(57)【要約】      （修正有）【課題】液体中に分散した状態の微小物体を光照射によって集積する方法を提供する。【解決手段】複数種類の微小物体は、複数のビーズと、各々がビーズよりも小さなサイズを有する複数のビーズとを含む。微小物体の集積方法は、光源２０から発せられ対物レンズ２２により集光された光を薄膜に照射することによって薄膜を加熱するステップと、薄膜の加熱により薄膜上にマイクロバブルを発生させるとともに液体中に対流を起こし、複数種類の微小物体を対流によりマイクロバブルに向けて移動させて、マイクロバブルと薄膜との間に形成される淀み領域にビーズを集積するステップとを含む。薄膜の厚みは、薄膜の吸収飽和と、薄膜の熱伝導性とを決定付ける値である。光源２０から発せられる光の強度と、対物レンズ２２の倍率と、薄膜の厚みとは、薄膜の吸収飽和および熱伝導性に応じて定められる。【選択図】図１
2018129512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の微小物体を集積する、微小物体の集積方法であって、
前記複数種類の微小物体は、
複数の第１の微小物体と、
各々が前記複数の第１の微小物体よりも小さなサイズを有する複数の第２の微小物体とを含み、
前記微小物体の集積方法は、
光を吸収して熱に変換する材料により形成された薄膜上に、前記複数種類の微小物体が分散した液体を準備するステップと、
前記薄膜の光吸収領域に含まれる波長の光を発する光源および対物レンズを用いて、前記光源から発せられ前記対物レンズにより集光された光を前記薄膜に照射することによって前記薄膜を加熱するステップと、
前記薄膜の加熱により前記薄膜上にマイクロバブルを発生させるとともに前記液体中に対流を起こし、前記複数種類の微小物体を前記対流により前記マイクロバブルに向けて移動させて、前記マイクロバブルと前記薄膜との間に形成される前記対流の速度がゼロとなる淀み領域に前記複数の第１の微小物体および前記複数の第２の微小物体を集積するステップとを含み、
前記薄膜の厚みは、前記薄膜が吸収できる単位面積および単位時間当たりの光エネルギーの許容値により規定される前記薄膜の吸収飽和と、前記薄膜の熱伝導性とを決定付ける値であり、
前記光源から発せられる光の強度と、前記対物レンズの倍率と、前記薄膜の厚みとは、前記薄膜の前記吸収飽和および前記熱伝導性に応じて定められる、微小物体の集積方法。
【請求項２】
前記光の強度と前記薄膜の厚みとが予め定められた状態で、互いに倍率が異なる複数の対物レンズのなかから高い倍率の対物レンズを選択するステップをさらに含む、請求項１に記載の微小物体の集積方法。
【請求項３】
前記光の強度と前記薄膜の厚みとが予め定められた状態で、５０マイクロメートルから１，０００マイクロメートルまでの範囲の直径を有する前記マイクロバブルを発生させるための前記対物レンズの倍率を選択するステップをさらに含む、請求項１または２に記載の微小物体の集積方法。
【請求項４】
前記対物レンズの焦点が、前記液体中にあり、かつ、前記液体の周囲の気体と前記液体との界面である気液界面の近傍に位置するように、前記対物レンズの焦点を調整することによって前記マイクロバブルを成長させるステップをさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小物体の集積方法。
【請求項５】
前記光源から発せられる光の波長は、前記複数の第１の微小物体に２光子吸収を起こさせる波長である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小物体の集積方法。
【請求項６】
前記集積するステップの後に前記液体を真空乾燥させることによって前記マイクロバブルの直径を拡大させるステップをさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小物体の集積方法。
【請求項７】
前記複数の第１の微小物体の各々は、生体由来の微小物体であり、
前記複数の第２の微小物体の各々は、ビーズである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の微小物体の集積方法。
【請求項８】
金属ナノ粒子の自己組織化により前記薄膜を形成するステップをさらに含み、
前記薄膜を加熱するステップは、前記対物レンズにより照射された光の照射箇所を、前記対物レンズ通過後の光の強度および前記金属ナノ粒子の密度に基づいて決定するステップを含む、請求項７に記載の微小物体の集積方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積装置および集積方法、微小物体集積構造体の製造装置、微生物の集積除去装置、被検出物質の検出装置、被分離物質の分離装置、ならびに被導入物質の導入装置に関する。より特定的には、本発明は、複数種類の微小物体を集積する集積装置、その集積装置を備えた微小物体集積構造体の製造装置、微生物の集積除去装置、被検出物質の検出装置、被分離物質の分離装置、および被導入物質の導入装置、ならびに複数種類の微小物体を集積する集積方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光照射によって微小粒子を狙った場所に集積する技術が提案されている。たとえば国際公開第２００６／１０４０４８号（特許文献１）は、液相中の微小粒子の配置方法を開示する。微小粒子固定面に微小粒子が固定化されたソース基板と、微小粒子配置面を有するターゲット基板とが準備される。ソース基板およびターゲット基板は、微小粒子固定面と微小粒子配置面とが互いに向かい合う状態で液相を介して配置される。この状態において、レーザ照射によって誘起される物理的な力および化学的な力の少なくとも一方により、微小粒子が微小粒子固定面から分離される。分離した微小粒子は、重力によって液相中を落下して、微小粒子配置面に配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００６／１０４０４８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
国際公開第２００６／１０４０４８号（特許文献１）に開示の配置方法は、ソース基板の微小粒子固定面に固定された微小粒子を光照射の対象とする技術である。光照射による微小物体の集積技術の適用範囲を拡大する観点からは、液体中または気体中に分散した状態の微小物体を集積可能な技術が要望される。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、液体中または気体中に分散した状態の微小物体を光照射によって集積可能な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある局面に従う集積装置は、物理的特性、化学的特性、および生物学的特性のうちの少なくとも１つが互いに異なる複数種類の微小物体を集積する。集積装置は、保持部材と、光源とを備える。保持部材は、複数種類の微小物体が分散した空間を保持可能に構成される。光源は、保持部材または上記空間に光を照射し、上記空間内に温度差を生じさせる。
【０００７】
好ましくは、上記空間は、複数種類の微小物体が分散可能な液体を含む。保持部材は、複数種類の微小物体が分散した液体を保持可能に構成された基板を含む。
【０００８】
好ましくは、上記基板は、液体を保持する保持領域を含む。保持領域は、光源からの光を熱に変換する材料によって形成される。
【０００９】
好ましくは、保持領域は、蒸着またはスパッタリングにより形成された膜を含む。好ましくは、保持領域は、複数の金属ナノ粒子の自己組織化により形成された膜を含む。
【００１０】
好ましくは、光源は、上記材料の光吸収領域に含まれる波長のレーザ光を発する。
好ましくは、保持領域は、レーザ光の照射方向に沿う厚みを有する。上記厚みは、レーザ光の強度および上記材料の光吸収性に基づいて決定される。
【００１１】
好ましくは、光源は、保持領域に光を照射して、保持領域の近傍に温度差を生じさせて、対流および気泡が発生するように保持領域を加熱する。
【００１２】
好ましくは、複数種類の微小物体は、粒子径が互いに異なる複数の第１の粒子および複数の第２の粒子を含む。複数の第１の粒子および複数の第２の粒子のうちの少なくとも一方は、各々が光源からの光を熱に変換させる複数の光熱変換粒子である。光源は、液体への光の照射により、複数の光熱変換粒子を、上記液体における光の照射位置にて発熱させ液体内に温度差を生じさせて、液体内に対流を起こし、複数の第１の粒子および複数の第２の粒子を対流により移動させることによって、複数の第１の粒子および複数の第２の粒子を照射位置（およびその周辺のうちの少なくとも一方）に集積する。
【００１３】
好ましくは、集積装置は、対物レンズをさらに備える。対物レンズは、光源からの光を集光し、集光された光を保持領域または上記空間に導入する。
【００１４】
好ましくは、集積装置は、調整機構をさらに備える。調整機構は、対物レンズの焦点が、液体中にあり、かつ、液体の周囲の気体と液体との界面である気液界面の近傍に位置するように、対物レンズと気液界面との間の距離を調整する。
【００１５】
好ましくは、複数種類の微小物体は、物理的特性として、粒子径および形状の少なくとも一方が互いに異なる２種類以上の微小物体を含む。
【００１６】
本発明の他の局面に従う集積方法は、物理的特性、化学的特性、および生物学的特性のうちの少なくとも１つが互いに異なる複数種類の微小物体を集積する。集積方法は、複数種類の微小物体を、保持部材により規定された空間内に分散させるステップと、上記空間内に温度差を生じさせるための光を保持部材または上記空間に照射するステップとを備える。
【００１７】
好ましくは、上記空間は、複数種類の微小物体が分散可能な液体を含む。保持部材は、液体を保持可能に構成された基板を含む。分散させるステップは、照射するステップに先立って、複数種類の微小物体が分散した液体を準備するステップを含む。
【００１８】
好ましくは、上記基板は、液体が保持されている保持領域を含む。照射するステップにおいて、保持領域に照射された光は熱に変換される。
【００１９】
好ましくは、照射するステップにおいて、保持領域の材料の光吸収領域に含まれる波長のレーザ光が照射される。
【００２０】
好ましくは、照射するステップにおいて、保持領域に光を照射して、保持領域の近傍に対流および気泡が発生するように保持領域を加熱する。
【００２１】
好ましくは、集積方法は、保持領域を加熱した後に、保持領域を真空乾燥させるステップをさらに備える。
【００２２】
好ましくは、複数種類の微小物体は、粒子径が互いに異なる複数の第１の粒子および複数の第２の粒子を含む。複数の第１の粒子および複数の第２の粒子のうちの少なくとも一方は、各々が光源からの光を熱に変換させる複数の光熱変換粒子である。上記照射するステップにおいて、複数の光熱変換粒子は、上記液体における光の照射位置にて発熱し液体内に温度差を生じさせて、液体内に対流を起こす。複数の第１の粒子および複数の第２の粒子は、対流により移動することによって、照射位置（およびその周辺のうちの少なくとも一方）に集積する。
【００２３】
好ましくは、複数種類の微小物体は、上記物理的特性として、粒子径および形状の少なくとも一方が互いに異なる２種類以上の微小物体を含む。
【００２４】
本発明のさらに他の局面に従う微小物体集積構造体の製造装置は、上記の集積装置を備える。
【００２５】
本発明のさらに他の局面に従う微生物の集積除去装置は、上記の集積装置を備える。複数種類の微小物体は、微生物を含む。光源は、保持部材または上記空間に光を照射して、上記空間内の微生物を除去するように保持部材を加熱する。
【００２６】
本発明のさらに他の局面に従う検出装置は、複数種類の微小物体に含まれる可能性がある被検出物質を検出する。検出装置は、上記の集積装置と、撮影機器と、検出器とを備える。撮影機器は、光源からの光が照射された上記空間を撮影する。検出器は、撮影機器により撮影された画像に基づいて、被検出物質を検出する。
【００２７】
本発明のさらに他の局面に従う分離装置は、複数種類の微小物体に含まれる可能性がある被分離物質を分離する。分離装置は、複数種類の微小物体を集積して集積体を形成する上記の集積装置と、分光用光源と、分光器と、分離部とを備える。分光用光源は、集積装置により集積された、集積体のスペクトルを測定するための光を発する。分光器は、集積体のスペクトルを測定する。分離部は、分光器によるスペクトルの測定結果に基づいて、被分離物質を分離する。
【００２８】
本発明のさらに他の局面に従う被導入物質の導入装置は、上記の集積装置を備える。複数種類の微小物体は、細胞と、細胞の取込作用によって細胞内に導入される被導入物質とを含む。光源は、保持部材または空間に光を照射し、保持部材を加熱して被導入物質を集積させることにより、細胞内への被導入物質の導入を促進させる。
【００２９】
好ましくは、被導入物質の導入装置は、保持部材に付着した細胞をさらに備える。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、液体中または気体中に分散した状態の微小物体を光照射によって集積することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る集積装置の概略的構成を示した図である。
【図２】図１に示した集積装置の基板付近の構成の拡大斜視図である。
【図３】第１〜第３のサンプルに分散されるビーズを説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るビーズの集積方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】第３のサンプルにおける光照射開始後のレーザスポット近傍領域の時間変化を示す連続写真である。
【図６】第３のサンプルにおいてビーズの集積体が形成されるメカニズムを説明するための模式図である。
【図７】図８〜図１７で用いたビーズの集積条件を説明するための図である。
【図８】第１のサンプルについて、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。
【図９】第２のサンプルについて、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。
【図１０】第３のサンプルについて、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。
【図１１】第１のサンプルについて、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。
【図１２】第２のサンプルについて、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。
【図１３】第３のサンプルについて、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。
【図１４】ビーズ１とビーズ２との個数比が１：４３の場合について、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の３次元形状を示す図である。
【図１５】ビーズ１とビーズ２との個数比が１：９の場合について、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の３次元形状を示す図である。
【図１６】ビーズ１とビーズ２との個数比が１：４３の場合について、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の３次元形状を示す図である。
【図１７】ビーズ１とビーズ２との個数比が１：９の場合について、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の３次元形状を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態１の変形例に係る集積装置の概略的構成を示した図である。
【図１９】第４〜第６のサンプルの気液界面における集積体の光学写真である。
【図２０】第４のサンプルの集積体を拡大して示すＳＥＭ写真である。
【図２１】第３のサンプルを真空乾燥させた場合に形成された集積体のＳＥＭ写真である。
【図２２】図２１に示した集積体の３次元形状および断面形状を示す図である。
【図２３】第３のサンプルについて、光照射なしで自然乾燥させた場合の消衰スペクトルと、光照射後に真空乾燥させた場合の消衰スペクトルとを示す図である。
【図２４】光照射後に自然乾燥させた場合のメカニズムと、光照射後に真空乾燥させた場合のメカニズムとを比較するための模式図である。
【図２５】マイクロバブルの直径の測定結果を示す図である。
【図２６】第１のサンプルの液滴の縁の領域に形成された集積体のＳＥＭ写真である。
【図２７】第２のサンプルの液滴の縁の領域に形成された集積体のＳＥＭ写真である。
【図２８】第３のサンプルの液滴の縁の領域に形成された集積体のＳＥＭ写真である。
【図２９】第１〜第３のサンプルの消衰スペクトルを示す図である。
【図３０】第７のサンプルにおける光照射開始後のレーザスポット近傍領域の時間変化を示す連続写真である。
【図３１】第３のサンプルと第７のサンプルとの間で、光照射停止後の変化を比較するための連続写真である。
