(57)【要約】      （修正有）【課題】１個のレーザ源のみを用いて、液中に含まれる大多数の微粒子、微小構造物、単一細胞などを時分割光ピンセットで操作し、安価かつ簡便に、配向を制御した100個以上の微粒子から構成される大規模な動的アレイを作成、及び、その要素を一括して配向制御できる方法を提供する。【解決手段】1本のレーザビーム1を2次元格子点状の集光パターンに変換するマイクロレンズアレイ２と，集光パターンが前記対物レンズ５で格子点状光ピンセットアレイ（基本格子アレイ）６として試料面内で集光される少なくとも2枚のレンズで構成されるリレーレンズ系３と，マイクロレンズ２と前記対物レンズ５間に配置する高速走査機構を有し，前記基本格子アレイの焦点位置を前記高速走査機構によって時分割走査することで、前記基本格子アレイの任意の整数倍の光ピンセットアレイ（時分割アレイ）６を生成する。【選択図】図１
2016218282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡に取り付けられた対物レンズへレーザ光を導入し、前記対物レンズで集光されるレーザ光により、容器内の液体に分散された微粒子を光ピンセット操作する微粒子配列の作成および配向制御方法であって、前記顕微鏡は、1本のレーザビームを2次元格子点状の集光パターンに分割するマイクロレンズアレイと，前記集光パターンが前記対物レンズで格子点状光ピンセットアレイ（基本格子アレイ）として微小容器内で集光される少なくとも2枚のレンズで構成されるリレーレンズ系と，前記マイクロレンズアレイと前記対物レンズ間に配置するビーム高速走査機構を有し，
前記基本格子アレイの焦点位置を前記ビーム高速走査機構によって時分割走査することで、前記基本格子アレイの任意の整数倍の光ピンセットアレイ（時分割アレイ）を生成するステップを含む、
ことを特徴とする微粒子配列の作成および配向制御方法。
【請求項２】
前記マイクロレンズアレイに入射するレーザビームの状態を、マイクロレンズアレイの前面に配置する焦点可変レンズにより収束、平行、発散の3状態に制御することで、前記対物レンズで生成される光ピンセットアレイの基本格子間隔を制御することを特徴とする、
請求項1に記載の微粒子配列の作成および配向制御方法。
【請求項３】
1本のレーザビームを偏光し、偏光成分が直交する第1ビームと第2ビームに分割する第1ステップと、
前記第1ビームを用いて請求項1又は請求項２に記載の方法により光ピンセットアレイを生成する第2ステップと、
前記第2ビームを用いて、前記対物レンズのレーザ光の導入口におけるレーザ光口径を一定に保ちつつ試料面内で集光される第2ビームのXY座標を電気信号により制御する機構を内部に有する光学系（第１結像光学系）と、前記対物レンズへのレーザ光の導入口におけるレーザ光口径を一定に保ちつつ電気信号による焦点可変レンズを用いて前記対物レンズで集光される第2ビームの焦点距離（Z座標）を制御する機構を内部に有する光学系（第２結像光学系）を備え、第１および第２の結像光学系を直列接続することにより、前記対物レンズで集光される第2ビームの焦点位置の３つの座標（X,Y,Z）を独立に制御し、かつ前記第2ビームの焦点位置に関わらず安定した光トラップ力を微小容器内に発生する第3ステップと、
第1および第2のビームを同軸にして前記対物レンズに導入することにより、第1ビームで形成された前記光ピンセットアレイへの微粒子の3次元的挿入と取り出しを、第2ビームで生成される3次元光ピンセットを用いて手動、または自動的に行う第4ステップを有することを特徴とする、
微粒子配列の作成および配向制御方法。
【請求項４】
前記ビーム高速走査機構において、電気信号によりレーザ光を偏向させる機構が２軸ミラー又は音響光学素子又は電気光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の微粒子配列の作成および配向制御方法。
【請求項５】
前記第１結像光学系において、レーザ光の偏向面（２軸ミラー面）と対物レンズ後瞳面が共役面となり、かつ第２結像光学系において前記レーザ光の偏向面と可変焦点レンズ主面が共役面となる、
少なくとも1枚の焦点可変レンズと2枚のレンズで構成されるリレーレンズ系を有する、
請求項３に記載の微粒子配列の作成および配向制御方法。
【請求項６】
