(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細物体を含む液体を収納した容器を保持する容器保持部と、光を発光する光源と、この光源からの光を集光することにより光圧力によって微細物体の捕捉が可能な捕捉範囲を形成するレンズと、この捕捉範囲を前記容器に対して相対的に移動させる移動手段と、この移動手段を制御することにより前記微細物体を前記捕捉範囲の前方に位置させて前記光圧力により移動させる動作と前記微細物体を前記捕捉範囲と一致する位置に位置決めした後前記光圧力により捕捉する動作とを選択的に行わせる制御手段とを備えたことを特徴とする微細物体の操作装置。
【請求項２】
レンズで集光された光の光圧力を利用して液体中の微細物体を操作する微細物体の操作方法であって、前記微細物体を捕捉する場合には、光を集光することにより形成される捕捉範囲と一致する位置に微細物体を位置決めした状態で光を照射し、前記微細物体を光の照射方向へ移動させる場合には、前記捕捉範囲外であってこの補足範囲の前方に微細物体を位置させた状態で光を照射することを特徴とする微細物体の操作方法。
【請求項３】
液体中に密集した状態で多数存在する微細物体をカメラにより探索して目的となる微細物体を特定する工程と、特定された微細物体をレンズで集光された光の捕捉範囲の前方に位置させ、その光圧力により特定された微細物体を含む微細物体を移動させて液体中における微細物体の分布をまばらにする工程と、目的となる微細物体をカメラにより再度探索して検出し、検出された微細物体をレンズで集光された光の捕捉範囲に捕捉する工程とを含むことを特徴とする微細物体の操作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微生物や動植物細胞などの微細物体の捕捉や移動の操作を行う微細物体の操作装置および操作方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
生化学分野等における各種試験や分析では、試料中に存在する微生物や動植物細胞などの微細物体の中から特定の微細物体を識別して捕捉し、採取する操作が行われる。近年微細物体の捕捉に光ピンセットが用いられるようになっている。この光ピンセットは集光された光の光圧力によって微細物体を捕捉可能な光学的トラップを形成するものであり、試料溶液中などに存在する微細物体をこの光学的トラップ内に捕捉するものである。この捕捉方法によれば、非接触・非破壊で微細物体を捕捉することができ、光を走査させることにより捕捉した微細物体を試料中の任意の位置に移動させることができるなど、多くの長所を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで試料溶液中の微細物体の中には、容器の底に密集した状態で存在する場合があるが、その密集の中から目的とする微細物体のみを捕捉することは難しく、作業に時間を費やしていた。
【０００４】
そこで本発明は、目的の微細物体を効率よく捕捉できる微細物体の操作装置および操作方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の微細物体の操作装置は、微細物体を含む液体を収納した容器を保持する容器保持部と、光を発光する光源と、この光源からの光を集光することにより光圧力によって微細物体の捕捉が可能な捕捉範囲を形成するレンズと、この捕捉範囲を前記容器に対して相対的に移動させる移動手段と、この移動手段を制御することにより前記微細物体を前記捕捉範囲の前方に位置させて前記光圧力により移動させる動作と前記微細物体を前記捕捉範囲と一致する位置に位置決めした後前記光圧力により捕捉する動作とを選択的に行わせる制御手段とを備えた。
【０００７】
請求項２記載の微細物体の操作方法は、レンズで集光された光の光圧力を利用して液体中の微細物体を操作する微細物体の操作方法であって、前記微細物体を捕捉する場合には、光を集光することにより形成される捕捉範囲と一致する位置に微細物体を位置決めした状態で光を照射し、前記微細物体を光の照射方向へ移動させる場合には、前記捕捉範囲外であってこの補足範囲の前方に微細物体を位置させた状態で光を照射するようにした。
請求項３記載の微細物体の操作方法は、液体中に密集した状態で多数存在する微細物体をカメラにより探索して目的となる微細物体を特定する工程と、特定された微細物体をレンズで集光された光の捕捉範囲の前方に位置させ、その光圧力により特定された微細物体を含む微細物体を移動させて液体中における微細物体の分布をまばらにする工程と、目的となる微細物体をカメラにより再度探索して検出し、検出された微細物体をレンズで集光された光の捕捉範囲に捕捉する工程とを含む。
【０００８】
