JP5244281B2 - 材料を操作するために光ピンセットを使用する装置 - Google Patents
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Description
本発明の付加的な目的は、操作されるサンプルが光の吸収により過渡に加熱又は変形されない、可視光の光トラップを制御するための新しい方法及び装置を提供することである。
種々の実施形態の中で、前に記述した基本的な光トラップモードは、様々な有用な手順の中で使用することができる。さらに、他の実施形態は、光トラップの動作及び効用を向上させるために、これらの方法に適合するように構成することができる装置及びシステムを含む。特に、光トラップを制御及び変更することができ、これらの特徴を利用する種々の実施形態を以下に説明する。
本発明の好ましい実施形態では、可視の光ピンセットを都合よく使用することができる。本発明の別の形態では、紫外光に適合した特定の大きさの材料に対して又は紫外光に感受性が低い用途に対して、本発明は紫外光を含む可視光よりも短い波長にまで拡張することができる。これまでは、生きている生体物質の中で使用するピンセットは、前述した理由のために赤外光から形成されてきた。一般に、光ピンセットは、少なくとも3つの主要な仕組み、すなわち、(1)機械的に崩壊する物理的な相互接続、(2)加熱、及び(3)生体材料の場合、生体分子の光化学作用による変形、により生物学的システムを損傷することがある(単に典型的な仕組みを示したが、他の仕組みも考えられる)。第1の仕組みには、膜を構成するリン脂質光トラップ内に引き込み、次にそれらをミセル又は気胞として排出するような工程が含まれる。そのような工程は光ピンセットの動作に固有のものであり、使用する光の波長には依存しない。所定の用途に対してできるだけ小さくかつ最も効率的なトラッピング力を用いることによって、これらの破壊的な工程を最小限にすることができる。加熱は、緑のレーザ光がヘモグロビンが豊富な赤血球を破壊することに代表されるように、光トラッピング光子の吸収に起因する。しかしながら、大抵の生体物質は本質的に可視光に対しては透明であり、実際には、赤外光をより強く吸収する。例えば、水の吸収係数は、λ=1μmのときμ∂=0.1cm-1(赤外範囲)と比べるとλ=500nmのとき約μ∂=3x10-4cm-1(可視範囲)である。従って、赤外ベースの光トラップは、可視光ベースのトラップよりも約300倍も効率的に水を加熱する。この差は、他の生物学的システムの構成要素に対して報告されているものよりもはるかに少ない。例えば、大抵の蛋白質及び多糖類のモル吸収係数は、可視光に対してはμ∂≒0.1cm-1/Mであり、赤外放射に対してはμ∂≒0.01cm-1/Mである。ヘモグロビンは例外であり、可視光部分のスペクトル内でμ∂≒104cm-1/Mという比較的巨大なモル吸収係数を有する。そのような強い吸収条件がない場合は、可視光は加熱に対しては赤外光よりも優れていることになり、実際に、生物学的システムでは水が行き渡っているため望ましいであろう。
従って、相当な損傷が発生する可能性は大幅に減少され、対象の素材に対してほとんど損傷を与えないことすら可能である。さらに、使用する光の波長を注意深く選択することによって(可視又は場合によっては紫外)、検査する材料の吸収ウィンドウ(absorption window)を使用して、光の吸収を減らしこれにより材料の損傷又は変形を軽減することができる。
1.可視光の波長範囲を選択することにより、材料の種類による強い吸収特性に関係する光の波長を使用することを避けることができる。
2.パルスレーザではなく、連続波(CW)レーザによりトラップを作ることができる。
3.ただ1つの点ではなく複数の点において、広がったサンプルをトラップすることができる。
4.各トラップをできるだけ効率的に作ることができる。例えば、波面の成形を利用して、所望のトラッピング力を得るために必要なパワーを最小にすることができる。
多数の酵母セル(フライシュマンの酵母(Fleischman's Yeast)のパッケージからの一般的な品種)を培養基の中でトラップし、連続的な照射を行う間に数世代の発芽を観察した。これらの試験の間は、酵母セルをトラップするために、周波数倍増したNd:YVO4レーザからの波長が532nmの光を使用した。酵母は室温の水溶液の中にS.セレビシエ(S. cerevisiae)の様々な菌株を含んでいた。個々のセルは、約1mWの連続波のレーザ光によりトラップされた。1つの例証では、16個のセルが4x4のアレイに閉じ込められた。これらの16個のセルの約半分に発芽娘セルが現れ、6時間後にコロニーを形成した。
周波数倍増したNd:YVO4レーザからの波長が532nmの光を使用して、複数の頬上皮セルをトラップした。綿棒で採取されたセルが室温の水溶液の中に浮遊され、ガラスのカバースリップ上に付着された。光ピンセットは最大10分間様々なセルの核及び空胞に向けられた。浮遊したセルをその培養基から外すためにセル膜の領域が十分強くトラップされたとき、目視検査で分かるように、その内部突起は著しく影響されたようには見えなかった。ピンセットが消えた後は、正常なセルの機能が回復したと思われた。