前記時分割アレイにおいて、基本格子点1個の時分割走査により生成される前記時分割アレイ群1組で、多点光クランプにより非球状の微粒子を各々1個捕捉し、各々の基本格子点1個に対応して捕捉された前記非球状微粒子群の配向制御や回転制御を複数同時に行うことを特徴とする、
請求項１、２又は３に記載の微粒子配列の作成および配向制御方法。
【請求項７】
前記時分割アレイにおいて、基本格子点1個の時分割走査により生成される前記時分割アレイ群1組で、複数個の微粒子を捕捉し、前記時分割アレイで捕捉した微粒子群の間隔を制御することで、
微小構造物の組立や単一細胞のペアリングを複数同時に行うことを特徴とする、
請求項１、２又は３に記載の微粒子配列の作成および配向制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子配列の作成および配向制御装置に関し、特に、分子生物学・医療分野の基礎研究、遺伝子診断、創薬、化学分析、環境計測等の諸分野において、有用なセンサ機能を有する試薬を表面に修飾したマイクロビーズ型センサ、細胞の物理的・生化学的性質を精密に計測・制御するために人工的に作成された微小構造物、および単一細胞などを透明基板上に配向を制御して精密かつ多量に配置するために、液体中に分散された対象物を光ピンセット操作する、微粒子配列の作成および配向制御するための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）や微小分析システム（ＭｉｃｒｏＴＡＳ）など、マイクロ・ナノデバイス作成技術の進展と相まって、マイクロアレイをセンサとして用いる研究が、基礎から実用化・臨床研究分野まですそ野を広げつつある。そのマイクロアレイの適用分野は、ＤＮＡチップを用いた各種疾病遺伝子の探索研究や遺伝子診断に始まり、プロテオミクスや新薬発見のツール、さらには化学分析、環境計測など、小型化による可搬性と資源・環境負荷の低減などが期待できるため、様々な分野で益々重要かつ有望な技術となりつつある。
【０００３】
また、基板上に精密に配列化したい対象物は、センサ試薬を修飾した球形微粒子にとどまらず、これまでの集合体としてのマクロな性質だけでなく、細胞１個ごとの物理的・生化学的性質をミクロに測定、解析したいという科学者の要望などから、MEMS技術を用いて人工的に作成された構造物や非球状の単一細胞へと、配列化要求のある対象（微粒子）の範囲は広がりつつある。
【０００４】
このマイクロアレイは、静的アレイと動的アレイの２つに大きく分類できる。静的アレイは、生体分子や試薬を支持基板上にマイクロスポットとして固定化する。固定化の方法には、微小ノズルから試薬溶液を基板上に滴下する際に基板位置をＸＹステージで精密に制御する方法あるいは微小ノズル自身を精密に動かす方法により基板上に印刷する方法（プリンティング法）、マスクを利用したホトリソグラフィー技術を用いる方法などがあり、それら技術を用いてＤＮＡ断片をスライドガラス上にマイクロスポットとしてアレイ化したものがＤＮＡチップとして実用化され、市販されるに至っている。しかし、１枚あたりの製造単価が高く、研究用途以外での利用の障害となっている。
【０００５】
一方、動的アレイは、支持基板の代わりに移動可能な基体、例えば、マイクロビーズや細胞などに、生体分子やセンサ試薬を固定化し、これらをアレイ状に、適宜、動的に配置することで、アレイ型センサとしての利用をめざす技術である。動的アレイは、静的アレイに対し、再利用・融通性（使用済みのマイクロビーズを交換すれば、デバイス本体のプラットフォームは何度でも使用できる）や、高反応性（アレイの反応面は、静的アレイのマイクロスポットが平面（半球状）であるのに対し、マイクロビーズは完全な球面であるため、反応が高速に進む）など、優れた特徴がある。
【０００６】
この動的アレイを作成するには、形状、大きさ、色などの異なった特徴を有するマイクロビーズ、人工構造物、単一細胞などの微粒子を個々に識別し、識別結果に基づき、あらかじめ指定された位置に、ミクロン以下の精度で、これら微粒子を配列化する必要がある。特に、非球状な形状を有する微粒子に対しては、3次元的な配向も考慮して配列化する必要がある。多数の微粒子を一度に捕捉・精密操作する技術としては、時分割走査光ピンセット法（非特許文献１）、ホログラム光ピンセット法（非特許文献２）、一般位相コントラスト法（非特許文献３、特許文献１）、誘電泳動法（非特許文献４）および光ファイバーの束で捕捉する方法（非特許文献５）などが知られている。
【０００７】
