(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロメートルのサイズの誘電体粒子を支持出来るステージ（２６）と、
粒子が配置されるステージ（２６）の範囲に向かって焦点合わせされないレーザビームを夫々向けるノンパルスのレーザ光の２つ以上の光源（２２、２４）と、
粒子がレーザ光の光源（２２、２４）間にトラップされているかどうかを決定する第１の検出器と、
該レーザ光のインテンシテイを増加する時に粒子の変形を検出して測定する第２の検出器とを具備しており、
該レーザ光の光源（２２、２４）は、粒子をトラップし、且つ各レーザ光の光強さを変えることによって該粒子を非破壊的にストレツチするパワーを有することを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１の装置に於いて、該第１の検出器が電流の変動を測定することを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１の装置に於いて、該第１と第２の検出器が１つのユニットであることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１の装置に於いて、該粒子が小さな組織サンプル又は個別生物細胞であることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１の装置に於いて、該レーザ源（２２、２４）が単一モード光フアイバにより導かれることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１の装置に於いて、該レーザ源がマルチモード光フアイバにより導かれることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１の装置に於いて、該レーザ源（２２、２４）が７４０ｎｍから８４０ｎｍまでの波長で動作することを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１の装置に於いて、該粒子が生物学的組織サンプル又は生物細胞であることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１の装置に於いて、該レーザ源（２２、２４）が光フアイバを具備しており、該光フアイバは、該光フアイバを通してレーザ光を伝送する１つのチタン−サフアイヤレーザ（１２）に接続されていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項１の装置に於いて、該レーザ源が、反対に伝播するレーザ光の源であることを特徴とする装置。
【請求項１１】
個別癌細胞の検出のために請求項１の装置を使用することを特徴とする方法。
【請求項１２】
粒子を、ノンパルスのレーザ光の２つ以上の光源（２２、２４）によって設けられる２つ以上の反対に伝播する非破壊的レーザビームに露呈し、各レーザ光の光強さを変えることによって粒子をトラップしてストレッチする過程と、そして
該粒子の該変形を測定する過程と、
を具備するミクロンサイズの誘電体粒子の制御された変形のための方法。
【請求項１３】
請求項１の装置を使用する請求項１２の方法。
【請求項１４】
請求項１２の方法に於いて、該ビームが７４０ｎｍから８４０ｎｍまでの波長を有することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１２の方法に於いて、該粒子が生物学的組織サンプル又は生物細胞であることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１２の方法に於いて、該測定が視覚的検査により行われることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１２の方法に於いて、該測定が電子的に行われることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１２の方法に於いて、該測定が、該粒子が間にトラップされる２つの楕円形プロフアイル交叉通路間の水性媒質を通る電流の変動を測定することにより行われることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１２の方法に於いて、該方法が、該ビームを該粒子へ導く光学的レンズなしで行われることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術的背景】
光が運動量を担うことの実験室での最初の直接の実験的確認は今世紀への切り替わりの頃、米国のイー．エフ．ニコルスとジー．エフ．ハル（E.F.Nichols and G.F.Hull）｛ニコルス  イー．エフ．、ハル  ジー．エフ．、フイジカルレビュー１３巻３０７ページ、１９０１年（Nichols E.F.,Hull G.F., PHys. Rev. 13,p.307(1901）｝とロシヤのピー．エヌ．レベデフP.N.Lebedev｛レベデフ  ピー．エヌ．、アンナールンクフイジックス（ライプツイッヒ）６巻４３３ページ、１９０１年（Lebedev P.N., Ann. Phys. (leipzig）6,p.433(1901)｝により達成された。両実験では光源の放射圧力が高真空中に細いワイヤで懸架されたミラーの捻り運動により検出された。該真空は熱すなわちラジオメトリックな（radiometric）力の影響を除くために決定的に重要であった。この微細な効果について何か実用的な応用が存在すると想像する人は当時は居なかった。光子の運動量が重要な役割を演じた最初のプロセスはコンプトン（Compton）効果、すなわち電子に対するエックス線の散乱であった。１９６０年にレーザが発明される迄更に４０年が過ぎた。非常に高いインテンシテイ（intensity）を有して空間的にコヒーラント（coherent）な光を作る可能性は放射圧力の効果を巨視的世界にもたらした。この分野での早い時期のパイオニヤはベル研究所のエイ．アシュキン（A. Ashkin）であった。アシュキンは１９６０年代後期に透明な、マイクロメートルのサイズのラテックス球（latex spheres）の操作用にレーザを使用した最初の人である。水溶液中に懸濁された、これらの球は最初に１本の水平方向レーザビームで加速され、次いで第２の実験で２本のビーム間にトラップ（trapped）された。｛アシュキン  エイ．、”放射圧力による粒子の加速と捕捉”フイジカルレビューレター２４巻（４）１５６ー１５９ページ、１９７０年（Ashkin A.,"Acceleration and trapping of Particlesby Radiation Pressure" Phys. Rev. Lett. 24(4)p.156-159(1970) ｝。
【０００２】
それ以来、光のこの性質は多くの方法で探求されて来た。１つの広い分野は原子と分子のトラッピングと冷却である。今年のノーベル賞がレーザ光を用いて原子を冷却、トラップする方法の開発に対しスチブン  チュー、ウイリアム  デー．  フイリップス、及びクロード  コーエン−タンノウディイ（Steven Chu, William D. Philips, and Claude Cohen-Tannoudi）に贈られた事実は今日の科学へのその絶対的妥当性を示している［チュー  エス．、”中性粒子のレーザ捕捉”サイエンチフイックアメリカン、７１ページ、１９９２年２月｛（Chu S.,"Laser trapping of Neutral Particles" Sci. Am.,p.71(February 1992）｝；フイリップ  ダブリュー．デー．、メトカーフ  エイチ．ジェー．、”原子の冷却と捕捉”サイエンチフイックアメリアカン、３６ページ、１９８７年３月｛Philips W. D., Metcalf H.J.,"Cooling and Trapping Atoms"Sci.Am.,p.36（March 1987）｝；コーエン−タンノウディイ  シー．、フイリップ  ダブリュー．デー．”レーザ冷却用新機構”フジックスツデイ、３３ページ、１９９３年１０月｛Vohen-Tannoudi C., Philips W.D.,"New Mechnisms for Laser Cooling" Pfyscs Today,p.33（October 1990）｝；チュー  エス．、”原子と粒子のレーザ操作”サイエンス２５３巻８６１−８６６ページ、１９９１年｛Chu S.,"Laser Manupilation of Stoms and Particles" Science 253,p.861-866(1991)｝］。
【０００３】
誘電体物質との光の相互作用は２つの支配的力印加機構に分けることが出来る。より高い比屈折率を有する材料をレーザビームの最高のインテンシテイの範囲の方へ引くこう配力（gradient force）、と該材料への光子の運動量移送の結果である散乱力（scattering force）とである。大抵の光学的な極微操作ツール（micro-manipulation tools）はこう配力に依存している。しかしながら、本発明の”光学的ストレツチヤー（Optical Stretcher）”は弾性のある誘電体サンプルを変形するために該散乱力を使用する。
【０００４】
これら２つの力（こう配力と散乱力）の性質は異なる可能なトラップ設計を見越している。
【０００５】
最初の安定したトラップの１つは垂直レーザビームを用いた粒子の空中浮揚であった［アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、”放射圧力による光学的空中浮揚”アップライドフイジックスレター１９巻（６）２８３−２８５ページ（１９７１）｛Ashkin A., Dziedzic J.M.,"Optical Levitation by Radiation Pressure" Appl.Phys. Let. 19(6),p.283-285(1971)｝；アシュキン  エイ．、”レーザ光の圧力”サイエンテイフイックアメリカン２２６巻６３−７１ページ、１９７２年｛Ashkin A.,"The Pressure of Lase Light" Sci. Am. 226,p.63-71(1972)｝；アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、”真空中の光学的空中浮揚”アップライドフイジックスレター２８巻（６）３３３−３３５ページ、１９７６年｛Ashkin A., Dziedzic J.M.,"Optical Levitation in High Vacuum" Appl. Phys. Let. 28(6),p.333-335(1976)｝；アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、”光学的空中浮揚を使用する非球形粒子からの光散乱の観察”アップライドオプチックス１９巻（５）、６６０ー６６８ページ、１９８０年｛Ashkin A., Dziedzic J.M.,"Observation of Light Scattering from Nonspherical Particle Using Optical Levitation"Appl. Opt.19(5),p.660-668(1980)｝］。散乱力は重力とバランスする程充分強い一方こう配力は光学的軸線上に粒子を保っている。
【０００６】
このトラップの大きな改良は１９８６年にアシュキンにより最初に実現された、高度に焦点合わせされたレーザビームの利用であったが［アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、ビヨルクホルム  ジェー．イー．、チュー  エス．、”誘電体粒子用単一ビーム力光学トラップの観察”オプチックスレター１１巻（５）２８８−２９０ページ、１９８６年｛Ashkin A., Dziedzic J.M., Bjorkholm J.E., Chu S.,"Observation of Single-Beam Force Optical Trap for Dielectric Particles" Opt. Lett. 11(5),p.288-290(1986)｝］それは重力から独立しており人間は空間で該トラップを如何なる方向にでも向けることが可能で極微重力（micro-gravity）内でそれを使用することさえ出来るからである［グスガルト  アール．、リンドモ  テー．、ブレビック  アイ．、”強く焦点合わせされたレーザビーム内でのトラップする力の計算”ジャーナルオブオピチカルソサイアテイビーアメリカンビー９巻（１０）、１９２２−１９３０ページ、１９９２年｛Gussgard R., Lindmo T., Brevik I.,"Calculation of the Trapping Force in a Strongly Focused Lase Beam" J. Opt. Soc. Am. B9(10),p.1922-1930(1992)｝］。その構想は極端に焦点合わせすることが非常に高いインテンシテイを有する空間（軸線よりもむしろ）内の点に導くことである。かくして、こう配力は誘電体粒子をこの点の方へ引く。該焦点合わせは、該こう配力が、この場合該焦点から遠ざけるよう該粒子を押すので望ましくない効果である散乱力に打ち勝つ程、充分強くなければならない。これは高い開口数｛エヌエイ（NA）｝を有する顕微鏡対物レンズを通るようレーザビームを導くことにより通常実現される。実験的改良は円錐形の暗視野を作る中央視野停止部を有する対物レンズを使用することにより達成出来る。これは高いエヌエイ（NA）照明からの相対的貢献を高め散乱力の影響を減ずる。同時に粒子は焦点の近くにトラップされ顕微鏡で観察される。