JP2544520B2 - Fine particle dynamics pattern - Google Patents
Fine particle dynamics patternInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、微粒子動態パターン
とその形成方法に関するものである。さらに詳しくは、
この発明は、微細加工技術や新物質構造の創製等に有用
な、レーザービームによって形成することのできる新し
い微粒子動態パターンとそのための方法等に関するもの
である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine particle dynamic pattern and a method for forming the same. For more information,
The present invention relates to a new fine particle dynamic pattern that can be formed by a laser beam and a method therefor, which are useful for microfabrication technology and creation of new material structures.
【0002】[0002]
【従来の技術とその課題】近年、化学物質、たとえば高
分子物質や無機物質の微粒子レベルでのマイクロ修飾や
その加工技術の開発が注目されており、物質返還の素過
程の操作を可能とするものとして精力的に研究開発が進
められてきている。また、生体細胞においてもその移
植、移入、さらには融合などの微細操作を行うマイクロ
プロセシングが非常に重要になってきている。2. Description of the Related Art In recent years, attention has been focused on micromodification of chemical substances such as polymer substances and inorganic substances at the fine particle level and the development of processing techniques therefor, enabling manipulation of the elementary process of substance return. Research and development have been energetically pursued as things. Further, in living cells, microprocessing for performing micromanipulation such as transplantation, transfer, and fusion has become very important.
【0003】このようなマイクロ微粒子操作について
は、これまでにも化学的操作によって行う方法が種々提
案されてきているが、化学的方法の場合には処理対象の
微粒子と反応処理剤との反応制御が非常に難しく、微粒
子やこれらの集合状態、位置等を制御し、所定の微粒子
に操作を加えるには精度上の限界があった。一方、生体
細胞の操作分野においては微注入法等のマニュアル的方
法により確実に移入処理を行うことができるようになっ
ており、発現効率を10-2程度にまで向上させることが
可能となってきている。しかしながら、この方法におい
ては実施者が顕微鏡下でマイクロピペットなどを個々の
細胞に直接接触させて処理するため、クリーンベンチ内
での処理が必要不可欠となり、また処理の自動化を図る
こともできない。そのため処理効率や処理量が実施者の
熟練度や労力に依存することとなり、精密な処理を短時
間に行うことが困難であるという問題がある。Various methods have been proposed so far for the operation of such microparticles by chemical operations. In the case of chemical methods, the reaction control between the particles to be treated and the reaction treatment agent is controlled. However, there is a limit in accuracy in controlling the fine particles, their aggregate state, position, etc., and applying the operation to predetermined fine particles. On the other hand, in the field of biological cell manipulation, it has become possible to reliably carry out the transfer process by a manual method such as microinjection method, and it is possible to improve the expression efficiency to about 10 -2. ing. However, in this method, the practitioner directly treats individual cells with a micropipette or the like under a microscope, and therefore treatment in a clean bench is indispensable, and the treatment cannot be automated. Therefore, the processing efficiency and the processing amount depend on the skill and labor of the practitioner, and it is difficult to perform precise processing in a short time.
【0004】以上のような従来の方法に対して、近年、
レーザー光を利用して微粒子マイクロ操作を行うプロセ
シングが提案されてきている。レーザー光は単色性、指
向性、光輝度性、制御性に優れているので、光エネルギ
ーを微粒子の微小領域に集中的に照射することができ、
従来の方法では不可能であった局所的な微細操作を非接
触で精度よく行うことが可能となる。In contrast to the above conventional methods, in recent years,
Processing for performing micromanipulation of fine particles using laser light has been proposed. Since laser light is excellent in monochromaticity, directivity, light brightness, and controllability, it is possible to irradiate light energy in a minute region of fine particles in a concentrated manner.
It becomes possible to perform a local fine operation with high accuracy in a non-contact manner, which is impossible with the conventional method.
【0005】しかしながら、これまでの方法ではレーザ
ー光照射部位を調整するために顕微鏡等のステージの位
置決め操作が難しく、また、操作されていても位置決め
精度が悪く実用上問題があり、特に、複数の微粒子群を
所定の空間配置に制御して、これに加工を加えることは
不可能であった。すなわち、これまでのレーザーマイク
ロプロセシングによっては、微粒子または微粒子群の動
態パターンを制御して、高精度な操作を可能とすること
が困難であるという課題があった。However, according to the conventional methods, it is difficult to position the stage of a microscope or the like because the laser light irradiation site is adjusted, and the positioning accuracy is poor even if the stage is operated, and there is a problem in practical use. It was impossible to control the fine particle group to a predetermined spatial arrangement and to process it. That is, there has been a problem that it is difficult to control a dynamic pattern of fine particles or a group of fine particles to enable highly accurate operation by the conventional laser microprocessing.
