光ピンセット
光ピンセットで捕捉されたナノ粒子（直径103nm）の写真。ナノ粒子は中央の小さな明るい点として確認できます。さらに制御するために、粒子の上下に2つの銅電極が配置されています。

光ピンセット（元々はシングルビーム勾配力トラップと呼ばれていました）は、ピンセットと同様に、高度に集束されたレーザービームを用いて、原子、ナノ粒子、液滴などの微小および超微小物体を保持・移動させる科学機器です。物体が追加の支持なしに空気中または真空中に保持される場合、光浮上と呼ばれることがあります。

レーザー光は、粒子と周囲の媒質の相対屈折率に応じて、引力または斥力（通常ピコニュートン単位）を生じます。光の力が重力に打ち勝つ場合、浮遊が可能になります。捕捉される粒子は通常、マイクロメートルサイズ、あるいはそれよりも小さいサイズです。誘電体や吸収体粒子も捕捉可能です。

光ピンセットは、生物学・医学（例えば、単一の細菌、精子や血球などの細胞、あるいはDNAなどの分子を掴んで保持する）、ナノエンジニアリング・ナノ化学（単一分子から材料を研究・構築する）、量子光学・量子光力学（単一粒子と光の相互作用を研究する）といった分野で利用されています。アーサー・アシュキンによる光ピンセットの開発は、 2018年のノーベル物理学賞の受賞に大きく貢献しました。

歴史と発展

ミクロンサイズの粒子に対する光散乱と勾配力の検出は、1970年にベル研究所の科学者アーサー・アシュキンによって初めて報告されました。[ 1 ]数年後、アシュキンと同僚は、現在では一般的に光ピンセットと呼ばれているものを初めて観測したと報告しました。これは、微小粒子を3次元的に安定して保持できる、強く焦点を絞った光線です。[ 2 ] 2018年、アシュキンはこの開発によりノーベル物理学賞を受賞しました。

1986 年のこの独創的な論文の著者のひとりであるSteven Chu氏は、中性原子の冷却とトラッピングの研究で光ピンセット法を使用することになった。 [ 3 ]この研究により、Chu 氏はClaude Cohen-Tannoudji 氏とWilliam D. Phillips 氏とともに1997 年のノーベル物理学賞を受賞した。[ 4 ]あるインタビューで、Steven Chu 氏は、Ashkin 氏が最初に光ピンセット法を原子をトラッピングする方法として思いついた経緯について語っている。[ 5 ] Ashkin 氏はより大きな粒子 (直径 10 ～ 10,000 ナノメートル) をトラッピングすることができたものの、この技術を共鳴レーザー光と磁気勾配トラップ (磁気光トラップを参照) を使用した中性原子 (直径 0.1 ナノメートル) のトラッピングに拡張したのは Chu 氏だった。

1980年代後半、アーサー・アシュキンとジョセフ・M・ジェジックは、タバコモザイクウイルスと大腸菌を個別にトラップすることで、この技術を生物科学に初めて応用したことを実証した。[ 6 ] 1990年代以降、カルロス・ブスタマンテ、ジェームズ・スパッドィッチ、スティーブン・ブロックなどの研究者は、分子スケールの生物学的モーターの特性評価に光トラップ力分光法を使用する先駆者となった。これらの分子モーターは生物学で広く見られ、細胞内での移動と機械的動作を担っている。光トラップによって、これらの生物物理学者はナノスケールのモーターの力とダイナミクスを単一分子レベルで観察することができ、それ以来、光トラップ力分光法によって、これらの力を生成する分子の確率的性質に対する理解が深まった。これらのアプローチは後に、生体分子の構造変化、特にタンパク質の折りたたみと分子シャペロンに関連する力の研究に応用された。

光ピンセットは生物学の他の分野でも有用であることが証明されている。合成生物学では人工細胞の組織のようなネットワークを構築するため、[ 7 ]や合成膜を融合して生化学反応を開始するため[ 8 ]に使用されている。 [ 7 ]また、遺伝学の研究[ 9 ]や染色体の構造とダイナミクスの研究にも広く利用されている。 [ 10 ] 2003 年には光ピンセットの技術が細胞選別の分野に応用され、サンプル領域全体に大きな光強度パターンを作成することで、細胞をその固有の光学特性によって選別することができる。[ 11 ] [ 12 ]光ピンセットは細胞骨格の探査や生体高分子の粘弾性測定[ 13 ]、細胞小器官、細胞の測定にも使用されている。リガンド被覆ナノ粒子のクラスターを光学的に捕捉し、標的分子のクラスター化を誘導した後に光学的に検出する生体分子アッセイは2011年に提案され[ 14 ]、2013年に実験的に実証された。[ 15 ]