本発明によれば、密集状態にある微細物体を作業性よく効率よく捕捉することができる。また光ピンセットの捕捉範囲から外れた光を用いて微細物体の操作を行うので、光ピンセットによる微細物体の作業自由度を高めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の微細物体の操作装置の断面図、図２は同微細物体の操作装置の部分断面図、図３は同微細物体の操作装置による捕捉範囲の説明図、図４は同微細物体捕捉処理のフロー図、図５、図６は同微細物体捕捉処理の工程説明図である。
【００１０】
まず図１を参照して微細物体の操作装置の構造を説明する。図１において、透明な容器１中には試料である液体２が収納されており、液体２中には微生物や動植物細胞などの微細物体３が多数浮遊状態で存在している。これらの微細物体３は、捕捉や移動などの操作対象となるものである。容器１は保持テーブル４上に載置され保持されており、保持テーブル４は容器保持部となっている。
【００１１】
保持テーブル４は移動ステージ５に装着されている。移動ステージ５はＸステージ５ｘ、Ｙステージ５ｙおよびＺステージ５ｚにより構成されており、ＸＹＺドライバ６によって駆動される。移動ステージ５を駆動することにより、容器１中の液体２はＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動する。なお、ここで用いられるＸＹＺ座標は、以下に説明する光学系に固定されており、容器１はこの座標系に対して相対的に移動する。すなわち、容器１の底面のＺ座標ＺｓはＺステージ５ｚの移動によって変化し、光学系の光軸の容器１内におけるＸ方向、Ｙ方向の位置は、Ｘステージ５ｘ、Ｙステージ５ｙの移動によって変化する。
【００１２】
保持テーブル４の下方には、レーザトラップ部１０が配設されている。レーザトラップ部１０の光学ケース１１の上部には対物レンズ１２（各請求項記載のレンズに該当する）が装着されており、対物レンズ１２の下方にはハーフミラー１３が斜め方向に配設されている。光学ケース１１の側部にはレンズ１４、１５より成るレーザ光学系が設けられており、レンズ１５には光源であるレーザ照射部１６から照射されたレーザ光が入射する。このレーザ光はレーザ光学系を介してハーフミラー１３に水平方向から入射し、上方に反射されて対物レンズ１２に入射する。
【００１３】
保持テーブル４に設けられた開口部４ａを対物レンズ１２に対して位置合わせした状態で、レーザ照射部１６からレーザ光を照射することにより、対物レンズ１２に入射したレーザ光は透明な容器１の底面を透して液体２内に入光する。そしてこのレーザ光は液体２中で集光し、この集光したレーザ光によって光学的トラップによる捕捉範囲（後述）が形成される。この捕捉範囲では、微細物体３を光圧力によって非接触で捕捉することができる。
【００１４】
ハーフミラー１３の下方には撮像レンズ１７およびカメラ１８が配設されている。カメラ１８は、対物レンズ１２およびハーフミラー１３を透して容器１の液体２中の微細物体を撮像する。この撮像時のカメラ１８のピントは、前述の捕捉範囲付近に設定される。この捕捉範囲は、光学系に固定のＸＹＺ座標系上で固定されており、捕捉範囲の代表点位置を示す捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）の周辺で所定の広がりを持つ領域である。
【００１５】
カメラ１８には画像処理部１９が接続されており、カメラ１８によって得られた撮像データは画像処理部１９に送られる。そしてここで撮像データを画像処理することにより、液体２中の微細物体３を識別し、複数の微細物体の中から目的とする微細物体を特定する探索処理を行う。この探索処理により、捕捉対象の微細物体３の液体２中での位置が検出される。この位置検出結果は制御部２０に送られ、この位置検出結果に基づいて制御部２０によってＸＹＺドライバ６を制御して移動ステージ５を駆動することにより、容器１内の捕捉対象の微細物体３を所定位置に位置決めすることができる。また、移動ステージ５を駆動することにより、レーザトラップ部１０によって液体２中に形成された捕捉範囲に対して容器１を相対的に移動させることができる。すなわち、移動ステージ５は捕捉範囲を容器１に対して相対的に移動させる移動手段となっている。
【００１６】
そしてこの移動手段を制御部２０によって制御することにより、微細物体３を捕捉範囲内に位置決めする動作と微細物体３を捕捉範囲外に位置させる動作とを選択的に行わせることが可能となっている。すなわち、制御部２０は微細物体３を捕捉範囲内に位置決めする動作と微細物体３を捕捉範囲外に位置させる動作とを選択的に行わせる制御手段となっている。
【００１７】
制御部２０には入力部２１および出力部２２が接続されている。入力部２１はキーボードやマウスなどの入力手段を備えており、操作コマンドや各種データの入力を行う。表示部２２は撮像された微細物体の画像を画面表示すると共に、操作入力時の操作画面を表示する。
【００１８】