【0006】この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたものであり、従来の微粒子マイクロプロセシングの
欠点を解消し、微粒子または微粒子群の高精度加工のた
めの空間動態パターンを自在に制御することのできる新
しい手段を提供することを目的としている。さらに詳し
くは、この動態パターンそのものと、これを形成し、利
用するための方法を提供することを目的としている。The present invention has been made in view of the above circumstances, solves the drawbacks of the conventional fine particle microprocessing, and freely controls the spatial dynamic pattern for high-precision processing of fine particles or a group of fine particles. It aims to provide a new means of doing things. More specifically, it is intended to provide this dynamic pattern itself and a method for forming and utilizing it.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、微粒子分散媒体に対してレーザ
光を照射し、レーザー光の焦点位置を高速で繰り返し走
査して、その軌跡上に複数の微粒子を捕捉してパターン
形成してなることを特徴とする微粒子動態パターンを提
供する。この微粒子動態パターンは、この発明の発明者
によって検討されてきた光トラッピングの操作を踏まえ
てなされたものであり、この光トラッピング方法をさら
に発展させる新しい知見に基づいて完成されたものであ
る。In order to solve the above problems, the present invention irradiates a fine particle dispersion medium with laser light and repeatedly scans the focal position of the laser light at high speed, and There is provided a fine particle dynamics pattern, characterized in that a plurality of fine particles are captured and patterned. This fine particle dynamics pattern has been made based on the operation of optical trapping that has been studied by the inventor of the present invention, and has been completed based on new knowledge that further develops this optical trapping method.
【0008】すなわち、微粒子に対する操作の一つとし
て注目されるものに、レーザー光が有する優れたコヒー
レント特性によって、光の持つ場の運動量を物体に働く
力学的な運動量として受け渡し、微粒子に力を加えてそ
の物体を捕捉、もしくは移動させる光トラッピング操作
がある。この光トラッピング操作では、レーザー光がも
たらす力のみが対象物に働くことから、完全な非接触お
よび非破壊での操作が可能になる。このため、微粒子に
対する操作としては、この光トラッピング技術への期待
が極めて大きい。That is, as one of the operations to be performed on fine particles, due to the excellent coherent characteristics of laser light, the momentum of the field of light is transferred as a mechanical momentum acting on an object, and a force is applied to the fine particles. There is an optical trapping operation that captures or moves the object. In this light trapping operation, since only the force generated by the laser light acts on the object, a completely non-contact and non-destructive operation is possible. For this reason, there are great expectations for this optical trapping technique as an operation for fine particles.
【0009】このような光トラッピングの原理を説明す
ると、まず、レンズを介してレーザー光が微粒子に入射
し、反射・屈折し、レーザー光の持つ運動量は、微粒子
に受け渡される。反射率は通常小さいので、屈折により
受け渡される運動量が支配的となり、これによる力が微
粒子に加わる。微粒子は、この力によって、レーザー光
に捕捉された状態となる。このため、レーザー光を移動
させると、この微粒子もそれに追随することになる。Explaining the principle of such optical trapping, first, the laser light is incident on the fine particles through the lens and is reflected / refracted, and the momentum of the laser light is transferred to the fine particles. Since the reflectance is usually small, the momentum transferred by refraction becomes dominant, and the force due to this is applied to the particles. Due to this force, the fine particles are in a state of being captured by the laser light. Therefore, when the laser light is moved, the fine particles also follow it.
【0010】このようなレーザートラッピングでは、レ
ーザー光を波長オーダまで絞り込むことにより、微粒子
の重力に逆らって持ち上げ3次元的に捕捉することが可
能であり、ビームの操作や試料ステージの移動により、
目的の粒子だけの非接触なマニピュレーションが実現で
きる。そのため、生物学や化学の分野での応用が検討さ
れており、生体細胞の操作やセルソータ、マイクロサー
ジャリー等が報告されている。また、この発明の発明者
もポリマーラテックスのレーザーアブレーションなどの
極微化学の応用を試みている。In such laser trapping, by narrowing the laser light to the wavelength order, it is possible to lift it against the gravity of the particles and capture it three-dimensionally. By manipulating the beam and moving the sample stage,
Non-contact manipulation of target particles can be realized. Therefore, application in the fields of biology and chemistry has been studied, and manipulation of living cells, cell sorters, microsurgery, etc. have been reported. The inventor of the present invention is also trying to apply microchemistry such as laser ablation of polymer latex.
