(57)【要約】【課題】複数の微小物質の中から任意に選択した微小物質のみを該微小物質に何ら影響を与えることなく確実且つ容易に基板上に固定でき、しかも、作業環境や液体の種類に影響を受けることなく、あらゆる種類の微小物質をコストをかけずに基板上に固定すること。【解決手段】基板２上に液体Ｗを介在させた状態で対向配置され、金属層４が形成された対向基板３と、レーザ光を液体内でスポットとして集光させ、微小物質を光放射圧によって捕捉する光学系５と、微小物質を観察する観察系６と、基板を３方向に移動させて捕捉した微小物質を基板上の所定位置に近接させる移動手段７と、微小物質が基板上の所定位置に近接したときに電圧印加を行わせて、微小物質を基板上に引き寄せて固定させるように電圧印加手段８を制御する制御部９とを備えている微小物質固定装置１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体内に予め投入された微小物質を基板上に固定する微小物質固定装置であって、
前記基板上に前記液体を介在させた状態で対向配置され、少なくとも対向面が導電性とされた対向基板と、
レーザ光を照射すると共に照射したレーザ光を前記液体内でスポットとして集光させ、前記微小物質を光放射圧によって捕捉する光学系と、  
光源を有し、該光源から照射された光を利用して前記微小物質を観察する観察系と、
前記基板を、前記対向面に平行なＸＹ方向及び対向面に垂直なＺ方向の３方向に移動させ、捕捉された前記微小物質を基板上の所定位置に近接させる移動手段と、
前記基板と前記対向面との間に所定電圧値の電圧を印加する電圧印加手段と、
前記微小物質が前記基板上の所定位置に近接したときに電圧印加を行わせて、微小物質を基板上に引き寄せて固定させるように前記電圧印加手段を制御する制御部とを備えていることを特徴とする微小物質固定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の微小物質固定装置において、
前記対向基板が、導電性基板であることを特徴とする微小物質固定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の微小物質固定装置において、
前記制御部は、前記光学系、前記移動手段及び前記電圧印加手段を制御して、前記基板上に前記微小物質を任意のパターンで複数固定させることを特徴とする微小物質固定装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の微小物質固定装置において、
前記光学系は、前記レーザ光を複数の光束に分岐させるレーザ分岐素子を備え、分岐された複数の光束を任意の配列で並んだ複数のスポットとして集光させて、前記微小物質を一度に複数捕捉することを特徴とする微小物質固定装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の微小物質固定装置において、
前記対向面には、金属層が形成されており、
前記制御部は、前記電圧印加を行わせた後、電圧値を前記所定電圧値よりも上げた状態で再度電圧印加を行わせ、前記金属層から金属微粒子を前記微小物質が固定された前記基板に向けて電気泳動により移動させると共に、基板上に金属微粒子を堆積させることで金属膜を成膜させるように前記電圧印加手段を制御することを特徴とする微小物質固定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の微小物質固定装置において、
前記金属層は、スパッタ法又は蒸着法により前記対向面に形成されていることを特徴とする微小物質固定装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の微小物質固定装置において、
前記制御部は、前記所定電圧値で電圧印加を行わせるときと、所定電圧値よりも大きな電圧値で電圧印加を行わせるときとで、極性が逆になるように前記電圧印加手段を制御することを特徴とする微小物質固定装置。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか１項に記載の微小物質固定装置において、
前記制御部は、所定時間以上の間、前記所定電圧よりも大きな電圧値で電圧を印加するように前記電圧印加手段を制御して、前記微小物質を埋没させるように前記金属膜を成膜させることを特徴とする微小物質固定装置。
【請求項９】
液体内に予め投入された微小物質を基板上に固定する微小物質固定方法であって、
少なくとも対向面が導電性とされた対向基板を、前記微小物質が予め投入された前記液体を間に介在させた状態で前記基板上に対向配置させるセット工程と、
該セット工程後、レーザ光を照射すると共に照射したレーザ光を前記液体内でスポットとして集光させ、前記微小物質を光放射圧によって捕捉する捕捉工程と、
該捕捉工程後、前記基板を前記対向面に平行なＸＹ方向及び対向面に垂直なＺ方向の３方向に適宜移動させて、捕捉された前記微小物質を基板上の所定位置に近接させる位置調整工程と、
該位置調整工程後、前記基板と前記対向面との間に所定電圧値の電圧を印加して、捕捉された前記微小物質を基板上に引き寄せて固定させる固定工程とを備えていることを特徴とする微小物質固定方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の微小物質固定方法において、
前記対向基板が、導電性基板であることを特徴とする微小物質固定方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の微小物質固定方法において、
前記捕捉工程、前記位置調整工程及び前記固定工程を繰り返し行って、前記基板上に前記微小物質を任意のパターンで複数固定させることを特徴とする微小物質固定方法。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれか１項に記載の微小物質固定方法において、
前記捕捉工程の際、前記レーザ光を複数の光束に分岐させた後、分岐された複数の光束を任意の配列で並んだ複数のスポットとして集光させて、前記微小物質を一度に複数捕捉することを特徴とする微小物質固定方法。
【請求項１３】
請求項９から１２のいずれか１項に記載の微小物質固定方法において、
前記対向面には、金属層が形成されており、
前記固定工程後、電圧値を前記所定電圧値よりも上げた状態で再度電圧印加を行って、前記金属層から金属微粒子を前記微小物質が固定された前記基板に向けて電気泳動により移動させると共に、基板上に金属微粒子を堆積させることで金属膜を成膜する電圧印加工程を行うことを特徴とする微小物質固定方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の微小物質固定方法において、
前記金属層は、スパッタ法又は蒸着法により前記対向面に形成されていることを特徴とする微小物質固定方法。
【請求項１５】
請求項１３又は１４に記載の微小物質固定方法において、
前記電圧印加工程の際、前記固定工程時の逆の極性で電圧を印加することを特徴とする微小物質固定方法。
【請求項１６】
請求項１３から１５のいずれか１項に記載の微小物質固定方法において、
前記電圧印加工程の際、所定時間以上の間電圧印加を行って、前記微小物質を埋没させるように前記金属膜を成膜させることを特徴とする微小物質固定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液中にて基板上に微小物質を固定する微小物質固定装置及び微小物質固定方法に関するものである。  
【背景技術】
【０００２】
液中に存在する微小物質、例えば、ポリスチレン微粒子や細胞等を捕捉する技術として、レーザ光を微小物質に集光させ、光放射圧を利用して捕捉する技術が従来から知られている。これは、光トラップとも呼ばれるものであり、媒質の違いによって屈折した光の運動量に起因した力を利用して微小物質を捕捉する方法である。
ところで、現在ではマイクロマシンやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）等のマイクロ物体の組み立てに応用するために、微小物質を基板上の所定位置に固定させると共に、所定の形状にパターニングすること等が求められている。そのため、上述したように液中で微小物質を捕捉した後、捕捉した微小物質を基板上に固定することが重要な課題とされている。