光ピンセットは、主に量子科学の応用のために、レーザー冷却された原子を真空中で捕捉するためにも使用されている。この分野での成果としては、2001年の単一原子の捕捉、[ 16 ]、 2002年の2次元原子配列の捕捉、[ 17 ]、 2010年の強く相互作用するエンタングルドペアの捕捉、 [ 18 ] 、 [ 19 ]、[ 20 ]、 2016年の精密に組み立てられた2次元原子配列の捕捉[ 21 ] 、 [ 22 ]、2018年の3次元配列の捕捉[ 23 ]、[ 24 ]などがある。これらの技術は量子シミュレータで使用され、2021年には196個と256個の原子のプログラム可能な配列が得られており[ 25 ] 、[ 26 ] [ 27 ]、量子コンピューティングの有望なプラットフォームとなっている。[ 17 ] [ 28 ]

研究者たちは、研究予算が少ない人でも使用できるように、光ピンセットを大きくて複雑な装置からより小さくてシンプルな装置へと変換する研究を行ってきました。[ 3 ] [ 29 ]

物理

本文で述べたように、誘電体はビームの中心、つまりビームウェストのわずかに上に引き寄せられます。物体に作用する力は、単純なバネ系と同様に、トラップ中心からの変位に比例します。これは復元力であるため、 に等しくなります。−けtr1つのp×{\displaystyle -k_{\mathrm {トラップ} }x}

概要

光ピンセットは、高度に焦点を絞ったレーザー光線を介して極めて小さな力を及ぼすことで、ナノメートルおよびミクロンサイズの誘電体粒子、さらには個々の原子を操作することができます。ビームは通常、顕微鏡の対物レンズに送ることで焦点を絞られます。ビーム ウェストと呼ばれる集束ビームの最も狭い点の近くでは、振動電場の振幅が空間的に急激に変化します。誘電体粒子は、勾配に沿って、ビームの中心である最も強い電場の領域に引き寄せられます。レーザー光はまた、ビームの伝播方向に沿ってビーム内の粒子に力を加える傾向があります。これは運動量保存則によるものです。つまり、小さな誘電体粒子によって吸収または散乱された光子は、誘電体粒子に運動量を与えます。これは散乱力として知られており、図に示すように、粒子はビーム ウェストの正確な位置からわずかに下流に変位します。

光トラップは非常に高感度な装置であり、サブミクロンの誘電体粒子のサブナノメートルレベルの変位を操作・検出することができます。[ 30 ]このため、光トラップは、分子に付着させたビーズとの相互作用によって単一分子を操作・研究するためによく用いられます。DNAとタンパク質の折り畳みと相互作用[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]は、この方法で一般的に研究されています。

定量的な科学的測定において、ほとんどの光トラップは、誘電体粒子がトラップ中心からほとんど離れないように動作します。これは、粒子に作用する力は、トラップ中心からの変位が小さい限り、その変位に対して線形であるためです。このように、光トラップはフックの法則に従う単純なバネに例えることができます。

詳細ビュー

光トラッピングの挙動を適切に説明するには、トラッピングに用いる光の波長に対する、トラッピングされた粒子の大きさの比が重要です。粒子の大きさが波長よりもはるかに大きい場合は、単純な光線光学的処理で十分です。光の波長が粒子の大きさをはるかに超える場合は、粒子は電場中の電気双極子として扱うことができます。トラッピングビームの波長の1桁以内の大きさの誘電体物体の光トラッピングの場合、適切な境界条件を用いて時間依存型または時間調和型のマクスウェル方程式を扱うことが唯一の正確なモデルとなります。

光線光学

光線光学的説明（非集束レ​​ーザー）。ビーズがビームの中心からずれている場合（右図）、より強い光線の運動量変化が大きいため、レーザーの中心に向かって正味の力が作用します。ビーズがビームの横方向の中心に位置している場合（左図）、結果として生じる横方向の力はゼロになります。しかし、非集束レーザーでは、依然としてレーザーから遠ざかる方向の力が発生します。
光線光学の説明（集束レーザー）。集束レーザーは、ビーズをレーザーの中心に保つだけでなく、ビーズを軸方向に一定の位置に維持します。集束された光線の運動量変化は、ビーズがレーザー焦点の前（左図）または後ろ（右図）にある場合のどちらにおいても、レーザー焦点に向かう力を発生させます。そのため、ビーズは焦点のわずかに後ろに位置し、この力が散乱力を相殺します。