しかしながら、先に述べた操作技術において、時分割走査光ピンセット法は、安定して微粒子を捕捉するには一定時間（１０ミリ秒程度）停止してレーザ光を照射する必要があり、１本のレーザ光で捕捉できる微粒子の個数は、十数個程度が限界であった。
【０００８】
ホログラム光ピンセット法と一般位相コントラスト法は、高価な空間光変調器（SLM）を必要とし、また、ホログラム光ピンセット法は、回折の０次光が利用できないため、レーザパワーの利用効率が悪い、ホログラム計算に時間がかかるなどの欠点があり、一般位相コントラスト法は、２次元型の捕捉で、３次元操作をするには、２個の対物レンズを対向して配置する必要があった。
【０００９】
誘電泳動法は、ＩＴＯ薄膜などのコーティングされた特殊なガラス基板を用意する必要があり、また、原理上、球形以外の微粒子の配向を制御して配置したり、数ミクロン程度の高分解能で配置したりするのは困難であった。さらに、光ファイバーの束で捕捉する方法は、分解能、操作性、コストなど多くの点で、動的アレイを作成する方法としては、現実的ではなかった。
【００１０】
一方、上記方法とは全く異なる微小流体工学の原理を利用した動的アレイデバイスも試作されている（非特許文献６）。しかし、この動的アレイでは、配置できる微粒子の種類が、流路径、流路長などデバイス本体のハードウエアに強く依存するため、基本的に同一形状、同一サイズ、同一表面特性の微粒子しか使用できない。このため、動的アレイの特徴である再利用性を考慮しても、産業上の利用においては静的アレイよりコスト高になることなども懸念され、実用化には至っていない。
【００１１】
以上のように、技術的にはある程度確立されているものの高価である静的アレイに対し、有用なセンサ機能を有する試薬を表面に修飾したマイクロビーズ型センサ、細胞の物理的・生化学的性質を精密に計測・制御するために人工的に作成された構造物、および単一細胞などを、安価な透明基板上にその場で配置する動的微粒子アレイを、光学顕微鏡下で、適宜利用できる方法として確立することが、上記研究分野における重要な課題の１つとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許５６８６４０８号
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Tanaka, Y., et al., Optics Express, Vol.17, No.26, 2009,  pp.24102-24111
【非特許文献２】Grier, D.G., Nature, Vol.424, 2003, pp.810-816
【非特許文献３】Eriksen, R. L., et al., Optics Express, Vol.10, No.14, 2002, pp.597-602
【非特許文献４】Chiou, P.Y., Nature, Vol.436, 2005, pp.370-372
【非特許文献５】Tam, J.M., et al., Applied Physics Letters, Vol.84, No.21, 2004, pp.4289-4291
【非特許文献６】Tan, W. and Takeuchi S., Proc. of National Academy of Science of the United States of Amrica, Vol.104, No.4, 2007, pp.1146-1151
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、以上の通りの従来法の課題を解決し、１個のレーザ源のみを用いて、液中に含まれる大多数の微粒子、微小構造物、単一細胞などを時分割光ピンセットで操作し、安価かつ簡便に、配向を制御した100個以上の微粒子から構成される大規模な動的アレイを作成、及び、その要素を一括して配向制御できる方法を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、光メカトロニクス技術、画像処理技術を利用して、光学顕微鏡下の様々な形状と特徴を有する微粒子を自動的に操作するための数々の研究を重ねた結果、マイクロレンズアレイとレーザ光の時分割制御により生成される光トラップ場を利用することで、微小容器内に含まれる微粒子を用いて、100個以上の大多数の微粒子から構成される動的アレイを、安価かつ簡便に作成し、また、その要素を一括して配向制御できる方法を見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【００１６】
