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JPH056136B2 - - Google Patents
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JPH056136B2 - - Google Patents

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JPH056136B2
JPH056136B2 JP63223675A JP22367588A JPH056136B2 JP H056136 B2 JPH056136 B2 JP H056136B2 JP 63223675 A JP63223675 A JP 63223675A JP 22367588 A JP22367588 A JP 22367588A JP H056136 B2 JPH056136 B2 JP H056136B2
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trap
optical trap
light
lens
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Ashukin Aasaa
Maatein Dojiizuitsuku Josefu
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、単一ビーム勾配力トラツプ
（gradient force trap）を用いた粒子の閉じ込め
に関する。
［従来技術の説明］ 単一ビーム勾配力トラツプは、中性原子及び誘
電体粒子に対して試みられてきている。一般に、
単一ビーム勾配力トラツプは、ガウス型の断面強
度分布を有する強く集光されたレーザー光のみか
らなる。この様なトラツプにおいては、輻射圧散
乱及び勾配力成分の組み合わせにより、レーザー
光の焦点の位置に近接した安定平衡点が生成され
る。散乱力は光強度に比例し、入射レーザー光の
方向に作用する。勾配力は光強度勾配に比例し、
強度勾配の方向に作用する。
単一ビーム勾配力トラツプ中の粒子は、勾配力
の半径方向成分により、レーザ光の光軸の周囲に
閉じ込められる。光軸に沿つた方向の粒子の安定
した閉じ込めは、勾配力の軸方向成分が閉じ込め
領域内で散乱力より大きくなるように、レーザー
光を強く集光することにより達成される。
従来の誘電体粒子に単一ビーム勾配力光学的ト
ラツプを用いた例においては、粒子の閉じ込め
は、高開口数対物レンズを用いて集光した可視
（λ＝514.5nm）レーザー光源によつてなされて
いた。エイ・アシユキン（A.Ashkin）らによる
オプテイクス・レターズ（Optics Letters）第11
巻第288290頁の論文を参照のこと。誘電体粒子は
球状あるいは回転楕円体状で、その大きさは、直
径10μmのミー（Mie）ガラス球の大きさ（α＞
＞λ）から直径260オングストロームのレーリー
（Rayleigh）粒子（α＜＜λ）の範囲に入る。前
掲の参照文献及び他の記事によれば、このような
ミー（Mie）領域に属する規則的な形をした粒子
を用いることが望ましい。
ミー（Mie）粒子に関しては、力の大きさ及び
その方向は共に粒子の形状に依存する。このた
め、粒子の閉じ込めは、球状、楕円体状等の比較
的単純な形の、すなわち、その光学散乱がトラツ
プの方向によつて緩やかに変化するような粒子に
限定される。レーリー（Rayleigh）領域では、
粒子は双極子として作用し、力の方向は粒子の形
状とは独立である；力の大きさのみが粒子の方向
によつて変化する。
従来技術に係るトラツプによつて、シリカ及び
他の誘電体粒子が程度の差こそあれ不可逆的な光
によるダメージを受けたということは非常に重要
な結果である。単一ビームトラツプ及び従来の成
果は生物粒子に対して拡張されうると言われてい
たが、トラツプ内で光を照射することによつて生
ずるダメージは、生物粒子を破壊あるいはそれか
ら著しく機能を奪い、使用不能としてしまう。さ
らに、従来技術に係る光学トラツプは、かなり規
則的な誘電体粒子を対象としたものであるため、
生物粒子がその属性として規則的な形状を有して
いないために、その生物粒子への拡張は疑問視さ
れている。
［発明の概要］ 生物粒子は赤外光源に用いた単一ビーム勾配力
光学トラツプによつてうまく閉じ込められる。閉
じ込めた粒子の再生が観察されている。閉じ込め
を解除した後、粒子は正常な運動性を示し、
160mWの高レーザー出力下で数ライフサイクル