【0011】しかし、従来のレーザートラッピングは単
一微粒子のマニピュレーションを目的としたものであ
る。これに対し、レーザー光の干渉パターンを利用して
多数の微粒子を光強度の高い所に配列させ、微粒子によ
る空間パターンを形成させる手法が提案されている。こ
の手法を用いれば、光による微粒子の疑似結晶化が可能
であり、また、微小機能サイトを空間的に配列させて高
効率・高選択的な物質変換システムを構築する道が拓け
る。しかしながら、レーザー光の干渉パターンを利用す
るだけでは、当然、描けるパターンには制限がある。こ
れに対し、トラッピングレーザー光学系において、試料
面と結像関係の位置にマスクパターンを置き、それを試
料上に投影して微粒子パターンを形成する手法が考えら
れる。この場合、パターンの自由度は増加するが、レー
ザー光のエネルギ利用効率は非常に低く、高いパワーの
レーザー光に耐えるマスクの作製も困難である。また、
可干渉性の高いレーザー光による結像のため、スペック
ル雑音などの問題も生じる。(さらに、微粒子パターン
は、基盤上に2次元的にしか作ることができない。)そ
こでこの発明の発明者は、微粒子分散媒体に対してレー
ザ光を照射し、レーザー光の焦点位置を高速で繰り返し
操作することにより、その軌跡上に複数の微粒子を捕捉
しパターンを形成してなる新しい微粒子動態パターンと
その手法を提案する。However, conventional laser trapping is intended for manipulation of single fine particles. On the other hand, a method has been proposed in which a large number of fine particles are arranged in a place having a high light intensity by using an interference pattern of laser light to form a spatial pattern of the fine particles. By using this method, it is possible to pseudo-crystallize fine particles by light, and open a way to construct a highly efficient and highly selective substance conversion system by arranging minute functional sites spatially. However, naturally, there is a limit to the pattern that can be drawn only by using the interference pattern of laser light. On the other hand, in the trapping laser optical system, a method is conceivable in which a mask pattern is placed at a position having an image-forming relationship with the sample surface and projected onto the sample to form a fine particle pattern. In this case, the degree of freedom of the pattern increases, but the energy utilization efficiency of the laser light is very low, and it is difficult to manufacture a mask that can withstand high-power laser light. Also,
Since the image is formed by a laser beam having high coherence, there are problems such as speckle noise. (Furthermore, the fine particle pattern can be formed only two-dimensionally on the substrate.) Therefore, the inventor of the present invention irradiates the fine particle dispersion medium with laser light, and repeats the focal position of the laser light at high speed. We propose a new particle dynamics pattern by capturing a plurality of particles on the trajectory by operation and forming a pattern, and its method.
【0012】すなわち、上記の通りのこの発明は、まず
第1の特徴として、微粒子の粒径や媒体の粘度によって
決まる微粒子の機械的応答速度よりも十分早くレーザー
光を繰り返し走査すると、各微粒子は定常光が照射され
たときと同じトラップ状態となるため、焦点の軌跡上に
多数の微粒子を捕捉できることを利用したものである。
この焦点の軌跡をあらかじめ決めた図形パターンとする
ことで、多数の微粒子は、この所定のパターン状に並ぶ
ことになる。この時、各微粒子は、静止した状態とする
こともできるし、移動する(パターンに沿って)状態と
することもできる。いずれの場合にも、複数の微粒子
は、所定のパターン状に捕捉された状態にある。そし
て、レーザ光の照射を止めると微粒子は熱運動(ブラウ
ン運動)で媒体中を不規則に動き出す。そこで、この発
明では、この不規則な熱運動とは明確に区別されるもの
として、微粒子のパターン形成そのものを「微粒子動態
パターン」と呼んでいる。このような捕捉された微粒子
の動態パターンは、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、
光音響偏向器など、レーザープリンターやレーザー走査
顕微鏡で使われる技術を利用すれば容易に実現できる。
任意の微粒子パターンを形成することが可能であり、レ
ーザー光のエネルギもほとんど全て利用できる。また、
レーザー走査顕微鏡で議論されているように、レーザー
光を利用するにもかかわらず、インコヒーレントな結像
系と同様にコヒーレント雑音の影響もない。That is, the first feature of the present invention as described above is that when the laser beam is repeatedly scanned sufficiently faster than the mechanical response speed of the fine particles determined by the particle diameter of the fine particles and the viscosity of the medium, each fine particle is This is because the trap state is the same as when the constant light is irradiated, and therefore it is possible to capture a large number of fine particles on the locus of the focus.