（第1発明の構成）
上記課題を解決するための本願第1発明の構成は、顕微鏡に取り付けられた対物レンズへレーザ光を導入し、前記対物レンズで集光されるレーザ光により、容器内の液体に分散された微粒子を光ピンセット操作する微粒子配列の作成および配向制御方法であって、前記顕微鏡は、1本のレーザビームを2次元格子点状の集光パターンに分割するマイクロレンズアレイと，前記集光パターンが前記対物レンズで格子点状光ピンセットアレイ（基本格子アレイ）として微小容器内で集光される少なくとも2枚のレンズで構成されるリレーレンズ系と，前記マイクロレンズアレイと前記対物レンズ間に配置するビーム高速走査機構を有し，前記基本格子アレイの焦点位置を前記ビーム高速走査機構によって時分割走査することで、前記基本格子アレイの任意の整数倍の光ピンセットアレイ（時分割アレイ）を生成するステップを含むことを特徴とする微粒子配列の作成および配向制御方法を提供する。
【００１７】
（第２発明の構成）
上記課題を解決するための本願第２発明の構成は、マイクロレンズアレイに入射するレーザビームの状態を、マイクロレンズアレイの前面に配置する焦点可変レンズにより収束、平行、発散の3状態に制御することで、前記対物レンズで生成される光ピンセットアレイの基本格子間隔を制御することもできる。
【００１８】
（第３発明の構成）
上記課題を解決するための本願第３発明の構成は、1本のレーザビームを偏光し、偏光成分が直交する第1ビームと第2ビームに分割する第1ステップと、前記第1ビームを用いて請求項1又は請求項２に記載の方法により光ピンセットアレイを生成する第2ステップと、前記第2ビームを用いて、前記対物レンズのレーザ光の導入口におけるレーザ光口径を一定に保ちつつ試料面内で集光される第2ビームのXY座標を電気信号により制御する機構を内部に有する光学系（第１結像光学系）と、前記対物レンズへのレーザ光の導入口におけるレーザ光口径を一定に保ちつつ電気信号による焦点可変レンズを用いて前記対物レンズで集光される第2ビームの焦点距離（Z座標）を制御する機構を内部に有する光学系（第２結像光学系）を備え、第１および第２の結像光学系を直列接続することにより、前記対物レンズで集光される第2ビームの焦点位置の３つの座標（X,Y,Z）を独立に制御し、かつ前記第2ビームの焦点位置に関わらず安定した光トラップ力を微小容器内に発生する第3ステップと、第1および第2のビームを同軸にして前記対物レンズに導入することにより、第1ビームで形成された前記光ピンセットアレイへの微粒子の3次元的挿入と取り出しを、第2ビームで生成される3次元光ピンセットを用いて手動、または自動的に行う第4ステップを有することを、その態様としてもいる。
【００１９】
（第４発明の構成）
上記課題を解決するための本願第４発明の構成は、前記ビーム高速走査機構において、電気信号によりレーザ光を偏向させる機構が２軸ミラー又は音響光学素子又は電気光学素子とすることができる。
【００２０】
（第５発明の構成）
上記課題を解決するための本願第５発明の構成は、前記第１結像光学系において、レーザ光の偏向面（２軸ミラー面）と対物レンズ後瞳面が共役面となり、かつ第２結像光学系において前記レーザ光の偏向面と可変焦点レンズ主面が共役面となる、少なくとも1枚の焦点可変レンズと2枚のレンズで構成されるリレーレンズ系を有することを、その様態としてもいる。
【００２１】
（第６発明の構成）
上記課題を解決するための本願第６発明の構成は、前記時分割アレイにおいて、基本格子点1個の時分割走査により生成される前記時分割アレイ群1組で、多点光クランプにより非球状の微粒子を各々1個捕捉し、各々の基本格子点1個に対応して捕捉された前記非球状微粒子群の配向制御や回転制御を複数同時に行うことができる。
【００２２】
（第７発明の構成）
上記課題を解決するための本願第７発明の構成は、前記時分割アレイにおいて、基本格子点1個の時分割走査により生成される前記時分割アレイ群1組で、複数個の微粒子を捕捉し、前記時分割アレイで捕捉した微粒子群の間隔を制御することで、微小構造物の組立や単一細胞のペアリングを複数同時に行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、１個のレーザ源のみを用いて、微小容器内に含まれる大多数の微粒子、構造物、単一細胞などを時分割光ピンセット操作し、安価かつ簡便に、配向を制御した100個以上の微粒子から構成される大規模な動的アレイを作成し、また、その要素を一括して配向制御できる方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の原理を説明するための模式的な光学配置図