通常光学的ツウィーザ（Optical Tweezer）と引用される、この１ビームのセットアップは多方面で研究されて来て［アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、ビヨルクホルム  ジェー．イー．、チュー  エス．、”誘電体粒子用単一ビーム力式光学トラップの観察”オプチックスレター１１巻（５）２８８−２９０ページ、１９８６年｛Ashkin A., Dziedzic J.M., Bjorkholm J.E., Chu S.,"Observation of Single-Beam Force Optical Trap for Dielectric Particles" Opt. Lett. 11(5),p.288-290(1986)｝；アシュキン  エイ．、”光線光学体制内の誘電体球上での単一ビームこう配レーザトラップの力”バイオフイジックスジャーナル６１巻５６９ー５８２ページ、１９９２年｛Ashkin A.,"Forces of a Single-Beam Gradient Laser trap on a Dielectric Sphere in the Ray Optics Regime" Biophys. J. 61,p.569-582（1992）｝；ライト  ダブリュー．エイチ．、ソネック  ジー．ジェー．、バーンス  エム．ダブリュー．”光学的ツウィーザを用いた極微球上への放射トラップ力”アップライドフイジックスレター６３巻７１５ー７１７ページ、１９９３年｛Wright W.H., Sonek G.j., Berns M.W.,"Radiation Trapping Forces on Microspheres with Optical Tweezers"App. Phys. Lett. 63,p.715-717（1993）｝；グスガルト  アール．、リンドモ  テー．、ブレビック  アイ．、”強く焦点合わせされたレーザビーム内でのトラップする力の計算”ジャーナルオブオプチカルソサイアテイアメリカン  ビー９巻（１０）、１９��２−１９３０ページ、１９９２年｛Gussgard R., Lindmo T., Brevik I.,"Calculation of the Trapping  Force in a Strongly Focused Laser Beam" J. opt. Soc. Am. B9(10),p.1922-1930(1992)｝；ブイッシャ  ケー．、ブラケンホーフ  ジー．ジェー．、”単一ビームトラップＩ：レイレイ散乱器内での球形粒子上への光学的に誘起される力の理論的研究”オプチック８９巻（４）、１７４ー１８０ページ、１９９２年｛Visscher K.,Brakenhoff G.J.,"Theoretical Study of Optically Induced Forces on Spherical Particles in a Single Beam Trap I: Rayleigh Scatterers" Optik 89(4),p.174-180（1992）｝；クオ  エス．シー．、シーツ  エム．ピー．”細胞生物学に於ける光学的ツウィーザ”トレンドインセルバイオロジー２巻、１１６−１１８ページ、１９９２年｛Kuo S.C.,Sheettz M.P.,"Optical Tweezers in Cell Biology" Trends in cell Biology 2,p.116-118（1992）｝］、そして生物学的応用で広く使用されている。使用されるレーザのパワーはガラス又はラテックスビーヅをトラップするためには２，３ｍＷから１．５Ｗ迄の範囲にあり達成されるトラップ力はサイズと屈折率に依ってピコからナノニュートン迄変化する。詳細な調査用には［クオ  エス．シー．、シーツ  エム．ピー．”細胞生物学に於ける光学的ツウィーザ”トレンドインセルバイオロジー２巻、１１６−１１８ページ、１９９２年｛Kuo S.C.,Sheettz M.P.,"Optical Tweezers in Cell Biology" Trends in cell Biology 2,p.116-118（1992）｝；バーンス  エム．ダブリュー．、ライト  ダブリュー．エイチ．、ストイビング  アール．ダブリュー．、”細胞生物学でのツールとしてのレーザ極微ビーム”インタナショナルレビューオブサイトロジー１２９巻１−４４ページ、１９９１年｛Berns M.W.,Wright W.H.,Steubing R.W.,"Laser Microbeam as a Tool in Cell Biology" Int.Rev. Cytol. 129,p.1-44(1991)｝；ブロック  エス．エム．、オプチカルツウィーザ：細胞生物学での非侵襲性技術での生物物理学用の新しいツール、ジー．エス．フオスケット  ジェー．ケー．、編集。１９９０年、ウイリー−リス．：ニューヨーク３７５ー４０２ページ｛Block S.M., Optical Tweezer: A new Tool for  Biophysics, in Noninvasive Techniques in cell Biology, G.S. Foskett J.K., Editor. 1990,Wiley-Liss.:New York.p.375-402｝；グロリッヒ  ケー．オー．、ウエーバー  ジー．、”解析から事前準備ツール迄のその道程でのレーザ顕微鏡”ジャーナルオブマイクロサイエンス１６７巻、１２７−１５１ページ、１９９１年｛Greulich K.O.,Weber G.,"The Laser Microscope on its Way from an Analytical to a Preparative Tool" J. Microsc. 167,p.127-151(1991)｝；シムズ  アール．エム．、フアイナー  ジェー．テー．”光学的ツウィーザ”カレントバイオロジー３巻３０９−３１１ページ、１９９３年｛Simmens R.M., Finer J.T.,"Glasperlenspiel IIOptical Tweezers" Curr. Gio;. 3, p.309-311(1993)｝；及びウエーバー  ジー．、グロイリッヒ  ケー．オー．、”レーザ極微ビームと光学的トラップによる細胞、オーガネル、及びゲノムの操作”インターナショナルレビューオブサイトロジー１３３巻、１−４１ページ、１９９２年｛Weber G., Greulich K.O.,"Manipulation of Cells, Organelles, and Genome by Laser Microbeams and Optical Traps"Int. Rev. Cytol. 133,p.1-41(1992) ｝参照。
【０００７】
光学的ツウィーザは非常に強力なツールであるが、又その限界も有する。高いエヌエイ（NA）の対物レンズの作動距離は非常に短く、対物レンズと対象との間に追加的テスト器具を見越せない。該トラッピング領域は可成り小さい（光の波長の程度である）。軸線方向の安定性の消失（該散乱力が背後方向へのこう配力より強くなる）のために≒１．７より小さい屈折率用のみに良好なトラッピング効率が達成出来ることが示された［サボタ  ケー．、ブロック  エス．エム．、”光学的力の生物学的応用”アニュアルレビューオブバイオフジックスストラクチュア２３巻、１４７−２８５ページ、１９９４年｛Svoboda K., Block S.M.,"Biological Applications of Optical Forces" Annu. Rev. Biophys. Struct. 23, p.147-285,(1994）｝］。更に、スポットサイズ（使用光の波長の半分）の理論的限界迄該ビームを焦点合わせすることは生物学的対象の完全な状態を危うくする可能性のある様な非常に高いインテンシテイへ導くことになる。光学的ツウィーザでトラップされる大抵の細胞は２０−２５０ｍＷより大きいパワーで生き残れないがそれは極端な焦点合わせが非常に高い局所的インテンシテイへ導くからである。又これは、勿論、特定の細胞の種類と使用波長に左右される（アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、ヤマネ  テー．、”赤外線レーザビームを使用する単一細胞の光学的トラッピングと操作”ネーチャ３３０巻（２４）７６９−７７１ページ、１９８７年；アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、”ウイールスとバクテリヤの光学的トラッピングと操作”サイエンス２３５巻、１５１７−１５２０ページ、１９８７年；クオ  エス．シー．、シーツ  エム．ピー．”細胞生物学に於ける光学的ツウィーザ”トレンドインセルバイオロジー２巻、１１６−１１８ページ、１９９２年 ｛Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T., " Optical Trapping and Manipulation of Single Cells Using Infrared Laser Beams" Nature 330(24), p.769-771(1987); Ashkin A., Dziedzic J.M.," Optical Trapping and Manipulation  of Viruses and Bacteria" Science 235, p.1517-1520(1987);Kuo S.C.,Sheettz M.P.,"Optical Tweezers in Cell Biology" Trends in Cell Biology 2, p.116-118（1992）｝。
【０００８】
これらの問題の大部分を回避する異なるセットアップは２本ビームのトラップ（two beam trap）である［アシュキン  エイ．、”放射圧力による粒子の加速とトラッピング”フイジカルレビューレター２４巻（４）１５６−１５９ページ、１９７０年｛Ashkin A.,"Acceleration and trapping of Particlesby Radiation Pressure" Phys. Rev. Lett. 24(4)p.156-159(1970)｝；ルーゼン  ジー．、インバート  シー．、”２本の水平レーザビームによる光学的空中浮揚”フイジックスレター５９エイ巻（１）、６−９ページ、１９７６年｛Roosen G., Imbert C., "Optical Levitation by Means of Two Horizontal Laser Beams: A Theoretical and Experimental Study" Phys. Lett. 56A(1),p.6-9(1976)｝；ルーゼン  ジー．”ラレビテーション  オプチーク  デ  スフエーレ”カナダジャーナルオブフイジックス５７巻、１２６０−１２７９ページ、１９７９年｛Roosen G.,"La Levitation Optique de Spheres" Can. J. Phys. 57, p.1260-1279(1979)｝；アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、”放射圧力による光学的空中浮揚”アップライドフイジックスレター１９巻（６）２８３−２８５ページ、１９７１年｛Ashkin A., Dziedzic J.M.,"Optical Levitation by Radiation Pressure" Appl.Phys. Let. 19(6),p.283-285(1971)｝］。歴史的には該２本ビームトラップは光学的ツウィーザの１０年より長い以前に開発されたがそれ以来未使用状態にあった。ガウス型ビームプロフアイルを有する、２つの同一で、反対に伝播するレーザビームは対称点に於いて粒子を安定化出来る。球上の力は２本の個別ビームの力の重畳になる。こう配力は該粒子を該軸線へと閉じ込めるが一方散乱力は該軸線に沿った安定性を提供する。これは、該粒子の屈折率nが周囲媒質より高い限り安定した構成である。この条件が充たされない例である、水中の空気泡は該ビーム外へ押し出される（水ビームからのゴムボールの様に）。幾分期待されてない、もう１つの条件は該粒子の直径が該中心でのビーム半径より小さくなければならぬことである。該ビーム半径が粒子半径より小さく、従って該比が１より大きい状態に対しては該ビームの発散のために該ビームのウエーストに近い該力は更に離れた所より小さい。これは該中心からの該球の小さな変位の増幅へと導きそれは該粒子が安定にトラップされないことを意味する［ルーゼン  ジー．、”２本の水平レーザビームにより空中浮揚された球の安定釣り合い位置の理論的及び実験的研究”オプチカルコミュニケーション２１巻（１）、１８９−１９５ページ（１９７７年）｛Roosent G.,"A Theoretical and Exprimenntal Study of the Stable Equilibrium Positions of Spheres Levitated by Two Horizontal Laser Beams" Opt. Comm. 21(1),p.189-195(1977)｝］。
【０００９】
単一モード｛エスエム（SM）｝光フアイバがレーザビームをトラッピング範囲へ配送するため使用されるこのセットアップの改良がデモンストレート（demonstrate）されて来た｛コンステーブル  エイ．、既無ジェイ．、マービス  ジェイ．、ザリネチ  エフ。プレンチス  エム．、”光フアイバ式光−力トラップのデモンストレーション”オプチックスレター１８巻（２１）、１８６７−１８６９ページ（１９９３年）｛Constable A., Kim J., Mervis J., Zarinetchi F., Prentiss M., "Demonstration of Fiber-Optical Light-Force Trap" Opt. Lett. 18(21),p.1867-1869(1993)｝。これは追加的光素子とそれらの整合との必要性を避け、そして該トラップの非常に容易で低廉な専用実験への施行を可能にする。又このトラップは顕微鏡から独立してセットアップされることが可能である。これらのトラップとそれらの生物学での応用の良い評論（review）がスブオボダ  ケー．、ブロック  エス．エム．、”光学的力の生物学的応用”アニュアルレビューオブバイオフイジックスストラクチャ２３巻、１４７−２８５ページ（１９９４年）｛Svoboda K., Block S.M., "Biological Application of Optical Forces" Annu. Rev. Biophys. Struct.23,p.147-285(1994)｝に見出すことが出来る。
