(57)【要約】【課題】粒子および塊状物質を一般的な手順および複雑な手順の両方で操作する。【解決手段】ホログラム光学トラップまたは光学勾配部を用いる方法であって、少数の適切に設計されたトラップ列を周期的に繰り返すことによって、粒子および塊状物質を一般的な手順および極めて複雑な手順の両方で操作することを特徴とする。材料移送は蠕動ポンプに似たプロセスによって行なわれる。すなわち、一連のホログラムによって作成される捕獲または保持マニフォールドは物理的な蠕動ポンプの状態に類似の挙動を示す。
2004535668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを付与する段階と、
前記レーザビームを複数の付加的なレーザビームに分割する段階と、
前記付加的なレーザビームを集束させて、複数の光学トラップを生成する段階と、
順次離間された複数のマニフォールドを備える第１パターン、第２パターンおよび第３パターンを形成する段階であって、前記マニフォールドの各々が前記レーザビームによって生成された少なくとも１つの光学トラップを備え、前記パターンの各々における前記マニフォールドが他のパターンの各々におけるマニフォールドによって隔てられるように、前記第１パターン、第２パターンおよび第３パターンが配置されているような段階と、
前記レーザビームを用いることによって、十分短い間隔で前記パターンの各々を順次照射および消滅させ、先行するパターンが消滅した後、粒子を１つのマニフォールドから近接するマニフォールドに移行かつ捕獲させる段階であって、前記粒子の移行かつ捕獲によって、前記粒子を１つのパターンの１つのマニフォールドから同一パターンの次の近接するマニフォールドに移動させるような段階と、
を含む、光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項２】
前記パターンの各々における前記マニフォールドが実質的に互いに平行に配置され、前記粒子が前記パターンの各々における前記マニフォールドと直交する実質的に線状の軌道に沿って移動している、請求項１に記載の光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項３】
前記パターンの各々における前記マニフォールドが曲率半径を有し、前記粒子が前記マニフォールドの各々の曲率中心に実質的に向かう軌道に沿って移動している、請求項１に記載の光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項４】
複数の粒子が前記マニフォールドの各々を横切る方向に移送されている、請求項１に記載の光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項５】
前記マニフォールドの各々が前記複数の粒子を所定の領域に集めるかまたは前記複数の粒子を所定の領域から外に拡散させるように同心状に配置されている、請求項４に記載の光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項６】
外部場を前記複数の粒子の各々に付加する段階をさらに備え、前記レーザビームを用いて前記パターンの各々を順次照射および消滅することによって、前記粒子の少なくともいくつかの方向を前記粒子が前記外部場のみの存在下によって配向されていた方向から変更させている、請求項４に記載の光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項７】
前記付加された外部場が１つのマニフォールドから最も近接するマニフォールドに移動する間の前記粒子の少なくともいくつかの方向を変更させないように作用している、請求項６に記載の光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項８】
前記粒子が前記マニフォールドの各々の前記光学トラップ間の物理的間隙よりも大きい質量体の一部であり、前記粒子の１つのマニフォールドから最も近接するマニフォールドへの移動によって、前記質量体を物理的に変形させている、請求項４に記載の光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項９】
前記粒子が前記マニフォールドの各々の前記光学トラップ間の物理的間隙よりも大きい質量体の一部であり、前記粒子の１つのマニフォールドから最も近接するマニフォールドへの移動によって、前記質量体を物理的に回転させている、請求項４に記載の光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項１０】
前記粒子が生物学的媒体の一部である、請求項１に記載の光学トラップを有するマニフォールド間で粒子を移送する方法。
【請求項１１】
レーザビームを付与する段階と、
前記レーザビームを複数の付加的なレーザビームに分割する段階と、
前記付加的なレーザビームを集束させて、複数の光学トラップを生成する段階と、
複数の互いに織込まれたパターンを形成する段階であって、前記パターンの各々が少なくとも１つのマニフォールドを有し、前記マニフォールドの各々が前記レーザビームによって生成された少なくとも１つの光学トラップを有し、かつ前記マニフォールドの各々が他のパターンのマニフォールドに近接して配置されるような段階と、
前記レーザビームを用いることによって、十分な短い間隔で順次前記パターンの各々を照射および消滅させ、先行するパターンが消滅した後、前記複数の粒子の１つを捕獲する段階であって、前記粒子が１つのパターンの１つのマニフォールドから次の近接するマニフォールドに移動するような段階と
を含む、レーザビームを用いて複数の粒子を操作する方法。
【請求項１２】
前記複数の粒子が生物学的媒体の少なくとも一部を有している、請求項１１に記載のレーザビームを用いて複数の粒子を操作する方法。
【請求項１３】
