(57)【要約】【課題】  本発明は、微粒子の質量測定装置および質量測定方法を提供する。【解決手段】  本発明の質量測定方法は、光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射する第１光照射工程と、第１光照射手段からの第１レーザ光を所定の微粒子の上方位置で焦点となるように集光させ該微粒子に光照射することによって微粒子を捕捉する集光工程と、第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動工程と、捕捉された前記微粒子からの放出光の共振周波数を測定し、測定された共振周波数の変化を検出する計測工程と、を有している。【選択図】    図３
2007051916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射する第１光照射手段と、
該第１光照射手段からの第１レーザ光を所定の微粒子の上方位置で焦点となるように集光させ該微粒子に光照射する集光手段と、
前記第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動手段と、
前記微粒子からの放出光の共振周波数を計測する計測手段と、
を有する微粒子の質量測定装置。
【請求項２】
前記計測手段は、前記第１レーザ光と同一の光軸を有して前記焦点近傍で集光される第２レーザ光を照射することによって前記微粒子を光照射する第２光照射手段と、前記微粒子からの放出光のうち第２光照射手段からの照射光に基づく放出光の周波数を計測する計測手段と、を有する請求項１に記載の微粒子の質量測定装置。
【請求項３】
前記計測手段は、前記微粒子からの放出光の周波数とこれに対応する振幅を測定する、請求項１又は２に記載の微粒子の質量測定装置。
【請求項４】
前記計測手段は、前記微粒子からの放出光の周波数とこれに対応する位相遅れを測定する、請求項１又は２に記載の微粒子の質量測定装置。
【請求項５】
複数の微粒子が表面に散布された配列対象物と、
光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射する第１光照射手段と、
該第１光照射手段からの第１レーザ光を前記配列対象物の上方位置で焦点となるように集光させる集光手段と、
前記第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動手段と、
前記集光手段に対して前記配列対象物が相対的に３次元運動させる移動手段と、
を有する微粒子の位置決め装置。
【請求項６】
さらに、前記第１光照射手段からの第１レーザ光のパワーを変化させる調整手段を有する、請求項５に記載の微粒子の位置決め装置。
【請求項７】
光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射する第１光照射工程と、
該第１光照射手段からの第１レーザ光を所定の微粒子の上方位置で焦点となるように集光させ該微粒子に光照射することによって前記微粒子を捕捉する集光工程と、
前記第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動工程と、
捕捉された前記微粒子からの放出光の共振周波数を測定し、測定された共振周波数の変化を検出する計測工程と、
を有する微粒子の質量測定方法。
【請求項８】
前記計測工程は、前記第１レーザ光と同一の光軸を有して前記焦点近傍で集光される第２レーザ光を照射することによって前記捕捉された微粒子を光照射する第２光照射工程と、前記微粒子からの放出光のうち第２光照射手段からの照射光に基づく放出光の周波数の変化を計測する計測工程と、を有する請求項７に記載の微粒子の質量測定方法。
【請求項９】
前記計測工程は、前記微粒子からの放出光の周波数とこれに対応する振幅を測定し、該振幅の頂点近傍に対応する周波数を共振点として検出する共振点検出工程と、この検出された共振点の周波数変化を微粒子の共振周波数の変化として検出する周波数変化検出工程と、を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の微粒子の質量測定方法。
【請求項１０】
前記計測工程は、前記微粒子からの放出光の周波数とこれに対応する位相遅れを測定し、該位相遅れが９０°近傍であるときの周波数を共振点として検出する共振点検出工程と、この検出された共振点の周波数変化を前記微粒子の共振周波数の変化として検出する周波数変化検出工程と、を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の微粒子の質量測定方法。
【請求項１１】
前記計測工程により測定された共振周波数の変化前の値から前記振動工程により振動する前記微粒子の振動運動におけるバネ定数を算出し、該バネ定数と前記計測工程により測定された共振周波数の変化前後の値の差とから共振周波数の変化前後の微粒子の質量差を算出する、質量差算出工程を有する、ことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の質量測定方法。
【請求項１２】
所望する微粒子の質量に対する共振周波数を設定する共振周波数設定工程と、