【００１０】
光トラップのフアミリー内の新しいメンバーが光学的スパナ（Optical Spanner）である｛パジェット  エム．、アレン  エル．、”光学的ツウィーザとスパナ”フイジカルワールド、３５−３８ページ（１９９７年９月）｛Padget M., Allen L., "Optical Tweezers and Spanners" Physical World,p.35-38(September 1997) ｝。基本的セットアップは光学的ツウィーザ用の様であるがエルミート−ガウス型（Hermite-Gaussian）レーザプロフアイルの代わりにラゲール−ガウス型（Laguerre-Gaussian）プロフアイルが使用される。これらのビームは円形の断面と、螺旋状の波頭（wave front）と、そして軸線の周りにスパイラル運動するポインテイングベクトル（Poynting vector）を有する。これは、この様なビームが前に論じた並進運動量に加えて軌道運動量（orbital momentum）を有することを意味する。該システムの角運動量も又保存されねばならないので、該粒子は回転を始める。この方法で粒子は並進されるのみならず、かつ、回転させられる。
【００１１】
これらのトラップは対象のあらゆる種類の操作用に極端に有用であるが、それらはそれらを置き換える及び／又は回転させることが出来るのみで、それらを変形させようと意図されてはいない。本発明の光学的ストレツチヤー（Optical Stretcher）は光学的ツールのラインを拡張し、粒子操作の全範囲を見越している。
【００１２】
細胞の弾性（elasticity）を調べる現在の全ての方法はそれらの限界を有する。極微ピペット吸引実験（micropippette aspiration experiments）では極微ピペットの先端は極微マニピュレータを用いて細胞上に置かれ、該細胞の１部は印加された負の圧力で該ピペット内へ引き込まれる。これは非常に局所的な情報を提供するのみであり該細胞から細胞膜を引き離し不精確な測定へ導く。
【００１３】
もう１つの可能性はタッピングモード（tapping mode）での原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope）｛エイエフエム（AFM）｝の使用である｛ラードマッヒャー  エム．、フリッツ  エム．、クリーブランド  ジェイ．ピー．、ハンスマ  ピー．ケー．、”原子間力顕微鏡を用いた人の血小板の粘弾性特性の測定”バイオフイジックスジャーナル７０巻、５５６−５６７ページ（１９９６年）｛Radmacher M., Fritz M., Kacher C.M., Cleveland J.P., Hasma P.K., "Measuring the Viscoelastic Properties with the Atomic Force Microscope" Biophys.J.  70,p.556-567(1996)｝。振動するエイエフエム先端が細胞本体を横切って走査され該力と刻み目（indentation）が測定出来るようにしている。該細胞のヤング率は次いでヘルツモデル（Hertz model）を使用して決定されるのが通常であるが、該モデルは材料に半無限長スラブ（semi-infinite slab）を仮定しており変形をその材料定数に結び付けている。ここでの問題は、エイエフエムの先端／片持ち梁のばね定数が細胞骨格の強度に比較して可成り大きく、それは細胞の小さな弾性差−該細胞は圧縮されているか否かどちらかである−を検出することが不可能であることを意味している。又多くの細胞がそれを生き残れないので、この処置は非常にラフである。又エイエフエムは細胞の表面の小さな範囲上のみについて弾性を見ている。該エイエフエム先端がガラス針で置き換えられる細胞ポーキング（”cell poking”）実験はこれと似ている［エルソン  イー．エル．、”細胞骨格の構造と機能のインデイケータとしての細胞力学”アニュアルレビューバイオフイジカルケミストリー１７巻、３９７−４３０ページ（１９８８年）｝｛Elson E.L.,"Cellular Mechanics as an Indicator of Cytoskeletal Structure and Function" Annu. Rev. Biophys. Chem. 17, p.397-430(1988)｝］。
【００１４】
全てのこれらの方法が共通に持つもう１つの主要な欠点はそれらが効率的でないことである。極微ピペット又はエイエフエム先端を手動で細胞上に位置付けることは非常に不便である。従って可成りの数の細胞を短時間で測定することは効果的には不可能でその結果良好な統計に欠けることになる。
【００１５】
より間接的な接近策は密にパックされた細胞のパレット全体をレオメータ（rheometer）で切ることである［アイチンガー  エル．、コッペル  ビー．、シュライヒャー  エム．、シュリワ  エム．、ワイジャー  ケー．、ウイトケ  ダブリュー．、ジャンメイ  ピー．エイ．、”機械的な動揺がデイクチオステリウムの野生種細胞と細胞骨格突然変異体間の個体群差を引き出す”バイオフイジックスジャーナル７０巻１０５４−１０６０ページ（１９９６年）｛Eichinger L., Koppel B., Noegel A.A., Schleicher M., Schliwa M., Weijer K., Wittke W., Janmey P.A., "Mechnical Perturbation Elicits a Phenotypic Difference Between Dictyostelium Wild-type Cells and Cytoskeletal Mutants" Biophys. J. 70,p.1054-1060(1996)｝｝。しかしながら、これはバルク（bulk）の測定であり、平均値を生ずるのみで、１つの細胞に就いての特定の情報は生じない。もう１つの限界は細胞弾性のみならず該細胞間の吸着力と摩擦も又該測定の結果に影響することである。
【００１６】
【発明の概要】
本発明は上記説明の欠点と欠陥の１つ以上に対し解決策を提供する。
【００１７】
生物細胞の様な誘電体粒子の操作用の幾つかの光学的ツール（optical tools）が存在する。今まで、放射圧力による操作は並進と回転であると考えられた。これは、光の物質との相互作用から起こる力が、制御された非破壊的な仕方で、細胞を意図的に変形させるために使用される最初である。この新規なツール、光学的ストレツチヤー（Optical Stretcher）を用いて、典型的には５−５０マイクロメートルの間の直径を有する、細胞の様な、変形可能な対象の弾性を測定することが可能である。ここで使用される様に、”光学的ストレツチヤー”はここに説明される発明を指している。細胞は、細胞骨格として知られる繊維性ポリマーの３次元ネットワークにその安定性を負っている。柔らかい凝縮した物質の物理での古典的概念がこの現象を説明するのに失敗したので、該細胞骨格が如何にして細胞に機械的安定性を提供出来るかは理解されていない。分子生物学での近代的技術と組み合わされて該光学的ストレツチヤーの使用は該細胞骨格の構成要素の役割を明確にする。物理学と分子生物学とのこの新規な共生（symbiosis）は該細胞骨格の作用する方法のより明確な絵を得るよう助けるであろう。
【００１８】
更に、該光学的ストレツチヤーは１つの悪性の細胞の解析的検出用に使用されてもよい。癌細胞は、正常細胞に比較してその形態（morphology）を変型させることが示され、それはそれらの弾性を変える。この新規なツール、光学的ストレツチヤーはこれらの変化を検出するのに有用であろう。
【００１９】
該光学的ストレツチヤーは上記説明の欠点を避け１つの細胞の弾性を測定する新規技術である。原理的構想は緩衝液内に懸濁された単一細胞を放射圧力でトラップするために２つの反対に伝播するレーザビームを使用することである。それ自身をトラップする実行可能性は既に１９６０年代後期にエイ．アシュキンにより表明（demonstrate）された。それ以来、オングストローム（原子や分子の様な）から数十マイクロメートル（小さなガラスビーヅ又は細胞の様な）迄の範囲のサイズを有する全ての種類の粒子のトラッピングは多くの応用を見出して来た。
【００２０】
これは、粒子のトラッピング、移動、そして回転用のみならず、研究中の粒子の非侵襲性（noninvasive）で、非破壊性で、そして制御された方法での変形（deformation）用にも使用される。強い光を用いた誘電体表面の変形の構想は新しいものではない。該効果は、アスカリヤン、カッツ及びカントロビッチ［アスカリヤン  ジー．エイ．、”種々の偏光性を有する対象への放射圧力が種々の非均質性により波動の変形吸収を変える”ジェーイーテーピーレター９巻２４１−２４３ページ（１９６９年）、カッツ  エイ．ブイ．、カントロビック  ブイ．エム．、”線形の媒質中でのレーザビームの表面曲げと自己焦点合わせ”ジェイイーテーピーレター９巻１１２−１１４ページ（１９６９年）｛Askar'yan G.A., "Radiation Pressure on an Object with Varying Polarizability  Changes. Deformation Absorption of a Wave by Varible Inhomogenities" JETP Lett.9, =.241-243(1969);Katz A.V., Kantrovic V.M., "Bending of Surface and Self-Focusing of a Laser Beam in a Linear Medium" JET Lett9 p.112-114(1969)｝］により予言されそして後にアシュキンにより自由液面について実験的に示された［アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、”自由液面上への放射圧力”フイジカルレビューレター３０巻（４）１３９−１４２ページ（１９７３年）｛Ashkin A., Dziedzic J.M.,"Radiation Pressure on a Free Liquid Surface" Phys. Rev. Lett. 30(4),p.139-142(1973)｝］。それでも、この効果の可能性全体を実現している人は居らず、結果として今まで無視されて来た。
【００２１】
この新規接近策を用いて我々は細胞の弾性を測定し上記で述べた問題の大部分を回避出来る。例えそれが比較的簡単なセットアップであっても、本発明は、単一細胞をそれらを殺さずに研究し、広い範囲に亘り力を印加し、そして光インテンシテイを変えることだけにより（原理的にｍＨｚからＭＨｚまで）広い周波数範囲に亘り時間に依存しない測定を行ってもよい。加えて、流れ室（flow chamber）を組み入れることにより短い時間内に多数の細胞を測定することも可能である。
【００２２】
細胞の悪性変形の様に、細胞骨格に影響する病気は該光学的ストレツチヤーを用いて簡単で、低廉で、そして非侵襲性の方法で解析的に検出出来る。かくして、それは現在の技術より優れこれらの病気と成功裡に戦うための基礎となる。
【００２３】
前記を考慮して、１つの広い意味で本発明は、マイクロメートルのサイズの誘電体粒子を支持出来るステージと、該ステージの該粒子が置かれた範囲に向かって向けられた２つ以上のレーザ光源と、粒子が第１と第２のレーザ源の間にトラップされたかどうかを決定する第１の検出器と、該レーザ光のインテンシテイ（intensity）の増加時に粒子の変形を決定及び／又は測定する第２の検出器とを具備しており、該第１及び第２レーザ源は該レーザ光のパワー（power）を変えるよう調整出来てそれにより粒子をトラップするか又は該粒子をストレツチすることを特徴とする。
【００２４】
本発明の実施に用いるべき誘電体粒子はラテックス（latex）又はポリスチレンのビーヅの様なポリマービーヅの様な生命のない粒子から赤血球及び神経単位の様な生物細胞まで広く変わってもよい。
【００２５】
もう１つの広い意味で、本発明は、水成の媒質内の生物細胞を支持出来るステージと、該ステージの該細胞が置かれた範囲に向かって向けられた第１及び第２のレーザ光源と、細胞が該第１及び第２レーザ源間にトラップされたかどうかを決定する第１検出器と、そして該レーザ光のインテンシテイの増加時細胞の変形を決定及び／又は測定する第２の検出器とを具備するが該第１及び第２レーザ源は該レーザ光のパワーを変えるよう調節されてもよくそれにより細胞をトラップするか又は該細胞をストレツチすることを特徴とする装置である。
【００２６】
もう１つの広い意味で、本発明は生物細胞の制御された変形のための方法である。この方法は、細胞を、２つの反対に伝播するレーザビームに、該細胞を変形するために充分なインテンシテイで露出する過程と、そしてオプションとして該細胞の該変形を測定する過程とを具備している。
【００２７】
なおもう１つの広い意味では、本発明は上記説明の該装置を使用してそれらの変形可能性（deformability）を測定することにより個別癌細胞を検出するための方法である。
【００２８】
