光ピンセット

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、ピンセットと同様の方法で、高度に焦点を絞ったレーザービームを使用して、原子、ナノ粒子、液滴などの微小および超微小な物体を保持および移動する科学機器です。物体が追加のサポートなしで空気中または真空中に保持されている場合、光浮上と呼ばれることがあります。

レーザー光は、粒子と周囲の媒体の相対屈折率に応じて、引力または反発力（通常はピコニュートンのオーダー）を生じます。光の力が重力に対抗する場合、浮揚が可能になります。捕捉された粒子は通常、ミクロンサイズ、またはそれよりも小さいサイズです。誘電粒子や吸収粒子も捕捉される可能性があります。

光ピンセットは、生物学や医学（例えば、単一の細菌、精子細胞や血球などの細胞、またはDNAなどの分子をつかんで保持する）、ナノエンジニアリングやナノ化学（単一の分子から材料を研究および構築する）、量子光学や量子光力学（単一粒子と光の相互作用を研究する）で使用されています。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で称賛されました。

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、現在では一般に光ピンセットと呼ばれているものを初めて観察したと報告しました。これは、微小な粒子を3次元的に安定して保持できる、集中した光線です。^[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一人であるスティーブン・チューは、中性原子の冷却と捕捉に関する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、チューはクロード・コーエン＝タヌージ、ウィリアム・D・フィリップスとともに1997年のノーベル物理学賞を受賞した。 [4]スティーブン・チューはインタビューで、アシュキンが光ピンセット法を原子捕捉の方法として最初に思いついた経緯を説明した。^[5]アシュキンはより大きな粒子（直径10～10,000ナノメートル）を捕捉することができましたが、共鳴レーザー光と磁気勾配トラップ（磁気光学トラップを参照）を使用して中性原子（直径0.1ナノメートル）を捕捉するまでこの技術を拡張したのはチューだった。

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ました。^[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りました。これらの分子モーターは生物学に遍在し、細胞内での移動と機械的動作を担っています。光トラップにより、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できるようになりました。それ以来、光トラップ力分光法は、これらの力を生成する分子の確率的性質に対する理解を深めることにつながっています。

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ます。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に使用され、^[7]合成膜を融合して生化学反応を開始するために使用されています^{[8] 。 [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使用されています。^[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ました。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ます。^{[11] [12]光ピンセットは、}細胞骨格のプローブ、生体高分子の粘弾性特性の測定^[13]、細胞運動の研究にも使用されています。リガンドでコーティングされた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形成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ました。^[15]

光ピンセットは、主に量子科学の用途で、レーザー冷却された原子を真空中に閉じ込めるためにも使用されます。この分野での成果としては、2001 年の単一原子の閉じ込め^[16]、2002 年の 2D 原子配列の閉じ込め^{[17] 、2010 年の}強く相互作用するエンタングルドペアの閉じ込め^{[18] [19] [20]} 、 2016 年の精密に組み立てられた 2 次元原子配列の閉じ込め^{[21] [22]}、2018 年の 3 次元配列の閉じ込め^{[23] [24] などがあります。これらの技術は}量子シミュレーターで使用され、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ました^{[25] [26] [27]}。これは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ます。^{[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ものからより小さくてシンプルなものへと変換する取り組みを行ってきました。^{[3] [29]}

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、ナノメートルや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通して焦点を合わせます。 ビームウェストと呼ばれる焦点を絞ったビームの最も狭い点の近くで、振動する電場の振幅が空間的に急速に変化します。 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、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もあります。 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。 これは散乱力と呼ばれ、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感度の高い機器であり、サブミクロンの誘電体粒子のサブナノメートルの変位を操作および検出することができます。^{[30]このため、}光トラップは、分子に付着したビーズと相互作用することによって、単一分子を操作および研究するためによく使用されます。DNAと、それと相互作用するタンパク質^[31]および酵素は、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では、ほとんどの光トラップは、誘電体粒子がトラップの中心からほとんど離れないように操作されます。その理由は、粒子に適用される力は、変位が小さい限り、トラップの中心から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。

