JP3644318B2

JP3644318B2 - Apparatus and method for operating fine object

Info

Publication number: JP3644318B2
Application number: JP25114399A
Authority: JP
Inventors: 貴之畑瀬
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 1999-09-06
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2019-09-06
Also published as: JP2001071300A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微生物や動植物細胞などの微細物体の捕捉や移動の操作を行う微細物体の操作装置および操作方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
生化学分野等における各種試験や分析では、試料中に存在する微生物や動植物細胞などの微細物体の中から特定の微細物体を識別して捕捉し、採取する操作が行われる。近年微細物体の捕捉に光ピンセットが用いられるようになっている。この光ピンセットは集光された光の光圧力によって微細物体を捕捉可能な光学的トラップを形成するものであり、試料溶液中などに存在する微細物体をこの光学的トラップ内に捕捉するものである。この捕捉方法によれば、非接触・非破壊で微細物体を捕捉することができ、光を走査させることにより捕捉した微細物体を試料中の任意の位置に移動させることができるなど、多くの長所を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで試料溶液中の微細物体の中には、容器の底に密集した状態で存在する場合があるが、その密集の中から目的とする微細物体のみを捕捉することは難しく、作業に時間を費やしていた。
【０００４】
そこで本発明は、目的の微細物体を効率よく捕捉できる微細物体の操作装置および操作方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の微細物体の操作装置は、微細物体を含む液体を収納した容器を保持する容器保持部と、光を発光する光源と、この光源からの光を集光することにより光圧力によって微細物体の捕捉が可能な捕捉範囲を形成するレンズと、この捕捉範囲を前記容器に対して相対的に移動させる移動手段と、この移動手段を制御することにより前記微細物体を前記捕捉範囲の前方に位置させて前記光圧力により移動させる動作と前記微細物体を前記捕捉範囲と一致する位置に位置決めした後前記光圧力により捕捉する動作とを選択的に行わせる制御手段とを備えた。
【０００７】
請求項２記載の微細物体の操作方法は、レンズで集光された光の光圧力を利用して液体中の微細物体を操作する微細物体の操作方法であって、前記微細物体を捕捉する場合には、光を集光することにより形成される捕捉範囲と一致する位置に微細物体を位置決めした状態で光を照射し、前記微細物体を光の照射方向へ移動させる場合には、前記捕捉範囲外であってこの補足範囲の前方に微細物体を位置させた状態で光を照射するようにした。
請求項３記載の微細物体の操作方法は、液体中に密集した状態で多数存在する微細物体をカメラにより探索して目的となる微細物体を特定する工程と、特定された微細物体をレンズで集光された光の捕捉範囲の前方に位置させ、その光圧力により特定された微細物体を含む微細物体を移動させて液体中における微細物体の分布をまばらにする工程と、目的となる微細物体をカメラにより再度探索して検出し、検出された微細物体をレンズで集光された光の捕捉範囲に捕捉する工程とを含む。
【０００８】
本発明によれば、密集状態にある微細物体を作業性よく効率よく捕捉することができる。また光ピンセットの捕捉範囲から外れた光を用いて微細物体の操作を行うので、光ピンセットによる微細物体の作業自由度を高めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の微細物体の操作装置の断面図、図２は同微細物体の操作装置の部分断面図、図３は同微細物体の操作装置による捕捉範囲の説明図、図４は同微細物体捕捉処理のフロー図、図５、図６は同微細物体捕捉処理の工程説明図である。
【００１０】
まず図１を参照して微細物体の操作装置の構造を説明する。図１において、透明な容器１中には試料である液体２が収納されており、液体２中には微生物や動植物細胞などの微細物体３が多数浮遊状態で存在している。これらの微細物体３は、捕捉や移動などの操作対象となるものである。容器１は保持テーブル４上に載置され保持されており、保持テーブル４は容器保持部となっている。
【００１１】
保持テーブル４は移動ステージ５に装着されている。移動ステージ５はＸステージ５ｘ、Ｙステージ５ｙおよびＺステージ５ｚにより構成されており、ＸＹＺドライバ６によって駆動される。移動ステージ５を駆動することにより、容器１中の液体２はＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動する。なお、ここで用いられるＸＹＺ座標は、以下に説明する光学系に固定されており、容器１はこの座標系に対して相対的に移動する。すなわち、容器１の底面のＺ座標ＺｓはＺステージ５ｚの移動によって変化し、光学系の光軸の容器１内におけるＸ方向、Ｙ方向の位置は、Ｘステージ５ｘ、Ｙステージ５ｙの移動によって変化する。
【００１２】
保持テーブル４の下方には、レーザトラップ部１０が配設されている。レーザトラップ部１０の光学ケース１１の上部には対物レンズ１２（各請求項記載のレンズに該当する）が装着されており、対物レンズ１２の下方にはハーフミラー１３が斜め方向に配設されている。光学ケース１１の側部にはレンズ１４、１５より成るレーザ光学系が設けられており、レンズ１５には光源であるレーザ照射部１６から照射されたレーザ光が入射する。このレーザ光はレーザ光学系を介してハーフミラー１３に水平方向から入射し、上方に反射されて対物レンズ１２に入射する。