前記複数の粒子が前記マニフォールドの各々における前記光学トラップ間の物理的間隙よりも大きく、前記粒子の各々を前記マニフォールドの各々を横切って移動させることによって、前記複数の粒子を物理的に回転させている、請求項１１に記載のレーザビームを用いて複数の粒子を操作する方法。
【請求項１４】
前記複数の粒子が前記マニフォールドの各々における前記光学トラップ間の物理的間隙よりも大きく、前記粒子の各々を前記マニフォールドの各々を横切って移動させることによって、前記複数の粒子を物理的に変形させている、請求項１１に記載のレーザビームを用いて複数の粒子を操作する方法。
【請求項１５】
前記マニフォールドの各々が実質的に互いに平行に配置され、前記複数の粒子が前記マニフォールドの各々と直交する実質的に線状の軌道に沿って移動している、請求項１１に記載のレーザビームを用いて複数の粒子を操作する方法。
【請求項１６】
前記マニフォールドの各々が曲率半径を有し、前記複数の粒子が前記マニフォールドの各々の曲率中心に実質的に向かう軌道に沿って移動している、請求項１１に記載のレーザビームを用いて複数の粒子を操作する方法。
【請求項１７】
複数の光学トラップを生成するための複数の付加的なレーザビームに分割されるレーザビームと、
複数の順次離間されたマニフォールドを有する第１パターン、第２パターンおよび第３パターンであって、前記マニフォールドの各々は前記レーザビームによって生成される光学トラップを有し、他のパターンの各々におけるマニフォールドによって隔てられるように前記パターンの各々における前記マニフォールドが配置されるような第１パターン、第２パターンおよび第３パターンと、
前記レーザビームを用いることによって十分短い間隔で順次前記パターンの各々を照射および消滅させ、先行するパターンが消滅した後、粒子を１つのマニフォールドから近接するマニフォールドに移行かつ捕獲させる手段であって、前記粒子の移行かつ捕獲によって、前記粒子を前記第１パターンの１つのマニフォールドから同一パターンの次の近接するマニフォールドに移動させるような手段と
を備えている、複数の粒子を操作する装置。
装置。
【請求項１８】
前記粒子は前記マニフォールドの各々の前記光学トラップ間の物理的間隙よりも大きい複数の粒子の一部であり、前記粒子の１つのマニフォールドから最も近接するマニフォールドへの移動によって、前記複数の粒子を物理的に変形させている、請求項１７に記載の複数の粒子を操作する装置。
【請求項１９】
前記粒子が前記マニフォールドの各々の前記光学トラップ間の物理的間隙よりも大きい複数の粒子の一部であり、前記粒子の１つのマニフォールドから最も近接するマニフォールドへの移動によって、前記複数の粒子を物理的に回転させている、請求項１７に記載の複数の粒子を操作する装置。
【請求項２０】
１つのマニフォールドから最も近接するマニフォールドに移動する間の前記粒子の方向が前記粒子に外部場を付加することによって変更されている、請求項１７に記載の複数の粒子を操作する装置。
【請求項２１】
１つのマニフォールドから最も近接するマニフォールドに移動する間の前記粒子の方向が前記粒子に外部場を付加しても変更されないようになっている、請求項１７に記載の複数の粒子を操作する装置。
【請求項２２】
前記粒子が生物学的媒体の一部を有することを特徴とする、請求項１７に記載の複数の粒子を操作する装置。
【請求項２３】
前記パターンの各々における前記マニフォールドが実質的に互いに平行に配置され、前記粒子が前記パターンの各々における前記マニフォールドと直交する実質的に線状の軌道に沿って移動している、請求項１７に記載の複数の粒子を操作する装置。
【請求項２４】
前記パターンの各々における前記マニフォールドが曲率半径を有し、前記粒子が前記マニフォールドの各々の曲率中心に実質的に向かう軌道に沿って移動している、請求項１７に記載の複数の粒子を操作する装置。
【請求項２５】
前記パターンの各々を順次照射および消滅することによって、前記複数の粒子を少なくとも２つの粒子群に分離するように前記複数のマニフォールドが配置されている、請求項１７に記載の複数の粒子を操作する装置。
【請求項２６】
前記パターンの各々を順次照射および消滅することによって、前記複数の粒子を１つの粒子群に集めるように前記複数のマニフォールドが配置されている、請求項１７に記載の複数の粒子を操作する装置。
【請求項２７】
レーザビームを付与する段階と、
前記レーザビームを集束させて、複数の制御された光学勾配部を生成する段階と、
複数の順次離間されたマニフォールドを備える第１パターン、第２パターンおよび第３パターンを形成する段階であって、前記マニフォールドの各々が前記レーザビームによって生成された少なくとも１つの光学勾配部を備え、前記パターンの各々におけるマニフォールドが他のパターンの各々におけるマニフォールドによって隔てられるように前記第１パターン、第２パターンおよび第３パターンが配置されているような段階と、
前記レーザビームを用いることによって十分短い間隔で順次前記パターンの各々を照射および消滅させ、先行するパターンが消滅した後、粒子を１つのマニフォールドから近接したマニフォールドに移行かつ捕獲させる段階であって、前記粒子の移行かつ捕獲によって、前記粒子を１つのパターンの１つのマニフォールドから同一パターンの次の近接マニフォールドに移動させるような段階と、
を含む、制御可能光学勾配部を有するマニフォールド間で複数の粒子を移送する方法。
【請求項２８】
前記複数の粒子は前記マニフォールドの各々の前記光学勾配部間の物理的な間隙よりも大きく、前記粒子を前記マニフォールドの各々を横切って移動させることによって、前記複数の粒子を物理的に回転させている、請求項２７に記載の制御可能光学勾配部を有するマニフォールド間で複数の粒子を移送する方法。
【請求項２９】
