(57)【要約】  動的光学素子（ＤＯＥ）でレーザービームを変調することにより形成される光トラップを用いて１つ又は複数の特質を有する１つ又は複数の粒子を操作するための方法である。本方法は、粒子の少なくとも１つの特質を選択する段階、粒子の少なくとも１つの選定特質に対応する選定波長を有するレーザービームを発生させる段階、及びＤＯＥの算定値を選択する段階を含み、算定値が粒子の少なくとも１つの選定特質に対応する。本方法はさらに、ビーム及びＤＯＥを変調して、少なくとも１つの選定特質に対応する特性を有する少なくとも１つのホログラフィック光トラップを生成する段階、選定サイズを有するビーム焦点又はスポットサイズにトラップを合焦させる段階、並びにその中に粒子をトラッピングするために粒子位置近くにビーム焦点を設置する段階を含む。
2007510160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動的光学素子（ＤＯＥ）でレーザービームを変調することにより生成される光トラップを用いて１つ又は複数の特質を有する１つ又は複数の粒子を操作するための方法であって、以下の：
前記粒子の少なくとも１つの特質を選択する段階、
前記粒子の少なくとも１つの選定特質に対応する選定波長を有するレーザービームを発生させる段階、
前記ＤＯＥの算定値を選択する段階であって、該算定値が前記粒子の前記少なくとも１つの選定特質に対応する段階、
前記ビーム及び前記ＤＯＥを変調して、前記少なくとも１つの選定特質に対応する特性を有する少なくとも１つのホログラフィック光トラップを生成する段階、
選定サイズを有するビーム焦点又はスポットサイズに前記トラップを合焦させる段階、及び
その中に前記粒子をトラッピングするために粒子位置近くに前記ビーム焦点を設置する段階
を含む、動的光学素子（ＤＯＥ）でレーザービームを変調することにより生成される光トラップを用いて１つ又は複数の特質を有する１つ又は複数の粒子を操作するための方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのトラップの機能性を観察する段階、
前記機能性を調整するために前記観察された機能性に応答してＤＯＥ値を再算定する段階、及び
前記少なくとも１つの選定特質に関して満足のいく機能性が達成されるまで観察及び再算定段階を反復する段階
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
その形状を形作ることにより、前記少なくとも１つのトラップの前記機能性を変更する段階
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記粒子の操作が、以下の：
選定位置に前記トラップ粒子を移動する段階、
前記トラップ粒子の一部を１つ表面又は別の粒子に付着させる段階、
隣接媒体中の流動パターンを確立するために前記付着粒子を選択的に加熱する段階、
前記粒子を適所で安定させる段階、
前記粒子をトラップエネルギーで加熱する段階、
近接物体との衝突のために前記粒子を発射する段階、
近接物体を貫通するために衝撃波で前記粒子を変形させる段階、
粒子を選定パターンに整列させる段階、
隣接媒体の対応する選定流動パターンを確立するために選定パターンに整列された粒子を選択的に加熱する段階、
第１機能性を有する第１選定トラップ中で粒子をトラッピングし、第２機能性を有する前記粒子上に第２選定トラップを重ね合わせる段階、
一表面上に粒子を蒸着させる段階、
前記表面と直角を成す平行軸アラインメントで一表面上に粒子を蒸着させる段階、
前記表面と平行な平行軸アラインメントで一平面上に粒子を蒸着させる段階、
一表面又は本体から粒子を除去する段階、
一表面から粒子を融除(ablating)する段階、
サイズ、形状、長さ、伝導率、誘電率、屈折率、キラリティ、蛍光及び熱吸収性の少なくとも１つを含むナノ粒子の特質によってナノ粒子を選別する段階、
媒体の膨張を引き起こすために該媒体中で粒子を選択的に加熱する段階、
媒体を膨張させ、それによりチャネルを閉鎖するためにその中に該チャネルを有する該媒体中で粒子を選択的に加熱する段階、
サイズ、機能性、吸収性、蛍光、キラリティ及び長さに基づいて粒子を識別する段階、及び
入射放射線に応答して前記粒子から放出されるエネルギーを検知する段階
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
１つ又は複数の粒子が、ナノチューブ、塊状元素金、白金、チタン(tatanium)、ＤＮＡ、熱吸収体、コロイド球、ポリマー、バイオポリマー、量子ドット、製剤、及び生体物質(bio material)のうちの少なくとも１つを含むナノ物質である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
機能化コロイド球に少なくとも１つの前記ポリマーを付着させる段階、
少なくとも１つのナノ粒子の少なくとも１つの末端部分に前記ポリマーを付着させる段階、及び
第１操作可能光トラップ中で前記機能化コロイド球をトラッピングする段階
をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ポリマー及び付着コロイド球のうちの１つを前記粒子のもう１つの末端部分に付着させること、及び第１光トラップとは独立して操作可能な光トラップ中で前記球をトラッピングして、それにより前記粒子が空間で延ばされ、圧縮され、又は配向され得ることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記粒子が前記レーザーのほぼ前記波長の寸法を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記粒子が前記レーザーの約1/2〜約1/4波長の寸法を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記トラップの少なくとも１つの特質が前記レーザー光の一様式を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記レーザー光の前記様式が、ガウス分布、ベッセル分布、点分布及び光学渦の少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
トラップの焦点近くの前記トラップ化粒子の位置決定を最大にするために該トラップに関するトラッピング力を前記レーザーの放射圧と平衡させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
ＤＯＥが空間的光モジュレーター、デジタル光プロセッサー及び固定曝露ホログラフィックプレートを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記粒子が１つ又は複数のマイクロ粒子、ナノ粒子及びピコ粒子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法に従って製造される、生成物。
【請求項１６】
動的光学素子（ＤＯＥ）で前記粒子の少なくとも１つの選定特質に対応する選定波長を有するレーザービームを変調し、前記粒子の少なくとも１つの選定特質に対応する選定算定値を有するレーザービームを発生し、該ビーム及び前記ＤＯＥを変調して、少なくとも１つのホログラフィック光トラップを生成し、選定サイズを有するビーム焦点又はスポットサイズにトラップを合焦させ、その中に前記粒子をトラッピングするために粒子位置近くに前記ビーム焦点を置くことにより形成される光トラップを用いて１つ又は複数の特質を有する粒子のアセンブリーから製造される、生成物。
【請求項１７】
少なくとも１つのトラップの機能性を観察し、前記機能性を調整するために前記観察された機能性に応答して前記ＤＯＥ値を再算定し、統計学的機能性が少なくとも１つの選定特質に関して達成されるまで前記観察及び再算定段階を反復することにより形成される、請求項１６に記載の生成物。
【請求項１８】
少なくとも１つの選定特質を有する１つ又は複数の物質粒子を操作するための装置であって、以下の：
前記物質の少なくとも１つの選定特質に対応する選定波長を有するレーザービームを発生するレーザー、
ホログラムを生成するための動的光学素子（ＤＯＥ）であって、該ホログラムが前記物質の前記少なくとも１つの選定特質に対応する算定値を有するＤＯＥ、
前記少なくとも１つの選定特質に対応する特性を有するホログラフィック光トラップを生成するために前記ＤＯＥにより変調される前記レーザービーム
を備える、少なくとも１つの選定特質を有する１つ又は複数の物質粒子を操作するための装置。
【請求項１９】
選定スポットサイズのビーム焦点に前記トラップを合焦するためのレーザーをさらに備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記トラップの前記機能性を観察するための手段をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記機能性を調整するために観察された機能性に応答して前記ＤＯＥ値を再算定するための手段を含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記ＤＯＥが少なくとも１つの空間的光変調（ＳＬＭ）及びデジタル光プロセッサー（ＤＬＰ）を備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
前記ＤＯＥを制御するためのコンピューターをさらに備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
前記ＤＯＥがその中に前記ホログラムを形成するためにコンピューターにより制御される符号化可能反射表面をさらに備える、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記粒子を観察するための顕微鏡をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２６】
例えばガウストラップ、ベッセルビーム、光学渦、オプティカルボトル及びポイントトラップの少なくとも１つを含む光トラップを生じるよう適合されるホログラムを前記ＤＯＥが生成する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２７】
前記ホログラムが前記粒子の前記特質のために最適化された特質を有する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２８】
前記装置を変形するための衝撃波を生成するための手段を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２９】
前記トラップが選定光学プロフィールを有する、請求項１８に記載の装置。
【請求項３０】
前記粒子が１つ又は複数のナノ粒子、マイクロ粒子及びピコ粒子を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３１】
前記１つ又は複数の粒子が、ナノチューブ、塊状元素金、白金、チタン（tatanium）、ＤＮＡ、熱吸収体、コロイド球、ポリマー、バイオポリマー、量子ドット、製剤、及び生体物質のうちの少なくとも１つを含むナノ物質である、請求項１８に記載の装置。
【請求項３２】
請求項１８に記載の装置により生成される、生成物。
【請求項３３】