なおもう１つの広い意味では、本発明は、該粒子を変形させるに有効なインテンシテイでかつ該条件下で、２つ以上の反対に伝播するレーザビームに粒子を露出する過程と、オプションとして該粒子の該変形を測定する過程とを具備する、マイクロメートルのサイズの誘電体粒子の制御された変形用の方法である。
【００２９】
なおもう１つの広い意味では、本発明は、該粒子を変形させるに充分なインテンシテイで粒子を幾つかのレーザビームに露出させる過程と、オプションとして該細胞の該変形を測定する過程とを具備した、誘電体のマイクロメートルのサイズの粒子の制御された変形用の方法である。
【００３０】
加熱による同時の放射損傷を引き起こさずに哺乳動物細胞を変形させる力はレーザを用いては達成されず、前の実験は焦点合わせされたビームを使用しそしてより高い局所的レーザインテンシテイが該細胞を破壊したと一般に信じられた。今我々は、これが、ガラスビーヅをトラップすることによりしかし細胞をストレツチすることにはよらずに前に使用されて来た光フアイバトラップを使用して克服出来たと認識した。又レーザ光は誘電体表面を変形出来ることが予言されて来た。しかしながら、２つの反対するレーザビームの放射圧力が細胞をストレツチすることは幾分反直観的である。人は該細胞がスクイーズ（squeezed）されると期待する。２つの反対するレーザビームが細胞をスクイーズせず、放射圧力が細胞をストレツチするとは全く期待されておらず驚くべきことである。これは反直観的で文献では予言されていない。理論により縛られることを願わないが、今我々は、該レーザビームが該細胞に入る時のその運動量の増加によりこの効果を説明出来る。運動量の保存のためにはこの増加が引っ張る力により補償されねばならない。
【００３１】
【詳細な説明】
光学的ストレツチヤーは、透明誘電体材料を引くために１つ以上のレーザビームを使用する新規光学ツールである。特に、２つ以上の反対に伝播するビームを用いたセットアップは生物細胞の様なマイクロメートルのサイズの誘電体粒子を安定にトラップしストレツチすすために使用出来る。より高い屈折率の媒質に入る又は該媒質を去るレーザビームの光子圧力が該インタフエースを引く事実は予期されないが、運動量保存により説明出来る。
【００３２】
トラップされストレツチされる細胞の種類は広範に替わってもよい。例えば、本発明は、ここに示されるステ−ジ用には大き過ぎる筋肉及び神経単位の細胞を除いて、哺乳動物細胞を含む真核細胞（eukryotic cell）をトラップし変形するために使用されてもよい。本発明の実施での使うためのこの様な細胞の代表的、限定しないリストは、上皮細胞（epithelial cells）、リンパ球（lymphcyte）、マクロフアージ、線維芽細胞、ピーシー１２（PC12）細胞、角化細胞及び黒色腫細胞（melanoma cell）を含んでいる。又約１００マイクロメートルの直径を有する小さな組織クラスタ（tissue cluster）を使用することも可能である。
【００３３】
図１は、コンステーブル  エイ．、キム  ジェイ．、マービス  ジェイ．、ザリネチ  エフ．、プレンチス  エム．、”光フアイバの光力のトラップのデモンストレーション”オプチクスレター１８巻（２１）、１８６７−１８６９ページ（１９９３年）｛Constable A., Kim J., Mervis J., Zarinetchi F., Prentiss M., "Demonstration of Fiber-Optical Light-Force Trap" Opt. Lett. 18(21),p.1867-1869(1993)｝で説明された２ビームフアイバトラップの１つに従う我々の実験用のセットアップである。このセットアップは代表的で本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。
【００３４】
図１で、ポンプ動作するための２８Ｗまでの動力を有する、アルゴン（Ar+）-レーザ｛スペクトラフイジックスレーザ社、ビームロック２０８０アールエス（Spectra Physics Laser, Inc., Beamlok 2080 RS）｝の様な第１のレーザ１０が、同調可能で連続波のチタン−サフアイアレーザ｛約７９０ナノメートルの波長を有するスペクトラフイジックスレーザ社、３９００エス（Spectra Physics Laser, Inc., 3900S）｝の様なレーザ１２をポンプ動作している。他の波長が使用されても良いが、生きた生物細胞のストレツチ用には約７００ナノメートルから約９００ナノメートルまでの、好ましくは約９４０ナノメートルから約８４０ナノメートルまでの波長を見出した。該レーザビーム１６の高さ調整用に２つのミラー１４，１５｛ニューポート社（Newport Corp.）｝が使用された。該ビーム１６は、音響光学的変調器｛エイオーエム（AOM）｝｛イントアラクション、エイオーエム−８０２エヌ（IntraAction, AOM-802N）｝の様な変調器１８により変調され、ビームスプリッタ｛ニューポート社（Newport Corp.）｝２０により２つの１６ａ、１６ｂに分割され、そして次いで光フアイバ２２，２４内に結合される。該変調器１８は該レーザパワーを調整するために役立ち、そして変調器ドライバ２４を通してコンピユータ３２により制御されてもよい。該フアイバカプラ２３，２５はオージーオプチックス社（Oz Optics Ltd.）から買える、ニューポート（Newport）の単一モード（single-mode）及びマルチモード（multi-mode）の光フアイバである。該光フアイバはステージ（流れ室）２０に接続される。該流れ室は細胞のトラッピングと変形用のステージとして役立ち、そしてそこから前記トラッピングと検出が見出されてもよい（手動的に、電子的に、自動的に又は他の仕方で観察される）。該流れ室２６では該ビーム１６ａ、１６ｂは光フアイバ２２，２４にガイドされてサンプルに向けられる。該フアイバは反対に伝播するビームが相互に向けられるよう配置されている。すなわち、該ビームは精確に相互に対し向けられている。これは細胞のトラッピングと変形とを起こらせる。該こう配力が該細胞を構成する該誘電体を最高インテンシテイの点まで引くので該ビームにより供給されるこう配が該細胞のストレツチングをもたらすと信じられる。該細胞を変形（ストレツチ）するために光を使用する以前の企画は該細胞の破壊へ導いたがそれは該ビームのインテンシテイが余りに強かったからである。前の方法では、例えば、レーザを離れた後の該ビームの発散を制限するためにビームを焦点合わせする（インテンシテイを上げる）ように光学部品が使用された。本発明では、対照的に、該こう配力は最小である。該細胞のより高い屈折率が散乱力へつながる運動量変化へ導く。該細胞内の該ビームの増加した運動量は該細胞の該ビーム方向でのストレツチングにより補償される。図１及び図２Ａ−２Ｃの流れ室の代替えである、該ｚ方向での第３のチャンネルが楕円形のプロフアイルで開けられた。該フアイバ、細胞の流れそして楕円プロフアイルの各用チャンネルが図２Ｂ及び２Ｃで点線で描くように通路を交叉させている。もし細胞が該楕円のチャンネルをブロックするとこのチャンネルに沿うコンダクタンス（conductance）が下がる。もし該細胞が該楕円の長軸の平行方���にストレツチされると、該ブロッキングは増加してそして該コンダクタンスは更に下がり、もしコンダクタンスが該細胞のトラッピングと変形の検出に使用されるならばストレツチングの程度の測定となる。該ステージを通って動く細胞が、クールタ（Coulter）により現在販売される様な自動化された細胞カウンタを使用してカウントされてもよいことは評価されるべきである。図２Ａー２Ｃに戻ると、図１の構成で使用するための該流れ室４０は光学的顕微鏡スライドのサイズを有してもよいが該寸法は広範に変わってもよい。該ステージは該ステージ４０の頂部４８及び／又は底部４９に取付られた１つ以上の顕微鏡スライドを含んでもよい。１実施例では、該流れ室４０は光フアイバ２２，２４が挿入されるチャンネル４２を提供するよう開けられてもよい。点線により図２Ｂ及び２Ｃで示す該チャンネル４２はかくして該フアイバをガイドするように役立っている。該ガイダンスチャンネル４２に一般に直角な、もう１つのチャンネル４４は細胞のストリームが流されるコンドイット（conduit）を形成するのに役立つ。該細胞４４とガイダンス４２の両チャンネルはｘｙ−平面内に形成されると考えられてよい。又第３の孔４６は、該細胞４４とガイダンス４２の両チャンネルの交叉を２分する、ｚー平面内に作られてもよい。該孔４６は位相差顕微鏡作用（phase contrast microscopy）用照明のアパーチャを形成するのに役立つ。代わって、第３の孔４６は、コンダクタンス測定用に適切に取付られた電極を有して、楕円の寸法であってもよい。
【００３５】
全ての光学部品マウントはフイジックスデパートメント機械ショップによるか又はテキサス大学機械ショップ内で発明者によるか何れかで作られた。該光学的ストレツチヤーそれ自身は位相差及び蛍光顕微鏡作用を備えたインバーテッド（inverted）顕微鏡｛ツアイスアキシオバートテーブイ１００（Zeiss Axiovert TV100）｝上にセットアップされた。我々はセットアップ全体を制御するためにオリンパス（Olympus）４０倍対物レンズを使用した。該顕微鏡は該細胞のトラッピングとストレツチングと両者の検出に役立つ。図１では顕微鏡が示されているが、コンダクタンスを測定する装置の様な他の装置が使用されてもよい。この対物レンズの低い拡大率は該フアイバの整合のチェック用にそして細胞をトラップするために理想的である。該細胞の小さな変形を観察するために我々は種々の追加的拡大レンズを有するツアイスエルデーアクロプラン（Zeiss LD Achroplan）｛４０倍、エヌエイ  ０．６０（40×,NA 0.60）｝を使用した。一般に細胞は非常に透明であり通常の光透過型（though-light）顕微鏡でのそれらの視認性は限定される。それらを通過する時の光の位相変化の様なそれらの吸収の他の細胞の種々の他の光学的性質を探求する幾つかの顕微鏡技術がある。位相差顕微鏡動作はそれらの１つであり、他の記述をしない限り、実験で我々が使用したそのものである。位相差顕微鏡動作の追加的利点は対象のサイズが、光顕微鏡作用での光学的解像度より遙かに細かい数十ナノメートル（tens of nanometers）の精度で決定出来ることである。位相差顕微鏡では対象はそれらの周りに明るい光背（halo）を有するように見える。対照でのジャンプは従って非常に急勾配で公知の、適当な画像処理ソフトウエアで容易に検出出来る。この事実は該細胞の変形の決定に使用された。画像は４倍のカプラにより該顕微鏡に結合されたシーシーデーカメラ（CCD camera）｛エムテーアイデージシーシーデー７２エス（MTI-Dage CCD72S）｝で得られそしてエスブイエイチエス（SVHS）レコーダ３０｛パナソニックデーエス５５０（Panasonic DS550）｝上に記録された。カメラはオプションとして使用された。該カメラからの出力はデジタル化されストレツチング度用のコンピユータで解析された。図１に示したシステムでは、該顕微鏡は２０倍の対物レンズを用いて位相差モードで動作させ、本発明の１つの実施例では４０倍の拡大率が使用された。次いでこれらの画像はエヌアイエイチ−エスシーアイオーエヌ（NIH-Scion）画像ソフトウエア｛ブイ  １．６０（V 1.60）｝を有するパワーコンピューテイングコンピユータ（PowerComputing computor）｛パワータワープロ２２５（PowerTower Pro 225）｝上で評価された。使用した全ての拡大用の画素サイズは絶対距離測定を見越した１ｍｍ当たり１００本の線の格子で校正された。
【００３６】
【光学部品】
図１の構成の１つの重要な部品は音響光学変調器｛エイオーエム（AOM）｝である。エイオーエムの主要部分は適当な透過率（transmittance）｛我々の場合、７００−１３００ｎｍの範囲での高い透過率のために高密度のフリントガラス（dense flint glass）｝を有する結晶である。無線周波数信号がピエゾ電気変換器を通してこの結晶に印加されると、音波（波長Λ）がそれを通して進み定在波を創る。この定在波は該結晶内に密度格子（density grating）を生ずる。該格子の波長が光の光学的波長λの桁になるような仕方で該無線周波数信号の周波数が選ばれる。エイオーエムは多数ビームの発生のみならずレーザビームの偏向、インテンシテイ制御、及び光学的周波数シフテイング用に使用出来る。
【００３７】
もしレーザビームがブラッグ（Bragg）の条件が充たされるように或る角度で該結晶に入る場合、該ビームは該ブラッグの角度θBの２倍の倍数だけ偏向される。
【００３８】
【数１】
0004456270.tif 000002
【００３９】
通常第０次オーダのビームはブロックされ第１次オーダのビームが使用される。第１次オーダの光I1の百分比は、屈折効率ηとも呼ばれ下記で与えられる。
【００４０】
【数２】
0004456270.tif 000003
【００４１】
ここでPaは音響パワーであり、Aは材料定数である。該無線周波数信号のパワーを変えることにより屈折効率は０−８０％と変えることが出来る。この仕方で該エイオーエムは透過レーザビームのインテンシテイの変調用に使用出来る。
【００４２】
このセットアップのもう１つの重要な部品は光フアイバである。該レーザビームを光フアイバ内へカップルすることにより該光を容易にどんな望ましい場所へも配送することが可能である。これは我々に、該レーザと必要な全ての光学部品とを１つのテーブル上にそして該顕微鏡を他のどんな便利な場所に有することも可能にする。
【００４３】