【図３２】第７のサンプルについて、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。
【図３３】第７のサンプルについて、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。
【図３４】本発明の実施の形態４に係る微生物の集積除去装置の概略的構成を示す図である。
【図３５】図３４に示した捕集部の構成の一例を示す図である。
【図３６】本発明の実施の形態５に係る検出装置の概略的構成を示した図である。
【図３７】図３６に示した検出装置の基板付近の構成の拡大斜視図である。
【図３８】本発明の実施の形態５に係るＰＭ２．５の検出方法を説明するためのフローチャートである。
【図３９】本発明の実施の形態６に係る分離装置の概略的構成を示した図である。
【図４０】本発明の実施の形態６に係る、被分離物質である細胞の分離方法を説明するためのフローチャートである。
【図４１】複数のビーズが捕捉されるメカニズムを説明するための模式図である。
【図４２】ビーズの２粒子モデルを説明するための図である。
【図４３】本発明の実施の形態７に係る集積装置の概略的構成を示した図である。
【図４４】図４３に示した集積装置の基板付近の構成の拡大斜視図である。
【図４５】図４６〜図４９にて用いたサンプルを説明するための図である。
【図４６】第８のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍領域の時間変化を示す連続写真である。
【図４７】光照射停止後に自然乾燥させた第１０のサンプルにおいて形成された集積体の光学写真である。
【図４８】図４７に示す領域Ａ（レーザスポットの近傍領域）のＳＥＭ写真である。
【図４９】実施の形態７において集積体が形成されるメカニズムを説明するための模式図である。
【図５０】第１０のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍の時間変化を示す連続写真である。
【図５１】光照射開始後の集積体サイズの時間変化を第８〜第１０のサンプル間で比較するための図である。
【図５２】第８および第１１のサンプルについて、光照射開始前の気液界面近傍における消衰スペクトルを示す図である。
【図５３】第１２のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍の時間変化を示す連続写真である。
【図５４】光照射後に自然乾燥させた第１２のサンプルにおいて形成された集積体の光学写真である。
【図５５】第１２のサンプルのレーザスポットの領域（図５４に示す領域Ｒ２）のＳＥＭ写真である。
【図５６】第１２のサンプルのレーザスポットから離れた領域の領域（図５４に示す領域Ｒ３）のＳＥＭ写真である。
【図５７】細胞のエンドサイトーシスによるペプチドの導入を説明するための概念図である。
【図５８】基板付近の構成の拡大斜視図である。
【図５９】図５７に示す基板の上面図である。
【図６０】実施の形態８にて用いられるペプチドを示す図である。
【図６１】本発明の実施の形態８に係るペプチドの導入方法を説明するためのフローチャートである。
【図６２】実施の形態８におけるペプチドの集積メカニズムを説明するための模式図である。
【図６３】第１３のサンプルの光照射後における共焦点顕微鏡写真である。
【図６４】第１４のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍の光学写真および蛍光イメージである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明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。
【００３３】
本発明およびその実施の形態では、基板の保持領域に光を照射して、保持領域の近傍に温度差を生じさせることにより、対流および気泡が発生するように保持領域を加熱する。「近傍」とは、気泡の直径のたとえば２倍よりも小さな距離にある空間を指すことが好ましい。また、「保持領域の近傍に気泡が発生する」には、気泡が保持領域に接して発生する場合を含む。
【００３４】
本発明およびその実施の形態において、「微小物体」との用語は、サブナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーまで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、ロッド形状等である。微小物体が楕円球形の場合、楕円球の短軸方向および長軸方向の長さの少なくとも一方がサブナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーであればよい。微小物体がロッド形状の場合、ロッドの幅および長さの少なくとも一方がサブナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーであればよい。
【００３５】
微小物体の例としては、金属ナノ粒子、金属ナノ粒子集積体、金属ナノ粒子集積構造体、半導体ナノ粒子、有機ナノ粒子、樹脂ビーズなどが挙げられる。「金属ナノ粒子」とは、ナノメートルのオーダーのサイズを有する金属粒子である。「金属ナノ粒子集積体」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積体である。「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ビーズの表面に固定され、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、ナノメートルの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、ナノメートルの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、ナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーのサイズを有する樹脂からなる粒子である。
【００３６】
さらに、微小物体は生体（たとえば細胞、組織、器官など）由来のもの、または生体と相互作用するものであってもよく、たとえば細胞、生体物質を含み得る。生体物質は、核酸、タンパク質、多糖類等の生体高分子を含み得る。また、微小物体は、微生物（たとえば細菌、真菌）、アレルゲンなどの抗原、ウイルスを含み得る。
【００３７】
本発明およびその実施の形態において、「被導入物質」は、細胞内に導入可能な物質であれば、生体物質でもよく、生体物質に限定されない無機分子または有機分子（たとえば薬品等）であってもよい。また、「被導入物質」は、微生物、抗原、ウイルス、イオン等を含み得る。
【００３８】
本発明およびその実施の形態において、「微小物体集積構造体」との用語は、複数の微小物体が集積することによって形成された構造体を意味する。
【００３９】
本発明およびその実施の形態において、「ＰＭ（Particulate  Matter）」とは、マイクロメートルの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、ＰＭ１０、ＳＰＭ（Suspended  Particulate  Matter）が挙げられる。ＰＭ２．５は、粒子径が２．５μｍ以下の粒子である。ＰＭ１０およびＳＰＭは、いずれも粒子径が１０μｍ以下の粒子である。ただし、ＰＭ１０は粒子径が１０μｍを超える粒子を含み得る一方で、ＳＰＭは粒子径が１０μｍを超える粒子を含まない点において、両者は相違する。
【００４０】
本発明およびその実施の形態において、「マイクロバブル」とは、マイクロメートルのオーダーの気泡である。
【００４１】
本発明およびその実施の形態において、「サブナノメートルのオーダー」には、０．１ｎｍから１ｎｍの範囲が含まれる。「ナノメートルのオーダー」には、１ｎｍから１０００ｎｍ（１μｍ）の範囲が含まれる。「マイクロメートルのオーダー」には、１μｍから１０００μｍ（１ｍｍ）の範囲が含まれる。したがって、「サブナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダー」には、０．１ｎｍから１０００μｍの範囲が含まれる。「サブナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダー」は、典型的には数ナノメートルから数百マイクロメートルの範囲を示し、好ましくは０．１μｍ〜１００μｍの範囲を示し、より好ましくは０．１μｍ〜数十マイクロメートルを示し得る。
【００４２】
本発明およびその実施の形態において、「種類」との用語は、共通の性質によって微小物体を分類したときの微小物体のまとまりを意味する。上記共通の性質としては、微小物体の物理的特性または化学的特性が用いられる。
【００４３】
本発明およびその実施の形態において、「物理的特性」との用語は、微小物体の機械的特性（力学的特性）、電気的特性、磁気的特性、光学的特性、または熱的特性を意味する。機械的特性の具体例としては、微小物体のサイズ、形状、内部構造、密度が挙げられる。電気的特性の具体例としては、微小物体の表面電荷、誘電率が挙げられる。磁気的特性の具体例としては、微小物体の透磁率が挙げられる。光学的特性の具体例としては、微小物体の共鳴吸収波長（励起波長）、屈折率（高周波誘電率の平方根）、非線形感受率が挙げられる。熱的特性の具体例としては、微小物体の比熱、熱伝導率、熱膨張率、耐熱性が挙げられる。
【００４４】
本発明およびその実施の形態において、「化学的特性」との用語は、微小物体の材料に関する特性、および微小物体が分散される液体（分散媒）に対する微小物体の親和度を意味する。微小物体の材料に関する特性の具体例としては、たとえば微小物体の組成、分子構造が挙げられる。分散媒に対する微小物体の親和度の具体例としては、微小物体の親水性または疎水性の程度が挙げられる。
【００４５】
本発明およびその実施の形態において、「生物学的特性」との用語は、微小物体の細胞としての特性を意味する。細胞としての特性の具体例としては、細胞分裂、タンパク質・脂質・糖等の生成および分泌、物質分解、細胞死が挙げられる。
【００４６】
本発明およびその実施の形態において、「光を吸収する」あるいは「光吸収性を有する」との用語は、物質により吸収される光のエネルギーがゼロより大きいという性質を意味する。光の波長領域は、紫外領域、可視領域、および近赤外領域のいずれかの領域、これら３つの領域のうちの２つの領域にまたがる領域、３つの領域のすべての領域にまたがる領域のいずれもよい。すなわち、光は、レーザ光であってもよいが、これに限定されるものではなく、白色光またはパルス光などスペクトル幅の広い光であってもよい。
【００４７】
光吸収性は、たとえば吸収率の範囲によって定義することができる。この場合、吸収率の範囲の下限はゼロよりも大きければよく、特に限定されない。また、吸収率の範囲の上限は１００％である。
【００４８】
本発明およびその実施の形態において、「分散」との用語は、微小物体が液体中に浮遊することを意味する。また、「単分散」との用語は、粒子径および形状の均一性が高いことを意味する。一例として、平均粒子径に対する標準偏差の比によって定義される変動係数(ＣＶ：Coefficient  of  Variation)が典型的には１５％以下であり、好ましくは１０％以下であり、より好ましくは５％以下であり得る。
【００４９】
［実施の形態１］
以下の実施の形態１では、微小物体の一つの例示的形態として、ポリスチレンからなる樹脂ビーズが採用される。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、たとえばアクリル、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。
【００５０】
＜集積装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る集積装置の概略的構成を示した図である。図１を参照して、集積装置１００は、基板１０と、光発熱用光源２０と、ダイクロイックミラー２１と、対物レンズ２２と、照明用光源３０と、撮影機器３１と、ＸＹＺ軸ステージ４０と、制御部５０とを備える。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。
【００５１】
基板１０はＸＹＺ軸ステージ４０上に配置されている。基板１０はサンプル１３を保持している。本実施の形態において、サンプル１３は、ビーズ１およびビーズ２（図３参照）のうちの少なくとも一方が分散された液体である。サンプル１３の詳細については後述する。
【００５２】
光発熱用光源２０は、たとえば近赤外（たとえば波長１０６４ｎｍ）のレーザ光２０１を発生させる。レーザ光２０１は連続光であることが好ましい。なお、光発熱用光源２０の具体的な構成はこれに限定されるものではない。後述する薄膜１２（図２参照）の材料の光吸収帯の光を発する各種光源を光発熱用光源２０として用いることができる。
【００５３】
ダイクロイックミラー２１は、近赤外光を反射する一方で、白色光を透過する。ダイクロイックミラー２１は、光発熱用光源２０からの近赤外のレーザ光２０１を反射して対物レンズ２２へと導く。
【００５４】
対物レンズ２２は、光発熱用光源２０からのレーザ光２０１を集光する。対物レンズ２２は、その焦点位置に、レーザ光２０１の光軸に垂直方向の断面の直径が最小となるレーザスポット（あるいはビームウエスト）を形成することができる。対物レンズ２２で集光された光は基板１０またはサンプル１３に照射される。ここで「照射する」とは、レーザ光２０１が基板１０またはサンプル１３を通過する場合を含む。すなわち、対物レンズ２２で集光された光のレーザスポットが基板１０内またはサンプル１３内に位置する場合に限定されない。
【００５５】
本実施の形態では、倍率の異なる２種類の対物レンズ２２が準備される。対物レンズの倍率は１０倍または１００倍である。なお、ダイクロイックミラー２１および対物レンズ２２は、たとえば倒立型顕微鏡本体（図示せず）に組み込まれる。
【００５６】
１００倍の対物レンズを用いた場合、対物レンズ２２通過後のレーザ光２０１の出力は、たとえば、光発熱用光源２０から出射されるレーザ光２０１の出力の約２０％である。本実施の形態では、レーザ光２０１の出力は０．５Ｗであり、対物レンズ２２および基板１０通過後のレーザ光２０１の出力は、薄膜１２なし、かつサンプル１３なしの場合、１００ｍＷであった。レーザスポットの直径は約１μｍであった。また、１０倍の対物レンズを用いた場合、対物レンズ２２および基板１０通過後のレーザ光２０１の出力は、光発熱用光源２０から出射されるレーザ光２０１の出力の約６０％である。レーザスポットの直径は約１０μｍであった。以下に説明する各実施の形態およびその変形例では、特に説明がない限り、対物レンズ２２および基板１０通過後のレーザ光２０１の出力は、薄膜１２なし、かつサンプル１３なしの状態で１００ｍＷに設定した。
【００５７】
照明用光源３０は、基板１０上のサンプル１３を照らすための光を発する。照明用光源３０は、たとえば白色光３０１を発する光源である。１つの実施例として、ハロゲンランプを照明用光源３０に用いることができる。
【００５８】
対物レンズ２２は、サンプル１３からの白色光３０１を取り込むためにも用いられる。対物レンズ２２を通過した白色光３０１は、ダイクロイックミラー２１を透過して撮影機器３１へと達する。
【００５９】
撮影機器３１は、サンプル１３におけるレーザ光２０１のレーザスポット近傍領域を撮影する。撮影機器３１は、たとえばイメージセンサを備えたビデオカメラによって実現される。撮影機器３１で撮影される画像は、動画であっても静止画であってもよい。
【００６０】
制御部５０は、光発熱用光源２０、照明用光源３０、および撮影機器３１を制御する。制御部５０は、たとえばマイクロコンピュータあるいはパーソナルコンピュータ等によって実現される。
【００６１】
なお、集積装置１００の光学系は、光発熱用のレーザ光２０１を基板１０に照射することが可能であるとともに、サンプル１３からの白色光３０１を撮影機器３１に取り込むことが可能であれば、ダイクロイックミラーを用いるものに限定されない。集積装置１００の光学系は、ダイクロイックミラーに加えてあるいは代えて、光ファイバ等の光学部品を含んでもよい。また、集積装置１００において、照明用光源３０および撮影機器３１は必須の構成要素ではない。
【００６２】
図２は、図１に示した集積装置１００の基板１０付近の構成の拡大斜視図である。図１および図２を参照して、基板１０は、カバーガラス１１と、カバーガラス１１上に形成された薄膜１２とを含む。
【００６３】
薄膜１２は、光発熱用光源２０からのレーザ光２０１を吸収して、光エネルギーを熱エネルギーに変換するために形成される。薄膜１２の材料は、レーザ光２０１の波長帯（本実施の形態では近赤外）に対する光吸収性（たとえば光熱変換効率）が高い材料であることが好ましい。また、薄膜１２の厚みは、レーザ光２０１の強度および薄膜１２の材料の光吸収性を考慮して、設計的あるいは実験的に決定することが好ましい。
【００６４】