光トラッピングの挙動を適切に説明するには、トラッピングに使用される光の波長に対するトラッピングされた粒子のサイズに依存します。粒子の寸法が波長よりはるかに大きい場合は、単純な光線光学処理で十分です。光の波長が粒子の寸法をはるかに超える場合は、粒子を電場内の電気双極子として扱うことができます。トラッピング ビームの波長の桁以内の寸法の誘電体オブジェクトの光トラッピングの場合、適切な境界条件を使用して時間依存または時間調和のマクスウェル方程式のいずれかを処理することが唯一の正確なモデルです。

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使用して説明できます。図に示すように、レーザーから放射された個々の光線は、誘電体ビーズに入るときと出るときに屈折します。その結果、光線は元の方向とは異なる方向に出ます。光には運動量があるため、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 3 法則により、粒子には等しく反対の運動量変化があるはずです。

ほとんどの光トラップは、ガウスビーム(TEM ₀₀モード) 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、強度の強いビームはトラップの中心に向かってより大きな運動量変化を与えるのに対し、強度の低いビームはトラップの中心から離れるにつれてより小さな運動量変化を与えるため、粒子にはトラップの中心に戻る正味の力が働きます。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ある場合、個々の光線は粒子を対称的に屈折し、結果として正味の横方向の力は発生しません。この場合の正味の力はトラップの軸方向に沿い、レーザー光の散乱力を相殺します。この軸方向の勾配力を散乱力で相殺することで、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^[32]、反転ピンセットは重力に逆らって動作します。

捕捉された粒子の直径が光の波長よりも大幅に小さい場合、レイリー散乱の条件が満たされ、粒子は不均一な電磁場内の点双極子として扱うことができます。電磁場内の単一の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。

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

双極子に働く力は、上記の式の電界に各電荷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、距離は無限小です。2つの電荷が反対の符号を持つことを考慮すると、力は次のようになります。 ${\displaystyle \mathbf {p} =q\mathbf {d} ,}$${\displaystyle \mathbf {d} }$${\displaystyle \mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2}.}$

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

が打ち消される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。 ${\displaystyle \mathbf {E_{1}} }$${\displaystyle q}$${\displaystyle \mathbf {x} }$${\displaystyle \mathbf {p} }$

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=\left(\mathbf {p} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {p} }{dt}}\times \mathbf {B} \\&=\alpha \left[\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right],\\\end{aligned}}}$

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。 ${\displaystyle \mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} }$

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

1. ${\displaystyle \left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} =\nabla \left({\frac {1}{2}}E^{2}\right)-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)}$
2. ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$

まず、上記の力の方程式の最初の項にベクトル等式を挿入します。ベクトル等式の2番目の項にマクスウェル方程式を代入します。次に、時間微分を含む2つの項を1つの項に結合します。^[33]

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(-{\frac {d\mathbf {B} }{dt}}\right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}+{\frac {d}{dt}}\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)\right].\\\end{aligned}}}$

最後の等式の2番目の項は、乗法定数を介してポインティングベクトルに関連付けられた量の時間微分であり、表面を通過する単位面積あたりの電力を記述します。レーザーのパワーは、レーザー光の周波数～10 ¹⁴ Hzよりもはるかに長い周波数でサンプリングすると一定であるため、この項の微分は平均してゼロになり、力は次のように表すことができます^[34]

${\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {1}{2}}\alpha \nabla E^{2}={\frac {2\pi n_{1}a^{3}}{c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)\nabla I(\mathbf {r} ),}$