【０００３】
ところが、液中に存在する微小物質は、通常帯電している状態であるので、基板に容易に固定することができなかった。
つまり、液中環境下におかれた物体表面は、液体の種類やｐＨ等の状況によりプラス若しくはマイナスに帯電した状態となっている。なお、説明を判り易くするため、ここでは物体表面がマイナスに帯電している場合を例に挙げて以下に説明する。
そのため、液中に存在する微小物質の表面や基板の表面についても同様に、マイナスに帯電した状態となっている。一方、物体表面の近傍は、帯電したマイナスを打ち消すようにプラスに帯電した状態となっている、そのため、微小物質の表面近傍並びに基板の表面近傍は、プラスに帯電した状態となっている。つまり、マイナスに帯電した層とプラスに帯電した層とが重なった電気二重層が形成されている。よって、液中に浮遊している微小物質が基板に接近すると、互いの電気二重層が重なり合うので、静電気的相互作用によって斥力が働く。また、この現象は、基板だけでなく他の微小物質に対しても同様である。従って、微小物質は基板や他の微小物質に付着することなく、液中を浮遊した状態となっている。
【０００４】
ここで、光トラップによって微小物質を捕捉する力は、ピコニュートンレベルの力であるので、捕捉した微小物質を基板に近づけたとしても、上述したように電気二重層が重なって生じた斥力によって跳ね返されてしまう。従って、単に捕捉して近づけただけでは微小物質を基板に固定することはできなかった。そこで、微小物質を基板に固定するために、幾つかの方法が考えられている。
例えば、その１つとして、光トラップした微小物質を基板に極力近づけた状態でパルスレーザを照射して、微小物質を基板に溶着する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この方法によれば、微小物質を加熱により溶解させて基板に固定するので、斥力を受けたとしても固定を行うことができる。
【０００５】
また、別の方法として、光硬化性材料を含む液体内に微小物質を入れた後、光トラップした微小物質を基板に極力近づけた状態で微小物質周辺に光を照射して集光させ、該光によって硬化した樹脂で微小物質を固定する方法が知られている（例えば、非特許文献２参照）。この方法によれば、硬化した樹脂で基板と微小物質とを繋ぎとめて固定するので、斥力を受けたとしても固定を行うことができる。
【０００６】
また、さらに別な方法として、光トラップした微小物質を予め帯電した基板に近づけて、静電気的相互作用を用いて固定する方法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。この方法は、予め基板がプラスに帯電するように調整されている。これにより、光トラップした微小物質を基板に近づけると、該微小物質が斥力を受けるのではなく、逆に基板に引き寄せられる。その結果、微小物質を基板に固定することができる。
【非特許文献１】Jaihyung.Won、他３名、「Photothermal fixation of laser-trapped polymer microparticles on polymer substrates」、APPLIED PHYSICS LETTERS、１９９９年９月１３日、VOLUME75、NUMBER11、P1506−P1508
【非特許文献２】Syoji Ito、他２名、「Optical patterning and photochemical fixation of polymer nanoparticles on glass substrates」、APPLIED PHYSICS LETTERS、２００１年４月２３日、VOLUME78、NUMBER17、P2566−P2568
【非特許文献３】J,P,Hoogenboom、他４名、「Patterning surfaces with colloidal particles using optical tweezers」、APPLIED PHYSICS LETTERS、２００２年６月２４日、VOLUME80、NUMBER25、P4828−P4830
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の方法では以下の課題が残されている。
即ち、微小物質を溶着により固定する方法は、レーザ光により微小物質を加熱する必要があるので、微小物質に与えるダメージが大きく、変形や変質等が生じる恐れがあった。特に、微小物質が生体物質等のバイオ試料である場合には、使用することができなかった。また、融点が高い微小物質の場合には固定することが難しく、微小物質の種類が制限されてしまうものであった。加えて、装置自体が非常に高価なものであり、安易に使用することができず、製造コストが高くなってしまうものであった。
【０００８】
また、光硬化性樹脂を利用して固定する方法は、予め光硬化性樹脂を含む液体内でしか固定することができないので、液体の種類が限定されてしまい、使い難いものであった。また、微小物質の種類に応じて最適な液体を使用するといったことができなかった。また、光を集光させた近傍の溶液が全て硬化してしまうので、狙った位置に高精度に光を集光させる必要があった。場合によっては、確実に微小物質を固定できなかったり、微小物質を樹脂の内部に埋没させてしまったりする可能性もあり、取り扱いが難しいものであった。更には、周囲を暗くする必要があるので、作業環境が限定されてしまうものであった。
【０００９】
また、帯電した基板を利用して固定する方法は、予め基板を帯電させておく必要があるので、無駄に電力を使用してしまい、製造コストが高くなってしまうものであった。また、光トラップして基板に近づけた微小物質以外の微小物質が基板に接近してしまった場合、該微小物質も基板に引き寄せられて固定されてしまう恐れがあった。つまり、意図しない微小物質も固定されてしまう恐れがあった。
【００１０】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、液中に存在する複数の微小物質の中から任意に選択した微小物質のみを、該微小物質に何ら影響を与えることなく確実且つ容易に基板上に固定でき、しかも、作業環境や液体の種類に影響を受けることなく、あらゆる種類の微小物質をコストをかけずに基板上に固定することができる微小物質固定装置、及び、微小物質固定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、液体内に予め投入された微小物質を基板上に固定する微小物質固定装置であって、前記基板上に前記液体を介在させた状態で対向配置され、少なくとも対向面が導電性とされた対向基板と、レーザ光を照射すると共に照射したレーザ光を前記液体内でスポットとして集光させ、前記微小物質を光放射圧によって捕捉する光学系と、
光源を有し、該光源から照射された光を利用して前記微小物質を観察する観察系と、前記基板を、前記対向面に平行なＸＹ方向及び対向面に垂直なＺ方向の３方向に移動させ、捕捉された前記微小物質を基板上の所定位置に近接させる移動手段と、前記基板と前記対向面との間に所定電圧値の電圧を印加する電圧印加手段と、前記微小物質が前記基板上の所定位置に近接したときに電圧印加を行わせて、微小物質を基板上に引き寄せて固定させるように前記電圧印加手段を制御する制御部とを備えている微小物質固定装置を提供する。
【００１２】
また、請求項９に係る発明は、液体内に予め投入された微小物質を基板上に固定する微小物質固定方法であって、少なくとも対向面が導電性とされた対向基板を、前記微小物質が予め投入された前記液体を間に介在させた状態で前記基板上に対向配置させるセット工程と、該セット工程後、レーザ光を照射すると共に照射したレーザ光を前記液体内でスポットとして集光させ、前記微小物質を光放射圧によって捕捉する捕捉工程と、該捕捉工程後、前記基板を前記対向面に平行なＸＹ方向及び対向面に垂直なＺ方向の３方向に適宜移動させて、捕捉された前記微小物質を基板上の所定位置に近接させる位置調整工程と、該位置調整工程後、前記基板と前記対向面との間に所定電圧値の電圧を印加して、捕捉された前記微小物質を基板上に引き寄せて固定させる固定工程とを備えている微小物質固定方法を提供する。