単一モード｛エスエム（SM）｝とマルチモード｛エムエム（MM）｝のフアイバは区別されている。電気力学から導波管内のＴＥＭ場（transverse electromagnetic fields）用の解は、モードと呼ばれTEMXYで示される（ｘとｙは円筒座標内の半径方向と方位角の節の数を通常表す）或る形を有することが知られている。例えば、TEM00は精確なガウス型プロフアイル（exact Gaussian profile）を有する。エムエムフアイバは多くの異なるモードを伝送するがエスエムフアイバはTEM00モードのみを伝送し全ての他のモードを抑制する。上記で説明した全ての光学的トラップ用には、ビーム軸線に向かってインテンシテイのこう配があるように該レーザビームのガウス型プロフアイルを有することが決定的に重要である。かくして、エスエムフアイバが通常最良の選択である［コンステーブル  エイ．、キム  ジェイ．、ザリネチ  エフ．、プレンチス  エム．、”光フアイバの光力のトラップのデモンストレーション”オプチクスレター１８巻（２１）、１８６７−１８６９ページ（１９９３年）｛Constable A., Kim J., Mervis J., Zarinetchi F., Prentiss M., "Demonstration of Fiber-Optical Light-Force Trap" Opt. Lett. 18(21),p.1867-1869(1993)｝］。又該レーザビームのモード品質が非常に良くはない場合、該エスエムフアイバは空間的フイルタとして働きクリーンなガウス型プロフアイルを保証する。エスエムフアイバの１つの欠点はビームをフアイバ内にカプルさせることがより難しく（可能なカプリング効率がエムエムフアイバのそれの約半分に過ぎない）、そして高い光パワーとして伝送することが不可能なことである。エスエムフアイバを用いて本発明で伝送された最高パワーは２．５Ｗの入力電力に対し今までのところ約２００ｍＷであった。エムエムフアイバを用いれば本発明では５００ｍＷより多く伝送出来る。もう１つの違いはこれらのフアイバが或る波長帯域用に特別に設計されていることである。エスエムフアイバに対しては該フアイバが光を実際に運ぶ部分の直径である、モードフイールド直径（mode-field-diameter）は該波長帯域に直接関係しており、該波長が短い程該モードフイールド直径は小さくなる。これは一旦或る動作波長が選ばれると人は或るビームサイズに拘束されることを意味する。エムエムフアイバに対しては波長とモードフイールド直径の間とに固定した関係がないので変更出来る追加パラメータがある。
【００４４】
又該フアイバは該セットアップの最も壊れやすい技術部品である。１つの実施例では、ストリップされたフアイバの直径は１２５マイクロメートルに過ぎず非常に容易に切れる。該フアイバの光学的性能は端部の品質に強く左右される。それらは非常に平らでかつ軸線に対し理想的に直角でなければならない。現在、我々は、通常何回か企てるが、満足する結果をもたらしてくれる非常に簡単なフアイバクリーバ（fiber cleaver）｛シーコア社、エフビーシー００１（Siecor Corp., FBC 001）｝を使用している。
【００４５】
該フアイバの整合は非常に重要である。もしそれらが同軸状に整合されない場合、１マイクロメートルの桁の誤整合は細胞が安定にトラップ出来ない程充分な誤整合となる。コンステーブル  エイ．、キム  ジェイ．、ザリネチ  エフ．、プレンチス  エム．、”光フアイバの光力のトラップのデモンストレーション”オプチクスレター１８巻（２１）、１８６７−１８６９ページ（１９９３年）｛Constable A., Kim J., Mervis J., Zarinetchi F., Prentiss M., "Demonstration of Fiber-Optical Light-Force Trap" Opt. Lett. 18(21),p.1867-1869(1993)｝に説明されている解決法が必要な精度を達成するため使用されてもよく、すなわちガラスピペットが加熱され次いで２５０−４００マイクロメートルの直径に引き出される。この小さなキャピラリはカバースライド上に糊付けされフアイバがそれに押し付けられる。このＶ溝内に位置しそれらは適当な精度で相互に面し合う。我々はそれらから散乱される光を減少させるために該キャピラリを黒インクで充たす。これは細胞とそれらの変形の視認性を高める。
【００４６】
このセットアップは過渡的解決法であり使用されたがそれはそれが非常に簡単で速い変更を見越せるからである。欠点は少しのサンプルサイズしか扱えず、細胞のトラッピングにはマイクロメータ並進ステージによる該キャピラリに沿う該フアイバの手動位置付けを要し、そして実験は非常に良くは制御出来ないことである。トラッピングは溶液中の非常に高い細胞密度を用いるとより容易になる。しかしながら、又これは幾つかの細胞が同時にトラップされる危険を増させる。閉じた流れ室の使用はこれらの問題を解決するかも知れない。
【００４７】
【波長の考慮】
生きた細胞をのトラッピングでの重要な側面は使用されるべき正しい波長の選択である。唯生きた細胞のみが我々が調査しようとする特性を示すので該細胞が該レーザの照射と変形に生き残ることが重要である。明らかに、死んだ細胞は代表的細胞骨格を維持出来ない。
【００４８】
アシュキンが彼の実験を始めた時、彼はアルゴン（Ar+）-レーザの５３０ｎｍラインを使用したがそれはそれがこの時期に最も便利で安定したレーザであったからである。ガラスやシリカのビーヅの様な無生物物質のトラッピング用には波長は非常に重要ではない。短い波長の方が光子がより高いエネルギーを有するので望ましくそして、焦点合わせされたビームのスポットサイズは波長の半分程度であるので、それはより高いこう配とより良いトラッピング効率を見越している。又光線光学部品体制の基準もより充たし易くより小さい粒子への力の計算もより容易である。
【００４９】
アシュキンが細胞の操作用にこれらの光トラップを使用した時、しかしながら、彼は直ちに波長がこれらの対象を保存するのに適当でないことを見出した。彼は光の吸収のために細胞を殺すことに対し”オプチキューション（opticution）”なる用語を創った。彼はネオジム−ヤグ（Nd-YAG）レーザの１０６４ｎｍに頼った［アシュキン  エイ．、ドゥジエドゥジック  ジェー．エム．、ヤマネ  テー．、”赤外線レーザビームを使用する単一細胞の光学的トラップ動作と操作”ネーチャ３３０巻（２４）７６９−７７１ページ、１９８７年｛Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T., " Optical Trapping and Manipulation of Single Cells Using Infrared Laser Beams" Nature 330(24), p.769-771(1987)｝］。大抵のツウィーザはなおネオジム−ヤグ（Nd-YAG）レーザを装備している。しかしながら、これも最適ではない。細胞の部品を優勢に吸収することに対する用語である、発色団（chromophores）の吸収は赤外線（IR）では低くそして波長の減少と共に増加する。例えば、蛋白質の吸収のピークは紫外線領域にあった。この事実は吸収分光計測（absorption spectrometry）により溶液内でのそれらの濃度の測定に使用される。しかしながら、平均的細胞の主要な内容はより長い波長で吸収が増加する水である（重量の〜７０％）。８００ｎｍ付近で光の吸収とそれに伴い熱的問題が最小化されるべきである。この理由で、我々はチタン−サフアイヤ（Ti-Sapphire）レーザをその約７９０ｎｍでのピ−ク放射で使用する。６００から−１０００ｎｍの同調可能性（tunability）を用いて我々は関心のある全領域を原理的にカバー出来る。
【００５０】
我々は蛋白質の吸収帯域から遙か離れているとは言え、非線形効果が動作に入ることが出来た。一般に、或るエネルギーを持つ２つの（又は更に多くの）光子がこのエネルギーの２倍（又は数倍）を持つ光子と同じ遷移を励起出来る非常に高い光インテンシテイでは非線形の光学的プロセスが起こる。パルス化されたチタン−サフアイヤ（Ti-Sapphire）レーザは、蛋白質のこれらの紫外線吸収帯域を精確に励起するために２光子分光学で使用される。本発明の実施では我々は比較的高い光パワーで作業中である。しかしながら、該インテンシテイはパルス化されたレーザで遭遇するインテンシテイや多数光子励起用に必要なインテンシテイからなお遙か遠く離れており、それは連続波レーザ（cw laser）が使用されビームは焦点合わせされてないからである。結果として、これらの非線形効果は無視出来て何等問題を起こさない筈である。幾種類かの光化学を誘起する危険はなお存在する。起こり得るシナリオは酸素が細胞のプロセスに極端に有毒な基に分解することである。これらの効果は全くは良く理解されていない。
【００５１】
【サンプル準備】
我々が調べた最初の生物細胞は、赤血球｛アールビーシー（RBC）｝とも呼ばれる、人間の赤血球であった。これらの細胞は実験のために選ばれたがそれはそれらが得るのにそして扱うのに容易だからである。アールビーシーは肺からすべての人体部分へ酸素を輸送する責めを負っている。該酸素はヘモグロビンに結び付けられるが該ヘモグロビンは大抵の他の生物学的分子より高い吸収係数を有する。ヘモグロビンは水の他ではアールビーイーの主な内容である。本発明が細胞の熱的加熱を最小化することを追求しているので、高い吸収を行うアールビーシーは良いテスト品である。研究用に有利なアールビーシー（RBC）の他の２つの側面がある。アールビーシー（RBC）は幾つかの細胞器官（organelles）｛核、ゴルジ装置（Golgi apparatus）ミトコンドリヤ｝を欠いておりそれはそれらが内部構造のない等方性の誘電体媒質の理想的な絵に近いことを意味する。更にアールビーシー（RBC）だけが、それらの細胞膜の直下に細胞骨格の薄い層を有し、該細胞容積全体を通してポリマーの３次元ネットワークを有しない。かくして、それらは真の細胞より遙かに柔らかく、該細胞形状の変形を観察することはより容易である。これはそれらを最初のテスト対象としての完全な選択品にする。
【００５２】
他に述べない限り、全ての化学品はシグマ（Sigma）から購入された。該アールビーシー（RBC）用に使用された緩衝液は、１００ミリモルのNaCl,２０ミリモルのヘペス緩衝液（Hepes buffer）、２５ミリモルのグルコース、５ミリモルのKCl,３ミリモルのCaCl2、２ミリモルのMgCl2、０．１ミリモルのアデニン、０．１ミリモルのイノシン、１％（容積）の抗生物質性−抗真菌性溶液、０．２５−１．５％のアルブミン、及び５ユニット／ミリモルのヘパリンである。この緩衝液は、ストレー  エイチ．、”フリッカー分光分析を用いた細胞膜及び細胞骨格の弾性的性質の決定”ピーエイチデー論文１９９３年、テーユー、ミュンヘン、ドイツ（Strey H., "Bestimmung elastischer Eigenschaften von Zellmembranen und Zytoskelett mittels Flickerspektroskopie",Ph.D. Thesis 1993,TU Muenchen, Germany）及びツエマン  ケー．、”熱的に励起された表面波（フリッカーの）のフーリエ分光分析を用いた赤血球膜の曲げ弾性に物理的、生物化学的に誘導された変化の研究”、ピーエイチデー論文１９８９年、テーユーミュンヘン、ドイツ｛Zeman K., "Untesuchung physikalisch und biochemisch induzierter Aendrungen der Kruemmungselastizitaet der Erythrozytenmembran mittels Fourierspektroskopie der thermisch angeregten Oberflaechenwellen(Flicckern)",Ph.D. Thesis 1989, TU Muenchen, Germany｝から適合された。この緩衝液は人体の生理的条件を真似ている。それはペーハー７．４を保持し、追加的ヘパリンは血液が固まるのを防止し、そして抗生物質溶液は該緩衝液をバクテリヤなしに保つ。該アールビーシー（RBC）は我々の実験室内のボランチアの耳たぶから血液の１滴（〜10μl）を採取することにより得られた。該血液は約１ｍｌの該緩衝液で希釈され次いで使用まで摂氏４度に保存された。この扱いはそれらを極めて良好に保存した。
【００５３】
生理的条件下ではアールビーシー（RBC）は平らな、両凹の、円盤状の形である。しかしながら、該形状は該緩衝液の浸透圧モル濃度（osmolarity）に依って変化する。もし該緩衝液条件がその内側に対して低浸透圧（hypotonic）（より低い、濃度、すなわち浸透圧モル濃度）に変化すると、該細胞は該浸透圧を弛めるために膨らみ始めそして、もし新しい浸透圧モル濃度が正しく選ばれると、球形を取る。実際の実験の少し前に該細胞溶液は室温に暖められそしてミリポア水（Millipore water）で１：２だけ希釈されたそれは該緩衝液の条件を低張性（hypotonic）に変えた。短時間（約５分）の後、殆ど全てのアールビーシー（RBC）は球形を有し使用の用意が出来た。その回転対称性を有する球形の対象はトラッピングと変形用には他のあり得る形状より好ましいがそれは光との相互作用及び対応する力の計算がより少ない複雑さであるからである。
【００５４】