捕捉された粒子の直径が光の波長よりも大幅に大きい場合、捕捉現象は光線光学を用いて説明できます。図に示すように、レーザーから放射された個々の光線は、誘電体ビーズに入射および出射する際に屈折します。その結果、光線は出射方向が入射方向と異なる方向になります。光には運動量が存在するため、この方向の変化は運動量が変化したことを示しています。ニュートンの第三法則によれば、粒子には等しく反対方向の運動量変化が生じるはずです。

ほとんどの光トラップは、ガウスビーム（TEM 00モード）のプロファイル強度で動作します。この場合、図の右側のように粒子がビームの中心からずれると、粒子にはトラップの中心に戻ろうとする正味の力が働きます。これは、強度の高いビームはトラップの中心に向かう運動量変化が大きく、強度の低いビームはトラップの中心から離れる方向に小さな運動量変化を与えるためです。この正味の運動量変化、つまり力によって、粒子はトラップの中心に戻ります。

粒子がビームの中心に位置する場合、個々の光線は粒子を対称的に屈折するため、正味の横方向力は発生しません。この場合、正味の力はトラップの軸方向に作用し、レーザー光の散乱力を相殺します。この軸方向の勾配力と散乱力が相殺されることで、ビーズはビームウェストのわずかに下流に安定してトラップされます。

標準的なピンセットは重力の方向に伝播するトラッピングレーザーで動作し[ 34 ]、反転ピンセットは重力に逆らって動作します。

電気双極子近似

捕捉された粒子の直径が光の波長よりも著しく小さい場合、レイリー散乱の条件は満たされ、粒子は不均一な電磁場中の点双極子として扱うことができます。電磁場中の単一電荷に作用する力はローレンツ力として知られています。

F1＝q（E（×1）+d×1dt×B）。{\displaystyle \mathbf {F_{1}} =q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d\mathbf {x_{1}} }{dt}}\times \mathbf {B} \right).}

双極子に働く力は、上記の式の電場に各電荷に対応する2つの項を代入することで計算できます。双極子の分極は、2つの電荷間の距離です。点双極子の場合、この距離は無限小です。2つの電荷の符号が逆であることを考慮すると、力は次の式で表されます 。p＝qd、{\displaystyle \mathbf {p} =q\mathbf {d} ,}d{\displaystyle \mathbf {d} }×1−×2。{\displaystyle \mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2}.}

F＝q（E（×1）−E（×2）+d（×1−×2）dt×B）＝q（E（×1）+（（×1−×2）⋅∇）E−E（×1）+d（×1−×2）dt×B）。{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})-\mathbf {E} (\mathbf {x} _{2})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right)\\&=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+\left((\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})\cdot \nabla \right)\mathbf {E} -\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right).\\\end{aligned}}}

打ち消し合うことに注意してください。電荷を掛け合わせると、位置が分極に変換されます。 E1{\displaystyle \mathbf {E_{1}} }q{\displaystyle q}×{\displaystyle \mathbf {x} }p{\displaystyle \mathbf {p} }

F＝（p⋅∇）E+dpdt×B＝α[（E⋅∇）E+dEdt×B]、{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=\left(\mathbf {p} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {p} }{dt}}\times \mathbf {B} \\&=\alpha \left[\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right],\\\end{aligned}}}

ここで、2番目の等式では、誘電体粒子が線形（すなわち）であると仮定されている。 p=αE{\displaystyle \mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} }

最後のステップでは、（1）ベクトル解析等式、（2）ファラデーの電磁誘導の法則という2つの等式が使用されます。

  1. (E⋅∇)E=∇(12E2)−E×(∇×E){\displaystyle \left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} =\nabla \left({\frac {1}{2}}E^{2}\right)-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)}
  2. ∇×E=−∂B∂t{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}

まず、上記の力の方程式の第一項にベクトル等式を挿入します。第二項にマクスウェル方程式を代入します。すると、時間微分を含む二つの項が一つの項にまとめられます。[ 35 ]

F=α[12∇E2−E×(∇×E)+dEdt×B]=α[12∇E2−E×(−dBdt)+dEdt×B]=α[12∇E2+ddt(E×B)].{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(-{\frac {d\mathbf {B} }{dt}}\right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}+{\frac {d}{dt}}\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)\right].\\\end{aligned}}}

最後の等式の第2項は、ポインティングベクトル（表面を通過する単位面積あたりのパワーを表すベクトル）と乗法定数を介して関連付けられた量の時間微分です。レーザー光の周波数（約10 14 Hz）よりもはるかに長い周波数でサンプリングした場合、レーザーのパワーは一定であるため、この項の微分は平均してゼロになり、力は[ 36 ]と表すことができます。

F=12α∇E2=2πn1a3c(m2−1m2+2)∇I(r),{\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {1}{2}}\alpha \nabla E^{2}={\frac {2\pi n_{1}a^{3}}{c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)\nabla I(\mathbf {r} ),}