の間閉じ込めた後においても生殖力を維持してい
た。
ある具体例においては、単一ビーム勾配力トラ
ツプに用いられる高開口数対物レンズが、同時
に、閉じ込めた生物粒子を観察するために用いら
れる。
２組の単一ビーム勾配力トラツプを同一のセル
に対して適用することによつて、生物粒子の３次
元的な操作が可能となる。
［実施例の説明］ 単一ビーム勾配力光学トラツプは、セル、液滴
あるいはそれらに類似する物の中に含まれた一群
の粒子の中の少なくとも単一の粒子を、閉じ込
め、隔離し、移動しかつ操作する、ということに
対して有用である。前述の粒子が生物粒子である
場合に特別な問題が表面化する。例えば、閉じこ
められた粒子によるトラツプ内での光エネルギー
の吸収により、粒子が死滅したり、粒子の運動性
が著しく失われたりする。さらに、前述の問題を
避けるために光の波長を変化させるにつれて、当
該光トラツプの強度が減少し、興味ある粒子に対
しては有効ではなくなつてしまう。一方、選択さ
れた波長が、光学トラツプの有効な動作に充分な
ものである場合には、その波長が粒子の周囲に存
在する媒質によつて吸収されるものである可能性
があり、それゆえ、セル中での熱の発生を引き起
こすことになる。明らかに、光学トラツプの動作
波長を選択する際には多くのフアクターを考慮し
なければならない。
文献に報告されている従来の光学トラツプの実
験においては、粒子選択性（又は感受性；
sensitivity）は問題とされていなかつた。このこ
とは、誘電体粒子が一様な組成及び一様に規則的
な形状を有し、その結果、トラツプの、一粒子あ
るいは一部の粒子群に対する効果を観測すること
によつて、他の粒子あるいは同一の誘電体粒子の
他の部分に対する効果を正確に予測することが直
接的に可能である、という事実に一般に帰せられ
ている。生物粒子に関しては、粒子選択性は非常
に重要である。生物粒子は多様な組成及び不規則
な形状を有する。よつて、ある生物粒子の一部分
に対する効果は、同一粒子の他の部分に対する効
果を決定するものでは全くない。 第１図は、本
発明の原理に係る単一ビーム勾配力光学トラツプ
を生成する装置の断面図を模式的に示した図であ
る。IR（赤外線）レーザー１０は、実質的に赤外
線領域の波長、例えば0.8μmから1.8μm、のコヒ
ーレント光束を放射する標準的なレーザーであ
る。
IRレーザー１０からの光束１１は光学素子の
組み合わせに入射し、充分に集光されて所望位置
の生物粒子を閉じ込めるための単一ビーム勾配力
光学トラツプを形成する。当該光学素子の組み合
わせには、調整可能にマウントされた発散レンズ
１２と高収束レンズ２３とが含まれる。
レンズ１２は、マウント１３を操作することに
より３次元（ｘ，ｙ，ｚ）のどの方向にも調整が
可能である。レンズ１２が光束１１のスポツト径
を拡大し、レンズ２３の表面上に充分な領域をカ
バーしていることは重要である。第１図に示され
ているように、発散光束１４はレンズ２３の表面
の大部分に入射し、比較的高い強度の光束１４が
レンズ２３のアパーチヤを満たす。単一ビーム勾
配力光学トラツプの動作に要求される力を生成す
るために、レンズ２３は、スポツトサイズをλ以
下でλ／２に迫る位まで集光可能であることが望
ましい。実際の具体例では、レンズ２３は顕微鏡
の強収束水浸対物レンズで開口数約1.25（水中に
て測定）を有するものである。ここで、開口数
は、媒質に対する屈折率に、収束光束によつてカ
バーされる角度の1/2の正弦を乗じたもの、とし
て定義されている。図中の要素２４は、セル２５
への光学結合を向上させるためにレンズ２３が浸
されている液体（水又は油）を示している。
光学トラツプはセル２５中に示されており、そ
のトラツプに粒子２７が閉じ込められている。粒
子２７は、セル２５中に充填された、例えば、水
のような液体媒体中に浮游している。セル２５は
浮游させた生物粒子を受け入れる透明容器、ある
いは当該粒子を含む液滴を保持するための透明な
スライドである。ある具体例においては、セル２
５は１cm×３cm×100μmの大きさである。
セル２５の位置はマウント２６の使用によつて
３次元（ｘ，ｙ，ｚ）的に調節可能である。実
際、マウント２６は生物粒子の位置決めを行なつ
たり操作したりする際に有効である。
トラツプ中の生物粒子の観察は直接あるいはモ
ニターを用いて行なわれる。セル２５内で直接観
察するような他の種類の観察も可能であるが、光
学トラツプを形成する対物レンズを用いて同時に
粒子の観察を行うことは、本発明の付加的な特徴
である。
観察のための照明は可視光源２９によつてなさ