最初に使用された細胞は神経細胞（ピーシー１２ラットの神経細胞）である。アールビーシー（RBC）と対照的に、これらの細胞は細胞に通常ある核、ミトコンドリヤ、及びゴルジ装置の様な全ての細胞器官を有する。又それらは全細胞本体を通して高い機械的強度をもたらす３次元細胞骨格を有している。生体内の神経細胞は通常は、軸索（axons）と樹状突起（dendrites）と呼ばれる２種類の延長部を有する。該神経細胞は未だ分化されずこれらの延長部を示さなかった。これらの細胞はペトリ皿の中で培養されそして通常の様に表面に付けられ一緒に群生された。それらが育てられつつある媒体は１０％のホース血清（Horse serum）、５％のエフビーエス（FBS）｛牛の胎児の血清（fetal bovine serum）｝、及び１％の抗生物質性ー抗真菌性溶液（Antibiotic-antimycotic solution）｛ペニシリン／ストレプトマイシン（Penicillin/streptomycin）｝を有するダルベッコの変型されたイーグルの媒体（Dulbecco's Modified Eagle's medium）｛デーエムイーエム（DMEM）｝である。それらを該表面から離すためにそれらは０．２５％のトリプシンーイーデーテーエイ（Trypsin-EDTA）溶液｛テーアールイーデー（TRED）｝で処理された。トリプシンはプロテアーゼ（protease）でありそれは細胞外のマトリックスと接着受容体を劣化させる。イーデーテーエイ（EDTA）はこれらの受容体（receptor）の適切な配座（conformation）に必要な２価のカチオン（cations）｛Ca2+,Mg2+｝用のキレート（chelating）（結合）剤である。手順は次の様である：最初に該媒質は該組織培養皿から注意深く吸引される。次いで１０ミリモルの燐酸でバッフアーされた食塩水（phosphate buffered saline）｛ピービーエス（PBS）｝の１−２ｍｌがトリプシン阻害物質（Trypsin inhibitor）（Ca2+,Mg2+,血清）を除くために追加される。該ピービーエスが又吸引された後２００−５００マイクロリットルのテーアールイーデーが該培養皿に追加される。該皿を丁寧に叩いて該細胞は外され群生は破られる。テーアールイーデーを用いたこの処置は非常にラフであり新鮮な媒質を追加することにより３０−６０秒後に賦活停止されるよう注意を払らわねばならない。次いで細胞懸濁液全体は該溶液から該細胞を分離するために８００ｒｐｍで２−３分間遠心分離される。細胞は新鮮な媒質中に再懸濁される。この処置の結果は細胞は一緒に群生せず２−４時間の間に表面に再付着し、そして殆ど球形の形状を取る。
【００５５】
これらの細胞中のアクチン（actin）の細胞骨格を可視化するために、デーエムエスオー（DMSO）内に１マイクロリットルのローダミンフアロイデイン（Rhodamine-Phalloidin）を入れたものが１００マイクロリットルの細胞懸濁液に追加される。繰り返すトリジェレーション（trigeration）（ピペットを用いた該懸濁液の吸い込みと噴出）により細胞膜は過渡的に透過性となり染料が細胞により取り上げられる。ローダミンフアロイデインはアクチン繊維には選択的に結びつきアクチンモノマーには結びつかない蛍光性タグである。結びついたローダミンの蛍光発光は結びつかないローダミンのそれの３倍高いが該懸濁液に残るテーアールアイテーシーの量は背景となる蛍光発光を減ずるために減らされねばならない。これは新鮮な緩衝液内で該細胞の再遠心分離と再懸濁によりなされる。次いで該細胞内のアクチン繊維の局所化が蛍光顕微鏡で観察される。記録用に、ツアイスプランネオフルアール（Zeiss Plan Neofluar）｛１００倍、エヌエイ  １．３０、オイル（100×,NA 1.30, oil）｝対物レンズと４倍のカプラを有するエスアイテーカメラ（SIT-camera）｛デーエイジーイー−エムテーアイ、エスアイテー６８（Dage-MTI,SIT68）｝が使用された。細胞骨格の可視化は重要であるがそれは幾らかの人は細胞は相互に又は表面と接触しない時それらの細胞骨格を溶解させると信じているからである。この場合、光学的ストレツチヤーの様なツールを用いて適切な細胞弾性を測定することは不可能であるがそれは該細胞が何者にも接触していないからである。
【００５６】
【結果】
【００５７】
【変形可能な対象への力】
前に説明したトラッピングのシナリオでは、何れも非変形粒子（ガラスビーヅ、ラテックスビーヅ）が使用されたか又は目標が単にこれらの粒子をトラップし、保持し、動かし、そして／又は回転させることであった。それまで誰も試みなかったことは光と物質との相互作用で生ずるこれらの力を制御された仕方で粒子を変形させるために使用することである。生物細胞は可能性としては変形可能な対象である。事実、それらは生体中でそれらのタスク（task）を実行せねばならない。外圧に対するそれらの驚くべき弾性は我々が解明しようとするのである。
【００５８】
構想は、１つの細胞を捕らえ、保持し次いで放射圧力が該細胞を変形させ始める点まで光パワーを増加するよう上記説明の２ビームセットアップを使用することである。直観的に、散乱力は光の伝播の方向で作用するので細胞は水平にスクイーズされると人は期待する。しかしながら、丁度反対の場合になる。細胞は軸線方向に外へストレツチされそして我々は期待されなかった結果の理由をこの節で引き出す。
【００５９】
我々は細胞上の力にのみ関心があり、我々は８００ｎｍの波長を有する光を使用するので、我々は光線光学の手法を利用する。原理的に、計算は球上の散乱及びこう配力の誘導と類似である。我々は、入来するレーザビームを、境界に力を印加する或る運動量を有する個別光線の集団（ensemble）として扱うことが出来ると仮定する。前の誘導との差は粒子の変形に対しては質量の中心に作用する全体の力は関連しないことである。代わりに我々は粒子の全ての１つの表面要素での力に関心がある。散乱及びこう配力の計算用に粒子内側の光の運動量は必要ない。粒子に入る光と粒子を去る光の運動量間の差を見れば充分である。この差はその中心に作用する力を感ずる粒子により取り上げられる。しかしながら、異なる光学的性質を有する媒質に入り、去る時光の運動量が変化する事実は境界上の力の計算に本質的であり省略してはならない。これは何故細胞がスクィーズされるよりむしろ外方へストレツチされるかを説明する丁度その点である。
【００６０】
レーザビームは誘電体の液体に入る時或いは該液体を出る時それは正味の外方への力を作用し該表面を曲げさせる。屈折率ｎを有する媒質内でエネルギーＥを有する光の運動量は下記で与えられ、
【００６１】
【数３】
0004456270.tif 000004
【００６２】
ここでｃは光の速度である。これは同じエネルギーＥを有する光の運動量が外側より光学的に密度の高い媒質の内側ではより大きいことを意味する。誘電体の内側の運動量の正しい形式について幾らかの論争があった。上記式はいわゆるミンコウスキー（Minkowski）値であるが一方アブラハム（Abraham）は下記を提案している。
【００６３】
【数４】
0004456270.tif 000005
【００６４】
今日、この論争は落着し該ミンコウスキーの形式が一般に受け入れられている［１１］。入射角により、幾らかの光は常に背後へ反射されすべてのエネルギーが該媒質に入るわけではない。通常の入射に対する運動量の正味変化は
Δp＝p1(1+R)-p2(1-R)                （２４）
ここで
【００６５】
【数５】
0004456270.tif 000006
【００６６】
であり、
【００６７】
【数６】
0004456270.tif 000007
【００６８】
であり、Rは通常の入射に対する反射係数である。この差はΔpに比例する該媒質上への機械的力でバランスされる。
【００６９】
【数７】
0004456270.tif 000008
【００７０】
より高い屈折率による運動量の増加の効果が幾らかの光の反射により引き起こされる減少に勝るのは細胞が殆ど透明であるからであることを注意することが重要である。これは内側への力よりむしろ外側への力へ導く。
【００７１】
アシュキンの業績を基礎として使用し、我々はそれを本発明に延長させた。モデルの細胞は屈折率ｎ1を有する流体中に懸濁された或る屈折率ｎ2を有する球形の、均質な、そして無損失の誘電体粒子と仮定する。又細胞は可成り透明であり透過光顕微鏡（through-light microscope）内で見ることが難しくそれは非吸収性粒子の仮定を尤もとさせる。該粒子の均質性は計算を簡単に保つため必要な仮定であるが全てのその小さな局所化された構造を有する細胞に対しては疑問となり得る。比屈折率n=n2/n1>1は水溶液中の生物学的材料に対しては１．０５−１．１５の程度である。
【００７２】
一般に、入射、反射、及び屈折光線の異なる運動量は相互に対し０度と異なる或る角度を有する。かくして、我々は運動量のベクトル性を斟酌せねばならない。
【００７３】
【数８】
0004456270.tif 000009
【００７４】
さしあたり、入射光線の運動量を単位にセットする。他の運動量は次の様である。
【００７５】
【数９】
0004456270.tif 000010
【００７６】
z及びy方向の運動量の最終変化の成分は
Δpz=Δp・cosφ=p1cos(0)-p2cos(2π-θ+γ)-pRcos(π-2θ)
=1-T(θ)・n・cos(θ-γ)+R(θ)・cos(2θ)              （３０）
Δpy=Δp・sinφ=p1sin(0)-p2sin(2π-θ+γ)-pRsin(π-2θ)
=T(θ)・n・sin(θ-γ)+R(θ)・sin(2θ)              （３１）
次いでΔpの大きさは下記で与えられる
【００７７】
【数１０】
0004456270.tif 000011
【００７８】
一方その方向は下記で決まる。
【００７９】
【数１１】
0004456270.tif 000012
【００８０】
我々はこれらの量をｎ＝１．１に対し入射角θの関数としてソフトウエアのマセマチカ（Mathematica）で数値計算した。レーザビームは軸線方向距離dから独立した一定インテンシテイプロフアイルを有すると仮定した。
【００８１】
運動量移送の絶対的大きさは球の縁に向かって増加し次いで急速にゼロに落ちる。面白いことには、移送された運動量の方向は常に該球から離れるよう指している。事実、それは常に表面に対し法線方向である。これは該球の表面で或る数の点上の力をグラフ的な可視化を用いて想像するとより容易である。
【００８２】
屈折された光線は内部で停止せず（吸収は無視する）他の側上で該粒子を出る。該球はレンズとして作用しそれらを軸線の近くに集める。又この境界での力は該表面から離れるよう指している。
【００８３】
次の過程は該ビームのガウス型プロフアイルを斟酌することである。これは軸線からの或る距離dを有する光線のパワーPは下記値を掛けられねばならないことを意味するに過ぎない。
【００８４】
【数１２】
0004456270.tif 000013
【００８５】
ここでwはビームの半径である。粒子の中心は光学的軸線上にあると仮定する。粒子の中心の力は縁に於けるよりも今度は大きく該球の変形を左右する。
【００８６】
細胞の、細胞膜に結合されている、細胞骨格はばねの様に作用し回復張力を立ち上げる。表面上の力は該システムが平衡に達するまで該変形に対応して変化する。該粒子の最終形状は該ビームの軸線の方向に主軸を有する楕円の様に見えると期待される。ハンドウエービングな議論（hand-waving argument）では、この効果は、誘電体流体が２枚のキャパシタ板の間の場の中に引き込まれるがそれはエネルギー的に好都合な位置であるから、と言う場合に似ている。ここで該細胞も又より高い場の領域、すなわちレーザビームの中心内へ引き込まれる。
【００８７】
変形力の量的計算用に、我々は単位からその実数値へ入射光線の運動量を変換しなければならない。可能な最も高いレーザインテンシテイに対してエスエムフアイバにより伝送されるパワーを２２０＋／−２０ｍＷまでなると測定した。この値を光の運動量についての式（２０）に挿入して我々は同じ光のパワーの２本のレーザビームの間にトラップされた時の球の両側の下記力プロフアイルを得た。この場合ビーム半径と球の半径とは同じ（ρ/w=1）である。中心での該力は0.17nN程度であり該球の縁に向かって減少する。他の側から来る第２のレーザビームが該中間に向かってコリメートされるので該プロフアイル内でジャンプが起こる。
【００８８】
エムエムフアイバに対しては最高のレーザインテンシテイについて５００＋／−２５ｍＷの伝送パワーを測定した。対応する力プロフアイルは44.3pN（d/ρ=0に於いて）の中央の力を有する同じ形状となる。
【００８９】
力Ｆが本体（body）の表面Ａに対し法線方向に作用する時、それはΔLだけストレツチされる。応力σ=F/Aと相対変形ε=ΔL/Lとの間の関係は或る範囲に亘り線形であり下記の様に表現される。
【００９０】
σ＝Eε                （３５）
相対変形εは１つの数であり応力σは面積当たりの力の次元を有する。かくしてヤング率と呼ばれる、比例定数Eも面積当たりの力の次元を有する。一定の力が１つの立方体の１つの側に作用する時の状況は球の表面上の状況より遙かに簡単である。細胞の表面上の力は一定でないことになり、カーブした表面上に作用する。
【００９１】
細胞の弾性について見積もりを得るため我々は面積当たりの力、すなわち応力を計算した。力が全て該表面の法線方向であるので、計算は上記式で入射光線のパワーPよりもむしろインテンシテイIを使用して簡単に達成される。
【００９２】
【数１３】
0004456270.tif 000014
【００９３】
該インテンシテイは下記により該パワーに関係付けられる。
【００９４】
【数１４】
0004456270.tif 000015
【００９５】
かくして、応力プロフアイルの形状は力のプロフアイルと同じである。同じ半径を有する細胞の表面で半径５．０マイクロメートルを有するビームの光インテンシテイは約５．０×１０5Ｗ／ｃｍ2｛ＳＭ｝／１．３×１０6Ｗ／ｃｍ2｛ＭＭ｝であり中心でそれぞれ４．５Ｐａと１１Ｐａの力密度（force densities）を生ずる。該変形を引き起こす該細胞の１つの側上の全応力は該応力プロフアイルの積分である。我々はこの計算を数値的に行いエスエムフアイバにより伝送される２００ｍＷで１６Ｐａ、エムエムフアイバを使用する時の５００ｍＷで４０Ｐａの全応力を得た。我々はこれらの量を細胞のヤング率の評価に使う意図である。
【００９６】