ここで、2番目の部分には、球状の誘電体粒子の誘起双極子モーメント（MKS単位）が含まれています。ここで、は粒子の半径、は粒子の屈折率、は粒子と媒質間の相対屈折率です。電場の強さの2乗は、位置の関数としてのビームの強度に等しいです。したがって、この結果は、誘電体粒子に働く力を点双極子として扱う場合、ビームの強度に沿った勾配に比例することを示しています。言い換えれば、ここで説明した勾配力は、粒子を最も強度の高い領域に引き寄せる傾向があります。実際には、光の散乱力はトラップの軸方向の勾配力に逆らって働き、その結果、強度最大値からわずかに下流にずれた平衡位置が形成されます。レイリー近似の下では、散乱力は次のように表すこともできます。 p=αE(r,t)=4πn12ϵ0a3(m2−1)/(m2+2)E(r,t){\displaystyle \mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=4\pi n_{1}^{2}\epsilon _{0}a^{3}(m^{2}-1)/(m^{2}+2)\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)}a{\displaystyle a}n0{\displaystyle n_{0}}m=n0/n1{\displaystyle m=n_{0}/n_{1}}

Fscat(r)=k4α26πcn03ϵ02I(r)z^=8πn0k4a63c(m2−1m2+2)2I(r)z^.{\displaystyle \mathbf {F} _{\text{scat}}(\mathbf {r} )={\frac {k^{4}\alpha ^{2}}{6\pi cn_{0}^{3}\epsilon _{0}^{2}}}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}={\frac {8\pi n_{0}k^{4}a^{6}}{3c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)^{2}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}.}

散乱は等方性であるため、正味の運動量は前方に伝達されます。量子レベルでは、勾配力は、同一の光子が同時に生成・消滅する前方レイリー散乱として考えられます。一方、散乱（放射）力では、入射光子は同じ方向に移動し、等方的に「散乱」します。運動量保存則により、粒子は光子の元々の運動量を蓄積する必要があり、後者に前方への力が生じます。[ 37 ]

調和ポテンシャル近似

ガウスビーム中の原子の相互作用を調べる有用な方法は、原子が受ける強度プロファイルの調和ポテンシャル近似を見ることである。二準位原子の場合、受けるポテンシャルはACシュタルクシフトと関係している。

ΔEAC Stark=3πc2Γ2ω03δI(r,z){\displaystyle \mathbf {\Delta E} _{\text{AC Stark}}={\frac {3\pi c^{2}\Gamma }{2\omega _{0}^{3}\delta }}\mathbf {I(r,z)} }

ここで、 は励起状態の自然な線幅、は電気双極子結合、は遷移の周波数、 はレーザー周波数と遷移周波数の離調または差です。 Γ{\displaystyle \Gamma }μ{\displaystyle \mu }ωo{\displaystyle \omega _{o}}δ{\displaystyle \delta }

ガウスビームプロファイルの強度は、波長、最小ウェスト、およびビームパワーによって特徴付けられます。ビームプロファイルは以下の式で定義されます。 (λ){\displaystyle (\lambda )}(wo){\displaystyle (w_{o})}(Po){\displaystyle (P_{o})}

I(r,z)=I0(w0w(z))2e−2r2w2(z){\displaystyle I(r,z)=I_{0}\left({\frac {w_{0}}{w(z)}}\right)^{2}e^{-{\frac {2r^{2}}{w^{2}(z)}}}}
w(z)=w01+(zzR)2{\displaystyle w(z)=w_{0}{\sqrt {1+\left({\frac {z}{z_{R}}}\right)^{2}}}}
zR=πw02λ{\displaystyle z_{R}={\frac {\pi w_{0}^{2}}{\lambda }}}
P0=12πI0w02{\displaystyle P_{0}={\frac {1}{2}}\pi I_{0}w_{0}^{2}}

このガウスポテンシャルをビームの半径方向と軸方向の両方で近似するには、強度プロファイルをそれぞれ と について2次展開し、調和ポテンシャル と等しくする必要があります。これらの展開は、固定電力を仮定して評価されます。 z{\displaystyle z}r{\displaystyle r}r=0{\displaystyle r=0}z=0{\displaystyle z=0}12m(ωz2z2+ωr2r2){\displaystyle {\frac {1}{2}}m(\omega _{z}^{2}z^{2}+\omega _{r}^{2}r^{2})}