光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射する第１光照射工程と、
該第１光照射手段らの第１レーザ光を所定の微粒子の上方位置で焦点となるように集光させ該微粒子に光照射することによって前記微粒子を捕捉する集光工程と、
前記第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動工程と、
捕捉された前記微粒子からの放出光の共振周波数を測定する計測工程と、
前記計測工程により計測された共振周波数が前記共振周波数設定工程により設定された共振周波数と略一致するか否かを検出する検出工程と、
を有する微粒子の質量測定方法。
【請求項１３】
複数の微粒子を配列対象物の表面に散布する散布工程と、
前記散布工程によって散布された複数の微粒子のうちの一つを設定する微粒子設定工程と、
光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射することによって前記設定された微粒子を捕捉する第１光照射工程と、
該第１光照射手段からの第１レーザ光を所定の焦点で集光させる集光工程と、
前記第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動工程と、
前記捕捉された微粒子を前記配列対象物の所望の位置の上方まで移送する移送工程と、
前記移送工程により所望の位置まで移送された微粒子を前記配列対象物に近接させることで該微粒子を配列対象物に配設する配設工程と、
を有する微粒子の位置決め方法。
【請求項１４】
前記微粒子設定工程と、前記第１光照射工程と、前記移送工程と、前記配設工程とは、配列対象物に散布された複数の微粒子のそれぞれを位置決めする毎に実行される、請求項１３に記載の微粒子の位置決め工程。
【請求項１５】
さらに、前記配列対象物に既に配設された微粒子それぞれの所望する位置の集合として形成される軌跡に従って前記焦点を配列対象物の上方で移動させる工程とを有する、請求項１４に記載の微粒子の位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子の質量を高精度に測定する質量測定方法および質量測定装置と、これを活用した微粒子の位置決め方法および位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境大気中に発生する超微小粒子（粒径数百nm以下）の存在が人体に悪影響を与えるという問題が社会的に注目されている。環境大気中の超微小粒子を低減させるための種々の対策が講じられているが未だ有効な対策には到達されていない。例えば、環境大気中の超微小粒子の主要発生源の一つとして考えられているディーゼル車のＮＯx等を低減させるためにエンジン改良がなされてきたが、逆にエンジン改良により超微粒子の排出が増加されているとの指摘がなされている。従って、環境大気中に含有する超微小粒子を測定する方法の提供が所望されている。
【０００３】
しかしながら、現状における環境大気中の超微小粒子の測定では、その粒径を測定する技術の提供はなされてきたが、粒子の質量を計測する技術についての確立化・汎用化には至っていない。この質量計測は、超微小粒子の測定にその成分分析を行うことからすれば必要不可欠な技術要素である。
【０００４】
また、超微粒子の測定をする技術として従来より超微小粒子をフィルターで捕集し測定する方法等が存在する。しかしながら、前者は所謂ナノ粒子レベル（100nm以下）の超微小粒子をフィルターで捕集するのは困難であり、またフィルターに捕集された微粒子のうち所望する微小粒子を分離測定することも困難であるという問題がある。また、微小粒子からの揮発成分が測定誤差を招致せしめるという問題も指摘されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２２４４
【特許文献２】特開２００１−２０８６７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上の事情に鑑みて本発明は提供されたものであり、所謂ナノ粒子レベルの微小粒子の質量測定を高精度に可能とする微粒子の質量測定方法および質量測定装置、さらにはこの方法を用いて均一な微粒子を選択して微粒子の位置決めする微粒子の位置決め方法および位置決め装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
まず、第１の本発明は、光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射する第１光照射手段と、第１光照射手段からの第１レーザ光を所定の微粒子の上方位置で焦点となるように集光させ該微粒子に光照射する集光手段と、第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動手段と、微粒子からの放出光の共振周波数を計測する計測手段と、を有する微粒子の質量測定装置を提供する。この装置では、光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射する第１光照射工程と、第１光照射手段からの第１レーザ光を所定の微粒子の上方位置で焦点となるように集光させ該微粒子に光照射することによって前記微粒子を捕捉する集光工程と、第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動工程と、捕捉された前記微粒子からの放出光の共振周波数を測定し、測定された共振周波数の変化を検出する計測工程とを有している。なお、上述するように第１光照射手段は光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射するもので構成されることとしているが、第１光照射手段は、微粒子を光放射圧により捕捉することが可能（レーザートラップし得る）な光を照射する光照射手段であれば差し支えない（後述する第１光照射工程も同様）。
