１の波長とレーザ光Ｌ２の波長とが等しくてもよい。
　光学部品５は、ミラー、ダイクロイックミラーまたはプリズム等を含む。集積システム１００の光学系は、レーザ装置４０１からのレーザ光Ｌ１が光学部品５により対物レンズ６へと導かれ、かつ、レーザ装置４０２からのレーザ光Ｌ２が光学部品５により対物レンズ６へと導かれるように調整される。
　なお、レーザ装置４０１，４０２と光学部品５とは、本開示に係る「光加熱装置」に相当する。ただし、「光加熱装置」が２台のレーザ装置を備えることは必須ではない。「光加熱装置」は、１台のレーザ装置から発せられたレーザ光を、たとえばハーフミラーにより２本に分割してもよい。
　対物レンズ６は、レーザ装置４０１からのレーザ光Ｌ１を集光するとともに、レーザ装置４０２からのレーザ光Ｌ２を集光する。対物レンズ６により集光された光は集積キット１０上のサンプルＳに照射される。ただし、対物レンズ６により集光された光のビームウエストがサンプルＳの外に位置してもよい。光学部品５および対物レンズ６は、倒立型または正立型の顕微鏡本体に組み込むことができる。
　照明装置７は、制御装置９からの指令に応じて、集積キット１０内のサンプルＳを照らすための白色光ＷＬを発する。１つの実施例として、ハロゲンランプを照明装置７として用いることができる。対物レンズ６は、照明装置７から集積キット１０に照射された白色光ＷＬを取り込むためにも用いられる。対物レンズ６により取り込まれた白色光ＷＬは、光学部品５により撮影機器８へと導かれる。
　撮影機器８は、制御装置９からの指令に応じて、白色光ＷＬが照射された集積キット１０上のサンプルＳを撮影し、撮影された画像を制御装置９に出力する。撮影機器８には、ＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）イメージセンサを含むビデオカメラが用いられる。なお、照明装置７および撮影機器８は、サンプルＳの様子を撮影するための機器に過ぎず、集積システム１００による樹脂ビーズの集積に必須の構成要素ではない。
　制御装置９は、集積システム１００を構成する各機器（サンプル供給装置２、調整機構３、レーザ装置４０１，４０２、照明装置７および撮影機器８）を制御する。制御装置９は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）などのプロセッサと、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）およびＲＡＭ（Random　Access　Memory）などのメモリと、入出力ポート（いずれも図示せず）と等を含むマイクロコンピュータにより実現される。
　実施の形態１に係る集積システム１００の特徴の理解を容易にするため、以下では、集積システム１００と比較例に係る集積システム９００とを対比しながら説明する。
　図２は、比較例に係る樹脂ビーズの集積システム９００の構成の全体構成を概略的に示す図である。図２を参照して、比較例に係る集積システム９００は、レーザ装置４０２を備えない点において、実施の形態１に係る集積システム１００（図１参照）と異なる。集積システム９００のそれ以外の構成は、集積システム１００における対応する構成と同様である。また、集積システム１００，９００では共通の集積キット１０が用いられる。
　図３は、実施の形態１に係る集積システム１００の光学系と、比較例に係る集積システム９００の光学系とを説明するための図である。図３に示す例では、集積システム１００，９００のいずれにおいても、ＸＹＺ軸ステージ１上に保持された集積キット１０にはサンプルＳが滴下されている。照明装置７は、ＸＹＺ軸ステージ１の上方に配置されている。対物レンズ６、光学部品５および撮影機器８は、ＸＹＺ軸ステージ１の下方に配置されている。
　比較例に係る集積システム９００において、図３に示す光学部品５はダイクロイックミラーであって、近赤外光を反射する一方で白色光を透過する。光学部品５は、レーザ装置４０１から水平方向に出射された近赤外のレーザ光Ｌ１を反射して光学部品５よりも上方の対物レンズ６へと導く。対物レンズ６は、下方からのレーザ光Ｌ１を集光する。集光された光は、対物レンズ６よりもさらに上方のサンプルＳに照射される。一方、照明装置７からの白色光ＷＬは、上方から下方に向けてサンプルＳを透過し、さらに、対物レンズ６および光学部品５を透過して撮影機器８へと導かれる。これにより、レーザ光Ｌ１の照射位置（レーザスポット）の周囲の様子が撮影機器８により撮影される。
　実施の形態１に係る集積システム１００においては、レーザ装置４０１からのレーザ光Ｌ１が対物レンズ６により集光されるのに加えて、レーザ装置４０２からのレーザ光Ｌ２が対物レンズ６により集光される。そして、集光された２つの光がサンプルＳに照射される。このように、集積システム９００が単一の光照射を行うシステムであるのに対し、集積システム１００は二点の光照射を行うシステムである。以下では、比較例における光照射の態様を「単一照射」とも称し、実施の形態１における光照射の態様を「二点照射」とも称する。
　なお、集積システム１００の光学系は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２を集積キット１０に照射することが可能であるととともに集積キット１０からの白色光ＷＬを撮影機器８に取り込むことが可能であれば、図１に示した構成に限定されない。集積システム１００の光学系は、たとえば、レーザ光Ｌ１，Ｌ２を上方から下方に向けて照射するように構成されていてもよいし、光ファイバ等の他の光学部品５を含んでもよい。
　＜集積キットの構成＞
　図４は、集積キット１０の構成を模式的に示す斜視図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿う集積キット１０の断面図である。なお、図４ではＸＹＺ軸ステージ１の図示を省略している。
　図４および図５を参照して、集積キット１０は平板形状を有する。この平板形状の上面ＵＳ上にサンプルＳが滴下される。なお、集積キット１０の上面ＵＳは、本開示に係る「主面」に相当する。
　サンプルＳは、樹脂ビーズＲが分散した液体である。液体（分散媒）の種類は特に限定されるものではないが、この例では水である。サンプルＳには、樹脂ビーズＲの集積を促進するための非イオン性界面活性剤が添加されている（界面活性剤の作用の詳細については特許文献２参照）。