12!∂2U∂z2|r,z=0z2=α2ϵ0c2P0λ2π3w06z2=12mωz2z2{\displaystyle {\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial z^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}z^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {2P_{0}\lambda ^{2}}{\pi ^{3}w_{0}^{6}}}z^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{z}^{2}z^{2}}
12!∂2U∂r2|r,z=0r2=α2ϵ0c4P0πw04r2=12mωr2r2{\displaystyle {\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial r^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}r^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {4P_{0}}{\pi w_{0}^{4}}}r^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{r}^{2}r^{2}}

つまり、高調波周波数（または原子の光トラップを考慮する場合はトラップ周波数）を解くと、周波数は次のように与えられます。

ωr=4αP0πϵ0cmw04{\displaystyle \omega _{r}={\sqrt {\frac {4\alpha P_{0}}{\pi \epsilon _{0}cmw_{0}^{4}}}}}
ωz=2αP0λ2mπ3ϵ0cw06{\displaystyle \omega _{z}={\sqrt {\frac {2\alpha P_{0}\lambda ^{2}}{m\pi ^{3}\epsilon _{0}cw_{0}^{6}}}}}

ビームウェストスケールのみの関数として、半径方向と軸方向の相対トラップ周波数は次のようになります。

ωrωz=2w0πλ{\displaystyle {\frac {\omega _{r}}{\omega _{z}}}={\sqrt {2}}{\frac {w_{0}\pi }{\lambda }}}

光浮遊

粒子を空中に浮遊させるには、重力の下向きの力を光子の運動量移動によって生じる力で打ち消す必要があります。通常、十分な強度を持つ集束レーザービームの光子放射圧は、重力の下向きの力を打ち消すと同時に、横方向（左右方向）および垂直方向の不安定性を防ぎ、微小粒子を浮遊状態に保持できる 安定した光トラップを実現します。

この種の実験では、マイクロメートルサイズ（直径数マイクロメートルから50マイクロメートル）の透明な誘電体球（溶融シリカ球、油滴、水滴など）が用いられる。レーザー光は、アルゴンイオンレーザーや波長可変色素レーザーのように波長を固定することができる。必要なレーザー出力は、数十マイクロメートルのスポットサイズに集光した1ワット程度である。球状光共振器における形態依存共鳴に関連する現象は、いくつかの研究グループによって研究されている。

金属微小球のような光沢のある物体では、安定した光浮上は実現されていない。マクロな物体の光浮上も理論的には可能であり[ 38 ]、ナノ構造化によってさらに性能を向上させることができる[ 39 ] 。

これまでに浮上が成功した物質としては、黒液、酸化アルミニウム、タングステン、ニッケルなどがある。[ 40 ]

光熱ピンセット

過去20年間、光力と熱泳動力を組み合わせることで、レーザー出力を低減した状態での捕捉が可能になり、光子損傷を最小限に抑えることができました。光吸収要素（粒子または基質）を導入することで、マイクロスケールの温度勾配が生成され、熱泳動が起こります。[ 41 ]通常、粒子（細胞、細菌、DNA/RNAなどの生物学的対象物を含む）は冷たい方向へ移動し、光ピンセットを用いた粒子の反発を引き起こします。この制限を克服するために、ビーム成形や電解質および界面活性剤を用いた溶液改質などのさまざまな技術が用いられました。 [ 42 ]レーザー冷却は、イッテルビウムをドープしたイットリウムリチウムフッ化物結晶を用いて実現され、レーザーを用いて冷点を生成することで、光退色を低減した捕捉を実現しました。[ 43 ]薬物送達用途 では、光熱ピンセットを用いて光捕捉により粒子選択性を大幅に向上させるために、サンプル温度も低下させています。[ 44 ]

セットアップ

最も基本的なコンポーネントのみを含む一般的な光ピンセットの図。

最も基本的な光ピンセットのセットアップには、レーザー（通常はNd:YAG）、ビームエキスパンダー、サンプル面内でビームの位置を制御するための光学系、サンプル面にトラップを作成するための顕微鏡対物レンズとコンデンサー、ビームの変位を測定するための位置検出器（例：象限フォトダイオード）、 CCDカメラ（通常は光学マウントを介して）に結合された顕微鏡照明源などのコンポーネントが含まれます。[ 45 ]

Nd :YAGレーザー（波長1064 nm）は、生物試料を扱う際によく選択されるレーザーです。これは、このような試料（主に水）はこの波長での吸収係数が低いためです。 [ 46 ]生物試料へのダメージ（オプティキューションとも呼ばれます）を最小限に抑えるためには、吸収率が低いことが望ましいと考えられます。光ピンセットの設計において最も重要な考慮事項は、おそらく対物レンズの選択です。安定したトラップには、対物レンズの開口数（NA）に依存する勾配力が散乱力よりも大きいことが必要です。適切な対物レンズのNAは通常1.2～1.4です。[ 47 ]