【図２】本発明の最良の実施形態の１例を示す装置構成図
【図３】本発明の基本格子アレイと時分割アレイで微粒子を捕捉する模式図とその一例の顕微鏡写真
【図４】本発明で微粒子の回転制御とペアリングを行うための時分割走査の模式図とその過程を示す写真
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態を、その最良の形態を含めて、添付した図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、微粒子が分散された溶液が、上下2枚の光学顕微鏡用カバーガラスで挟まれた微小空間（マイクロ容器）中にある場合を例にとって説明する。
【００２６】
図１は、本発明の原理を説明するための模式的な光学配置図である。図１に示すように、1本のコリメートされたレーザビーム１（平行ビーム）は、マイクロレンズアレイ２(LA)を通過することで、マイクロレンズアレイの焦点距離(fLA)において、マイクロレンズアレイの格子間隔(dp)と等しい格子間隔を有する格子点状の集光パターンに変換、分割（個数N：レーザビームの照射された部分のマイクロレンズアレイ）される。これらのN分割されたレーザビームは、マイクロレンズアレイ２とリレーレンズ３(LR)との間に配置されたレンズ４(L1)とマイクロレンズアレイ間の距離(dA1)を適当な値に設定することで、リレーレンズ３の前焦点位置(fR)において再度、格子点状の集光パターンとして集光させることができる。その後、これらの分割されたレーザビームは、リレーレンズ３を通過することで、各々コリメートされたN個のレーザビームとして、光ピンセット用対物レンズ５(LO)の後瞳７へ入射角(θ1’, θ2’,…)を有して入射され、出射後はN個の格子状光ピンセットアレイ６として機能する。以上の説明のように，マイクロレンズアレイ２と対物レンズ５の間に配置する2枚のレンズ（リレーレンズ３とレンズ４）により構成されるリレーレンズ系により，マイクロレンズアレイによりN個に分割された格子状光ピンセットアレイを対物レンズ出射後に作成することができる．ここでは，基本格子状光ピンセットアレイを生成するための最良の形態として2枚のレンズで構成するリレーレンズ系の例を示したが，同様の効果を有するリレーレンズ系をより多くのレンズで構成することが可能であるのは勿論である。
【００２７】
ここで、更に前述のレンズ４とリレーレンズ３の間にビーム高速走査機構の偏向面（例えば、ジンバル構造の2軸ミラー(GM)面）を対物レンズ後瞳位置と高速走査機構の偏向面がリレーレンズ３(LR)の共役面となるように配置することで、トラップ力の変動が偏向面の傾き角に依存することなく前述のN個の格子状光ピンセットアレイを走査することが可能となり、N個の格子の整数倍の光ピンセットアレイ（時分割アレイ）を生成することができる。この際の走査方法としては、従来から知られている多点光ピンセット構築のための時分割走査手法が利用可能である。例えば、均一なトラップパワーを有するM*N個を生成するためには、M個の停止時間を等しくした時分割パターン走査、非球状のN個の微粒子を配向制御できるアレイを生成するためには、線分状のパターンを有する時分割走査など、が利用できる。なお、時分割パターンの形状や停止時間の決定に際しては、捕捉対象微粒子の形状情報などを利用して事前に決定することが可能であるが、図2の実施形態の1例に示すように、顕微鏡下の画像情報を画像処理することで自動的に変更したり、画像モニタを見ながら操作者がマウスやキーボード等の操作器具を用いて手動で行うことができることは勿論である。
【００２８】