【００１３】
保持テーブル４に設けられた開口部４ａを対物レンズ１２に対して位置合わせした状態で、レーザ照射部１６からレーザ光を照射することにより、対物レンズ１２に入射したレーザ光は透明な容器１の底面を透して液体２内に入光する。そしてこのレーザ光は液体２中で集光し、この集光したレーザ光によって光学的トラップによる捕捉範囲（後述）が形成される。この捕捉範囲では、微細物体３を光圧力によって非接触で捕捉することができる。
【００１４】
ハーフミラー１３の下方には撮像レンズ１７およびカメラ１８が配設されている。カメラ１８は、対物レンズ１２およびハーフミラー１３を透して容器１の液体２中の微細物体を撮像する。この撮像時のカメラ１８のピントは、前述の捕捉範囲付近に設定される。この捕捉範囲は、光学系に固定のＸＹＺ座標系上で固定されており、捕捉範囲の代表点位置を示す捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）の周辺で所定の広がりを持つ領域である。
【００１５】
カメラ１８には画像処理部１９が接続されており、カメラ１８によって得られた撮像データは画像処理部１９に送られる。そしてここで撮像データを画像処理することにより、液体２中の微細物体３を識別し、複数の微細物体の中から目的とする微細物体を特定する探索処理を行う。この探索処理により、捕捉対象の微細物体３の液体２中での位置が検出される。この位置検出結果は制御部２０に送られ、この位置検出結果に基づいて制御部２０によってＸＹＺドライバ６を制御して移動ステージ５を駆動することにより、容器１内の捕捉対象の微細物体３を所定位置に位置決めすることができる。また、移動ステージ５を駆動することにより、レーザトラップ部１０によって液体２中に形成された捕捉範囲に対して容器１を相対的に移動させることができる。すなわち、移動ステージ５は捕捉範囲を容器１に対して相対的に移動させる移動手段となっている。
【００１６】
そしてこの移動手段を制御部２０によって制御することにより、微細物体３を捕捉範囲内に位置決めする動作と微細物体３を捕捉範囲外に位置させる動作とを選択的に行わせることが可能となっている。すなわち、制御部２０は微細物体３を捕捉範囲内に位置決めする動作と微細物体３を捕捉範囲外に位置させる動作とを選択的に行わせる制御手段となっている。
【００１７】
制御部２０には入力部２１および出力部２２が接続されている。入力部２１はキーボードやマウスなどの入力手段を備えており、操作コマンドや各種データの入力を行う。表示部２２は撮像された微細物体の画像を画面表示すると共に、操作入力時の操作画面を表示する。
【００１８】
次に図２、図３を参照してレーザトラップ部１０による容器１の液体２中での光学的トラップの捕捉範囲形成について説明する。図２（ａ）に示すように、対物レンズ１２に下方から入射したレーザ光は、対物レンズ１２によって集光された状態で容器１の液体２内に入射する。このレーザ光が液体２内の微細物体３に照射されると、微細物体３には光圧力が作用する。この光圧力によって一般には微細物体３を照射方向（レーザ光が進む方向）に移動させる方向の力が作用する。
【００１９】
このとき、対物レンズ１２として開口数ＮＡの大きなレンズを用いてレーザ光を急激に集束させると、図２（ｂ）に示すように、集光点Ｆの前方（対物レンズ１２から遠ざかる方向）の特定位置には、微細物体３に作用する光圧力がつり合う領域、すなわちレーザ光の照射方向の光圧力と、照射方向と反対方向で集光点Ｆに向かう光圧力とがつり合う領域が生じ、この領域内に位置した微細物体３はレーザ光によりトラップされた状態となる。そしてこのトラップ状態でレーザ光を液体２内で走査させると、微細物体３はトラップ状態のまま移動する。このレーザ光によるトラップが可能な領域は、前述の捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）の周辺で所定の広がりを持っており、微細物体３の捕捉範囲Ｔとなっている。
【００２０】
上述のように、捕捉範囲Ｔを形成するにはレーザ光の集束の度合いが大きいことが必要であり、図２（ｃ）に示すように開口数ＮＡが小さいレンズ１２’を用いた場合には、レーザ光の集束の度合いが弱いため捕捉範囲Ｔは形成されない。この場合には、レーザ光を照射された微細物体には、常に照射方向に移動させる方向の力が作用する。
【００２１】
図３は、捕捉範囲Ｔが形成される場合において、微細物体３が捕捉範囲Ｔの近傍に位置している場合の微細物体３の挙動を示すものである。図３（ａ）は、微細物体３が捕捉範囲Ｔのさらに前方（対物レンズ１２から遠ざかる方向）に位置した状態を示している。この状態でレーザ光を照射すると、微細物体３には照射されたレーザ光の光圧力によって照射方向（捕捉範囲Ｔからさらに遠ざかる方向）へ微細物体を移動させる力が作用する。この結果微細物体３は液体２中でレーザ光の照射方向に移動する。このとき、容器１を対物レンズ１２に対して相対的に接近させる動作を併用することにより、レーザ光の照射のみによる移動と比較して、さらに効率よく微細物体３を液体２内で移動させることができる。
【００２２】
図３（ｂ）は微細物体３を捕捉範囲Ｔの手前側（捕捉範囲Ｔと対物レンズ１２との間）に位置させた状態を示している。この状態でも微細物体３には照射されるレーザ光の光圧力により照射方向に移動させる力が作用するが、この場合には微細物体３の移動方向には捕捉範囲Ｔが位置しているため、時間の経過とともに微細物体３は捕捉範囲Ｔに接近しやがて捕捉範囲Ｔ内に移動して捕捉される。すなわち、図３（ｂ）に示す状態に微細物体３を位置させれば、その後はレーザ光の照射を継続するのみで、微細物体３は自動的に捕捉範囲Ｔまで移動して捕捉される。