【０００８】
また、上記質量測定装置の計測手段は、第１レーザ光と同一の光軸を有して焦点近傍で集光される第２レーザ光を照射することによって微粒子を光照射する第２光照射手段と、微粒子からの放出光のうち第２光照射手段からの照射光に基づく放出光の周波数を計測する計測手段とを有することが好ましく、その質量測定方法としても計測工程が、第１レーザ光と同一の光軸を有して焦点近傍で集光される第２レーザ光を照射することによって捕捉された微粒子を光照射する第２光照射工程と、微粒子からの放出光のうち第２光照射手段からの照射光に基づく放出光の周波数の変化を計測する計測工程とを有する。
【０００９】
また、計測手段は、微粒子からの放出光の周波数とこれに対応する振幅を測定するものでも良く、好ましくは微粒子からの放出光の周波数とこれに対応する位相遅れを測定する。具体的な質量測定方法としては、計測工程が、微粒子からの放出光の周波数とこれに対応する振幅を測定し、振幅の頂点近傍に対応する周波数を共振点として検出する共振点検出工程と、この検出された共振点の周波数変化を微粒子の共振周波数の変化として検出する周波数変化検出工程と、を有する方法でも良く、好ましくは、微粒子からの放出光の周波数とこれに対応する位相遅れを測定し、位相遅れが９０°近傍であるときの周波数を共振点として検出する共振点検出工程と、この検出された共振点の周波数変化を前記微粒子の共振周波数の変化として検出する周波数変化検出工程と、を有する。規定質量の微粒子を選別する方法としては、所望する微粒子の質量に対する共振周波数を設定する共振周波数設定工程と、光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射する第１光照射工程と、第１光照射手段らの第１レーザ光を所定の微粒子の上方位置で焦点となるように集光させ微粒子に光照射することによって微粒子を捕捉する集光工程と、第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動工程と、捕捉された微粒子からの放出光の共振周波数を測定する計測工程と、計測工程により計測された共振周波数が共振周波数設定工程により設定された共振周波数と略一致するか否かを検出する検出工程とを有する方法が提供される。
【００１０】
さらに、計測された共振周波数の変化から微粒子の変化質量を換算する方法として、計測工程により測定された共振周波数の変化前の値から振動工程により振動する微粒子の振動運動におけるバネ定数を算出し、バネ定数と計測工程により測定された共振周波数の変化前後の値の差とから共振周波数の変化前後の微粒子の質量差を算出する質量差算出工程を有している。
【００１１】
また、第２の本発明として、複数の微粒子が表面に散布された配列対象物と、
光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射する第１光照射手段と、第１光照射手段からの第１レーザ光を配列対象物の上方位置で焦点となるように集光させる集光手段と、第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動手段と、集光手段に対して前記配列対象物が相対的に３次元運動させる移動手段と、を有する微粒子の位置決め装置が提供される。さらにこの位置決め装置では第１光照射手段からの第１レーザ光のパワーを変化させる調整手段を有することが好ましい。
【００１２】
さらに、微粒子の位置決め方法としては、複数の微粒子を配列対象物の表面に散布する散布工程と、散布工程によって散布された複数の微粒子のうちの一つを設定する微粒子設定工程と、光軸近傍に近づくにつれて光束密度が小さい第１レーザ光を照射することによって設定された微粒子を捕捉する第１光照射工程と、第１光照射手段からの第１レーザ光を所定の焦点で集光させる集光工程と、第１レーザ光の焦点を往復振動させる振動工程と、捕捉された微粒子を前記配列対象物の所望の位置の上方まで移送する移送工程と、移送工程により所望の位置まで移送された微粒子を前記配列対象物に近接させることで微粒子を配列対象物に配設する配設工程とを有しており、複数の微粒子を配列対象物に位置決めするには、微粒子設定工程と、前記第１光照射工程と、前記移送工程と、前記配設工程とは、配列対象物に散布された複数の微粒子のそれぞれを位置決めする毎に実行され、反復されることが好ましい。