By making the locus of this focus a predetermined graphic pattern, a large number of fine particles are arranged in this predetermined pattern. At this time, each fine particle can be in a stationary state or a moving state (along a pattern). In any case, the plurality of fine particles are trapped in a predetermined pattern. Then, when the irradiation of the laser beam is stopped, the fine particles start moving irregularly in the medium by thermal motion (Brownian motion). Therefore, in the present invention, the pattern formation itself of fine particles is called a "fine particle dynamics pattern", as being clearly distinguished from the irregular thermal motion. The dynamic patterns of such trapped particles are the galvano-mirror, polygon-mirror,
This can be easily achieved by using the technology used in laser printers and laser scanning microscopes such as photoacoustic deflectors.
It is possible to form an arbitrary fine particle pattern, and almost all energy of laser light can be used. Also,
As discussed in laser scanning microscopy, despite the use of laser light, it does not suffer from coherent noise as well as incoherent imaging systems.
【0013】上記の通り、この発明の「微粒子動態パタ
ーン」には、個々の微粒子について見ると、媒体中での
静止状態の場合と、パターンに沿っての移動状態の場合
があるが、この発明の第2の特徴としては、レーザ光に
よる捕捉で所定の動態パターンを形成する際に、個々の
微粒子を媒体中で静止した状態にすることができるとと
もに、空間パターンを形成した個々の微粒子をすべて同
時に動かし移動させ、パターン状に流れるように輸送
し、かつ、流速を制御することもできることである。こ
れは、レーザー光が微粒子上を走査したとき、微粒子に
僅かながら走査方向に力を及ぼすことを利用したもので
あり、走査速度が遅くなるほどこの力は大きくなる。As described above, in the "fine particle dynamics pattern" of the present invention, looking at individual fine particles, there are cases of static state in the medium and cases of movement along the pattern. The second feature of the above is that when a predetermined dynamic pattern is formed by capturing with a laser beam, the individual fine particles can be made to stand still in the medium, and all the fine particles forming the spatial pattern It is also possible to move and move at the same time, to transport so as to flow in a pattern, and to control the flow velocity. This utilizes the fact that when a laser beam scans fine particles, it exerts a slight force on the fine particles in the scanning direction, and the force becomes larger as the scanning speed becomes slower.
【0014】形成された微粒子動態パターンは、任意の
形状のイメージに沿って配列可能である。この場合、動
態パターンを自由に連続的に変化させることができる。
光の強弱を付与することで、さらに多様なパターンを形
成することもできる。この発明により提供される以上の
通りの微粒子動態パターンについては、光反応、熱反
応、さらには化学反応を行って、捕捉した微粒子に対し
て所定状況下において修飾や加工の走査を加えることも
できる。その最も代表的で、かつ、この発明において重
要な操作には、微粒子の分解、分割、局部変換、化学修
飾、微粒子相互の接続、融合、官能性反応基による架橋
等がある。The formed particle dynamics pattern can be arranged along an image of any shape. In this case, the dynamic pattern can be freely and continuously changed.
A variety of patterns can be formed by imparting the intensity of light. With respect to the above-described fine particle dynamics pattern provided by the present invention, it is also possible to perform a photoreaction, a thermal reaction, and a chemical reaction to add modification or processing scanning to the captured fine particles under a predetermined condition. . The most typical and important operations in the present invention include fine particle decomposition, division, local conversion, chemical modification, fine particle mutual connection, fusion, and cross-linking with a functional reactive group.
