光ピンセット

光ピンセット：微小な世界を操る光の力

光ピンセット（optical tweezers）とは、集光したレーザー光を利用して、細胞などの微小物体をその焦点付近に捕捉し、操作する装置および技術です。この技術は、微小な物体を掴んで移動させることが可能であり、生物学、物理学、材料科学など幅広い分野で応用されています。

歴史と発展

光ピンセットの概念は、1970年代にベル研究所のアーサー・アシュキンによって提唱されました。彼は、レーザー光を使って微小な粒子を操作する理論を初めて発表し、その後、実際に微粒子を三次元的に捕捉することに成功しました。

1986年には、スティーブン・チューがレーザー冷却に関する論文の中で光ピンセットに言及し、その後の研究でノーベル物理学賞を受賞しました。チューはアシュキンを「原子捕捉・光ピンセットの先駆者」と評し、アシュキンの研究を発展させ、より微細な粒子の捕捉を可能にしました。

1980年代には、アシュキンらによってタバコモザイクウイルスや大腸菌の操作が初めて行われ、光ピンセットの生物学への応用が始まりました。1990年代には、カルロス・バスマンテ、ジェームズ・スプディッチ、スティーブン・ブロックらがこの分野に参入し、光ピンセット、レーザー分光学、一分子細胞生物学の発展に貢献しました。

この過程で、分子モーターの発見など画期的な発見が相次ぎ、生物物理学などの分野が大きく発展しました。2003年には光ピンセットを用いた細胞の整列に成功し、2004年には低価格で小型化された光ピンセットが開発されました。

2018年には、アシュキンが光ピンセットの発明に関する功績でノーベル物理学賞を受賞し、その重要性が広く認められました。

物理学的解釈

光ピンセットは、集光されたレーザー光によって微粒子を捕捉します。この際、光の焦点付近には強い電場勾配が生じ、誘電体微粒子が電場の最も強い部分に引き寄せられる力が働きます。また、レーザー光の伝播方向にも力が働き、微粒子は光の焦点付近に安定して捕捉されます。

光ピンセットは非常に精密な操作が可能で、ナノメートルからマイクロメートルオーダーの微粒子、例えばDNA、タンパク質、酵素といった巨大分子を個別に操作できます。ただし、微粒子の形状や内部の誘電率の偏りによって、必ずしも中心にトラップされるとは限りません。

捕捉された微粒子の挙動は、その粒径によって異なります。粒径がレーザー光の波長よりも大きい場合は、光線光学（幾何光学）で説明できますが、波長よりも小さい場合は、微粒子を電磁場中の点双極子として扱う必要があります。

光線光学的解釈

微粒子の直径が波長よりも十分に大きい場合、光線光学を用いてトラッピング現象を説明できます。レーザー光線は微粒子に入射する際に屈折し、入射方向とは異なる方向に射出します。この時、光の運動量の変化が微粒子に力を与え、微粒子がレーザー光軸の中心に引き寄せられる力が働きます。

電磁気学的解釈

微粒子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を満たします。このとき、微粒子は電場中の点双極子とみなすことができ、微粒子にはローレンツ力が加わります。この力を計算することで、微粒子がレーザー光の強度勾配に比例する力を受けることがわかります。これにより、微粒子は光の最も強い場所に引き寄せられます。

構成と操作

光ピンセットの基本的なシステムは、光学顕微鏡をベースに、レーザー光源、ビーム整形光学系、対物レンズ、検出器などで構成されています。一般的に、Nd:[[YAG[[レーザー]]]]が光源として用いられ、波長1064 nmの赤外線を使用することで生物組織へのダメージを最小限に抑えます。

対物レンズには高開口数の液浸レンズが用いられ、レーザー光を小さな焦点に集光します。また、捕捉された微粒子の位置を精密に検出するためには、四分割フォトダイオードが使用されます。

ビームエクスパンダーによってレーザー光の径を拡大し、対物レンズの瞳径全体を満たすようにすることで、回折限界スポットを得られます。微粒子の捕捉位置を操作するためには、顕微鏡ステージを動かす方法の他に、偏向装置によってレーザー光の向きを変える方法が用いられます。

応用

光ピンセットは、細胞骨格の操作、生体高分子の粘弾性測定、細胞操作など、幅広い応用が可能です。また、様々なレーザー光を用いた研究も進められています。

例えば、ラゲールガウシアンビームを用いると、微粒子を回転させることができ、マイクロマシンの動力源としての応用が期待されています。ベッセルビームは、複数の粒子を同時に捕捉・回転させることができるため、新たな応用分野を開拓する可能性を秘めています。

光ピンセットの改良として、複数のレーザーユニットを用いることで、複数の微粒子を同時に操作したり、光ファイバーを用いることでシステムを簡素化する試みもなされています。さらに、フローサイトメトリーや蛍光イメージングと組み合わせることで、細胞の自動操作や組織構築も行われています。

また、誘電泳動を利用して、微粒子の物性に基づいて選別を行う技術も開発されています。

まとめ

光ピンセットは、レーザー光の力を利用して微小な物体を精密に操作する革新的な技術です。その応用範囲は生物学から材料科学まで多岐にわたり、科学研究の発展に大きく貢献しています。今後も光ピンセットの技術革新によって、新たな発見が期待されています。

参考文献

A. Ashkin, "Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers"
Neuman, K.C., and Block S.M Review on Optical Trapping method
M. Lang and S. Block, A Resource Letter on Optical Tweezers
K.Dholakia on Recent review of state of the art tweezers
D. McGloin on Review of Bessel beam optical tweezers
David Grier on A revolution in optical manipulation
Special Edition of Journal of Modern Optics A selection of optical tweezers papers from some of the leading groups
A more detailed list of references can be obtained from the online manuscript written by Justin E Molloy and Miles J Padgett titled Lights, Action: Optical Tweezers posted online

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