これまでのところ、我々は比屈折率はｎ＝１．１であると常に仮定して来た。この数の、生物学的材料の値の範囲の上限にある、ｎ＝１．２への僅かの増加は該力プロフアイルの質的形状へはほんの少ししか影響しない。レンズ効果はｎ＝１．１用より少しばかり強く該細胞の背後側での該光線の増加したコリメーションへと導く。しかしながら、絶対量はより過激に変化することが分かる。２本のビームのトラッピング状況に対する中央の力は２００ｍＷについては３５（８８）ｐＮ（５００ｍＷ）、かくしてｎ＝１．１に対するものの大きさの約２倍である。ｎ＝１．２に対する球上の全応力も殆ど２倍であり２００ｍＷ及び５００ｍＷのパワーに対しそれぞれ２６（７４）Ｐａである。かくして出来るだけ良く真の屈折率を決定することが重要である。
【００９７】
【実験結果】
【００９８】
【細胞のトラッピング】
一般に、予言され、文献で報告された２本ビームトラップの全てのトラッピングの特徴を我々のセットアップを用いて観察出来る。第１の基準、トラップされた粒子の屈折率ｎが周囲のそれより高くなければならぬこと、は本来の性質として充たされ、通常の条件の水のｎは１．３３であり一方細胞のｎは１．４−１．６の範囲内にあると報告されて来た。第２に、ビーム半径はトラップされる対象の半径より大きくなければならない。我々が測定したアールビーシー（RBC）の最大半径は４．０マイクロメートルであった。ビム半径wはエスエムフアイバ先端で２．５マイクロメートル（=w0）であり、距離zの増加と共に発散するため下記式により増加する。
【００９９】
【数１５】
0004456270.tif 000016
【０１００】
ここでλ=790nmは光の波長である。zminは該ビームの半径が丁度該細胞の半径になる距離である。z>zmin=31マイクロメートルなる距離zに対しては該ビーム半径は該アールビーシー（RBC）半径より大きい。我々の実験で典型的フアイバ距離は１００−３００マイクロメートル＞2zminの範囲内にあるので第２の安定基準も又常に充たされる。ピーシー１２細胞は１５マイクロメートルまでの直径を有し、安定なトラッピングに必要な最小フアイバ距離は１４０マイクロメートルである。これらの細胞用に我々は該フアイバ距離が安定なトラッピング用に充分であることを確認しなければならなかった。
【０１０１】
エムエムフアイバは調査する全細胞の直径より遙かに大きい５０マイクロメートルのモードフイールド直径を有する。かくして、該フアイバ距離に関係なく細胞はエムエムフアイバではトラップされ得る。我々が該エムエムフアイバを用いて安定なトラッピングをかりにも達成したことは驚くべきかも知れずそれを下記で論ずる。
【０１０２】
２本のビームのインテンシテイが同一でフアイバ距離が充分なことに注意が払われた全ての場合に、２つのフアイバ端部の中間で安定なトラッピングを達成した。該端部が余り近く近付けられて、発散するビームの直径が該トラップされる細胞の直径より小さくなると、該トラッピングは不安定になり該細胞は期待された様に該フアイバの１つに向かってゆっくり移動した。
【０１０３】
【細胞のストレツチング】
上記で、球形の対象が２本の反対に伝播するビームでトラップされる時の該球形の対象の表面上の力プロフアイルを計算した。我々の実験で該細胞の変形はこの計算から期待されたと丁度同じであった。又２つの異なる種類の細胞の弾性の差を検出することも可能である。アールビーシー（RBC）とピーシー１２細胞の変形について例を示し、それらの剛性（stiffness）の簡単な見積もりを行う。例えば、測定剛性の周波数依存性を調べるにはより徹底した実験が続けられねばならない。極端に高い周波数では流体力学的効果が役割を演ずる。該変形は余りに速く起こり得たので水は充分に速く追随出来ず一見より高い剛性を引き起こす。他方非常に低い周波数では細胞はその細胞骨格を再組立するための充分な時間を有するかも知れない。ポリマー溶液に関するレオロジー（rheology）実験は、広い中間領域に亘り、一定で周波数から独立した、いわゆる高原状係数（plateau-moduli）を現す。我々は、細胞の弾性が周波数から独立しているべき、０．１−１Ｈｚの範囲で力を印加した。
【０１０４】
全体的手順は次の様である。１つの細胞が約２−１０ｍＷの軽いパワーでトラップされた後、我々は該エイオーエム用駆動部パワーを増加することにより該パワーを２００ｍＷ｛エスエム｝／５００ｍＷ｛エムエム｝のその最大値まで手動で増加した。細胞の変形はテープ上に記録されエヌアイエイチ（NIH）画像内で校正された画素の数を数えることにより後で解析された。該細胞上の全応力の計算用にはｎ＝１．１の比屈折率とρ/w=1の相対的球半径とを仮定した。
【０１０５】
【アールビーシー（ＲＢＣ）のストレツチング】
球形の形状を達成するために該アールビーシー（RBC）は浸透性で膨れされられ、それに１６＋／−１Ｐａの全応力が印加された。細胞のストレツチングは容易に見ることが出来る。この場合主軸に沿う延びは６．０８＋／−０．０２マイクロメートルから６．５４＋／−０．０２マイクロメートルであった。これは相対変形ε＝７．６＋／−０．０６％である。平均変形はε＝７．５＋／−０．３％であった。我々は式（３５）使用しヤング率の評価Ｅ＝２１０＋／−１０Ｐａを得た。この値は、遙かにより低くなるべきアールビーシー（RBC）の２次元細胞骨格の強度を反映せず、むしろ浸透圧による抵抗を反映している。
【０１０６】
この仕方で我々がトラップした全てのアールビーシー（RBC）をストレツチすることが出来た。これは我々のセットアップが制御された仕方で細胞を真に変形出来ることの証明である。数百ナノメートルの変形はこの技術で容易に検出出来る。我々が一見より弱い細胞をトラップした幾つかの場合には、該応力は該細胞を裂き離すに充分であった。
【０１０７】
【ピーシー１２細胞のストレツチング】
任意の通常の細胞として、ピーシー１２細胞は広範な細胞骨格を有し、一方アールビーシーエス（RBCs）はその細胞膜の直下に細胞骨格の１層を有するのみである。かくして、ピーシー１２細胞を変形することは遙かにより難しいと期待された。我々は該細胞により高い応力を印加出来るエムエムフアイバを使用した。全体の手順は前と同じである。最初に、我々は１つの細胞を２−１０ｍＷのパワーの２本のレーザビームの間内にトラップし、次いで該光パワーを約５００＋／−２５ｍＷまで増加した。変形はアールビーシー（RBC）に対する程明らかではなかった。しかしながら、画像処理による、２つの絵の中の該細胞の水平幅の比較は、１１．１４＋／−０．０２マイクロメートルから１１．６９＋／−０．０２マイクロメートルまでの明らかな延びを現し、それは相対変形ε＝４．９＋／−０．４％に対応する。これが真の変形であることを確認するために我々は次のアーチフアクト（artifact）を排除した。該細胞は完全に球形ではないので該応力の増加は該細胞を回転させそれが水平方向での測定直径の増加へ導くと思われる。我々はこれがその場合とならない絵のみを評価した。もう１つの可能性はトラップされた細胞が該ビーム軸線から僅かに離れることである。該インテンシテイが増加され、細胞が該軸線に向かって背後へ引かれると、主断面は焦点面（focal plane）から移動する。これが排除出来るのはそれがその場合でない水平及び垂直方向の同一絶対増加へ導くからである。ピーシー細胞の平均変形はσ=４０+/−１Ｐａの細胞上全応力でε＝４．２＋／−０．２％であった。ヤング率はＥ＝９５０＋／−５０Ｐａ｛式（３５）｝であると計算された。これはほんの最初の評価であり、恐らく比較用実数弾性の下方境界（a lower bound for the real elasticity for comparison）である。エイエフエム（AFM）を用いて人間の血小板のヤング率は１−５０Ｈｚの周波数範囲で１−５０ｋＰａの間にあると測定されたがそれは力の最初の実験的測定が該計算された応力は余りに小さいかも知れないことを示しているからである。ピーシー１２細胞はかくして浸透作用により膨れたアールビーシーエス（RBCs）より少なくとも４−５倍高剛性である。
【０１０８】
【力の校正】
我々が２つの光学的に類似の細胞間の現象論的な比較にだけ興味がある限り、同じ光パワー及びフアイバ距離に対して観察された変形を比較すれば充分である。種々の細胞骨格は、アールビーシー（RBC）とピーシー１２細胞についてデモンストレートされた様に種々の弾性的応答となる。これは正に我々が正常細胞と悪性細胞の間を区別することが出来る方法である。しかしながら、より定量的説明用には我々は実際の力を測定するか、又は校正し計算する方法が必要である。特に我々は、高分子化合物材料の様に該細胞骨格の物理的性質の調査用に弾性定数（elasticity constants）の精確な数字を決定する必要がある。該測定した力と前に計算された力を比較することにより、細胞上の力の我々の簡単なモデルが有効である（valid）ことの正しさを証明する（verify）機会を持つことにもなる。該力の測定は容易ではなく我々は非常に簡単な方策を取らねばならない。すなわち細胞が安定にトラップされた時該レーザビームの１つをオフに替える。状況は今度は１つのビームについて説明したものとなる。該粒子に作用する光の伝播方向に流体を通して粒子を押す正味の力が存在する。下記のストークの摩擦が加速力とバランスする時該粒子は一定速度に達する。
【０１０９】
FStokes=6π・η・r・v=Fnet            （３９）
ここでηは粘性（水：摂氏２５度で１．０Ｐａｓ）、rは粒子半径、そしてｖは該速度である。該速度を測定することにより、我々は全正味力の評価を得ることが出来る。我々の実験の該速度は５マイクロメートルの半径を有するアールビーシーエス（RBCs）について約１００ｍＷで１１．２＋／−２．７マイクロメートル／秒であった。この速度は約１．１＋／−０．２ｎＮの力に対応する。我々のモデルの全正味力は１００ｍＷに於いて、ｎ＝１．１に対しＦ＝２７ｐＮそしてｎ＝１．２に対しＦ＝８５ｐＮと計算される。これは可成りの差であるがそれは幾つかの方法で説明出来る。
【０１１０】
１つの可能性は該細胞の屈折率が仮定されたより高いことである。これは該力は、ここで誘導された様に、屈折率に非常に敏感であるので計算される力の低めの評価へ導く場合である。もう１つの在り得る説明はモデルが簡単過ぎることである。それは変形力の質的特性を割に良く予言するが量的には離れているかも知れない。該細胞膜とその構成リン脂質は細胞質より高い屈折率を有するので、シェル（shell）より低いが周囲媒質より高い屈折率を有するもう１つの誘電体で充たされた或る誘電率を有する球形のシェルを仮定する方がより真実的であるかも知れない。最後の該モデルに含まれない事実は幾らかの光はそれが該細胞を通過する時吸収されることである。これを含めることも入射光のより多くの運動量が該細胞により取り上げられるので前進方向での計算された正味力を増加させる。
【０１１１】
前に述べた問題の幾つかは追加の実験で当たることが出来る。該正味の力を測定するために１本のビームで細胞を撃つ代わりに我々はガラスのビーヅを使用出来る。これは、我々が屈折率を精確に知っていることとインテンシテイの様な他の変数の影響をテスト出来る利点を有する。
【０１１２】
同じ実験が球形の小胞（vesicle）を用いて行われた。水溶液中のりん脂質の２重層は、それがエネルギー的に好都合なので閉じた表面を形成する。これらの対象は小胞と呼ばれる。それらは、該細胞膜の主要部品がりん脂質なので理想的テスト対象である。これはアールビーシーエス（RBCs）用と同じでそれらを最初のテスト対象として選んだ理由の１つであった。アールビーシーエス（RBCs）より小胞の利点は、種々の砂糖溶液の溶液内で該小胞を形成することにより内部の屈折率を変えることが出来ることである。該小胞が形成された後、該小胞の外側も、それの中に溶解された砂糖の種類と該砂糖濃度とを変えることにより変えるこが出来る。もし小胞に対し測定された力が、我々のモデルを用いて現在丁度説明された、ガラスビーヅのそれらと質的に異なれば、我々は細胞のシェルの様な性質を斟酌せねばならない。
【０１１３】
小胞を用いるもう１つの可能性は、該システムの内部浸透圧が周囲溶液の浸透圧モル濃度を変えることにより決定出来ることである。水分子は、荷電されたより大きい分子と対照的に、細胞膜を横切り比較的容易に拡散出来る。もし外側の溶液のイオン強さ（ionic strength）が変わると、浸透圧が形成されるがそれは精確に計算され得る。これは又アールビーシーエス（RBCs）の浸透圧による膨らみでも真実である。しかしながら、該小胞が２本のレーザビームの間にトラップされた時該表面上の変形力は、アールビーシーエス（RBCs）内に於ける様に細胞骨格によっては支持されない該浸透圧によってのみバランスされる。該細胞膜自身は非常に柔らかいのでそれは無視出来る。これは該変形応力を直接測定するもう１つの可能性である。
【０１１４】
【細胞の生育能力】
重要な項目は細胞の生育能力であるがそれはこれが現在の方法に関する批判の点の１つであったからである。何等かの害をそれらに引き起こすことなしに細胞の様な壊れやすい対象の変形用に高いインテンシテイのレーザビームを使用することが可能であることは明らかではない。１０６４ｎｍの２５０ｍＷの光は大抵の細胞に損害を与えることが示された。しかしながら、これは光学的ツウィーザ内の状況に対してのみ事実でありそれは該レーザビームが非常に小さいスポットサイズまで焦点合わせされねばならぬからである。この場合のインテンシテイは、該光学的ストレツチヤー内で遭遇したそれより３桁大きい１０8Ｗ／ｃｍ2の桁である。もう１つの大きな差は最小の破損しかさせない波長の注意深い選択である。水の吸収係数は、７８０ｎｍの光がネオジム−ヤグ（Nd-YAG）レーザの１０６４ｎｍの代わりに使われると、１０の因数で減少する。これは重要であり、それは、多くの場合、摂氏３５−４２度の温度範囲でしか生き残れない細胞の生存にとって水の局所的加熱がキーとなる制限要素であるからである。しかしながら、上記論議の様に、発色団又は光化学による光の直接的吸収の様な、他の加害効果が作用することになるかも知れない。