さらに、位置決めされた複数の微粒子が上記位置決め後にずれたときに修正方法として、配列対象物に既に配設された微粒子それぞれの所望する位置の集合として形成される軌跡に従って焦点を配列対象物の上方で移動させる工程とを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の微粒子の質量測定装置および質量測定方法によれば、レーザートラップ（後述）された微粒子（プローブ粒子とも称する）の質量が変化すれば、その共振周波数も変化するという原理を活用して微小粒子の質量を測定するものである。具体的には、微粒子に超微小粒子（ナノ粒子とも称する）を付着させ、微粒子の共振周波数の変化分を測定することで微粒子の質量増加を検出することができ、その結果、質量増加分が付着した超微小粒子の質量として認定することが可能となる。とりわけ、共振周波数の変化を検出する方法として、位相遅れが９０°となる周波数から共振周波数を検出する場合には、非常に高精度に共振周波数を測定することができ、ピコグラムpg、フェムトグラムfgのオーダーの質量変化、すなわちナノ粒子に依拠する質量増加を高精度に測定することができる。従って、既知の質量のナノ粒子を測定する場合、それが付着した微粒子の質量増加分がナノ粒子の略整数倍として高精度に測定され、付着ナノ粒子の個数まで明確に検出することができる。このことは、本発明の質量装置によりナノ粒子の個数濃度の高精度測定を可能とすることを意味し、例えば環境大気中に本質量測定装置においてレーザトラップされた微粒子を配置すれば、その環境大気におけるナノ粒子濃度を正確に測定する等が可能であることが理解される。従って、本質量測定装置および質量測定方法を一つ又は複数並存させることによりナノ粒子の判定が可能なセンサとしても活用でき、ＭＥＮＭＳ技術等を利用したマイクロセンサとして活用できることも判る。
【００１４】
また、第２の本発明は微粒子の位置決め装置および位置決め方法が提供されている。例えば、光導波路の作成のごときはシリカ球等の誘電微粒子を連続的に配設することで達成可能であるが、非常に近いサイズの微粒子を選別し、且つ高精度に配列していく必要がある。このような技術課題を解決するために、まず、上述する質量測定方法を利用することができる。すでに説明したとおり、本質量測定方法によれば共振周波数を測定することにより微粒子質量を高精度に測定することが可能である。従って、微粒子を均一質量のものに選別するときには予め所望する微粒子の質量に依拠する共振周波数を設定しておけば、複数の微粒子のうち設定された共振周波数と同一（許容される範囲内での近似を含む）の共振周波数が測定・検出されたもののみを要求する微粒子として選別することができる。さらに、選別された微粒子を配列対象物に位置決めして配設するためには上記第２の本発明としての位置決め装置および位置決め方法が利用される。レーザートラップされた微粒子は物理的障害物に近接すると障害物との摩擦力の影響によりその振動が抑制される特性が知られており、第２の本発明ではこの原理を用いて微粒子を目的位置までトラップ状態（非接触状態）で移送し、その後、目的位置の上方の位置から配列対象物に近接させることとしている。この工程を実行すれば、微粒子の振動抑制につれてトラップ力より摩擦力が増加していく適正な位置で微粒子が配設されることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の微粒子の質量測定装置及び質量測定方法の実施の形態を例示することにより本発明の内容をより詳細に理解することができよう。
【００１６】
まず、本発明の質量計測装置の実施形態を説明する前提として基本原理として利用されるレーザートラップ原理について図１を参照しつつ説明する。レーザ光１６は集光レンズ１４により集光されて微粒子１２（例えば、シリカ球）に照射される。このレーザ光１６は、微粒子１２と外部（環境大気）との境界面で反射・屈折するため、光放射圧が発生する。この光放射圧の上方向の合力（トラップ力）Ｆｔが微粒子１２に対し自重Ｆｇ以上の力を作用することで、微粒子１２を保持できる。このような光放射圧と自重との力のバランスにより微粒子を浮遊させる捕捉させる技術原理が本明細書で言及するレーザートラップ原理である。なお、図１において微粒子１２の周囲に示した矢印は、各位置で微粒子１２に作用する光放射圧を示しており、光軸１８付近のレーザ光により光放射圧が発生する場合、微粒子１２を押し下げる力が支配的なのに対し、図Ａのようにリング状の場合、詳細には光軸１８を中心とする中央部の強度がその周辺部よりも小さい光強度分布を有するレーザ光１６を用いる場合に効率のよいトラッピングを行うことができる。
【００１７】