次に図２、図３を参照してレーザトラップ部１０による容器１の液体２中での光学的トラップの捕捉範囲形成について説明する。図２（ａ）に示すように、対物レンズ１２に下方から入射したレーザ光は、対物レンズ１２によって集光された状態で容器１の液体２内に入射する。このレーザ光が液体２内の微細物体３に照射されると、微細物体３には光圧力が作用する。この光圧力によって一般には微細物体３を照射方向（レーザ光が進む方向）に移動させる方向の力が作用する。
【００１９】
このとき、対物レンズ１２として開口数ＮＡの大きなレンズを用いてレーザ光を急激に集束させると、図２（ｂ）に示すように、集光点Ｆの前方（対物レンズ１２から遠ざかる方向）の特定位置には、微細物体３に作用する光圧力がつり合う領域、すなわちレーザ光の照射方向の光圧力と、照射方向と反対方向で集光点Ｆに向かう光圧力とがつり合う領域が生じ、この領域内に位置した微細物体３はレーザ光によりトラップされた状態となる。そしてこのトラップ状態でレーザ光を液体２内で走査させると、微細物体３はトラップ状態のまま移動する。このレーザ光によるトラップが可能な領域は、前述の捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）の周辺で所定の広がりを持っており、微細物体３の捕捉範囲Ｔとなっている。
【００２０】
上述のように、捕捉範囲Ｔを形成するにはレーザ光の集束の度合いが大きいことが必要であり、図２（ｃ）に示すように開口数ＮＡが小さいレンズ１２’を用いた場合には、レーザ光の集束の度合いが弱いため捕捉範囲Ｔは形成されない。この場合には、レーザ光を照射された微細物体には、常に照射方向に移動させる方向の力が作用する。
【００２１】
図３は、捕捉範囲Ｔが形成される場合において、微細物体３が捕捉範囲Ｔの近傍に位置している場合の微細物体３の挙動を示すものである。図３（ａ）は、微細物体３が捕捉範囲Ｔのさらに前方（対物レンズ１２から遠ざかる方向）に位置した状態を示している。この状態でレーザ光を照射すると、微細物体３には照射されたレーザ光の光圧力によって照射方向（捕捉範囲Ｔからさらに遠ざかる方向）へ微細物体を移動させる力が作用する。この結果微細物体３は液体２中でレーザ光の照射方向に移動する。このとき、容器１を対物レンズ１２に対して相対的に接近させる動作を併用することにより、レーザ光の照射のみによる移動と比較して、さらに効率よく微細物体３を液体２内で移動させることができる。
【００２２】
図３（ｂ）は微細物体３を捕捉範囲Ｔの手前側（捕捉範囲Ｔと対物レンズ１２との間）に位置させた状態を示している。この状態でも微細物体３には照射されるレーザ光の光圧力により照射方向に移動させる力が作用するが、この場合には微細物体３の移動方向には捕捉範囲Ｔが位置しているため、時間の経過とともに微細物体３は捕捉範囲Ｔに接近しやがて捕捉範囲Ｔ内に移動して捕捉される。すなわち、図３（ｂ）に示す状態に微細物体３を位置させれば、その後はレーザ光の照射を継続するのみで、微細物体３は自動的に捕捉範囲Ｔまで移動して捕捉される。
【００２３】
言い換えれば捕捉範囲Ｔ内に微細物体３を正確に位置決めしなくても、図３（ｂ）に示す捕捉範囲Ｔと対物レンズ１２との間の捕捉準備範囲Ｒ内に微細物体３を位置させれば、後は微細物体３の捕捉は自動的に行うことができる。捕捉準備範囲Ｒは捕捉範囲Ｔよりもはるかに広いため、この自動捕捉を利用することにより、従来の光学的トラップによる捕捉時に求められた微細物体３と捕捉範囲Ｔとの位置決め精度を大幅に緩和することが可能となる。
【００２４】
図３（ｃ）はこの自動捕捉時の捕捉動作を促進する方法を示すものであり、レーザ光の照射を継続するとともに、捕捉範囲Ｔを微細物体３に対して相対的に近づける方向に移動させるものである。これにより、微細物体３のみを移動させる場合と比較して捕捉範囲Ｔに微細物体３が到達して捕捉されるのに要する時間を短縮できる。
【００２５】
次にこの微細物体の操作装置による微細物体捕捉処理を図５、図６を参照して図４のフローに沿って説明する。ここでは、容器１の底面に密集した状態で多数存在する微細物体３の中から捕捉の対象となる微細物体３ａを探索して捕捉する処理を示している。図５は捕捉処理における表示部２２の表示画面３１の表示状態と、そのときの容器１内の微細物体３と捕捉範囲との位置関係を示したものである。図５においては、実線で示すレーザ光Ｌのみが実際の照射状態を示しており、破線で示すレーザ光Ｌは捕捉範囲Ｔを図示するための仮想線である。
【００２６】
図５（ｂ）に示すように、目的とする微細物体３ａの近傍に捕捉したくない微細物体が多数存在する場合があり、いきなり目的とする微細物体３ａを捕捉しようとしても捕捉したくない微細物体まで同時に捕捉してしまう可能性が極めて高い。このような場合は、目的の微細物体をその近傍の微細物体ごと容器１の底より浮揚させ、微細物体の分布をまばらにした状態で目的の微細物体３ａのみを捕捉する。