本実施の形態では、厚みがナノメートルのオーダーの金薄膜が薄膜１２として形成される。金薄膜の表面の自由電子は表面プラズモンを形成し、レーザ光２０１によって振動する。これにより分極が生じる。その結果、金薄膜は熱を発生させる。この効果を「光発熱効果」という。
【００６５】
なお、本実施の形態ではレーザ光２０１として１０６４ｎｍの波長の光を用いて光発熱効果を発生させているが、金薄膜の表面プラズモン共鳴波長（空気中または水中では４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視光の波長域に存在する波長）に近い波長の光をレーザ光２０１として使用してもよい。これにより、同じレーザ出力でも、より多くの熱を発生させることができる。
【００６６】
薄膜１２は、蒸着、スパッタリング、または自己組織化などの公知の手法を用いて形成することができる。本実施の形態では、日立ハイテクノロジーズ株式会社製のイオンスパッタリング装置Ｅ−１０１０型を用いて薄膜１２を形成した。薄膜１２の厚みは１０ｎｍに設定した。
【００６７】
なお、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）、金属ナノ粒子集積構造体（たとえば金ナノ粒子また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、レーザ光２０１の波長帯の光吸収率が高い材料であってもよい。こ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）がある。
【００６８】
ＸＹＺ軸ステージ４０の位置を調整することによって、対物レンズ２２の焦点に対する基板１０の相対位置が調整される。対物レンズ２２の焦点の位置にレーザ光２０１のレーザスポットは形成される。レーザ光２０１のレーザスポットは、薄膜１２近傍に位置するように調整することが好ましい。
【００６９】
基板１０には、サンプル１３を保持する保持領域が形成される。図２に示す例では、カバーガラス１１全体に薄膜１２が形成されているが、薄膜１２のうちサンプル１３が保持されている領域（破線で示す）が保持領域１２１に相当する。なお、保持領域１２１のみに薄膜を形成してもよい。また、図２では示していないが、サンプル１３を滴下すべき位置を示す液滴ガイドを設けてもよい。液滴ガイドとしては、保持領域１２１の外周に沿う環状の段差を形成することができる。ただし、液滴ガイドのサイズおよび形状は、保持すべきサンプル１３の体積等に応じて適宜定められる。
【００７０】
サンプル１３は、ポリスチレンビーズが分散された液体である。液体（分散媒）の種類は特に限定されるものではないが、本実施の形態では水（具体的には超純水）である。本実施の形態では３種類のサンプルが準備される。なお、以下に説明する第１および第２のサンプルは、第３のサンプルの比較例として準備されるものである。液体の体積は、いずれも１０μＬである。
【００７１】
図３は、第１〜第３のサンプルに分散されるビーズを説明するための図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、ビーズ１，２の各々は疎水性の粒子である。ビーズ１，２の形状は略球形である。液体中に分散されたビーズ１，２の凝集を防止するため、すべてのビーズ１，２の表面は同符号に帯電（本実施の形態では負に帯電）している。
【００７２】
第１のサンプルは、ビーズ１のみの単分散性の液体である（図３（Ａ）参照）。ビーズ１の粒子径は１．０μｍである。ビーズ１の個数Ｎ１は４．６×１０６個である。
【００７３】
第２のサンプルは、ビーズ２のみの単分散性の液体である（図３（Ｂ）参照）。ビーズ２の粒子径は０．２μｍである。ビーズ２の個数Ｎ２は３．９×１０８個である。
【００７４】
第３のサンプルは、ビーズ１，２の両方を含む液体である（図３（Ｃ）参照）。ビーズ１の個数Ｎ１およびビーズ２の個数Ｎ２は、それぞれ、４．６×１０６個および３．９×１０８個である。すなわち、第３のサンプルにおけるビーズ１とビーズ２との個数比は、Ｎ１：Ｎ２＝１：８５である。なお、後述する第３’のサンプルおよび第３’’におけるビーズ１とビーズ２との個数比は、それぞれ、Ｎ１：Ｎ２＝１：４３および１：９である（図７参照）。
【００７５】
本実施の形態ではビーズ１として、Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ社製のＦｌｕｏｒｅｓｂｒｉｔｅ  Ｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ  Ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ（２．５％  Ｓｏｌｉｄｓ−Ｌａｔｅｘ），１．０μｍ  ＢＢを使用した。ビーズ２として、同社製のＦｌｕｏｒｅｓｂｒｉｔｅ  Ｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ  Ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ（２．５％  Ｓｏｌｉｄｓ−Ｌａｔｅｘ），０．２０μｍ  ＮＹＯを使用した。
【００７６】
＜集積方法＞
図４は、本発明の実施の形態１に係るビーズの集積方法を説明するためのフローチャートである。図１〜図４を参照して、ステップＳ１１において、ビーズが分散したサンプル１３（第１〜第３のサンプルのいずれか）を準備する。そして、サンプル１３が基板１０上に滴下される（ステップＳ１２）。なお、サンプル１３の滴下後、所定の時間（たとえば５〜１０分間程度）サンプル１３を静置してもよい。これは、サンプル１３中でのビーズの移動が少なくなる状態になるまで静置することにより、ビーズの集積条件を統一するためである。
【００７７】
制御部５０は、サンプル１３の撮影を開始するように撮影機器３１を制御する（ステップＳ１３）。また、制御部５０は、基板１０にレーザ光２０１を照射するように光発熱用光源２０を制御する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において、サンプル１３に温度差を生じさせるためのレーザ光２０１を対物レンズ２２によって集光し、集光された光を薄膜１２の保持領域１２１またはサンプル１３に導入する。これにより、サンプル１３中に分散しているビーズが集積される。ビーズが集積する様子およびそのメカニズムの詳細については後述する。
【００７８】
その後、サンプル１３の液体が気化される（ステップＳ１５）。これにより、基板１０上に形成されたビーズの集積体の取得が容易になる。液体を気化する手法は特に限定されない。たとえば、レーザ光２０１の照射を継続して、薄膜１２の発熱により液体を気化させてもよい。本実施の形態では、レーザ光２０１の照射を停止して、空気中で自然蒸発により液体がなくなるまでサンプル１３が放置される。すなわち、サンプル１３は自然乾燥される。
【００７９】
なお、ステップＳ１３，Ｓ１５の処理は、サンプル１３の観察あるいは集積体の取得のための処理であるので、ビーズの集積においては必須ではない。つまり、ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４の処理のみを含むフローチャートを実行した場合でもビーズを集積することができる。
【００８０】
＜ビーズの集積の様子および集積メカニズム＞
続いて、ビーズが集積する様子の一例について、撮影機器３１で撮影された写真を参照しながら説明する。ここではビーズ１，２の両方を含む第３のサンプルの写真を示す。
【００８１】
図５は、第３のサンプルにおける光照射開始後のレーザスポット近傍領域の時間変化を示す連続写真である。図５を参照して、各写真は、鉛直方向（ｚ方向）下方から上方に向かって第３のサンプルを撮影したものである。各写真に示す時刻（１ｓ，５ｓなど）は、光照射開始時を基準とした経過時間（単位：秒）を表す。対物レンズ２２の倍率は１００倍である。
【００８２】
レーザ光２０１の照射を開始すると、レーザスポットを中心にマイクロバブルＭＢが発生する。レーザ光２０１の照射を継続すると、マイクロバブルＭＢは時間の経過とともに成長する。ただし、図５に示す例においては光照射開始後２５秒程度が経過すると、マイクロバブルＭＢのサイズはほぼ飽和する。
【００８３】
写真は、レーザスポットを中心として、マイクロバブルＭＢの鉛直方向下方にビーズ１，２が集積する様子を表している。光照射開始後、数秒（たとえば１秒〜５秒）程度でビーズ１，２の集積を確認することができる。その後、時間が経過するに従って、ビーズ１，２の集積量が増加する。
【００８４】
図６は、第３のサンプルにおいてビーズ１，２の集積体が形成されるメカニズムを説明するための模式図である。図６を参照して、光照射開始前、ビーズ１，２はサンプル１３の液体中に分散している（図６（Ａ）参照）。
【００８５】
レーザ光２０１の照射を開始すると、薄膜１２がレーザ光２０１を吸収する。薄膜１２に吸収された光エネルギーは、光発熱効果により熱エネルギーに変換される（図６（Ｂ））。これにより、薄膜１２のうちレーザスポット近傍の領域が局所的に加熱される。この加熱領域の周囲の液体の温度が上昇すると、マイクロバブルＭＢが発生する（図６（Ｃ）参照）。マイクロバブルＭＢは薄膜１２の近傍で成長する。
【００８６】
液体の温度はレーザスポットに近いほど高くなる。言い換えると、レーザ光２０１の照射により液体中に温度差が生じる。これにより、液体内において対流が発生する。この際に発生する対流は熱対流である。対流の方向は、矢印ＡＲ１で示すように、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から離れる方向である（図６（Ｄ）参照）。
【００８７】
マイクロバブルＭＢと基板１０における薄膜１２との間には、対流の流速がゼロとなる淀み領域が生じる。対流によって移動したビーズ１，２は、まずマイクロバブルＭＢの表面に押し付けられる。ビーズ１，２の多くは、マイクロバブルＭＢと基板１０との間に形成されるリング状の淀み領域近傍に滞留する。すなわち、マイクロバブルＭＢは、光照射により制御可能な対流を堰き止める、マイクロメートルのオーダーの流体ストッパとして機能する。ここで、ビーズ２の方がビーズ１よりも小さいので、ビーズ２の方がマイクロバブルＭＢと基板１０との間の領域ＲＡに入り込み易い（図６（Ｅ）および図６（Ｆ）参照）。ビーズ２の一部は、マイクロバブルＭＢの鉛直方向直下の領域ＲＢにも入り込み得る。一方、ビーズ１は、領域ＲＡ，ＲＢには入り込みにくいので、ビーズ２よりもレーザスポットから離れた位置に集積し易い。
【００８８】
ビーズ１，２の集積が完了すると、レーザ光２０１の照射が停止される。これに続くサンプル１３の液体を気化させる過程において、マイクロバブルＭＢが薄膜１２から解離する。これに伴い、マイクロバブルＭＢの周囲に堆積されたビーズ１，２の一部は液体中に巻き上げられる（図６（Ｇ）参照）。そして、巻き上げられたビーズ１，２は、重力によって液体中を落下して基板１０上の薄膜１２の表面に集積する（図６（Ｈ）参照）。
【００８９】
＜ビーズの粒子径の集積体の構造への影響＞
次に、第１〜第３のサンプルの各々における集積体の構造を説明する。以下において、集積体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning  Electron  Microscope）写真およびレーザ顕微鏡による集積体の断面形状の測定結果を示す。なお、以下に示す結果は自然乾燥後のサンプル１３を測定したものである。
【００９０】
図７は、図８〜図１７で用いたビーズの集積条件を説明するための図である。図７（Ａ）を参照して、図８〜図１０は、それぞれ第１〜第３のサンプルについて、倍率が１００倍の対物レンズ２２（以下、単に「１００倍レンズ」とも記載する）を用いた場合のビーズの集積結果を示す図である。図１１〜図１３は、それぞれ第１〜第３のサンプルについて、倍率が１０倍の対物レンズ２２（以下、単に「１０倍レンズ」とも記載する）を用いた場合のビーズの集積結果を示す図である。図７（Ｂ）を参照して、図１４〜図１７は、第３’および第３’’のサンプルについて、ビーズ１とビーズ２との個数比（Ｎ１：Ｎ２）を変更した場合のビーズの集積結果を示す図である。
【００９１】
図８および図９は、それぞれ第１および第２のサンプルについて、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。図８（Ａ）および図９（Ａ）は、集積体のＳＥＭ写真である。図８（Ｂ）は、ＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線に沿う集積体の断面形状の測定結果を示す図である。図８（Ｂ）の横軸は、ＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線に沿う距離を表す。図８（Ｂ）の縦軸は、鉛直方向（ｚ方向）上向きの高さを表す。なお、図９（Ｂ）に示す測定結果についての説明は、図８（Ｂ）についてのものと同様である。
【００９２】
図８（Ａ）および図８（Ｂ）を参照して、第１のサンプルについて、ビーズ１からなる集積体の高さはレーザスポットの中心で最も高く、レーザスポットの中心から離れるに従って低くなる。このような形状はドーム形状と表現することができる。
【００９３】
図９（Ａ）および図９（Ｂ）を参照して、第２のサンプルについて、ビーズ２からなる集積体は、ビーズ１からなる集積体よりも高さおよび直径がいずれも小さい。しかし、ビーズ２からなる集積体は、その高さがレーザスポットの中心で最も高い点において、ビーズ１からなる集積体と共通する。
【００９４】
図１０は、第３のサンプルについて、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。図１０は、図８および図９と対比される。
【００９５】
図１０（Ｂ）を参照して、レーザスポットの中心での集積体の高さは、レーザスポットの周囲の集積体の高さよりも低い。このように、ビーズ１およびビーズ２の両方を含むサンプルでは、いわばリング形状の集積体が形成される。
【００９６】
さらに図１０（Ａ）を参照すると、左下の拡大図に示すように、集積体の中央部分は、主にビーズ２から構成されていることが分かる。この中央部分を取り囲むように、主にビーズ１から構成された構造が形成される。
【００９７】
以上のように、１種類のビーズのみを含むサンプル（第１のサンプル）と２種類のビーズを含むサンプル（第３のサンプル）とを比較すると、集積体の構造に差異が生じる。このような差異が生じる要因としては、マイクロバブルＭＢとその周囲の液体との気液界面に形成される集積構造（図６（Ｅ）および図６（Ｆ）参照）の構造安定性の違いが考えられる。
【００９８】
より詳細に説明すると、第１のサンプルについて、マイクロバブルＭＢの存在下では、マイクロバブルＭＢとその周囲の液体との気液界面に沿ってビーズ１が滞留することにより、ビーズ１からなる集積体はリング形状を有している。この集積体においては、ビーズ１によってある種の構造が形成されている。この構造は六方最密充填構造と考えられる。
【００９９】
マイクロバブルＭＢは、サンプル１３の液体を気化させる過程において消失する。そのため、ビーズ１からなる集積体は、気液界面を利用してリング形状を維持することはできなくなる。
【０１００】
それに加えて、液体が完全に気化する前にビーズ１間に毛管力が働く。毛管力は、親水性の微小物体同士の間あるいは疎水性の微小物体同士の間では引力として作用する一方で、親水性の微小物体と疎水性の微小物体との間では斥力として作用する。ビーズ１は疎水性であるため、毛管力は引力として作用してビーズ１を凝集させる。
【０１０１】
以上のように、サンプル１３の液体を気化させると、リング形状の維持に気液界面を利用できなくなるのとともに、ビーズ１同士を凝集させる方向に毛管力が作用する。これにより、第１のサンプルの場合、リング形状の中心方向に向かって集積体が崩れる。崩れたビーズ１がリング形状の中央部分に堆積する結果、集積体の形状がリング形状からドーム形状へと変化すると考えられる。
【０１０２】
これに対し、第３のサンプルの場合、第１のサンプルと同様に、ビーズ１によって六方最密充填構造が形成される。第３のサンプルはビーズ２を含むので、隣接するビーズ１間の隙間にビーズ２が入り込む。その結果、ビーズ１とビーズ２との間の粒子間距離は、ビーズ１のみからなる六方最密充填構造におけるビーズ１同士の粒子間距離よりも小さくなる。このように、粒子径が異なる２種類のビーズを含むことにより、高密度で高い構造安定性を有する集積構造が形成される。したがって、第３のサンプルの集積体では、マイクロバブルＭＢの消失後においてもリング形状を維持することができると考えられる。
【０１０３】
＜対物レンズの倍率の集積体の構造への影響＞
続いて、対物レンズ２２の倍率が集積体の構造に与える影響について説明する。具体的には、１０倍レンズを用いて形成された集積体と、１００倍レンズを用いて形成された集積体とが比較される。
【０１０４】
図１１〜図１３は、それぞれ第１〜第３のサンプルについて、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。図１１〜図１３に示す集積結果における集積条件は、対物レンズ２２の倍率以外は、図８〜図１０に示す集積結果における集積条件とそれぞれ同等である。
【０１０５】
