(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中の単一微粒子の位置を３次元的に測定する微粒子位置計測装置であって、単一微粒子の位置を測定するためのパルスレーザー光源と、パルスレーザー光源から出射されるレーザー光を単一微粒子へ照射するための顕微鏡システムと、レーザー光の照射により単一微粒子が発する散乱光を検出する光学検出器と、この光学検出器で測定された信号をコンピュータに入力するための高速Ａ／Ｄボードと、光学検出器で測定された信号を変位データとして記録し演算処理するためのコンピュータとを備えており、レーザー光照射した瞬間に光学検出器で測定された信号がコンピュータに入力されるようデータ入力のタイミングが設定されていることを特徴とする微粒子位置計測装置。
【請求項２】
光学検出器が４分割フォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の微粒子位置計測装置。
【請求項３】
対向する２枚のガラス基板間の溶液中にある測定対象である単一微粒子に対して、一方のガラス基板に対する入射角度が全反射角度より大きく設定されたレーザー光を入射することで発生するエバネッセント場の放射圧を作用させることを特徴とする請求項１記載の微粒子位置計測装置。
【請求項４】
コンピュータに保存された微粒子の位置の変位量の時系列変化Ｒ（ｔ）から位置の変位量ｒに対する頻度のヒストグラムｐ（ｒ）を算出し、さらに、頻度のヒストグラムｐ（ｒ）にボルツマン分布の式
【数１】
0003888829.tif 000004
を適用することで、微粒子に作用するポテンシャルエネルギーＶ（ｒ）を算出する機能を備えることを特徴とする請求項１記載の微粒子位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、微粒子３次元位置計測装置に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、ナノメートルオーダーの粒子径を持つ微粒子の位置を、ナノメートルオーダーの精度でリアルタイム計測するとともに、微粒子に作用する極微弱な力を計測することが可能な微粒子位置計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ナノメートルオーダーの粒径を持つ微粒子（以下、ナノ微粒子）は、量子サイズ効果や表面、界面に呈する特徴的な物理化学現象などのバルク材料には見られないような物性を持つことから、様々な産業の分野において注目されている。ナノメートルオーダーの粒径を持つ微粒子には、ファン・デル・ワールス相互作用、電気二重層、熱運動により作用する力、重力など、種々の極微弱な力が作用する。これらのナノ微粒子に作用する極微力を解析することは、ナノ微粒子の固体表面への吸着、付着や、複数の微粒子間の凝集、会合などの機構を解明する上で非常に重要である。これらの機構の解明は、ナノ微粒子を利用した機能性材料の設計、生成に大きく貢献するものであり、実現が期待されている。
【０００３】
この出願の発明者らは、溶液中単一微粒子に作用する極微弱な力のポテンシャルを３次元的に測定する手法として、レーザートラッピングとナノメートル位置検出を組み合わせた光トラッピングポテンシャル測定法を提案してきた（Ｋ．Ｓａｓａｋｉ  ｅｔ．  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７１，３７（１９９７）。この光トラッピングポテンシャル測定法によれば、単一微粒子に作用するピコニュートン〜フェムニュートンオーダーの力を３次元的に高速かつ高精度に解析することが可能となる。これまで、放射圧や静電力などの極微弱の力を測定することにも成功しているが、この手法により測定可能な微粒子のサイズはマイクロメートル〜サブマイクロメートルオーダーであった。測定対象である微粒子の粒径がナノメートルオーダーに達すると、ブラウン運動により微粒子の位置のゆらぎが高速で生じるため、測定装置における位置検出系の能力がその速さに追従することができず、正確な測定は不可能であった。これは、この手法で用いられた測定装置において連続発振レーザーが観測用光源として用いられていたために、システム全体の応答速度が位置検出用電子回路の応答速度であるマイクロ秒オーダーに限定されてしまうことが原因であった。
【０００４】