前記複数の粒子は前記マニフォールドの各々の前記光学勾配部間の物理的な間隙よりも大きく、前記粒子を前記マニフォールドの各々を横切って移動させることによって、前記複数の粒子を物理的に変形させている、請求項２７に記載の制御可能光学勾配部を有するマニフォールド間で複数の粒子を移送する方法。
【請求項３０】
前記パターンの各々を順次照射および消滅させることによって前記複数の粒子を少なくとも２つの粒子群に分離するように前記複数のマニフォールドが配置されている、請求項２７に記載の制御可能光学勾配部を有するマニフォールド間で複数の粒子を移送する方法。
【請求項３１】
前記パターンの各々を順次照射および消滅させることによって前記複数の粒子を１つの粒子群に集めるように前記複数のマニフォールドが配置されている、請求項２７に記載の制御可能光学勾配部を有するマニフォールド間で複数の粒子を移送する方法。
【請求項３２】
１つのマニフォールドから次の最も近接するマニフォールドに移動する間の前記複数の粒子の少なくとも一部の方向が外部場を付加することによって変更されている、請求項２７に記載の制御可能光学勾配部を有するマニフォールド間で複数の粒子を移送する方法。
【請求項３３】
１つのマニフォールドから次の最も近接するマニフォールドに移動する間の前記複数の粒子の少なくとも一部の粒子の方向が外部場を付加しても変更されないようになっている、請求項３２に記載の制御可能光学勾配部を有するマニフォールド間で複数の粒子を移送する方法。
【請求項３４】
前記複数の制御可能光学勾配部が光学トラップを有している、請求項２７に記載の制御可能光学勾配部を有するマニフォールド間で複数の粒子を移送する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、米国国立科学財団から交付された協定Ｎｏ．ＤＭＲ−９７３０１８９に基づき、奨励賞Ｎｏ．ＤＭＲ−９８８０５９５を受け、米国国立科学財団のＭＲＳＥＣプラグラムの下で、米国政府の支援によってなされたものである。米国政府は、これらの協定および奨励賞に基づき、本発明に対して一定の権利を有している。
【０００２】
本発明は、小粒子(manipulating small particles)、可動性のある物質(movable mass)、または変形可能な構造体を制御かつ操作する方法および装置に関する。さらに詳細には、本発明は、ホログラム光学トラップ(hologram optical trap)を用いて、粒子および塊状物質を一般的な手順および複雑な手順の両方で制御かつ操作することができる方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
光学トラップ法は、グレディエント力(optical gradient force)によって、最も好ましくはマイクロメータスケールの多数の塊状物質を２次元的および３次元的に捕獲する技術である。ホログラムを用いる光学トラップ技術によれば、計算機によって作成される回折光学要素(diffractive optical element)によって、単一のレーザビームから多数の光学トラップが生成されている。これらのトラップは、必要に応じて、手元の制御によって所望の位置に配置させることができる。
【０００４】
正確かつ比較的確実に粒子を移動させることができるホログラムを用いるシステムが知られているが、それらの従来のシステムは、粒子を移動させるステップごとに個別のホログラムを投射させる必要がある。多数のホログラムをコンピュータによって計算するのは非常に時間がかかり、かつ計算に相当の労力を必要とする。さらに、このようなコンピュータ作成光学トラップを実施するためのコンピュータ・アドレス投射システム(computer addressable projection system)または走査式光学ピンセット(scanned optical tweezer)のような他の動的光学トラップシステムは極めて高価である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的は粒子および塊状物質を一般的な手順および複雑な手順の両方で操作することができる改良された方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、粒子を極めて正確かつ確実に所定の経路に沿って移動させることができる改善された方法を提供することにある。
【０００７】
本発明のさらに他の目的は、複雑なトラップの再配置を行なうためのコンピュータの負荷をなくして、粒子および塊状物質を操作することができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、時間の経過に伴って変化する一連のトラップパターンを投射することによって、トラップの動的な再配置を行なうことによって達成されることになる。この場合、元のパターンの各トラップに捕獲された粒子が対応する次のトラップ内に自然に捕獲されるのに必要な十分に小さい距離だけ離れた位置に次のトラップが配置されるように、新しい各パターンは更新されるとよい。従って、本発明によれば、予め計算によって得られたわずかな数のホログラムによる光学トラップパターンを周期的に繰り返すことによって、物質の複雑な再配置を行なうことができる方法が提供されることになる。このトラップパターンの周期的な運動は、コンピュータの複雑な計算によらず、また、完全な再現性を有する高価なホログラム光学トラップシステムを用いずに機械的に行なうことができる。
【０００９】