図８および図１１を参照して、第１のサンプルにおける集積体の直径は、１００倍レンズの場合に４５μｍであるのに対し、１０倍レンズの場合には７５μｍである。同様に、図９および図１２を参照して、第２のサンプルにおける集積体の直径は、１００倍レンズの場合に３８μｍであるのに対し、１０倍レンズの場合には１００μｍである。図１０および図１３を参照して、第３のサンプルにおける集積体の直径は、１００倍レンズの場合に３５μｍであるのに対し、１０倍レンズの場合には７０μｍである。
【０１０６】
このように、１０倍レンズを用いて集積体を形成した場合の方が、１００倍レンズを用いて集積体を形成した場合よりも、集積体のサイズが大きい。つまり、倍率の異なる対物レンズを用いることにより、集積体のサイズを制御することができる。その理由を以下に説明する。
【０１０７】
１０倍レンズを用いてレーザ光２０１を集光する場合の方が、１００倍レンズを用いてレーザ光２０１を集光する場合よりも、大きなマイクロバブルＭＢが発生する。実測値の一例を挙げると、１００倍レンズを用いて光を集光した場合、第１〜第３のサンプルにおけるマイクロバブルＭＢの直径の最大値は、それぞれ、９３．８μｍ、９１．１μｍ、６１．０μｍである。一方、１０倍レンズを用いて光を集光した場合、第１〜第３のサンプルにおけるマイクロバブルＭＢの直径の最大値は、それぞれ、２１３μｍ、２０２μｍ、１７７μｍである。図６で説明したように、マイクロバブルＭＢとその周囲の液体との気液界面に集積体は形成される。したがって、マイクロバブルＭＢが大きいほど集積体は大きくなり得る。
【０１０８】
１０倍レンズを用いて集光する場合の方が１００倍レンズを用いて集光する場合よりもマイクロバブルＭＢが大きい理由としては、以下の３つの要因が考えられる。
【０１０９】
第１の要因としては、レーザスポットの面積が考えられる。１０倍レンズを用いて集光する場合の方が、１００倍レンズを用いて集光する場合よりも、レーザスポットの面積が大きい。つまり、光発熱効果が生じる領域の面積が大きいので、その領域に接する液体の体積も大きくなる。その結果、マイクロバブルＭＢが大きくなると考えられる。
【０１１０】
第２の要因としては、薄膜１２で吸収されるレーザ光２０１の割合（＝薄膜１２に吸収された光エネルギー／薄膜１２に照射された光エネルギー）が考えられる。薄膜１２の厚みに対するレーザ光２０１の強度（［Ｗ／ｍ２］、すなわち単位時間当たりのエネルギー密度［Ｊ／（ｍ２・ｓ）］）が相対的に高いと、レーザ光２０１の一部は薄膜１２で吸収されることなく透過してしまう可能性がある。これは、レーザ強度は、ある値以上になると、吸収飽和と呼ばれる非線形光学現象に起因して、物質が吸収できる光の許容値を超えてしまうためと考えられる。１０倍レンズを用いて集光する場合、レーザ光の出力が等しいとしても、１００倍レンズを用いて集光する場合よりもレーザスポットの面積が広くなるので、レーザスポットにおける光のエネルギー密度が低くなる。そのため、吸収飽和により薄膜１２を透過する光のエネルギーが減り、薄膜１２で吸収される光の割合が高くなる。したがって、１０倍レンズを用いて集光する場合の方が、より大きな光エネルギーが薄膜１２で吸収され、マイクロバブルＭＢの発生に寄与している可能性がある。
【０１１１】
第３の要因としては、薄膜１２の変性（剥離を含む）が考えられる。レーザ光２０１のエネルギー密度が高いと、レーザスポットの領域の薄膜が変性してしまうことがある。１０倍レンズを用いる場合の方が、１００倍レンズを用いる場合よりもレーザスポットにおけるエネルギー密度が低いので、薄膜１２の変性が生じにくい。
【０１１２】
なお、上述のように、薄膜１２の厚みは、レーザ光の強度および薄膜の材料の光吸収性に基づいて決定することが好ましい。薄膜１２が薄いほど、光発熱効果によって生じた熱が薄膜１２を伝導し易い。これにより、薄膜１２のうち温度が上昇した領域が広くなるので、その領域に接する液体の体積が大きくなる。その結果、より大きなマイクロバブルＭＢが発生し得る。その一方で、レーザ光２０１の強度に対して薄膜１２が薄過ぎると、レーザ光２０１の一部が薄膜１２により吸収されない。その結果、光発熱効果によって生じる熱エネルギーが小さくなる。このようなトレードオフの関係が存在するので、薄膜１２の厚みには最適値が存在する。
【０１１３】
本実施の形態では、薄膜１２の厚みは１０ｎｍに設定した。これは、３種類の膜厚（１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ）の薄膜を形成し、光照射下でマイクロバブルＭＢのサイズを測定した結果、膜厚が１０ｎｍの場合に形成されたマイクロバブルＭＢのサイズが最大であったためである。
【０１１４】
なお、同一倍率の対物レンズ２２でもサンプルによってマイクロバブルＭＢの直径は異なる。マイクロバブルＭＢの直径は、第３のサンプル、第２のサンプル、第１のサンプルの順に小さい。特に、第３のサンプルにおけるマイクロバブルＭＢの直径は、第１および第２のサンプルにおけるマイクロバブルＭＢの直径よりも小さい。これは、複数種類のビーズから形成された集積体（第３のサンプルにおける集積体）の方が、単一種類のビーズから形成された集積体（第１または第２のサンプルにおける集積体）よりも高い構造安定性を有するため、マイクロバブルＭＢの成長の妨げになり易いためと考えられる。このことは、ビーズを含まないサンプル（超純水）において発生するマイクロバブルＭＢの直径が最大であることからも分かる。
【０１１５】
＜ビーズの個数比の集積体の構造への影響＞
次に、ビーズ１とビーズ２との個数比が集積体の構造に与える影響について説明する。以下では、ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：４３の場合（第３’のサンプルの場合）に形成された集積体の構造と、Ｎ１：Ｎ２＝１：９の場合（第３’’のサンプルの場合）に形成された集積体の構造とが比較される。
【０１１６】
図１４は、ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：４３の場合について、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の３次元形状を示す図である。図１５は、ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：９の場合について、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の３次元形状を示す図である。図１４（Ａ）および図１５（Ａ）は、集積体のＳＥＭ写真を示す。図１４（Ｂ）および図１５（Ｂ）は、集積体の３次元形状の測定結果を示す。
【０１１７】
図１４および図１５を参照して、ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：４３の場合（図１４参照）の方が、Ｎ１：Ｎ２＝１：９の場合（図１５参照）と比べて、集積体の直径が小さい一方で集積体の高さが高い。
【０１１８】
図１６は、ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：４３の場合について、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の３次元形状を示す図である。図１７は、ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：９の場合について、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の３次元形状を示す図である。
【０１１９】
図１６および図１７を参照して、図１４および図１５と同様に、ビーズの個数比がＮ１：Ｎ２＝１：４３の場合（図１６参照）の方が、Ｎ１：Ｎ２＝１：９の場合（図１７参照）と比べて、集積体の直径が小さい一方で集積体の高さが高い。
【０１２０】
このように、ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：４３の場合の方が、Ｎ１：Ｎ２＝１：９の場合よりも集積体のリング形状がより顕著に確認される。このことは、ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：４３の場合の方が集積体の構造安定性が高く、サンプル１３の気化過程で集積体のリング形状が維持され易いことを示している。その理由について説明する。
【０１２１】
第３’および第３’’のサンプルでは上述のように、マイクロバブルＭＢが発生した際にビーズ１による六方最密充填構造が形成される。そして、ビーズ１間の隙間にビーズ２が入り込む。このとき、ビーズ２の総体積（各ビーズ２の体積×ビーズ２の個数Ｎ２）がビーズ１の総体積（各ビーズ１の体積×ビーズ１の個数Ｎ１）に近い方が、ビーズ１間の隙間に入り込むビーズ２の個数が大きくなる。これにより、集積体の構造安定性が高められる。
【０１２２】
図１４〜図１７に示す例においては、ビーズ１（直径：１．０μｍ）とビーズ２（直径：０．２μｍ）との直径比は５：１であるので、ビーズ１とビーズ２との体積比は１２５：１である。ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：４３の場合、総体積比は（１２５×１）：（１×４３）＝２．９：１となる。一方、個数比がＮ１：Ｎ２＝１：９の場合、総体積比は（１２５×１）：（１×９）＝１４：１となる。ビーズ１とビーズ２との個数比がＮ１：Ｎ２＝１：４３の場合の方が、Ｎ１：Ｎ２＝１：９の場合よりもビーズ２の総体積がビーズ１の総体積に近いので、より構造安定性の高い集積体が形成される。
【０１２３】
このように、本実施の形態によれば、微小物体が分散した状態の液体が準備される。この液体を保持する基板への光照射という非常に簡易な操作によって、迅速に微小物体を集積することができる。本実施の形態に示すサンプルでは、わずか数秒から数十秒程度の短時間で集積が可能である。
【０１２４】
微小物体は液体中に分散していればよいので、特許文献１のように微小物体を基板上に固定する処理が不要である。つまり、光照射前の下処理の工程が削減されるので、コストを低減することができる。
【０１２５】
なお、本実施の形態では、微小物体が液体中に分散している例について説明したが、本発明に係る「空間」は液体で満たされたものに限定されない。微小物体が気体中に分散している場合についても、光照射により気体中に温度差を生じさせて、それによる対流によって微小物体を集積することができる。
【０１２６】
［実施の形態１の変形例］
実施の形態１の変形例においては、蛍光ビーズによってレーザ光が吸収される。また、本変形例では、サンプルの液体とその周囲の気体との気液界面にレーザ光が照射される。
【０１２７】
図１８は、本発明の実施の形態１の変形例に係る集積装置の概略的構成を示した図である。図１８を参照して、集積装置１０１は、調整機構４１と、レーザ変位計４２とをさらに備える点において、図１に示した集積装置１００と異なる。また、基板１０には薄膜１２（図２参照）は形成されていない。
【０１２８】
図１８に示された構成では、対物レンズ２２の位置は固定されている。調整機構４１は、基板１０が搭載されたＸＹＺ軸ステージ４０のｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の位置を調整する。調整機構４１としては、たとえば顕微鏡に付属のサーボモータおよび焦準ハンドルなどの駆動機構を用いることができる。なお、調整機構４１の具体的な構成は特に限定されるものではない。また、調整機構４１は、固定された基板１０に対して、対物レンズ２２の位置を調整してもよい。
【０１２９】
レーザ変位計４２は、レーザ変位計４２と基板１０との間の鉛直方向の距離を測定するとともに、基板１０の水平方向の変位を測定する。レーザ変位計４２の測定結果を用いることにより、レーザ光２０１のレーザスポットの位置を調整することができる。たとえば、調整機構４１は、レーザ変位計４２の測定結果に基づいて、ＸＹＺ軸ステージ４０の位置を調整してもよい。ただし、レーザ変位計４２は必須の構成ではない。
【０１３０】
本変形例においては、レーザ光２０１に対して２光子吸収を示す蛍光ビーズを用いて形成される集積体の構造を比較する。本変形例で用いられるビーズは、実施の形態１で用いられるビーズ１，２と同じである。ビーズ１とビーズ２との個数比が異なる３種類のサンプル（第４〜第６のサンプル）が準備される。液体の体積は１０μＬである。
【０１３１】
ビーズ１は、ブライトブルーの蛍光色素（Ｆｌｕｏｒｅｓｂｒｉｔｅ社製ＢＢ）を内部に含む。ビーズ１の最大励起波長は３６５ｎｍである。
【０１３２】
ビーズ２は、イエローオレンジの蛍光色素（Ｆｌｕｏｒｅｓｂｒｉｔｅ社製ＮＹＯ）を内部に含む。ビーズ２の最大励起波長は５３０ｎｍである。上述のように、光発熱用光源２０の波長は１０６４ｎｍであるので、ビーズ２の最大励起波長の約２倍である。このため、ビーズ２では、レーザ光２０１によって２光子吸収過程が発生し得る。なお、本変形例では２光子吸収過程の例について説明するが、３光子以上の多光子吸収過程が発生する材料を用いてもよい。
【０１３３】
第４のサンプルにおけるビーズ１とビーズ２との個数比は、Ｎ１：Ｎ２＝０．６４×１０７：３．３×１０８＝１：５１である。第５のサンプルにおけるビーズ１とビーズ２との個数比は、Ｎ１：Ｎ２＝１．２×１０７：２．９×１０８＝１：２５である。第６のサンプルにおけるビーズ１とビーズ２との個数比は、Ｎ１：Ｎ２＝２．３×１０７：２．０×１０８＝１：９である。
【０１３４】
レーザ光２０１のレーザスポットが、サンプル１３の液体中にあり、かつ、液体の周囲の気体と液体との界面である気液界面の近傍に位置するように、対物レンズ２２と気液界面との間の距離が調整される。さらに、レーザ光２０１のレーザスポットが、液体中にあり、かつ気液界面の近傍に位置することがより好ましい。液滴の外周部分では液滴の厚みが小さいため分散媒の蒸発が早く、分散したビーズ１とビーズ２とはともに高濃度になる。２光子吸収過程の発生確率は光強度の２乗に比例するので、光強度が高い光をビーズ２が多数存在する高濃度の気液界面に導入することにより、２光子吸収過程の発生確率が高くなるためである。
【０１３５】
本変形例では、倍率が１００倍の対物レンズ２２を用いて、レーザ光２０１のレーザスポットの位置が水平方向（ｘ方向およびｙ方向）について気液界面から２８μｍとなるように調整した。また、高さ方向（ｚ方向）について、基板１０上でピントの合う位置からＸＹＺ軸ステージ４０を２μｍ下げて基板上面から１０μm以下の高さにビームウエストの位置を調節することにより、液滴中でのレーザスポットの位置を決めた。レーザ光２０１の出力は、実施の形態１における出力よりも高い２Ｗに設定した。対物レンズ２２および基板１０通過後のレーザ光２０１の出力は、サンプル１３なしの場合、約０．４Ｗであった。なお、レーザスポットの位置の調整は必須ではなく、レーザ光２０１がサンプル１３を通過すればよい。
【０１３６】
図１９は、第４〜第６のサンプルの気液界面における集積体の光学写真である。図１９（Ａ）〜（Ｃ）は、第４〜第６のサンプルの集積体をそれぞれ示す。画像上側の部分（Ａで表す）は気体である。画像下側の部分（Ｌで表す）は液体である。液体と気体との間の色の濃い部分（Ｉで表す）は気液界面である。
【０１３７】
図１９（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、図１９（Ａ）に示される集積体が最も大きく、図１９（Ｃ）に示される集積体が最も小さい。つまり、ビーズ２の個数が多いほど、あるいはビーズ１に対するビーズ２の個数比が高いほど、集積体が大きくなる。２光子吸収過程によりレーザ光２０１をビーズ２が吸収するので、ビーズ２の個数が多いほど（あるいはビーズ２の個数比が高いほど）、ビーズ２による光の吸収量が大きい。その結果、ビーズ２による発熱量が大きくなる。発熱量が大きいほど対流が生じ易いので、大きな集積体が形成されると考えられる。
【０１３８】
また、サンプル１３の液体中では、バルク（気液界面から離れた液体の中心付近の領域）から気液界面に近づくに従ってビーズ１，２の濃度が高くなる。そのため、気液界面に対物レンズ２２の焦点の位置を調整することによって、より大きな集積体を形成することができる。
【０１３９】
図２０は、第４のサンプルの集積体を拡大して示すＳＥＭ写真である。図２０を参照して、気液界面において液体が蒸発した箇所では、ビーズ１がビーズ２に埋もれている様子が示される。
【０１４０】
［実施の形態２］
実施の形態１に示した集積装置を用いて微小物体集積構造体の製造装置を実現することができる。実施の形態２では、樹脂ビーズからなる２元フォトニック構造を製造する例について説明する。微小物体集積構造体の製造装置の構成は、図１および図２に示した集積装置１００の構成と同等である。また、微小物体集積構造体の製造方法は、図４に示したフローチャートの処理と同等である。したがって、微小物体集積構造体の製造装置の構成および微小物体集積構造体の製造方法についての説明は繰り返さない。
【０１４１】