【００２３】
言い換えれば捕捉範囲Ｔ内に微細物体３を正確に位置決めしなくても、図３（ｂ）に示す捕捉範囲Ｔと対物レンズ１２との間の捕捉準備範囲Ｒ内に微細物体３を位置させれば、後は微細物体３の捕捉は自動的に行うことができる。捕捉準備範囲Ｒは捕捉範囲Ｔよりもはるかに広いため、この自動捕捉を利用することにより、従来の光学的トラップによる捕捉時に求められた微細物体３と捕捉範囲Ｔとの位置決め精度を大幅に緩和することが可能となる。
【００２４】
図３（ｃ）はこの自動捕捉時の捕捉動作を促進する方法を示すものであり、レーザ光の照射を継続するとともに、捕捉範囲Ｔを微細物体３に対して相対的に近づける方向に移動させるものである。これにより、微細物体３のみを移動させる場合と比較して捕捉範囲Ｔに微細物体３が到達して捕捉されるのに要する時間を短縮できる。
【００２５】
次にこの微細物体の操作装置による微細物体捕捉処理を図５、図６を参照して図４のフローに沿って説明する。ここでは、容器１の底面に密集した状態で多数存在する微細物体３の中から捕捉の対象となる微細物体３ａを探索して捕捉する処理を示している。図５は捕捉処理における表示部２２の表示画面３１の表示状態と、そのときの容器１内の微細物体３と捕捉範囲との位置関係を示したものである。図５においては、実線で示すレーザ光Ｌのみが実際の照射状態を示しており、破線で示すレーザ光Ｌは捕捉範囲Ｔを図示するための仮想線である。
【００２６】
図５（ｂ）に示すように、目的とする微細物体３ａの近傍に捕捉したくない微細物体が多数存在する場合があり、いきなり目的とする微細物体３ａを捕捉しようとしても捕捉したくない微細物体まで同時に捕捉してしまう可能性が極めて高い。このような場合は、目的の微細物体をその近傍の微細物体ごと容器１の底より浮揚させ、微細物体の分布をまばらにした状態で目的の微細物体３ａのみを捕捉する。
【００２７】
まず最初に、レーザ照射がＯＦＦの状態で、目的となる微細物体３を探索する（ＳＴ１）。この探索は、移動ステージ５を駆動して撮像位置を移動させながらカメラ１８によって撮像された微細物体３の画像を画像処理部１９で認識し、識別することによって行う。図５（ａ）は探索の結果、容器１の底面上の多数の微細物体３の中から目的となる微細物体３ａの画像３３が表示画面３１内で特定された状態を示している。表示画面３１の中央には捕捉範囲の代表点である捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ）を示すマーク３２が表示されている。この後、探索され特定された微細物体３ａの位置座標（ｘ０，ｙ０）を制御部２０の記憶装置に記憶する（ＳＴ２）。なお、画像処理を用いて目的となる微細物体３の自動探索を行うかわりに、表示部２２の表示画面上で作業者が目視により目的となる微細物体３を識別してティーチングして微細物体３ａの位置座標を制御部２０の記憶装置に記憶させてもよい。
【００２８】
図５（ａ）は探索の結果、容器１の底面上の多数の微細物体３の中から目的となる微細物体３ａの画像３３が表示画面３１内で特定された状態を示している。表示画面３１の中央には捕捉範囲の代表点である捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ）を示すマーク３２が表示されている。この後、探索され特定された微細物体３ａの位置を認識し、微細物体３ａの位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を制御部２０の記憶装置に記憶する（ＳＴ２）。
【００２９】
次に図５（ｂ）に示すように、微細物体３ａの位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）が捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）からＺ方向に遠ざかるよう移動ステージ５を移動させる（ＳＴ３）。これにより、容器１内の底面上の微細物体３は捕捉範囲Ｔの前方に位置する。次いでレーザ照射部１６による用レーザ照射をＯＮにする（ＳＴ４）。この結果、微細物体３にはレーザ光が照射され、図５（ｃ）に示すように微細物体３はレーザ光の光圧力により液体２内を上方に移動する。これにより、液体２中における微細物体の分布がまばらとなり、目的とする微細物体３ａの近傍には微細物体が存在しないスペースが生じる。
【００３０】
この後所定時間が経過したならば、表示画面３１によって目的の微細物体３が液体２中に浮揚したことを確認する（ＳＴ５）。この確認は、微細物体３が移動することによってカメラ１８のピント位置から外れ、表示画面３１上で微細物体の像３３がピンボケ状態になることを観察することにより行われる。
【００３１】
この後、再びレーザ照射をＯＦＦにし（ＳＴ６）、ＳＴ１と同様に目的となる微細物体３ａを再度探索し（ＳＴ７）、微細物体３ａの位置を認識してこの時点での位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を検出する。そして探索された微細物体３ａが１個のみであることを確認した後、捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）が微細物体３ａの位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）と一致するよう、移動ステージ５を移動する（ＳＴ８）。そして図６（ａ）に示すように、微細物体３ａが捕捉範囲Ｔ内に位置決めされたならば、図６（ｂ）に示すように、再びレーザ照射をＯＮにして捕捉範囲Ｔ内に微細物体３を捕捉する（ＳＴ９）。これにより、容器１の底面上に存在する多数の微細物体の中から、目的とする微細物体３ａのみが捕捉される。
【００３２】