周波数倍増したNd:YVO4レーザからの波長が532nmの光を使用して、小麦の下かんセルをトラップした。セルは固体培地の中で得られ、室温で光トラップが行われる前に、ガラスのカバースリップ上に付着された。連続的に光トラッピングをしても、セル壁を破壊する程十分ではなかった。照射されたセルの目視検査では、頬上皮セルの場合に得られたものと定性的に同様の結果が得られた。
Claims (18)
- レーザ光のビームを用いて広がった1つの細胞または細胞成分を操作する方法であって、
光トラップの状態を形成するために可視光から紫外線の波長範囲から選択された波長を用いて、ビームがコリメートされたレーザ光を提供するステップと、
前記コリメートされたレーザ光のビームを用いて、複数Nの光トラップを提供するためにホログラフィクパターンをコンピュータ制御された回折光学素子を使用し、それにより前記複数Nの光トラップを前記広がった1つの細胞または細胞成分上の複数の点Nにおいて形成する、コンピュータ制御された回折光学素子を使用するステップを有し、
前記可視光から紫外線の波長範囲から選択される波長は、前記細胞または細胞成分に対して、強い吸収を示す波長を避けることで、損傷を軽減する
ことを特徴とする方法。 - 前記レーザ光のビームが約400nmから約700nmまでの可視光から紫外線の波長範囲の光を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記光ビームが連続波のレーザビームを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記光ビームがドーナッツモードを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記複数の光トラップが回折光学素子から発生することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- レーザ光のビームを用いて広がった1つの細胞または細胞成分を操作する方法であって、
光トラップの状態を形成するために波長の中で選択された波長用の小さい吸収を有するように、可視光から紫外線の波長範囲から選択された波長を用いて、連続波でビームがコリメートされたレーザ光を提供するステップと、
前記コリメートされたレーザ光のビームを用いて、複数Nの光トラップを提供するためにホログラフィクパターンをコンピュータ制御された回折光学素子を使用し、それにより前記複数Nの光トラップを前記広がった1つの細胞または細胞成分上の複数の点Nにおいて形成する、コンピュータ制御された回折光学素子を使用するステップを有し、
前記可視光から紫外線の波長範囲から選択される波長は、前記細胞または細胞成分に対して、強い吸収を示す波長を避けることで、損傷を軽減するもので、
前記広がった1つの細胞または細胞成分を操作する間に前記広がった1つの細胞または細胞成分への損傷を軽減するための、前記可視光から紫外線の波長範囲の中の選択された波長における小さい吸収と併せて、前記複数Nの光トラップの各々のパワーPを制御するステップと、
前記可視光から紫外線の波長範囲から選択された波長を有するレーザ光で前記複数Nの光トラップのみを用いて前記広がった1つの細胞または細胞成分を操作するステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 前記複数の光トラップを、前記ビームがコリメートされたレーザ光を用いてさらに形成し、前記これらのトラップのそれぞれが前記広がった1つの細胞または細胞成分の別個の部分を操作することを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 各トラッピング点が前記広がった1つの細胞または細胞成分内の生物学的に敏感な位置ではないことを特徴とする請求項7に記載の方法。
- レーザ光のビームを用いて広がった1つの細胞または細胞成分を操作するシステムであって、
光トラップの状態を形成するために可視光から紫外線の波長範囲から選択された波長を用いて、ビームがコリメートされたレーザ光と、
前記コリメートされたレーザ光のビームを用いて、複数Nの光トラップを提供するためにホログラフィクパターンをコンピュータ制御された回折光学素子を使用し、それにより前記複数Nの光トラップを前記広がった1つの細胞または細胞成分上の複数の点Nにおいて形成する、コンピュータ制御された回折光学素子とを有し、
前記可視光から紫外線の波長範囲から選択される波長は、前記細胞または細胞成分に対して、強い吸収を示す波長を避けることで、損傷を軽減する
ことを特徴とするシステム。 - 前記レーザ光のビームが連続波のレーザビームを備えることを特徴とする請求項9に記載のシステム。
- 前記複数の光トラップがホログラフィック光トラップを含むことを特徴とする請求項9に記載のシステム。