【0015】対象とする微粒子または微粒子群について
は、その種類に特段の限定はなく、たとえば高分子ラテ
ックスの各種のもの、マイクロカプセル、二酸化チタ
ン、その他の無機粒子、生物細胞、ウィルス、あるいは
種々の分子組織体を用いることができる。レーザービー
ムとしては、Nd:YAGレーザーの基本波(1064nm)
をはじめ各種のものが使用可能である。また、分散セル
を用いる場合には、その分散媒体については、水、有機
物、その他の、捕捉される微粒子の屈折率が分散媒体よ
りも高い条件を満たす各種の媒体が使用される。There is no particular limitation on the kind of the target fine particles or fine particle groups, and for example, various types of polymer latex, microcapsules, titanium dioxide, other inorganic particles, biological cells, viruses, or various types. Molecular assemblies can be used. As the laser beam, the fundamental wave of the Nd: YAG laser (1064 nm)
Various items such as can be used. Further, when the dispersion cell is used, as the dispersion medium, various media such as water, organic substances, and other conditions satisfying a higher refractive index of the captured fine particles than the dispersion medium are used.
【0016】[0016]
【実施例】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明
について説明する。 <実験システム> 実験システムの構成を図1に示す、トラッピング用レー
ザー光はCWNd:YAGレーザー(Specron SL9
02T、波長1064nm)(1)である。これを、2枚のガ
ルバノミラー(GSIG352DT)(2)で2軸方向
に偏向させ、2枚のレンズ系(3)で顕微鏡光学系の開
口数と焦点位置に合わせる。顕微鏡(Nikon OptiphotX
F)内ではダイクロイックミラー(4)で反射し、油浸
対物レンズ(x100、NA=1.30)(5)で試料上に
集光する。集光スポットの大きさは約1μmである。2
枚のガルバノミラー(2)は共に顕微鏡の開口瞳と結像
位置にあり、ガルバノミラー(2)による偏向により、
焦点位置は試料上を2次元的に走査する。ガルバノミラ
ー(2)はコントローラ(Marubun )(6)で制御し、
たとえば、後述する四角のパターンの場合、毎秒30回
の繰り返し描画が可能である。描画パターンの形状はコ
ンピュータ(NECPC9801RA)(7)からコン
トローラ(6)に指示を与える。微粒子のパターン形成
の様子は、試料の下方からの照明により、CCDカメラ
(NECNE−15M)(8)上に結像してモニター
(9)で観測する。レーザー光のパワーは、本実験では
600mWであった。The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. <Experimental system> The configuration of the experimental system is shown in Fig. 1. The trapping laser light is a CWNd: YAG laser (Specron SL9
02T, wavelength 1064 nm) (1). This is deflected in two axial directions by two galvanometer mirrors (GSIG352DT) (2), and the numerical aperture and the focus position of the microscope optical system are adjusted by the two lens systems (3). Microscope (Nikon OptiphotX
In F), the light is reflected by the dichroic mirror (4) and focused on the sample by the oil immersion objective lens (x100, NA = 1.30) (5). The size of the focused spot is about 1 μm. Two
Both of the galvanometer mirrors (2) are at the aperture pupil and the image forming position of the microscope, and by the deflection by the galvanometer mirror (2),
The focal point scans the sample two-dimensionally. The galvanometer mirror (2) is controlled by the controller (Marubun) (6),
For example, in the case of a square pattern described later, it is possible to repeatedly draw 30 times per second. The shape of the drawing pattern is given from the computer (NECPC9801RA) (7) to the controller (6). The pattern formation of the fine particles is observed by a monitor (9) by forming an image on a CCD camera (NECNE-15M) (8) by illuminating from below the sample. The power of the laser light was 600 mW in this experiment.
【0017】試料(10)は、エチレングリコール(屈
折率1.46、粘度17.3cP)中に分散させた1μmの単分散
ポリスチレンラテックス(屈折率1.59)であり、この分
散溶液を2枚のカバーガラスで挟み、スペーサを使って
液層の厚みを約100 μmとしたものを用いた。 <試験結果> 図2は、レーザー光でアルファベット文字“M”を描画
し、そのパターンに沿って、ラテックス微粒子を配列さ
せたものである。約60個のラテックスが数珠状に並ん
で、きれいに“M”の動態パターンが形成されている。
レーザ光の照射を開始した時点では、観測面上にラテッ
クス微粒子は存在せず、自然に落下してきた一部のラテ
ックスを除いては、レーザ光の放射圧で引き寄せられた
ものである。1個当たりに照射されているレーザパワー
は約10mWであり、毎秒20回の繰り返し走査を行っ
た。同様にしてそれぞれ、“1”、“C”、“R”、
“O”の文字パターンを形成することもできた。文字の
一辺は約15μmであり、繰り返し周波数は、それぞ
れ、40、30、15、30回/秒であった。これらの
文字は、このままの形で視野内を自由に平行移動させる
ことも可能であった。ラテックス微粒子がレーザ光で引
き寄せられて1つの文字を形成するのに要する時間は約
30秒であった。これは、粘度の高いエチレングリコー
ルを媒質に用いたためで、粋などの場合は格段に速くな
る。Sample (10) was a 1 μm monodisperse polystyrene latex (refractive index 1.59) dispersed in ethylene glycol (refractive index 1.46, viscosity 17.3 cP), and this dispersion solution was sandwiched between two cover glasses. The thickness of the liquid layer was about 100 μm using a spacer. <Test Results> FIG. 2 is a drawing in which the letter "M" is drawn with a laser beam and the latex particles are arranged along the pattern. Approximately 60 latexes are arranged in a beaded pattern, and a beautiful "M" dynamic pattern is formed.