ここで、2 番目の部分には、球状の誘電体粒子の誘導双極子モーメント (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、は粒子と媒体間の相対屈折率です。電界の大きさの 2 乗は、位置の関数としてのビームの強度に等しくなります。したがって、結果は、点双極子として扱われる場合、誘電体粒子に対する力が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。言い換えると、ここで説明した勾配力は、粒子を最高強度の領域に引き付ける傾向があります。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作用し、その結果、強度の最大値からわずかに下流にずれた平衡位置になります。レイリー近似では、散乱力を次のように記述することもできます。 ${\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)}$${\displaystyle a}$${\displaystyle n_{0}}$${\displaystyle m=n_{0}/n_{1}}$

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

散乱は等方性なので、正味の運動量は前方に伝達される。量子レベルでは、勾配力は、同一の光子が同時に生成され消滅する前方レイリー散乱として描かれ、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」する。運動量保存則により、粒子は光子の元の運動量を蓄積する必要があり、後者に前方力を引き起こす。^[35]

ガウスビーム中の原子の相互作用を調べる便利な方法は、原子が経験す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。2レベル原子の場合、経験されるポテンシャルはACシュタルクシフトと関連している。

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

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。 ${\displaystyle \Gamma }$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \omega _{o}}$${\displaystyle \delta }$

ガウスビームプロファイルの強度は、波長、最小ウエスト、およびビームのパワーによって特徴付けられます。次の式でビームプロファイルを定義します。 ${\displaystyle (\lambda )}$${\displaystyle (w_{o})}$${\displaystyle (P_{o})}$

${\displaystyle I(r,z)=I_{0}\left({\frac {w_{0}}{w(z)}}\right)^{2}e^{-{\frac {2r^{2}}{w^{2}(z)}}}}$

${\displaystyle w(z)=w_{0}{\sqrt {1+\left({\frac {z}{z_{R}}}\right)^{2}}}}$

${\displaystyle z_{R}={\frac {\pi w_{0}^{2}}{\lambda }}}$

${\displaystyle P_{0}={\frac {1}{2}}\pi I_{0}w_{0}^{2}}$

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とでそれぞれ 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、固定電力を前提として評価されます。 ${\displaystyle z}$${\displaystyle r}$${\displaystyle r=0}$${\displaystyle z=0}$${\displaystyle {\frac {1}{2}}m(\omega _{z}^{2}z^{2}+\omega _{r}^{2}r^{2})}$

${\displaystyle {\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial z^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}z^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {2P_{0}\lambda ^{2}}{\pi ^{3}w_{0}^{6}}}z^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{z}^{2}z^{2}}$

${\displaystyle {\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial r^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}r^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {4P_{0}}{\pi w_{0}^{4}}}r^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{r}^{2}r^{2}}$

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。

${\displaystyle \omega _{r}={\sqrt {\frac {4\alpha P_{0}}{\pi \epsilon _{0}cmw_{0}^{4}}}}}$

${\displaystyle \omega _{z}={\sqrt {\frac {2\alpha P_{0}\lambda ^{2}}{m\pi ^{3}\epsilon _{0}cw_{0}^{6}}}}}$

そのため、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。

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

粒子を空中に浮かせるには、重力の下向きの力を光子の 運動量移動から生じる力で打ち消す必要があります。通常、十分な強度の集束レーザー 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) および垂直方向の不安定性を防ぎ、小さな粒子を浮遊状態で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～50マイクロメートル）の透明誘電体球（溶融シリカ球、油滴、水滴など）が使用されます。レーザー放射は、アルゴンイオンレーザーや波長可変色素レーザーなどの波長に固定できます。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焦点を合わせた1ワットのオーダーです。球状光キャビティ内の形態依存共振に関連する現象は、いくつかの研究グループによって研究されてきました。

金属微小球のような光沢のある物体では、安定した光浮上は達成されていない。マクロな物体の光浮上も理論的には可能であり、^[36]ナノ構造化によって強化することができる。^[37]

浮上させることに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。^[38]