次に、上記レーザートラップ原理を活用した本発明の質量計測装置の基本原理について図２を用いて概説する。まず、図２では参照番号１２に示す球体がレーザートラップにより捕捉された直径数μmの微粒子（以下、「プローブ粒子」と称する）を、参照番号２０に示す球体が環境大気中等に包摂される０．１〜数ナノグラム程度の超微小粒子（以下、「ナノ粒子」と称する）を示している。また、矢印Ｘに示すようにレーザートラップされた微粒子１２は、横方向の微小振動を付与する（具体的な付与手段は後述する）。この微小振動は共振周波数で振動させるように調整する。この状態でプローブ粒子１２を環境大気中に浮遊させると該大気中に存在するナノ粒子２０の一部がプローブ粒子１２に付着する。ナノ粒子２０が付着するとプローブ粒子１２は質量が増加するため共振周波数も変動する。このことは、共振が物質の固有振動数と合致するときに生じるものであり、質量の増加に伴いプローブ粒子１２の固有振動数が変動することによって共振周波数も変動することを原因としている。従って、プローブ粒子１２の共振周波数の変動量を計測すれば付着した質量、すなわち付着ナノ粒子２０の質量を計測することが可能となる。なお、図２の右グラフを参照すれば、グラフ２２、２４はそれぞれプローブ粒子１２のナノ粒子付着前後の周波数（横軸）と振幅（縦軸）との関係を示しており、その共振周波数の変動を矢印Ｙで示している。
【００１８】
次に、本質量測定装置の具体的光学系について図３を参照しつつ説明する。本実施形態ではプローブ粒子を補足する光源（第一光源）１００としてＹＡＧレーザ（λ=1064nm）を用いている。この光源１００から照射されたレーザ光は、ＡＯＤ１０２により偏向される。このＡＯＤ１０２では、印加周波数を変調することにより回折格子のピッチを変え、偏向方向を変化させている。また、偏向されたレーザ光は、一対のリレーレンズ系１０４（それぞれ、f=62.0,f=256.4）を透過することでＡＯＤ１０２による偏向角の制御精度の向上を図っている。リレーレンズ系１０４を透過したレーザ光は偏向ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」と称する）１０６とビームスプリッタ１０８とを透過し、集光レンズとしての対物レンズ１１０により集光される。このようにして集光されたレーザ光をプローブ粒子に照射すると、上述するようにプローブ粒子の外部との境界線でレーザ光が反射・屈折することにより光放射圧が発生し、該放射圧の上方側の合力とプローブ粒子の自重とのバランスによりトラッピングが生じることとなる。
【００１９】
また、トラッピングされたプローブ粒子は、上述するようにＡＯＤ１０２で偏向されたレーザ光が照射されているため対物レンズ１１０による集光点も横方向（図２に示す矢印Ｘ方向）に往復運動することとなり、その結果、トラッピングされたプローブ粒子も集光点の運動に合わせて往復運動することとなる。なお、図３に示す本実施の形態ではＡＯＤ１０２によりレーザ光を偏向させているが、レーザ光を偏向制御できるものであれば他の偏向要素であっても良い。例えば、ガルバノミラーやポリゴンミラーにより偏向させることも可能である。
【００２０】
ここで、光放射圧によるプローブ粒子のトラッピングに関して補足説明すれば、本実施形態では板状要素１１２に塗布された加工液（例えば、純水）の中に微粒子（例えば、シリカ微粒子、ポリスチレン微粒子、ＰＭＭＡ（polymethyl methacrylate）微粒子、等）を散布しておき、加工液を照射することで集光点近傍の微粒子を捕捉する方法が採用される。
【００２１】
上述するように本発明はプローブ粒子１２の共振周波数の変化量（シフト量）から付着ナノ粒子２０の質量を計測するものであるが、図３に示す光学系ではプローブ粒子１２の振動状態の検出のためにHe-Neレーザ（λ＝633nm）１１４を使用している。具体的には、He-Neレーザ（第2光源）１１４からの光は、YAGレーザ１００と異なる波長が照射され、ＰＢＳ１０６によりYAGレーザ１００と同軸にされた後、ビームスプリッタ１０８で略５０％程度反射されて（残りの略５０％は透過する）対物レンズ１１０に入射される。このHe-Neレーザ１００からの光は、YAGレーザ１００からの光成分の内側を進行し、対物レンズ１１０を介してYAGレーザ１００の集光点で集光され、上述するように既に捕捉されて横振動しているプローブ粒子１２に照射される。このHe-Neレーザ１１４からプローブ微粒子１２への照射光は、プローブ微粒子１２の振動状態を検出するために使用するものであり、YAGレーザ１００からの偏向光によるプローブ粒子１２の横方向振動と、プローブ微粒子１００の捕捉振動（トラップ力に基づく振動）とを分離するためのものである。
【００２２】
次に、プローブ粒子１２の横振動の物理モデルについて言及し、その妥当性および上記光学系による測定分解能について検証する。プローブ粒子１２の横振動の物理モデルは、以下の式（１）のように表すことができ、そのときの振幅と位相遅れの解析解はそれぞれ式（２），（３）となる。
【数１】
2007051916.tif 000003
なお、上記式（１）〜（３）において、m：プローブ粒子１２の質量、Ｄ：粘性抵抗係数、k：ばね係数、A：レーザ振幅（焦点振幅）、η：粘度、r：プローブ粒子半径を示している。
【００２３】