At the time when the irradiation of the laser beam was started, the latex particles did not exist on the observation surface, and the latex particles were attracted by the radiation pressure of the laser beam, except for a part of the latex that naturally dropped. The laser power irradiated per one was about 10 mW, and repeated scanning was performed 20 times per second. Similarly, "1", "C", "R",
It was also possible to form an "O" character pattern. One side of the character was about 15 μm, and the repetition frequencies were 40, 30, 15, and 30 times / second, respectively. These letters could be freely translated in the field of view as they were. The time required for the latex particles to be attracted by the laser beam to form one character was about 30 seconds. This is because ethylene glycol, which has a high viscosity, is used as a medium, and in the case of a smart case, the speed becomes significantly faster.
【0018】図3、図4、図5および図6は、別の実施
例として、正方形を描画したときに、微粒子全体が輸送
される様子を20秒間隔で観測したものである。図中の
矢印を付した粒子が移動していることがわかる。正方形
の一辺は15μmであり、毎秒30回の繰り返し描画で
ある。これは、レーザ光焦点位置の移動速度に換算する
と1.8mm/sである。また、粒子の移動速度(流速)を推
定すると2.0 μm/sであった。As another example, FIGS. 3, 4, 5, and 6 show observations at 20-second intervals of the entire fine particles being transported when a square is drawn. It can be seen that the particles with arrows in the figure are moving. One side of the square is 15 μm, and the drawing is repeated 30 times per second. This is 1.8 mm / s when converted to the moving speed of the laser beam focus position. The moving speed (flow speed) of the particles was estimated to be 2.0 μm / s.
【0019】このようにラテックス微粒子が輸送される
原理について考察するため、いま、1個の微粒子に注目
し、その上をレーザー光が1回走査するとする。微粒子
が静止した状態にあって全く動かない場合には、レーザ
ースポットの位置に関係として微粒子に働く力を図7
(a)のように模式的に表わすことができる。この図7
(a)においては、縦軸は、上方が座標の正の方向、す
なわち、レーザースポットの進行方向の力、下方がその
逆の力を表す。レーザースポットが微粒子に近づいてく
ると、まず、微粒子を引きつける力が働き、その大きさ
は電場の勾配によって図の様に変化する。レーザー光が
微粒子と重なったときには、水平方向に力は作用しなく
なり、通り過ぎると全く反対の現象が起こる。この場
合、微粒子に働く力を時間的に積分すると、進行方向と
その逆方向の力がキャンセルしてゼロとなる。In order to study the principle of the transport of latex fine particles in this manner, it is assumed that one fine particle is focused on and the laser beam is scanned once. When the particles are stationary and do not move at all, the force acting on the particles is related to the position of the laser spot.
It can be represented schematically as (a). This FIG.
In (a), the ordinate represents the force in the positive direction of the coordinate, that is, the force in the traveling direction of the laser spot, and the ordinate represents the force in the opposite direction. When the laser spot approaches the fine particles, first, a force that attracts the fine particles is exerted, and its size changes as shown in the figure due to the gradient of the electric field. When the laser light overlaps the particles, no force acts in the horizontal direction, and when the laser light passes by, the opposite phenomenon occurs. In this case, when the force acting on the particles is integrated with respect to time, the force in the traveling direction and the force in the opposite direction are canceled and become zero.