少なくとも１つの選定特質を有する１つ又は複数の物質粒子を操作するための装置により生成される生成物であって、前記装置が、前記物質の少なくとも１つの選定特質に対応する選定波長を有するレーザービームを発生するためのレーザー、前記物質の前記少なくとも１つの選定特質に対応する算定値を有するホログラムを生成するための動的光学素子（ＤＯＥ）、前記少なくとも１つの選定特質に対応する特性を有する１つ又は複数のホログラフィック光トラップを生成するために前記ＤＯＥにより変調される前記レーザービームを有し、ここで、前記トラップが粒子上に合焦され、前記トラップ化粒子が他の粒子に付着されてそのアセンブリーから生成物を形成する、少なくとも１つの選定特質を有する１つ又は複数の物質粒子を操作するための装置により生成される生成物。
【請求項３４】
ナノチューブから形成される構造の生成方法であって、以下の：
前記構造をアセンブルするためのナノチューブを収集すること、任意に動的光学素子でレーザービームを変調することにより形成される光トラップで前記ナノチューブを光学的にトラッピングすること、該トラップ化ナノチューブのうちの選択された１つを互いに近接して移動すること、前記選定ナノチューブをアセンブリーに付着させて、それにより該ナノチューブ構造を形成すること
を含む、ナノチューブから形成される構造の生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラフィックトラッピングを用いてナノ物質、マイクロ物質及びピコ物質を操作し、処理するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
本発明は、以下の仮出願の完全な特許(utility)申請に関連し、且つ変換である：
６０／５４３，４８８（２００４年２月１１日提出）。
６０／５１９，４０７（２００３年１１月１２日提出）。
６０／５１５，０９１（２００３年１０月２８日提出）。
６０／５１５，０９２（２００３年１０月２８日提出）。
６０／５３１，２５４（２００３年１２月２０日提出）。
上記に特定された出願の教示は、参照により本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００３】
ナノ物質は一般に、ナノ領域において少なくとも１つの寸法を有すると特性化される物質及び構造体と記述され得る。これらの物質は、多数の及び種々の用途を有する。ナノ物質としては、元素物質、例えば元素原子、例えば金、及びより規則性構造体、例えばナノチューブ及びバッキーボールが挙げられる。ナノチューブは、特に関心が高い１つ又は複数の原子又は分子層で形成される中空対称物体であり、炭素で作られるナノチューブである。バッキーボールは、原子又は元素炭素の中空球である。ナノ物質及び規則性ナノ構造体の他の例は、以下で考察される。
【０００４】
ナノチューブは、それらの並外れた機械的、電気的及び光学的特性が多数の用途を可能にするため、特に興味深いナノ構造体である。炭素から作成されるナノチューブは、炭素構造と関連した高度の多用性、例えばＤＮＡ分子と連結する能力を提供する。１０年以上もの間持続されたナノチューブ研究は、無数の上首尾の技術を生み出してきた。ナノチューブを含浸させた絶縁材は、導体に変えられ得る。ナノチューブ補強材は、それらの機械的強度改良のために開発中である。研究者等は、ディスプレイにおける電子エミッターとして用いるための整列ナノチューブの大型アレイを発達させてきた。
【０００５】
カーボンナノチューブの独特の特性を利用するその他の用途が予見される。これらの用途としては、非常に大きい弾性材料のモジュール、ナノチューブベースの電子構成部分、及び光を導くためにナノチューブを用いる構造体が挙げられる。
【０００６】
これらの技術の多くの開発に際して広範に認められる課題が存在する。１つの課題は、構造特性、例えばそれらのキラリティ、直径、長さ及びその他の特性に基づいたナノ物質の分離又は精製を包含する。例えば種々のナノチューブの分離を包含する近年の進歩は、ＤＮＡとの特異的結合を使用し、又は電気泳動を用いる。別の重要な課題は、制御アセンブリー、蒸着及び配向のためのナノ物質の操作を包含する。ある型の蒸着のための方法が存在するが、三次元で単一物体を移動し、物体の大群をパターン化する能力は依然として欠いている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、回析光学素子（ＤＯＥ）でレーザービームを変調することにより形成される光トラップを用いて１つ又は複数の特質を有する物質粒子を操作するための方法の発見に基づいている。該方法によれば、物質の少なくとも１つの特質が選択され、物質の少なくとも１つの選定特質に対応する選定波長を有するレーザービームが発生し、物質の少なくとも１つの選定特質に対応するＤＯＥの算定値が選択され、ビーム及びＤＯＥが変調されて、少なくとも１つの選定特質に対応する特性を有するホログラフィック光トラップを生成し、トラップが合焦され、その中に粒子をトラッピングするために、粒子位置近くにビーム焦点が設置される。
【０００８】
さらなる態様によると、本発明は、トラップの機能性を観察すること、機能性を調整するために観察に応答してＤＯＥ値を再算定すること、及び少なくとも１つの選定特質に関して満足のいく機能性が達成されるまで観察及び再算定段階を反復することをさらに包含する。
【０００９】
本発明によると、トラップの機能性はその形状を形作ることにより変化させ得る。粒子を操作することを含む本発明の様々な態様は、以下の：
選定位置にトラップ粒子を移動すること、
トラップ粒子の一部を１つ表面又は別の粒子に付着させること、
隣接媒体中の選択された流動パターンを確立するために付着粒子を選択的に加熱すること、
粒子を適所で安定させること、
粒子をトラップエネルギーで加熱すること、
近接物体との衝突のために粒子を移動させること、
近接物体を貫通するために衝撃波で粒子を変形させること、
粒子を選定パターンに整列させること、
隣接媒体の対応する選定流動パターンを確立するために選定パターンに整列された粒子を選択的に加熱すること、
第１機能性を有する第１選定トラップ中で粒子をトラッピングし、第２機能性を有する前記粒子上に第２選定トラップを重ね合わせること、
一表面上に粒子を蒸着させること、
表面と直角を成す平行軸アラインメントで一表面上に粒子を蒸着させること、
表面と平行な平行軸アラインメントで一平面上に粒子を蒸着させること、
本体の一表面から粒子を除去すること、
一表面から粒子を融除すること、
少なくとも１つのサイズ、形状、長さ、伝導率、誘電率、屈折率、キラリティ、熱吸収性を含むナノ粒子の特質によって、ナノ粒子を選別すること、
媒体の膨張を引き起こすために媒体中で粒子を選択的に加熱すること、
媒体を膨張させ、それによりチャネルを閉鎖するためにその中にチャネルを有する媒体中で粒子を選択的に加熱すること、
サイズ、機能性、吸収性、蛍光、キラリティ及び長さに基づいて粒子を識別すること、及び
入射放射線に応答して粒子から放出されるエネルギーを検知すること
を１つ又は複数含む。
【００１０】
本発明と一致するシステム及び方法は、種々の工業用ポリマー及びバイオポリマーをナノチューブ及びナノ構造体に付着させる。これらのポリマーは次に、機能性化コロイド球に付着され得る。球は、光学ピンセットによるナノ構造体の操作を助長する。さらに、次にホログラフィック光トラッピングを用いて、基板上に及び基板から大量のナノ構造体をパターン化並びに制御し得る。
【００１１】
ホログラフィック光トラッピングを用いる本発明と一致するシステム及び方法は、ナノ物質及びナノ構造体の操作並びに処理のための種々の技法を可能にし、且つ増強する。
【００１２】
本発明の例示的実施の形態は、チューブの操作及びパターン化を助長する光トラッピング化ナノスフェアのクラウドを用いてナノチューブを制御するための方法を含む。ホログラフィック光トラッピングは、トラップの形状が複雑に形作られて、ナノスフェアのクラウドの詳細な制御を可能にし、これが次にナノチューブのさらに用途の多い操作を可能にするため、この領域において異なる利点を付与する。
【００１３】
本発明は、回析光学素子（ＤＯＥ）、例えば空間光モジュレーター、デジタル光プロセッサー又はその他の回析素子、及びそれにより変調されてナノ粒子をトラッピングするためのホログラムを生成するレーザーを用いる装置を包含する。
【００１４】
本発明は、本明細書中に開示された方法及び種々の装置により生成される生成物も包含する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明と一致する方法を実行するために光トラップを形成するための例示的コンパクトシステムの構成部分図を示す。
【００１６】
【図２】図１のコンパクトシステムが結合する倒立顕微鏡を示す。
【００１７】
【図３】(ａ)は図１の光トラッピングシステムに関連して配置される標的試料中の単一壁ナノチューブの例示的分散を示す。（ｂ）は光対流トラップを形成するためにレーザーを用いて図１の光トラッピングシステムにより集合された単一壁ナノチューブの例示群を示す。（ｃ）はナノチューブが基板上に蒸着される前に予定パターンでトラップ化ナノチューブを移動する図１の光トラッピングシステムの能力を示すマルチフレームの時間平均を表す。（ｄ）は  基板上に集合ナノチューブを蒸着する場合にＣＣＤカメラを飽和させるために図１の光トラッピングシステムにより生成される強い光のバーストを表す。（ｅ）は  基板上に図１の光トラッピングシステムにより蒸着されたナノチューブを表す。（ｆ）は  図１の光トラッピングシステムによる特定パターンでの集合ナノチューブの蒸着を示す明視野像を表す。（ｇ）は  図１の光トラッピングシステムによるナノチューブ束からのナノチューブロープ又はファイバーのトラッピング及び部分抽出を示す暗視野像を表す。ｈは  図１の光トラッピングシステムによるナノチューブ束からの（ｇ）示すナノチューブロープ又はファイバーのさらなる抽出を示す別の暗視野像を表す。（ｉ）は  図１の光トラッピングシステムによるナノチューブ束からの（ｇ）及び（ｈ）に示すナノチューブロープの抽出完了を示す別の暗視野像を表す。（ｊ）は光学渦を生成するよう改造された図１の光トラッピングシステムによる数束のナノチューブのトラッピング及び回転を表す。（ｋ）は  光学渦を用いてナノチューブを回転する場合の図１の光トラッピングシステムにより生成されるナノチューブの束の回転パターンを示すいくつかのフレームの時間平均を表す。（ｌ）は  ガラス表面に蒸着されたナノチューブのシート上にホログラフィックエッチングのためにシステムのレーザーを合焦するよう改造された場合の、図１の光トラッピングシステムにより平行して生成された多数のパターンを表す。
【００１８】
【図４Ａ】粒子の末端に結合されたコロイド球を用いて延長ナノ粒子を操作するための技法を示す。
【００１９】
【図４Ｂ】粒子の末端に結合されたコロイド球を用いて延長ナノ粒子を操作するための技法を示す。
【００２０】
【図５Ａ】ナノハンドルを形成するために粒子のクラウドを用いて延長ナノ粒子を操作するための技法を示す。
【００２１】
【図５Ｂ】ナノハンドルを形成するために粒子のクラウドを用いて延長ナノ粒子を操作するための技法を示す。
【００２２】
【図６Ａ】延長ナノ粒子が延伸により改質され得て、且つ多構成部分粒子が分離され得る種々の技法を示す。
【００２３】
【図６Ｂ】延長ナノ粒子が延伸により改質され得て、且つ多構成部分粒子が分離され得る種々の技法を示す。
【００２４】
【図７Ａ】ナノ粒子が選定パターン又は配向で他の構造体に結合され得る技法を示す。
【００２５】
【図７Ｂ】ナノ粒子が選定パターン又は配向で他の構造体に結合され得る技法を示す。
【００２６】
【図７Ｃ】ナノ粒子が選定パターン又は配向で他の構造体に結合され得る技法を示す。
【００２７】
【図８Ａ】粒子が一表面上に蒸着され得て、且つ蒸着粒子又は他の物質が物質の除去により、例えばエッチングにより改質され得る技法を示す。
【００２８】