代替手段はいくつかありますが、おそらく最も単純な位置検出方法は、サンプルチャンバーから出射するトラッピングレーザーを4分割フォトダイオードに結像させることです。ビームの横方向の偏向は、原子間力顕微鏡（AFM）と同様に測定されます。

レーザーから放射されるビームを対物レンズの開口部いっぱいまで拡大すると、より狭く回折限界のスポットが得られます。[ 48 ]試料に対するトラップの横方向の移動は顕微鏡スライドの移動によって実現できますが、ほとんどのピンセット装置には、ビームを移動させて移動の自由度をさらに高めるための追加光学​​系が搭載されています。これは、図に「ビームステアリング」と記されている2つのレンズのうち最初のレンズを移動させることで実現できます。例えば、このレンズを横方向の平面内で移動すると、図に描かれているものよりも横方向に偏向したビームが発生します。ビームステアリングレンズと対物レンズ間の距離を適切に選択すれば、対物レンズに入射する前に同様の偏向が生じ、試料面内で横方向の移動が生じます。光トラップの焦点であるビームウェストの位置は、最初のレンズを軸方向に移動させることで調整できます。このような軸方向の移動により、ビームはわずかに発散または収束し、その結果、試料室内のビームウェストの位置が軸方向にずれます。[ 49 ]

試料面の可視化は、通常、ダイクロイックミラーを用いて光路に逆方向に接続された別の光源からの照明によって行われます。この光はCCDカメラに入射し、外部モニターで観察したり、ビデオトラッキングを用いて捕捉された粒子の位置を追跡したりすることができます。

代替レーザービームモード

光ピンセットの大部分は、従来のTEM 00ガウスビームを利用しています。しかし、粒子を捕捉するためには、高次レーザービーム、すなわちエルミート・ガウスビーム（TEM xy）、ラゲール・ガウス（LG）ビーム（TEM pl） 、ベッセルビームなど、他の様々なビームタイプが使用されてきました。

ラゲール・ガウスビームに基づく光ピンセットは、光反射性と光吸収性のある粒子を捕捉できるというユニークな能力を持っています。[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]ラゲール・ガウスビームはまた、粒子を回転させることができる明確に定義された軌道角運動量を持っています。[ 53 ] [ 54 ]これは、ビームの外部からの機械的または電気的操縦なしに実現されます。

ゼロ次および高次のベッセルビームは、どちらも独自のピンセット能力を備えています。数ミリメートル離れた複数の粒子を捕捉し、回転させることができます。障害物の周りを回転させることさえ可能です。[ 55 ]

マイクロマシンは、光の回転と軌道角運動量 による固有の回転機構により、これらのユニークな光ビームによって駆動することができます。 [ 56 ]

多重光ピンセット

典型的なセットアップでは、1つのレーザーを使用して1つまたは2つのトラップを作成します。通常、2つのトラップは、レーザービームを2つの直交偏光ビームに分割することによって生成されます。2つ以上のトラップによる光ピンセット操作は、1つのレーザービームを複数の光ピンセットで時分割するか、[ 57 ]ビームを回折的に複数のトラップに分割することによって実現できます。音響光学偏向器またはガルバノメータ駆動ミラーを使用すると、1つのレーザービームを焦点面内の数百の光ピンセットで共有するか、拡張された1次元トラップに広げることができます。特別に設計された回折光学素子は、単一の入力ビームを任意の3次元構成で数百の連続的に照射されるトラップに分割できます。トラップ形成ホログラムは、各トラップのモード構造を個別に指定することもできるため、たとえば、光渦、光ピンセット、ホログラフィックライントラップのアレイを作成できます。[ 58 ]空間光変調器を実装すると、このようなホログラフィック光トラップは物体を3次元的に移動させることもできる。[ 59 ]強度と位相の滑らかさを制御できる任意の空間プロファイルを持つホログラフィック光トラップの高度な形態は、マイクロマニピュレーションから超冷原子まで、科学の多くの分野で応用されている。[ 60 ] 超冷原子は量子コンピュータの実現にも利用できる可能性がある。[ 61 ]

シングルモード光ファイバー

標準的なファイバー光トラップは光トラッピングと同じ原理に基づいていますが、ガウス分布のレーザービームが光ファイバーを通して伝送されます。光ファイバーの一端をレンズのような面に成形すると、シングルモードの標準ファイバーで伝送されるほぼガウス分布のビームは、ファイバーの先端から少し離れた場所に焦点が合わせられます。このようなアセンブリの有効開口数は通常、完全な3D光トラップを実現するには不十分で、2Dトラップにしか対応していません（物体の光トラッピングと操作は、例えば物体が表面に接触している場合にのみ可能になります）。[ 62 ] 単一ファイバーに基づく真の3D光トラッピングは、トラッピングポイントがファイバーの先端にほぼ接触しないように、非標準的な環状コアファイバー配置と全反射形状に基づいて実現されています。[ 63 ]