また、ここで更に、前述のレンズ４から高速走査機構の偏向面までの距離をレンズ４の焦点距離(f1)になるようレンズ４を配置すると、マイクロレンズアレイ２が光軸上を前後することでレンズ４とマイクロレンズアレイ２間の距離(dA1)が変化し、その結果マイクロレンズアレイによって前述の格子状のN個に分割されたレーザビームの焦点位置が光軸方向(Z軸)方向へ変化しても、高速走査機構の偏向面上におけるN個の分割されたレーザビーム径(hg)は変化しないことが知られているので、対物レンズ後瞳から入射するN個のビーム径を不変とすることができる。この時、前述の後瞳７への入射角(θ1’, θ2’,…)は不変であるので、マイクロレンズアレイ２を光軸上に前後することで、対物レンズ５出射後に形成される格子状光ピンセットアレイの各々のトラップ力と基本格子間隔は変化することなく、Z軸座標のみを調整することができる。
【００２９】
さらに、ここで、前述のマイクロレンズアレイの前面に焦点可変レンズ８(LV)を配置することで、マイクロレンズアレイに入射するレーザビームの状態を、収束、平行（コリメート）、発散の3状態に制御でき、その結果マイクロレンズアレイ通過後の格子点状の集光パターンの基本格子間隔、すなわち対物レンズ後瞳へ入射角(θ1’, θ2’,…)を制御できる。以上のようにして、対物レンズ５で生成される格子状光ピンセットアレイの基本格子間隔も制御することが可能である。なお、焦点可変レンズ８の焦点距離の制御は、手動の他、電気的信号で制御するように構成できることは勿論である。
【００３０】
図2は、本発明の最良の実施形態の１例を示す装置構成図である。図2を用いて請求項3を実施する最良の形態について、より具体的に説明する。図2に示すように、レーザ源９（例えば、Nd:YAGレーザ）から発生された偏光ビーム（例えば、直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ１５(PBS)を用いて成分が直交する2つのビーム（第１ビーム１０および第2ビーム１１）に分割することができる。この際、PBS前面に配置した半波長板１２などを用いて、2つのレーザパワー比率は、任意に調整することができる。なお、2つのビームへの分割は、直線偏光に限定されることはなく、円偏光を用いることも可能である。その後、第1ビーム１０に対しては、［００２６］から［００２９］に説明した方法により、微粒子が分散された溶液が上下2枚の光学顕微鏡用カバーガラスで挟まれた微小容器１３内に、基本格子の任意の整数倍の光ピンセットアレイ（時分割アレイ）を生成することができる。この格子点状時分割アレイへの微小物への挿入、取り出しを、精密かつ効率的に行うための光ピンセットビームを、以下［００３１］から［００３３］に詳細を説明する方法により、第2ビーム１１を用いて生成する。
【００３１】
対物レンズのレーザ光の導入口(後瞳)７におけるレーザ光口径を一定に保ちつつ試料面内で集光される第2ビーム１１のXY座標を電気信号により制御するためには、レンズL2とリレーレンズ３(LR)の間にレーザビームをXY走査できる機構の偏向面（例えば、ジンバル構造の2軸ミラー(GM2)面）を対物レンズ後瞳位置とXY走査機構の偏向面がリレーレンズ(LR)の共役面となるように配置することで、対物レンズ後瞳におけるレーザ光口径は走査ミラーの傾き角に対して不変とすることができる（第１結像光学系）。この第１結像光学系においては、第１ビームを用いて時分割アレイを作成するために用いたリレーレンズ３(LR)をそのまま共用することができる。なお、別のリレーレンズを利用することができることは勿論である。次に、対物レンズの後瞳におけるレーザ光口径を一定に保ちつつ試料面内で集光される第2ビームのZ座標を電気信号により制御するためには、電気式焦点可変レンズ(LZ)を用いて前記対物レンズで集光される第2ビームの焦点距離（Z座標）を制御することで実現できる。すなわち、前述の第１結像光学系のXY走査機構の偏向面において、第2ビームのビーム径が電気式焦点可変レンズLZの焦点距離の変化に不変となり、かつ電気式焦点可変レンズ(LZ)とレンズL2の合成焦点系の焦点位置の変化が、リレーレンズ３(LR)の前焦点位置近傍となるように電気式焦点可変レンズLZとレンズL2を適宜選択すれば良い。このような光学系（第２結像光学系）設計の詳細は、特開２０１３−２３５１２２号公報に記載の内容を参照することができる。例えば、第２結像光学系において、第１結像光学系のXY走査機構(GM2)の偏向面と電気式焦点可変レンズ(LZ)の主面がレンズL2の共役面とすれば、GM2の走査面において、第2ビームのビーム径が焦点可変レンズLZの焦点距離の変化に不変とすることができる。
【００３２】