　集積キット１０は、基板１１と、薄膜１２とを含む。基板１１は、薄膜１２によるレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光熱変換（後述）に影響を与えず、かつ、白色光ＷＬに対して透明な材料により形成されている。そのような材料としては石英、シリコンなどが挙げられる。実施の形態１では、ガラス基板（カバーガラス）が基板１１として用いられる。
　薄膜１２は、レーザ装置４０１からのレーザ光Ｌ１およびレーザ光源４０２からのレーザ光Ｌ２を吸収し、光エネルギーを熱エネルギーに変換する。薄膜１２の材料は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の波長域（本実施の形態では近赤外域）における光熱変換効率が高い材料であることが好ましい。実施の形態１では、膜厚がナノメートルオーダー（具体的には、たとえば１０ｎｍ）の金薄膜が薄膜１２として形成されている。金薄膜は、スパッタまたは無電解メッキなどの公知の手法を用いて形成できる。薄膜１２は、基板１１全面に形成されていなくてもよく、基板１１の少なくとも一部に形成されていればよい。
　薄膜１２が金薄膜である場合、金薄膜表面の自由電子は表面プラズモンを形成し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２によって振動する。これにより分極が生じる。この分極のエネルギーは、自由電子と原子核との間のクーロン相互作用により格子振動のエネルギーに変換される。その結果、金薄膜は熱を発生させる。以下では、この効果を「光発熱効果」とも称する。
　ただし、薄膜１２の材料は金に限定されるものではなく、光発熱効果を生じ得る金以外の金属元素（たとえば銀）または金属ナノ粒子集積構造体（たとえば金ナノ粒子もしくは銀ナノ粒子を用いた構造体）などであってもよい。あるいは、薄膜１２の材料は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の波長域の光吸収率が高い金属以外の材料であってもよい。そのような材料としては、黒体に近い材料（たとえばカーボンナノチューブ黒体）が挙げられる。薄膜１２の膜厚は、レーザ出力ならびに薄膜１２の材料の吸収波長域および光熱変換効率を考慮して設計的または実験的に決定される。薄膜１２は、本開示に係る「光熱変換領域」に相当する。
　なお、集積キット１０の形状は平板形状に限定されるものではない。集積キット１０は、サンプルＳを保持するための内部空間が形成された容器であってもよい。具体的には、円柱形状のガラスボトムディッシュを集積キット１０として用いてもよい。ガラスボトムディッシュの底面に金薄膜を形成できる（特許文献２参照）。この場合には、ガラスボトムディッシュの底面が本開示に係る「基板」に相当する。
　＜集積フロー＞
　図６は、実施の形態１における樹脂ビーズＲの集積方法を示すフローチャートである。このフローチャートにおいて、ステップＳ３以降の各ステップは、基本的には制御装置９によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部が制御装置９内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。なお、比較例における樹脂ビーズＲの集積方法も共通である。
　図６を参照して、ステップＳ１において、樹脂ビーズＲが分散したサンプルＳが準備される。このサンプルＳには界面活性剤が導入される（ステップＳ２）。ただし、界面活性剤の導入は必須ではない。ステップＳ１，Ｓ２にて準備されたサンプルＳは、サンプル供給装置２内に蓄えられる。
　ステップＳ３において、制御装置９は、集積キット１０をＸＹＺ軸ステージ１上に設置する。この処理は、たとえば、集積システム１００に設けられた基板送り機構（図示せず）により実現できる。
　ステップＳ４において、制御装置９は、サンプル供給装置２を制御することによって、適量のサンプルＳを集積キット１０上に滴下させる。サンプルＳの滴下量は、たとえば数μＬ～数百μＬ程度の微量であってもよいし、より多量であってもよい。
　ステップＳ５において、制御装置９は、サンプルＳに照射するための白色光ＷＬを発するように照明装置７を制御する。また、制御装置９は、サンプルＳの撮影を開始するように撮影機器８を制御する。なお、ステップＳ５の処理は、サンプルＳを観察するための処理であって、樹脂ビーズＲの集積に必須の処理ではない。
　ステップＳ６において、制御装置９は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２がサンプルＳ内の狙った領域に照射されるように、調整機構３を制御することでＸＹＺ軸ステージ１の水平方向の位置および高さ（鉛直方向の位置）を調整する。具体的には、制御装置９は、撮影機器８により撮影された画像からパターン認識の画像処理技術を用いてサンプルＳの外形パターンを抽出することによって、サンプルＳの水平方向の位置を取得できる。そして、制御装置９は、ＸＹＺ軸ステージ１の水平方向の位置を初期位置から適宜調整することで、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の水平方向の照射位置をサンプルＳ内の狙った位置に合わせることができる。また、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の焦点（ビームウエスト）の鉛直方向の位置は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の波長および対物レンズ６の仕様（倍率等）から既知である。よって、制御装置９は、ＸＹＺ軸ステージ１の高さを初期高さから適宜調整することで、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のビームウエストの高さをサンプルＳ内の狙った高さに合わせることができる。
　ステップＳ７において、制御装置９は、レーザ光Ｌ１の照射を開始するようにレーザ装置４０１を制御するとともに、レーザ光Ｌ２の照射を開始するようにレーザ装置４０２を制御する。レーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射開始タイミングは同じであってもよいが異なってもよい。後述する測定例（図１０～図１４、図２１～図２５参照）では、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射開始タイミングを同じとした。