【０１１５】
我々は幾つかの方法で調査される細胞｛ピーシー１２（PC12）｝の生育能力に取り組む。何よりも先に、細胞の外見はそれらが生きていない時は著しく異なる。位相差顕微鏡下では生きた細胞は縁の周りに特徴的な明るい縁を示し、それらは実際には輝きつつある様に見える。死んだ細胞はこの特徴を示さない。それらは通常シャープな輪郭を示さず拡散して見える。
【０１１６】
細胞をトラップして数分間ストレツチした後、我々は常に該カバースライドへそれが沈下して行くのを追随したがそこでは照射されなかった他の細胞とその外見を比較した。全ての場合細胞は似ていた。該外見の僅かの差はトラップされた細胞は該表面に再付着するための時間がより短い事実に依る。しかしながら、該特徴的な明るい縁はこの絵の中の全ての細胞が生きていることを示す。
【０１１７】
より注意深い取り扱い方はトリパンブルー（Trypan Blue）の様な生体染色の使用である。細胞が生きている限り該染料が該細胞質ソル（cytosol）に入るのを防止することは可能である。しかしながら、もし該細胞が死んでいる又はその正常な機能を保持していない場合は、該染料は該細胞膜を貫通し細胞全体が青く見える。我々は該細胞をトラップし変形した後該細胞溶液に５％（容積）トリパンブルーを追加し、そして何等染色は観察しなかった。
【０１１８】
第３の解析的チェックは細胞培養皿内の細胞上で行われた。４つの培養皿に各々（１．６＋／−０．２）１０5の細胞を負荷された。それらの２つは該細胞を直接該エムエムフアイバの１つで指すことにより５００ｍＷで７９０ｎｍのレーザ光を５分間照射され、他の２つは対照（control）として保たれた。該細胞は、５％の炭酸ガス雰囲気内で、摂氏３７度の培養器内で理想的条件で生育された。４日後該照射された細胞は照射されなかった該対照細胞に対し何等差異の徴候を示さなかった。皿当たりの全細胞数は４日の期間を過ぎて（４．１＋／−０．２）１０5（対照）と（４．２＋／−０．３）１０5（被照射）に増加した。これは３つのテストの最も強いものであったがそれは該細胞がなお正常に分化出来るかをモニタしたからである。全ての３つのテストは該細胞が何等検出可能な損傷なしに光学的ストレツチヤー内での条件を生き残ることを証明した。
【０１１９】
通常の細胞の弾性を測定する該光学的ストレツチヤーの適用性に対するもう１つの重要な疑問は細胞がトリプシンを用いて消化され懸濁状態にある時細胞は細胞骨格を少しでも保持するかどうかである。この条件のチェックのため我々は生きた、トリプシンを用いて新しく消化されたピーシー１２細胞のアクチンの細胞骨格を染色した。テーアールアイテーシーはアクチン繊維を排他的に染色し、単一モノマーは染色せずそしてその蛍光発光は繊維に結び付けられると３倍に増加する。これは我々が繊維のアクチンを見られるがアクチンのモノマーを見られないことを保証する。該細胞は全細胞容積を通して広範なアクチンのネットワーク有する。又アクチンの皮質は細胞の縁で見られる。現れていない細胞骨格の唯一の特徴はストレスフアイバ（stress fibers）である。しかしながら、これらは細胞の弾性に対してはマイナーな役割しか演じていない筈である。
【０１２０】
概略すると該光学的ストレツチヤーは生きた、通常の細胞の弾性を真実に測定しその全一性を保存すると言える。
【０１２１】
【エスエム対エムエム（ＳＭ ｖｅｒｓｕｓ ＭＭ）】
報告された全て光トラップの光フアイバでの実現はエスエムフアイバで創成された。こう配力による効率の良い軸方向への閉じ込め用にガウス型のビームプロフアイルを有することが非常に重要なことが正しく証明された。我々はマルチモード｛”エムエム（MM）”｝のフアイバを使用することも可能であることを見出した。該プロフアイルはもはやガウス型ではないが最高のインテンシテイはなお中心にあり粒子はこの高い場により引き付けられる。該ビーム直径が細胞のそれより大きいと言う第２の安定基準はより容易に充たされるがそれはエムエムフアイバ（５０マイクロメートル−５００マイクロメートル）のモードフイールド直径はエスエムフアイバ（５マイクロメートル）用より遙かに大きいからである。エムエムフアイバが２００ｍＷに代わり５００ｍＷと言う、エスエムフアイバより多くの光を伝送出来てかくしてより高い力を見越すことは大きな利点である。事実、ピーシー１２細胞の変形にはエムエムフアイバを使用せねばならなかった。該エムエムフアイバを用いると変形用に可能な最高のインテンシテイを得ることが出来る。該インテンシテイは水の吸収に依って制限されるのみである。非常に高いインテンシテイでは水は余りに多く加熱されるので該システムは不安定になり対流ロール（convection roll）が形成しそれはトラップされた細胞を該トラップ外へフラッシした（flushed）。この点でとにかく該細胞は死んでいると思われる。遙かに高いインテンシテイでは水は蒸発し泡が現れた。エムエムフアイバを使用することは出来るが、実際に高いインテンシテイを必要とするのでなければエスエムフアイバを使用することが遙かに便利である。
【０１２２】
本発明が細胞の量的変形用の非破壊的、光学的ツールを提供することを見ることが出来る。７９０ｎｍでの連続波のチタン−サフアイヤ（Ti-Sapphire）レーザの２つの反対に伝播するレーザビームの放射圧力は細胞を変形させるに充分でありそして該細胞は検出可能な損傷の何らの兆候も示さずその正常な細胞骨格を維持する。驚くべきことに、該細胞はスクィーズされずむしろ光学軸線に沿って外方へストレツチされる。この効果は前には決して観察されず種々の細胞間を区別するため使用可能である。又我々は該細胞上への力の簡単なモデルを開発したがそれはその表面上の力のプロフアイルを予言し観察された変形を可成り良く質的に説明する。
【０１２３】
細胞が該２本のビーム間に安定にトラップされると、光パワーの増大は該細胞の明らかなストレツチへ導く。この仕方で、我々は、最初のテスト対象としての、浸透により膨らまされたアールビーシーエス（RBCs）を２００ｍＷの光パワーで球形の形状から楕円の様な形に変形させることが出来た。該細胞の主軸は平均で７．５＋／−０．３％延ばされた。σ＝１６＋／−１の応力に対するヤング率はＥ＝２１０＋／−１０Ｐａと計算された。これは細胞骨格の弾性のみでなく、該細胞内の浸透圧のためである。
【０１２４】
又我々はアールビーシーエス（RBCs）より遙かに剛性のある広範な３次元細胞骨格を有する細胞が同じ仕方で変形され得ることを示した。数百ナノメートルの変形が我々の手法で明らかに測定出来る。最初の任意の細胞として我々はピーシー１２細胞、未だ分化（differentiate）されたことのないラットの神経細胞を使用した。我々はそれらを５００ｍＷの光パワーを用いて光学的軸線に沿って平均で４．２＋／−０．２％だけ外方へストレツチ出来た。この場合計算されたヤング率はσ＝４０＋／−１Ｐａの応力に対しＥ＝９５０＋／−５０Ｐａであった。かくして、ピーシー１２細胞は浸透により膨らまされたアールビーシーエス（RBCs）より４−５倍強力である。これらの発見は本発明がそれらの弾性の現象論的差異を検出することにより種々の細胞間を区別出来ることを示している。
【０１２５】
幾つかのテストは、これらの実験で遭遇したような、５００ｍＷまでの７９０ｎｍのレーザ光での生きた細胞のストレツチングと放射は生育性の何等の消失も引き起こさぬことを保証した。これは、光学的損傷を最小化するための波長の注意深い選出とレーザビームが焦点合わせされない２本ビームトラップ内の特殊な状況とのためである。かくして、我々は強力な焦点合わせが極端なインテンシテイへ導くので光学的ツウィーザ内では致死的であろうレーザパワーを使用出来る。又我々は溶液中でトリプシンを用いて消化された細胞が正常な細胞骨格を維持し表面に付着された細胞と同じ機械的強度を示すかどうかを質問を問いかけた。一般的な誤った信仰と対照的に、我々は広範な蛍光顕微鏡鏡検で実にそれらはそれらが球形で溶液中に懸濁されている時でも正常な細胞骨格を有することを示すことが出来た。唯一の差は細胞は該細胞骨格の全体の弾性に対しマイナな役割しか演じないストレスフアイバを分解することである。その他に、本発明は相対弾性（relevant elasticities）を測定する。
【０１２６】
我々は又２本のレーザビームの細胞との相互作用に対する簡単なモデルを開発したが、それは観察された変形を質的に可成り良く説明出来る。該力の校正はかなり難しく見えるがそれはそれらが対象から対象へと変化するからである。精確な力は該細胞内側の局所的構造とその不均一な屈折率に依る。本モデルを用いて計算された、細胞上の起こり得る全応力は、１．１−１．２の間の比屈折率と５００ｍＷまでの光パワーを仮定して１０−１００Ｐａの範囲にある。比屈折率ｎは該全応力の大きさに可成り強い影響を及ぼす。ｎ＝１．１からｎ＝１．２への変化は２倍に該応力を増加させる。実際の変形力を測定する最初の実験は真の応力が計算された数より２０倍も高いかも知れないことを示している。かくして上記計算された細胞弾性は第１評価であり真の弾性に対するより低い境界と見なされるべきである。
【０１２７】
流れ室は現在の開いたセットアップより幾つかの利点を有する（図２参照）。この室は極微製造技術を用いて硅素から作られてもよい。必要な整合は該結晶の１１１面に沿って２つのＶ型溝をエッチングすることにより達成される。該溝の１つは２本のフアイバを導き、充分な整合を保証する。第２の、直角の、溝は細胞溶液用流れチャンネルとして役立つ。中央の孔は該トラッピングと変形の観察用の光学的接近法を提供する。もう１つの構想はピーエムエムエイ（PMMA）内へ高い精度で２本の直角なチャンネルを”孔開け（drill）”するためにシンクロトロン放射（synchrotron radiation）を使用することである。ピーエムエムエイは透明なので該観察孔は旧式であり、それは他のセットアップに於いてはタービュレンス（turbulence）や漏れの様な問題を引き起こすかも知れない。
【０１２８】
閉じた流れ室を使用する、何れの方法も我々に制御された仕方で細胞をトラッピング領域内へ配送することを可能にする。我々は新鮮な媒質を供給するか又は細胞がトラップされている間に該媒質を替えることが出来る。センシブル（sensible）な細胞の保存のためには摂氏３７度の周囲温度を維持することが必要でありそれは加熱流れ室を用いて容易に達成出来る。最も重要なことは現在のセットアップと全ての普及している技術と対照して、より大きなサンプルサイズを解析出来る可能性である。例え同じ細胞のラインででも、細胞のサイズと形は異なりかくして弾性も又大きな変動を有することを期待するところである。この理由から、統計的に関連した結果を得るために多くの細胞の弾性を測定することが絶対的に重要である。該流れ室内では、細胞は２本のフアイバ先端間の間隙を通って流れている。レーザ光がオンに切り替わると細胞は結果的にトラップされ細胞流れは停止され細胞弾性が測定出来る。この過程は望むだけ頻繁に繰り返すことが出来る。細胞流れの制御、トラッピングとスクイージングの観察、そしてデータの評価は原理的にコンピユータで制御可能である。
【０１２９】
将来は、充分なパワーと、モード品質と、そして安定性とを有し、そして直接取付られた光フアイバを有するレーザダイオードが入手可能になりそれが大きくて高価なレーザシステムと追加的光学部品の必要性を旧式にすることが考えられる。その時該光学的ストレツチヤーは非常に小型の版で実現可能となりクリニックのツールとして使用されるポテンシャルを有する。
【０１３０】
最近３０年間の癌治療での驚くべき進歩にも拘わらず、世界的に、死因での癌の割合は急激に増えている。癌は非常に後れて診断されることが多く、処置を無効にしている。光顕微鏡により調べられた組織サンプルの生検（biopsy）はなお癌検出の最も普通の技術である。組織の薄い部分の細胞がもし非常に不規則な形状を示せば、これは悪性細胞の明らかな指標である。生検はコストと労力がかかるのみならず侵襲性がある。従ってそれは目立つマス（mass）又は塊（lump）の様な明らかな兆候の場合だけ適用される。しかしながら、より進んだ癌検出技術はそれら自身の限界を有する。現在の細胞学的解析−例えば、パップスメア（Pap smear）からの細胞の顕微鏡下での観察−はサイズと形状とのみで異常な細胞の少数を確認するにも不充分なことが多い。流れ血球計算は基礎研究からクリニック実験室へと急激に広がった。流れ血球計算のクリニック的使用の中で、癌は最も関連のあるものの１つを示している。しかしながら、サンプル品質、染色、そして器具アーチフアクト（instrument artifact）のための問題がデータの精確な解釈を制限している。遺伝子のテスト、分子デーエヌエイ（DNA）プローブ、そして酵素マーカは限界があり、それは各癌がそれ自身の分子的徴候（signature）を有し、それでそれ自身のテストを要するからである。
【０１３１】
本発明の更なる変型や代替え実施例は本説明を見ると当業者には明らかである。従って、本説明は唯図解用と解釈されるべきであり、当業者に本発明の実施する仕方を開示する目的用である。ここに示され説明された本発明の形は図解する実施例と見なされるべきと理解されるべきである。本発明のこの説明の利点を有した後、当業者に全て明らかな様に、ここに図解され説明されたそれらに対しては等価な要素や材料で置換されてもよく、そして本発明の或る特徴は他の特徴の使用と独立に利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の装置用の限定のない、代表的構成を示す。
【図２Ａ−２Ｃ】  本発明の実施に使用されるステージの限定のない、代表的な斜視図、平面図及び側面図を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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