上記微細物体の操作方法は、レンズで光を集光させることにより形成される捕捉範囲Ｔの内と外で、光圧力による微細物体に対する作用が異なるという特性を利用して、単一の光ピンセット装置を用いて、微細物体の捕捉を効率よく行うことを可能としたものである。すなわち、容器の底に密集した状態で存在する微細物体の中から目的の微細物体３を捕捉する場合には、容器の底に位置している目的の微細物体３ａにレーザ光を下方から（容器の底から）照射して目的の微細物体３ａとその周囲の微細物体３を試料溶液中に浮揚させ、分布がまばらになったところで目的の微細物体３ａを捕捉する。
【００３３】
このとき、微細物体３ａを浮揚させる場合に用いられるレーザ光としては、捕捉範囲の外側（対物レンズから遠ざかる方向）の光を使用する。これにより、レーザ光が照射された微細物体は捕捉されることなく光の進行方法（照射方向）へ移動する。さらには、従来は捕捉のみに用いられていた光ピンセットの利用範囲を拡張して光ピンセット装置の有効活用が図れるとともに、光の光圧による移動は従来の捕捉状態で移動させる場合と比較して移動速度を大きく設定することが可能なため、操作効率を向上させるという効果をも併せて得ることができる。
【００３４】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２の微細物体の操作装置の断面図である。上記実施の形態１では、捕捉範囲の容器１に対する相対移動を、移動ステージ５のＺステージ５Ｚによって容器１をレンズに対して相対移動させることにより行っているのに対し、本実施の形態２においては、捕捉範囲と対物レンズとの間の光学的距離を変化させることによって行うものである。
【００３５】
図７において、保持テーブル４は、Ｘステージ５ｘ、Ｙステージ５ｙにより成る移動ステージ５’に装着されている。保持テーブル４はＸＹドライバ６’に駆動されて，Ｘ方向およびＹ方向に、すなわち対物レンズ１２の中心線に対して垂直な面内で移動可能となっており、移動ステージ５’は、対物レンズ１２と容器１とを前記面内で相対的に移動させる第１の移動手段となっている。
【００３６】
上記構成では、容器１は対物レンズ１２に対してＺ方向の位置が固定されている。したがって、この状態では、対物レンズ１２によって集光されて形成される捕捉範囲を容器１に対してＺ方向に相対的に移動させることができない。そこで、本実施の形態２では以下の構成により、捕捉範囲を容器１に対して相対的に移動させるようにしている。
【００３７】
レーザ光学系を構成するレンズ１４は、水平方向の移動機構２３に装着されている。移動機構２３をＺドライバ２４によって駆動することにより、レンズ１４は水平方向に移動し、したがって、レンズ１４は対物レンズ１２に対して相対的に移動する。これにより、対物レンズ１２に下方から入射するレーザ光の入射角が変化し、対物レンズ１２によって集光されたレーザ光が形成する捕捉範囲と対物レンズ１２との間の光学的距離が変化する。すなわち、レンズ１４、移動機構２３およびＺドライバ２４は捕捉範囲と対物レンズ１２との間の距離を光学的に変化させる第２の移動手段となっている。
【００３８】
このような構成を採用することにより、容器１をＺ方向に固定した場合にあっても、対物レンズ１２によって集光された光が形成する捕捉範囲と容器１とを相対的に移動させることができる。これにより、実施の形態１に示した例と同様の微細物体捕捉処理を行うことが可能となる。すなわち、実施の形態１のＳＴ３およびＳＴ８において、移動ステージ５を移動させる替わりに、移動機構２３を駆動してレンズ１４を移動させることにより、捕捉位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）と位置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）とを相対移動させることができる。したがって、本実施の形態２に示す構成によって、実施の形態１と同様の効果を得ることが可能となる。
【００３９】
以上のように本発明の微細物体の操作装置では、光ピンセットの捕捉範囲の外側の光も微細物体の操作に利用するので光ピンセットによる作業自由度が高くなり、従来に比べて効率よく微細物体を操作（捕捉、移動）することができる。特に密集した微細物体の中から目的の微細物体を捕捉する場合において顕著な効果が期待できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、密集状態にある微細物体を作業性よく効率よく捕捉することができる。また光ピンセットの捕捉範囲から外れた光を用いて微細物体の操作を行うので、光ピンセットによる微細物体の作業自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の微細物体の操作装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態１の微細物体の操作装置の部分断面図
【図３】本発明の実施の形態１の微細物体の操作装置による捕捉範囲の説明図
【図４】本発明の実施の形態１の微細物体捕捉処理のフロー図
【図５】本発明の実施の形態１の微細物体捕捉処理の工程説明図
【図６】本発明の実施の形態１の微細物体捕捉処理の工程説明図
【図７】本発明の実施の形態２の微細物体の操作装置の断面図
【符号の説明】
１容器
２液体
３微細物体
４保持テーブル
５移動ステージ
６ＸＹＺドライバ
１０レーザトラップ部
１２対物レンズ
１４レンズ
２０制御部
２３移動機構
２４Ｚドライバ
Ｔ捕捉範囲[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro object operating apparatus and operation method for capturing and moving micro objects such as microorganisms and animal and plant cells.
