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光ピンセットのフィードバック制御コンセプトを開発

January, 14, 2022, Freiburg--人の髪の毛ほどの幅のモノをつかんで、回転させることは、いかにして可能か。フライブルク大学、マイクロシステム工学部、Dr. Alexander Rohrbach教授とそのチームは、この問題についての研究をNature Communicationsに発表した。
 研究は、高集束レーザ光でできた複数の光ピンセットが、いずれ、細胞集合を制御性よくつかみ、あらゆる望む方向に、どのように回転させられるかを証明している。これにより、微小腫瘍のような微小な対象が、顕微鏡下で、より正確に研究できるようになる。

レーザ光でできた指
研究室では、把捉する指は、いわゆる光ピンセットに対応している。光ピンセットは高集束レーザ光でできている。光ピンセットの明確な利点は、機械的なピンセットと違い、透明な物体を通してつかんでも力を発揮できることである。

コンピュータホログラフィック光ピンセットは、レーザ光をピクセル毎に任意に、多重構成で集束できるが、これは、光の把捉フィンガーの位置を3Dで同時にコントロールするために長年使われてきた。この方法は、ほぼ20年、研究室に存在するが、約1/10㎜径よりも大きな対象に力を発揮することができない。対象が大きく、動きが鈍すぎ、水溶液の中で任意に、安定的に回転できないので困難に直面するのである。光ピンセットは、十分に強くないか、適切な把捉位置を見つけられないか、いずれかであり、したがって、滑り落ちる。驚いたことに、ベストの把捉位置を見つけられない理由は、ピンセットがそれを全く見ておらず、盲目的につかんでいるだけだからである。光ピンセットの位置決めをしようとしている研究者の能力に依存しているのである。

非盲目的光ピンセットという概念
 「非盲目ピンセットは、対象の上で散乱する光を計測し、分析することでつかもうとするモノを見ている」(Rohrbach)。「われわれは様々なモノを目で見ている。太陽光、室内光が、それらの上で散乱し、われわれの網膜で再現されるからである」。レーザピンセットは、透明物体を通してつかむことができる。しかし、研究者が顕微鏡下で調べる生物学的研究対象、微小腫瘍、あるいは小さなハエの胚などは、完全な透明ではなく、バスルームの窓の磨りガラスのようであり、そこでは光は透過後に散乱するので、分析は難しい。ピンセットがどこへ向かおうとしていているかを見る新しいコンセプトは、物体背後の高速カメラで焦点ズレのレーザ散乱光を分析する、つまりそれはフィードバック信号の役割を果たす。カメラで、個々の光ピンセットの光点が非対称であればあるほど、焦点での光はますます散乱し、対象のそれぞれの点における屈折率の変化が大きくなる。これらは、光ピンセットが効率的に対象を把捉する点である。物理学的には、モノの偏光における局所的変化は、光双極子力の増加となる。

Rohrbachによると、ベストの把捉点を見つける原理で驚くべきことは、光散乱、つまり運動量の変化は、焦点前後と比べると、直接レーザ焦点で遙かに強力である。約5~10の光ピンセットの各々が、散乱光ベースで、ベストの把捉位置を感じ、様々な方向に対象を回転させる。しかし、ピンセットの1つが、強すぎる力を出すと、他のピンセットは、その把捉を失う。「これは、極めて複雑な最適化問題であり、われわれは、この先数年、悩まされることになる」(Rohrbach)。同氏の見方では、成功した場合、非接触サンプル把持原理は、将来の顕微鏡に組み込まれる。
(詳細は、https://www.pr.uni-freiburg.de/)