光学蠕動は、予め計算によって得られたホログラムを順次投射することによって、多数の粒子を大面積の領域または選択された領域の全体にわたって複雑に再分布させる技術である。本発明による光学蠕動の重要な態様によれば、１つの所定のパターンにおける光学トラップを有する１つのマニフォールドから、少なくとも２つの中間パターンを介して次のパターンまで、自在に粒子を移送する点に特徴がある。ここで、「パターン」という用語は、少なくとも１つのマニフォールドからなると定義される。図１は直線状に配置された光学トラップ２４を有する代表的なマニフォールド２０を示している。各トラップ２４は、該当する粒子２２を捕獲することができる。これらのトラップ２４は、粒子２２が該当する空のトラップ２４内に捕獲されずにマニフォールド２０を通過しないように、またはトラップ２４にすでに捕獲されている粒子によって粒子２２の捕獲が妨げられないように、適切な距離だけ離して配置されている。粒子２２は球状に描かれているが、不規則な形状であってもよく、あるいはトラップ２４間の間隙よりも大きくてもよい。
【００１０】
光学蠕動の操作は、トラップ２４を有するマニフォールド２０を消滅させ、粒子２２を自在に移動させることによって行なわれている。ここで、十分に近接(nearby)したトラップ２４を有する他のパターンを照射すると、粒子２２は新しいパターンの１つ（あるいはそれ以上）のトラップ２４に捕獲されるようになる。図３Ａないし図３Ｄに示す例において、１つのパターンがライン２３と２５に沿った２つのマニフォールド２０を備えている。しかし、次のパターンは、例えばライン２７に沿った１つのみのマニフォールドを有する。従って、粒子２２は、第１パターン２６の中のトラップ２４を有する２つのマニフォールド２０の１つから第２パターン２８のマニフォールド２０に移行している。このプロセスの最も単純な形態が図２に示されており、さらに一般的な形態が図３Ａないし図３Ｄに示されている。粒子２２を移行させるために、第１パターン２６を消滅させ、次いで、第２パターン２８を照射している。この場合、２つのパターン２６および２８間の間隙は、粒子２２が次の最近接トラップ２４に捕獲される前に（グレディエント力の外に）さまよい出るのを防ぐのに十分な短い距離に設定されている必要がある。なお、他の実施例として、第１パターン２６を消滅させる前に第２パターン２８を照射してもよい。ただし、この場合、その手順は上記の手順よりも複雑になる。
【００１１】
本発明の一実施例によれば、トラップパターンは、１つ以上のマニフォールド２０を有しており、このマニフォールド２０には、トラップ２４が離間して配置されている。このトラップパターンは、離間されたピンセットとして機能している。各マニフォールド２０は、図１に概略的に示すように一次元の曲線または直線に沿って配置されるか、二次元面上に配置されるか、または三次元空間内に配置されているとよい。マニフォールド２０の群を有するトラップパターンの観念は光学蠕動のプロセスを視覚化させるのに有用である。
【００１２】
図３Ａは、所定のパターン、具体的には第１パターン２６の１つのマニフォールド２０に捕獲された粒子２２をさらに詳細に示している。第１パターンは、２つのマニフォールド５０および５６を有している。図３Ａは、（１つのマニフォールドを有する）照射されていない第２パターン２８のマニフォールド５２および（１つのマニフォールドを有する）照射されていない第３パターンのマニフォールド５４の位置も示している。第１ステップでは、第１パターン２６のみを照射している。図３Ｂに示す次のステップでは、第１パターン２６を消滅させ、第２パターン２８を照射している。この操作によって、粒子２２は第１パターン２６の第１マニフォールド５０から第１パターン２６と近接(nearby)する第２パターン２８のマニフォールド５２に移行することになる。図３Ｃに示す次の中間ステップでは、第２パターン２８を消滅させ、第３パターンを照射している。その結果、粒子２２は第３パターン３０のマニフォールド５４に移行することになる。図３Ｄに示す最終ステップでは、第３パターン３０を消滅させ、第１パターン２６を再び照射している。その結果、粒子２２は第１パターン２６の次のマニフォールド５６に移行するようになる。このように、光学蠕動は、粒子２２を光学トラップを有する１つのパターンの１つのマニフォールド２０から同一の第２パターン２８の他のマニフォールド２０に一連の中間パターンを周期的に繰り返すことによって制御して移行させることによって生じている。
【００１３】
本発明の最も好ましい実施例によれば、粒子２２をトラップパターンの１つのマニフォールド５０から次のマニフォールド５２に制御して移送するのに少なくとも３つのパターン２６、２８、および３０が必要である。均等に離間された２つのパターン２６および２８のみを用いた場合、粒子２２は次のマニフォールド５２に移送される可能性もあるが、最初のマニフォールド５０に戻る可能性もある。他の実施例として、３つのパターン２６、２８、および３０よりも多いパターンを用いて粒子２２を特定の方向に移送するように構成してもよい。光学トラップ２４を有する個々のマニフォールドを照射および消滅する方法は当該技術分野においてよく知られている。
【００１４】
第１パターン２６、第２パターン２８、および第３パターン３０を周期的に繰り返すことによって、図３に示す配置の場合、粒子２２は左から右に移動することになる。この手順を逆に行なうと、粒子２２は右から左に移動する。図３に記載のマニフォールド２０よりも多数のマニフォールドを有するさらに大きなパターンを用いることによって、粒子２２をホログラム光学トラップシステムの全視野にわたって前後に移送することもできる。
【００１５】
光学蠕動を用いて粒子２２の群を有効に最配置させる種々の手法がある。一例として、トラップ２４を有する１つのパターン内の各マニフォールドの形状を連続的な曲線に変更する手法が挙げられる。ここでは１つのパターンしか記載しないが、当業者にとって容易に理解されるように、マニフォールド２０間に付加的な中間パターンが配置されている。図示の実施例において、粒子の流れの方向を矢印で示す。
【００１６】
図４は線状の光学蠕動ポンプ３３の１つのパターン２６を示している。このパターン２６のマニフォールド２０間に挟み込まれた２つ以上のパターン（図示せず）を連続的に作動させ、１つ以上の捕獲粒子２２を左から右に駆動している。この手順を逆にすれば、粒子２２を右から左に移行させることができる。このパターンおよびここに述べる全てのパターンは、どのような方向にも配向させることができる。