[0002]
[Prior art]
In various tests and analyzes in the biochemical field and the like, an operation is performed in which a specific fine object is identified, captured, and collected from fine objects such as microorganisms and animal and plant cells present in a sample. In recent years, optical tweezers have been used to capture fine objects. This optical tweezers forms an optical trap that can capture a fine object by the optical pressure of the collected light, and captures a fine object that exists in a sample solution or the like in this optical trap. . According to this capturing method, a fine object can be captured in a non-contact / non-destructive manner, and the captured fine object can be moved to an arbitrary position in the sample by scanning light. have.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, some fine objects in the sample solution may exist in a dense state at the bottom of the container, but it is difficult to capture only the target fine object from the dense state, and it takes time to work. It was.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an operation device and an operation method for a fine object that can efficiently capture the target fine object.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The apparatus for manipulating a fine object according to claim 1 is a container holding unit that holds a container containing a liquid containing a fine object, a light source that emits light, and a light pressure by condensing light from the light source. A lens that forms a capturing range capable of capturing a fine object, a moving unit that moves the capturing range relative to the container, and a front part of the capturing range by controlling the moving unit. And a control means for selectively performing an operation of moving the micro object by the optical pressure and an operation of capturing the micro object after positioning the fine object at a position coinciding with the capture range.
[0007]
The method for manipulating a fine object according to claim 2 is a method for manipulating a fine object in which a fine object in a liquid is manipulated using light pressure of light collected by a lens, and the fine object is captured. In the case of irradiating light with a fine object positioned at a position that coincides with the capture range formed by condensing light, and moving the fine object in the light irradiation direction, the capture range The light was irradiated with a fine object located outside and in front of this supplemental range.
Operation of the fine objects according to the third aspect, identifying a fine object as an object of fine objects present a number while dense in the liquid and more search camera, the identified micro object lens A step of moving the fine object including the fine object specified by the light pressure to be located in front of the collection range of the collected light and sparse distribution of the fine object in the liquid; and the target fine object And searching again with a camera, and capturing the detected fine object in the capturing range of the light collected by the lens.
[0008]
According to the present invention, fine objects in a dense state can be efficiently captured with good workability. Further, since the fine object is manipulated using the light that is out of the capture range of the optical tweezers, it is possible to increase the degree of freedom in working the fine object with the optical tweezers.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fine object operating device according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the fine object operating device, and FIG. FIG. 4 is a flowchart of the fine object capturing process, and FIGS. 5 and 6 are process explanatory diagrams of the fine object capturing process.
[0010]
First, the structure of the fine object operating device will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a liquid 2 as a sample is stored in a transparent container 1, and many fine objects 3 such as microorganisms and animal and plant cells exist in the liquid 2 in a floating state. These fine objects 3 are objects to be operated such as capturing and moving. The container 1 is placed and held on a holding table 4, and the holding table 4 serves as a container holding unit.
[0011]
The holding table 4 is mounted on the moving stage 5. The moving stage 5 includes an X stage 5x, a Y stage 5y, and a Z stage 5z, and is driven by an XYZ driver 6. By driving the moving stage 5, the liquid 2 in the container 1 moves in the X direction, the Y direction, and the Z direction. The XYZ coordinates used here are fixed to an optical system described below, and the container 1 moves relative to this coordinate system. That is, the Z coordinate Zs of the bottom surface of the container 1 is changed by the movement of the Z stage 5z, and the positions of the optical axis of the optical system in the X direction and the Y direction are changed by the movement of the X stage 5x and the Y stage 5y. To do.
[0012]
A laser trap section 10 is disposed below the holding table 4. An objective lens 12 (corresponding to a lens described in each claim) is mounted on the upper part of the optical case 11 of the laser trap unit 10, and a half mirror 13 is disposed obliquely below the objective lens 12. Yes. A laser optical system including lenses 14 and 15 is provided on the side of the optical case 11, and laser light emitted from a laser irradiation unit 16 that is a light source is incident on the lens 15. This laser light enters the half mirror 13 from the horizontal direction through the laser optical system, is reflected upward, and enters the objective lens 12.