【００１３】
この発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法においては、液体内に予め投入された微小物質（例えば、直径１μｍ程度のポリスチレン微粒子等の高分子粒子や、バイオ試料等）を基板上に確実且つ容易に固定することができる。
【００１４】
まず、基板上に純水等何らかの液体を介在させた状態で、対向面を基板の表面に向けて対向基板を配置するセット工程を行う。この際、対向基板は、少なくとも対向面が導電性となっている。また、液体内には、予め複数の微小物質が投入されている。このセット工程が終了した後、光源から照射された光を利用して液体内の状態を観察系によって光学的に観察する。この際、複数の微小物質は、液中に浮遊している状態となっている。
【００１５】
ここで、液中環境下におかれた物体表面は、液体の種類やｐＨ等の状況によりプラス若しくはマイナスに帯電した状態となっている。なお、説明を判り易くするため、ここでは物体表面がマイナスに帯電している場合を例に挙げて以下に説明する。
そのため、液体内に投入された微小物質の表面、並びに、対向面及び基板の表面についても同様に、マイナスに帯電した状態となっている。一方、物体表面の近傍は、帯電したマイナスを打ち消すようにプラスに帯電した状態となっている。そのため、微小物質の表面近傍、並びに、対向面及び基板の表面近傍は、プラスに帯電した状態となっている。つまり、電気二重層が形成されている。よって、液中に浮遊している微小物質が基板に接近すると、互いの電気二重層が重なり合うので、静電気的相互作用によって斥力が働く。従って、微小物質は基板から離れてしまう。このように、液体内に投入された微小物質は、基板や対向面に付着することなく、液中を浮遊した状態となっている。
【００１６】
次いで、観察系によって液中内の状態を確認しながら、光学系によって液体内にレーザ光をスポットとして集光させる。これにより、液中内を浮遊している微小物質を１つだけ光放射圧を利用して捕捉することができる。この捕捉工程後、制御部は移動手段を制御して基板をＸＹ方向及びＺ方向の３方向に適宜移動させ、基板上の所定位置に捕捉した微小物質を近接させる位置調整工程を行う。この際、微小物質を捕捉して近づける力よりも、上述した斥力の方が強いので、これ以上微小物質を基板に近づけることができない。
【００１７】
そこで制御部は、微小物質が基板上の所定位置に近接したときに、所定電圧値で電圧を印加するように電圧印加手段を作動させる。なおこの際、基板がプラスに帯電するように電圧を印加させる。これにより基板は、微小物質と異なるプラスに帯電するので電気二重層の重なりによる斥力がなくなる。よって微小物質は、基板に引き寄せられるように移動して、該基板上の所定位置に固定される。
特に、微小物質と基板との距離が近接した状態になると、両者の間にファンデルワールス力が強く作用するので、微小物質は一層引き寄せられた後固定される。この固定工程によって、浮遊している複数の微小物質の中から、先ほど捕捉した微小物質のみを基板上の所定位置に確実に固定させることができる。
【００１８】
上述したように、本発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法によれば、液中に存在する複数の微小物質の中から任意に選択した微小物質のみを確実且つ容易に基板上に固定することができる。しかも従来の方法とは異なり、微小物質を加熱させる必要がないので、該微小物質に何ら影響を与えることなく、固定することができる。特に、微小物質が生体物質等の場合には、何のダメージを与えることなく固定することができる。また、融点が高い微小物質であっても、確実に固定することができる。更には、従来のものと違い、簡単な構成であるので、コストを抑えることができる。
【００１９】
また、光硬化性樹脂を利用する従来のものとは異なり、液体の種類に限定されず、様々な液体、例えば、バッファー溶液や生理食塩水等も使用することができる。従って、汎用性が高く、様々な分野への応用を期待することができる。例えば、従来では困難であったバイオ試料の固定等にも好適に応用することができる。また、周囲を暗くする等の特殊な環境にする必要がなく、単に液中環境にするだけで固定を行うことができるので作業性の容易化を図ることができる。
更に、予め基板を常時帯電させる必要がないので、省電力化を図ることができる。この点においてもコストの低減化を図ることができる。また、任意に選択して捕捉した微小物質のみを確実に固定できるので、意図しない微小物質を固定してしまう恐れが少ない。
なお、微小物質がプラスに帯電している場合には、基板がマイナスに帯電するように電圧を印加させれば良い。この場合であっても、同様の作用効果を奏することができる。
【００２０】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の微小物質固定装置において、前記対向基板が、導電性基板である微小物質固定装置を提供する。
【００２１】
また、請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の微小物質固定方法において、前記対向基板が、導電性基板である微小物質固定方法を提供する。
【００２２】
この発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法においては、対向基板自体が、ＩＴＯガラスや金属板等の導電性基板であるので、特別な処理を施さなくても確実に対向面を導電性にすることができる。
【００２３】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の微小物質固定装置において、前記制御部が、前記光学系、前記移動手段及び前記電圧印加手段を制御して、前記基板上に前記微小物質を任意のパターンで複数固定させる微小物質固定装置を提供する。
【００２４】
また、請求項１１に係る発明は、請求項９又は１０に記載の微小物質固定方法において、前記捕捉工程、前記位置調整工程及び前記固定工程を繰り返し行って、前記基板上に前記微小物質を任意のパターンで複数固定させる微小物質固定方法を提供する。
【００２５】
この発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法においては、捕捉工程、位置調整工程及び固定工程を繰り返し行うことで、基板上に微小物質を任意のパターンで複数固定することができる。このように、微小物質を所望する位置に自在に配置しながら基板上に固定できるので、設計の自由度を向上することができる。
【００２６】
また、請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の微小物質固定装置において、前記光学系が、前記レーザ光を複数の光束に分岐させるレーザ分岐素子を備え、分岐された複数の光束を任意の配列で並んだ複数のスポットとして集光させて、前記微小物質を一度に複数捕捉する微小物質固定装置を提供する。
【００２７】
また、請求項１２に係る発明は、請求項９から１１のいずれか１項に記載の微小物質固定方法において、前記捕捉工程の際、前記レーザ光を複数の光束に分岐させた後、分岐された複数の光束を任意の配列で並んだ複数のスポットとして集光させて、前記微小物質を一度に複数捕捉する微小物質固定方法を提供する。
【００２８】
この発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法においては、捕捉工程の際、レーザ分岐素子によりレーザ光を複数の光束に分岐させた後、これら複数の光束を任意の配列で並んだ複数のスポットして液中に集光させる。これにより、複数の微小物質を任意の配列に並ばせた状態で一度に捕捉することができる。その後、固定工程によってこれら複数の微小物質を一度に被成膜基板上に固定させることができる。
特に、１つ１つ微小物質を固定させることなく、一度に複数の微小物質を所望する配列で固定させることができるので、作業時間をより短縮することができると共に使い易さが向上する。