【００２７】
まず最初に、レーザ照射がＯＦＦの状態で、目的となる微細物体３を探索する（ＳＴ１）。この探索は、移動ステージ５を駆動して撮像位置を移動させながらカメラ１８によって撮像された微細物体３の画像を画像処理部１９で認識し、識別することによって行う。図５（ａ）は探索の結果、容器１の底面上の多数の微細物体３の中から目的となる微細物体３ａの画像３３が表示画面３１内で特定された状態を示している。表示画面３１の中央には捕捉範囲の代表点である捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ）を示すマーク３２が表示されている。この後、探索され特定された微細物体３ａの位置座標（ｘ０，ｙ０）を制御部２０の記憶装置に記憶する（ＳＴ２）。なお、画像処理を用いて目的となる微細物体３の自動探索を行うかわりに、表示部２２の表示画面上で作業者が目視により目的となる微細物体３を識別してティーチングして微細物体３ａの位置座標を制御部２０の記憶装置に記憶させてもよい。
【００２８】
図５（ａ）は探索の結果、容器１の底面上の多数の微細物体３の中から目的となる微細物体３ａの画像３３が表示画面３１内で特定された状態を示している。表示画面３１の中央には捕捉範囲の代表点である捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ）を示すマーク３２が表示されている。この後、探索され特定された微細物体３ａの位置を認識し、微細物体３ａの位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を制御部２０の記憶装置に記憶する（ＳＴ２）。
【００２９】
次に図５（ｂ）に示すように、微細物体３ａの位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）が捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）からＺ方向に遠ざかるよう移動ステージ５を移動させる（ＳＴ３）。これにより、容器１内の底面上の微細物体３は捕捉範囲Ｔの前方に位置する。次いでレーザ照射部１６による用レーザ照射をＯＮにする（ＳＴ４）。この結果、微細物体３にはレーザ光が照射され、図５（ｃ）に示すように微細物体３はレーザ光の光圧力により液体２内を上方に移動する。これにより、液体２中における微細物体の分布がまばらとなり、目的とする微細物体３ａの近傍には微細物体が存在しないスペースが生じる。
【００３０】
この後所定時間が経過したならば、表示画面３１によって目的の微細物体３が液体２中に浮揚したことを確認する（ＳＴ５）。この確認は、微細物体３が移動することによってカメラ１８のピント位置から外れ、表示画面３１上で微細物体の像３３がピンボケ状態になることを観察することにより行われる。
【００３１】
この後、再びレーザ照射をＯＦＦにし（ＳＴ６）、ＳＴ１と同様に目的となる微細物体３ａを再度探索し（ＳＴ７）、微細物体３ａの位置を認識してこの時点での位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を検出する。そして探索された微細物体３ａが１個のみであることを確認した後、捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）が微細物体３ａの位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）と一致するよう、移動ステージ５を移動する（ＳＴ８）。そして図６（ａ）に示すように、微細物体３ａが捕捉範囲Ｔ内に位置決めされたならば、図６（ｂ）に示すように、再びレーザ照射をＯＮにして捕捉範囲Ｔ内に微細物体３を捕捉する（ＳＴ９）。これにより、容器１の底面上に存在する多数の微細物体の中から、目的とする微細物体３ａのみが捕捉される。
【００３２】
上記微細物体の操作方法は、レンズで光を集光させることにより形成される捕捉範囲Ｔの内と外で、光圧力による微細物体に対する作用が異なるという特性を利用して、単一の光ピンセット装置を用いて、微細物体の捕捉を効率よく行うことを可能としたものである。すなわち、容器の底に密集した状態で存在する微細物体の中から目的の微細物体３を捕捉する場合には、容器の底に位置している目的の微細物体３ａにレーザ光を下方から（容器の底から）照射して目的の微細物体３ａとその周囲の微細物体３を試料溶液中に浮揚させ、分布がまばらになったところで目的の微細物体３ａを捕捉する。
【００３３】
このとき、微細物体３ａを浮揚させる場合に用いられるレーザ光としては、捕捉範囲の外側（対物レンズから遠ざかる方向）の光を使用する。これにより、レーザ光が照射された微細物体は捕捉されることなく光の進行方法（照射方向）へ移動する。さらには、従来は捕捉のみに用いられていた光ピンセットの利用範囲を拡張して光ピンセット装置の有効活用が図れるとともに、光の光圧による移動は従来の捕捉状態で移動させる場合と比較して移動速度を大きく設定することが可能なため、操作効率を向上させるという効果をも併せて得ることができる。