図４、図５を参照すれば図３の光学系を用いた実験により得られた周波数応答および位相遅れを示している。これらの図において実験値（丸印：Experimental data）は１点あたり５０個（サンプリング周波数10Hz）の平均値とし、その標準偏差も示しており、これに上記モデル式（１）〜（３）により算出した理想値（Fitting curve）を重畳させている。まず、図４、図５について、実験値と理想値との十分な一致が観察される。従って、モデル式（１）〜（３）の妥当性が理解される。次に、図４、図５から得られる周波数応答のデータから共振周波数fnの変化を読み取るためには振幅データ（図４）と位相遅れ（図５）とのどちらが適当かを考察する。まず、振幅（図４）ではQ値（共振周波数／最大振幅の半値幅）が非常に小さい（具体的には、Q＝２と計算された）。従って、共振点は最大振幅に対する応答周波数として検出することを考えると、共振点を振幅データ（図４）から見出すことは必ずしも好ましくないと考えられる。これに対して、図Eからも明らかなように位相遅れの場合、共振点は９０°（０．５π）であり、その付近では周波数変化に対して急峻に位相が変化していることが理解される。すなわち、位相遅れデータを利用すれば共振点およびその変化を高い精度で検出することが可能となる。従って、本実施形態ではプローブ粒子１２の質量変化（ナノ粒子２０の付着によるプローブ粒子１２の質量変化）について位相遅れの周波数応答から測定することにしている。
【００２４】
次に、本実施形態における質量変化測定の分解能について、特に図５に示す位相遅れデータを用いた場合の分解能について検証する。図５の標準偏差に着目すれば、共振点２００付近での標準偏差は約１°と測定された。これを理想値（Fitting curve）にあてはめ標準偏差による測定分解能を求めると、約５Hzとなることが測定された。これを下記の式（４）を用いて質量に換算すれば数pgと算出される。
【数２】
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従って、本実施形態では数pg程度の質量変化を測定することが可能であり、数pg程度のナノ粒子２０がプローブ粒子１２に付着する場合であっても測定することが可能となる。
【００２５】
次に、レーザ１００のパワーに応じたバネ定数kの変化について説明する。図６は、レーザパワー（Laser power）による共振周波数（Resonance frequency）の変化を示している。これをバネ定数（Spring constance）kに換算したものが図７に示されており（k=4mπ2fn2で換算）、レーザパワーとバネ定数には線形関係があることが理解される。さらに、レーザパワーによる計測誤差について説明する。本実験におけるレーザパワーの安定性は約０．５％と測定・推察されており、この数値を図７のグラフに代入し、対応する共振周波数のずれ量から位相遅れのずれ量を計算すると、約１°と算出される。このずれ量１°を検証すれば、図５を参照しつつ前述した位相遅れの周波数応答の標準偏差が１°であることと略一致することが理解される。従って、計測誤差の支配的原因はレーザパワーの不安定性によるバネ定数の変化であると考えられる。
【００２６】
次に、本実施形態の光学系を用いてプローブ粒子１２の質量の計測が可能であることを実証する。実証のためにここではプローブ粒子１２の粒子径のバラツキを利用した質量計測を実行している。一般に規定粒子径として入手可能な汎用の粒子では、各粒子ごとに均一な粒子径を有しているものではなくバラツキがある。この粒子径のバラツキは、概ね規定粒子径を中心とした正規分布をなし、図８（横軸：粒子径（Particle diameter），縦軸：粒子数（Number））で示すように各粒子の質量も規定粒子径に対応する質量を中心とした正規分布をなしている。従って、規定粒子径を有する汎用の粒子を本質量測定装置により測定し、その結果が各粒子（プローブ粒子１２に相当）の質量の分布が図８のごとき正規分布を示す場合には、本質量測定装置が粒子径のバラツキに基づく粒子の質量変化を適正に測定できることの実証となる。なお、この実証に使用した粒子は、宇部日東化成製：8μm（規定粒子径）のハイプレシカUF粒子であり、その平均粒子径8.01μm，CV値1.46％のものである。また、本質量測定装置での測定には、測定条件を一定としつつ４５個の粒子の共振周波数を測定することとした。 
【００２７】
図９を参照すれば、上記実証で測定された共振周波数（Resonance frequency）に対する粒子数（Number）を示している。この図から明らかなように測定されたプローブ粒子１２は、1660Hzを中心とした正規分布近似の形状をなしている。従って、ハイプレシカＵＦ粒子の粒径分布も正規分布に従っていると仮定することができ、図８に示す粒径データから得られる分布（理想分布）と上記実証で得られた分布とを比較する。ここで、実証で得られた分布（図９）は、周波数対粒子数データであるため、これを粒径対粒子数データに変換して比較する必要がある。
【００２８】
図１０を参照すれば、図９のデータを粒径対粒子数に変換したデータ（分布図）を示している。具体的にこの変換では、共振周波数1661HZが平均粒径8.01μmと一致するように統計処理を実行している。この統計処理（図１０）をみれば、本質量測定装置により測定された粒径データ（図１０）は、サンプルとして規定されるハイプレシカＵＦ粒子の粒径データ（図８）と同様の正規分布を形成していることが判る。従って、本質量測定装置によれば、粒径のバラツキによる質量変化の測定が可能であることが理解・実証される。
【００２９】