【0020】次に、微粒子が動く場合を考える。レーザ
ー光が近づいてくると、微粒子が引き寄せられて動くた
め、図7(b)の様に、レーザー光が微粒子と重なるま
での波形は図7(a)より圧縮される。一方、レーザー
光が微粒子を通過した後は、同じく引き寄せられること
により、力の波形は広げられる。すると、時間積分した
力は、レーザーの進行方向にある値を持つ。この力に1
秒間の繰り返し走査回数を掛けたものが仕事量として微
粒子に働き、この仕事量と溶媒による粘性抵抗や基盤と
の摩擦抵抗により微粒子の移動速度が決まる。Next, consider the case where fine particles move. When the laser light approaches, the fine particles are attracted and move, so that the waveform until the laser light overlaps the fine particles is compressed as shown in FIG. 7A, as shown in FIG. 7B. On the other hand, after the laser light has passed through the fine particles, the laser light is also attracted to widen the force waveform. Then, the force integrated over time has a value in the traveling direction of the laser. 1 for this power
The product obtained by multiplying the number of repeated scans per second acts on the fine particles as a work amount, and the moving speed of the fine particles is determined by the work amount, the viscous resistance due to the solvent, and the frictional resistance with the substrate.
【0021】図3〜図6の正方形の描画繰り返し回数を
かえて、レーザースポットの走査速度の関数として微粒
子の移動速度をプロットすると、走査速度が速くなるほ
ど流速が下がっていることが確認される。これは、図7
の原理から考えると、レーザー光の走査速度が速いと微
粒子が動く量は小さくなり、進行方向の力と逆方向の力
の差が小さくなってくるためと考えられる。When the moving speed of the fine particles is plotted as a function of the scanning speed of the laser spot by changing the number of times the square is drawn repeatedly in FIGS. 3 to 6, it is confirmed that the higher the scanning speed is, the lower the flow velocity is. This is shown in Figure 7.
In consideration of the principle of (1), it is considered that when the scanning speed of the laser light is high, the amount of movement of the fine particles becomes small and the difference between the force in the traveling direction and the force in the opposite direction becomes small.
【0022】また、微粒子の移動速度のレーザーパワー
依存性を測定した結果からは、最小約100 mWのパワー
で正方形のパターが形成でき、レーザーパワーを上げる
と移動速度は速くなることが確認される。このようにし
て、微粒子を輸送する場合の流速は、レーザーパワー、
レーザースポットの走査速度によって制御することが可
能である。From the result of measuring the laser power dependence of the moving speed of fine particles, it is confirmed that a square putter can be formed with a power of a minimum of about 100 mW, and the moving speed becomes faster when the laser power is increased. . In this way, the flow velocity for transporting the fine particles depends on the laser power,
It can be controlled by the scanning speed of the laser spot.
【0023】原理的に3次元的なトラッピングも可能で
あり、形成したパターンを基板上から持ち上げることも
できる。また、レーザー光の波長に吸収のある微粒子は
トラップできないことを利用して、たとえば、2種類の
微粒子を混ぜ合わせたとき、一方にレーザー光を吸収す
る物質を含有させておけば、1種類だけの微粒子で選択
的にパターン形成することができ、もう一方の微粒子は
異なる波長のレーザー光を同時に照射して、別のパター
ンを形成させることも可能である。In principle, three-dimensional trapping is also possible, and the formed pattern can be lifted from the substrate. Also, taking advantage of the fact that fine particles that absorb at the wavelength of laser light cannot be trapped. For example, if two types of fine particles are mixed and one contains a substance that absorbs laser light, only one It is also possible to selectively form a pattern with the fine particles of the above, and to irradiate the other fine particles with laser beams of different wavelengths at the same time to form another pattern.
【0024】一方、輸送機能を用いれば、マイクロメー
トル・オーダの化学工程制御ができ、たとえば、図3〜
6の正方形のパターンの2辺にそれぞれ異なる波長の光
を照射し、ラテックス中に光反応物質を含有させておく
と、一方の光で反応した粒子が輸送されながら周囲の溶
媒と次第に反応し、さらに、もう1つの光で反応が起こ
るといった系が構成できる。この様な空間的に微小な反
応場を構築すれば、生物細胞・生体組織の物質循環系に
対応する高効率・高選択的な物質・エネルギの変換・転
送が可能となると期待される。On the other hand, if the transport function is used, chemical process control on the order of micrometers can be performed.
By irradiating the two sides of the square pattern of 6 with light of different wavelengths, respectively, and incorporating a photoreactive substance in the latex, particles reacting with one light gradually react with the surrounding solvent while being transported, Furthermore, a system can be constructed in which the reaction occurs with another light. By constructing such a spatially minute reaction field, it is expected that highly efficient and highly selective conversion / transfer of materials / energy corresponding to the material circulation system of biological cells / living tissues will be possible.