【図８Ｂ】粒子が一表面上に蒸着され得て、且つ蒸着粒子又は他の物質が物質の除去により、例えばエッチングにより改質され得る技法を示す。
【００２９】
【図８Ｃ】粒子が一表面上に蒸着され得て、且つ蒸着粒子又は他の物質が物質の除去により、例えばエッチングにより改質され得る技法を示す。
【００３０】
【図８Ｄ】粒子が一表面上に蒸着され得て、且つ蒸着粒子又は他の物質が物質の除去により、例えばエッチングにより改質され得る技法を示す。
【００３１】
【図８Ｅ】粒子が一表面上に蒸着され得て、且つ蒸着粒子又は他の物質が物質の除去により、例えばエッチングにより改質され得る技法を示す。
【００３２】
【図９Ａ】ナノ粒子が細胞中に又は細胞の壁の中に挿入されるか又は埋め込まれ得る技法を示す。
【００３３】
【図９Ｂ】ナノ粒子が細胞中に又は細胞の壁の中に挿入されるか又は埋め込まれ得る技法を示す。
【００３４】
【図９Ｃ】ナノ粒子が細胞中に又は細胞の壁の中に挿入されるか又は埋め込まれ得る技法を示す。
【００３５】
【図９Ｄ】ナノ粒子が細胞中に又は細胞の壁の中に挿入されるか又は埋め込まれ得る技法を示す。
【００３６】
【図９Ｅ】ナノ粒子が細胞中に又は細胞の壁の中に挿入されるか又は埋め込まれ得る技法を示す。
【００３７】
【図９Ｆ】ナノ粒子が細胞中に又は細胞の壁の中に挿入されるか又は埋め込まれ得る技法を示す。
【００３８】
【図１０Ａ】ナノチャネルが本体の表面に形成され得る技法を示す。
【００３９】
【図１０Ｂ】ナノチャネルが本体の表面に形成され得る技法を示す。
【００４０】
【図１０Ｃ】ナノチャネルが本体の表面に形成され得る技法を示す。
【００４１】
【図１０Ｄ】ナノチャネルが本体の表面に形成され得る技法を示す。
【００４２】
【図１１Ａ】ナノ粒子が、ゼプト注射器を形成するよう操作され得る技法を示す。
【００４３】
【図１１Ｂ】ナノ粒子が、ゼプト注射器を形成するよう操作され得る技法を示す。
【００４４】
【図１２Ａ】選定流動パターンを確立するために流体媒質中でナノ粒子が選択的にトラップされ、且つ加熱され得て、且つこのような選択的加熱がナノ流体デバイス中で用いられ得る技法を示す。
【００４５】
【図１２Ｂ】選定流動パターンを確立するために流体媒質中でナノ粒子が選択的にトラップされ、且つ加熱され得て、且つこのような選択的加熱がナノ流体デバイス中で用いられ得る技法を示す。
【００４６】
【図１２Ｃ】選定流動パターンを確立するために流体媒質中でナノ粒子が選択的にトラップされ、且つ加熱され得て、且つこのような選択的加熱がナノ流体デバイス中で用いられ得る技法を示す。
【００４７】
【図１２Ｄ】選定流動パターンを確立するために流体媒質中でナノ粒子が選択的にトラップされ、且つ加熱され得て、且つこのような選択的加熱がナノ流体デバイス中で用いられ得る技法を示す。
【００４８】
【図１２Ｅ】選定流動パターンを確立するために流体媒質中でナノ粒子が選択的にトラップされ、且つ加熱され得て、且つこのような選択的加熱がナノ流体デバイス中で用いられ得る技法を示す。
【００４９】
【図１３Ａ】本体の内部特質に影響を及ぼすために、且つそれによりその中に形成されるナノチャネル中の流動を選択的に制御するために、ナノ粒子が選択的に加熱され得る技法を示す。
【００５０】
【図１３Ｂ】本体の内部特質に影響を及ぼすために、且つそれによりその中に形成されるナノチャネル中の流動を選択的に制御するために、ナノ粒子が選択的に加熱され得る技法を示す。
【００５１】
【図１３Ｃ】本体の内部特質に影響を及ぼすために、且つそれによりその中に形成されるナノチャネル中の流動を選択的に制御するために、ナノ粒子が選択的に加熱され得る技法を示す。
【００５２】
【図１３Ｄ】本体の内部特質に影響を及ぼすために、且つそれによりその中に形成されるナノチャネル中の流動を選択的に制御するために、ナノ粒子が選択的に加熱され得る技法を示す。
【００５３】
【図１３Ｅ】本体の内部特質に影響を及ぼすために、且つそれによりその中に形成されるナノチャネル中の流動を選択的に制御するために、ナノ粒子が選択的に加熱され得る技法を示す。
【００５４】
【図１４Ａ】ナノ粒子が選択可能な電気的特質を有する伝導性ストランドに形成され得る技法を示す。
【００５５】
【図１４Ｂ】ナノ粒子が選択可能な電気的特質を有する伝導性ストランドに形成され得る技法を示す。
【００５６】
【図１４Ｃ】ナノ粒子が選択可能な電気的特質を有する伝導性ストランドに形成され得る技法を示す。
【００５７】
【図１４Ｄ】ナノ粒子が選択可能な電気的特質を有する伝導性ストランドに形成され得る技法を示す。
【００５８】
【図１４Ｅ】ナノ粒子が選択可能な電気的特質を有する伝導性ストランドに形成され得る技法を示す。
【００５９】
【図１４Ｆ】ナノ粒子が選択可能な電気的特質を有する伝導性ストランドに形成され得る技法を示す。
【００６０】
【図１４Ｇ】ナノ粒子が選択可能な電気的特質を有する伝導性ストランドに形成され得る技法を示す。
【００６１】
【図１５】本発明の方法を実施するためのブロック図を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
本発明の特定の実施形態は、その原理及び操作を説明する目的のために、かなり詳細に以下で説明される。しかしながら種々の修正がなされ、且つ本発明の範囲は下記の例示的実施形態に限定されない。例えば本発明はナノ物質を、時としてマイクロ物質を例示的実施形態として用いることにより記載されるが、本発明は、マイクロレジメ(regime)、約１ｍｍ又はそれ以下から、ピコレジメ、約０．１ｎｍまでの広範囲の物質サイズに亘って用途を有すると理解されるべきであり、且つこのような用途は本発明に含まれると意図される。
【００６３】
本明細書中で用いる場合、ナノという用語は、ナノ領域の特徴的サイズを有する粒子、物質及び構造体、即ち１０−６ｍ未満というミクロン以下の特徴的寸法を有する粒子を指す。これらの粒子は、原子、分子、このような原子の集塊、及び分子物質であり得るし、並びに元素物質、又は原子若しくは分子物質の規則正しいアレイであり得る。ナノ物質としては、製剤、生体物質(bio materials)及び海水からの集合金属も挙げられるが、これらに限定されない。それらは、分子が溶液中に存在するか又は微小粒子が懸濁液中に存在する領域も含み得る。説明の目的のために有用である場合、ナノ粒子、ナノ物質又はナノ構造体の特定の構造が記述される。しばしば当該用語は、互換的に用いられる。時としては、ナノは単独で用いられ、このような場合のナノはこれらの物質のクラスを指し、又は、ナノメートル（ｎｍ）での寸法を指す、と概して理解されるべきである。広範な条件での考察の状況は、何が記載されているかを当業者に明らかにするに違いない。同様にマイクロ物質は１ｍｍ未満であり、且つピコ物質は０．１ｎｍ未満であり得る。
【００６４】
ナノ粒子の操作は達成が困難であり、且つ修得するのが難しいツールの類別を要する。例えばホログラムを生成するために動的光学素子（ＤＯＥ）を用いるホログラフィック技法を用いて、約１０−６ｍのマイクロ領域の１つ又は複数の粒子が捕捉され、且つ操作され得る、ということが既知である。例示的一実施形態では、ＤＯＥは、レーザービームを変調するための空間的光モジュレーター（ＳＬＭ）であり得る。ＤＯＥは、デジタル光プロセッサー（ＤＬＰ）、又は回転台上に載せられた固定曝露ホログラフィックプレート等でもあり得る。一度に一マイクロ粒子をトラッピングするというよりむしろ、ＤＯＥは、複数のマイクロ粒子をトラッピングするために複数のビームレットを生成する。ナノ粒子はホログラフィックレーザー技法を用いて光学的にトラップされ得る、ということが同様に既知である。しかしながら慣用的技法を用いて個別にほとんどのナノ粒子を光学的にトラップすることは非常に困難であるが、その難しさはホログラフィック技術にも同様に及んでいる。
【００６５】
この難しさの理由は、マイクロ粒子、即ち１０−６ｍより大きい粒子が通常はレイ光学レジメとして既知のレジメでトラップされる、ということである。このレジメでは、粒子は一般にビーム直径よりはるかに大きい。ナノ粒子は、レイリーレジメ中に存在し、ここでは粒子はビーム直径よりもずっと小さい。その差は単に尺度の問題であるというわけではない。おおよその類似性を記載すると、その差は、バスケットボール対塵粒子を見つけ出すために暗室中でフラッシュライトを用いるのと同様である。他の比較がなされ得るが、重要なことは、サイズの差が非常に大きく、マイクロレジメに関して既知の技法が有意の修正を伴わずにナノレジメに関して容易に適合されず、且つ実際的ではない、ということである。しかしながら本明細書中で後述されるように、ナノ領域での所望の結果を達成するために新規の方法を用いて既知の装置を用いることができる。
【００６６】
本明細書中で用いる場合、操作という用語は、ナノ粒子が入射エネルギーにより影響を及ぼされる任意の技法を広範に含む。これは、トラッピング、移動、取出し、加熱、融除等を包含する。このような定義の理由は、あることを成し遂げるための技法が別のことを成し遂げるために容易に適合され得る、というものである。例えば本明細書中で後述されるように、ナノ粒子を同時的に又は別々にトラップし、且つ過熱し、且つ技法が単独で用いられるか、又は組合せて用いられるかによって、種々の結果を達成し得る。
【００６７】
装置
図１は、１つ又は複数の光トラップを形成するための本発明と一致するコンパクトシステムの一実施形態の構成部分図を示す。システムは、動的光学素子を反射動的表面と比較する相パターン化光学素子５１を包含する。一例示的デバイスは、相だけの空間的光モジュレーター、例えば「ＰＡＬ−ＳＬＭシリーズＸ７６６５」（浜松ホトニクス株式会社（日本）製）、「ＳＬＭ５１２ＳＡ７」又は「ＳＬＭ５１２ＳＡ１５」（ともにボールダーノンリニアーシステム(Boulder Nonlinear Systems) (ラフィエット、コロラド州)製）である。別の例示では、ＤＯＥは、マイクロミラーを用いるテキサスインスツルメント(Texas Ins（登録商標）truments)のデジタル光プロセッサー（ＤＬＰ）である。これらの動的光学素子は、コンピューターが本明細書中で形成されるホログラムを制御する符号化可能反射表面を有する。
【００６８】
光学素子５１は、第１光チャネル５３ａが提供されるハウジング５２と一列に並べられるか、又はそれに付着される。第１光チャネルの一端５３ｂは光学素子５１に近接して存在し、第１光チャネルの他端５３ｃは、それと直角を成して形成される第２光チャネル５３ｄと交差、且つ連通する。第２光チャネルは、小塔又は「ノーズピース」５４ｂを載せている顕微鏡レンズの基部５４ａ内に形成される。ノーズピース５４ｂは、ＮｉｘｏｎＴＥ２００シリーズ顕微鏡に合うよう適合される（示されていない）。第２光チｓャンネルは、第２光チャネルとも直角を成す第３光チャネル５５ａと連絡する。第３光チャネル５５ａは、ノーズピース５４ｂの上部表面からノーズピース５４ａの基部を通って横断し、対物レンズ集束レンズ５６と平行である。集束レンズは、背面開口５７を形成する上面及び底面を有する。第２光チャネル及び集束レンズの背面開口５７間の第３光チャネル中に介入されるのは、二色性鏡ビームスプリッター５８である。光トラップ５０を形成するためのコンパクトシステム内の他の構成部分としては、第１鏡Ｍ１（第１光チャネルを通って相パターン化光学素子から発するビームレットを反射する）、第１組の伝達光学素子ＴＯ１（第１光チャネル内に配置され、第１鏡Ｍ１により反射されるビームレットを受け入れるよう一列に並べられる）、第２組の伝達光学素子（第１光チャネル内に配置され、第１組の伝達レンズＴＯ１を通過するビームレットを受け入れるよう一列に並べられる）、並びに第２鏡Ｍ２（第１光チャネルと第２光チャネルの交差点に位置し、第２組の伝達光学素子ＴＯ２及び第３光チャネル５５ａを通過するビームレットを反射するよう一列に並べられる）が挙げられる。