　ステップＳ８において、制御装置９は、集積キット１０へのレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射を規定時間だけ継続する。規定時間は、たとえば数十秒～数分程度であり、ユーザにより予め定められている。この光照射に伴って樹脂ビーズＲが集積される。
　ステップＳ９において、制御装置９は、集積キット１０へのレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射を停止するようにレーザ装置４０１，４０２を制御する。また、制御装置９は、集積キット１０への白色光ＷＬの照射を停止するように照明装置７を制御する。これにより、一連の処理が終了する。
　＜集積メカニズム＞
　図７は、単一照射による樹脂ビーズＲの集積メカニズムを説明するための図である。図７を参照して、レーザ光Ｌ１の照射を開始すると、レーザスポットでの薄膜１２の光発熱効果により、レーザスポット近傍が局所的に加熱される。その結果、レーザスポット近傍のサンプルＳの分散媒が沸騰してレーザスポットにマイクロバブルＭＢが発生する。マイクロバブルＭＢは時間の経過とともに成長する。
　レーザスポットに近いほど分散媒の温度は高くなる。つまり、光照射により分散媒中に温度勾配が生じる。この温度勾配に起因して、分散媒中に規則的な熱対流（浮力対流）が定常的に発生する。単一照射時に発生する熱対流の方向は、参照符号ＨＣを付して示すように、一旦マイクロバブルＭＢに向かい、その後、マイクロバブルＭＢから遠ざかる方向である。
　このように熱対流が生じる理由は以下のように説明できる。マイクロバブルＭＢが生じた領域の上方に存在する分散媒が加熱により相対的に希薄となり浮力によって上昇する。それとともに、マイクロバブルＭＢの水平方向に存在する相対的に低温の分散媒がマイクロバブルＭＢに向けて流入する。
　樹脂ビーズＲは、熱対流に乗ってマイクロバブルＭＢに向けて運ばれることによってレーザスポット近傍に集積される。より詳細には、マイクロバブルＭＢと薄膜１２との間には、対流の流速がほぼゼロとなる領域（以下、「よどみ領域」と称する）が生じる。熱対流に乗って運ばれてきた樹脂ビーズＲは、よどみ領域に滞留して集積される。その後、レーザ光Ｌ１の照射を停止すると、熱対流は弱まり、やがて止まる。
　図８は、二点照射による樹脂ビーズＲの集積メカニズムの概要を説明するための図である。この図は、ステップＳ８に含まれる処理の内容をより詳細に説明するためのものである。図８を参照して、二点照射時には、レーザ光Ｌ１の照射によりマイクロバブルＭＢ１が発生するとともに、レーザ光Ｌ２の照射によりマイクロバブルＭＢ２が発生する。二点照射時にも樹脂ビーズＲが熱対流により運ばれ、各マイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２のよどみ領域に滞留して集積される。この集積メカニズムの詳細については後述する。
　＜樹脂ビーズの集積結果＞
　図９は、単一照射による樹脂ビーズＲの集積結果の一例を示す図である。図１０は、二点照射による樹脂ビーズＲの集積結果の一例を示す図である。図９および図１０には、光照射開始時から１００秒、２００秒および３００秒が経過したときの樹脂ビーズＲの集積の様子を表す連続画像が示されている。この例では、二点（レーザ光Ｌ１，Ｌ２）の照射開始タイミングは同じとした。なお、これらの画像は前述のように、下方から上方に向けて集積キット１０を撮影したものである。
　樹脂ビーズＲの直径は１．０μｍであった。サンプルＳの体積は１０μＬであった。樹脂ビーズＲの濃度を、１．０１×１０８（／ｍＬ）を基準として、１／２倍、１倍および２倍と３通りに調製した。界面活性剤としてはＴｗｅｅｎ２０（登録商標）を用いた。界面活性剤の濃度は、４．５２×１０－５（ｍｏｌ／Ｌ）であった。
　対物レンズ６の開口数（ＮＡ：Numerical　Aperture）は０．３０であった。このときのレーザスポットの直径は１０．４μｍであった。２つのレーザスポット間の間隔は１６０μｍであった。以下、レーザスポットの直径を「スポット径」とも記載し、２つのレーザスポット間の間隔を「スポット間隔Ｇ」とも記載する。スポット間隔Ｇは、２つのスポット径の和よりも大きい（すなわち２つのレーザスポットが分離している）ことが好ましい。なお、対物レンズの倍率が１００倍である場合、スポット径はたとえば１．０μｍである。対物レンズの倍率が４０倍の場合、スポット径は２．５μｍである。対物レンズの倍率が１０倍である場合、スポット径は１０μｍである。
　単一照射では、集積キット１０を透過後のレーザ光Ｌ１の出力を１００ｍＷに設定した。二点照射では、集積キット１０を透過後のレーザ光Ｌ１の出力と、集積キット１０を透過後のレーザ光Ｌ２の出力とを、いずれも５０ｍＷに設定した。つまり、二点照射時におけるレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２との合計出力と、単一照射時におけるレーザ光Ｌ１の出力とが等しくなるように条件を揃えた。
　図９を参照して、単一照射では１つのレーザスポットの近傍にマイクロバブルＭＢが発生する。一方、二点照射では、図１０に示すように、２つのレーザスポットの近傍に１つずつマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２が発生する。単一照射および二点照射のいずれにおいても、マイクロバブルと薄膜１２との間に生じるよどみ領域に樹脂ビーズＲが集積される。光照射開始時から時間が経過するに従って、マイクロバブルのサイズが大きくなり、よどみ領域に集積される樹脂ビーズＲの数（集積数）も増加する。樹脂ビーズＲの集積数は、樹脂ビーズＲの濃度が高いほど多くなる。
　なお、樹脂ビーズＲの集積数は以下のように算出できる。まず、図９および図１０に示す画像から、樹脂ビーズＲが集積された領域の輪郭をエッジ検出により抽出する。次に、抽出された輪郭から樹脂ビーズＲの集積面積（集積キット１０の表面への射影面積）を算出する。さらに、樹脂ビーズＲの集積面積に対応する樹脂ビーズＲの集積体積を幾何学的に算出する。より詳細には、マイクロバブルの直径を画像から読み取ることで、マイクロバブルを表す球体と集積キット１０の上面ＵＳを表す平面との間に挟まれた空間が規定される。この規定された空間の体積に六方最密構造の充填率０．７４を乗算することで、集積された樹脂ビーズＲの体積の総和（樹脂ビーズＲの集積体積）を算出することが可能である。そして、樹脂ビーズＲの集積体積を樹脂ビーズＲの１個当たりの体積で除算することにより、樹脂ビーズＲの集積数が算出される。