一方、ファイバーの端が成形されていない場合、ファイバーから出射するレーザーは発散するため、ファイバーの両端からの勾配と散乱力をバランスさせることによってのみ、安定した光トラップを実現できます。勾配力は粒子を横方向にトラップし、軸方向の光力は2本のファイバーから出射する2つの反対方向に伝播するビームの散乱力から生じます。このようにトラップされたビーズの平衡Z位置は、2つの散乱力が互いに等しくなる位置です。この研究は、A. Constable et al.、Opt. Lett. 18、1867（1993）によって開拓され、その後、J.Guck et al.、Phys. Rev. Lett. 84、5451（2000）によってこの技術が微粒子の伸張に利用されました。ファイバーの両端への入力電力を操作することで、細胞の粘弾性特性を測定するために使用できる「光伸張」が増加し、異なる個々の細胞骨格表現型（つまり、ヒトの赤血球とマウスの線維芽細胞）を区別するのに十分な感度が得られます。

マルチモードファイバーベースのトラップ

光学セルローテーターは、断層顕微鏡検査のために生きた細胞を保持し、正確に方向付けることができるファイバーベースのレーザートラップです。

「光学セルローテーター」（OCR）技術は、トラッピングとイメージング光学系を分離します。この技術、モジュール設計、そして発散型レーザートラップと生物材料との高い適合性は、この新世代レーザートラップが医学研究および生命科学において大きな可能性を秘めていることを示しています。[ 64 ]適応光学に基づくOCRは、動作中に光トラップを動的に再構成し、サンプルに適応させることを可能にします。[ 65 ]

細胞選別

最も一般的な細胞選別システムの一つは、蛍光イメージングを用いたフローサイトメトリーです。この方法では、生体細胞懸濁液を、補助フロー中に各細胞が示す特定の蛍光特性に基づいて、2つ以上の容器に選別します。細胞を「捕捉」する電荷を利用することで、蛍光強度の測定値に基づいて細胞を選別します。選別プロセスは、細胞を電荷に基づいて容器に導く静電偏向システムによって行われます。

光駆動選別プロセスでは、細胞は光学的ランドスケープ、すなわち2次元または3次元の光格子の中を流れます。誘導電荷がない場合でも、細胞は固有の屈折率特性に基づいて選別され、動的選別のために再構成可能です。光格子は、回折光学系と光学素子を用いて作成できます。[ 11 ]

一方、K. Ladavacらは空間光変調器を用いて強度パターンを投影し、光学選別プロセスを可能にした。[ 66 ] K. XiaoとDG Grierはホログラフィックビデオ顕微鏡を用いて、この技術がコロイド球を千分の一の分解能でサイズと屈折率を選別できることを実証した。[ 67 ]

ソーティングの主なメカニズムは、光格子点の配置です。細胞が光格子を通過する際、粒子の抗力による力が光格子点からの光勾配力（光ピンセットの物理学を参照）と直接競合します。光格子点の配置をシフトすることで、光力が支配的かつ偏向する優先光路が形成されます。細胞の流れの助けを借りて、その優先光路に沿って方向付けられる合力が生じます。したがって、流速と光勾配力には関係があります。この2つの力を調整することで、良好な光ソーティング効率を得ることができます。

高効率な光選別を実現するには、選別環境における力の競合を微調整する必要があります。これは主に、流体の流れによる抗力と、強度スポットの配置による光勾配力のバランスに関するものです。

セント・アンドリュース大学の科学者たちは、英国工学物理科学研究会議（EPSRC）から光学選別装置の開発に多額の資金提供を受けた。この新技術は、従来の蛍光活性化細胞選別法に匹敵する可能性がある。[ 68 ]

エバネッセント場

エバネッセント場[ 69 ]は、全反射中に「漏れる」残留光場です。この光の「漏れ」は指数関数的に減衰します。エバネッセント場は、ナノメートル分解能のイメージング（顕微鏡検査）において多くの応用が見出されており、光マイクロマニピュレーション（光ピンセット）は研究においてますます重要になっています。

光ピンセットでは、光が光導波路を伝播する際に、連続的なエバネッセント場（多重全反射）を生成できる。このエバネッセント場は方向性を持ち、伝播経路に沿って微粒子を推進する。この研究は1992年にS. KawataとT. Sugiuraによって初めて開拓され、彼らはこの場が100ナノメートル程度の距離にある微粒子と結合できることを示した。[ 70 ]この場の直接結合は、プリズムから微粒子までの隙間を横切る一種の光子トンネル効果として扱われる。その結果、方向性のある光推進力が生じる。