図１０（Ａ）に戻り、右上の拡大図に示されるように、第３のサンプルについて１００倍レンズを用いて集積体を形成すると、主にビーズ１が高密度に集積された構造の周囲に、ビーズ１が周期的に配置された構造が形成される。これは、ビーズ１とそのビーズ１に最も近い他のビーズ１との隙間がビーズ２で充填されることにより、ビーズ１が周期的に整列したものである。ビーズ１の構造の周期は数百ｎｍであり、可視光の波長と同程度である。このように、集積装置１００を用いて２元フォトニック構造の製造装置を実現することができる。なお、図１３（Ａ）の右上の拡大図に示されるように、１０倍レンズを用いて集積体を形成した場合についても、同様の２元フォトニック構造が形成されたことを確認することができる。
【０１４２】
このように、実施の形態２によれば、レーザ光が照射された箇所に２元フォトニック構造を製造することができる。フォトニック構造は、光の波長オーダーのサイズの誘電体が周期的に配列した構造体で、構成要素となる誘電体のサイズ、形状、屈折率、および周期を変えることで、特定の波長の光を強く反射したり、閉じ込めたりする性質を有する。２元フォトニック構造とは、サイズの異なる２種類の誘電体からなるフォトニック構造を意味する。本実施の形態では、図１３に示すように、凹レンズ型の２元フォトニック構造が作製される。このような凹レンズ型２元フォトニック構造の応用例として、波長選択性を有する凹レンズがある。波長選択性凹レンズは、たとえば光通信素子として使用することができる。
【０１４３】
さらに、薄膜の材料および厚み、液体の種類、対物レンズの倍率、レーザ光の強度等を調整することにより、マイクロバブルのサイズが変わるため、フォトニック構造のサイズを制御することができる。また、ビーズの種類（たとえば粒子径、形状等）を変更することにより、フォトニック構造の周期を制御することができる。これにより、様々な波長に対応して、フォトニック構造を製造することが可能である。
【０１４４】
［実施の形態２の変形例１］
実施の形態２では、樹脂ビーズからなる２元フォトニック構造が形成される例について説明した。実施の形態２にて説明した例では、光照射の停止後、液体が自然蒸発によりなくなるまでサンプルが乾燥（自然乾燥）される。これに対し、変形例１では、サンプルを真空乾燥させる例について説明する。変形例１，２に係る微小物体集積構造体の製造装置の構成は、図１および図２に示した集積装置１００の構成と同等である。また、微小物体集積構造体の製造方法は、図４に示したフローチャートの処理と同等である。したがって、微小物体集積構造体の製造装置の構成および微小物体集積構造体の製造方法についての説明は繰り返さない。
【０１４５】
図１〜図３を再び参照して、本変形例では、ビーズ１，２の両方を含むサンプル（第３のサンプル）が用いられる。ビーズ１とビーズ２との個数比は、Ｎ１：Ｎ２＝１：８５である（図７（Ａ）参照）。
【０１４６】
対物レンズ２２（１０倍レンズ）および基板１０通過後のレーザ光２０１の出力は、サンプル１３なしの場合、０．１Ｗであった。光照射の停止後にサンプル１３を図示しないデシケータ内に設置した。デシケータ内の圧力は０．０２ＭＰａ（＝１５２Ｔｏｒｒ）に設定した。真空乾燥を約４０分間行なった後、サンプル１３をデシケータから取り出した。
【０１４７】
図２１は、第３のサンプルを真空乾燥させた場合に形成された集積体のＳＥＭ写真である。図２２は、図２１に示した集積体の３次元形状および断面形状を示す図である。図２２（Ａ）は、集積体の３次元形状の測定結果を示す。図２２（Ｂ）は、図２１のＸＸＩＩＢ―ＸＸＩＩＢ線に沿う集積体の断面形状の測定結果を示す。
【０１４８】
図２１および図２２を参照して、サンプル１３を真空乾燥させる場合も、サンプル１３を自然乾燥させる場合（図１３参照）と同様に、リング形状の集積体が形成される。この集積体では、ビーズ１とそのビーズ１に最も近い他のビーズ１との隙間がビーズ２で充填されることにより、ビーズ１が周期的に整列している。ビーズ１の構造の周期は、可視光の波長と同程度（数百ｎｍ）である。よって、２元フォトニック構造が形成されたことが確認される。さらに、断面形状の測定結果より、この集積体が単層構造を有することが分かる。
【０１４９】
図２３は、第３のサンプルについて、光照射なしで自然乾燥させた場合の消衰スペクトルと、光照射後に真空乾燥させた場合の消衰スペクトルとを示す図である。図２３および後述する図２９において、横軸は波長を表し、縦軸は消衰度を表す。曲線Ｐ３は、自然乾燥後の消衰スペクトルを表す。曲線Ｑ３は、真空乾燥後の消衰スペクトルを表す。
【０１５０】
図２３を参照して、自然乾燥後の消衰スペクトル、および真空乾燥後の消衰スペクトルは、いずれも青色〜緑色の波長域にピークを有する。そのため、自然乾燥後のサンプル１３および真空乾燥後のサンプル１３の各々は構造色を示す。これは、フォトニック構造に依存した特定波長の光のみが反射されるためである。これによっても図２１および図２２に示した集積体がフォトニック構造を有することが確認される。
【０１５１】
第３のサンプルを自然乾燥させる場合、集積体の直径は約７０μｍであり、集積体の高さは約１０μｍである（図１３（Ｂ）参照）。これに対し、第３のサンプルを真空乾燥させた場合、集積体の直径は約１００μｍであり、集積体の高さは約２μｍである。つまり、サンプル１３を真空乾燥させる場合の方が、サンプル１３を自然乾燥させる場合と比べて、集積体の直径が大きくなるとともに集積体の高さが低くなる。その結果、集積体が単層構造を有するに至る。このメカニズムについて説明する。
【０１５２】
図２４は、光照射後に自然乾燥させた場合のメカニズムと、光照射後に真空乾燥させた場合のメカニズムとを比較するための模式図である。図２４（Ａ）に示すように、サンプル１３を自然乾燥する場合、光照射の停止後にマイクロバブルＭＢの直径はあまり変化しない。
【０１５３】
一方、図２４（Ｂ）に示すように、サンプル１３を真空乾燥する場合、マイクロバブルＭＢの直径は、真空乾燥の開始前の直径よりも大きくなる。これは、真空乾燥により、サンプル１３の周囲の圧力が大気圧（すなわち真空乾燥の開始前の圧力）よりも減圧されるためである。
【０１５４】
このことは、たとえば以下のようにして確認することができる。レーザ光２０１をサンプル１３に１分間照射した。このサンプル１３をデシケータ内に設置した。デシケータ内にて真空乾燥させた時間（乾燥時間）が比較的短い場合、サンプル１３内の液体の全てが蒸発するには至らず、液体内にマクロバブルＭＢを観察することができる。したがって、光学顕微鏡を用いてサンプル１３の画像を取得することにより、乾燥時間の長さに応じたマイクロバブルＭＢの直径を測定することが可能である。
【０１５５】
図２５は、マイクロバブルＭＢの直径の測定結果を示す図である。図２５において、横軸はサンプル１３の乾燥時間を表す。縦軸は、光照射停止時のマイクロバブルＭＢの直径を基準とした直径の増加量を表す。
【０１５６】
図２４および図２５を参照して、第３のサンプルの場合、実施の形態１にて説明したように、レーザ光２０１の照射中におけるマイクロバブルＭＢの直径の最大値は６１．０μｍであった。これに対し、真空乾燥中のマイクロバブルＭＢの直径は約１５０μｍ〜２００μｍであった。このように、真空乾燥によりマイクロバブルＭＢの直径が大きくなることが確認される。
【０１５７】
上述したように、レーザ光２０１の照射中には、ビーズ１，２がマイクロバブルＭＢと基板１０との間の領域に集積することにより、リング形状の集積体が形成される。この集積体は、真空乾燥によりマイクロバブルＭＢの直径が大きくなるに従って、リング形状の動径方向に向かって崩れる。これにより、集積体の高さが低くなる。その結果、集積体が単層構造を有するに至ると考えられる。
【０１５８】
また、図２５に示す例では、乾燥開始時刻から約６分間、マイクロバブルＭＢの直径が時間の経過とともに大きくなることが分かる。したがって、乾燥時間を変更することにより、フォトニック構造のサイズ（直径）および高さを制御することができる。
【０１５９】
［実施の形態２の変形例２］
実施の形態２およびその変形例１では、レーザ光の照射位置およびその周辺に集積体が形成されると説明した。しかし、基板上にサンプルの液滴を滴下する場合、液滴の縁の領域においても集積体を形成することが可能である。変形例２では、第１〜第３のサンプル（図７（Ａ）参照）を用いた場合において、液滴の縁に集積体を形成する構成について説明する。
【０１６０】
図２６〜図２８は、それぞれ第１〜第３のサンプルの液滴の縁の領域に形成された集積体のＳＥＭ写真である。以下では、各サンプルを自然乾燥させた例を示すが、真空乾燥させてもよい。
【０１６１】
図２６および図２７を参照して、第１のサンプルでは、液体の縁においてもビーズ１からなる集積体が観察される。第２のサンプルにおいても第１のサンプルと同様に、ビーズ２からなる集積体が観察される。ビーズ１からなる集積体、およびビーズ２からなる集積体は、いずれも六方最密充填構造を有する。
【０１６２】
図２８を参照して、第３のサンプルでは、ビーズ１とそのビーズ１に最も近い他のビーズ１との隙間がビーズ２で充填されることにより、ビーズ１が周期的に配置された構造が形成される。ビーズ１の構造の周期は可視光の波長と同程度である。したがって、第３のサンプルを用いた場合に液体の縁に形成される集積体も２元フォトニック構造を有することが分かる。
【０１６３】
図２９は、第１〜第３のサンプルの消衰スペクトルを示す図である。曲線Ｐ１〜Ｐ３は、第１〜第３のサンプルの消衰スペクトルをそれぞれ表す。図２９を参照して、自然乾燥後の液滴の縁の領域に形成される集積体がフォトニック構造を有することが確認される。
【０１６４】
このように、ビーズ１，２の両方を含むサンプル（第３のサンプル等）にレーザ光２０１を照射した場合、レーザスポット近傍領域にフォトニック構造が形成される（図１３（Ａ）等参照）。それに加えて、サンプルを自然乾燥（あるいは、ここでは示さないが真空乾燥）させることにより、サンプルの液滴の縁の領域においてもフォトニック構造を形成することができる。
【０１６５】
［実施の形態３］
微小物体は生体由来のものであってもよい。実施の形態３においては、生体由来の微小物体の１つの例示的形態として、細菌が集積される。具体的には、ロッド形状の細菌である緑膿菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）が集積される。なお、実施の形態３に係る集積装置の構成は、図１および図２に示す集積装置１００の構成と同等であるため、説明は繰り返さない。
【０１６６】
実施の形態３では、実施の形態１におけるビーズ１に代えて、細菌３（緑膿菌）が用いられる。本実施の形態で使用した緑膿菌の幅は０．５９９±０．０９μｍであった。緑膿菌の長さは１．７２±０．３６μｍであった。緑膿菌とビーズ１（直径：１．０μｍ）との体積比は、（０．５９９×０．５９９×１．７２）：（１．０×１．０×１．０）＝０．６１７：１と見積もられる。つまり、緑膿菌はビーズ１と同程度のサイズを有する。
【０１６７】
第７のサンプルとして、細菌３とビーズ２（直径：０．２μｍ）とが分散されたサンプル１３が準備される。細菌３の個数Ｎ３は１．２×１０６個である。ビーズ２の個数Ｎ２は１．０×１０８個である。すなわち、細菌３とビーズ２との個数比は、Ｎ３：Ｎ２＝１：８２である。液体の体積は１０μＬである。
【０１６８】
図３０は、第７のサンプルにおける光照射開始後のレーザスポット近傍領域の時間変化を示す連続写真である。図３０は、ビーズ１，２を含む第３のサンプル（図５参照）と対比される。第３のサンプルの場合と同様に、レーザスポット近傍に細菌３が集積する様子が示される。なお、対物レンズ２２の倍率は１００倍である。
【０１６９】
ここで、光照射開始から４１秒後にレーザ光２０１の照射を停止すると、４１秒から４５秒にかけて細菌３（円で示す）がマイクロバブルＭＢから離れていく様子が示される。
【０１７０】
図３１は、第３のサンプルと第７のサンプルとの間で、光照射停止後の変化を比較するための連続写真である。図３１を参照して、各写真に示された時刻（０ｓ，２ｓなど）は、レーザ光２０１の照射停止後の経過時間（単位：秒）を表す。
【０１７１】
図３１（Ａ）は、ビーズ１，２を含む第３のサンプルの様子を表す。薄膜１２への光照射終了後でもビーズ１の位置はほとんど変化しない。注目した特定のビーズ１を円で示すと、そのビーズ１はブラウン運動によって不規則に運動するのみである。図３１（Ａ）に示す６秒間でのビーズ１の移動距離は数μｍ程度である。
【０１７２】
これに対し、図３１（Ｂ）は、緑膿菌およびビーズ２を含む第７のサンプルの様子を表す。薄膜１２への光照射停止後、マイクロバブルＭＢから離れる方向に細菌３の集団が拡散する様子が示される。注目した特定の細菌３を円で示すと、その細菌３がマイクロバブルＭＢから離れる方向に素早く移動する様子が示される。図３１（Ｂ）に示す６秒間での細菌３の移動距離は数十μｍ程度である。このような細菌３の迅速な集団拡散は、集積された細菌３のうちの少なくとも一部は生存状態であることを示す証拠である。
【０１７３】
図３２は、第７のサンプルについて、１００倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。図３３は、第７のサンプルについて、１０倍レンズを用いて形成された集積体のＳＥＭ写真および集積体の断面形状の測定結果を示す図である。図３２および図３３は、図１０および図１３とそれぞれ対比される。
【０１７４】
図３２および図３３を参照して、細菌３およびビーズ２を集積する場合にも、ビーズ１およびビーズ２を集積する場合と同様に、リング形状の集積体が形成されることが確認される。また、図３２および図３３の拡大図において破線で示すように、細菌３は、ロッド形状の長軸方向が基板１０の主面（ｘ方向およびｙ方向に平行な面）に平行となる状態で集積されていることが分かる。
【０１７５】
緑膿菌は、院内感染等の原因となり得る、人間にとって有害な細菌である。しかしながら、人間にとって有用な細菌についても同様の方法による集積が可能である。
【０１７６】
たとえば、二酸化炭素をメタノールなどの有用物質に変換する超低栄養性細菌（Ｒｈｏｄｏｃｏｃｃｕｓ  ｅｒｙｔｈｒｏｐｏｌｉｓ）を集積することができる。上述のように、超低栄養性細菌は、生きたままの状態で、かつロッド形状の長軸方向が基板１０の主面に平行となる状態で集積される。これにより、超低栄養性細菌のロッド形状の長軸方向が基板１０の主面に垂直となる状態で集積される場合と比べて、細菌の集団の表面積（基板１０の主面に平行な面の面積）が大きくなる。したがって、基板１０上に二酸化炭素を流通させた際に、高効率に二酸化炭素を固定化することができる。
【０１７７】
［実施の形態４］
実施の形態３で説明した集積装置を使用して、人間に有害な微生物を除去することが可能である。
【０１７８】
図３４は、本発明の実施の形態４に係る微生物の集積除去装置の概略的構成を示す図である。図３４を参照して、微生物の集積除去装置２００は、捕集部２１０と、除去部２２０とを備える。
【０１７９】
捕集部２１０は、空気中を浮遊する微生物を捕集する。除去部２２０は、捕集部２１０によって捕集された微生物を光照射により集積するともに除去する。除去部２２０の構成は、図１に示す集積装置１００の構成と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。
【０１８０】
図３５は、図３４に示した捕集部２１０の構成の一例を示す図である。図３４および図３５を参照して、図示しないモータによりファン２１１を回転させると、捕集部２１０の吸引口２１２から一定量の空気が吸引される。この空気とともに、空気中を浮遊する微生物４が吸引されて、捕集部２１０内に設置された基板１０２に吹き付けられる。基板１０２には、サンプル１３の液体が保持されている。これにより、空気中を浮遊する微生物４がサンプル１３の液体中に捕集される。なお、微生物４の捕集方法は上記の手法に限定されるものではなく、公知の各種手法を採用することができる。
【０１８１】
基板１０２は、サンプル１３の液体中に微生物４が捕集されると、除去部２２０のＸＹＺ軸ステージ４０上の所定の位置に設置される。除去部２２０は、レーザ光２０１を基板１０２に照射する。レーザスポット近傍の液体は、高温になっている。より具体的には、液体（本実施の形態では水）内にアルブミンを分散させると、アルブミンが光照射により凝固することが確認される。アルブミンの凝固温度は７５〜７８℃であるため、レーザスポット近傍の液体の一部は約８０℃以上となっていることが分かる。このように、光照射により微生物４を気泡表面の近傍に集積しつつ、レーザスポット近傍における高温処理による微生物の除去効果を得ることができる。
【０１８２】
［実施の形態５］
環境汚染粒子であるＰＭ２．５は、人体に吸引されると肺の奥まで侵入し得るので、呼吸系および循環器系への影響が懸念される。ＰＭ２．５の拡散状況を把握するために、大気中のＰＭ２．５の質量濃度（単位：μｇ／ｍ３）を簡易かつ迅速に測定する技術が求められている。実施の形態５では、実施の形態１の集積装置を用いてＰＭ２．５を検出する検出装置について説明する。
【０１８３】
空気中にはＰＭ２．５だけでなく、粒子径の異なるＰＭ（たとえばＰＭ１０）が含まれ得る。そのため、一般的なＰＭ２．５の検出装置は、粒子径の異なるＰＭからＰＭ２．５を分離するために分粒器を備える。たとえばサイクロン方式の分粒器を備えた検出装置では、空気の吸引口を装置の設置面から数メートル程度の高さに設置することが必要である。このため、設置場所の確保が難しい場合がある。