　図１１は、光照射に伴い樹脂ビーズＲの集積が進む様子を単一照射と二点照射との間で比較するための図である。図１１において、横軸は光照射開始時からの経過時間を表し、縦軸は樹脂ビーズＲの集積率を表す。樹脂ビーズＲの集積率とは、サンプルＳ中に含まれる樹脂ビーズＲの総数に対する、樹脂ビーズＲの集積数の比率である（集積率＝１００×集積数／総数）。
　図１１を参照して、単一照射および二点照射のいずれによっても、光照射開始時からの時間の経過に伴い、樹脂ビーズＲの集積率が線形に上昇した。同一時刻で比較した場合、二点照射による樹脂ビーズＲの集積率は、単一照射による樹脂ビーズＲの集積率よりも高く、１．４倍程度であった。このように、単一照射時におけるレーザ光Ｌ１の出力と二点照射時におけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２の合計出力とが互いに等しい場合であっても、二点照射によれば単一照射と比べて樹脂ビーズＲの集積率を向上可能である。
　図１２は、二点照射による樹脂ビーズＲの集積数のスポット間隔依存性を示す図である。図１２において、横軸はレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射開始時からの経過時間を表し、縦軸は樹脂ビーズＲの集積数を表す。この例ではスポット間隔Ｇを４通り（１６０μｍ，２００μｍ，２４０μｍ，３００μｍ）に設定し、各スポット間隔Ｇでの樹脂ビーズＲの集積数の時間変化を測定した。対物レンズ６の開口数は０．３０であった。なお、図１２には対比のため、単一照射時における樹脂ビーズＲの集積数の時間変化も併せて示されている。
　二点照射時には単一照射時と比べて、４通りのスポット間隔Ｇのいずれにおいても樹脂ビーズＲの集積数が多かった。図１２に示す例では、スポット間隔Ｇが２００μｍである場合に樹脂ビーズＲの集積数が最大になった。
　このように、スポット間隔Ｇには、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のスポット径ならびに薄膜１２の特性（吸光度および熱伝導）に応じて、微小物体の集積数を最大化することが可能な最適値が存在する。したがって、スポット間隔Ｇとしては、２つのレーザスポットが重ならないようにレーザ光Ｌ１のスポット径とのレーザ光Ｌ２のスポット径との和の１／２よりも長い範囲内で最適値にできるだけ近い値を実験的または設計的に決定し、その値を設定することが望ましい。また、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の出力についても同様に、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のスポット径ならびに薄膜１２の特性に応じて、最適値にできるだけ近い値に設定することが望ましい。
　＜樹脂ビーズの軌跡＞
　本発明者らは、二点照射により樹脂ビーズＲの集積率が向上する原因を解明するため、複数の樹脂ビーズＲを撮影する実験を実施した。そして、撮影した動画（実測画像）を解析し、樹脂ビーズＲの水平面（ｘｙ平面）における動きを追跡した。樹脂ビーズＲが描く軌跡には対流の向きおよび大きさ（速さ）が反映されている。
　図１３は、実測画像から求められた対流の向きを説明するための図である。図１３を参照して、図中左側には、単一照射の実験結果から求められた樹脂ビーズＲの軌跡が単一照射による樹脂ビーズＲの集積結果を表す拡大画像に重ねて示されている。図中右側には、二点照射の実験結果から求められた樹脂ビーズＲの軌跡が二点照射による樹脂ビーズＲの集積結果を表す拡大画像に重ねて示されている。
　まず、樹脂ビーズＲの集積結果の拡大画像に着目して、単一照射では、レーザスポットが画像中心（長方形画像に引かれた２本の直線の交点）に位置しており、そのレーザスポットを中心に樹脂ビーズＲが一様に集積している。
　これに対し、二点照射では、２つのレーザスポットの中点が画像中心に位置している。このとき、樹脂ビーズＲが各レーザスポットよりも画像中心に近い側に偏って集積していることが観察された。言い換えると、２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２が並ぶ方向に関して、マイクロバブルＭＢ１の中心よりも内側かつマイクロバブルＭＢ２の中心よりも内側である領域に、マイクロバブルＭＢ１の中心よりも外側かつマイクロバブルＭＢ２の中心よりも外側である領域と比べて、より多くの樹脂ビーズＲが集積された。
　続いて、軌跡の解析結果について説明する。単一照射では、レーザスポットを中心とする半径３００μｍの円周上に複数（この例では４つ）の樹脂ビーズＲが位置した状態からレーザ光Ｌ１の照射を開始した。二点照射では、２つのレーザスポットの中点を中心とする半径３００μｍの円周上に複数（この例では８つ）の樹脂ビーズＲが位置した状態からレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射を開始した。
　単一照射および二点照射のいずれにおいても、光照射を開始すると、複数の樹脂ビーズＲの各々は、レーザスポットに近づく方向に移動し始める。単一照射による各樹脂ビーズＲの軌跡は、レーザスポットに向かう直線となる。このことは、単一照射ではマイクロバブルＭＢを対称中心とする点対称な対流が生じることを表している。これに対し、二点照射では、各樹脂ビーズＲの軌跡は、２つのレーザスポットの間に向けて延びる曲線となる。このことから、二点照射では、マイクロバブルＭＢ１とマイクロバブルＭＢ２との間の領域に向かう対流が生じることが分かる。
　図１４は、図１３に示した実験結果において対流に運ばれた樹脂ビーズＲの速度をまとめた図である。図１４には、対流により運ばれた樹脂ビーズＲの速度の向きおよび大きさが極座標表示されている。極座標の原点は、図１３に示した各画像の中心と一致している。偏角は、図１３に示したｘ方向が０°となり、ｙ方向が９０°となるように定められている。動径の長さは、実験を複数回実施して得られた樹脂ビーズＲの平均速さ（≒対流の速さ）（単位：μｍ／ｓ）を表す。極座標の原点から遠くなるに従って対流の速さが速くなる。