れ、集光レンズ２８によつて視野内の粒子に照射
される。この可視光はレンズ２３を通して接眼レ
ンズ２１又はモニタ１８に達するが、このレンズ
２３によつて高分解能の観察が可能となる。直接
観察のために、鎖線で示されている可視光はビー
ムスプリツター１９によつて反射されて顕微鏡接
眼レンズに達する。赤外阻止フイルター２２が接
眼レンズ２１の前に置かれ、観察光学系（観察者
の眼）をセル２５からの後方反射から隔離してい
る。モニターを行うために、可視光はビームスプ
リツタ１９を通過しビームスプリツター１５で反
射され、赤外阻止フイルター１７を介して最終的
にモニター１８に達する。赤外阻止フイルター１
７は、モニター１８をセルからの後方反射から隔
離している。
第２図においては、第１図に示した装置に、セ
ル２５中での第２の単一ビーム勾配力光学トラツ
プを生成するための第２の赤外レーザー光源及び
光学系が追加されている。赤外レーザー光源は光
束３１を生成し、光束３１は調整可能にマウント
された発散レンズ３２に入射する。レンズ３２に
より光束３１は光束３４のように発散する。レン
ズ３２の調整は、マウント３３によつて３次元的
（ｘ，ｙ，ｚ）に行なわれる。光束３４は鏡３５
によつて反射し光束１４は鏡３５を通過する。こ
のことは、動作波長の異なるレーザ光源を別個に
設け、これらの波長を注意深く選択することによ
つて達成される。他方、光学素子３５は、入射光
の約半分を反射し残りの半分を透過させるような
ビームスプリツターとしても実現されうる。第２
図に示されているように、光束３４はレンズ２３
によつて集光され、セル２５中に第２のトラツプ
を形成する。粒子３６は第２トラツプに閉じ込め
られている。
ここに示されてはいないが、もう１つの高収束
顕微鏡レンズを含む光学系を付加することによつ
てセル内に第２のトラツプを生成することも容易
に行いうる。第２トラツプは、第１トラツプのビ
ームに対して反対側からセルに入射するビームに
よつて、あるいは、実際には、第１トラツプのビ
ームに対して任意の角度を有するビームによつて
形成されうる。
粒子の操作、あるいは方向付けは、例えばロツ
ド状粒子の各々の端部を引つ掛けて、それを必要
に応じて動かすことによつて達成される。
実際の操作においては、閉じ込めた生物粒子を
視野内に移動させることが必要である。このこと
は発散レンズの位置を調整することにより実行さ
れる。同様に、生物粒子の移動、分離、あるいは
隔離はマウント２６を必要な量だけ調整すること
によつて容易になされる。
第３図から第５図は、同一光学トラツプのいく
つかの異なつた態様を示したものである。第３図
は、一般的な態様を示したもので、レンズ２３か
らのビームの焦点がセル２５の内部にあり、閉じ
込め作用は、光学的力の後方勾配力成分による。
粒子の大きさによるが、約４個あるいは５個まで
の粒子をトラツプ内に同時に閉じこめることが可
能である。
第４図及び第５図に示した態様においては、第
３図のトラツプよりも弱い強度が要求される。第
４図においては、セル２５の底板が後方閉じ込め
力を生成し、光強度勾配が横方向の閉じ込め力を
生成している。同時に約12個あるいはそれ以上の
生物粒子を閉じ込めることが可能である。第５図
においては、集光光束の散乱力がその内部方向性
により横方向の閉じ込めを行ない、後方閉じ込め
はセル２５の底板によつてなされる。後者の態様
においては第３図及び第４図に示した他の態様よ
りもはるかに多くの粒子を閉じ込めることができ
る。
種々の生物粒子が、この種の光学トラツプによ
り、隔離され、閉じ込められ、そして移動させら
れている。例えば、生物粒子としては、タバコモ
ザイクウイルス（アシユキン（Ashkin）らによ
るサイエンス（Science）第235巻第1517−20頁
（1987年）の記事を参照）、酵母菌、大腸菌、ヘモ
グロビンを含む血球、及びクロロフイル構造を含
む複合細胞あるいはその一部、などがある。
一般に、研究されている生物粒子は、以前から
研究されている誘電体球状粒子のような規則的な
形状を有しない。例えば、活動的でない、糸状の
微生物で、長さが約50μm、直径が1μmであつた
り、タバコモザイクウイルスの場合は、直径が
200オングストローム、長さが3100オングストロ
ームの円柱状であつたりする。
本発明の重要な属性の１つは、粒子の運動性が
保存されていて、粒子の生殖力が維持されている
ことである。トラツプされた生物粒子の生殖力
は、その子孫がトラツプ内に残存していることに
よつて、観測されている。言い換えれば、本発明