【００１７】
図５Ａおよび図５Ｂは、湾曲したマニフォールド２０を有するパターンを用いて粒子の流れを合流させる例を示している。この手順を逆にすることによって、粒子２２を後方に分散させることができる。この機能は、粒子２２を開領域から閉領域、たとえば、貯蔵器に導くのに有用である。個々のマニフォールド２０は等しい曲率を持つ必要はなく、それらの曲率は状況に応じて変更することができる。例えば、線状のポンプパターンは粒子２２を集束パターン内に掃引するのに用いるとよい。マニフォールド２０間の個々の間隙も等しくする必要はない。マニフォールド２０がより近接（closely）して配置されたパターンの領域を用いることによって、マニフォールド２０がより離間して配置されたパターンの領域を用いた場合よりも粒子２２をよりゆっくりと移送させることができる。密に配置されたマニフォールド２０を用いることによって、粒子を移動方向に沿って集めることができ、疎に配置されたマニフォールド２０を用いることによって、粒子を離散させることができる。この手法は特に粒子を詰め込みすぎずに集める集束パターンに有益である。
【００１８】
各マニフォールドに沿ったトラップ２４の分布と密度によって、マニフォールド２０間における粒子２２の流れを制御することができる。例えば、トラップ２４を各マニフォールド２０に沿って均等に離間し、かつトラップ２４を１つのマニフォールド２０から次のマニフォールドおよび１つのパターンから次のパターンへ均等に配置してもよい。他の実施例として、粒子２２の流れを一連のパターンに沿って制御するために、マニフォールド２０に沿っておよびパターン間においてトラップ２４をさらに複雑に配置してもよい。同様に、パターン内のマニフォールド２０に沿って個々のトラップ２４の強さおよび間隙を変更することによって、粒子２２の移送を有効に制御することができる。
【００１９】
粒子２２の流れを導くようにマニフォールド２０の形状を調整することによって、粒子２２をどのような複雑なパターンに導くこともできる。図６Ａに示す例は、粒子２２の１つの流れを２つの流れに導くような形状を有するマニフォールド２０を示している。逆に操作することによって、２つ（またはそれ以上の）流れを１つの流れに合流させることができる。この場合、マニフォールド２０の合流箇所において１つの流れ内の粒子２２は、他の流れ内の粒子と離れているが、別の手順を用いてそれらの粒子を合流点において混合させることができる。
【００２０】
図６Ｂに示す例は合流した２つ流れの粒子２２を混合させる１つの方法を示している。この例において、図６Ａのパターンにおけるマニフォールド２０は、接合させる必要がない。図６Ｂにおけるシステムのパターンは、混合領域において別の交差マニフォールド２０を備えている。このような交差は、粒子２２を元の離間した流れ間において混合させるのに有用である。単純な交差によって得られたより複雑なマニフォールド２０によって、光学蠕動に確率的な要素を導入することができる。すなわち、各交差点の近傍において、粒子２２に移動する方向を選択させることができる。各粒子２２がどの方向を選択するかは１つのパターンから次のパターンに移行する点における無作為の熱力によって決定される。従って、図６Ｂに示す交差点によって、ある程度の混合が生じることになる。
【００２１】
図７Ａおよび７Ｂに示すような閉鎖マニフォールド２０を有するパターンが用いられることによって、粒子２２を領域の内側にまたは領域の外側に移送することができる。パターンが密または疎に配置されるかどうかに関わらず、粒子２２が領域の内側または外側へ移送される方向は、一連のパターンが投射される順序に依存している。図７Ａの例は、例えば、懸濁流体のテストまたは隔離粒子２２のテストを容易にするために粒子２２を領域の外に取り出すのに有益である。このようなパターンは円形である必要もなく、平面上に拘束させる必要もない。原理的に、二次元的に延長するマニフォールド２０を三次元的空間に配置したパターンを用いることによって、材料を空間内に導きまたは空間から引き出すことができる。
【００２２】
さらに、光学トラップと他の外力を競合させることによって種々の有益な用途が得られる。例えば、光学トラップと他の外力の競合は粒子２２の分布系からその一部を選別するのに特に有用である。一例として、周辺流体の流れに捕獲されている粒子２２について考える。各粒子２２は抵抗係数γによって決定される力
【数１】
2004535668.tif 000003
の局部流体場
【数２】
2004535668.tif 000004
における粘性抵抗によって移送されている。粘性ηの流体内の半径ａの球の場合、その抵抗係数はγ＝６πηａである。従って、抵抗係数は粒子径と比例して大きくなる。すなわち、流れに対して静止して保持されているとき、大きな粒子は小さな粒子よりも大きな力を受ける。粘性抵抗による力は外力の一例であり、この実施例において、電場または磁場のような他の力も外力に含まれる。
【００２３】
外力が所定の光学トラップ２４のグレディエント力よりも弱い場合、粒子２２は主に前述したような光学蠕動によって移送されることになる。一方、外力が光学トラップ２４のグレディエント力よりも大きい場合、光学蠕動は外力場において粒子の動きに付加的な小さな力を与えるに過ぎない。図８に示す理想的な例において、第１の粒子６０は、外部場によって駆動されるよりもさらに強く光学トラップ２４に引き付けられている。この例において、第１粒子６０は、第２粒子６２よりもトラップによって影響されやすい。換言すれば、第１粒子６０は第２粒子６２よりも外力場によって影響されにくい。従って、第１粒子６０は光学蠕動によって移送され、収集される。第２粒子６２は、外力場によってより強く駆動され、トラップ２４のパターンを通過している。ただし、この場合、第２粒子６２は元の経路からある程度偏って移送されるようになる。