　２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２が並ぶ図中４５°－２２５°の方向を「並び方向」と呼ぶ。図中の１３５°－３１５°方向を「並び方向に垂直な方向」と呼ぶ。並び方向に関し、二点照射時に発生する対流の速さは、単一照射時に発生する対流の速さと同程度であった。これに対し、並び方向に垂直な方向に関しては、二点照射時に発生する対流の速さは、単一照射時に発生する対流の速さの約１．５倍であった。
　このように、二点照射を行う本実施の形態においては、並び方向に垂直な方向に沿う対流を増強することによって、２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２の間の領域に樹脂ビーズＲを高効率に集積できる。
　＜マランゴニ対流＞
　図７および図８にて樹脂ビーズＲの集積メカニズムを説明した際に光照射により熱対流が発生すると説明した。熱対流の中でも特に、界面張力差に基づくマランゴニ対流が発生している可能性が考えられる。より詳細に説明すると、一般に、気液界面に生じる界面張力は温度依存性を有し、気液界面の温度が高いほど界面張力は小さくなる。そのため、気液界面の温度分布が不均一である場合、気液界面のうちの高温領域は、界面張力が釣り合うように低温領域側へと引っ張られる。このときの気液界面の動きが液体内部（バルク）に伝わり、マランゴニ対流が発生し得る。本実施の形態においても光発熱効果に起因する温度勾配により２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２の各々の表面に界面張力差が生じ、その結果としてマランゴニ対流が発生している可能性がある。
　図１５は、単一照射時にマランゴニ対流が発生していないと仮定した場合の対流シミュレーション結果を示す図である。図１６は、二点照射時にマランゴニ対流が発生していないと仮定した場合の対流シミュレーション結果を示す図である。図１７は、単一照射時にマランゴニ対流が発生していると仮定した場合の対流シミュレーション結果を示す図である。図１８は、二点照射時にマランゴニ対流が発生していると仮定した場合の対流シミュレーション結果を示す図である。対流シミュレーションは有限要素法によるものである。
　図１５～図１８において、矢印の向きは、集積キット１０の上面ＵＳ（薄膜１２の表面）から１μｍ上方に位置する面内における対流の向きを表す。矢印の長さは、対流の速さに拘わらず同じである。対流の速さは、矢印の長さではなく、矢印の背景のグレースケールにより表される。背景が白いほど対流の速さが速い（各図右側のスケールバーを参照）。
　マランゴニ対流が発生していないと仮定した場合であっても、２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２の間に向かう対流が発生するとの結果が得られる。しかし、対流の速さは緩やかである（図１６参照）。一方、マランゴニ対流の発生を仮定した場合には、マランゴニ対流が発生していないと仮定した場合と比べて、２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２の間に向かう対流の速さが１桁程度速くなる（図１８参照）。このシミュレーションにより再現された対流の挙動は、図１３に示した実測画像から推測される対流の挙動とよく一致している。よって、２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２間への多数の微小物体の集積がマランゴニ対流の影響によるものであることが示唆される。
　＜細菌の集積＞
　より高効率に微小物体を集積するとの要求に応えるために、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の出力を増大させることも考えられる。それによって対流の速さが速くなることが予想されるためである。しかしながら、光出力の増大に伴い、レーザスポット近傍の温度上昇量も大きくなる。微小物体の中には熱的なダメージを抑制すべきものが存在する。たとえば、多くの微生物は熱に弱いため、光照射により過度の温度が起こると死滅してしまう可能性がある。よって、微小物体への熱的なダメージを抑制しつつ、微小物体を高効率に集積することが望ましい。以下では、微生物（より詳細には細菌）を集積した例について説明する。細菌の集積には、図４および図５に示した集積キット１０とは異なる構成を有する集積キット２０を使用した。
　図１９は、他の集積キット２０の構成を模式的に示す斜視図である。図２０は、図１９のＸＸ－ＸＸ線に沿う集積キット２０の断面図である。ただし、図２０ではサンプルＳの図示を省略している。図１９および図２０を参照して、集積キット２０は、基板２１と、ハニカム高分子膜２２と、薄膜２３とを含む。
　基板２１には、たとえばカバーガラスが用いられる。ハニカム高分子膜２２は基板２１上に形成されている。ハニカム高分子膜２２は、ハニカム構造体が形成された高分子膜である。ハニカム高分子膜２２の材料には樹脂が用いられる。ハニカム高分子膜２２上には薄膜２３がさらに形成されている。
　薄膜２３は、集積キット１０に形成される薄膜１２（図４および図５）と同様に、レーザ光Ｌ１，Ｌ２を吸収して光エネルギーを熱エネルギーに変換する材料からなる。本実施の形態では薄膜２３は、膜厚がナノメートルオーダー（具体的には、たとえば４０ｎｍ～５０ｎｍ）の金薄膜である。薄膜２３は、ハニカム高分子膜２２の構造を反映してハニカム構造を有する。そのため、薄膜２３には、複数の細菌Ｂが捕捉される複数の細孔２４と、各々が複数の細孔２４のうちの隣接する細孔間を互いに隔てる複数の隔壁２５とが形成されている（ハニカム集積キット２０の詳細な構成については特許文献２参照）。
　本実施の形態では細菌Ｂとして緑膿菌を用いた。緑膿菌は棹菌である。典型的な緑膿菌の長軸の長さは約２μｍであり、短軸の長さは約０．５μｍである。緑膿菌はグラム陰性菌である。
　図２１は、単一照射時および二点照射時におけるハニカム高分子膜２２の透過像を示す図である。図中左側に単一照射の開始前後におけるハニカム高分子膜２２を示し、図中右側に二点照射の開始前後におけるハニカム高分子膜２２を示す。なお、この例でも二点照射の開始タイミングは同じであった。
　単一照射時に集積キット２０を透過したレーザ光Ｌ１の出力は、１５ｍＷであった。二点照射時に集積キット２０を透過したレーザ光Ｌ１，Ｌ２の出力は、各々７．５ｍＷであった。スポット間隔Ｇは６０μｍであった。対物レンズ６の倍率は４０倍であった。光照射時間は２０秒間とした。