に係る光学トラツプは、数百ミリワツトに迫る光
パワー下において生物粒子の非破壊的操作を可能
とするものである。
なお、赤外光の使用により、同一レーザーパワ
ーの場合には、可視光を用いた場合よりも、焦点
における閉じ込め強度が弱くなるがトラツプ内の
力はほぼ同一である。よつて、赤外線トラツプ
は、焦点における局所加熱を生ずることのより少
ない可視光を用いたトラツプに対して、さらに利
点を有している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に係る具体例の断面図を模式
的に示した図；第２図は、本発明に係る、２組の
単一ビーム勾配力トラツプを単一のセルに対して
適用した具体例の断面図を模式的に示した図；及
び第３図から第５図は、セル中の粒子に対する光
学トラツプの、相異なつた作用の様子を示した図
である。 １０……IRレーザー、１１……光束、１２…
…発散レンズ、１３……マウント、１４……発散
光束、１５……ビームスプリツタ、１７……赤外
阻止フイルター、１８……モニター、１９……ビ
ームスプリツター、２１……接眼レンズ、２２…
…赤外阻止フイルター、２３……高収束レンズ、
２４……液体、２５……セル、２６……マウン
ト、２７……捕捉粒子、２８……集光レンズ、２
９……可視光源、３０……IRレーザー、３１…
…光束、３２……発散レンズ、３３……マウン
ト、３４……光束、３５……鏡、３６……粒子。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 粒子に関する単一ビーム勾配力光学トラツプ
    を形成する装置において、 所定の波長の光束を発生するレーザーと、所定
    の領域に前記光学トラツプを形成するために前記
    光束を充分に集光させる手段とを有し、 前記所定の波長が実質的に赤外線領域の波長域
    に含まれ、その結果前記トラツプが少なくとも１
    つの生物粒子を非破壊的に閉じ込めることを特徴
    とする光学トラツプ装置。 ２ 上記集光手段が0.9以上の開口数を有するレ
    ンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の光
    学トラツプ装置。 ３ 上記所定の波長は、0.8μmから1.8μmまでの
    波長域に含まれることを特徴とする請求項１に記
    載の光学トラツプ装置。 ４ 実質的に所定の波長で第２光束を発生する手
    段を有し、前記第２光束が前記集光手段によつて
    集光されて第２の所定の領域に第２光学トラツプ
    を形成することを特徴とする請求項１に記載の光
    学トラツプ装置。 ５ 上記所定の領域の相対的な位置を独立に変化
    させるための手段を有することを特徴とする請求
    項４に記載の光学トラツプ装置。 ６ 上記所定の領域の位置を変化させる手段を有
    することを特徴とする請求項１に記載の光学トラ
    ツプ装置。
JP63223675A 1987-09-17 1988-09-08 光学トラップ装置 Granted JPH0291545A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/098,120 US4893886A (en) 1987-09-17 1987-09-17 Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same
US098120 1987-09-17

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Publication Number Publication Date
JPH0291545A JPH0291545A (ja) 1990-03-30
JPH056136B2 true JPH056136B2 (ja) 1993-01-25

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JP63223675A Granted JPH0291545A (ja) 1987-09-17 1988-09-08 光学トラップ装置

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EP (1) EP0307940B1 (ja)
JP (1) JPH0291545A (ja)
AU (1) AU585757B2 (ja)
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