【００２４】
図８の実施例において、２つの種類の粒子６０および６２は、光学トラップ２４に対する親和性および外部場に対する感応性のいずれかまたはその両方において異なっている。粒子の物理的特性の差異にも依存するが、このようなパターンにおける光学トラップ２４の空間分布、強さ、および他の特性を選択することによって、粒子を選別することができる。
【００２５】
光学的な選別技術は多くの著しく好ましい利点を有している。電気泳動の場合は、付加された外部場の方向に沿って選別が行なわれている。一方、光学的選別の場合、選択された粒子は横方向に移送されることになる。これは、光学的選別によって粒子をバッチ式ではなく連続式に移送することができることを意味している。また、光学的選別は、ホログラム光学トラップ技術によってなされるので、種々の選別の課題に簡単に対応することができる。
【００２６】
例えば、同一の方法と装置を用いて、複数の段階の光学的選別を順次行なうことができる。すなわち、同一の方法と装置を用いて、多数の成分が混合された元の試料から所定の一部を抽出することによって試料を各成分に分離するステップ、分離した成分を流れに対して横方向にタイミングよく移すステップ、それらの成分を前述の技術を用いてチャネルまたは貯蔵庫に移送するステップを行なうことができる。
【００２７】
図９は１つの光学的選別ステップに第２の光学的選別ステップが加えられている実施例を示している。粒子２２を駆動する外力が領域内において下向きに付加されている。図９において参照番号８０で示される第１選別パターンは、第１粒子８４を選別し、それらの粒子８４を偏らせて右に移動させるが、第２粒子８６を収集しない。参照番号８２で示される第２選別パターンは、第２粒子８６を外力から偏向させる能力を有するより強く、すなわち、より近接して離間されたトラップ２４を有している。図示するように、この第２選別パターン８２は粒子を左に移送し、粒子８４を粒子８６からさらに大きく分離させる。２つの選別ステップを概念的に説明したが、光学トラップを有するマニフォールド２０によって構成される１つのパターンとして、これらのステップを構成することもできる。このプロセスはさらに多くの選別ステップを含むことも可能であり、選別された粒子を移送して収集するステップを含むことも可能である。
【００２８】
前述したように、光学蠕動は、一連のトラップパターンを周期的に繰り返すことによって得られている。図１０および図１１は、完全な再現性を有する動的ホログラムシステムの構成を示す図である。この例において、コンピュータ・アドレス空間光変調器(computer-addressed spatial light modulator)１０２は、入力レーザビーム１００の波面に必要な位相変調を符号化することによって、光学トラップ１１４を有する所定のパターンを形成するのに必要な多数のレーザビーム１０４を生成している。原理的に、このようなシステムはどのようなトラップパターン群でも生成することができ、従って、どのような光学蠕動でも行なうことができる。しかし、実際には、空間光変調器１０２は空間解像度のような物理的な制約があるので、符号化するパターンの複雑さが制限されている。また、このような空間光変調器１０２は高価である。
【００２９】
図１０は動的ホログラム光学トラップ１１４を用いる光学蠕動の代表的な実施例を示している。入力レーザビーム１００をコンピュータ・アドレス空間光変調器（ＳＬＭ）１０２の表面で反射させている。ＳＬＭ１０２は、ビーム１００の波面にコンピュータによって生成された位相変調パターンを符号化し、ビーム１００を１つ以上の個別のレーザビーム１０４に分割している。分割された各ビーム１０４は、ＳＬＭ１０２の面の中心点１０７から出射されている。レンズ１０８および１１０は、これらのレーザビーム１０４の各々を高ＮＡ対物レンズ１１２の後方開口の中心の共役点１１２に中継している。対物レンズ１１２は、レーザビーム１０４の各々を集束させ、個別の光学トラップ１１４を生成している。図１０では、明確にするために、光学トラップ１１４の１つのみを示している。２色性ミラー１１６は、トラップ光を対物レンズ１１２内に反射するが、同時にイメージ光を通過させ、捕獲された粒子を撮像している。ＳＬＭ１０２によって符号化される位相変調を更新することによって、トラップ１１４の新しいパターンを生成している。このように一連の光学蠕動パターンを周期的に繰り返すことによって、対応する光学蠕動プロセスを行なうことができる。このシステムは、ソフトウエアによって再構成可能であり、光学蠕動を再現可能に行うことができる。図１１に示す他の実施例における動的ホログラム光学トラップシステムは、光学系内に透過式コンピュータ・アドレス空間光変調器(transmission-mode computer-addressed spatial light modulator)２００を備える以外は図１０と同じ構成を有している。このシステムも一連のトラップパターンを周期的に繰り返すことによって、光学蠕動を行なうように構成されている。
【００３０】
光学蠕動の操作は必ずしも動的ホログラム光学トラップシステムによって与えられる再現性と再構築性を必要とするものではない。そのようなシステムに代えて、一連の（わずかな数の）静的パターンを投射することができるホログラムトラップシステムを用いることによって、光学蠕動を行なうこともできる。最も簡単な好ましい実施例において、一連の位相パターンを機械的手段によって周期的に繰り返し、対応する一連のホログラム光学トラップパターンを生成することによって、光学蠕動を行なうことができる。図１２に示すように、所定の光学蠕動プロセスを行なうのに必要な位相パターンが反射式回折光学要素３０４、３０６、および３０８の表面リリーフ（浮彫り面）に符号化されている。これらの要素３０４、３０６、および３０８は、プリズム３００に取付けられ、各要素はモータ３０２によって所定の位置まで回転させられる。モータの回転を逆にすることによって、上記の一連のパターン、従って、光学蠕動の方向を逆にすることができる。モータ３０２によるプリズム３００の回転によって、配置された回折光学要素３０４、３０６、および３０８によって生成される回折ビームが光学トラップ１１４を生成するように、パターンの各々を入力レーザビームに符号化させている。パターンの各々をモータ３０２によって順次回転させることによって、光学蠕動を達成することができる。必要に応じて、４つ以上のパターンを有するプリズムを用いてもよい。