【0025】図8は、ラテックスに変えて、0.5 μm以
下の粒径の酸化チタン粒子を用い、図2と同様にして星
形のパターンを形成したものである。このように、この
発明においては、各種の微粒子、あるいはマイクロカプ
セルを用い、レーザー光により特定の動態パターンを形
成することができる。もちろん、この発明は上記の例に
よって限定されるものではない。各種の具体的態様が可
能である。FIG. 8 shows a star pattern formed in the same manner as in FIG. 2 by using titanium oxide particles having a particle size of 0.5 μm or less instead of latex. As described above, in the present invention, various fine particles or microcapsules can be used to form a specific dynamic pattern by laser light. Of course, the present invention is not limited to the above example. Various specific embodiments are possible.
【0026】[0026]
【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明した通
り、所定のパターンに微粒子動態を制御することがで
き、また、この動態パターンにある微粒子を加工・修飾
することも可能である。As described in detail above, according to the present invention, it is possible to control the dynamics of fine particles in a predetermined pattern, and it is also possible to process / modify fine particles having this dynamic pattern.
【図1】この発明に用いることのできる実験システムを
示した光学系ブロック図である。FIG. 1 is an optical system block diagram showing an experimental system that can be used in the present invention.
【図2】この発明による微粒子動態パターンの一例を示
した模式平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view showing an example of a fine particle dynamics pattern according to the present invention.
【図3】FIG. 3
【図4】FIG. 4
【図5】[Figure 5]
【図6】この図3〜6は、この発明による微粒子動態パ
ターンにおける微粒子の輸送状態を示した模式平面図で
ある。FIGS. 3 to 6 are schematic plan views showing a transportation state of fine particles in a fine particle dynamic pattern according to the present invention.
【図7】(a)(b)は微粒子の静止状態と輸送につい
て原理的に示した作用力の模式図である。7 (a) and 7 (b) are schematic diagrams of the action force which is shown in principle for the stationary state and transportation of fine particles.
【図8】この発明のさらに別の動態パターンを示した模
式平面図である。FIG. 8 is a schematic plan view showing still another dynamic pattern of the present invention.
1 CWNd:YAGレーザー 2 ガルバノミラー 3 レンズ系 4 ダイクロイックミラー 5 対物レンズ 6 コントローラ 7 コンピュータ 8 CCDカメラ 9 モニタ 10 試料 1 CWNd: YAG laser 2 Galvano mirror 3 Lens system 4 Dichroic mirror 5 Objective lens 6 Controller 7 Computer 8 CCD camera 9 Monitor 10 Sample
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−34439(JP,A) 特表 平3−501364(JP,A) SCIENCE,VOL.235,PP. 1517−1520,(1987) CHEMISTRY LETTER S,NO.8,PP.1479−1482, (1990)Continuation of the front page (56) References JP-A-64-34439 (JP, A) Tokuhyo 3-501364 (JP, A) SCIENCE, VOL. 235, PP. 1517-1520, (1987) CHEMISTRY LETTER S, NO. 8, PP. 1479-1482, (1990)
Claims (1)
し、レーザ光の焦点位置を高速で繰り返し走査して、そ
の軌跡上に複数の微粒子を捕捉してパターン形成してな
ることを特徴とする微粒子動態パターン。1. A method in which a fine particle dispersion medium is irradiated with laser light, the focal position of the laser light is repeatedly scanned at high speed, and a plurality of fine particles are captured on the locus to form a pattern. Fine particle dynamics pattern.
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US07/806,635 US5212382A (en) | 1990-12-13 | 1991-12-13 | Laser trapping and method for applications thereof |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2000202788A (en) * | 1999-01-13 | 2000-07-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Operating device for fine substance |
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1990
- 1990-12-13 JP JP2402063A patent/JP2544520B2/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
Title |
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CHEMISTRYLETTERS,NO.8,PP.1479−1482,(1990) |
SCIENCE,VOL.235,PP.1517−1520,(1987) |
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JP2000202788A (en) * | 1999-01-13 | 2000-07-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Operating device for fine substance |
JP2000241310A (en) * | 1999-02-19 | 2000-09-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Device and method for operating minute object |
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JPH04210231A (en) | 1992-07-31 |
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