これら第２および第１結像光学系を直列接続することにより、対物レンズで集光される第2ビームの焦点位置の３つの座標（X,Y,Z）を独立に制御し、かつ前記第2ビームの焦点位置に関わらず安定した光トラップ力を発生する3次元制御光ピンセットビーム１４を生成することができる。なお、図2には、この直列接続を実現するための最良の形態の１つである最小のレンズ構成（電気式焦点可変レンズLZ、レンズL2、ジンバル式2軸ミラーGM2、リレーレンズLR）を例示しているが、第２および第１結像光学系の間に拡大縮小光学系などの別の光学系を適時挿入することも可能である。
【００３３】
以上のように作成する第1ビームと第２ビームを、対物レンズ後瞳への入射前に偏光ビームスプリッタ１６(PBS)を用いて同軸にすることで、光学顕微鏡用カバーガラスで挟まれた微小容器内に生成される2種類の光トラップ場（時分割光ピンセットアレイと3次元制御光ピンセットビーム）は、光学的干渉を生じることなく、独立して制御可能となる。したがって、第1ビームで形成された光ピンセットアレイへの微粒子の挿入と取り出しを、第2ビームを用いて3次元的に行うことができる。この際の操作は、図2の実施形態の1例に示すように、画像モニタ１７を見ながら操作者がマウス等の操作器具を用いて手動で行うことができる他、顕微鏡下の画像情報を画像処理することで自動的に実行するように制御可能なことは勿論である。
【００３４】
以上，本発明の実施の形態について，微粒子が分散された溶液が上下2枚の光学顕微鏡用カバーガラスで挟まれた微小容器（マイクロ容器）中にある場合を例にとって説明したが、微粒子が分散された溶液がμTAS内の微小流路を流れ、微粒子の供給がこの流れにより行われる場合も同様の時分割光ピンセットアレイと3次元制御光ピンセットビームを用いて微粒子の挿入、取り出し操作を行い、所望の形状に微粒子を配置することができる。また、溶液内に含有されている微粒子は、ガラスおよび合成樹脂のマイクロビーズ、無機物および有機物の結晶、MEMS技術により人工的に作成された構造物など、無生物に限定されず、浮遊細胞、精子、微生物などの生物、特に自ら泳ぐような微生物のアレイ化を行うことも可能である。
【００３５】
本発明によると、１個のレーザ源のみを用いて、液中に含まれる大多数の微粒子、構造物、単一細胞などを時分割光ピンセット操作し、安価かつ簡便に、配向を制御した100個以上の微粒子から構成される大規模な動的アレイとして配置することができ、また、このアレイ化操作は自動化することも可能である。したがって、疾病の遺伝子検査、化学分析、環境計測などにおいて有用なセンサ機能を有する試薬を表面に修飾したマイクロビーズ型センサ、細胞の物理的・生化学的性質を精密に計測・制御するために人工的に作成された微小構造物、および分子生物学における基礎研究のための単一細胞などを透明基板上にその場で適宜配置することで作成する動的アレイを、光学顕微鏡下に安価かつ簡便に提供することが可能となる。
【実施例】
【００３６】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００３７】
（実施例１）
図3は、本発明の基本格子アレイと時分割アレイで微粒子を捕捉して動的微粒子アレイを作成するための模式図と、その一例の顕微鏡写真を示している。具体的には、図３(a)は、基本格子アレイの9倍の密度を有する格子状アレイを作成するための時分割走査の一例を示している。例えば、対物レンズで光学顕微鏡下に投影されるマイクロレンズアレイの基本格子間隔をdp’、時分割走査の跳躍・停止間隔をδx、δyとした時、dp’=3δx=3δyとすることで、基本格子間隔dp’の9倍の密度を有する均一な密度の時分割光ピンセットアレイを作成することができる。基本格子間隔に対する時分割走査の跳躍・停止間隔を適宜選択することで、均一な格子パターンのみならず、多様な周期パターンの時分割光ピンセットアレイを生成できることは勿論である。図３(b)-(e)は、図2に示した装置構成中の第１ビーム位置を制御するジンバル式2軸ミラーGM1を時分割走査することで、このような格子状時分割光ピンセットアレイを生成し、第2ビーム位置を制御する2軸ミラーGM2の振れ角をマウスを用いて手動制御することで、この格子状アレイへの直径2ミクロンのポリスチレン製微粒子の挿入を行い、動的微粒子アレイを作成した様子を示している。図３(b)は基本格子への挿入、図３(c)は4倍密度の時分割格子への挿入、図３(d)は９倍密度の時分割格子への挿入例を示している。また、図３(e)は９倍密度の時分割格子を生成し、アルファベットAISTとなるような格子にのみ、微粒子を挿入した例である。