【００２９】
また、請求項５に係る発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の微小物質固定装置において、前記対向面には、金属層が形成されており、前記制御部が、前記電圧印加を行わせた後、電圧値を前記所定電圧値よりも上げた状態で再度電圧印加を行わせ、前記金属層から金属微粒子を前記微小物質が固定された前記基板に向けて電気泳動により移動させると共に、基板上に金属微粒子を堆積させることで金属膜を成膜させるように前記電圧印加手段を制御する微小物質固定装置を提供する。
【００３０】
また、請求項１３に係る発明は、請求項９から１２のいずれか１項に記載の微小物質固定方法において、前記対向面には、金属層が形成されており、前記固定工程後、電圧値を前記所定電圧値よりも上げた状態で再度電圧印加を行って、前記金属層から金属微粒子を前記微小物質が固定された前記基板に向けて電気泳動により移動させると共に、基板上に金属微粒子を堆積させることで金属膜を成膜する電圧印加工程を行う微小物質固定方法を提供する。
【００３１】
この発明に係る微小物質固定装置及び微小物質工程方法においては、基板上に固定した微小物質を金属膜でコーティングすることができると共に、金属膜によって微小物質をより強固に基板上に固定することができる。
初めに、対向基板の対向面には、金属微粒子からなる金属層が形成されている。なお、この金属層は、スパッタや蒸着法どのような方法で形成されていても構わない。また、上述した固定工程によって基板と対向面との間に電圧を印加した時点で、金属層がチャージされており、極性に応じてプラス若しくはマイナスに帯電した状態となっている。つまり、金属層を構成する金属微粒子が、徐々にプラス若しくはマイナスの電荷を帯びてきている。一方、基板も同様にチャージされており、金属層とは反対の極性に帯電した状態となっている。そのため、両基板の間に介在された液体には電界が形成されている。
【００３２】
そして、固定工程により微小物質を基板上に固定させた後、制御部は、電圧値を所定電圧値よりも上げた状態で電圧印加するように電圧印加手段を作動させる。この電圧印加工程を行うと、上述した状態からさらにチャージが進み、帯電した金属微粒子が異なる極性に帯電された基板に引き寄せられて対向面から剥離すると共に、液中に浮遊した状態となる。なお、この浮遊した金属微粒子は、依然として帯電した状態となっている。そのため、金属微粒子は、液中に浮遊したと同時に、金属層と基板との間に形成された電界によって電気泳動により液体内を基板に向かって移動し始める。そして、移動した金属微粒子は、微小物質が固定された基板の表面全体に次々と付着して堆積する。
【００３３】
このように電圧印加工程を行うことで、対向基板の対向面に形成された金属層の金属微粒子を電気泳動により基板に向けて移動させると共に、微小物質が固定された基板上に堆積させて金属膜を成膜させることができる。これにより、微小物質を金属膜でコーティングすることができる。特に、基板上に固定している微小物質の周囲に金属微粒子が堆積するので、微小物質をさらに強固に固定することができる。このように、基板上を単に金属膜で成膜するだけでなく、この金属膜を利用して微小物質を液中で強固に固定することができる。
なお基板に付着した金属微粒子は、帯電した状態が解かれると同時にファンデルワールス力によって強固に固定されている。また、この電圧印加工程を行う際、極性に影響されることはない。即ち、基板がプラスに帯電されようと、マイナスに帯電されようと、上述した作用効果を同様に奏することができる。
【００３４】
特に、金属微粒子を利用して微小物質を強固に固定しているので、基板を液中から大気中に取り出して乾燥させたとしても、液体の乾燥過程で生じる気液界面における表面張力の影響を受けることがない。つまり、乾燥過程で気液界面が移動したとしても、微小物質は基板の表面全体に堆積している金属微粒子に周囲が囲まれているので、気液界面につられて移動したり、変形したりする恐れがない。よって、液中内で基板上に固定させた微小物質を、そのままの状態で大気中に取り出すことができる。従って、マイクロスケールの微粒子の組み立てや、ＭＥＭＳ等の微小デバイス等の組み立てを容易に行うことができる。また、微小物質がバイオ試料である場合には、従来困難であった生に近い状態で固定して大気中に取り出すことができる。しかも、大気中に取り出された微小物質は、金属膜によってコーティングされているので、直ちに電子顕微鏡により観察することもできる。
【００３５】
また、請求項６に係る発明は、請求項５に記載の微小物質固定装置において、前記金属層が、スパッタ法又は蒸着法により前記対向面に形成されている微小物質固定装置を提供する。
【００３６】
また、請求項１４に係る発明は、請求項１３に記載の微小物質固定方法において、前記金属層が、スパッタ法又は蒸着法により前記対向面に形成されている微小物質固定方法を提供する。
【００３７】
この発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法においては、対向面に金属層がスパッタ法又は蒸着法により形成された対向基板を用いるので、電圧を印加したときに金属微粒子を対向面から剥離させ易い。従って、より効率良く成膜を行うことができ、成膜時間を短縮することができる。
【００３８】
また、請求項７に係る発明は、請求項５又は６に記載の微小物質固定装置において、前記制御部が、前記所定電圧値で電圧印加を行わせるときと、所定電圧値よりも大きな電圧値で電圧印加を行わせるときとで、極性が逆になるように前記電圧印加手段を制御する微小物質固定装置を提供する。
【００３９】
また、請求項１５に係る発明は、請求項１３又は１４に記載の微小物質固定方法において、前記電圧印加工程の際、前記固定工程時の逆の極性で電圧を印加する微小物質固定方法を提供する。
【００４０】
この発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法においては、微小物質を基板上に固定させる固定工程時と、固定した微小物質を金属微粒子でより強固に固定する電圧印加工程時とで、極性が逆になるように電圧を印加する。
例えば、液中に浮遊している微小物質がマイナスに帯電している場合には、固定工程時に、基板がプラスとなるように電圧を印加する。これにより、微小物質は基板に引き寄せられて固定される。次いで、電圧印加工程時には、基板がマイナスとなるように電圧を印加する。このように極性を変えることで、液中に浮遊している残りの微小物質（マイナスに帯電している）を基板側に引き寄せることなく、金属微粒子だけを基板に向けて電気泳動により移動させて堆積させることができる。従って、基板に固定させた微小物質だけを確実に固定することができる。
なお、液中に浮遊している微小物質がプラスに帯電している場合には、固定工程時に基板がマイナスとなるように電圧を印加すると共に、電圧印加工程時に基板がプラスとなるように電圧を印加すれば良い。この場合であっても、同様の作用効果を奏することができる。
【００４１】
また、請求項８に係る発明は、請求項５から７のいずれか１項に記載の微小物質固定装置において、前記制御部が、所定時間以上の間、前記所定電圧よりも大きな電圧値で電圧を印加するように前記電圧印加手段を制御して、前記微小物質を埋没させるように前記金属膜を成膜させる微小物質固定装置を提供する。
【００４２】
また、請求項１６に係る発明は、請求項１３から１５のいずれか１項に記載の微小物質固定方法において、前記電圧印加工程の際、所定時間以上の間電圧印加を行って、前記微小物質を埋没させるように前記金属膜を成膜させる微小物質固定方法を提供する。
【００４３】
この発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法においては、電圧印加工程を行う際に所定時間以上の間電圧を印加して、金属微粒子を基板上に堆積させ続ける。これにより、微小物質をコーティングする金属膜の膜厚が徐々に厚くなり、微小物質を埋没させることができる。このように金属膜を厚く成膜することで、微小物質の鋳型を作ることができる。つまり、厚く成膜した金属膜を基板から剥すことで、微小物質の外表面形状が転写した金属膜を得ることができる。よって、この鋳型となった金属膜を観察することで、微小物質の観察を行うことができる。即ち、レプリカ法で観察することができる。特に、液中における微小物質の状態を金属膜に転写できるので、液中に存在している状態で微小物質を観察することができる。そのため微小物質がバイオ試料の場合には、観察に特に好適な方法である。