【００６９】
光トラップを形成するために、レーザービーム（示されていない）は、光ファイバー１５０を通してコリメーター末端１５１の外に向けられて、光学素子５１の動的表面５９から反射される。光ファイバー１５０のコリメーター末端１５１を出る光のビーム（示されていない）は、光学素子５１の動力学表面５９により複数のビームレットに回析される（示されていない）。各ビームレットの数、型及び方向は、動的表面媒体５９中で符号化されるホログラムを変更することにより制御され、且つ変更され得る。次にビームレットは、第１鏡Ｍ１から発して、第１組の伝達光学素子ＴＯ１を通って、第１光チャネル５３ａを下って、第２組の伝達光学素子ＴＯ２を通って第２鏡Ｍ２に反射し、且つ二色性鏡５８で対物レンズ５６の背面開口５７まで向けられて、対物レンズ５６を通して収束され、それにより光トラップを形成するために必要な光学的勾配条件を生成する。画像形成のために二色性鏡５８により分割される光のその部分は、第３光チャネル５５ｂの下部を通過して、光学的データ流を形成する（示されていない）。
【００７０】
ビームレットの相プロフィールが末梢で強度が低く、末梢から内方の領域でより強い実施形態では、約１５％未満だけ背面開口５７を過剰充填することは、背面開口５７を過剰充填せずに生成された光トラップより大きい強度を光トラップの末梢で有する光トラップを形成するために有用である。
【００７１】
図２は、光トラップを形成するためのコンパクトシステム（図１）が搭載されたＮｉｘｏｎＴＥ２００シリーズ顕微鏡の立面図である。結合ハウジング５２を伴うノーズピース５４ｂは、ノーズピース５４ａ及び５４ｂのための台（示されていない）を介して顕微鏡中に直接嵌合する。ハウジング及びその内容物並びに結合光学素子５１は、ノーズピース５４ａ及び５４ｂに固定され、顕微鏡の残り部分に対する変更又は修正をほとんど又は全く必要としない。画像形成のために、光源６１が対物レンズ５６上に提供され得る。
【００７２】
各々２つのレンズ素子を含有する第１及び第２組の伝達光学素子ＴＯ１及びＴＯ２が示されている。レンズは、凸レンズ又は凹レンズであり得る。多種多様な型及び量のレンズ、例えば対称空隙一重レンズ、対称空隙二重レンズ及び／又は付加的レンズ又はレンズ群が、第１鏡Ｍ１から第２鏡Ｍ２への画像伝達を達成するために選択され得る。いくつかの実施形態では、第１及び第２組の伝達光学素子は、望遠レンズとして組合せて作用するような距離で間隔を置かれる対称空隙二重レンズである。
【００７３】
１つ又は複数の光トラップを形成する図１に示したコンパクトシステム５０は、光学ピンセットの一実施形態である。光学ピンセットは、ナノ物質を制御するための強力な方法を提供した。特にホログラフィック光トラッピングは、これらの寸法での多数のナノ構造体、例えばナノチューブ又はナノチューブ集合体を操作するための光トラッピングの使用を可能にする。これらの操作は、ホログラフィック光トラッピング、例えば標準ガウストラップを超える光の様式の作成を利用して、種々の有用な方法でナノ構造体、例えばナノチューブを制御する。
【００７４】
標準ガウス光トラップのほかに、光の様式、例えば光学渦は、構造体を回転させるために用いられ得る。光学渦は、ナノ体を分解するためにも有用である。ベッセルビームは、それらのトラッピング領域の長いアスペクト比により、多数のナノ構造体、例えばナノファイバー又は長い単一ファイバーをトラップするために用いられ得る。
【００７５】
光学ピンセットによるこれらのナノ体の操作は、ナノ体を接合するか又は分断する切断又は溶接技法により増大され得る。例えばピンセット操作レーザーはこの目的のために適切に用いられ得て、或いは第２のレーザーが用いられ得る。
【００７６】
さらに放射圧及び熱を用いて、表面上に操作ナノ物体を蒸着し得る。この制御ナノ蒸着は、複雑なパターンを書き込ませる。
【００７７】
個々のナノ体のほかに、ナノ体の群を操作する能力を用いて、ナノベースの物質を生成し得る。例えばナノチューブは、物質を生成するために集合されてもよく、或いは存在する物質中のナノチューブは、例えばそれらの位置又は配向を調整するために、ホログラフィック光学ピンセットにより処理されてもよい。この技法の特定例は、太陽電池の領域である。多数の新規の太陽電池物質は、ナノチューブを包含する。しかしながら効率的物質を作成するに際しての大きな障害は、物質の作成中にナノチューブを整列させる能力である。ホログラフィック光トラッピングは、この能力を提供する。
【００７８】
ホログラフィック光学ピンセットに関する重要な用途は、ナノチューブを選別することである。この選別法は、ナノ処理の２つの段階で重要である。第１段階は、ナノ体（「ナノチューブ」物質を除く）の精製を包含する。ホログラフィック光トラッピングはサイズ及び粘稠性に基づいた物質の選別を得意とし、この選別段階のために用いられ得る。第２段階は、それらの特性に基づいたナノ体の選別、例えば導性ナノチューブを半導性ナノチューブから選別することを包含する。この分離は、ナノチューブが、ナノチューブ構造体のキラリティを除いて、構成、サイズ及び形状が非常に類似し得るので、伝統的に非常に難しかった。ホログラフィック光トラップにおける光との相互作用は、このキラリティに基づいた選別のための有用な方法を提供する。例えば光学渦は、それらが種々の量の運動量を異なるキラル構造体に付与するので、用いられ得る。さらに、光は異なる伝導率の物質と別の仕方で相互作用するので、ガウス又はベッセルビームトラップは、伝導率に基づいた選別のために用いられ得る。概して、異なる長さ、厚み、キラリティ又は伝導率のナノチューブと光との異なる相互作用は、ホログラフィック光トラップでナノチューブを選別するために用いられ得る。
【００７９】
異なる様式（形状又は光学的特質）を有する異なるトラップは、異なる特質を有するナノ構造体を操作するために用いられ得る。例えばベッセルトラップは、中空円筒の形態の特徴的光分布を有し、即ち、円筒内側の領域は、トラップを形成する光が破壊的に干渉するため本質的に暗く、一方、表面上の光は構成的に干渉する。ベッセルトラップ中の光分布は、延長物体がトラップ内で捕捉され、したがって操作され得るよう変化する。ベッセルトラップは，時々、光学ボトルと呼ばれる。
【００８０】
ガウストラップは、ガウス関数として変化する特徴的光分布を有し、即ち光は最大の各側面で低下する。ある種の用途において２つのピークを有するガウス様分布を生じることもできる。
【００８１】
ホログラフィック金蒸着
光トラップを用いて、種々の形状、サイズ及び粘稠度を有する粒子を操作し得る。種々のサイズの金属が、光トラッピングされてきた。唯一方向から入るビームを包含する光トラッピングシステムは、ビームの伝播方向での力の平衡を包含する。トラッピング力はトラップの焦点に向けて粒子を引き動かす傾向があり、放射圧は粒子をトラップに押し戻し、トラップから押し出す傾向がある。良好なトラップは、トラップの焦点からわずかだけ下流で粒子をトラップする。しかしながら意図して放射圧により粒子を抑制させることにより、粒子はレーザートラップによりストリーム中に導かれて、物質の表面に向けられ得る。これらの粒子及び表面は、粒子が所望のパターンで表面に蒸着され得るよう選択される。例えばナノサイズの金粒子は、あるパターンで蒸着され得る。アニール過程を利用して、パターンの特性、例えばその結合性を改質し得る。
【００８２】
蒸着粒子の位置に多少の熱変動が存在するので、ナノ粒子はミクロンスケールの精度で蒸着される。しかしながらフィードバックシステムを利用して粒子を軽く押して、ナノメートルスケールでの精度を達成し得る。高速空間光モジュレーターを用いて、適切な速度を有するトラッピングレーザーを改質し得る。
【００８３】
ホログラフィック光トラッピングはまた、このプロセスの大幅な平行化を可能にし、多数のパターンを同時的に書き込ませるが、これは集積回路の製造のための興味を引く一特徴である。光トラップを用いて実行可能な三次元位置決定は、多層回路及び構造体の構築を可能にする。
【００８４】
流体中のピンセットからの熱作用は非常に強く、物質の濃度の強力な所在を作り出すために用いられ得る。これらの熱作用は、ホログラフィック光トラッピングを用いることにより非常に精確に制御されて、複数のピンセットを作り出し得る。したがって「熱ピンセット操作」を用いて、選別目的のためにナノチューブの流れを生じ得るし、或いは一度にナノチューブの大群を移動し得る。熱集合ナノチューブの蒸着も実行され得る。
【００８５】
例示的画像
図３（ａ）は、ナノチューブを安定化するためにＳＤＳ界面活性剤の５％溶液を有する水中の例示的単一壁ナノチューブの分散を示す。チューブを画像化するために、暗視野顕微鏡を要する。
【００８６】
図３（ｂ）は、光対流トラップで集合されたこれらのナノチューブの一群を示す。
【００８７】
図３（ｄ）は、基板上にチューブを蒸着する場合にＣＣＤカメラを飽和させる強い光のバーストを示す。
【００８８】
図３（ｅ）は、基板上に蒸着されたナノチューブを示す。
【００８９】
図３（ｃ）は、ホログラフィック光トラップを用いて、予定パターンで、（それらが蒸着される前に）トラップ化ナノチューブを移動させる能力を示す数個のフレームの時間平均を示す。
【００９０】
図３（ｆ）は、特定パターンでのナノチューブの蒸着を示す明視野像である。
【００９１】
図３（ｇ）〜３（ｉ）は、ナノチューブの一束からのナノチューブロープの抽出を示す暗視野像である。
【００９２】
図３（ｊ）は、電荷Ｉ＝１０光学渦によるナノチューブの一束の回転を示す。
【００９３】
図３（ｋ）は、回転パターンを示すいくつかのフレームの時間平均である。
【００９４】
図３（ｌ）は、ガラス表面基板上に蒸着されたナノチューブのシート上のレーザーでのホログラフィックエッチングによる図１の光トラッピングシステムにより平行して生成された多数のパターンを示す。
【００９５】
ホログラフィック光トラップがナノ体を操作し、並びにナノベースの物質を加工処理する設備は、非常に広い種類の用途を切り開く。ナノチューブの異なるキラリティとレーザー光との相互作用における差のため、確立されたホログラフィック光学的選別方法は、全ての重要なパラメーター、例えばキラリティに基づいてナノチューブを選別するために用いられ得る。ナノチューブを整列させる能力は、今は達成されていない物質加工処理の課題、例えば強度付加のために、又は伝導率の改良のために、物質中のナノチューブを整列させることに解決を提供する。
【００９６】
延長ナノ構造体の操作
ナノ粒子及びその他の延長粒子を操作するための種々の技法を、以下に紹介する。添付の図面に関連した具体例を、序論の後に示す。
【００９７】
金電極の融除
ホログラフィック光学ピンセットは、表面からコーティングを融除するために用いられ得る。例えば金は、パターンを生成するために除去され得る。さらにピンセットを用いて、存在するパターンから物質を除去し、別の方法でできるより微細な特徴を作り上げ得る。例えば電極は、電極が非常に小さな特徴を有して、別の方法では不可能である測定を可能にするよう蝕刻され得る。
【００９８】
種々の物質の平行融除マイクロプロセッシング