　二点照射時に発生したマイクロバブルＭＢ２のサイズは、マイクロバブルＭＢ１のサイズよりも大きかった。つまり、波長８００ｎｍのレーザ光Ｌ２を照射する方が波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌ１を照射するよりもマイクロバブルが大きく成長した。これはハニカム高分子膜２２の吸光度の波長依存性によるものと考えられる。
　次に、光照射により集積された細菌Ｂの生死を細菌Ｂの蛍光染色により判定した結果について説明する。本実施の形態では、蛍光色素としてＳＹＴＯ９（登録商標）とＰＩ（Propidium　Iodide）とを用いた。ＳＹＴＯ９は、膜透過性を有するＤＮＡ染色試薬であり、細菌の細胞膜（グラム陰性菌である緑膿菌では外膜）に損傷が生じているか否かに拘わらずＤＮＡを染色する。つまり、ＳＹＴＯ９は、生存している細菌（生菌）と死滅した細菌（死菌）との両方を染色する。ＳＹＴＯ９を含む細菌にＳＹＴＯ９の励起波長の光を照射すると緑色の蛍光を発する。一方、ＰＩは膜透過性を有さない。そのため、細胞膜に損傷が生じている細菌（死菌）のみがＰＩにより染色される。ＰＩを外部から励起すると赤色の蛍光を発する。
　図２２は、光照射前における蛍光観察像を示す図である。図２３は、光照射後における蛍光観察像を示す図である。図２２および図２３の上部には、ＳＹＴＯ９の励起波長による蛍光観察像（「ＳＹＴＯ９画像」とも記載する）を示す。図２２および図２３の下部には、ＰＩの励起波長による蛍光観察像（「ＰＩ画像」とも記載する）を示す。
　光照射後におけるＳＹＴＯ９画像では、単一照射および二点照射のいずれの結果からもレーザスポットの周辺に蛍光が観察された。これにより、単一照射および二点照射のどちらによっても細菌Ｂがレーザスポットの周囲に集積されて細孔２４内に捕捉されていることが分かった。また、単一照射の結果と二点照射の結果とを比較すると、二点照射による蛍光の面積の方が単一照射による蛍光の面積よりも大きかった。これによっても二点照射の方が細菌Ｂの集積面積が広いこと、すなわち細菌Ｂが多数集積していることが裏付けられた。
　また、光照射後におけるＰＩ画像を単一照射と二点照射との間で比較すると、二点照射では単一照射と比べて、観察される細菌量（すなわち死菌の量）が少ないことから、細菌Ｂの生存率が高いことが分かった。これにより、二点照射では単一照射と比べて細菌Ｂへの熱的なダメージを抑制可能であることが確かめられた。その理由としては、前述したレーザ出力条件下では、二点照射されるレーザ光Ｌ１，Ｌ２の各々の出力が単一照射されるレーザ光Ｌ１の出力の半分であることから、二点照射の方がレーザスポットの温度上昇量が小さいためと考えられる。
　図２４は、二点照射のスポット間隔Ｇを変更した場合の蛍光観察像を示す図である。図２４では、図１２と同様にスポット間隔Ｇを４通りに変更し、ＳＹＴＯ９画像およびＰＩ画像を取得して細菌Ｂの集積結果を確認した。集積キット２０を透過したレーザ光Ｌ１，Ｌ２の出力は、各々２０ｍＷであった。対物レンズ６の倍率は１０倍であった。光照射時間は２０秒であった。
　ＳＹＴＯ９画像（上部）では、４通りのスポット間隔Ｇのいずれにおいても細菌Ｂの集積が確認された。また、ＰＩ画像（下部）では、すべてのスポット間隔Ｇにおいて強い蛍光が観察されたことから、細菌Ｂの生存率が高いことも確認された。
　図２５は、二点照射による細菌Ｂの集積結果のスポット間隔依存性を示す図である。図２５において、横軸はスポット間隔Ｇを表す。左側の縦軸は、細菌Ｂの集積面積を表す。右側の縦軸は、単一照射時における細菌Ｂの集積面積を基準とした二点照射時における細菌Ｂの集積面積の比率を表す。なお、横軸の右端には、単一照射時の結果が対比のために示されている。二点照射条件は図２４にて説明した条件と共通である。単一照射時におけるレーザ光Ｌ１の出力は４０ｍＷであった。
　図２５を参照して、スポット間隔Ｇが１６０μｍ～２００μｍである二点照射による細菌Ｂの集積面積は、単一照射による細菌Ｂの集積面積の１．５倍～２．０倍程度であった。スポット間隔Ｇが２２０μｍ以上になると、細菌Ｂの集積面積が相対的に小さくなるが、それでも単一照射による細菌Ｂの集積面積を上回っていることも確認された。
　以上のように、実施の形態１においては、二点照射により２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２を発生させ、マイクロバブルＭＢ１とマイクロバブルＭＢ２との並び方向に垂直な特定方向に沿う対流を発生させる。この対流により、サンプルＳ中に分散した複数の微小物体が２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２の間に引き込まれ、２つのマイクロバブルＭＢ１，ＭＢ２の間のよどみ領域に集積される。本発明者らが実測画像および対流シミュレーションにより解明したように、二点照射では上記特定方向の対流が顕著に増強される（図１３～図１８参照）。この現象を利用することで、平坦な金薄膜および金薄膜を表面に形成したハニカム構造体のいずれの場合でも、二点照射では単一照射と比べて、たとえ各レーザ光の出力が低くても（前述の例ではレーザ出力が半分でも）、より多くの微小物体を集積できる。したがって、実施の形態１によれば、微小物体への熱的なダメージを抑制しつつ、微小物体を高効率に集積できる。
　［実施の形態２］
　実施の形態１では、２つの光源（レーザ装置４０１，４０２）からそれぞれ発せられたレーザ光Ｌ１，Ｌ２を集積キット１０に照射する二点照射を例に説明した。しかし、レーザ光の本数が複数であれば、それらレーザ光の光源は１つであってもよい。また、レーザ光の本数は複数であればよく、３本以上とすることもできる（多点照射）。実施の形態２においては、１つのレーザモジュールから発せられた多数のレーザ光を集積キット１０に照射する構成について説明する。
　図２６は、実施の形態２に係る微小物体の集積システム２００の全体構成を概略的に示す図である。図２６を参照して、集積システム２００は、下記２点において実施の形態１に係る集積システム１００（図１参照）と異なる。第１に、集積システム２００は、レーザ装置４０１，４０２および対物レンズ６に代えて、レーザモジュール４と、冷却装置４Ａと、電源４Ｂとを備える。第２に、集積システム２００は、ＸＹＺ軸ステージ１に代えて、サンプルステージ１Ａと、光源ステージ１Ｂとを備える。