この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、ナノメートルオーダーの粒子径を持つ微粒子の位置を、ナノメートルオーダーの精度でリアルタイム計測することが可能な微粒子位置計測装置を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、溶液中の単一微粒子の位置を３次元的に測定する微粒子位置計測装置であって、単一微粒子の位置を測定するためのパルスレーザー光源と、パルスレーザー光源から出射されるレーザー光を単一微粒子へ照射するための顕微鏡システムと、レーザー光の照射により単一微粒子が発する散乱光を検出する光学検出器と、この光学検出器で測定された信号をコンピュータに入力するための高速Ａ／Ｄボードと、光学検出器で測定された信号を変位データとして記録し演算処理するためのコンピュータとを備えており、レーザー光照射した瞬間に光学検出器で測定された信号がコンピュータに入力されるようデータ入力のタイミングが設定されていることを特徴とする微粒子位置計測装置を提供する。
【０００６】
この出願の発明の微粒子位置計測装置は、光学検出器が４分割フォトダイオードであることを特徴とする。
【０００７】
また、この出願の発明は、対向する２枚のガラス基板間の溶液中にある測定対象である単一微粒子に対して、一方のガラス基板に対する入射角度が全反射角度より大きく設定されたレーザー光を入射することで発生するエバネッセント場の放射圧を作用させること前記の微粒子位置計測装置の１つの態様として提供する。
【０００８】
そして、この出願の発明の微粒子位置計測装置は、コンピュータに保存された微粒子の位置の変位量の時系列変化Ｒ（ｔ）から位置の変位量ｒに対する頻度のヒストグラムｐ（ｒ）を算出し、さらに、頻度のヒストグラムｐ（ｒ）にボルツマン分布の式
【０００９】
【数２】
0003888829.tif 000002
【００１０】
を適用することで、微粒子に作用するポテンシャルエネルギーＶ（ｒ）を算出する機能をも備えるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１２】
この出願の発明に係る微粒子位置計測装置においては、微粒子位置計測装置に備えられたレーザー光源より発振されるレーザー光が、同じく微粒子位置計測装置に備えられた顕微鏡システムを構成するレンズにより集光され、測定対象である単一微粒子が保持されている溶液へと照射される。
【００１３】
微粒子にレーザー光が照射されると、レーザー光の持つ高いコヒーレント特性により、レーザー光の持つ場の運動量は、微粒子に対して力学的な運動量として作用する。すなわち、微粒子に対して微粒子の位置を保持するような力の場として作用する。このレーザーによるトラッピング作用により、ブラウン運動による位置のぶれを小さく押さえることが可能となる。
【００１４】
この出願の発明において、微粒子に照射されるレーザー光はパルスレーザー光であり、パルスレーザー光の照射されている瞬間の微粒子から発せられる散乱光を光学検出器により検出することで、微粒子の位置の測定が行なわれる。光学検出器には、たとえば、４分割フォトダイオードが用いられる。
【００１５】
レーザー発振器には、レーザーパルスの信号を出力する端子が設けられており、この出力端子からのパルス信号を同期信号として用いることで、高速Ａ／Ｄボードによりコンピュータへ測定データを取り込むタイミングの制御を行ない、パルスレーザー光の照射されている瞬間に微粒子から発せられる散乱光を検出することが可能となる。
【００１６】
光学検出器で測定された単一微粒子の位置は、コンピュータに変位データとして記録される。また、記録された変位データに対して演算処理がなされることで、微粒子に作用する力学的なポテンシャル場を求めることも可能である。具体的には、図１に示したように、コンピュータに保存された単一微粒子の変位量ｒの時系列変化をＲ（ｔ）から変位量ｒの頻度のヒストグラムを関数ｐ（ｒ）として算出し、さらに、関数ｐ（ｒ）に対してボルツマン分布の関係式
【００１７】
【数３】
0003888829.tif 000003
【００１８】
を適用することで、微粒子に作用するポテンシャルエネルギーＶ（ｒ）が算出される。
【００１９】
また、この出願の発明に係る微粒子位置計測装置おいては、測定対象である微粒子を対向する２枚のガラス基板間の溶液中に保持し、一方のガラス基板に対して、入射角度を全反射角度より大きく設定されたレーザー光を入射することで、微粒子に対してエバネッセント場による放射圧を作用させる手段を備えてもよい。微粒子に対してエバネッセント場による放射圧を作用させた場合とさせない場合における微粒子に作用する力学的なポテンシャルエネルギーどうしの差を求めることで、エバネッセント場の放射圧ポテンシャルエネルギーを算出することも可能となる。
【００２０】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００２１】
【実施例】
この出願の発明の微粒子位置計測装置は、図２に例示するような構成を持つものである。
【００２２】
レーザー発振器（２０１）から出射されるパルスレーザー光は、ダイクロイックミラー（２０２）により基本波（２０３）と第２高調波（２０４）に分離される。