微小流体チップは、特にラボオンチップ用途のために重要性を増しつつある。ホログラフィック光学ピンセットによるこのようなチップの駆動は、チップ機能性の精確な制御のために必要な弁、ポンプ、注射器及びその他の特徴の複雑な制御を可能にする。さらにプラスチックのレーザー融除が、微小流体チャネルの作成のために用いられ得る。透明プラスチックを用いて、ガラススライド上に薄い（〜４００ミクロン）シートを生成する。プラスチックは、レーザーからの光を吸収し（この場合、ビームによる融解を用いて物質を取り除く）、或いはレーザーにより融除される（この場合、物質を蝕刻除去することによりチャネルが形成される）。ホログラフィック光学ピンセットシステムを用いて、基板を加工処理するための光の多数の個別に制御可能な三次元スポットを作成する。スポットは基板を横切って動かされて、物質を除去し、同時に多数のチャネルを形成する。ホログラフィック光学ピンセットを用いることの利点は多い。多数のチャネルが同時に書き込まれて、製造時間を低減する。ビームは操縦可能であるため、顕微鏡戴物台の移動は必要ない。ビームは１５ｎｍ内に配置できるので、これは分解能を改良する。さらにまたホログラムは三次元であるので、複雑な三次元パターンが作成され得る。プラスチックのほかに、この技法は他の物質、例えばナノチューブ、塊状金元素、白金、チタン(tatanium)、ＤＮＡ、熱吸収体、コロイド球、ポリマー、バイオポリマー、量子ドット、製剤及び生体物質のうちの少なくとも１つに適用される。
【００９９】
ホログラフィックに生成した構成可能な金ワイヤ
ホログラフィック光トラッピングは、レーザービームによる金ナノ粒子の操作を可能にする。ベッセル・ビームを用いて、金粒子の線が作成されて、効果的に金製のワイヤを作成し得る。これらのワイヤは、下記のように動力学的に再構成され得る。多重ベッセルトラップを作成する能力は、相互連結物の複雑なネットワークが生成され得る、ということを意味する。
【０１００】
ホログラフィック光学ピンセットは、三次元領域での時間依存性点様位置を限定し得る。限定される点は、これらの点に又は付近に、物体を選択的に引き付ける（又は保持する）か、或いははねのける（又は除外する）別個の容積の光強度である。したがってこの光は、空間における選択的位置のアレイを形成する。これらの点の時間依存性制御は、各々の個々の位置が、異なるサイズ、形状又は組成を有する１つ又は複数の物体を含有し得る選択的位置の移動アレイを可能にする。さらに個々の点又は点の収集物は点滅され、それによりアレイ位置を調子を合わせて出現、消失させ得る。
【０１０１】
本発明は、空間における時間依存性アレイの形成に対する延長であり、アレイ位置間に種々の型の連結を形成することを包含する。点様光強度領域というよりむしろ一次元領域を提供する光の形態（例えばベッセルビーム）を用いて、相互連結点のネットワーク構造が三次元領域で形成され得る。このネットワーク構造は時間依存性であってもよく、即ち特定点間の連結は種々の時間に点滅され、或いは移動され得る。このような動きは、上記のようなアレイ又はいくつかのその他の方法で限定される点により限定される点の収集物の動きを追跡し得る。例えば物体は、いくつかのその他のメカニズムを用いて空間に固定され得る。さらに新規のアレイが、上述した点のアレイ上に重ね合わされて形成され得るか、或いはこのようなアレイと完全に独立して形成される。この新規のアレイは、形成される光の二次元構造の端点によって限定される。
【０１０２】
このようなネットワーク構造の一例は、その平均サイズがネットワークを形成する光の波長での粒子の皮膚深度のオーダーであるか又はそれより小さい伝導性粒子の溶液中で算出される光強度最大値の一次元ネットワークの存在により作成される、伝導性ネットワーク（又は「ワイヤ」）に形成する、伝導性ナノ粒子（例えば金粒子）の集中である。
【０１０３】
別の例として、粒子の混合物を考慮することは有用である。それらの粒子のサイズより大きいサイズを有するものもあれば、これらの他の粒子の皮膚深度より小さいサイズを有するものもある伝導性粒子のこのような溶液中では、前の例で記述された光のネットワークは第１の型の粒子の線状連結を、そのような(sae)線状ネットワークに伴って、第２の型の粒子を除外したワイヤを作り上げる。より大きな及びより小さな粒子が異なる伝導率を有する場合、２つの型の粒子の牽引及び反発の程度の変更は、線状構造の端点（アレイ「点」）間の種々の抵抗を有するネットワークを生じる。このようにして、可変性抵抗がネットワーク構造全体を通して得られ得る。
【０１０４】
この考え方についての本発明の拡大部分は、光の表面を作成することにより閉鎖一次元構造の収集物間の連結を形成することである。この概念の適用は、電気浸透性分離を光蠕動性(peristoltic)又はその他の光学的選別メカニズムと組合せるための仮想コンデンサーの作成、或いは負の誘電体のような光学的誘導性層理を用いた複雑な新規の光学素子の作成を包含する。
【０１０５】
固定拡散又は運動性物質の迅速破壊、融除又はキリング
製造及び加工処理に際して、重要な工程はしばしば、化合物、物質、廃棄物又は生物学的素子の除去、破壊、融除又はキリングである。光は、上記のくず除去、破壊、融除又はキリングのためのエネルギー源として用いられ得る。広範に変化し、制御される力及び空間分布を伴う光のビームは、スキャニングにより、並びに集束メカニズムにより物質に適用され得る。これらのビームは、精確に除去、切断、形成又はキリングし得る。以下で考察するように、その作用は試料を形作ると言及される。一手段は、ガルボ駆動鏡を用いて、一領域から形成、除去、破壊又はキリングが起こるのが所望される別の領域にパルス化ビームを移動する。
【０１０６】
例示的一手段は、代替的反射性（又は吸収性）及び透過性物質の制御アレイが光により影響を及ぼされる試料の上に置かれる。このようなアレイの例は、ＭＥＭＳ鏡アレイ、及び、光の一分極を伝送する相アレイである。アレイの全ての部分が反射（又は吸収）様式である場合、系は止まっている。アレイの素子の選択的作動は、時間及び空間的依存方式で、形成作用を作動する。一試料の両連続形成が実行され得る。試料空間を通して移動する試料物質の場合、１つ又は複数の形成パターンが、アレイを通り過ぎる試料に押しつけられる。測定システム及び形成ツール間のフィードバックは、試料依存性形成パターンを試料に押しつけるために用い得る。このシステムは、パルス化又は連続光源を用いて実行され得る。光の１つ又は複数のビームを用いて制御アレイを照明し、それにより形成力を提供し得る。或いは１つ又は複数の回析光学素子を用いて、制御アレイの各素子に関してビームを作り出し得る。単数又は複数の回析光学素子が動力学的である場合、例えばＳＬＭの場合、回析光学素子は、一デバイス中で多重ビーム作成機能及び制御アレイ機能の両方を遂行し得る。
【０１０７】
別の実施形態は、音響光学セル（ＡＯＣ）を通して向けられる単一光ビームを用いる。このような配列を用いて、試料中の異なる領域に光を向け得る。パルス化光源を用いて、光は、形成を必要とする１つ又は複数の試料上の部位に向けられ得る。このようにして、単一レーザーを用いて、一試料領域中の多数の部位を形成し得る。形成が所望されない場合の光パルス中、ＡＯＣはその光パルスを、試料領域の外側のビームブロックに向け得る。
【０１０８】
この手段は、連続ビームを用いても実行され得る。ＡＯＣの上流の制御ビーム断続装置は、ＡＯＣ性能及び形成されている試料と一致した方法で、連続形成を、又は光ビームの点滅を遂行する選択肢をユーザーに与える。測定システムと形成ツール間のフィードバックを用いて、同様に試料依存性形成パターンを試料に押しつける。
【０１０９】
ホログラフィック光学ピンセットを用いた熱ベースのトラッピング
概して、強力吸収体上でレーザーピンセットにより生成される熱作用は、非吸収性検体であっても、その上でのトラッピング作用よりはるかに強力である。ホログラフィック光学ピンセットは、物体操作のためのこれらの熱作用の利用を可能にする。吸収性粒子は、先ず、ホログラフィックに生成された光学ボトルでトラップされ得る。次にこれらのボトルは物体近くに移動される。その後、ポイントトラップが次に吸収性粒子上に形成される。次に大きな流れが生じ、これを用いて隣接粒子の動きを導き得る。さらにまた熱作用を用いて、所望の媒体及び粒子流動を作り上げるために、特殊化トラップ粒子、蒸着粒子及び特殊化領域を加熱し得る。
【０１１０】
別の実施形態では、パターンの中心に向かって粒子を追いやる傾向がある流れを生じる、レーザーの一パターンで加熱され得る吸収性物質の層を、その上に蒸着された小室を用いることにより、それらの粒子がパターンにより確定された一定半径内に存在する場合に、粒子は二次元でトラップされ、操作される。
【０１１１】
さらに別の実施形態は、２フォトンプロセスで吸収する流体を包含する。これは、トラップ位置での優先的加熱を可能にする。適切な三次元パターンで加熱することにより、パターンにより確定される一定半径内のパターンで、粒子は加熱パターンの中心に引き寄せられる。
【０１１２】
微小流体流の制御のためのホログラフィック光学ピンセット
ホログラフィック光トラッピングは、広範囲の用途を可能にした非常に多能な技法である。しかしながらレーザーを用いたトラッピングは、レーザートラップにより生成される力が本来、比較的弱い、という事実を欠点として有する。しかしながらレーザートラップの熱作用により生成される力は、非常に強力であり得る。これらの熱作用は、顕微鏡的吸収体、例えばグラファイト粒子を、当該システムに導入することにより実現され得る。これらの粒子を微小流体チャネルに埋め込むことにより、大きな流体流が生成されて、強力なポンプのエネルギー源を提供し得る。さらにホログラフィック光トラップの多能性は、これらのポンプが多数であることを可能にし、それらの三次元位置決定を可能にする。
【０１１３】
該システムの別の実施形態は、表面上に吸収性パターンを蒸着することを包含するが、これは、パターンに従ってどこででも表面の指示された加熱を可能にする。ガラス表面上にレーザー放射を吸収する物質の薄いコーティングを蒸着することにより、任意の位置で加熱して、非常に精確に流れを設計させる表面が生成される。ホログラフィック光トラッピングは、複数のトラップを作成させ、その各々は可変性力を有し得る。これは、随意の経路に粒子を動かす流れを形成させる。さらに、トラップは動力学的に置かれるので、流れは調子を合わせて容易に再構成されて、種々の形態の化学的加工処理及び流体計算を可能にする。
【０１１４】
適切な流動パターンの算定では、静電場との類似性が助けとなる。それらの最も簡単な形態の流れは二次元性であり、別個の粒子、パターン又は連続表面のいずれかの加熱に起因する。これらは、流動が基本的に対流性であり、したがって三次元性であるので、偽二次元性である。しかしながら加熱が生じ、それにより二次元システムを回収する流れの層に焦点を合わせるためには有用である。これは、しばしば運搬されている粒子又はパケットがそれらの周囲流体と密度整合性でないので、多くの場合、現実的である。
【０１１５】
三次元流でさえ、レーザー放射を吸収する流体を用いることにより形成され得る。三次元トラップを作成する能力は、三次元小室中のあらゆる場所の加熱を可能にする。２フォトンプロセスで吸収するだけの流体を用いることにより、加熱は、トラップの正面及び後ろの円錐形の光というよりむしろ、トラップの焦点に限局され得る。ベッセルビームは、カラム中で加熱するために有益に用いられ得る。光の他の様式が同様に利用され得る。熱作用は、単独で、又は光トラッピングと組合せて、粒子を操作するために用いられ得る。
【０１１６】
ホログラフィック光トラッピングは、微小流体流のために用いられるホログラフィック光学ピンセットと組合せられ得る。標準ホログラフィック光トラッピング静的及び動的選別技法は全て、熱技法を用いて生成される流れ中の粒子に作用を及ぼすために用いられ得る。
【０１１７】
微小流体デバイスの光学的制御
微小流体チップは、流体で充填され得る、周囲物質中に作成される開放チャネルを含む。しばしば、チップは平坦であり、この場合、チャネルは全て平面に存在する。このようなデバイスは、例えば物質の平坦表面に形成し、その面に第２平坦物質を結合することにより製造され得る。より複雑なデバイスは、チャネル中で三次元（３Ｄ）であり得て、全て単一平面に存在するわけではない。このようなデバイスは、例えば、その各々がそれらの中に限定されるチャネルを有するＰＤＭＳの多重薄層のスタックを結合することにより、製造され得る。