【０１８４】
これに対し、本実施の形態に示す検出装置では、光照射によりＰＭ１０とＰＭ２．５とを互いに分離された状態で集積することができる。これにより、分粒器を設けなくてもＰＭ２．５の質量濃度の算出が可能になる。したがって、検出装置を小型化することができる。
【０１８５】
図３６は、本発明の実施の形態５に係る検出装置の概略的構成を示した図である。図３６を参照して、検出装置３００は、エアサンプラ３１０と、検出部３２０とを備える。
【０１８６】
エアサンプラ３１０は、吸引口３１１と、フィルタ３１２と、流量計３１３と、ポンプ３１４とを含む。ポンプ３１４を作動させると、吸引口３１１から空気が吸引される。流量計３１３は、吸引された空気量を測定する。吸引口３１１からポンプ３１４への流路にはフィルタ３１２が設けられている。フィルタ３１２は、吸引された空気中に含まれるＰＭを捕集する。フィルタ３１２で捕集されたＰＭは、検出部３２０の基板１０３上の液体中に分散される。なお、検出部３２０の構成は、図１に示した集積装置１００の構成と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。
【０１８７】
図３７は、図３６に示した検出装置３００の基板１０３付近の構成の拡大斜視図である。図３７を参照して、基板１０３では、その表面上にマイクロ流路１４が形成されている。基板１０３としては、たとえば、住友ベークライト株式会社製のＳ−ＢＩＯ  ＳＵＭＩＬＯＮ  ＢＳ−２１１０２を使用することができる。マイクロ流路１４の少なくとも一部には薄膜１２が形成されている。対物レンズ２２で集光されたレーザ光２０１は、マイクロ流路１４に形成された薄膜１２に照射される。
【０１８８】
図３８は、本発明の実施の形態５に係るＰＭ２．５の検出方法を説明するためのフローチャートである。図３６〜図３８を参照して、ステップＳ３１において、エアサンプラ３１０は、たとえば数リットル（１Ｌ〜１０Ｌ）程度の空気を吸引する。これにより、吸引された空気中に含まれるＰＭがフィルタ３１２で捕集される。フィルタ３１２で捕集されたＰＭは、フィルタ３１２から分離され、液体中に分散される（ステップＳ３２）。フィルタ３１２からＰＭを分離する手法としては、公知の各種抽出方法を用いてもよいし、フィルタ３１２を振動させてＰＭを振るい落としてもよい。
【０１８９】
ステップＳ３３において、ＰＭが分散している分散液がマイクロ流路１４に流通される。マイクロ流路１４に形成された薄膜１２にレーザ光２０１を照射すると、光発熱効果によりマイクロバブルＭＢが発生する。これによりＰＭの集積体が形成される（ステップＳ３４）。
【０１９０】
なお、マイクロ流路１４の幅がレーザスポットのサイズ（直径）に比べて大きいと、液体中に分散しているＰＭがレーザスポットを通過せずにマイクロ流路１４を流通してしまう可能性がある。そのため、マイクロ流路１４の幅とレーザスポットの直径との大小関係は、マイクロ流路１４の幅がレーザスポットのサイズよりも小さくなるように決定することが好ましい。これにより、レーザスポットを通過せずにマイクロ流路１４を流通するＰＭが少なくなるので、ＰＭを高効率に集積することができる。
【０１９１】
次に、制御部５０は、ＰＭの集積体を撮影するように撮影機器３１を制御する（ステップＳ３５）。撮影機器３１により撮影された画像は、演算部６０に出力される。演算部６０は、たとえばマイクロコンピュータ等で構成される。演算部６０は、撮影機器３１で撮影された画像の処理結果に基づいて、大気中のＰＭの質量濃度を演算する（ステップＳ３６）。なお、撮影機器３１による撮影時にはレーザ光２０１の照射を継続していてもよいし、レーザ光２０１の照射停止後に撮影してもよい。
【０１９２】
演算部６０におけるＰＭの質量濃度の演算例を説明する。たとえば図１０に示す画像では、レーザスポット近傍の中央部分にサイズの小さなビーズ２（直径：０．２μｍ）が主に集積され、その周囲にサイズの大きなビーズ１（直径：１．０μｍ）が主に集積される。光照射によりＰＭが集積する場合にも、ビーズの場合と同様に、レーザスポットの中央部分にＰＭ２．５の領域が形成され、その中央部分を取り囲むようにＰＭ１０の領域が形成される。このようにＰＭ２．５とＰＭ１０とが分離した集積体の画像に対して画像処理を実行することにより、ＰＭ２．５の領域を特定する。たとえば、ＰＭ２．５の領域とＰＭ１０の領域との明度の違いに基づいて、これらの領域間の境界を抽出することができる。
【０１９３】
ＰＭ２．５の集積量が大きいほど、照明用の白色光３０１の透過光が減少して画像の色が濃くなる。演算部６０のメモリ（図示せず）には、画像の明度とＰＭ２．５の個数との間の対応関係が予め保持されている。したがって、ＰＭ２．５の領域を分割した各微小領域について、その領域における画像の明度に基づいて、その領域に含まれるＰＭ２．５の個数を算出することができる。各微小領域のＰＭ２．５の個数を積分することにより、領域全体のＰＭ２．５の総数が算出される。ＰＭ２．５の平均質量は既知であるので、ＰＭ２．５の総数に平均質量を乗算することにより、ＰＭ２．５の総質量（単位：μｇ）が求まる。そして、ＰＭ２．５の総質量を、吸引された空気量（単位：ｍ３）で除算することにより、ＰＭ２．５の質量濃度（単位：μｇ／ｍ３）を算出することができる。
【０１９４】
このように、本実施の形態によれば、液体中に分散したＰＭを光照射により集積する。この集積体においては、ＰＭ２．５とＰＭ１０とが分離されている。そのため、サイクロン方式の分粒器を用いてＰＭ２．５を分離しなくて済むので、検出装置の大幅な小型化を実現することができる。また、分粒器によりＰＭ２．５を分離する時間が不要になるので、検出時間を短縮することができる。
【０１９５】
［実施の形態６］
実施の形態６においては、被分離物質を分離する分離装置に集積装置が適用される。ここでは分離装置の一つの例示的形態として、フローサイトメータについて説明する。本実施の形態における微小物体は細胞である。
【０１９６】
図３９は、本発明の実施の形態６に係るフローサイトメータの概略的構成を示した図である。図３９を参照して、フローサイトメータ４００は、フローセル４１０と、シース液導入部４１１と、サンプル導入部４１２と、対物レンズ４２２と、光源４３０と、分光器４３１と、セルソータ４４０と、制御部４５０とを備える。
【０１９７】
光源４３０は、たとえば赤色（たとえば波長６３５ｎｍ）のレーザ光２０１を発生させる。光源４３０は、光発熱用の光源と、分光用の光源とを兼ねるものである。すなわち、光源４３０は、本発明に係る「光源」および「分光用光源」の両方に相当する。ただし、フローサイトメータは、光発熱用の光源と分光用の光源とを別に備えてもよい。
【０１９８】
シース液導入部４１１は、シース液をフローセル４１０に導入する。シース液の流れは、所定の流速に保たれた層流が形成されるように制御されている。サンプル導入部４１２は、細胞１Ａ，１Ｂ，１Ｃが分散されたサンプル液をフローセル４１０に導入する。ここでは細胞１Ｃを被分離物質とする。
【０１９９】
フローセル４１０の流路には対物レンズ４２２が配置されている。対物レンズ４２２は、光源４３０からのレーザ光２０１を集光する。フローセル４１０の流路の側面の一部には、薄膜１２が形成されている。対物レンズ４２２によって集光された光は、薄膜１２およびサンプル液に照射される。照射された光は、サンプル液内の細胞を集積するとともに、破線で示すように透過光または散乱光として分光器４３１に入射する。
【０２００】
フローセル４１０の出口端には、被分離物質を分離するためのセルソータ４４０が設けられている。セルソータ４４０は、フローセル４１０の出口端から滴下される液滴を帯電させる。制御部４５０は、シース液導入部４１１、サンプル導入部４１２、光源４３０、分光器４３１、およびセルソータ４４０を制御する。
【０２０１】
図４０は、本発明の実施の形態６に係る被分離物質である細胞の分離方法を説明するためのフローチャートである。図３９および図４０を参照して、まず、細胞１Ａ，１Ｂ，１Ｃが準備される（ステップＳ４１）。そして、細胞１Ａ，１Ｂ，１Ｃはサンプル液中に分散される（ステップＳ４２）。サンプル液内の細胞１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、層流が形成されたフローセル４１０の中を順次流通される（ステップＳ４３）。
【０２０２】
対物レンズ４２２で集光されたレーザ光２０１が薄膜１２およびフローセル４１０の流路を流れるサンプル液に導入されると、サンプル液内の細胞（細胞１Ａ，１Ｂ，１Ｃのいずれか１種類の細胞）が集積して、細胞の集積体が形成される（ステップＳ４４）。
【０２０３】
分光器４３１は、集積体からの透過光または散乱光を分光して、その分光結果を制御部４５０内の解析部４６０に出力する（ステップＳ４５）。解析部４６０のメモリ（図示せず）には、細胞１Ａ，１Ｂ，１Ｃの各々についての分光データ（スペクトル）が予め保持されている。解析部４６０は、各集積体について、分光器４３１からの分光結果をメモリに保持された分光データと比較することにより、その集積体が被分離物質（細胞１Ｃ）からなるものか否かを解析する。
【０２０４】
集積体が被分離物質からなるとの解析結果が得られた場合、制御部４５０は、その集積体を含む液滴の落下時に、電場を液滴に印加するようにセルソータ４４０を制御する。これにより液滴の落下方向が変わり、その液滴は容器４４２に落下する。したがって、細胞１Ｃからなる集積体は、容器４４２へと振り分けられる。
【０２０５】
一方、集積体が被分離物質からなるものではないとの解析結果が得られた場合には、制御部４５０は、その集積体を含む液滴には電場を印加しないようにセルソータ４４０を制御する。これにより、その液滴は容器４４３に自由落下するので、細胞１Ａまたは細胞１Ｂからなる集積体は、容器４４３に集められる（ステップＳ４６）。
【０２０６】
このように、実施の形態１に係る集積装置をフローサイトメータに適用すると、光照射によってフローセルを流通する細胞を集積することができる。細胞が集積され、分光対象が大きくなることにより、分光結果の解析精度が向上する。したがって、被分離物質の分離精度を向上させることができる。
【０２０７】
［実施の形態７］
実施の形態１〜６では、カバーガラス１１上に形成された薄膜１２（金薄膜）の光発熱効果を用いて液体が加熱されると説明した（図２参照）。しかし、液体の加熱手法はこれに限定されるものではない。実施の形態７においては、液体中に分散する金属ナノ粒子による光発熱効果によって液体が加熱される。
【０２０８】
本実施の形態では、金属ナノ粒子として金ナノ粒子が採用される。金ナノ粒子の平均粒子径は、サブナノメートルオーダー〜ナノメートルオーダー（約２ｎｍ〜１０００ｎｍ）であり、たとえば２ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは、２ｎｍ〜１００ｎｍ、より好ましくは、５ｎｍ〜５０ｎｍであり得る。本実施の形態において、金ナノ粒子の粒子径は３０ｎｍである。
【０２０９】
なお、光発熱効果により液体を加熱するための粒子（光熱変換粒子）は金ナノ粒子に限定されない。他の金属ナノ粒子の例としては、銀ナノ粒子および銅ナノ粒子が挙げられる。また、光熱変換粒子は、金属ナノ粒子に限定されるものはなく、たとえばカーボンブラックであってもよい。
【０２１０】
実施の形態１では、対流に乗って移動したビーズ１，２が、マイクロバブルＭＢにより生じた淀み領域近傍に滞留すると説明した。実施の形態７では、以下に詳細に説明するように、複数のビーズ１がレーザ光２０１の光誘起力により捕捉される。捕捉されたビーズ１によって淀み領域が生じる。
【０２１１】
＜ビーズおよび金ナノ粒子の光トラップ＞
レーザ光２０１の光誘起力を用いた光トラップについて説明する。本発明およびその実施の形態において、「光誘起力」とは、散逸力、勾配力および物質間光誘起力の総称として用いられる。散逸力とは、光散乱あるいは光吸収といった散逸的過程において、光の運動量が物質に与えられることによって発生する力である。勾配力は、光誘起分極が生じた物質が不均一な電磁場の中に置かれた場合に、電磁気学的なポテンシャルの安定点に物質を移動させる力である。物質間光誘起力とは、光励起された複数の物質中の誘起分極から生じる縦電場による力と横電場（輻射場）による力との和である。
【０２１２】
図４１は、複数のビーズ１が捕捉されるメカニズムを説明するための模式図である。図４２は、ビーズ１の２粒子モデルを説明するための図である。図４１および図４２を参照して、複数のビーズ１は液体中に分散される。
【０２１３】
複数のビーズ１の各々はレーザ光２０１を受ける。レーザ光２０１の偏光方向はｙ方向である。すなわち、レーザ光２０１の偏光方向は、ビーズ１の中心を結ぶ軸Ａｘと略平行な方向である。この場合、ビーズ１の各々には、レーザ光２０１の偏光方向に平行な方向に沿って電気分極が生じる。これにより、各ビーズ１は、電磁気学的なポテンシャルの安定点であるレーザ光２０１のレーザスポットの近傍に捕捉される。また、すべてのビーズ１中の電気分極の向きは同一である。このため、図４２に示されるように、近接するビーズ１の間には引力が生じる。
【０２１４】
ビーズ１は球状であるので、応答光電場は、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式の積分形として表現できる。応答電場Ｅｉは以下の式（１）に従って表わされる。
【０２１５】
【数１】
2018129512.tif 000003
【０２１６】
ｉ，ｊは球状セルの粒子番号である。Ｖｊ＝Ｖは球状セルの体積である。Ｍ，Ｌは自己相互作用に関連する量である。個々のビーズの内部での感受率および電場分布は平坦であるとする。誘起分極Ｐｉは以下の式（２）に従って表わされる。
【０２１７】
【数２】
2018129512.tif 000004
【０２１８】
感受率χにはＤｒｕｄｅモデルが適用される。感受率χは以下の式（３）に従って表わされる。
【０２１９】
【数３】
2018129512.tif 000005
【０２２０】
χｂは背景の感受率を表わし、ωｐはプラズマエネルギーを表わし、γは非輻射緩和定数を示し、ｖｆはフェルミ面上における電子速度を示す。ａは球状セルの半径を示す。非輻射緩和定数γは光で励起された電子から光以外の状態（たとえばフォノンを介して熱に変換された状態）への緩和を示す値である。
【０２２１】
一方、光誘起力は、以下の式（４）によって一般的に表わされる（T.Iida  and  H.Ishihara,Phys.Rev.B77,245319(2008)）。
【０２２２】
【数４】
2018129512.tif 000006
【０２２３】
上記式（２）および式（３）に従ってそれぞれ表わされる誘起分極Ｐｉおよび応答電場Ｅｉが式（４）に代入される。これにより、光誘起力は以下の式（５）に従って表わされる。
【０２２４】
【数５】
2018129512.tif 000007
【０２２５】
Ｅ(0)は入射光の電場を表し、ＧはＧｒｅｅｎ関数を表わす。式（５）の右辺の第１項は入射光による散逸力と勾配力との和を表わし、第２項は物質間光誘起力を表わす。入射光による勾配力は光強度勾配∇|Ｅ(0)|2に比例するため、入射光を強く集光することで勾配力が散逸力を上回る状況を作ることができ、光トラップが可能となる。一方、物質間光誘起力は光強度に比例する。したがって、入射光の光強度勾配および光強度を制御することで、勾配力および物質間光誘起力を調整することができる。
【０２２６】
図４３は、本発明の実施の形態７に係る集積装置の概略的構成を示した図である。図４３を参照して、集積装置５００は、基板１０に代えて基板１０５を備える点において、図１に示す集積装置１００と異なる。光発熱用光源２０から発せられたレーザ光２０１の出力は０．１Ｗであった。対物レンズ２２通過後のレーザ光２０１の出力は０．０１９Ｗであった。１００倍レンズを対物レンズ２２として用いた。それ以外の構成は、集積装置１００の対応する構成と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。また、集積方法は、図４に示したフローチャートの処理と同等である。
【０２２７】
図４４は、図４３に示した集積装置５００の基板１０５付近の構成の拡大斜視図である。図４４を参照して、基板１０５は、カバーガラス１１上に薄膜１２（金薄膜）が形成されていない点において、図２に示す基板１０と異なる。
【０２２８】
基板１０５はサンプル１３５を保持する。サンプル１３５は、ビーズ１と、金ナノ粒子５とが分散された液体である。液体（分散媒）の種類は特に限定されるものではないが、本実施の形態では水（超純水）である。本実施の形態では、サンプル１３５として４種類のサンプル（第８〜第１１のサンプル）が準備される。液体の体積は、いずれも１０μＬである。レーザ光は、液滴の縁近傍の領域に照射される。
【０２２９】
図４５は、図４６〜図４９にて用いたサンプル１３５を説明するための図である。図４５を参照して、第８〜第１１のサンプルにおいて、ビーズ１の濃度は共通であり、１．１４×１０９（個／ｍＬ）であった。一方、金ナノ粒子５の濃度（以下、単に「金ナノ粒子濃度」とも記載する）は、第８〜第１１のサンプルの順に低くなる。
【０２３０】
＜ビーズの集積の様子および集積メカニズム＞