中赤外レーザーによって生成されるエバネッセント場は、分子振動共鳴によって粒子を選択的に選別するために利用されてきた。中赤外光は、振動モードが中赤外領域に存在するため、物質の分子構造の同定に広く利用されている。分子振動共鳴による光力増強は、9.3 μmにおけるSi-O-Si結合の伸縮モードを励起することによって達成できる。[ 71 ]有意なSi-O-Si結合を含むシリカ微粒子は、分子振動共鳴により、ポリスチレン微粒子よりも最大10倍速く移動することが示されている。さらに、この同じ研究グループは、分子振動共鳴に基づく光力クロマトグラフィーの可能性についても研究した。[ 72 ]

表面プラズモンは、金属/誘電体界面に局在する増強されたエバネッセント波であり、光子力顕微鏡を用いて実証されています。その力の強さは、通常のエバネッセント波に比べて40倍も強いことが分かっています。[ 73 ]表面に金の微細な島状の構造をパターニングすることで、これらの島状構造において選択的かつ平行な捕捉が可能になります。後者の光ピンセットの力はフェムトニュートンの範囲にあります。[ 74 ]

エバネッセント場は光導波路や光ナノファイバーの表面付近の冷たい原子や分子を捕捉するためにも使用できる。[ 75 ] [ 76 ]

間接的なアプローチ

カリフォルニア大学バークレー校の電気工学およびコンピュータサイエンスの教授であるミン・ウー氏が、新しい光電子ピンセットを発明しました。

ウー氏は、低出力の発光ダイオード（LED）からの光エネルギーを、光伝導面を介して電気エネルギーに変換しました。このアイデアは、LEDの微細な投影によって光伝導材料のオン/オフを制御できるようにするというものです。光投影によって光パターンを容易に変形できるため、この方法により、異なる光学的ランドスケープを柔軟に切り替えることができます。

操作／ピンセット操作は、光パターンによって駆動される電界の変化によって行われます。粒子は、駆動点に誘起される電気双極子によって引き寄せられるか、反発されます。液体中に懸濁した粒子は電界勾配の影響を受けやすく、これは誘電泳動として知られています。

明確な利点の一つは、細胞の種類によって電気伝導性が異なることです。生細胞は導電性が低い媒体を持ちますが、死細胞は導電性がほとんどないか全くありません。このシステムは、約10,000個の細胞または粒子を同時に操作できる可能性があります。

この新しい技術に関する Kishan Dholakia 教授のコメントを参照してください。K. Dholakia、Nature Materials 4、579–580 (2005 年 8 月 1 日) News and Views。

このシステムは、10マイクロワット未満の光出力で、生きた大腸菌と20マイクロメートル幅の粒子を移動させることができました。これは、[直接]光ピンセットに必要な電力の10万分の1です。[ 77 ]

もう一つの注目すべき新しいタイプの光ピンセットは、テキサス大学オースティン校のYuebing Zhengが発明した光熱ピンセットです。この手法は、光を用いて温度勾配を作り出し、物質の熱泳動移動を利用して光トラッピングを行うものです。[ 78 ]研究チームはさらに、熱泳動とレーザー冷却を統合し、非侵襲的な光トラッピングと操作における熱損傷を回避する光冷却ピンセットを開発しました。[ 79 ]

光学製本

微粒子クラスターが単色レーザービーム内に捕捉されると、光捕捉領域内の微粒子の組織化は、微粒子間の光捕捉力の再分配に大きく依存する。微粒子クラスター内の光力の再分配は、クラスター全体に新たな力の均衡をもたらす。したがって、微粒子クラスターは光によってある程度結合していると言える。光結合の最初の実験的証拠の一つは、マイケル・M・バーンズ、ジャン＝マルク・フルニエ、そしてジェネ・A・ゴロフチェンコによって報告された[ 80 ]が、これはもともとT・ティルナマチャンドランによって予測されていた[ 81 ] 。

蛍光光ピンセット

蛍光を発するサンプルを同時に操作し、画像化するために、蛍光顕微鏡と並行して光ピンセットを構築することができます。[ 82 ]このような機器は、蛍光標識された単一または少数の生物学的分子を研究する場合や、捕捉される物体を蛍光を使用して追跡および視覚化するアプリケーションで特に有用です。

このアプローチは、高効率な多段階酵素アプローチによって生成された長くて強いテザーを使用して、動的なタンパク質複合体の同時センシングとイメージングに拡張され[ 83 ]、動作中の脱凝集機械の研究に適用されています。[ 84 ]

参照

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