【発明の効果】
【００４４】
本発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法によれば、液中に存在する複数の微小物質の中から任意に選択した微小物質のみを、該微小物質に何ら影響を与えることなく確実且つ容易に基板上に固定でき、しかも、作業環境や液体の種類に影響を受けることなく、あらゆる種類の微小物質をコストをかけずに基板上に固定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法の第１実施形態を、図１から図１２を参照して説明する。
なお本実施形態では、導電性を有するカバーガラス３の対向面３ａに金属層４を形成し、この金属層４とＩＴＯガラス２との間に電圧を印加する場合を例に挙げて説明する。なおこの金属層４は、金（Ａｕ）をスパッタ法により形成したものである。
本実施形態の微小物質固定装置１は、純水（液体）Ｗ内に予め投入された直径約１μｍのポリスチレン微粒子（微小物質）ＰをＩＴＯガラス（基板）２上に固定する装置であって、図１に示すように、ＩＴＯガラス２上に純水Ｗを介在させた状態で対向配置され、対向面３ａに金属層４が形成されたカバーガラス（対向基板）３と、レーザ光Ｌを照射すると共に照射したレーザ光Ｌを純水Ｗ内でスポットして集光させ、ポリスチレン微粒子Ｐを光放射圧によって捕捉する光学系５と、ハロゲンランプ（光源）１６を有し、該ハロゲンランプ１６から照射された光を利用してポリスチレン微粒子Ｐを観察する観察系６と、ＩＴＯガラス２を対向面３ａに平行なＸＹ方向及び対向面３ａに垂直なＺ方向の３方向に移動させて、捕捉されたラテクッス粒子ＰをＩＴＯガラス２上の所定位置に近接させる移動手段７と、ＩＴＯガラス２と金属層４との間に所定電圧値の電圧を印加して、ポリスチレン微粒子ＰをＩＴＯガラス２上に引き寄せて固定させる電圧印加手段８と、これら各構成品を総合的に制御する制御部９とを備えている。
【００４６】
上記ＩＴＯガラス２は、フレーム１０に支持された状態でステージ１１上に隙間を空けて固定されている。また、カバーガラス３は、図示しない架台によって微小な隙間を空けた状態でＩＴＯガラス２上に支持されており、カバーガラス３とＩＴＯガラス２との間に純水Ｗが表面張力等によって保持されている。なお、本実施形態では、カバーガラス３とＩＴＯガラス２との間に塩化ビニル薄膜（厚さが約２０μｍ〜５０μｍ）１２が形成されており、該塩化ビニル薄膜１２によって純水Ｗの周囲を囲んでいる。但し、この塩化ビニル薄膜１２を用いずに、表面張力だけによって純水Ｗを保持して構わない。
【００４７】
この金属層４には、電圧印加部８ａに接続された一方の電気配線８ｂが電気的に接続されている。また、ＩＴＯガラス２も同様に、電圧印加部８ａに接続された他方の電気配線８ｂが電気的に接続されている。これにより、ＩＴＯガラス２及び金属層４の間に電圧を印加できるようになっている。即ち、これら電圧印加部８ａ及び両電気配線８ｂは、上記電圧印加手段８を構成している。特にこの電圧印加部８ａは、印加する電圧値を自在に調整できるようになっている。
【００４８】
ステージ１１とＩＴＯガラス２との間の隙間には、ミラー１５が配置されている。このミラー１５は、ステージ１１の近傍に配置されたハロゲンランプ１６から照射された光をＩＴＯガラス２に向けて反射している。
また、ステージ１１は、Ｚステージ１７上に固定されたＸＹステージ１８上に固定されている。これらＸＹステージ１８及びＺステージ１７は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、ドライブ回路１９から電圧が印加されると、その電圧印加量及び極性に応じて、ＸＹ方向及びＺ方向の３方向に対して微小移動するようになっている。つまり、ＸＹステージ１８及びＺステージ１７は、微動ステージとして機能する。
【００４９】
また、上記Ｚステージ１７は、ＸＹＺステージ２０上に固定されている。このＸＹＺステージ２０は、ボールネジの駆動によって３方向に移動するものであり、上記ＸＹステージ１８、Ｚステージ１７及びステージ１１を一体的に粗動移動させるようになっている。つまり、ＸＹＺステージ２０は、粗動ステージとして機能する。
このように、ＩＴＯガラス２は、ＸＹＺステージ２０による粗動移動と、ＸＹステージ１８及びＺステージ１７による微動移動とによって、３方向に移動させられるようになっている。即ち、これらＸＹステージ１８、Ｚステージ１７、ＸＹＺステージ２０及びドライブ回路１９は、上記移動手段７を構成している。
【００５０】
上記光学系５は、レーザ光Ｌ（例えば、波長５００ｎｍ程度のアルゴンイオンレーザ）を照射するレーザ光源２５と、該レーザ光Ｌをカバーガラス３の上方から対向面３ａに対して略直角に入射させるように反射するミラー２６と、該ミラー２６で反射したレーザ光Ｌを純水Ｗ内でスポットとして集光させる対物レンズ（例えば、ＮＡ＝１．２５、倍率１００倍）２７とを備えている。これにより、純水Ｗ内に投入されているポリスチレン微粒子Ｐを、光放射圧を利用して捕捉することが可能とされている。これについては、後に詳細に説明する。
【００５１】
また、レーザ光源２５とミラー２６との間におけるレーザ光Ｌの光路上には、ハーフミラー２８が配置されている。これにより、レーザ光源２５から照射されたレーザ光Ｌは、一部がハーフミラー２８を通過した後、ミラー２６に入射するようになっている。
【００５２】
またハーフミラー２８の近傍には、ハロゲンランプ１６から照射された光を利用してポリスチレン微粒子Ｐを観察するための集光レンズ３０と、レーザ光Ｌをカットするフィルタ３１と、ＣＣＤ等の撮像素子３２と、モニタ３３とが配置されている。つまり、ミラー１５によってＩＴＯガラス２に向けて反射されたハロゲンランプ１６からの光は、ＩＴＯガラス２を透過した後、純水Ｗに入射してポリスチレン微粒子Ｐに当たり散乱している。この散乱光は、対物レンズ２７を通過した後、ミラー２６で反射されてハーフミラー２８に入射する。そして、その一部がハーフミラー２８によって反射した後、集光レンズ３０に入射する。なおこの集光レンズ３０は、撮像素子３２に焦点が合うように調整されている。そして、集光レンズ３０で集光された光は、フィルタ３１を通過した後、撮像素子３２によって撮像される。この際、フィルタ３１はレーザ光Ｌと同じ波長を有する光をカットしているので、ポリスチレン微粒子Ｐに当たって散乱した光だけを撮像素子３２で撮像できるようになっている。そして、撮像素子３２で撮像された画像は、モニタ３３に表示される。
【００５３】
これにより、純水Ｗ等に投入されたポリスチレン微粒子Ｐをモニタ３３で観察することができるようになっている。即ち、上述したハーフミラー２８、集光レンズ３０、フィルタ３１、撮像素子３２及びモニタ３３は、上記観察系６を構成している。
【００５４】
上記制御部９は、光学系５で捕捉されたポリスチレン微粒子ＰがＩＴＯガラス２上の所定位置に近接したときに、所定電圧値で電圧印加を行わせて、ポリスチレン微粒子ＰをＩＴＯガラス２上に引き寄せて固定させるように電圧印加手段８の制御を行っている。
更に、本実施形態における制御部９は、上述した電圧印加を行わせた後、電圧値を所定電圧値よりも上げた状態で再度電圧印加を行わせて、金属層４から後述する金微粒子（金属微粒子）４ａをポリスチレン微粒子Ｐが固定されたＩＴＯガラス２に向けて電気泳動により移動させると共に、ＩＴＯガラス２上に堆積させることで金属膜３５を成膜させるように電圧印加手段８を制御するようになっている。
また本実施形態では、制御部９が所定電圧値で電圧印加を行わせるときと、所定電圧値よりも大きな電圧値で電圧印加を行わせるときとで、印加する電圧の極性が逆になるように電圧印加手段８を制御する場合を例にして説明する。但しこの場合に限定されず、同じ極性となるように電圧を印加しても構わない。
【００５５】