図４６は、第８のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍領域の時間変化を示す連続写真である。図４３および図４６を参照して、レーザ光２０１の照射開始時刻を０秒とし、撮影機器３１を用いて撮影された気液界面の様子が示される。煩雑になるのを防ぐため光照射開始前の写真にのみ示すが、各写真の上側の色の濃い部分（Ｌで表す）は液体である。各写真の下側の色の薄い部分（Ａで表す）は気体である。液体と気体との間の白い部分（Ｉで表す）は気液界面である。
【０２３１】
レーザスポットは、液体の気液界面近傍（たとえば気液界面から数μｍ以内）において、基板１０５表面よりも１０μｍだけ鉛直方向（ｚ方向）上方に調整される（図４３参照）。光照射開始から１１０秒が経過した時点で光照射は停止された。
【０２３２】
図４６に示す例においては、光照射開始時刻から６秒経過後にはレーザスポットを中心に集積体６の形成が明確に観察される。光照射をさらに継続すると、時間の経過に伴い、集積体６が成長する様子が観察される。ただし、光照射開始後４０秒程度が経過すると、集積体６の成長速度が緩やかになる。なお、各写真の下側において、気液界面よりも気体側に観察される色の濃い円形部分はバブルである。
【０２３３】
図４７は、光照射停止後に自然乾燥させた第１０のサンプルにおいて形成された集積体６の光学写真である。図４８は、図４７に示す領域Ｒ１（レーザスポットの近傍領域）のＳＥＭ写真である。図４７および図４８を参照して、レーザスポット近傍において、ビーズ１が集積して六方最密充填構造を形成されることが分かる。さらに、ビーズ１の隙間に金ナノ粒子５が堆積していることが観察される。
【０２３４】
図４９は、実施の形態７において集積体６が形成されるメカニズムを説明するための模式図である。図４９（Ａ）はレーザ光２０１のレーザスポット近傍の様子を示し、図４９（Ｂ）は液体全体の様子を示す。
【０２３５】
図４９（Ａ）を参照して、レーザ光２０１の照射により、レーザスポットの位置にビーズ１が捕捉される。捕捉されたビーズ１がいわば「核」となり、集積体６が成長する。
【０２３６】
集積体６が成長する要因として、ビーズ１が疎水性の粒子であることが考えられる。疎水性の粒子では、水中にて粒子同士が接触している状態の方が、粒子同士が水中に分散している状態と比べて、水と接する表面積が小さいため安定である。したがって、集積体６に一旦接触したビーズ１は集積体６から離れにくいので、集積体６が成長しやすくなる。
【０２３７】
粒子径が小さいほど光誘起力に用いて粒子を捕捉しにくい。ビーズ１の粒子径が１．０μｍであるのに対し、金ナノ粒子５の粒子径は３０ｎｍである。そのため、金ナノ粒子５は、ビーズ１と比べて捕捉しにくい。しかし、本実施の形態によれば、捕捉されたビーズ１からなる集積体６の隙間に金ナノ粒子５が入り込む。これにより、金ナノ粒子５を安定的に捕捉することができる。
【０２３８】
このようにして捕捉された金ナノ粒子５が光発熱効果により熱を発生させることによって、レーザスポットおよびその周辺の液体が加熱される。集積体６による光発熱効果について、より詳細に説明する。複数の金ナノ粒子５の各々の表面の自由電子がレーザ光２０１により振動することによって分極が生じる。複数の金ナノ粒子５はレーザ光２０１の波長（１０６４ｎｍ）以下のスケールまで互いに近接しているので、局在表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルのピーク波長がシフトする。そのため、たとえ単一の金ナノ粒子５の局在表面プラズモンに対しては非共鳴の波長域のレーザ光２０１であっても高効率に吸収できるようになる。その結果、レーザ光２０１の強い吸収が生じるので、集積体６において高効率に熱を発生させることができる。集積体６が高効率にレーザ光２０１を熱に変換することによって周囲の液体が局所的に加熱される。これにより、液体内に温度差（あるいは温度勾配）が作り出さるので、その温度差に起因して、集積体６に向かう方向に対流が起こる。
【０２３９】
図４９（Ｂ）を参照して、対流の方向は、矢印ＡＲ２，ＡＲ３にて示すように、一旦集積体６に向かい、その後、集積体６から離れる方向である。このため、集積体６近傍において対流の淀み領域が生じる。ビーズ１および金ナノ粒子５が対流に乗って淀み領域に向けて移動することにより、集積体６の成長が促進される。このように、体積の大部分をビーズ１が占める集積体６は、光照射により制御可能な対流を堰き止める、マイクロメートルのオーダーの流体ストッパとしても機能する。
【０２４０】
本実施の形態では、気液界面近傍にレーザ光２０１が照射される。レーザスポットよりもバルク側の領域と、レーザスポットよりも気液界面側の領域とでは、液滴の表面形状に由来する空間的な非対称性のため、液体の温度が不均一になり易い。よって、対流が起こり易い。
【０２４１】
さらに、気液界面近傍が加熱されるので、バルクが加熱される場合と比べて、気液界面から液体が蒸発し易い（矢印ＡＲ４参照）。液滴から液体が蒸発するのに伴い、液滴中の液体は流動する。この流動効果によってもビーズ１および金ナノ粒子５が集積体６に向けて移動する。
【０２４２】
＜金ナノ粒子濃度の集積体の構造への影響＞
図５０は、第１０のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍の時間変化を示す連続写真である。図５０を参照して、第１０のサンプルにおいては、第８のサンプルの場合（図４６参照）と同様に、光照射開始後、時間の経過に伴い集積体６の成長する様子が観察される。各時刻における第１０のサンプルの集積体６のサイズ（以下、単に「集積体サイズ」と記載する）は、第８のサンプルの集積体サイズよりも小さいことが分かる。
【０２４３】
図５１は、光照射開始後の集積体サイズの時間変化を第８〜第１０のサンプル間で比較するための図である。図１０において、横軸は、光照射開始後の経過時間（照射時間）を表す。縦軸は集積体サイズを表す。曲線Ｌ８〜Ｌ１０は、第８〜第１０のサンプルにおける集積体サイズの時間変化をそれぞれ示す。なお、集積体サイズは、連続写真（図４６および図５０参照）における集積体６の外接円（図示せず）の直径から算出される。
【０２４４】
図５１を参照して、集積体６が時間の経過とともに成長して大きくなることが確認される。また、金ナノ粒子濃度が高いほど、集積体６がより短時間で大きくなることが分かる。
【０２４５】
図４６に示したように、第８のサンプルでは、対流の発生が光照射開始直後に観察される。図示しないが、第９のサンプルにおいても同様である。これは、第８および第９のサンプルでは、レーザスポットに形成された集積体６内の金ナノ粒子５の集積量が光照射開始直後であってもある程度大きいので、対流を起こすのに十分な発熱が生じるためと考えられる。
【０２４６】
これに対し、第１０のサンプルでは、光照射開始直後には対流はほとんど観察されず、光照射開始から約４０秒経過後に対流が大きくなる様子が観察される。これは、第１０のサンプルの金ナノ粒子濃度が第８および第９のサンプルの金ナノ粒子濃度よりも低いので、光照射開始直後では、集積体６内の金ナノ粒子５からの発熱量が相対的に小さいためと考えられる。光照射を継続すると、時間の経過とともに金ナノ粒子５の集積量が大きくなる。金ナノ粒子５の集積量がある値に達した場合に、十分な発熱量が得られるようになり、対流が発生する。
【０２４７】
また、集積体６がある程度の大きさ（図５１に示す例では約１２μｍ）になると、集積体６の形成初期と比べて、集積体６の成長が遅くなることが分かる。これは、以下の２つの理由によるものと考えられる。
【０２４８】
第１に、光照射を続けると系が熱平衡状態に近付くため、集積体６の温度は、集積体６の周囲の分散媒の温度と近くなる。このため、液体内での温度差が相対的に小さくなるので対流が起こりにくくなる。その結果、集積体６のサイズはある程度のところで飽和する。
【０２４９】
第２に、液体内の金ナノ粒子５の量が多いほど単位時間当たりの発熱量は大きいので、集積体６が迅速に成長する。第８〜第１０のいずれのサンプルにおいても、液体内には十分な量の金ナノ粒子５が含まれているので、集積体６の成長は遅くなりにくい。しかしながら、第１０のサンプルでは、第８および第９のサンプルと比べて金ナノ粒子５の量が少ないので、集積体６の形成に時間を要するとともに、集積体６のサイズは小さなまま飽和する。
【０２５０】
なお、本実施の形態においては、レーザ光２０１が気液界面近傍（液滴の縁の領域）に照射される。金ナノ粒子５は、光照射を開始する前においても気液界面近傍に集まり易い。このことについて、光照射前の第８および第１１のサンプルの消衰スペクトルの測定結果に基づいて以下に説明する。第８および第１１のサンプルではビーズ１の濃度は共通である。一方、第１１のサンプルの金ナノ粒子濃度は、第８のサンプルの金ナノ粒子濃度の１０分の１である（図４５参照）。
【０２５１】
図５２は、第８および第１１のサンプルについて、光照射開始前の気液界面近傍における消衰スペクトルを示す図である。図５２（Ａ）は第８のサンプルの消衰スペクトルを示し、図５２（Ｂ）は第１１のサンプルの消衰スペクトルを示す。横軸は波長を表し、縦軸は消衰度を表す。
【０２５２】
図５２（Ａ）および図５２（Ｂ）を参照して、第８のサンプルでは５３０ｎｍ付近にピークが測定される一方で、第１１のサンプルではそのようなピークは測定されない。このことから、金ナノ粒子濃度が比較的高い場合には、光照射開始前であっても金ナノ粒子５が気液界面近傍に高密度に存在していることが分かる。よって、レーザ光２０１を気液界面近傍に照射する場合、レーザ光２０１をバルクに照射する場合と比べて、ビーズ１からなる集積体６の隙間に入り込む金ナノ粒子５の量が大きくなる。これにより、金ナノ粒子５からの発熱量が大きくなるので、より短時間で液体内に温度差を生じさせて対流を発生させることができる。
【０２５３】
以上のように、実施の形態７によれば、金ナノ粒子５の光発熱効果を利用してビーズ１および金ナノ粒子５を集積することができる。また、本実施の形態では、蒸着またはスパッタリングによってカバーガラス１１上に薄膜１２を形成しなくて済むので、より簡易な集積方法を実現することができる。
【０２５４】
なお、本実施の形態においては、金ナノ粒子５およびビーズ１のうちのいずれか一方が本発明に係る「第１の粒子」に対応し、他方が本発明に係る「第２の粒子」に対応する。また、金ナノ粒子５が本発明に係る「光熱変換粒子」に対応する。金ナノ粒子５とビーズ１とでは、たとえば、機械的特性（サイズ、形状、密度など）、光学的特性（共鳴吸収波長など）、熱的特性（比熱、熱伝導率、熱膨張率、耐熱性など）、および水に対する親和度（親水性または疎水性の程度）が互いに異なる。
【０２５５】
なお、本実施の形態では、光熱変換粒子としての金属ナノ粒子と、光熱変換粒子の粒子径よりも大きい粒子径を有する樹脂ビーズとを含むサンプルを用いる例について説明した。しかし、光熱変換粒子の粒子径と樹脂ビーズの粒子径との大小関係は逆であってもよい。一例として、光熱変換粒子としてのカーボン系粒子または有機粒子（たとえば直径数１００ｎｍ程度の粒子）と、光熱変換粒子の粒子径よりも小さい粒子径を有する樹脂ビーズ（たとえば直径数１０ｎｍのポリスチレンビーズ）とを含むサンプルを準備してもよい。なお、光熱変換粒子の方が相対的に大きい場合、光熱変換粒子は、光を強く反射しない粒子であることが好ましい。
【０２５６】
このようなサンプルにレーザ光を照射すると、相対的にサイズの大きな光熱変換粒子がレーザスポットの位置に光トラップされるとともに、光熱変換粒子の光発熱効果により対流が起こる。樹脂ビーズは、光トラップされた光熱変換粒子に向けて対流により移動して、光熱変換粒子の隙間に捕捉される。このように、光熱変換粒子は、光発熱効果を起こす熱源として機能するとともに、ナノメートルからマイクロメートルのオーダーの流体ストッパとしても機能する。
【０２５７】
また、本発明に係る「第１および第２の粒子」として、たとえば粒子径が異なる２種類の金属ナノ粒子の組合せ、あるいは、金属ナノ粒子とカーボン系粒子（カーボンブラック等）との組合せを採用してもよい。この場合には両方の粒子が本発明に係る「光熱変換粒子」に対応する。
【０２５８】
さらに、光熱変換粒子（光吸収性の微小物体）以外の粒子のサンプル内での含有量および濃度が等しい場合、光熱変換粒子の含有量に応じて、最終的に形成される集積体のサイズが異なる。したがって、光熱変換粒子以外の粒子の含有量および濃度を予め決定した状態で同一条件の光照射を一定時間行なうことにより、集積体のサイズから光熱変換粒子の含有量を推定（あるいは光熱変換粒子の含有の有無を検出）することができる。
【０２５９】
［実施の形態７の変形例］
実施の形態７では、直径１．０μｍのビーズ１と、金ナノ粒子５とを含むサンプルが用いられる例について説明した。実施の形態７の変形例においては、直径０．２μｍのビーズ２と、金ナノ粒子５とを含むサンプル（第１２のサンプル）が採用される。
【０２６０】
ビーズ２の濃度は１．４２×１０１１（個／ｍＬ）であった。金ナノ粒子濃度は、３．１９×１０１１（個／ｍＬ）であった。なお、変形例で用いられる集積装置は、集積装置５００（図４３参照）と同等であるため、説明は繰り返さない。光発熱用光源２０から発せられたレーザ光２０１の出力は０．８Ｗであった。対物レンズ２２通過後のレーザ光２０１の出力は０．１６Ｗであった。１００倍レンズを対物レンズ２２として用いた。
【０２６１】
図５３は、第１２のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍の時間変化を示す連続写真である。図５３を参照して、光照射により、レーザスポットから物質が湧き出すように生成される様子が観察される。この物質は、光照射に起因する発熱によってビーズ２が溶けたものである。
【０２６２】
図５４は、光照射後に自然乾燥させた第１２のサンプルにおいて形成された集積体６の光学写真である。図５５は、第１２のサンプルのレーザスポットの領域（図５３に示す領域Ｒ２）のＳＥＭ写真である。図５６は、第１２のサンプルのレーザスポットから離れた領域（図５３に示す領域Ｒ３）のＳＥＭ写真である。レーザ光の照射時間は１１０秒間であった。
【０２６３】
図５５を参照して、レーザスポットの領域Ｒ２では、複数のビーズ２のうちの一部が溶けて一体化しているとことが観察される。ビーズ２として用いたポリスチレンビーズの融点は２４０℃であるため、光照射時には集積体６の温度が２４０℃よりも高くなることが分かる。なお、金ナノ粒子５の融点は１０００℃以上であるため、金ナノ粒子５は溶けていないと考えられる。
【０２６４】
図５６を参照して、レーザスポットから離れた領域Ｒ３では、ビーズ２によって六方最密充填構造が形成される。さらに、右側の拡大図に示されるように、隣接するビーズ２間の隙間に金ナノ粒子５が入り込んでいることが分かる。
【０２６５】
以上のように、本変形例によれば、金ナノ粒子５の発熱に起因する対流によりビーズ２が集積されるとともに、集積されたビーズ２が高温になり溶ける。このような集積手法によれば、たとえば微小な型（いわゆる金型）を準備して、その型の内部にビーズ２を集積することにより、ビーズ２を型の形状に成型することができる。つまり、微小な成形加工を実現することができる。
【０２６６】
［実施の形態８］
細胞は、その周囲に存在する物質を細胞表面で分子認識して選択的に結合したり、細胞の周囲に存在する物質を細胞内に取り込んだりする作用（取込作用）を生じることが知られている。実施の形態８では、樹脂ビーズに代えて、細胞と、細胞の取込作用により細胞内に導入可能な物質（被導入物質）とが適用される。取込作用の例としては、細胞によるエンドサイトーシス等の飲食作用、膜チャネルタンパク質（細胞膜を貫通するチャネルタンパク質）を経由したイオン等の通過作用、または、細胞膜の直接的な通過作用が挙げられる。
【０２６７】
図５７は、細胞７のエンドサイトーシスによるペプチド８の導入を説明するための概念図である。図５７を参照して、細胞７表面の糖鎖（図示せず）と、細胞７の周囲に存在するペプチドの型とが対応する場合、そのペプチドはエンドサイトーシスによって細胞内に取り込まれる。一般に、液体中のペプチド８の濃度（以下、単に「ペプチド濃度」とも記載する）が均一の場合、エンドサイトーシスを起こすには１０μＭ以上のペプチド濃度が必要とされる。ペプチド濃度が高くなるに従って、細胞７へのペプチド８の導入量が大きくなる。光照射により細胞７およびペプチド８を集積すると、細胞７の周囲のペプチド濃度が局所的に高くなる。これにより、エンドサイトーシスによる細胞７内へのペプチド８の導入を促進することができる。
【０２６８】
なお、実施の形態８に係るペプチドの導入装置の構成は、基板１０に代えて基板１０６を備える点において、図１に示す集積装置１００と異なる。ペプチドの導入装置のそれ以外の構成は、集積装置１００の対応する構成と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。
【０２６９】
図５８は、基板１０６付近の構成の拡大斜視図である。図５９は、基板１０６の上面図である。
【０２７０】
図５８および図５９を参照して、基板１０６としては、たとえばガラスボトムディッシュを用いることができる。基板１０６の底面には、スパッタリングにより形成された金薄膜に代えて、金ナノ粒子５の自己組織化により膜（以下、「自己組織化膜」ともいう）１２２が形成されている。なお、自己組織化膜１２２の形成手法としては、公知の手法を採用することができる。本実施の形態では、具体的には以下の手順で自己組織化膜を形成した。濃度６．３８×１０１１（個／ｍＬ）の金ナノ粒子５の分散液を準備した。この分散液１５μＬを基板１０６の底面に滴下した後、分散液を真空乾燥させた。