[0013]
By irradiating the laser beam from the laser irradiation unit 16 with the opening 4a provided in the holding table 4 being aligned with the objective lens 12, the laser beam incident on the objective lens 12 is emitted from the transparent container 1. Light enters the liquid 2 through the bottom surface. This laser beam is condensed in the liquid 2 and a trapping range (described later) by an optical trap is formed by the collected laser beam. In this capturing range, the fine object 3 can be captured in a non-contact manner by light pressure.
[0014]
An imaging lens 17 and a camera 18 are disposed below the half mirror 13. The camera 18 images a fine object in the liquid 2 of the container 1 through the objective lens 12 and the half mirror 13. The focus of the camera 18 at the time of imaging is set in the vicinity of the capturing range described above. The capture range is fixed on an XYZ coordinate system fixed to the optical system, and is a region having a predetermined spread around the capture position (xt, yt, zt) indicating the representative point position of the capture range.
[0015]
An image processing unit 19 is connected to the camera 18, and imaging data obtained by the camera 18 is sent to the image processing unit 19. Then, by performing image processing on the imaging data, a fine object 3 in the liquid 2 is identified, and search processing for specifying a target fine object from a plurality of fine objects is performed. By this search process, the position in the liquid 2 of the fine object 3 to be captured is detected. The position detection result is sent to the control unit 20, and the control unit 20 controls the XYZ driver 6 based on the position detection result to drive the moving stage 5. It can be positioned at a predetermined position. Further, by driving the moving stage 5, the container 1 can be moved relative to the capturing range formed in the liquid 2 by the laser trap unit 10. That is, the moving stage 5 is a moving means for moving the capture range relative to the container 1.
[0016]
Then, by controlling the moving means by the control unit 20, it is possible to selectively perform the operation of positioning the fine object 3 within the capture range and the operation of positioning the fine object 3 outside the capture range. Yes. That is, the control unit 20 is a control unit that selectively performs an operation of positioning the fine object 3 within the capture range and an operation of positioning the fine object 3 outside the capture range.
[0017]
An input unit 21 and an output unit 22 are connected to the control unit 20. The input unit 21 includes input means such as a keyboard and a mouse, and inputs operation commands and various data. The display unit 22 displays an image of the captured fine object on the screen and displays an operation screen at the time of operation input.
[0018]
Next, the formation of the trapping range of the optical trap in the liquid 2 of the container 1 by the laser trap unit 10 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2A, the laser light incident on the objective lens 12 from below enters the liquid 2 in the container 1 while being focused by the objective lens 12. When the laser beam is irradiated onto the fine object 3 in the liquid 2, light pressure acts on the fine object 3. In general, a force in the direction of moving the fine object 3 in the irradiation direction (the direction in which the laser light travels) acts on the light pressure.
[0019]
At this time, when a laser beam is rapidly focused using a lens having a large numerical aperture NA as the objective lens 12, as shown in FIG. 2B, the front of the condensing point F (in the direction away from the objective lens 12). At the specific position, there is a region where the light pressure acting on the fine object 3 is balanced, that is, a region where the light pressure in the irradiation direction of the laser beam is balanced with the light pressure toward the condensing point F in the opposite direction to the irradiation direction. The fine object 3 located in the region is trapped by the laser beam. When the laser beam is scanned in the liquid 2 in this trap state, the fine object 3 moves in the trap state. The region where the trapping by the laser beam can be performed has a predetermined spread around the above-described capturing position (xt, yt, zt), and is a capturing range T of the fine object 3.
[0020]
As described above, in order to form the capture range T, it is necessary that the degree of focusing of the laser light is large, and when using a lens 12 ′ having a small numerical aperture NA as shown in FIG. The trapping range T is not formed because the degree of focusing of the laser beam is weak. In this case, a force in the direction of moving in the irradiation direction always acts on the fine object irradiated with the laser light.
[0021]
FIG. 3 shows the behavior of the fine object 3 when the fine object 3 is positioned in the vicinity of the capture range T when the capture range T is formed. FIG. 3A shows a state in which the fine object 3 is positioned further in front of the capture range T (in a direction away from the objective lens 12). When laser light is irradiated in this state, a force that moves the fine object in the irradiation direction (direction farther away from the capture range T) acts on the fine object 3 by the light pressure of the irradiated laser light. As a result, the fine object 3 moves in the liquid 2 in the laser light irradiation direction. At this time, by using the operation of bringing the container 1 relatively close to the objective lens 12, the fine object 3 can be moved more efficiently in the liquid 2 as compared with the movement only by laser light irradiation. Can do.
[0022]
FIG. 3B shows a state in which the fine object 3 is positioned on the near side of the capture range T (between the capture range T and the objective lens 12). Even in this state, the force that moves in the irradiation direction is applied to the fine object 3 by the light pressure of the irradiated laser beam. In this case, the capture range T is located in the movement direction of the fine object 3, As time passes, the fine object 3 approaches the capture range T and eventually moves into the capture range T and is captured. That is, if the fine object 3 is positioned in the state shown in FIG. 3B, the fine object 3 is automatically moved to the capture range T and captured only by continuing the laser light irradiation thereafter.