過去 20 年間で、光の力と熱泳動力が組み合わされ、レーザー出力を下げてトラッピングが可能になり、光子の損傷が最小限に抑えられるようになりました。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。^[39]通常、粒子 (細胞、細菌、DNA/RNA などの生物学的対象物を含む) は冷たい方へと漂い、光ピンセットを使用し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と界面活性剤を使用した溶液の修正などのさまざまな技術が^使用され、対象物のトラッピングに成功しました。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使用してレーザー冷却も実現し、レーザーを使用してコールドスポットを生成して、光退色を抑えたトラッピングを実現しました。 [ ^{41]サンプル温度も下げられ、}薬物送達 用途で光熱ピンセットを使用して粒子の選択を大幅に増やして光トラッピングを実現しました。^[42]

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 エクスパンダー、サンプル面内でビームの位置を操縦するために使用されるいくつかの光学系、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)、およびCCD カメラ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。

Nd :YAG レーザー(波長 1064 nm) は、生物試料を扱う際によく使用されるレーザーです。これは、このような試料 (主に水) がこの波長で吸収係数が低いためです。 ^[43]生物材料への損傷 (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です。おそらく、光ピンセットの設計で最も重要な考慮事項は、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。^[44]

代替手段はいくつかありますが、おそらく位置検出の最も簡単な方法は、サンプル チャンバーから出たトラッピング レーザーを四分円フォトダイオードに画像化することです。ビームの横方向の偏向は、原子間力顕微鏡 (AFM)を使用する場合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まで拡大すると、より狭く回折限界のスポットになります。^[45]サンプル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で実現できますが、ほとんどのピンセット セットアップには、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の光学系が装備されています。これは、図で「ビーム ステアリング」と表示されている 2 つのレンズのうち最初のレンズを移動することで実現できます。たとえば、横方向の平面でそのレンズを移動すると、図に描かれているものよりも横方向に偏向したビームになります。ビーム ステアリング レンズと対物レンズの間の距離が適切に選択されている場合、これは対物レンズに入る前に同様の偏向が発生し、サンプル平面で横方向の移動が発生します。光トラップの焦点であるビーム ウェストの位置は、最初のレンズの軸方向の変位によって調整できます。このような軸方向の変位により、ビームはわずかに発散または収束し、その結果、サンプル チャンバー内のビーム ウェストの位置が軸方向にずれます。^[46]

サンプル面の可視化は、通常、ダイクロイックミラーを使用して反対方向の光路に結合された別の光源を介した照明によって行われます。この光は CCD カメラに入射し、外部モニターで表示したり、ビデオトラッキングを使用し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。

光ピンセットの大部分は、従来の TEM ₀₀ガウスビームを使用しています。ただし、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、他の多くのビームタイプも粒子を捕捉するために使用されています。

ラゲール・ガウスビームに基づく光ピンセットは、光学的に反射性および吸収性の粒子を捕捉する独自の機能を備えています。^{[47] [48] [49]}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。 ^{[50] [51]}これは、ビームの外部機械的または電気的ステアリングなしで実現されます。

ゼロ次および高次のベッセルビームは、ユニークなピンセット能力も備えています。数ミリメートル離れた複数の粒子を捕捉して回転させることが可能で、障害物の周りを回転させることもできます。^[52]

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メカニズムにより、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。 ^[53]

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、^[54]ビームを回折して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 ビームを焦点面にある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 次元構成で連続的に照射される数百の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。^[55]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ます。^[56]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備えた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低温原子まで、科学の多くの分野で応用されています。^[57] 超低温原子は量子コンピュータの実現にも使用できます。^[58]

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じて伝送されます。光ファイバーの一端がレンズのような面に成形されている場合、シングルモードの標準ファイバーによって運ば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ところ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 (オブジェクトの光トラッピングと操作は、たとえば、オブジェクトが表面と接触している場合にのみ可能になります)。^[59] 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とほぼ接触していない状態で、非標準の環状コア ファイバー配置と全反射ジオメトリに基づいて実現されています。^[60]