次に、このように構成された微小物質固定装置１を利用して、ポリスチレン微粒子ＰをＩＴＯガラス２上に任意のパターンに並べて固定した後、成膜を行ってポリスチレン微粒子Ｐを金属膜３５で強固に固定しながらコーティングする微小物質固定方法について説明する。  
本実施形態の微小物質固定方法は、セット工程と、捕捉工程と、位置調整工程と、固定工程と、電圧印加工程とを行う方法である。
セット工程は、対向面３ａに金属層４が形成されたカバーガラス３を、ポリスチレン微粒子Ｐが予め投入された純水Ｗを間に介在させた状態でＩＴＯガラス２上に対向配置させる工程である。また、捕捉工程は、レーザ光Ｌを照射すると共に照射したレーザ光Ｌを純水Ｗ内でスポットとして集光させ、ポリスチレン微粒子Ｐを光放射圧によって捕捉する工程である。また、位置調整工程は、ＩＴＯガラス２をＸＹ方向及びＺ方向の３方向に適宜移動させて、捕捉されたポリスチレン微粒子ＰをＩＴＯガラス２上の所定位置に近接させる工程である。また、固定工程は、ＩＴＯガラス２と金属層４との間に所定電圧値の電圧を印加して、捕捉されたポリスチレン微粒子ＰをＩＴＯガラス２上に引き寄せて固定させる工程である。また、電圧印加工程は、電圧値を所定電圧値よりも上げた状態で再度電圧を印加して、金属層４から金微粒子４ａをポリスチレン微粒子Ｐが固定されたＩＴＯガラス２に向けて電気泳動により移動させると共に、ＩＴＯガラス２上に堆積させることで金属膜３５を成膜させる工程である。
これら各工程について、以下に詳細に説明する。
【００５６】
まず、対向面３ａに金属層４が形成されたカバーガラス３を用意した後、ＩＴＯガラス２上に純水Ｗを介在させた状態でカバーガラス３をセットするセット工程を行う。この際、金属層４が形成された対向面３ａがＩＴＯガラス２の表面に対向するように、カバーガラス３をセットする。また、純水Ｗ内に予め複数のポリスチレン微粒子Ｐを投入しておく。これにより、図２に示すように、カバーガラス３とＩＴＯガラス２との間に、ポリスチレン微粒子Ｐが投入された純水Ｗを密閉することができる。
【００５７】
そしてセット工程が終了した後、図１に示すように、ハロゲンランプ１６を点灯させると共に、ハロゲンランプ１６から照射された光を利用して純水Ｗ内のポリスチレン微粒子Ｐの状態を観察系６により光学的に観察する。この際、複数のポリスチレン微粒子Ｐは、純水Ｗ内で浮遊している状態となっている。この様子は、モニタ３３に表示された画像により確認することができる。
【００５８】
ここで、液中環境下におかれた物体表面は、液体の種類やｐＨ等の状況によりプラス若しくはマイナスに帯電した状態となっているが、本実施形態では、物体表面がマイナスに帯電されている場合を例に挙げて説明する。
そのため、純水Ｗ内に投入されたポリスチレン微粒子Ｐの表面、並びに、ＩＴＯガラス２の表面についても同様に、図３に示すように、マイナスに帯電した状態となっている。一方、物体表面の周囲環境は、帯電したマイナスを打ち消すようにプラスに帯電した状態となっている。そのため、ポリスチレン微粒子Ｐの表面近傍、並びに、ＩＴＯガラス２の表面近傍には、プラスに帯電した状態となっている。つまり、マイナスに帯電した層とプラスに帯電した層とが重なった電気二重層が形成されている。
【００５９】
よって、液中に浮遊しているポリスチレン微粒子ＰがＩＴＯガラス２に接近すると、互いの電気二重層が重なり合うので、静電気的相互作用によって斥力が働く。従って、ポリスチレン微粒子Ｐは、ＩＴＯガラス２から離れてしまう。また、金属層４及び他のポリスチレン微粒子Ｐに関しても同様である。従って、純水Ｗ内に投入されたポリスチレン微粒子Ｐは、ＩＴＯガラス２や金属層４や他のポリスチレン微粒子Ｐに付着することなく、液中を浮遊した状態となっている。
【００６０】
次いで、観察系６によって液中内の状態を確認しながら、光学系５によってレーザ光Ｌを純水Ｗ内にスポットとして集光させる。これにより、図４に示すように、液中内を浮遊しているポリスチレン微粒子Ｐを１つだけ光放射圧を利用して捕捉（トラップ）することができる。具体的には、図５（ａ）に示すように、ポリスチレン微粒子Ｐにレーザ光Ｌをスポットとして集光させると、該レーザ光Ｌは媒質等の違いから屈折し、光の運動量がＰａ、Ｐｂだけ変化する。このときポリスチレン微粒子Ｐには、運動量を保存しようと、図５（ｂ）に示すように、Ｐａ、Ｐｂと逆向きの力Ｆａ、Ｆｂの合力Ｆが作用する。その結果、ポリスチレン微粒子Ｐは、焦点に捕捉される。このように光の放射圧を利用してポリスチレン微粒子Ｐを捕捉することができる。
【００６１】
この捕捉工程後、制御部９はＸＹＺステージ２０を適宜移動させてＩＴＯガラス２を粗動移動させると共に、ドライブ回路１９に指示を出してＸＹステージ１８及びＺステージ１７をＸＹＺの３方向に適宜微小移動させて、図４に示すように、ＩＴＯガラス２上の所定位置に捕捉したポリスチレン微粒子Ｐを近接させる位置調整工程を行う。ところが、ポリスチレン微粒子Ｐを捕捉して近づける力よりも、上述した斥力の方が強いので、図６に示すように、これ以上ポリスチレン微粒子ＰをＩＴＯガラス２に近づけることができない。
【００６２】
そこで制御部９は、ポリスチレン微粒子Ｐが上述したようにＩＴＯガラス２上の所定位置に近接したときに、図７に示すように、所定電圧値で電圧を印加するように電圧印加手段８を作動させる。なおこの際、ＩＴＯガラス２がプラスに帯電するように電圧を印加させる。
これによりＩＴＯガラス２は、ポリスチレン微粒子Ｐと異なるプラスに帯電するので電気二重層の重なりによる斥力がなくなる。よってポリスチレン微粒子Ｐは、ＩＴＯガラス２に引き寄せられるように移動して、図８に示すように、ＩＴＯガラス２に付着した後固定される。特に、ポリスチレン微粒子ＰとＩＴＯガラス２との距離が近接した状態になると、両者の間にファンデルワールス力が強く作用するので、ポリスチレン微粒子Ｐは一層引き寄せられて固定される。この固定工程によって、浮遊している複数のポリスチレン微粒子Ｐの中から、先ほど捕捉したポリスチレン微粒子ＰのみをＩＴＯガラス２上の所定位置に確実に固定させることができる。
【００６３】
上述したように、本実施形態の微小物質固定装置１及び微小物質固定方法によれば、液中に存在する複数のポリスチレン微粒子Ｐの中から任意に選択したポリスチレン微粒子Ｐのみを確実且つ容易にＩＴＯガラス２上の所定位置に固定することができる。しかも従来の方法とは異なり、ポリスチレン微粒子Ｐを加熱する必要がないので、ポリスチレン微粒子Ｐに何ら影響を与えることなく固定することができる。特に、本実施形態の微小物質固定装置１は、従来のものと違い、簡単な構成であるので、コストを抑えることができる。
【００６４】
また、光硬化性樹脂を利用する従来のものとは異なり、液体の種類に限定されず、様々な液体、例えば、バッファー溶液や生理食塩水等も使用することができる。従って、汎用性が高く、様々な分野への応用を期待することができる。例えば、従来では困難であったバイオ試料等の固定等にも好適に応用することができる。また、周囲を暗くする等の特殊な環境にする必要がなく、単に液中環境にするだけで固定を行うことができるので作業性の容易化を図ることができる。
【００６５】
更に、予めＩＴＯガラス２を常時帯電させる必要がないので、省電力化を図ることができる。この点においてもコストの低減化を図ることができる。また、任意に選択して捕捉したポリスチレン微粒子Ｐのみを確実に固定できるので、意図しないポリスチレン微粒子Ｐを固定してしまう恐れがない。
【００６６】
次に、上述した捕捉工程、位置調整工程及び固定工程を繰り返し行って、図９に示すように、ＩＴＯガラス２上にポリスチレン微粒子Ｐを任意のパターンで複数固定させる。なお、この図９では、４個のポリスチレン微粒子Ｐを密着させた状態で固定させた例を示している。
このようにポリスチレン微粒子Ｐを任意のパターンで固定させた後、制御部９は、電圧値を所定電圧値よりも上げた状態で電圧印加するように電圧印加手段８を再度作動させる。この際、本実施形態では、図１０に示すように固定工程時とは逆の極性で電圧を印加する。即ち、金属層４側がプラス、ＩＴＯガラス２側がマイナスとなるように電圧を印加する。
【００６７】