[0023]
In other words, even if the fine object 3 is not accurately positioned within the capture range T, the fine object 3 can be positioned within the capture preparation range R between the capture range T and the objective lens 12 shown in FIG. For example, the fine object 3 can be captured automatically thereafter. Since the capture preparation range R is much wider than the capture range T, by using this automatic capture, the positioning accuracy between the fine object 3 and the capture range T, which is required when capturing with the conventional optical trap, is greatly reduced. It becomes possible to do.
[0024]
FIG. 3C shows a method of promoting the capturing operation at the time of this automatic capturing. The laser light irradiation is continued and the capturing range T is moved in a direction relatively close to the fine object 3. Is. Thereby, compared with the case where only the fine object 3 is moved, the time required for the fine object 3 to reach the capture range T and be captured can be shortened.
[0025]
Next, the fine object capturing process by the fine object operating device will be described with reference to FIGS. 5 and 6 along the flow of FIG. Here, a process of searching for and capturing a fine object 3a to be captured from among a large number of fine objects 3 that are densely present on the bottom surface of the container 1 is shown. FIG. 5 shows the display state of the display screen 31 of the display unit 22 in the capture process and the positional relationship between the fine object 3 in the container 1 and the capture range at that time. In FIG. 5, only the laser beam L indicated by the solid line indicates the actual irradiation state, and the laser beam L indicated by the broken line is a virtual line for illustrating the capture range T.
[0026]
As shown in FIG. 5B, there may be a large number of fine objects that do not want to be captured in the vicinity of the target fine object 3a. There is an extremely high possibility that objects will be captured at the same time. In such a case, the target fine object is levitated from the bottom of the container 1 together with the fine objects in the vicinity thereof, and only the target fine object 3a is captured in a state where the distribution of the fine objects is sparse.
[0027]
First, the target fine object 3 is searched with the laser irradiation turned off (ST1). This search is performed by recognizing and identifying the image of the fine object 3 captured by the camera 18 while driving the moving stage 5 and moving the imaging position. FIG. 5A shows a state in which the image 33 of the target fine object 3 a is identified in the display screen 31 from among the many fine objects 3 on the bottom surface of the container 1 as a result of the search. In the center of the display screen 31, a mark 32 indicating a capture position (xt, yt) that is a representative point of the capture range is displayed. Thereafter, the position coordinates (x0, y0) of the fine object 3a searched and specified are stored in the storage device of the control unit 20 (ST2). Instead of automatically searching for the target fine object 3 using image processing, the operator visually identifies and teaches the target fine object 3 on the display screen of the display unit 22 and teaches the fine object 3a. May be stored in the storage device of the control unit 20.
[0028]
FIG. 5A shows a state in which the image 33 of the target fine object 3 a is identified in the display screen 31 from among the many fine objects 3 on the bottom surface of the container 1 as a result of the search. In the center of the display screen 31, a mark 32 indicating a capture position (xt, yt) that is a representative point of the capture range is displayed. Thereafter, the position of the fine object 3a searched and specified is recognized, and the position coordinates (x0, y0, z0) of the fine object 3a are stored in the storage device of the control unit 20 (ST2).
[0029]
Next, as shown in FIG. 5B, the moving stage 5 is moved so that the position coordinates (x0, y0, z0) of the fine object 3a move away from the capture position (xt, yt, zt) in the Z direction (ST3). . Thereby, the fine object 3 on the bottom surface in the container 1 is positioned in front of the capturing range T. Next, the laser irradiation by the laser irradiation unit 16 is turned on (ST4). As a result, the fine object 3 is irradiated with laser light, and the fine object 3 moves upward in the liquid 2 by the light pressure of the laser light as shown in FIG. Thereby, the distribution of the fine objects in the liquid 2 is sparse, and a space in which no fine objects are present is formed in the vicinity of the target fine object 3a.
[0030]
If a predetermined time has passed after this, it is confirmed on the display screen 31 that the target fine object 3 has floated in the liquid 2 (ST5). This confirmation is performed by observing that the image 33 of the fine object is out of focus on the display screen 31 by moving the fine object 3 from the focus position of the camera 18.
[0031]
Thereafter, the laser irradiation is turned off again (ST6), the target fine object 3a is searched again as in ST1 (ST7), the position of the fine object 3a is recognized, and the position coordinates (x0, y0) at this time point are detected. , Z0). After confirming that there is only one searched fine object 3a, the moving stage 5 is set so that the capture position (xt, yt, zt) coincides with the position coordinates (x0, y0, z0) of the fine object 3a. (ST8). Then, as shown in FIG. 6 (a), if the fine object 3a is positioned within the capture range T, the laser irradiation is turned on again and the fine object is within the capture range T as shown in FIG. 6 (b). 3 is captured (ST9). Thereby, only the target fine object 3a is captured from among the many fine objects existing on the bottom surface of the container 1.
[0032]
The fine object manipulation method uses a single optical tweezers utilizing the characteristic that the action of the light pressure on the fine object is different between inside and outside the capture range T formed by condensing the light with the lens. It is possible to efficiently capture a fine object using the apparatus. That is, when the target fine object 3 is captured from the fine objects that are densely present at the bottom of the container, the laser light is applied to the target fine object 3a located at the bottom of the container from below (the container The target fine object 3a and surrounding fine objects 3 are levitated in the sample solution by irradiation, and when the distribution is sparse, the target fine object 3a is captured.