　サンプルステージ１Ａは、ＸＹＺ軸ステージであって、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に移動可能に構成されている。サンプルステージ１Ａは、ＸＹＺ軸ステージ１と同様に、集積キット１０を保持する。
　光源ステージ１Ｂは、ＸＹＺ軸ステージであって、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に移動可能に構成されている。光源ステージ１Ｂは、レーザモジュール４および冷却装置４Ａを保持する。
　レーザモジュール４は、制御装置９からの指令に応じて多数のレーザ光を発する半導体レーザモジュールである。レーザモジュール４の構成については図２７および図２８にて詳細に説明する。
　冷却装置４Ａはレーザモジュール４を冷却する。冷却装置４Ａとしてペルチェ素子（図示せず）を用いることにより、レーザモジュール４を小型化できる。なお、冷却装置４Ａは、省エネルギーのレーザ光源（レーザモジュール４）を用いる場合には省略できる。
　電源４Ｂは、レーザモジュール４を駆動するための電流を供給する。また、電源４Ｂは、冷却装置４Ａを駆動するための電力を供給する。
　調整機構３は、制御装置９からの指令に応じて、サンプルステージ１Ａのｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の位置を調整するとともに、光源ステージ１Ｂのｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の位置を調整することが可能に構成されている。実施の形態２では光照射位置を決定する際に、サンプルステージ１Ａの水平方向の位置（ｘ方向およびｙ方向の位置）が調整され、かつ、光源ステージ１Ｂの高さ（ｚ方向の位置）が調整される。これにより、サンプルステージ１Ａ上に搭載された集積キット１０と、光源ステージ１Ｂ上に設置されたレーザモジュール４との相対的な位置関係が調整される。
　ただし、調整機構３の構成は、集積キット１０とレーザモジュール４との相対的な位置関係を調整可能であれば特に限定されるものではない。調整機構３は、たとえば、固定されたレーザモジュール４に対して集積キット１０の位置を調整してもよいし、固定された集積キット１０に対してレーザモュール４の位置を調整してもよい。
　なお、図２６に示す構成では、照明装置７から発せられた白色光ＷＬは、たとえば光ファイバ（図示せず）を用いて撮影機器８に導かれ、レーザスポット近傍の撮影箇所に向けて撮影機器８から照射される。
　図２７は、実施の形態２に係る微小物体の集積システム２００の光学系を示す図である。図２７を参照して、レーザモジュール４は、光源ステージ１Ｂ上に設置されるとともに、サンプルステージ１Ａの下方に配置されている。サンプルステージ１Ａには集積キット１０（集積キット２０であってもよい）が設置されている。レーザモジュール４から上方に向けて発せられた多数のレーザ光線Ｌは、サンプルステージ１Ａ上の集積キット１０に照射される。なお、図２７では冷却装置４Ａの図示を省略している。
　図２８は、図２７のＸＸＶＩＩＩ－ＸＸＶＩＩＩ線に沿うレーザモジュール４の断面図である。図２８を参照して、レーザモジュール４は、基板４１と、面発光素子４２と、接合部材４３と、光導波路４４と、レンズ４５とを含む。
　基板４１は、絶縁材料により形成された平板であって、たとえばプリント配線基板またはセラミック基板である。基板４１の表面には面発光素子４２が実装されている。基板４１の裏面には電極４１１が形成されている。電極４１１は、たとえばワイヤボンディングにより面発光素子４２に電気的に接続されている。面発光素子４２には、電源４Ｂ（図２６参照）から電極４１１を介して駆動電流が供給される。
　面発光素子４２は、アレイ型垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical　Cavity　Surface　Emitting　LASER）である。面発光素子４２は、アレイ状に配列された複数（たとえば３０個）の発光領域４２１を有する。すべての発光領域４２１は同時に発光し、たとえば近赤外のレーザ光Ｌを発する。レーザ光Ｌは、面発光素子４２の表面に垂直な方向（ｚ方向上方）に出射される。
　接合部材４３は、たとえば接着剤であり、面発光素子４２上に光導波路４４を接合する。接合部材４３は、面発光素子４２から発せられる光（この例では近赤外光）に対して透明な材料からなる。
　光導波路４４は、面発光素子４２から出射された複数のレーザ光Ｌを集光する。光導波路４４の材料は、たとえば樹脂またはガラスである。光導波路４４は、コア４４１と、クラッド４４２とを含む。
　コア４４１は円柱形状を有する。コア４４１の入射端は、面発光素子４２から発せられたすべてのレーザ光Ｌが入射されるように、面発光素子４２に含まれるすべての発光領域４２１を覆うように形成されている。クラッド４４２は円筒形状を有する。クラッド４４２は、コア４４１の側面を覆うように形成されている。
　レンズ４５は、平面および凸面を有する平凸レンズである。レンズ４５の平面は、光導波路４４の出射端に接合されている。レンズ４５の凸面は、レーザモジュール４の出射部位からの光の出射方向に突出している。
　以上のように構成されたレーザモジュール４におけるレーザ光Ｌの伝搬経路について説明する。光導波路４４は、グレーデッド・インデックス（ＧＩ：Graded　Index）型の光ファイバである。そのため、光導波路４４のコア４４１の屈折率は、コア４４１の径方向中心で最も高く、径方向外側に向かうに従って滑らかに低くなる。コア４４１の内部を伝搬するレーザ光Ｌには、伝搬距離が互いに異なる複数のモードが存在する。低次モードの光はコア中心を進み、高次モードの光はコア中心から外れて進む。低次モードの光の伝搬距離は短いものの、低次モードの光の伝搬速度はコア中心の屈折率の高さに起因して相対的に遅い。それとは逆に、高次モードの光では、伝搬距離が長い一方で伝搬速度が相対的に速い。コア４４１の屈折率分布は、モード間の伝搬時間の差が十分に短くなるように設計されている。
　このような屈折率分布を有するコア４４１の内部を伝搬する複数のレーザ光Ｌは、節Ｐと腹Ｑとを形成する。なお、レーザ光線Ｌの波長に応じて節Ｐおよび腹Ｑの位置は変化し得る。レーザ光Ｌの進行方向（図中ｚ方向）に関し、光導波路４４の長さは、光導波路４４の出射端が節Ｐから腹Ｑまでの途中に位置しないように定められている。言い換えると、光導波路４４の長さは、図２８に示すように光導波路４４の出射端が腹Ｑから節Ｐまでの途中に位置するか、あるいは光導波路４４の出射端が腹Ｑと一致するように定められている。その結果、光導波路４４を伝搬した複数のレーザ光Ｌは、光導波路４４の出射端から集光傾向で出射される。出射された複数のレーザ光Ｌは、さらにレンズ４５により同一箇所に集光されて単一の集光点Ｆを形成する。