【００３１】
一連の静的反射式回折光学要素３０４、３０６、および３０８を回転プリズム３００に取付けるこの手法は、ホログラム光学トラップ以外の用途にも適用することができる。同様に、図１３に示すように、透過式回折光学要素４０４、４０６、４０８、および４１０をディスク３１２の周辺に取付け、ビーム１００あるいは反射性光学系の位置と合致するまで回転させる。このシステムも光学蠕動以外の用途に適用できる。図１３において、例えば、回折光学要素４０４、４０６、４０８、および４１０を光学系の位置と合致するまで回転することによって、一連の光学蠕動の１つのパターンを投射することができる。
【００３２】
静的な反射式または透過式回折光学要素は、その寸法を回折限界まで小さくして製造することができ、本質的に連続的な位相の符号化が可能であり、空間光変調器よりもさらに複雑なトラップパターンを広範囲に得ることができる。このような要素は、コンピュータを必要とせず、安価に製造することができる。このシステム内の一連のパターンは回折光学要素が取り付けられたプリズムまたはディスクを変化させることによって変更させている。この点において、このシステムの操作は、コンピュータ・アドレス空間光変調器に基づく操作よりも再現性は低い。
【００３３】
光学蠕動を行なうのにわずかな数の予め計算によって得られる回折光学要素しか必要としないので、切換え可能な位相格子を用いることもできる。このような手法は、例えば、位置合せのずれや磨耗が生じる傾向のある移動部品を用いることがないという利点、振動および迷走電磁場を生じるモータを用いることがないという利点、電力消耗が小さいという利点、および小型化できるという利点を有している。
【００３４】
高品質の位相ホログラムをループ状フィルム媒体に符号化することによっても、光学蠕動を得ることができる。多数の回折光学要素を高速で周期的に移動させることによってホログラム光学トラップを得るこのフィルムを用いる手法は、光学蠕動以外の用途にも適用できる。
【００３５】
光学蠕動は、光学蠕動パターンにおけるトラップ間の物理的間隙よりも大きい粒子および生物学的セルのような他の材料に対しても有用である。同様に、タンパク、ＤＮＡ、または分子のような材料も光学蠕動によって操作可能である。針の筵(bed of nail)状に配置された多数の光学トラップを有するパターン上に捕獲された大きな対象物はその針の筵状の光学トラップを直進運動させることによって移動可能である。この場合、光学蠕動パターンは１つのトラップ領域を画成するというよりも大きな対象物をその配置された位置において固定するのに適した光学トラップを有する大きな１つの区域をなすと考えられる。前述したようにパターンをわずかに変位させるように更新することによって、対象物の全体を変位させることができる。この手法の用途として、広がった試料をテスト領域に直進移動させる例、検査するために試料を回転する例、あるいは試料を制御しながら変形させる例が挙げられる。例えば、図１４に示す実施例において、光学トラップを有する複数のマニフォールド２０が１つの広がった対象物を捕獲している。これらのマニフォールド２０を更新することによって、広がった対象物８０を回転させることができる。同様に、図１５は変形可能な広がった対象物８２を捕獲するための光学トラップを有するマニフォールド２０を示している。対象物８２はトラップが密に配置された領域においてより強力に捕獲され、それらの密な領域を連続的に外側に移動させることによって対象物８２を引き伸ばすことができる。
【００３６】
１つの所定の操作が１つの光学蠕動手順によってなされるが、用途によっては、一連の光学蠕動操作を行なうことが望まれる。この場合、一連の操作は、先行する操作によって得られた状態を引き継ぐ形で後続の操作が行なわれている。例えば、生物セルを再現可能に観察するために、その生物セルを第１の光学蠕動操作によって顕微鏡の視野の中心に移動させている。さらに、生物セルを第２の光学蠕動操作によって所定の方位に回転させている。次いで、生物セルに対する所定のテストを第３の光学蠕動操作によって行なっている。また、このテストの結果に基づいて、生物セルの収集または廃棄のための選別をさらに付加的な光学蠕動操作によって行なってもよい。これら一連の光学蠕動操作は各々予め計算によって得られたホログラムを用いるので、ホログラム光学トラップシステムにおけるコンピュータによる膨大な計算の負荷をなくすことができる。同様に、種々の異なる光学蠕動操作を１つのプログラム内に取り込むことができる。例えば、プログラムは下記の一連の光学蠕動操作を含むことができる。すなわち、第１光学蠕動操作は粒子を２つ以上の異なった流れに分離し、第２光学蠕動操作は所定の場所から粒子を分散させ、第３光学蠕動操作は粒子の２つの流れを１つの流れに合流させ、第４の光学蠕動操作は複数の粒子を１つの粒子領域に集める。このプログラムによれば、パターン間を種々の異なる方法で粒子を移動させることができる。ここに述べたような一連の光学蠕動操作の種々の組合せを１つのプログラムに取り込むことによって、ここに述べたような種々のグレディエント力を用いて、それらの一連の光学蠕動操作を連続的におよび／または同時に行なうことができる。上記の一連の光学蠕動操作のいずれを実施するにもごくわずかな数の回折光学要素しか必要としないので、一連の光学蠕動操作を上記の実施例において述べたパターンを選択的に用いるのみで行なうことができる。