[0033]
At this time, as the laser light used when the fine object 3a is levitated, light outside the capture range (direction away from the objective lens) is used. Thereby, the fine object irradiated with the laser light moves in the light traveling method (irradiation direction) without being captured. In addition, the optical tweezers can be used effectively by expanding the range of optical tweezers that was used only for capture in the past, and the movement due to the light pressure of light is compared to the case of moving in the conventional capture state. Since the moving speed can be set large, the effect of improving the operation efficiency can also be obtained.
[0034]
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view of the fine object manipulating apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the relative movement of the capture range relative to the container 1 is performed by moving the container 1 relative to the lens by the Z stage 5Z of the moving stage 5, whereas in the second embodiment, Is performed by changing the optical distance between the capture range and the objective lens.
[0035]
In FIG. 7, the holding table 4 is mounted on a moving stage 5 ′ composed of an X stage 5x and a Y stage 5y. The holding table 4 is driven by an XY driver 6 ′ and can move in the X direction and the Y direction, that is, in a plane perpendicular to the center line of the objective lens 12. 12 and the container 1 are the first moving means for relatively moving in the plane.
[0036]
In the above configuration, the position of the container 1 in the Z direction with respect to the objective lens 12 is fixed. Therefore, in this state, the capture range formed by being condensed by the objective lens 12 cannot be moved relative to the container 1 in the Z direction. Therefore, in the second embodiment, the capture range is moved relative to the container 1 with the following configuration.
[0037]
The lens 14 constituting the laser optical system is mounted on a horizontal moving mechanism 23. By driving the moving mechanism 23 by the Z driver 24, the lens 14 moves in the horizontal direction, and thus the lens 14 moves relative to the objective lens 12. Thereby, the incident angle of the laser light incident on the objective lens 12 from below changes, and the optical distance between the capture range formed by the laser light condensed by the objective lens 12 and the objective lens 12 changes. That is, the lens 14, the moving mechanism 23, and the Z driver 24 serve as a second moving unit that optically changes the distance between the capture range and the objective lens 12.
[0038]
By adopting such a configuration, even when the container 1 is fixed in the Z direction, the capture range formed by the light condensed by the objective lens 12 and the container 1 can be relatively moved. it can. Thereby, it is possible to perform the same fine object capturing process as in the example shown in the first embodiment. That is, in ST3 and ST8 of the first embodiment, instead of moving the moving stage 5, the moving mechanism 23 is driven to move the lens 14, so that the capture position (xt, yt, zt) and the position coordinates (x0) are moved. , Y0, z0) can be moved relative to each other. Therefore, the configuration shown in the second embodiment can achieve the same effect as that of the first embodiment.
[0039]
As described above, in the apparatus for manipulating a fine object according to the present invention, light outside the capture range of the optical tweezers is also used for manipulating the fine object. Can be operated (captured and moved). In particular, a remarkable effect can be expected when a target fine object is captured from a dense fine object.
[0040]
【The invention's effect】
According to the present invention, fine objects in a dense state can be efficiently captured with good workability. Further, since the fine object is manipulated using the light that is out of the capture range of the optical tweezers, it is possible to increase the degree of freedom in working the fine object with the optical tweezers.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view of a fine object manipulating apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a fine object manipulating apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a flow chart of a fine object capturing process according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a flow chart of a fine object capturing process according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a process explanatory diagram of a fine object capturing process according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of the fine object operation device according to the second embodiment of the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 2 Liquid 3 Fine object 4 Holding table 5 Moving stage 6 XYZ driver 10 Laser trap part 12 Objective lens 14 Lens 20 Control part 23 Moving mechanism 24 Z driver T Capture range

Claims

A container holding unit that holds a container containing a liquid containing a fine object, a light source that emits light, and a trapping range in which the fine object can be captured by light pressure by collecting light from the light source. A lens, a moving means for moving the capturing range relative to the container, and an operation for controlling the moving means to move the fine object in front of the capturing range and moving it by the light pressure. An apparatus for operating a fine object, comprising: control means for selectively performing an operation of capturing the fine object by the light pressure after positioning the fine object at a position coincident with the capture range.

A method for manipulating a fine object in a liquid by utilizing the light pressure of light collected by a lens, wherein the fine object is formed by collecting light when the fine object is captured. When irradiating light with a fine object positioned at a position that coincides with the capture range, and moving the fine object in the light irradiation direction, the fine object is outside the capture range and in front of the supplemental range. A method for manipulating a fine object, characterized by irradiating light in a state where the object is positioned.

Identifying a fine object as an object of fine objects present a number while dense in the liquid and more search camera, positioned in front of the capture range of the light collected the identified micro object lens And the process of moving the minute object including the minute object specified by the light pressure to sparse the distribution of the minute object in the liquid, and searching again by the camera for the desired minute object and detecting it. And a step of capturing the fine object in a capture range of light collected by the lens.