【０１１８】
微小流体デバイスを構築するために多数の技法が確立されてきたが、微小流体チップ内の流体又は溶液の制御は、依然として難しい。３つの一般的流動制御法が存在する：（１）１つ又は複数のチャネル入口及び出口の圧が、例えば注射器ポンプ又は空気膜で制御される圧力駆動流。たいていの場合、すべて又はほとんどすべての入口及び出口の圧は、精確に制御されることが好ましい。（２）２又はそれ以上のチャネル入口及び出口での電圧が制御される熱電気浸透流（ＥＯＦ）。流体及びチャネル壁特性の適切な制御により、壁に沿ったイオン濃度がチャネル表面に沿って流動し、それによりチャネル中の流体を引っ張り得る。（３）チャネル壁に対して柔軟性物質を用いた空気制御下での固有の蠕動性バルビング／ポンピングは、流動性チャネル近くの弁に拡大され得る空気制御下での隣接空気チャネルを作成させる。多数の弁が互いに隣接して配置されて、蠕動性ポンプを形成し得る。
【０１１９】
これらの技法の各々において、該システムは好ましくは完全に又はほぼ完全に閉鎖される。構成部分は好ましくは、圧力が変更される場合、非常に長い緩和時間をもたらす構成部分の延伸を回避するよう、かなり剛性であるべきである。制御ラインの数は、入口及び出口の数(nutriber)と線状に比例する。したがってそれは、２〜３だけより多い入口及び出口としてはかさ高く、且つ費用が掛かる。
【０１２０】
ＥＯＦ中の流れは、精確に制御するのが難しい。表面は、好ましくは極再現可能な仕方で調製される。流体は、好ましくは適切な且つ制御された特性を有する。単一チップの作用は、劣化する傾向がある。同様の方法で製造される多数のデバイスはしばしば異なって作用する。遅い流れ（＜１０ｕｍ／ｓ又は１００ｕｍ／ｓ）に関しては、異なる入口及び出口における流体カラム中のほんの小さな変動により、光学ピンセットが圧力駆動流に対して粒子を保持し得るものがＥＯＦ流を支配し得る。したがって、ＥＯＦは迅速流のために最も良く機能し、また、システム化学上の精確な制御が重要である。
【０１２１】
多重性の可能性により、空気制御ラインは、圧力駆動流及びＥＯＦより良好に高くなる。しかしながら多数のかさ厚く且つ費用のかかる圧力マニホールドは，微小流体チップを制御するために重要であり得る。制御ラインは、好ましくは初期チップ設計に組み込まれ、非常に複雑なチップを生じ得る。いくつかの場合、制御ラインは、可能であるか又はチップそれ自体の費用に付加するチップ設計を限定し得る。
【０１２２】
本発明に従って、光に直接的に応答する適切に構築された微小流体デバイスが作成され得る。一操作は、軟質物質チップ（例えばＰＤＭＳから作られるもの）中に光吸収染料のポケットを製造することである。適切な波長及び強度を有する光が染料受器上で照らされる場合、受器は膨張し、チャネルを押して、部分的に又は完全にチャネルを閉鎖する。光は、受器上に合焦されるか、或いは別の形状の、平行ビームであり得る。第２の表徴は、連続軟質チップ物質（例えばＰＤＭＳ）中に光吸収性染料を組入れることである。光がチップ壁の領域上で照らされる場合、光吸収性染料は光を吸収し、加熱し、膨張する。十分な光がチャネルに隣接するチップ壁の領域上で照らされる場合、チャネルは部分的に又は完全に閉鎖されて、弁を作り出す。この表徴において、特別の努力又は考察が設計時に成され得なかったとしても、弁はチャネルの任意の部分で生成され得る。ほとんどの表徴において、多数のこのような弁は、１つ又は複数の蠕動性ポンプを生成するよう結合され得る。
【０１２３】
複雑な３Ｄ微小流体チップに対して、光誘導性バルビングは、良好に高まる。壁物質は実質的に光に透過性であり得るので、他のチャネルにより取り囲まれるチャネルを弁で調節し得る。これは、加熱が所望される位置の一点に光を合焦することにより実行される。したがってバルビング又はポンピングに関して３Ｄ微小流体デバイスを可能にすることは、一般にバルビング又はポンピングに関して２Ｄ微小流体デバイスを可能にすること以上の努力ではあり得ない。
【０１２４】
流れを制御するために、この設計は、空気制御チップと同一の利益の多くを共有する。流体カラム高を制御し、各入口及び出口上の圧力を制御し、或いは表面及び流体化学を精確に制御する必要がない。その代わり、蠕動的ポンピングは局所的に制御され、流量は、幾何学及び光がパルスされる速度により示される。したがって設計は、エージング、表面化学、流体特性及び外部環境因子に対して強健であるべきである。
【０１２５】
流体チップ中に光トラッピングをすでに用いているシステムに関して、この設計は、光学ピンセットが、物体を操作するためだけでなく、微小流体バルブを制御するためにも用いられ得る、という付加的利益を有する。
【０１２６】
バブル又は細胞注射のホログラフィック光学的制御
近年の報告は、超音波的作成バブルが、衝撃波からの圧力パルスでヒットした場合、長いプロボシスを生じ、これは細胞膜を貫通するために用いられ得る、ということを実証した。ホログラフィック光トラップを用いて生成され得る相プロフィールの多能性のため、これらのトラップを用いてバブルを操作し得る。これは次に、これらの技法の組合せが細胞膜を貫通するための完全制御可能ツールを可能にする、ということを意味する。衝撃波発生の多重源の使用は、プロボシスの配向を可能にする。実際、ホログラフィ的発生音波は、この配向の精密制御を可能にする。
【０１２７】
ゼプト注射器
ホログラフィックピンセットは、微小流体構成部分を駆動するに際しての重要な目的にも役立ち得る。顕微鏡的量の試薬を用いた洗練された試験を可能にするラボオンチップ用途は、ポンプ及び弁のような構成部分を有する微小流体小室を要する。流体の精確且つ均一注射を要する用途に関しては、球体がトラップされ、球体の直径と同様の直径を有するカラムを通して押し出される。カラム中の任意の流体がカラムから押し出され、マイクロシリンジを形成する。１０ｎｍピンセット操作分解能により、また、１０の位のマノメーターのサイズに過ぎない物体をピンセット操作する能力により、このマイクロシリンジは、１／１０，０００フェムトリットル又は１０の位のゼプトリットルで測定される精度で流体を押し出し得る。これは、極小量に過ぎない試薬が利用できる、又はこのような試薬の費用が法外である実験を容易にする。中心小室を取り囲む一連のこのような注射器は、精確な時限列でのホログラフィックピンセットにより制御され、これが、種々の化学物質又は生物学的分子間の複雑な相互作用の、初めての試験を可能にする。重要であり得る任意の弁は、ピンセット操作球体を用いてチャネルを遮断又は非遮断することにより、容易に実現される。このラボオンチップは平面的でなくともよい。三次元でピンセット操作する能力は、複雑な幾何学、例えば同時的に駆動され得る小室のスタック、或いは球状マイクロインジェクション小室を可能にする。
【０１２８】
介在流体により媒介される球体及び周囲壁間の静電力は、非常に大きいことがある。これらの力は、光学ピンセットが行使し得る約１００ピコニュートンより容易に大きくなり得る。これは、このような接着が起きる可能性を回避することが重要である、ということを意味する。これを実行する一方法は、チューブ中の溶液のイオン強度を制御することによる。それは非常に低いイオン強度を有する選り抜きの少数への注射のために利用可能な試薬を低減するため、一般的解決として、これは難しい。より良好な解決法は、それらの表面に繋ぎとめられたポリマーを有する微粒子(inicrosphere)を用いることである。これらのポリマーは、立体反発力により表面への球体の接着を防止する。ポリマーは、非常に短く、典型的にはマノメーターの長さであり、注射器の流体ポンピング機能を妨害すべきでない。
【０１２９】
しばしば生物学的細胞又は小物体は、特定の用途のために変更される必要がある。これは、物理的変化、例えば細胞膜の切断又はポリマーの変形、或いは化学的変化、例えば細胞中への特定のタンパク質又はＤＮＡ配列の導入を必要とし得る。これを成し遂げるための方法は、標的物体を貫通し、変形し、又は別の方法で影響を及ぼす発射体として本質的に役立つ小物体の使用を包含する。発射体、例えばビーズは、短いレーザーパルスに対する応答のために選択される。１０ナノメートル〜１０ミクロンの範囲内の発射体が、この目的のために用いられ得る。例えばバングス・ラボラトリー（Bangs Laboratories, Inc.）は、この目的のために用いられ得る０．９７ミクロン直径シリカビーズを製造する。発射体は、それが選定レーザーパルスでヒットされる場合、大運動量を付与される。試料（例えば顕微鏡スライド）中の発射体の位置決定は、光学ピンセット装置を用いて実施され得る。ホログラフィック光トラッピングデバイス、例えばＡｒｒｙｘ  ＢｉｏＲｙｘ(登録商標）２００システムの使用は、付加的機能性を付与する。発射体が所望位置で標的近くに置かれると、レーザーパルスが合焦され、標的に発射される。このパルスは、レーザーカッター、例えばＭｉｃｒｏＰｏｉｎｔ２２０３（商標）（Photonic Ins（登録商標）truments, Inc.）により発生され得る。生成した熱及びもたらされる運動量は、標的物体に様々な影響を及ぼし得る。発射体は細胞を貫通するために用いられ、さらに特定の化学物質を送達するために、又は細胞内の細胞小器官及び構造体に物理的に作用するために細胞内で用いられ得る。これは、遺伝子銃と同様の方法で、しかし個々の細胞を選択的に標的化する能力を用いて、発射体の特定の型（例えばタングステン製のもの）に関する要件を伴わずに、用いられ得る。或いは発射体は、縁近くに配置される場合、標的物体の縁を変形するか又は切断し得る。発射体はまた、標的物体中に埋め込まれるようになるか又はそれを完全に通り抜けることもある。ホログラフィック光学ピンセットを用いて、任意数の発射体が、一群の細胞上に、能動的に又は受動的に配置され、連続的に発射され得るが、レーザーパルスの発射速度及びパルス焦点が移動され得る速度により制限され得る。レーザーパルスエネルギー、持続期間、波長並びに発射体のサイズ及び構成の組合せが、発射体に付与される運動量を確定する。これらのパラメーターは、標的中への発射体の貫通を制御するために調整され得る。例えば細胞壁、細胞質又は細胞核中への貫通制御が、全て達成され得る。
【０１３０】
上記の導入的説明を以下でさらに詳述する。例えば本発明は、表面上のパターンにこのような物質を蒸着するために、非物質を操作するよう適合される。
【０１３１】
図４Ａ及び４Ｂは、延長ナノ構造体の操作のための技法を示す。種々のナノ物質、例えばナノ粒子及びナノ構造体は典型的には液体媒質の容積中に懸濁される、と理解されるべきである。図４Ａにおいて、ナノチューブ１００は、例示的延長ナノ構造体として示された媒質１０１中に懸濁される。ナノチューブ１００は、末端部分１０２を有する。末端１０２は、ナノチューブ１００と相溶性である中間種によりコロイド球１０４に結合される。中間種１０４は、工業用ポリマー又はバイオポリマーであり得る。コロイド球１０４は、中間種と相溶性であるよう、適切に機能化され得る。
【０１３２】
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、光トラップ１０８は、個々のコロイド球１０４をピンセット操作し、且つ個別に種々の方向に球体を移動するための光学ピンセットとして用いられ得る。例えば図４Ｂでは、球体は、チューブ１００から延伸するよう反対方向に動かされ得る。或いはチューブ１００は、実線で示す位置と点線で示す位置との間で互いに関して球体を回転することにより、空間で配向され得る。
【０１３３】