【００３７】
なお、粒子を保持するために所定のグレディエント力を有する必要があると従来から考えられているような光学トラップを用いることなく、本発明を実施することが可能である。例えば、複数の制御可能な光学勾配部を生成し、それらを前述したように複数のマニフォールドおよびパターン内に含ませる。これらの制御可能な光学勾配部は光学蠕動効果を生成するために必要な時間だけ各粒子を所定の位置に保持、すなわち、拘束するが、必ずしも光学トラップを形成する必要はない。換言すれば、制御可能な光学勾配部を有する第１、第２、および第３パターンを周期的に繰り返すことによって、個々の粒子を所定の経路に沿って移動させることができれば十分である。従って、この光学勾配部は必要な時間だけ粒子を保持するのに十分な力を有していればよい。
【００３８】
本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明したが、当業者であれば、請求項で述べるより広い態様内において本発明から逸脱することなく種々の変更および修正を行なうことが可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】光学トラップを有するマニフォールド（その位置は点線で示す）内の１つの光学トラップに捕獲された１つの粒子を示す図である。
【図２】第１パターンのトラップを有するマニフォールドから第２パターンのトラップを有するマニフォールドへの１つの粒子の移行を示す図である。
【図３】光学的蠕動の操作を示す図である。
【図４】光学トラップを有する互いに平行に延長する線状マニフォールドを用いて、粒子をそれらのマニフォールドと直交する線状軌道に沿って移行させる方法を示す図である。
【図５】粒子を湾曲したマニフォールドのパターンの周囲から湾曲中心に導く方法を示す図および図５Ａに記載されたパターンによって粒子を通路内に掃引する方法を概略的に示す図である。
【図６】粒子の流れを２つの異なる流れに分割するに用いる不均一に湾曲したマニフォールドを示す図および２つの異なる流れを１つの大きな流れに集めるのに用いる不均一に湾曲したマニフォールドを示す図である。
【図７】粒子を領域から外に移送するのに用いる複数の同心状のマニフォールドを示す図および粒子を領域内に移送するのに用いる複数の同心状のマニフォールドを示す図である。
【図８】外部から作用する場と光学蠕動パターンに応じて移動する２つの粒子を示す図である。
【図９】第１粒子を右に移送し、第２粒子を左に移送するのに用いる２段光学的選別法を示す図である。
【図１０】動的ホログラム光学トラップを用いて光学蠕動を行なう方法を示す図である。
【図１１】透過モードのコンピュータ・アドレス空間光変調器を光学系列に組み込んだ動的ホログラム光学トラップシステムを示す図である。
【図１２】一連の静的コンピュータ作成回折光学要素を機械的に周期運動させる方法を示す図である。
【図１３】ディスクの周囲に配置させた透過式コンピュータ作成回折光学要素を機械的に周期運動させる光学蠕動システムを示す図である。
【図１４】広がった対象物を捕獲し、かつ回転させる光学トラップを有する複数のマニフォールドを示す図である。
【図１５】光学トラップを有するマニフォールドを用いて、変形可能な広がった対象物を捕獲する方法を示す図である。
【図１】
2004535668.tif 000005
【図２】
2004535668.tif 000006
【図３】
2004535668.tif 000007
【図４】
2004535668.tif 000008
【図５】
2004535668.tif 000009
【図６】
2004535668.tif 000010
【図７】
2004535668.tif 000011
【図８】
2004535668.tif 000012
【図９】
2004535668.tif 000013
【図１０】
2004535668.tif 000014
【図１１】
2004535668.tif 000015
【図１２】
2004535668.tif 000016
【図１３】
2004535668.tif 000017
【図１４】
2004535668.tif 000018
【図１５】
2004535668.tif 000019
【国際公開パンフレット】
2004535668.tif 000020
2004535668.tif 000021
2004535668.tif 000022
2004535668.tif 000023
2004535668.tif 000024
2004535668.tif 000025
2004535668.tif 000026
2004535668.tif 000027
2004535668.tif 000028
2004535668.tif 000029
2004535668.tif 000030
2004535668.tif 000031
2004535668.tif 000032
2004535668.tif 000033
2004535668.tif 000034
2004535668.tif 000035
2004535668.tif 000036
2004535668.tif 000037
2004535668.tif 000038
2004535668.tif 000039
2004535668.tif 000040
2004535668.tif 000041
2004535668.tif 000042
2004535668.tif 000043
2004535668.tif 000044
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004535668.tif 000045
【国際調査報告】
2004535668.tif 000046
2004535668.tif 000047
2004535668.tif 000048