　図２７を再び参照して、調整機構３は、前述のように、レーザモジュール４が搭載された光源ステージ１Ｂの高さ（ｚ方向の位置）を制御装置９からの指令に応じて調整可能に構成されている。本実施の形態において、制御装置９は、集積キット１０のｚ方向の位置が集光点Ｆよりも上方になるように、光源ステージ１Ｂの高さを調整する。
　レンズ４５の凸面から上方に出射された複数のレーザ光Ｌは、レンズ４５近傍では別々であるが、それよりも上方で互いに交わって集光点Ｆを形成する。そして、複数のレーザ光Ｌは、集光点Ｆよりもさらに上方では再び別々に分かれる。したがって、集光点Ｆよりも上方に集積キット１０を配置することで、集積キット１０には複数のレーザ光Ｌ（この例では３０本のレーザ光）が照射されることとなる。すなわち、集積キット１０への多点照射が実現される。
　さらに、複数のレーザ光Ｌ間の間隔（スポット間隔Ｇ）は、集光点Ｆよりも上方に向かうに従って広くなる。よって、ＸＹＺ軸ステージ１のｚ方向の位置を調整することにより、スポット間隔Ｇを適宜設定することも可能である。これにより、実施の形態１にて説明したようにスポット間隔を調整し、複数のレーザ光Ｌの照射による微小物体の集積数増加を実現できる。
　実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、微小物体への熱的なダメージを抑制しつつ、微小物体を高効率に集積できる。
　さらに、レーザモジュール４では、多数のレーザ光源と集光レンズとが一体的に形成されている。このようにレーザモジュール４をパッケージ化（モジュール化）することで、レーザ装置４０１，４０２と対物レンズ６とが個別に構成された集積システム１００（図１参照）と比べて、集積システム２００を小型化できる。また、この小型化可能との特徴を活かし、複数のレーザモジュール４をアレイ状に配列してもよい。その上方に、複数の集積キット１０（または複数の集積キット２０）がアレイ状に配列されたマイクロアレイを設置することで、各集積キット１０内での微小物体の集積を同時に進めることができる。その結果、より短時間に微小物体を集積することが可能になる。
　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　ＸＹＺ軸ステージ、１Ａ　サンプルステージ、１Ｂ　光源ステージ、２　サンプル供給装置、３　調整機構、４０１，４０２　レーザ装置、４　レーザモジュール、４Ａ　冷却装置、４Ｂ　電源、４１　基板、４１１　電極、４２　面発光素子、４２１　光源、４３　接合部材、４４　光導波路、４４１　コア、４４２　クラッド、５　光学部品、６　対物レンズ、７　照明装置、８　撮影機器、９　制御装置、１０，２０　集積キット、１１　基板、１２　薄膜、２１　基板、２２　ハニカム高分子膜、２３　薄膜、２４　細孔、２５　隔壁、１００，２００，９００　集積システム。

Claims (5)

  1. 　液体中に分散した複数の微小物体を集積する、微小物体の集積方法であって、
    　基板の主面に設けられた光熱変換領域上に前記液体を準備するステップと、
    　各々が前記光熱変換領域の吸収波長域に含まれる波長を有する光線である第１の光線と第２の光線とを互いに隔てて前記光熱変換領域に照射するステップと、
    　前記第１および第２の光線の照射により前記液体を加熱することで、前記第１の光線の照射位置に第１のバブルを発生させるとともに前記第２の光線の照射位置に第２のバブルを発生させるステップと、
    　前記主面に平行な方向であり、かつ、前記第１のバブルと前記第２のバブルとの並び方向に垂直な方向である特定方向に前記液体の対流を生じさせることによって、前記第１のバブルと前記第２のバブルとの間の領域に前記複数の微小物体を集積するステップとを含む、微小物体の集積方法。
  2. 　前記集積するステップは、前記特定方向に沿う対流の流速が他の方向に沿う対流の流速よりも速くなるように、前記第１および第２の光線の出力ならびに前記第１の光線の照射位置と前記第２の光線の照射位置との間の間隔を設定して、前記特定方向に沿う対流を増強するステップを含み、
    　前記他の方向に沿う対流は、前記主面に平行な方向であり、かつ、前記並び方向に平行な方向に沿う対流を含む、請求項１に記載の微小物体の集積方法。
  3. 　前記集積するステップは、前記第１のバブルに集積される前記複数の微小物体の分布が前記並び方向に関して前記第２のバブル側に偏り、かつ、前記第２のバブルに集積される前記複数の微小物体の分布が前記並び方向に関して前記第１のバブル側に偏るように前記出力および前記間隔を設定して、前記特定方向に沿う対流および前記他の方向に沿う対流を生じさせるステップを含む、請求項２に記載の微小物体の集積方法。
  4. 　前記出力および前記間隔は、前記第１の光線のスポット径、前記第２の光線のスポット径、ならびに、前記光熱変換領域の吸光度および熱伝導率に基づいて決定される、請求項２または３に記載の微小物体の集積方法。
  5. 　液体中に分散した複数の微小物体を集積する、微小物体の集積システムであって、
    　光熱変換領域が設けられた主面を含む基板を保持するように構成された保持装置と、
    　各々が前記光熱変換領域の吸収波長域に含まれる波長を有する第１および第２の光線を発する光加熱装置とを備え、
    　前記光加熱装置は、
    　　前記液体が前記光熱変換領域上に準備された状態において前記第１の光線と前記第２の光線とを互いに隔てて前記光熱変換領域に照射し、
    　　前記第１および第２の光線の照射により前記液体を加熱することで、前記第１の光線の照射位置に第１のバブルを発生させるとともに前記第２の光線の照射位置に第２のバブルを発生させ、
    　　前記主面に平行な方向であり、かつ、前記第１のバブルと前記第２のバブルとの並び方向に垂直な方向である特定方向に前記液体の対流を生じさせることによって、前記第１のバブルと前記第２のバブルとの間の領域に前記複数の微小物体を集積する、微小物体の集積システム。
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