この電圧印加によって、金属層４はチャージされてプラスに帯電した状態となる。つまり、金属層４を構成する金微粒子４ａが、徐々にプラスの電荷を帯びてくる。一方、ＩＴＯガラス２も同様にチャージされて金属層４とは反対の極性であるマイナスに帯電した状態となる。そのため、ＩＴＯガラス２とカバーガラス３との間に介在された純水Ｗには、電界が形成される。
【００６８】
そして、電圧印加部８ａが電圧値を所定電圧値以上に上げると、上述した状態からさらにチャージが進み、帯電した金微粒子４ａが図１０に示すように、異なる極性に帯電されたＩＴＯガラス２に引き寄せられて対向面３ａから剥離すると共に、液中に浮遊した状態となる。なお、この浮遊した金微粒子４ａは、依然としてプラスに帯電した状態となっている。そのため金微粒子４ａは、液中に浮遊したと同時に、金属層４とＩＴＯガラス２との間に形成された電界によって電気泳動により純水Ｗ内をＩＴＯガラス２に向かって移動し始める。そして、移動した金微粒子４ａは、ポリスチレン微粒子Ｐが固定されたＩＴＯガラス２の表面全体に次々と付着して堆積する。
【００６９】
このように電圧印加工程を行うことで、カバーガラス３の対向面３ａに形成された金属層４の金微粒子４ａを電気泳動によりＩＴＯガラス２に向けて移動させると共に、ポリスチレン微粒子Ｐが固定されたＩＴＯガラス２上に堆積させて金属膜３５を成膜させることができる。これにより、図１１に示すように、ポリスチレン微粒子Ｐを金属膜３５でコーティングすることができる。特に、ＩＴＯガラス２上に固定されている複数のポリスチレン微粒子Ｐの周囲に金微粒子４ａが堆積するので、ポリスチレン微粒子Ｐをさらに強固に固定することができる。従って、ＩＴＯガラス２上を単に金属膜３５で成膜するだけでなく、この金属膜３５を利用してポリスチレン微粒子Ｐを液中で強固に固定することができる。
なお、ＩＴＯガラス２に付着した金微粒子４ａは、帯電した状態が解かれると同時に、ファンデルワールス力によって強固に固定される。
【００７０】
しかも、本実施形態では、電圧印加固定を行う際に、固定工程時と極性が異なるように電圧を印加している。そのため、液中に浮遊している残りのポリスチレン微粒子Ｐ（マイナスに帯電している）をＩＴＯガラス２側に引き寄せることなく、金微粒子４ａだけをＩＴＯガラス２に向けて電気泳動により移動させて堆積させることができる。従って、図１１に示すように、ＩＴＯガラス２に固定させたポリスチレン微粒子Ｐだけを確実に固定することができる。
【００７１】
上述したように本実施形態の微小物質固定装置１及び微小物質固定方法によれば、ＩＴＯガラス２上に複数のポリスチレン微粒子Ｐを固定させた後、さらに金微粒子４ａを利用してポリスチレン微粒子Ｐを強固に固定しているので、ＩＴＯガラス２を液中から取り出して乾燥させたとしても、純水Ｗの乾燥過程で生じる気液界面における表面張力の影響を受けることがない。通常、単にポリスチレン微粒子ＰをＩＴＯガラス２上に固定させただけでは、図１２に示すように、純水Ｗを乾燥させた際に気液界面の移動に伴ってポリスチレン微粒子Ｐも移動してしまう。
ところが本実施形態では、乾燥過程で気液界面が移動したとしても、ポリスチレン微粒子ＰはＩＴＯガラス２の表面全体に堆積している金微粒子４ａによって周囲が囲まれているので、気相界面につられて移動したり、変形したりする恐れがない。よって、液中内で任意のパターンで固定させたポリスチレン微粒子Ｐをそのままのパターンで大気中に取り出すことができる。
【００７２】
従って、マイクロスケールの微粒子の組み立てや、ＭＥＭＳ等の微小デバイス等の組み立てに応用することができる。しかも、大気中に取り出されたポリスチレン微粒子Ｐは、金微粒子４ａによってコーティングされているので、直ちに電子顕微鏡により観察を行うことができる。
【００７３】
ここで、液体を超臨界状態で乾燥させる装置が従来から知られている。これは、超臨界乾燥方法と呼ばれ、気相と液相との境界面が存在せず、表面張力が作用しない状態で乾燥を行う方法である。この方法によれば、同様に、液中内で任意のパターンで固定させたポリスチレン微粒子Ｐをそのままの状態で大気中に取り出すことができる。ところがこの方法は、装置自体が高価なものであるので、かなりの高コストになってしまい、安易に使用できるものではなかった。
これに対して、本実施形態の微小物質固定装置１及び微小物質固定方法によれば、上述したように特殊な構成が不要であり、容易且つ低コストでポリスチレン微粒子Ｐを大気中に取り出すことができる。
【００７４】
また、従来の超臨界乾燥方法は、高温且つ高圧環境下で乾燥を行う方法であるので、環境条件が厳しくなってしまう。例えば、水を乾燥させる場合には、臨界温度が３７３．９５℃、臨界圧力が２２．０６４ＭＰａ、臨界密度が３２２ｋｇ／ｍ３という厳しい条件となってしまう。特に、微小物質として、上述したポリスチレン微粒子Ｐではなくバイオ試料を用いた場合には、超臨界乾燥方法を行う従来の装置では、厳しい臨界条件ためのバイオ試料がダメージを受けてしまい、使用することができなかった。
これに対して、本実施形態の微小物質固定装置１及び微小物質固定方法によれば、単に液中で行うだけであるので、バイオ試料に何ら影響を与えることなく、生に近い状態で容易に大気中に取り出すことができる。従って、生体細胞や微生物等を基板に配列固定させる際に本発明を利用することができ、顕微鏡観察や標本作製への応用も可能である。
【００７５】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る微小物質固定装置及び微小物質固定方法の第２実施形態を、図１３を参照して説明する。なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。  
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、ポリスチレン微粒子Ｐを任意のパターンでＩＴＯガラス２に固定させる際に、捕捉工程、位置調整工程及び固定工程を繰り返し行ったが、第２実施形態では一度で行うことができる点である。
【００７６】
即ち本実施形態の光学系４１は、レーザ光Ｌを複数の光束に分岐させる光変調器（レーザ分岐素子）４２を備えており、分岐された複数の光束を任意の配列で並んだ複数のスポットとして集光させて、ポリスチレン微粒子Ｐを一度に複数捕捉することができるように構成されている。
具体的に本実施形態の光学系４１は、レーザ光源２５とハーフミラー２８との間に、レーザ光源２５側から順に、ビームエキスパンダ４３、偏光板４４、上記光変調器４２及びレンズ系４５を備えている。ビームエキスパンダ４３は、レーザ光源２５から照射されたレーザ光Ｌのビーム径を拡大させている。偏光板４４は、ビーム系が拡大されたレーザ光Ｌが有する偏光成分のうち、決められた成分（例えば、Ｐ成分）の直線偏光の光を透過させている。光変調器４２は、光の位相を制御するデバイスであって、偏光板４４を透過してきたレーザ光Ｌを、予め入力された配列パターンにしたがって光束を複数に分岐させている。レンズ系４５は、複数の光束に分岐された光束をそれぞれ元のビーム径に集光させている。
【００７７】
このように構成された光学系４１を有する微小物質固定装置４０によれば、捕捉工程の際、光変調器４２によりレーザ光Ｌを複数の光束に分岐させた後、これら複数の光束を任意の配列で並んだ複数のスポットとして液中に集光させることができる。これにより、複数のポリスチレン微粒子Ｐを任意の配列に並ばせた状態で一度に捕捉することができる。その後、固定工程によってこれら複数のポリスチレン微粒子Ｐを一度にＩＴＯガラス２に固定させることができる。
特に、１つ１つポリスチレン微粒子Ｐを固定させることなく、一度に複数のポリスチレン微粒子Ｐを所望する配列パターンで固定させることができるので、作業時間をより短縮することができると共に使い易さが向上する。
【００７８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００７９】
例えば、上記各実施形態では、基板の一例としてＩＴＯガラス２を例に挙げて説明したが、ＩＴＯガラス２に限定されるものではない。また、カバーガラス３の対向面３ａにスパッタ法で金属層４を形成したが、スパッタ法に限られず、蒸着法等により金属層４を形成しても構わない。また、金属層４は、金に限られるものではない。