次に、実際にプローブ粒子１２を捕捉（トラッピング）した状態で質量変化を測定した結果を説明する。図１１は、図３の光学系における板状要素１１２の上方空間を拡大した略図であり、散布された多数のナノ粒子２０のうち一部を偶然的にプローブ粒子１２に付着させる様子を示している。具体的にここでは、ナノ粒子２０が散布された気体中でグラスバー１２０を揺動させ、捕捉されたプローブ粒子１２に衝突させることにより行うこととしている。そして、ナノ粒子２０が付着するプローブ粒子１２の共振周波数の変化を測定し、上述する質量換算により付着ナノ粒子２０の質量を測定している。図１２では、この測定実験の一結果を示しており、ナノ粒子２０が付着する前後（付着前を丸印、付着後を三角印で表示）の共振周波数を表示している（共振周波数対位相遅れ）。この実験では、プローブ粒子１２として前述する直径８μｍのハイプレシカＵＦ粒子を使用し、散布するナノ粒子２０として直径１μｍ、質量０．６pgで略均一するポリスチレン球を使用した。実験結果（図１２）から考察されるように、ナノ粒子２０の散布後に共振周波数が変化（図１２内の矢印Shift参照）しており、この変化量から質量変化量、すなわちナノ粒子２０付着による質量増加量を換算すれば、約６pgとなる。従って、上述するようにナノ粒子２０の１個分が０．６pgであることに鑑みれば、プローブ粒子１２に付着したナノ粒子２０は１０個分であったことが理解される。
【００３０】
次に、本発明の質量測定方法における他の実施形態について説明する。上述してきたように本発明の質量測定方法では、ピコグラムオーダーでの質量測定が可能である。従って、例えば光導波路の作成時における微小球配列に利用することができる。光導波路の作成として微小球（誘電体微粒子）を連続的に配列する方法が知られているが、この方法においては連続的に配列する微小球をそれぞれ非常に近いサイズにする必要がある。従来は、このサイズの選別が困難であり１００μｍ以上の光導波路の形成が困難とされていた。しかしながら、本発明の質量測定方法を使用すれば、微粒子（上述するプローブ粒子に相当）１２をレーザトラップし、所望する質量の微粒子として予め設定された共振周波数が検出される微粒子を所望の微粒子として選別することができる。
【００３１】
また、光導波路を高精度に作成するには、微粒子を配列する際に高精度の位置決め技術が必要とされる。この位置決め技術としてレーザトラップ技術を利用することが可能である。前述したように微粒子１２をレーザートラップした場合、微粒子１２は空中に浮遊して保持される。従って、目的配列位置と離間する微粒子１２をレーザートラップした状態で当該目的配列位置に移送すれば微粒子１２を配列対象物に対して非接触状態保持しながら位置決めすることができる。この際、目的配列位置に位置決めされた微粒子１２は、空中に浮遊された状態で移送されるため配列対象物に最終的に位置決め配列するためには浮遊された微粒子１２を配列対象物上に配設する必要がある。ここで、この微粒子１２に振動を付与した場合について言及すれば、空中に浮遊（捕捉）された微粒子１２を物理要素に近づけていくとその振動の振幅が抑制される特性が知られている。従って、微粒子１２を捕捉された状態で配列対象物の上方まで移送し、目的配列位置に近接させて振動振幅が抑制され、微粒子１２と配列対象物との摩擦力が強くなると配列対象物上に微粒子１２が配設され、位置決めが達成されることとなる。
【００３２】
図１３を参照すれば上記位置決めを達成する光学系の一例が略示されている。ここで、参照番号が付されている要素において図３の光学系と同様の番号のものは同様の機能要素を示している。なお、実際に使用する光学系においては他の要素も存在するが理解容易を促すために、ここでは位置決めに必要な最低限の光学的要素のみを示して説明する。
【００３３】
まず、本光学系では光源（第１光照射手段）１００からのレーザ光をフィルター（たとえば、ＮＤフィルター）１２２によりパワー調整して、ミラー１０２にまで到達させている。このミラー１０２は、レーザ光の焦点を往復運動させることで、捕捉する微粒子１２に振動を付与するための光学要素であり、レーザ光を偏向制御できるものであればＡＯＤ（図３中、同一参照番号）やガルバノミラー、ポリゴンミラー等が考えられる。次に、ミラー１０２により偏向されたレーザ光はビームスプリッタ１０８を介してレーザ光のみ選択的に反射して対物レンズ１１０に到達させている。そして、レーザ光は対物レンズ１１０により所望の焦点で集光され、微粒子１２を捕捉する。ここで微粒子１２は原始的に、板状要素（配列対象物）１１２に複数散布されている。従って、この複数の微粒子１２のうちの一つを捕捉する必要がある。このため本光学系において板状要素１１２は平面方向（xy方向）の移動機構を有するアクチュエータを備えたxyステージ１２６上に配置されている。これによって、板状要素１１２に散布された微粒子１２のうち所望する一つの微粒子１２上にレーザ光の焦点を移動させ、捕捉可能とするとともに微粒子１２の配列を所望する位置にまで微粒子１２を移送することが可能となる。また、上述するように微粒子１２の捕捉および目的位置への配設には板状要素１１２と微粒子１２とを近接・離間させる必要がある。このため本光学系では、レーザ光の焦点を板状要素１１２に対して上下方向（z方向）に相対移動させるために対物レンズ１１０をz方向に移動機構を有するアクチュエータを備えたzステージ１２８に連結させている。これによって、捕捉された微粒子１２を板状要素１１２上に配設することが可能となる。なお、この微粒子１２配列工程は、ＣＣＤカメラで検出され、モニターで視認されるが視認し易いようにxyステージ１２６を透明体で形成し、下方からＬＥＤ１３０で照射することが好ましい（図示せず）。