【００３８】
（実施例２）
図４は、微粒子の回転制御とペアリングを行うための時分割走査の模式図とその過程の一例の写真を示している。具体的には、図４(a)は、実施例１と同様に、基本格子アレイの4倍の密度を有する均一な格子パターンを発生するための時分割走査パターンの一例を示している。すなわち、本例では、対物レンズで光学顕微鏡下に投影されるマイクロレンズアレイの基本格子（赤丸小）の回りに、4点の光トラップ点（黄色丸大）を生成する場合の時分割走査パターンの一例を示している。なお、図４(a)において、点線白丸は、微粒子の配置されない時分割光トラップ点を示し、記号dp’、δx、δyは実施例１と同様である。図４(b)は、実施例１と同様に、第2ビームをマウスを用いて手動制御することで、これら4倍の密度を有する格子状アレイへ直径2ミクロンのポリスチレン製微粒子の挿入を行い、動的微粒子アレイを作成した様子を示している。図４(c)は、図４(b)の状態から、時分割走査の間隔δx、δyを配置した微粒子が接着する距離まで狭めた場合の様子を示している。図４(b)の状態において、4倍の時分割走査により生成した各々のトラップ点に微粒子1個から4個を配置する位置を適宜選択し、その後これらの格子間隔を互いの微粒子が接触する距離まで狭めることで（図４(c)）、異なる配向を有する微粒子の接合状態を作成することができる。その後、時分割走査のパターンを基本格子点の回りに回転させることにより、図４(c)で作成した微粒子ペアを一度にすべて同時に回転させることもできる。以上のように、本発明を用いると、これまで非常に手間のかかった100個以上の微粒子のアレイ化、接着によるペアリング、および、非球状な微粒子の配向制御などを、短時間に効率よく行うことができる。
【００３９】
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、実施例１および２において、時分割走査の際に点ではなく、線分状の時分割走査を行うことにより、基本格子の周囲に線分状の光トラップ場を生成し、各々の線分状の光トラップ場に沿った方向へ多数の非球状微小物の配向を制御してトラップし、その後、それら光トラップされた非球状微小物の配向方向を全て同時に制御するなど、これまで知られている走査型光ピンセットによる微粒子の配向制御を、大多数の微粒子に対して全て同時に実行できることは勿論である。また、図2に一例を示した実施の形態の構成に限定されるものではなく、ビーム源における波長、発振モード、ビームを２つに分割する光学系、及び、ミラーによる走査制御に係る光学系、並びに、対物レンズにビーム源から放射されたレーザ光を照射するに際しての光学系の構成は、適宜設計変更し得るものである。また、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で、アレイ化に使用する微粒子、人工構造物、あるいは細胞を含有した溶液を対物レンズから照射される光ピンセットビームの元へ供給する方法については、種々変更実施できることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明によって、１個のレーザ源のみを用いて、液中に含まれる大多数の微粒子、微小構造物、単一細胞などを時分割光ピンセットで操作し、安価かつ簡便に、配向を制御した100個以上の微粒子から構成される大規模な動的アレイを作成することができる。さらに、このように作成した動的アレイの構成要素を一括して配向制御もできる。
【符号の説明】
【００４１】
１      コリメートされたレーザビーム（平行ビーム）
２      マイクロレンズアレイ
３      リレーレンズ
４      レンズ
５      光ピンセット用対物レンズ
６      格子状光ピンセットアレイ
７      対物レンズ後瞳
８      焦点可変レンズ
９      レーザ光源
１０    分割された第1ビーム
１１    分割された第２ビーム
１２    半波長板
１３    微小容器
１４    3次元制御光ピンセットビーム
１５、１６偏光ビームスプリッタ
１７    画像モニタ
【図１】
2016218282.tif 000003
【図２】
2016218282.tif 000004
【図３】
2016218282.tif 000005
【図４】
2016218282.tif 000006