【００２３】
レンズ（２０５）によって集光されたレーザー光の基本波（２０３）は、対向する２枚のガラス基板（２０６）（２０７）間の液体中に照射され、溶液中の一微粒子（２０８）はレーザートラッピング作用によりレーザーの集光点付近にトラッピングされる。
【００２４】
レーザーの第２高調波（２０４）は、上方のガラス基板（２０６）へと入射され、微粒子（２０８）の照明が行われる。このとき、レーザーの第２高調波（２０４）の入射角度は、全反射角度より大きく設定され、ガラス基板（２０６）から溶液中に放射される照明光は、エバネッセント場となる。
【００２５】
照明用のレーザー光源とエバネッセント場を生成するためのレーザー光源は、図２に示したように単一のレーザー発振器（２０１）を利用してもよいし、波長の異なる２つのレーザー発振器を用いてもよい。
【００２６】
レーザー光の第２高調波（２０４）の照射により微粒子（２０８）より発生する散乱光は４分割フォトダイオード（２０９）により検出される。４分割フォトダイオード（２０９）は高速Ａ／Ｄボード（２１０）に接続されており、測定された電気信号はこの高速Ａ／Ｄボード（２１０）を介してコンピュータ（２１１）に入力される。
【００２７】
高速Ａ／Ｄボード（２１０）とレーザー発振器（２０１）とは、同期用ケーブル（２１２）で接続されており、信号取得するタイミングがレーザー光の基本波（２０３）が照射されるタイミングと一致するよう設定されている。
【００２８】
以上の構成を持つ微粒子位置計測装置を用いて、実際にＡｕ微粒子を測定対象とした実験を実施した。レーザー光源としては、Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザーを用いた。パルスレーザー光の基本波長λωは１０６４ｎｍ、第２高調波波長λ2ωは５３２ｎｍ、レーザーパルスのパルス幅は３０ｎｓである。レーザーの第２高調波によりエバネッセント場を微粒子に作用させた場合とそうでない場合のそれぞれについて、単一微粒子の位置の変位量に関する時系列変化を測定し、これをコンピュータに取りこみ、このデータを変位に対する頻度のヒストグラムとして変換し、さらにボルツマン分布の式を適用することにより、微粒子に作用するエバネッセント場の放射圧ポテンシャルエネルギーを求めた。
【００２９】
図３に、エバネッセント場を微粒子に作用させた場合（ｂ）とそうでない場合（ａ）のそれぞれについて、微粒子の位置の変位に対するポテンシャルエネルギーを示す。この２つの測定値の差を取ることで、単一微粒子に作用するエバネッセント場の放射圧ポテンシャルエネルギーを算出することができる（図４）。図４の波形の微分値が、微粒子に作用するエバネッセント場による力である。図４より、この実施例においては、微粒子に対してガラス平面方向に均一な力が作用していることがわかる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳しく説明した通り、この出願の発明により、ナノメートルオーダーの粒子径を持つ微粒子の位置を、ナノメートルオーダーの精度でリアルタイム計測することが可能な微粒子位置計測装置が提供される。さらに、この出願の発明により、ナノメートルオーダーの粒子径を持つ微粒子に作用する微小な力や、微粒子近傍のポテンシャルエネルギーの解析を行なうことも可能となり、微粒子の吸着、付着、凝集、または、会合などの機構の解明を実現する手段として、極小微粒子を利用した機能性材料の設計、生成に大きく貢献するものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明である微粒子位置計測装置における微粒子に作用するポテンシャルエネルギーの算出に関する処理の流れを示した概要図である。
【図２】この出願の発明である微粒子位置計測装置の装置構成の概略を示した概要図である。
【図３】この出願の発明の実施例において算出された微粒子の位置の変位量に対するポテンシャルエネルギーを示したグラフである。
【図４】この出願の発明の実施例において算出された単一微粒子に作用するエバネッセント場の放射圧ポテンシャルエネルギーを示したグラフである。
【符号の説明】
２０１  レーザー発振器
２０２  ダイクロイックミラー
２０３  基本波
２０４  第２高調波
２０５  レンズ
２０６  ガラス基板
２０７  ガラス基板
２０８  微粒子
２０９  ４分割フォトダイオード
２１０  高速Ａ／Ｄボード
２１１  コンピュータ
２１２  同期用ケーブル
【図１】
0003888829.tif 000005
【図２】
0003888829.tif 000006
【図３】
0003888829.tif 000007
【図４】
0003888829.tif 000008