- レーザ光のビームを用いて広がった1つの細胞または細胞成分を操作する方法であって、
光トラップの状態を形成するために可視光から紫外線の波長範囲から選択された波長を用いて、ビームがコリメートされたレーザ光を提供するステップと、
前記コリメートされたレーザ光のビームを用いて、複数Nの光トラップを提供するためにホログラフィクパターンをコンピュータ制御された回折光学素子を使用し、それにより前記複数Nの光トラップを前記広がった1つの細胞または細胞成分上の複数の点Nにおいて形成する、コンピュータ制御された回折光学素子を使用するステップを有し、
前記可視光から紫外線の波長範囲から選択される波長は、前記細胞または細胞成分に対して、強い吸収を示す波長を避けることで、損傷を軽減するものであって、
前記広がった1つの細胞または細胞成分を操作している間に前記広がった1つの細胞または細胞成分への損傷を軽減するようにするために、前記可視光から紫外線の範囲から選択された前記レーザ光の波長で、長い波長範囲の赤外線と比べて前記可視光から紫外線の波長範囲を用いて前記複数Nの光トラップのそれぞれのパワーPを制御するステップであって、それにより赤外線の使用と比べて前記広がった1つの細胞または細胞成分を操作するために必要なパワーを軽減し、また前記広がった1つの細胞または細胞成分用の光波長を選択することで前記選択された結果として生ずる吸収を軽減するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - レーザ光のビームを用いて広がった1つの細胞または細胞成分を操作する方法であって、
光トラップの状態を形成するために可視光から紫外線の波長範囲から選択された波長を用いて、ビームがコリメートされたレーザ光を提供するステップと、
前記コリメートされたレーザ光のビームを用いて、複数Nの光トラップを提供するためにホログラフィクパターンをコンピュータ制御された回折光学素子を使用し、それにより前記複数Nの光トラップを前記広がった1つの細胞または細胞成分上の複数の点Nにおいて形成する、コンピュータ制御された回折光学素子を使用するステップを有し、
前記可視光から紫外線の波長範囲から選択される波長は、前記細胞または細胞成分に対して、強い吸収を示す波長を避けることで、損傷を軽減するものであって、
前記可視光から紫外線の波長範囲の中の選択された波長を有する連続波レーザ光と前記連続波レーザ光のエネルギーとの組合わせが前記広がった1つの細胞または細胞成分上の前記複数Nの光トラップの間に広がり、それにより前記光トラップNと前記広がった1つの細胞または細胞成分との各接触点におけるパワーPをさらに軽減し、さらに選択された広がった1つの細胞または細胞成分が、軽減された損傷でこれを操作できるように選択された光波長における軽減された吸収を示す、ステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 前記広がった1つの細胞または細胞成分を操作する間に前記広がった1つの細胞または細胞成分に重大な損傷を与えないように、前記Nの光トラップの各々のパワーPと、可視光から紫外線の波長範囲内の連続波レーザ光のビームパワーを制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 収束されたビームの連続波レーザ光が、約400nm〜約700nmの波長範囲内の光を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 連続波レーザ光のビームがドーナッツモードを含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記複数Nの光トラップが回折光学素子の使用から生じることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- レーザ光のビームを用いて広がった1つの細胞または細胞成分を操作するシステムであって、
光トラップの状態を形成するために可視光から紫外線の波長範囲から選択された波長を用いて、ビームがコリメートされたレーザ光と、
前記コリメートされたレーザ光のビームを用いて、複数Nの光トラップを提供するためにホログラフィクパターンをコンピュータ制御された回折光学素子を使用し、それにより前記複数Nの光トラップを前記広がった1つの細胞または細胞成分上の複数の点Nにおいて形成する、コンピュータ制御された回折光学素子を有し、
前記可視光から紫外線の波長範囲から選択される波長は、前記細胞または細胞成分に対して、強い吸収を示す波長を避けることで、損傷を軽減するものであって、
前記複数Nの光トラップは前記複数Nのトラップの間にレーザ光ビームのパワーを広げ、それにより前記広がった1つの細胞または細胞成分との各接触点におけるパワーPを軽減する手段と、
を含むことを特徴とするシステム。
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