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。勾配力は横方向で粒子をトラップし、軸方向の光力は 2 本のファイバーから出る 2 つの反対方向に伝搬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場所です。この研究は、A. Constableら、Opt. Lett. 18、1867 (1993) によって開拓され、その後 J.Guckら、Phys. Rev. Lett. 84、5451 (2000) が続き、この技術を使用して微粒子を引き伸ばしました。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「光学的伸張」が増加し、異なる個々の細胞骨格表現型を区別するのに十分な感度が得られます。つまり、人間の赤血球とマウスの線維芽細胞です。最近のテストでは、2つの反対の焦点のないレーザービームから癌細胞と非癌細胞を区別することに大きな成功が見られました。^[61]

ファイバーベースのレーザートラップの初期バージョンは、単一モードビームのみを使用していましたが、M. Kreysing と同僚は最近、短い光ファイバーでさらに光学モードを慎重に励起することで、非自明なトラッピングジオメトリを実現できることを示しました。これにより、研究者は顕微鏡上でさまざまな種類のヒト細胞 (個々の細胞とクラスター) を方向付けることができました。いわゆる「光学細胞回転子」技術の標準的な光ピンセットに対する主な利点は、トラッピングとイメージング光学系の分離です。これ、モジュール設計、および発散レーザートラップと生物学的材料との高い互換性は、この新世代のレーザートラップが医学研究と生命科学で大きな可能性を秘めていることを示しています。^{[62]最近、光学細胞回転子技術は}適応光学に基づいて実装され、動作中に光学トラップを動的に再構成してサンプルに適応できるようになりました。^[63]

最も一般的な細胞選別システムの 1 つは、蛍光画像によるフローサイトメトリーを利用するものです。この方法では、補助フロー中の各細胞の特定の蛍光特性に基づいて、生物細胞の懸濁液が 2 つ以上の容器に選別されます。細胞が「捕らえられた」電荷を使用することで、細胞は蛍光強度の測定値に基づいて選別されます。選別プロセスは、電荷に基づいて細胞を容器に導く静電偏向システムによって行われます。

光学的に作動する選別プロセスでは、細胞は光学的景観、すなわち2Dまたは3Dの光格子に流される。誘導電荷がない場合、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ある。光格子は回折光学系と光学素子を使用して作成することができる。^[11]

一方、K. Ladavacらは、空間光変調器を使用して強度パターンを投影し、光学的選別プロセスを可能にしました。^[64] K. XiaoとDG Grierは、ホログラフィックビデオ顕微鏡を適用して、この技術がコロイド球を千分の一の解像度でサイズと屈折率を選別できることを実証しました。^[65]

選別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と、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と、光力が優勢で偏向している優先光路ができます。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あります。したがって、流量と光勾配力には関係があります。2 つの力を調整することで、優れた光選別の効率を得ることができます。

高効率な光学選別を成功させるには、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。必要なのは主に、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評議会（EPSRC）から光学選別機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。^[66]

エバネッセント場^[67]は、全反射中に「漏れる」残留光場です。この光の「漏れ」は指数関数的に減少します。エバネッセント場は、ナノメートル解像度の画像化（顕微鏡検査）において多くの用途が見出されており、光学的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、光が光導波路を伝搬するときに連続的なエバネッセント場が生成される（多重全反射）。結果として生じるエバネッセント場には方向性があり、その伝搬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、彼らは場が100ナノメートルのオーダーで近接する粒子と結合できることを示した。^[68]この場の直接結合は、プリズムから微粒子までのギャップ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得られる。

エバネッセント場光ピンセットの最新版では、導波管を使用せずに、拡張された光学ランドスケープ パターンを使用して、多数の粒子を同時に望ましい方向に誘導します。これは、レンズレス光トラッピング (「LOT」) と呼ばれます。粒子の整然とした動きは、導波管の代わりに明確な光ポテンシャル井戸を作成するロンキー ルーリングの導入によって促進されます。つまり、粒子はエバネッセント場によって推進され、線形の明るい縞によって捕捉されます。現在、集中したエバネッセント場にも取り組んでいる科学者がいます。