【００８０】
また、上記各実施形態において、対向基板としてカバーガラス３を用いたが、カバーガラス３に代えて、ＩＴＯガラス２等の導電性基板を用いても構わない。このように導電性基板を用いることで、金属層４に電圧を印加した際に、導電性基板自体に電流を流して金属層４に電圧を印加することができる。よって、より効率良く且つ金属層４全体に均等に電圧を印加でき、成膜をより円滑にムラなく行うことができる。また、金微粒子４ａの剥離によって、仮に金属層４が途中で分断されてしまったとしても、導電性基板を介して電流が流れるので、まだ剥離していない残りの金属層４に電圧を確実に印加することができる。よって、この点からもムラのない成膜を行うことができる。
【００８１】
また、上記各実施形態では、純水Ｗに投入する微小物質をポリスチレン微粒子Ｐとしたが、これに限られず、その他の高分子粒子やバイオ試料等でも構わない。
【００８２】
また、上記実施形態では、固定工程の際にＩＴＯガラス２側がプラスに帯電するように電圧を印加したが、純水Ｗ内に微小物質を投入したときに、該微小物質がプラスに帯電するような処理を施したような場合には、ＩＴＯガラス２側がマイナスに帯電するように電圧を印加すれば良い。この場合であっても、同様の作用効果を奏することができる。
また、固定工程時と電圧印加工程時とで極性が異なるように電圧を印加したが、この場合に限定されず、同じ極性となるように電圧を印加しても構わない。
【００８３】
更に、上記各実施形態において、電圧印加工程を行う際に所定時間以上の間電圧印加を行って、ポリスチレン微粒子Ｐを埋没させるように金微粒子４ａを堆積させて金属膜３５をコーティングしても構わない。
即ち、所定時間以上の間電圧を印加し続け、ＩＴＯガラス２上に金微粒子４ａを堆積させ続ける。これにより、ポリスチレン微粒子Ｐをコーティングする金属膜３５の膜厚が徐々に厚くなり、ＩＴＯガラス２上に固定させたポリスチレン微粒子Ｐを埋没させることができる。このように金属膜３５を厚く成膜することで、ポリスチレン微粒子Ｐの鋳型を作ることができる。つまり、厚く成膜した金属膜３５をＩＴＯガラス２から剥すことで、ポリスチレン微粒子Ｐの外表面形状が転写した金属膜３５を得ることができる。よって、この鋳型となった金属膜３５を観察することで、ポリスチレン微粒子Ｐの観察を行うことができる。即ち、レプリカ法で観察することができる。
特に、液中におけるポリスチレン微粒子Ｐの状態を金属膜３５に転写できるので、液中に存在している状態でポリスチレン微粒子Ｐを観察することができる。また微小物質として、ポリスチレン微粒子Ｐではなくバイオ試料を採用した場合には、観察に好適な方法である。
【００８４】
（実施例）
次に、上記第１実施形態に基づいて、実際に実験を行った実施例について説明する。なお、以下の条件で実験を行った。
まず、微小物質として直径１μｍのポリスチレン微粒子Ｐを用いた。また、波長λ＝５１４ｎｍのアルゴンイオンレーザを照射するレーザ光源２５を用いると共に、その出力を６０ｍＷとした。また、固定工程時の印加電圧を２Ｖとした。この際、ＩＴＯガラス２がプラスに帯電するように電圧を印加した。また、ＩＴＯガラス２とカバーカラス４との間隔を、スペーサ等を利用して６０μｍに調整した。
【００８５】
この条件のもと、複数のポリスチレン微粒子ＰをＩＴＯガラス２上にパターニングして固定させた。その結果、図１４に示すように、ポリスチレン微粒子Ｐを「静」の文字となるようにきれいにパターニングできたことを確認した。また、図１５に示すように、「ＳＵ」の文字となるようにパターニングできたことも確認できた。
【００８６】
次に、ＩＴＯガラス２がマイナスに帯電するように極性を変えて電圧印加工程を行い、金微粒子４ａをＩＴＯガラス２上に堆積させてコーティングを行った。この際、印加電圧は８Ｖであり、電圧印加時間を１分とした。
電圧印加工程後、ＩＴＯガラス２を大気中に取り出して乾燥させ、電子顕微鏡で観察したところ図１４及び図１５に示すパターンのまま、ポリスチレン微粒子ＰがＩＴＯガラス２上に固定されていることを確認できた。
【００８７】
一方、上述した固定工程後、電圧印加工程を行わずに、「ＳＵ」のパターンでポリスチレン微粒子Ｐを固定させたＩＴＯガラス２を大気中に取り出して乾燥させた場合には、図１６に示すように、配列が崩れてしまったポリスチレン微粒子Ｐが確認された。これは、乾燥に伴う気相界面の移動によって、ポリスチレン微粒子Ｐも移動したことが原因と考えられる。
【００８８】
これらの結果から、本発明に係る微小物質固定装置１及び微小物質固定方法の効果が確認でき、簡単な構成且つ低コストで、液中で任意のパターンに配列したポリスチレン微粒子Ｐをそのままの状態で大気中に取り出すことができるという、従来にはない特別な効果を確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に係る微小物質固定装置の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】図１に示す微小物質固定装置の一部拡大図であって、純水内にポリスチレン微粒子が浮遊している状態を示す図である。
【図３】純水内に浮遊しているポリスチレン微粒子に作用する静電気的相互作用エネルギを説明するための図である。
【図４】純水内に浮遊しているポリスチレン微粒子にレーザ光を集光させて、光放射圧により捕捉した状態を示す図である。
【図５】光放射圧によってポリスチレン微粒子を捕捉する原理を示す図であって、（ａ）はポリスチレン微粒子にレーザ光を集光させた図であり、（ｂ）はポリスチレン微粒子に作用する力のベクトル図である。
【図６】図４に示す状態の後、ポリスチレン微粒子をＩＴＯガラスに近づけた状態を示す図である。
【図７】図６に示す状態の後、金属層とＩＴＯガラスとの間に電圧を印加させた状態を示す図である。
【図８】電圧を印加した結果、捕捉したポリスチレン微粒子をＩＴＯガラスに固定させた状態を示す図である。
【図９】ＩＴＯガラス上に複数のポリスチレン微粒子を固定させた状態を示す図である。
【図１０】図９に示す状態の後、再び金属層とＩＴＯガラスとの間に電圧を印加させて、ＩＴＯガラス上に金微粒子を堆積させている状態を示す図である。
【図１１】ＩＴＯガラス上に金微粒子が堆積して、ポリスチレン微粒子が強固に固定された状態で金属膜によりコーティングされた状態を示す図である。
【図１２】従来の方法を説明するための図であって、ＩＴＯガラス上にポリスチレン微粒子を単に固定させた状態で、液体を乾燥させている状態を示す図である。
【図１３】本発明に係る微小物質固定装置の第２実施形態を示す構成図である。
【図１４】本発明に係る微小物質固定装置の第１実施形態に基づいて実際に実験を行った実施例を説明するための図であって、ＩＴＯガラス上に複数のポリスチレン微粒子を「静」の文字となるようにパターニングした状態で固定させた図である。
【図１５】本発明に係る微小物質固定装置の第１実施形態に基づいて実際に実験を行った実施例を説明するための図であって、ＩＴＯガラス上に複数のポリスチレン微粒子を「ＳＵ」の文字となるようにパターニングした状態で固定させた図である。
【図１６】従来の方法で実際に実験を行った実施例を説明するための図であって、図１５に示すＩＴＯガラスを、大気中に取り出して乾燥させた後の状態のポリスチレン微粒子を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
Ｌ    レーザ光  
Ｐ    ポリスチレン微粒子（微小物質）
Ｗ    純水（液体）
１、４０    微小物質固定装置
２    ＩＴＯガラス（基板）
３５    金属膜
３    カバーガラス（対向基板）
３ａ    対向面
４    金属層
４ａ    金微粒子（金属微粒子）
５、４１    光学系
６    観察系
７    移動手段
８    電圧印加手段
９    制御部
４２    光変調器（レーザ分岐素子）
【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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