【００３４】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２の微細物体の操作装置の断面図である。上記実施の形態１では、捕捉範囲の容器１に対する相対移動を、移動ステージ５のＺステージ５Ｚによって容器１をレンズに対して相対移動させることにより行っているのに対し、本実施の形態２においては、捕捉範囲と対物レンズとの間の光学的距離を変化させることによって行うものである。
【００３５】
図７において、保持テーブル４は、Ｘステージ５ｘ、Ｙステージ５ｙにより成る移動ステージ５’に装着されている。保持テーブル４はＸＹドライバ６’に駆動されて，Ｘ方向およびＹ方向に、すなわち対物レンズ１２の中心線に対して垂直な面内で移動可能となっており、移動ステージ５’は、対物レンズ１２と容器１とを前記面内で相対的に移動させる第１の移動手段となっている。
【００３６】
上記構成では、容器１は対物レンズ１２に対してＺ方向の位置が固定されている。したがって、この状態では、対物レンズ１２によって集光されて形成される捕捉範囲を容器１に対してＺ方向に相対的に移動させることができない。そこで、本実施の形態２では以下の構成により、捕捉範囲を容器１に対して相対的に移動させるようにしている。
【００３７】
レーザ光学系を構成するレンズ１４は、水平方向の移動機構２３に装着されている。移動機構２３をＺドライバ２４によって駆動することにより、レンズ１４は水平方向に移動し、したがって、レンズ１４は対物レンズ１２に対して相対的に移動する。これにより、対物レンズ１２に下方から入射するレーザ光の入射角が変化し、対物レンズ１２によって集光されたレーザ光が形成する捕捉範囲と対物レンズ１２との間の光学的距離が変化する。すなわち、レンズ１４、移動機構２３およびＺドライバ２４は捕捉範囲と対物レンズ１２との間の距離を光学的に変化させる第２の移動手段となっている。
【００３８】
このような構成を採用することにより、容器１をＺ方向に固定した場合にあっても、対物レンズ１２によって集光された光が形成する捕捉範囲と容器１とを相対的に移動させることができる。これにより、実施の形態１に示した例と同様の微細物体捕捉処理を行うことが可能となる。すなわち、実施の形態１のＳＴ３およびＳＴ８において、移動ステージ５を移動させる替わりに、移動機構２３を駆動してレンズ１４を移動させることにより、捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）と位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）とを相対移動させることができる。したがって、本実施の形態２に示す構成によって、実施の形態１と同様の効果を得ることが可能となる。
【００３９】
以上のように本発明の微細物体の操作装置では、光ピンセットの捕捉範囲の外側の光も微細物体の操作に利用するので光ピンセットによる作業自由度が高くなり、従来に比べて効率よく微細物体を操作（捕捉、移動）することができる。特に密集した微細物体の中から目的の微細物体を捕捉する場合において顕著な効果が期待できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、密集状態にある微細物体を作業性よく効率よく捕捉することができる。また光ピンセットの捕捉範囲から外れた光を用いて微細物体の操作を行うので、光ピンセットによる微細物体の作業自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の微細物体の操作装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態１の微細物体の操作装置の部分断面図
【図３】本発明の実施の形態１の微細物体の操作装置による捕捉範囲の説明図
【図４】本発明の実施の形態１の微細物体捕捉処理のフロー図
【図５】本発明の実施の形態１の微細物体捕捉処理の工程説明図
【図６】本発明の実施の形態１の微細物体捕捉処理の工程説明図
【図７】本発明の実施の形態２の微細物体の操作装置の断面図
【符号の説明】
１  容器
２  液体
３  微細物体
４  保持テーブル
５  移動ステージ
６  ＸＹＺドライバ
１０  レーザトラップ部
１２  対物レンズ
１４  レンズ
２０  制御部
２３  移動機構
２４  Ｚドライバ
Ｔ  捕捉範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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