【００３４】
図１４、図１５を参照すれば、上記微粒子の位置決めの具体的工程を平面的に示している。なお、前提としてレーザ光源（第１光照射手段）１００にはAr+レーザ（波長λ=488nm、光径φ=1.6nm）が使用され、微粒子１２にはシリカ粒子（平均粒径５μm、標準偏差０，０６μm、屈折率１．４０〜１．４６）が使用されている。まず、図１４（ａ）に示すように板状要素１１２上に複数の微粒子１２が散布されており、このうちの任意の一つにレーザ光の焦点を設定する（図で参照番号を示した微粒子に注目する）。次に、図１４（ｂ）に示すように設定された微粒子１２は捕捉（レーザトラップ）され、焦点をxyステージ１２６を用いて所望の位置（目的配列位置）まで移動させ、zステージ１２８で板状要素１１２上に配設する（図における矢印Ａ参照）。ここで光導波路の作成を例に取れば微粒子１２を配設する位置は既に配設されている微粒子に連結するように設定することが好ましい。従って、この工程を反復すれば複数の微粒子１２を所望の位置に連続的且つ高精度に位置決めすることが可能である。また、微粒子１２の位置決め精度を向上させるためには、図１５（ａ）〜（ｂ）に示す工程を付加することが好ましい。まず、図１４（ｂ）で位置決めされた微粒子１２は、位置決め過程で板状要素１１２がレーザ光照射により熱付与されて配設後も熱運動等をなしている可能性が高い。従って、図１５（ａ）に示すように各微粒子１２は図１４（ｂ）の工程によって位置決めされた位置からずれが生じている場合がある。この場合には、図１５（ｂ）に示すように再度、xyステージ１２６、zステージ１２８を用いて焦点を各微粒子１２の理想位置をなぞるように近接させることにより、ずれを微調整する。
【００３５】
さらに、位置決め精度はレーザパワーによっても変化する。このため図１３に示す光学系においてはフィルター１２２によりレーザパワーの調整を可能としているが、本実験（上述するAr+レーザ、シリカ球を用いた場合）においては、レーザーパワー１〜５mVのときに最も精度が向上し、具体的には２μm以下の精度を得られた。従って、微粒子を非常に高精度で位置決めする方法が提供されることが理解されよう。このことは、例えば従来の光導波路では困難であった光を９０°曲げることや３次元的な光路を形成すること等、複雑な光路形成を可能とし、高集積化された光デバイスの生産を可能とする。また、各微粒子の位置を変えるだけで光導波路の組換えが容易にでき、任意の各微粒子からの光信号の入出も可能となるため利便性に優れている点でも有利である。さらに、数メートル程度の光伝送においても高効率の光伝送が可能となる。
【００３６】
以上、本発明の質量測定方法および質量測定手段の実施形態、さらに、これを活用した微粒子の位置決め方法の実施形態（光導波路の作成を例示）を具体的に示してきた。しかしながら、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、高精度の質量計測、位置決めを実行する他の種々の実施形態が存在することが当業者に容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】レーザートラップ原理を示す略示図である。
【図２】本発明の質量計測装置および質量測定方法の基本原理を概示した図である。
【図３】本発明の質量計測装置および質量計測方法における光学系の構成の一例を示した図である。
【図４】図３の光学系を用いた実験により得られた微粒子（プローブ粒子）の周波数応答の理想値と実験値を示したグラフ図である。
【図５】図３の光学系を用いた実験により得られた微粒子の位相遅れの理想値と実験値を示したグラフ図である。
【図６】微粒子のレーザパワーによる共振周波数の変化を示したグラフ図である。
【図７】図６のデータをレーザーパワーに対するバネ定数kに換算したグラフ図である。
【図８】微粒子の粒子径のバラツキを示した正規分布図である。
【図９】図８に示す微粒子の共振周波数に対する粒子数を示したグラフ図である。
【図１０】図９のデータを粒径対粒子数に変換した分布図を示している。
【図１１】図３の光学系における板状要素の上方空間を拡大した略図である。
【図１２】超微小粒子（ナノ粒子）が付着する前後の微粒子（プローブ粒子）の共振周波数の変化を示した図である。
【図１３】本発明の微粒子の位置決め方法および位置決め装置の光学系の一例の略示図である。
【図１４】本発明の微粒子の位置決め方法の具体的工程を平面的に示した図である。
【図１５】本発明の微粒子の位置決め方法の具体的工程を平面的に示した図である。
【符号の説明】
【００３８】
１２…微粒子（プローブ粒子）
２０…超微小粒子（ナノ粒子）
１００…第１光照射手段（第１光源）
１１０…集光手段（対物レンズ）
１１４…第２光照射手段（第２光源）
【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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