最近の研究では、中赤外レーザーによって生成されるエバネッセント場が、分子振動共鳴によって選択的に粒子を選別するために使用されています。中赤外光は、振動モードが中赤外領域に存在するため、材料の分子構造を識別するためによく使用されます。Statsenko らによる研究では、9.3 μm で Si-O-Si 結合の伸縮モードを励起することにより、分子振動共鳴による光力増強が説明されています。^[69]大きな 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ます。さらに、この同じグループは、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も調査しました。^[70]

最近提案された別のアプローチは、表面プラズモンを利用するもので、これは金属/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る。平坦な金属/誘電体界面で表面プラズモンにさらされたコロイド粒子が経験する増強された力場は、光子力顕微鏡を使用して初めて測定され、その力の全体の大きさは通常のエバネッセント波と比較して40倍強力であることが判明した。^[71]表面に金の微細な島をパターン化することで、これらの島で選択的かつ平行に捕捉することが可能になる。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る。^[72]

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。 ^{[73] [74]}

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た。

ウー氏は、低電力発光ダイオード (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/オフを切り替えることができるというものです。光学パターンは光学投影によって簡単に変換できるため、この方法により、さまざまな光学的景観を切り替える高い柔軟性が得られます。

操作/ピンセット処理は、光パターンによって作動する電界の変化によって行われます。粒子は、誘導された電気双極子によって作動点に引き寄せられるか、または反発されます。液体に浮遊する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。

明らかな利点の 1 つは、細胞の種類によって電気伝導性が異なることです。生きている細胞は導電性の媒体が低く、死んだ細胞は導電性の媒体がほとんどないかまったくありません。このシステムでは、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を使用して、生きた大腸菌と20マイクロメートル幅の粒子を動かすことができました。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。」^[75]

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。この戦略は、光を使用して温度勾配を作成し、物質の熱泳動移動を利用して光トラッピングを行うというものです。^[76]チームはさらに熱泳動とレーザー冷却を統合して、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。^[77]

微粒子のクラスターが単色レーザー光線内に捕捉されると、光捕捉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します。微粒子のクラスター間の光の力の再分配は、クラスター全体に新しい力の均衡をもたらします。そのため、微粒子のクラスターは光によってある程度結合していると言えます。光結合の最初の実験的証拠の 1 つは、Michael M. Burns、Jean-Marc Fournier、Jene A. Golovchenko によって報告されましたが^[78] 、これはもともと T. Thirunamachandran によって予測されていました。^[79]光結合に関する最近の多くの研究の 1 つは、キラルナノ粒子のシステムの場合、結合力の大きさはレーザー光線の偏光と相互作用する粒子自体の利き手に依存することを示しており^[80]、エナンチオマー分離や光ナノ操作などの分野での潜在的な応用が期待されています。

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、蛍光顕微鏡と一緒に光ピンセットを構築することができます。^[81]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^[82]、実際の分解機械の研究に適用されています。^[83]

「標準」蛍光光ピンセット以外にも、現在では複数の色の共焦点、広視野、STED、FRET、TIRF、IRM を備えたものが製造されています。

これにより、タンパク質/DNA の局在結合、タンパク質の折り畳み、凝縮、モータータンパク質の力生成、細胞骨格フィラメントとモーターダイナミクスの視覚化、微小管ダイナミクス、液滴の操作 (レオロジー) または融合の測定などのアプリケーションが可能になります。これらのセットアップは構築が難しく、従来は相関のない「学術的」セットアップで使用されています。近年では、ホームビルダー (生物物理学者と一般生物学者の両方) でさえ代替手段に切り替え、簡単なデータ取得とデータ分析を備えた完全な相関ソリューションを取得しています。

• 原子光学
• 浮遊
• レーザー記事一覧
• 量子制御
• 量子光学