図５Ａ及び図５Ｂは、前記の図と同様の配列を示すが、但し、この配列では、ナノ粒子１１０はナノチューブとともに液体媒質１０１中に懸濁される。チューブ１００の末端１０２が標的化され、且つナノ粒子１１１に沿って光トラップ１１２中に捕捉され、したがってナノ粒子１１０が末端１０２の周囲で合一し、又は集合して、ナノハンドル１１０’を形成し、これがチューブの操作を促す。その他のナノ構造体は図４及び５の実施例に従って操作され得る、と理解されるべきである。さらにナノ物質の他の形態の操作、選別、蒸着及び除去は、本明細書中で後述されるように達成され得る。
【０１３４】
図６Ａは、異なるナノ構造体１２０Ａ及び１２０Ｂが共通培地中に置かれる配列を示す。構造体は、種々の長さのナノチューブ、又は検知可能な特性を有するその他の構造体であり得る。図６Ａでは、当該特性はナノ構造体１２０Ａ及び１２０Ｂの長さである。長さｌａを有するナノ構造体１２０Ａは、一対の間隔を置いた光トラップ１２２Ａにより捕捉される。間隔は、ナノ粒子１２０Ａの長さに対応する。同様に長さＬＢを有するナノ粒子又は構造体１２０Ｂは、一対の適切な間隔を置いた光トラップ１２２Ｂにより捕捉される。トラップの長さ又は形状は、異なる長さのナノ構造体間を識別するのを可能にし、したがってトラップは、ナノ構造体を捕捉し、別個の位置にナノ構造体を移動することにより分離され得る。
【０１３５】
図６Ｂは、多構成部分ナノ構造体を示す。例示的構造体は、例えばＤＮＡ分子１３０であり、これは、光トラップ１３４Ａ及び１３４Ｂによりそれぞれの鎖の各々の対応する末端１３２Ａ及び１３２Ｂを固定し、図に示すようにトラップを移動することにより、分離鎖１３０Ａ及び１３０Ｂに分離され得る。トラップの引張り力は鎖を分離し、且つ塩基対結合１３３を無力にする。
【０１３６】
上記の教示を用いて、コロイド球又はナノハンドルを同様に鎖の末端に結合することにより、分離工程を増強し得る、と理解されるべきである。
【０１３７】
図７Ａは、ナノ構造体、例えばナノチューブ１４０が光トラップ１４４に捕捉されたその末端１４２を有する技法を示す。図７Ｂでは、チューブ１４０の一捕捉末端は、末端１４２が相溶性表面１４６に固定されるように操作され得る。このようにして、１つ又は複数のナノチューブが、表面と直角を成す軸アラインメントと平行に表面上に固定されるか又は蒸着され、その自由末端は、図示すように表面１４６から分離される。
【０１３８】
或いは、図７Ｃにおいて、ナノチューブ１４０の末端１４２Ａ−１４２Ｂはともに、対応する光トラップ１４４Ａ−１４４Ｂ中に捕捉され、且つ末端は、基板１４６上に各チューブが結合されて蒸着されるよう、操作され得る。この例では、チューブは、表面１４６の平面中の軸アラインメントと平行に対称パターンで整列される。
【０１３９】
図８Ａに示すように、金元素塊を含むナノ物質は、一列に蒸着されて、非常に薄い金導体を形成する。金ナノ粒子１５０は光トラップ１５２中にトラップされ、且つ蒸着のために基板１５４に選定パターン１５６で運搬される（図８Ｂ）。或いは、図８Ｃに示すように、パターン１５８は、修正されるか又は改良され得る。上記のように、又は他の方法、例えばフォトリソグラフィーにより生成され得るパターン１５８は、人工産物１５８Ａを有する。人工産物はパターンに結合されてもよく、又はパターンに近いどこかに配置されてもよい。人工産物は、表面１５４から人工産物を融除するか又は除去するための光トラッピング技法を用いることにより、除去され得る。
【０１４０】
図８Ｄにおいて、電極１６０は基板１６２上に蒸着される。電極は、長方形の形態である。図８Ｅでは、電極は線１６４に沿って蝕刻されるか又は融除されて、電極１６０を領域１６０Ａ及び１６０Ｂに電気的に分離する。
【０１４１】
別の例示では、ナノ粒子、マイクロ粒子、ピコ粒子又はその他の物体が他の物体に挿入されるか又は結合され得る。例えば図９Ａでは、細胞１７０は細胞壁又は膜１７２を有する。ナノ粒子、例えば遺伝子１７４は、光トラップ１７６により壁１７２に隣接して配置される。その後、光の強力なビーム１７８、例えばレーザービームを用いて、細胞壁１７２に隣接する遺伝子１７４（又はＤＮＡ若しくはＲＮＡのその他のポリマー若しくは粒子）を標的化し得る。レーザービームが粒子に向けられると、ビーム圧が細胞壁１７２中に遺伝子１７４を埋め込み（図９Ｂ）、又はビーム圧が十分に増大される場合は、ビームは細胞壁１７２に開口１８０を形成して、遺伝子１７６を細胞の内部１８２に運搬する（図９Ｃ）。或いはトラップ１７６を用いて、粒子１７４を適所に移動し得る。
【０１４２】
図９Ｄ〜図９Ｆは、細胞壁１７２を貫通するか又は切断するための本発明の実施形態を示す。該配置において、１つ又は複数のナノバブル１８０が流体１８１の容積中に生成される。バブル１８０は、超音波源又はヒーターのような供給源１８４により生成され得る。ナノバブル１８６は、光学的にトラップされ、且つトラップ１８７により細胞膜１７２に隣接した適所に保持される。流体媒質１８１中に提供される音響源１８８は、活性化されると、媒質中に衝撃前線１８９を生じる（図９Ｅ）。音響前線１８９は、トラップ化ナノバブルを変形し、且つバブル壁中にプロボシス１９０を生じ、これが細胞膜１７２を貫通する。プロボシスの貫通深度は、細胞壁を切断するために（図９Ｆ）、又は壁中にナノ粒子を埋め込むための開口を単に提供するために制御され得る。例えば遺伝子セグメント又はその他のナノ構造体は、細胞の外側で光トラッピングされて、その後、図に示すように細胞壁中の開口１９２中に、及び開口１９２を通して配置され得る。
【０１４３】
図１０Ａ〜図１０Ｄは、チャネル又は他のナノ体が物体１９３の表面上及び表面中に形成され得る技法を示す。レーザー光の強力なビーム１９４が、物体１９３の表面１９５に向けられる。ビーム１９３は、ゆるく結合した粒子を取り除き、又はより高いエネルギーを用いて、表面１９２を蝕刻して、その中にナノチャネル１９６を形成する（図１０Ａ〜図１０Ｂ）。その後、カバープレート１９８が、図１０Ｃに示すように物体の上面１９２に固定されて、閉鎖チャネル２００を形成し得る。チャネルは種々の形態をとり得て、且つ相互連結してマニホールド又はその他のパターン化チャネル２０３を形成して、微小流体デバイスを形成する（図１０Ｄ）。
【０１４４】
図１１Ａ〜図１１Ｂは、下流位置にナノ量の試薬を送達するためのナノデバイス２１０を示す。デバイス２１０は、その中に形成されたチャネル２１４を有するブロック物質２１２を含む。ナノチャネル２１４内に適合するようなサイズのナノスフェア２１６は、トラップ２１６中に捕捉され、ある量の試薬２１８とともにチャネル２１４中に置かれる（図１１Ｂ）。ナノスフェア２１６は、チャネル２１６内に光トラッピングされて、且つその中で矢印方向に前後に動かされる。長さＬ及び直径Ｄのナノチャネル２１４が、容積を限定する。ナノチャネル２１４中で長さｌに亘ってスフェアを動かすことにより、測定量の試薬２１８が置き換えられる。このようなデバイスは、極小量の試薬（例えばゼプトリットル）を送達し得る。
【０１４５】
図１２Ａ〜図１２Ｃは、本発明の別の実施形態を示すが、この場合、ナノ粒子１３０は、流体媒質１３６を含有する空間１３４内の表面１３２上に光トラッピングすることにより蒸着され得る。ナノ粒子は、パターン化され得る。例示的実施形態では、ナノ粒子は４×４パターン１３８で配置される。粒子１３０が熱吸収体である（即ち、粒子は媒質に対して優先的にエネルギーを吸収する）場合には、レーザービーム又はトラップ１４０を用いて当該パターンで粒子を選択的に照明することにより、種々の流動パターンが媒質中で設定され得る。
【０１４６】
図１２Ｂでは、粒子１３０は光トラップ１４０により照明される。粒子はエネルギーを吸収して隣接媒質１３６を加熱し、そこに対流１４２を引き起こす。
【０１４７】
図示すように、媒質１３６はその中に分散された他のナノ粒子１４２を有し得る。これらはまた、光により、若しくは流体流により、又はその両方により、トラップ１４０に引き付けられ得る。トラップへのエネルギー供給を変更することにより、所望の対流及び粒子流が確立され得る。容積内の流体の循環を保持しながら、懸濁粒子を別のトラップ１４６でトラップすることもできる（図１２Ｃ）。
【０１４８】
図１２Ｃは、三次元配置での流れ制御を示す。トラップ１６０のパターンは、媒質１６４の容積１６２中に確立される。粒子１６０は、トラップ１６６により選定位置に置かれ得る。該配置では、垂直方向に配置された粒子１６０Ｖは、媒質中に垂直流（矢印Ｖ）を生じる。水平方向に配置された粒子１６６Ｈは、媒質中に水平流（矢印Ｈ）を生じる。このような電気的トラッピングパターンを用いて、対応する垂直及び水平加熱並びに流動パターンＦＶ及びＦＨを三次元で確立し、変更し得る。
【０１４９】
例示的一実施形態図１２Ｄでは、粒子１６０は、その内部が相対的に冷たいベッセルトラップ１７２（光学ボトル）中にトラップされ得る。ポイントトラップ１７４がベッセルトラップ上に重ね合わされる場合、その内部は照明されるようになり、且つ粒子１７０はエネルギーを吸収して、且つベッセルトラップ又はボトルと独立して流体流を生じ得る。
【０１５０】
図１２Ｅを参照すると、他の流動パターンが多重トラップの整列を用いて確立されるが、この場合、粒子１７０はベッセルトラップ１７４中に置かれ、且つトラップの交互に並んだカラムはポイントトラップ１７４により照明されて、上方流を作り出す。交互カラム中の粒子は、依然として相対的に冷たい。その結果、下方対流低部Ｆが大きく且つ変更されたパターンで生成され得る。
【０１５１】
図１３Ａは、チャネル１８４Ａ〜１８４Ｃにより相互連結された小室１８２Ａ〜１８２Ｄを有するラボオンチップ１８０を示す。種々の小室１８２Ａ〜１８２Ｄの間で逐次的に小室内で流体及び粒子が移動するよう、流動パターンが確立され得る。光トラップ１８６を用いて粒子をトラップし、且つ小室間でさまざまに粒子を移動し得る。或いは例えば図１２Ｂに記述したような熱流動が、１つ又は複数の種々の小室内に確立されて、小室間に流動パターンを生じ得る。
【０１５２】
図１３Ｃは、その中に小室１９２及び１９４を有するブロック１９０を示す。小室１８２及び１８４は、チャネル１９６により連結される。チャネルを介して小室間に流れが生じる。ブロック１８０を形成する物質は、弾性ポリマー物質、例えばその中に分散された吸収性ナノ粒子１９８を有するＰＤＭＳであり得る。チャネル１９６に隣接した領域２００中のナノ粒子が光トラップ２０２により標的化される場合、粒子はエネルギーを吸収して、且つチャネルの周辺の物質を膨張させ、それによりチャネルを閉鎖させる（図１３Ｃ）。トラップがオフ状態である場合、物質は冷却し、且つチャネル１９６が開く。
【０１５３】
図１３Ｄは、本体２０６中に形成されたチャネル２０４が多数の供給路２０８Ａ〜２０８Ｄを有する配置を示す。各供給路及びチャネルは、トラップ２０９により標的化され、それによりトラップが選択的に適用され得る。
【０１５４】
図１３Ｅは、チャネル２１０が本体２１１中に形成される配置を示す。トラップ２１２Ａ〜２１２Ｃは、位置２１４Ａ〜２１４Ｃで選択的に適用される。トラップが順に（例えば２１２Ａ・・・２１２Ｂ・・・２１２Ｃ・・・２１２Ａ・・・）活性化される場合、チャネル２００壁は位置２１４Ａ・・・２１４Ｂ・・・２１４Ｃ・・・２１４Ａ・・・で対応する順序で閉鎖する。同様に、各トラップがオフ状態になると、チャネル壁の対応する部分は再開する。したがって、チャネルに沿って蠕動性行動により流れが生じる。
【０１５５】
図１３Ａ〜図１３Ｅでは、チャネルの領域でレーザーをパルス放射して、チャネル中にポンピング作用を生じることもできる。例えば１つ又は複数のトラップ位置がチャネルに沿って確定された場合、レーザートラップを周期的に点滅して、チャネル内に圧力の揺らぎを引き起こし、これが上流又は下流脈動と組合せられると、蠕動性ポンピングが達成され得る。