【０２７１】
１０倍レンズを対物レンズ２２として用いた。レーザ光２０１は、金ナノ粒子５の自己組織化膜１２２に照射される。自己組織化膜１２２は疎密を有する。本実施の形態では、自己組織化膜１２２のうち金ナノ粒子５が高密度になっている箇所にレーザスポットの位置を調整した。光発熱用光源２０から発せられたレーザ光２０１の出力は０．１Ｗであった。対物レンズ２２通過後のレーザ光２０１の出力は０．０６８Ｗであった。レーザスポットの直径は約１０μｍであった。
【０２７２】
基板１０６はサンプル１３６を保持する。サンプル１３６は、細胞７およびペプチド８を含む。本実施の形態では、細胞７として、ヒト子宮頸ガン由来の細胞であるヒーラ（ＨｅＬａ）細胞が用いられる。
【０２７３】
サンプル１３６を準備する手法を説明する。細胞７培養時の培地としてα−ＭＥＭ（＋）を用いた。α−ＭＥＭ（＋）とは、α−ＭＥＭ（−）にウシ胎児血清（１０％  ＦＢＳ：Fetal  Bovine  Serum）（Ｌｉｆｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製Ｇｉｂｃｏ）を添加したものである。
【０２７４】
一般に、ヒーラ細胞の培養においては、培地中を浮遊した状態（浮遊状態）のヒーラ細胞が培養ディッシュ（図示せず）に移された後、培養ディッシュの底面に付着した状態（付着状態）で培養される。そのため、細胞７の多くを再び浮遊状態にしてから基板１０６にて光照射を行なうためには、細胞７を培養ディッシュから剥離して回収する必要がある。多くの場合、全ての細胞７が培養ディッシュから剥離されるとは限らず、浮遊状態の細胞（以下、「浮遊細胞」ともいう）と付着状態の細胞（以下、「付着細胞」ともいう）とが混在した状態になる。本実施の形態では、まず、培養ディッシュ内の細胞７をダルベッコリン酸緩衝生理食塩水（Ｄ−ＰＢＳ）（ナカライテスク社製）により洗浄した。
【０２７５】
さらに、トリプシン溶液（０．５ｇ／Ｌのトリプシンと、０．５３ｍＭのＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）との混合溶液）を培養ディッシュに添加した。その後、３７℃に設定されたインキュベータ内に培養ディッシュを５分間静置することにより、培養ディッシュの底面からヒーラ細胞を剥離させた。
【０２７６】
次に、抗生物質を含む溶液（ペニシリン−ストレプトマイシン溶液）（シグマアルドリッチ社製）をα−ＭＥＭ（＋）により５０倍希釈した溶液を用いて、培養ディッシュ内の細胞７を回収した。なお、抗生物質はコンタミネーション防止のために添加される。
【０２７７】
このようにして培養ディッシュから回収された細胞７を含む培地を基板１０６に滴下した。サンプル１３６には約５万個の細胞７が含まれる。この数値は血球計算盤を用いて細胞数を計測することにより求められる。基板１０６を３７℃のインキュベータ内に一晩静置することにより、細胞７を培養した。
【０２７８】
その後、光照射に先立って培地をα−ＭＥＭ（＋）からα−ＭＥＭ（−）に交換した。ペプチドα−ＭＥＭ（＋）を用いると、その中に含まれるウシ胎児血清が細胞７内へのペプチド８の導入を阻害するためである。さらに、培地にペプチド８を添加した。
【０２７９】
図６０は、実施の形態８にて用いられるペプチド８を示す図である。図６０を参照して、ペプチド８はオクタアルギニンペプチドである。アルギニンペプチドは、主としてエンドサイトーシス（より詳細にはマクロピノサイトーシス（ｍａｃｒｏｐｉｎｏｃｙｔｏｓｉｓ））により細胞内に導入されることが知られている。
【０２８０】
ペプチド８のＣ末端にはシステイン残基（Ｃｙｓで示す）が結合している。さらに、システイン側鎖に蛍光色素が結合している。蛍光色素としては、Ａｌｅｘａ４８８  Ｃ５−ｍａｌｅｉｍｉｄｅ（Ｌｉｆｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を用いた。この蛍光色素の励起波長は４８８ｎｍであり、最大蛍光波長は５１９ｎｍである。ただし、ペプチド８に蛍光色素が結合されていることは、後述する蛍光測定（図６３および図６４参照）のためであって必須ではない。
【０２８１】
本実施の形態では、サンプル１３６として、第１３のサンプルが準備される。第１３のサンプルのペプチド濃度は１μＭであって、一般的にエンドサイトーシスが起こり易いペプチド濃度（１０μＭ以上）よりも低い。
【０２８２】
図６１は、本発明の実施の形態８に係るペプチド８の導入方法を説明するためのフローチャートである。図６１を参照して、ペプチドの導入方法は、細胞７およびペプチド８をサンプル１３６内に分散させるステップＳ１１に先立って、金ナノ粒子５の自己組織化膜を形成するステップＳ１０をさらに備える。一方、ペプチドの導入方法は、サンプル１３６を乾燥するステップＳ１５を備えなくてよい。それ以外の処理は、図４に示したフローチャートの対応する処理と同等である。
【０２８３】
図６２は、実施の形態８におけるペプチド８の集積メカニズムを説明するための模式図である。本実施の形態では、金薄膜に代えて自己組織化膜が用いられる点、ならびに、ビーズ１，２に代えて細胞７およびペプチド８がそれぞれ用いられる点において、実施の形態１と異なる。本実施の形態における集積メカニズムは、実施の形態１にて説明したメカニズム（図６参照）と基本的に同等である。
【０２８４】
図６２を参照して、レーザ光２０１が金ナノ粒子５の自己組織化膜に照射されると、金ナノ粒子５の光発熱効果により、自己組織化膜の周囲の液体（培地）が局所的に加熱される。これにより、培地が気化したり、培地中に溶解している気体（空気など）が熱膨張したりすることによって、マイクロバブルＭＢが発生する。さらに、加熱により培地内に温度差が生じるため、対流（矢印ＡＲ６で示す）が発生する。細胞７のうち浮遊細胞、およびペプチド８が対流によってマイクロバブルＭＢに向けて運ばれるため、レーザスポット近傍ではペプチド８が相対的に高濃度になる。その結果、レーザスポット近傍の細胞７内へのエンドサイトーシスを促進することができる。
【０２８５】
上述のように、ペプチド８の各々には蛍光色素が結合されている。したがって、蛍光色素から発せられる蛍光を測定することにより、サンプル１３６内のペプチドの分布を測定することができる。本実施の形態では、共焦点レーザ顕微鏡を用いて各サンプルの透過像および蛍光像を取得した。
【０２８６】
図６３は、第１３のサンプルの光照射後における共焦点顕微鏡写真である。図６３（Ａ）は透過像を示し、図６３（Ｂ）は蛍光像を示す。
【０２８７】
図６３（Ａ）の透過像に示すように、各細胞７は略楕円球形状を有する。生存状態の細胞では核と細胞質との境界が明確でないのに対し、死滅状態の細胞では核収縮が明確に観察されるので、生存状態の細胞と死滅状態の細胞とを区別することができる。図６２（Ａ）より、光照射後においてもほとんどの細胞７が生存状態であることが分かる。
【０２８８】
次に図６３（Ｂ）を参照して、図中、明るく示された領域は、蛍光色素から発せられた蛍光によるものである。細胞７の内部からの蛍光が観察される。そのため、ペプチド８がエンドサイトーシスによって細胞７内に導入されたことが分かる。より詳細には、細胞７内の細胞質および核において蛍光が観察される。このため、ペプチド８は、エンドサイトーシスの過程でリソソームと融合する前にエンドソームから抜け出して、細胞質および核に到達したものと考えられる。
【０２８９】
また、細胞７の蛍光はレーザスポットに近いほど明るい。これにより、レーザスポットに近いほどペプチド８が高密度に集積されていることが分かる。なお、レーザスポットの位置が最も明るいことから、ペプチド８の集積量はレーザスポットの位置で最大と考えられる。
【０２９０】
このように、本実施の形態によれば、一般にはエンドサイトーシスが起こりにくい低いペプチド濃度（１０μＭ未満）であっても、エンドサイトーシスを積極的に起こすことができる。図示しないが、ペプチド濃度が５０ｎＭの場合にもエンドサイトーシスが効率的に起こることが確認される。これは、図６２にて説明したように、光照射により生じた対流によってレーザスポット近傍領域にペプチド８が集積される結果、細胞７の周囲のペプチド濃度が局所的に１０μＭよりも高くなるためと考えられる。
【０２９１】
なお、上述のように、細胞７のうちの一部は基板１０６の底面に付着しており、残りは培地中を浮遊している（図６２参照）。細胞７とレーザスポットとの間の距離が等しい場合、浮遊細胞の方が付着細胞よりも明るく観察される。つまり、浮遊細胞へのペプチド８の導入量は、付着細胞へのペプチド８の導入量よりも大きい。その理由は以下の通りである。
【０２９２】
浮遊細胞は、光照射により生じた対流によってペプチド８とともに液体中を移動する。一方、付着細胞は、対流が生じても基板１０６の底面に固定される。そのため、浮遊細胞とペプチド８との相対速度は、付着細胞とペプチド８との相対速度よりも小さい。したがって、浮遊細胞では、その周囲にペプチド８が存在する期間が相対的に長くなるので、ペプチド８の導入量が大きくなる。
【０２９３】
また、本実施の形態においてペプチド８の集積を起こすためには、レーザ光２０１の出力をある程度大きく設定する必要がある。しかし、レーザ光２０１の出力を過度に大きく設定すると、発熱により細胞７に死滅してしまうので、エンドサイトースが起こらなくなる。したがって、光照射によりエンドサイトーシスを促進させるためには、ペプチド８を集積可能である一方で過度の発熱が抑制されるように、レーザ光２０１の出力を適切に設定することが好ましい。
【０２９４】
別の観点から説明すると、本実施の形態では、自己組織化膜のうち金ナノ粒子５が高密度の箇所にレーザスポットの位置を調整した。そのため、金ナノ粒子５が低密度の箇所にレーザ光２０１が照射される場合と比べて、発熱量が大きい。このように、発熱量はレーザスポットの位置に応じて異なり得る。したがって、レーザスポットの位置（言い換えると、レーザスポットの位置における自己組織化膜の厚み）は、レーザ出力および金ナノ粒子５の光吸収性に基づいて決定されることが好ましい。
【０２９５】
なお、実施の形態８においては、細胞７（より特定的には浮遊細胞）およびペプチド８が本発明に係る「微小物体」に対応する。細胞７とペプチド８とでは、機械的特性（サイズ、形状、内部構造、密度など）が互いに異なる。また、ペプチド８は、本発明に係る「被導入物質」に対応する。
【０２９６】
なお、本実施の形態では、細胞内へのペプチドのエンドサイトーシスによる導入を促進する構成について説明したが、被導入物質の集積によって促進可能な作用は、細胞内への導入に限定されない。エンドサイトーシスの前段階では、分子認識による被導入物質の細胞表面への選択的結合が起こるが、選択的結合が起こるのみで被導入物質が細胞内に取り込まれない場合もあり得る。本実施の形態によれば、細胞膜表面と分子認識の相互作用を起こし得る物質を細胞膜表面に集積することにより、細胞表面における分子認識（あるいは選択的結合）を促進することもできる。
【０２９７】
［実施の形態８の変形例］
実施の形態８では、培地中に浮遊細胞および付着細胞が混在している例について説明した。本変形例では、培地中の細胞７のほとんどが浮遊細胞である例について説明する。
【０２９８】
変形例にて用いられる第１４のサンプルでは、金ナノ粒子５の自己組織化膜に代えて、スパッタリングにより金薄膜が基板（図示しないガラスボトムディッシュ）上に形成される。金薄膜の形成手法は実施の形態１における手法と同等であるため、説明は繰り返さない。金薄膜の厚みは１０ｎｍであった。光発熱用光源２０から出力されるレーザ光２０１の出力は０．１Ｗであった。
【０２９９】
培養ディッシュにて培養された細胞７を回収する手法は、実施の形態８における手法と、ほぼ同等である。ただし、本変形例では、培養ディッシュから回収された細胞７を含む培地を基板１０６に滴下した直後にレーザ光が照射される。これにより、ほとんど全ての細胞７を浮遊細胞とすることができる。第１４のサンプルのペプチド濃度は１μＭであった。
【０３００】
図６４は、第１４のサンプルにおける光照射によるレーザスポット近傍の光学写真および蛍光イメージである。図６４（Ａ）は光学写真を示す。図６４（Ｂ）は、共焦点顕微鏡を用いて取得された蛍光イメージを示す。
【０３０１】
図６４（Ａ）を参照して、レーザスポットの位置にマイクロバブルＭＢが生じることが確認される。マイクロバブルＭＢの周囲には多数の細胞７が存在する。
【０３０２】
図６４（Ｂ）を参照して、マイクロバブルＭＢの位置におけるペプチド濃度がマイクロバブルＭＢ周囲のペプチド濃度よりも高い。これにより、光照射によってペプチド８が集積していることが確認される。さらに、マイクロバブルＭＢ近傍の細胞７（浮遊細胞）の内部からも蛍光が観察される。したがって、細胞７内にペプチド８が導入されていることが分かる。
【０３０３】
なお、レーザ光２０１の出力を過度に高く設定すると、発熱により細胞７がダメージを受け得る。しかし、光照射から１日〜２日経過後においても、マイクロバブルＭＢの周囲の細胞７が細胞７生存状態であることが確認される。したがって、本変形例によれば、細胞７にダメージを与えることなく細胞７内にペプチド８を導入可能であることが分かる。
【０３０４】
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。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、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。
【産業上の利用可能性】
【０３０５】
本発明は、微小物体を集積する集積装置として利用することができる。たとえば、人類にとって有用な細菌（超低栄養性細菌など）を集積することができる。
【０３０６】
また、本発明は、微小な構造を製造する微小物体集積構造体の製造装置として利用することができる。これにより、たとえば２元フォトニック構造の製造が実現される。
【０３０７】
また、本発明は、微小な型を準備して、その型の内部に微小物体を集積することにより、微小物体を型の形状に成型することができる。これにより、微小成形加工を実現することができる。
【０３０８】
また、本発明は、光吸収性の微小物体(光熱変換粒子)の含有量に応じて最終的に形成される集積体のサイズが異なることを利用して、サンプル内に含まれる光吸収性の微小物体（被検出物質）の含有量（または濃度）を推定することができる。
【０３０９】
また、本発明は、微小物体の検出装置として利用することができる。たとえば大気中のＰＭ（ＰＭ２．５など）の質量濃度を検出することができる。ＰＭ２．５とＰＭ１０とがサイズに応じて分離されるため、分離機構を別途設ける必要がない。したがって、検出装置を小型化することができる。
【０３１０】
また、本発明は、人体にとって有害な微生物を除去する装置として実現することができる。微生物を集積するとともに、集積された微生物を光発熱効果による高温処理によって除去できるためである。
【０３１１】
また、本発明は、複数の微小物体のなかから被分離物質を分離することができる。たとえばフローサイトメトリに適用すると、被分離物質である細胞を高密度に集積することにより、計測感度を向上させることができる。
【０３１２】
また、本発明は、細胞内部への被導入物質の導入、および細胞膜への被導入物質の集積を促進することができる。たとえば新薬の研究開発においては、臨床研究の前段階として、その新薬の細胞（あるいは、その細胞により構成される組織）への影響が評価される場合がある。このような場合、本発明によれば、評価に要する新薬の量を低減することできる。
【符号の説明】
【０３１３】
１，２  ビーズ、１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，７  細胞、３  細菌、４  微生物、５  金ナノ粒子、６  集積体、８  ペプチド、１０，１０２，１０３，１０５，１０６  基板、１１  カバーガラス、１２  薄膜、１２２  自己組織化膜、１３，１３５，１３６  サンプル、１４  マイクロ流路、２０  光発熱用光源、２１  ダイクロイックミラー、２２，４２２  対物レンズ、３０  照明用光源、３１  撮影機器、４０  ＸＹＺ軸ステージ、５０，４５０  制御部、６０  演算部、４６０  解析部、１００，１０１，５００  集積装置、２００  微生物の集積除去装置、２１０  捕集部、２１１  ファン、２１２，３１１  吸引口、２２０  除去部、３００  検出装置、３１０  エアサンプラ、３１２  フィルタ、３１３  流量計、３１４  ポンプ、４００  フローサイトメータ、４１０  フローセル、４１１  シース液導入部、４１２  サンプル導入部、４３０  光源、４３１  分光器、４４０  セルソータ、４４２，４４３  容器、ＭＢ  マイクロバブル。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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