【０１５６】
図１４Ａは本発明の別の実施形態を示すが、この場合、流体媒質２３２の容積２３０は、その中に懸濁されたある濃度のナノ粒子２３４を含有する。表面２３６及び２３６’は、対応する接点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＡ’、Ｂ’、Ｃ’により形成される。光トラップ、例えばベッセルビーム２３８が、接点Ａ及びＣ’間に確立される。その結果、ナノ粒子２３４が集まり、且つ経路２４０に沿って集塊して、図示すように接点Ａ及びＣ’を相互接触する。
【０１５７】
図１４Ｂでは、ベッセルビーム２４４は、伝導性経路２４８を生成する。経路２４８は、接点Ｂ及びＡ’を連結する。ベッセルビームは選択的に活性化され、且つ脱活性化されて、それにより種々のその他の伝導性経路が該表面間に確立され得る。
【０１５８】
図１４Ｃは、流体媒質２５０が２つの型のナノ粒子２５２及び２５４を含有する本発明の一実施形態を示す。図示した配置において、粒子２３２は、ナノ粒子２５４の伝導率とは異なる選定伝導率を有する。ベッセルビーム２５６が適合されて、伝導性粒子２５２を引き付けて、接点Ａ及びＡ’間に伝導性経路２６０を形成する。同様に、接点Ｂ及びＢ’間に経路２６２を確立するべく、伝導率サイズ、キラリティ又はその他の特徴に基づいて、ベッセルビーム２６１が適合されて、ナノ粒子２５４を引き付ける。経路２６０及び２６２の伝導率は、ナノ粒子のそれぞれの伝導率にしたがって異なり得る。
【０１５９】
図１４Ｄでは、伝導性経路２６４及び２６４’が、それぞれ接点Ａ−Ｂ及びＡ’−Ｂ’間に確立され得る。その結果、伝導性経路２６０、２６４は一緒になって、媒質を通過する、且つそれ自体を、及び組合せ平行抵抗として表徴する(manifest)表面間に、伝導性経路を確立する。
【０１６０】
図１４Ｅでは、ベッセルビーム２６８及び２７０は、伝導性経路２７２及び２７４を生成するよう改造され得る。伝導性経路２７２は低抵抗ナノ粒子から形成され、且つ伝導性経路２７４は低伝導性ナノ粒子から形成されて、それにより一連の抵抗を形成する。それぞれの伝導性経路２７２及び２７４のそれぞれの長さＬＡ及びＬＢは、表面間に可変性抵抗を確立するよう変更され得る。
【０１６１】
図１４Ｆは、複数のナノ導体２８２Ａ〜２８２Ｇを含む切換可能な式ワイヤ２８０を示す。導体は、電流を支持するのに十分に近位でベッセルビーム２６４中にトラップされる。
【０１６２】
図１４Ｇでは、ベッセルビームはオフ状態であり、且つ１つ又は複数のナノ導体、例えば２８２Ｄが拡散し、それにより回路を開かせる。この実施例における電流は、開路であるが、電流はゼロである。ビームのスイッチが元に戻されると、導体２８２Ｄは接近して引っ張られ、それにより電流が流される。
【０１６３】
或いはベッセルビーム２８４は、残され、且つナノ導体２８２Ｄが、図示すようにビーム内の最大位置間のポイントトラップ２８８により切換され得て（この場合、電流はオンである）、且つビームの外側の点線で示した位置では、電流はゼロである。
【０１６４】
図１５は、方法が例示される本発明の例示的実施形態を示す。本発明によれば、ナノ粒子は、本明細書中に上記したホログラフィック技法を用いてトラップされ、且つ操作される。しかしながら本発明の実行は、単に記載された設備を組み立てることによって達成されるわけではない。実際的及び効率的方法でナノ粒子を首尾よくトラップするためには、動的光学素子（ＤＯＥ）、例えば空間光モジュラー（ＳＬＭ）又はデジタル光プロセッサー（ＤＬＰ）を用いて、ナノ粒子の特質に関連する特質を有するホログラムを生成する必要がある。言い換えれば、所望の機能性を最良に達成するようなホログラムを見つけ出す必要がある。
【０１６５】
本発明による方法は、ナノ粒子の所望の操作の実際的履行を可能にする。例示的実施形態では、該方法は、動的光学素子（ＤＯＥ）を用いてレーザービームを変調することにより形成される光トラップを用いて１つ又は複数のナノ特質を有するナノ物質粒子を捕捉し、且つ操作することにより実行される。ナノ物質の少なくとも１つの特質が選択される。このような特質は、サイズ、伝導率、キラリティ、屈折率等であり得る。ナノ物質の少なくとも１つの選定特質に対応する選定波長を有するレーザービームが生成される。ナノ物質の少なくとも１つの選定特質に対応するＤＯＥに関する算定値が選択される。ビームはＤＯＥにより変調されて、少なくとも１つの選定特質に対応する特性を有するホログラフィック光トラップを生成する。例示的実施形態では、トラップは約１／４選定波長のスポットサイズに合焦され、且つビーム焦点は、その中に粒子をトラッピングするために粒子の近くに配置される。
【０１６６】
本方法は、最も有用で、安定した且つ非常に機能的なトラップを見出すためのツールとしてＤＯＥを用いることにより、実際的方法で実行される。この目的のために、ホログラムが選択される。その時、トラップはホログラムから生成される。その結果生じたトラップ機能性は、ヒト観察者により、又は自動観察機等により観察され、且つ結果によって、さらなるホログラムが選択される。十分に機能的で、安定し且つ有用なトラップが生成されると観察者が満足するまで、該プロセスは継続する。
【０１６７】
本方法は、このような技法が、機能的且つ安定なトラップを最適に見出すためのツールとしてＤＯＥを使用しないという点で、従来技術を改良する。実際、実用的ホログラムに関する計算の考え得る組合せは、実際的に無限の組合せにより膨大な数になる。したがって十分に強力なプロセッサーと結合された高速ＤＯＥが用いられない限り、ナノ粒子の光トラッピングを実際的に達成することができるとは思われない。しかしながら本発明では、ＤＯＥ及びコンピュータードライブを用いて、ナノ粒子の特質に基づいたホログラム計算のための特質を見つけ出す。従来技術システムは、ホログラム計算を粒子特質に適応させることなく、単に既知の配置を用いることによりトライ・アンド・エラーによっている。したがって本発明の方法を用いて節約される時間量は、実際の時間枠でのナノ粒子の操作のための多数の技法の開発を可能にした。
【０１６８】
生成物
本発明は、本明細書中に開示された方法及び装置にしたがって生成される生成物も包含する。例えば本発明は、動的光学素子により変調されたレーザービームを用いて粒子を操作して、光トラップを生成することにより生成される生成物を含む。本発明は、このようなレーザービームを用いて粒子を操作し、且つ動的光学素子を変調するための装置により生成される生成物を包含する。例示的一実施形態において、本発明は、記載の方法及び装置を用いてナノチューブを操作し、且つナノチューブを結合して構造体を形成することにより形成される構造体を含む。
【０１６９】
本発明の例示的実施形態であるとみなされるものを記述してきたが、種々の修正がそこになされうることは当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲において、その範囲内に入るような修正及び変更を含むよう意図される。
【図１】
2007510160.tif 000003
【図２】
2007510160.tif 000004
【図３Ａ】
2007510160.tif 000005
【図３Ｂ】
2007510160.tif 000006
【図３Ｃ】
2007510160.tif 000007
【図３Ｄ】
2007510160.tif 000008
【図３Ｅ】
2007510160.tif 000009
【図３Ｆ】
2007510160.tif 000010
【図３Ｇ】
2007510160.tif 000011
【図３Ｈ】
2007510160.tif 000012
【図３Ｉ】
2007510160.tif 000013
【図３Ｊ】
2007510160.tif 000014
【図３Ｋ】
2007510160.tif 000015
【図３Ｌ】
2007510160.tif 000016
【図４Ａ】
2007510160.tif 000017
【図４Ｂ】
2007510160.tif 000018
【図５Ａ】
2007510160.tif 000019
【図５Ｂ】
2007510160.tif 000020
【図６Ａ】
2007510160.tif 000021
【図６Ｂ】
2007510160.tif 000022
【図７Ａ】
2007510160.tif 000023
【図７Ｂ】
2007510160.tif 000024
【図７Ｃ】
2007510160.tif 000025
【図８Ａ】
2007510160.tif 000026
【図８Ｂ】
2007510160.tif 000027
【図８Ｃ】
2007510160.tif 000028
【図８Ｄ】
2007510160.tif 000029
【図８Ｅ】
2007510160.tif 000030
【図９Ａ】
2007510160.tif 000031
【図９Ｂ】
2007510160.tif 000032
【図９Ｃ】
2007510160.tif 000033
【図９Ｄ】
2007510160.tif 000034
【図９Ｅ】
2007510160.tif 000035
【図９Ｆ】
2007510160.tif 000036
【図１０Ａ】
2007510160.tif 000037
【図１０Ｂ】
2007510160.tif 000038
【図１０Ｃ】
2007510160.tif 000039
【図１０Ｄ】
2007510160.tif 000040
【図１１Ａ】
2007510160.tif 000041
【図１１Ｂ】
2007510160.tif 000042
【図１２Ａ】
2007510160.tif 000043
【図１２Ｂ】
2007510160.tif 000044
【図１２Ｃ】
2007510160.tif 000045
【図１２Ｄ】
2007510160.tif 000046
【図１２Ｅ】
2007510160.tif 000047
【図１３Ａ】
2007510160.tif 000048
【図１３Ｂ】
2007510160.tif 000049
【図１３Ｃ】
2007510160.tif 000050
【図１３Ｄ】
2007510160.tif 000051
【図１３Ｅ】
2007510160.tif 000052
【図１４Ａ】
2007510160.tif 000053
【図１４Ｂ】
2007510160.tif 000054
【図１４Ｃ】
2007510160.tif 000055
【図１４Ｄ】
2007510160.tif 000056
【図１４Ｅ】
2007510160.tif 000057
【図１４Ｆ】
2007510160.tif 000058
【図１４Ｇ】
2007510160.tif 000059
【図１５】
2007510160.tif 000060
【手続補正書】
【提出日】平成18年12月15日(2006.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
これらの技術の多くの開発に際して広範に認められる課題が存在する。１つの課題は、構造特性、例えばそれらのキラリティ、直径、長さ及びその他の特性に基づいたナノ物質の分離又は精製を包含する。例えば種々のナノチューブの分離を包含する近年の進歩は、ＤＮＡとの特異的結合を使用し、又は電気泳動を用いる。別の重要な課題は、制御アセンブリー、蒸着及び配向のためのナノ物質の操作を包含する。ある型の蒸着のための方法が存在するが、三次元で単一物体を移動し、物体の大群をパターン化する能力は依然として欠いている。
なお、本出願に対応する外国の特許出願においては下記の文献が発見または提出されている。
【特許文献１】米国特許第６０５５１０６号明細書
【特許文献２】米国特許第６１３９８３１号明細書
【国際調査報告】
2007510160.tif 000061