特開 2017-202446 微小物体の捕集装置および捕集キットならびに微小物体の捕集方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-202446(P2017-202446A)

(43)【公開日】2017年11月16日

(54)【発明の名称】微小物体の捕集装置および捕集キットならびに微小物体の捕集方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 43/00 20060101AFI20171020BHJP

   C12M 1/26 20060101ALI20171020BHJP

   C12M 1/34 20060101ALI20171020BHJP

【ＦＩ】

   B01D43/00 Z

   C12M1/26

   C12M1/34 B

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2016-95494(P2016-95494)

(22)【出願日】2016年5月11日

(71)【出願人】

【識別番号】505127721

【氏名又は名称】公立大学法人大阪府立大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(71)【出願人】

【識別番号】317007266

【氏名又は名称】シャープライフサイエンス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】床波 志保

(72)【発明者】

【氏名】飯田 琢也

(72)【発明者】

【氏名】藤岡 一志

【テーマコード（参考）】

4B029

【Ｆターム（参考）】

4B029BB01

4B029BB15

4B029BB20

4B029CC01

4B029FA15

(57)【要約】

【課題】液体中に分散した複数の微小物体を光照射により捕集し、さらに捕捉する。
【解決手段】細菌Ｂの捕集装置１は、サンプルＳの液体中に分散した複数の細菌Ｂを捕集する。捕集装置１は、レーザ光Ｌ１を発するレーザ光源５０と、上記液体を保持可能に構成されたハニカム高分子膜１２とを備える。ハニカム高分子膜１２には、上記液体中に分散した複数の細菌Ｂが捕捉される細孔Ｐを規定するための隔壁Ｗが形成されるとともに、レーザ光源５０からの光を熱に変換する材料を含む薄膜１３が形成される。薄膜１３は、レーザ光源５０からのレーザ光Ｌ１を熱に変換してサンプルＳの液体を加熱することによって、液体中に対流を生じさせる。
【選択図】図１１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体中に分散した複数の微小物体を捕集する、微小物体の捕集装置であって、
光を発する光源と、
前記液体を保持可能に構成された保持部材とを備え、
前記保持部材には、前記液体中に分散した前記複数の微小物体が捕捉される空間を規定するための内壁部が形成されるとともに、前記光源からの光を熱に変換する材料を含む光熱変換領域が形成され、
前記光熱変換領域は、前記光源からの光を熱に変換して前記液体を加熱することによって、前記液体中に対流を生じさせる、微小物体の捕集装置。

【請求項2】

前記保持部材には、複数の細孔が前記空間として形成されるとともに、前記複数の細孔のうちの隣接する細孔間を互いに隔てる隔壁が前記内壁部および前記光熱変換領域として形成され、
前記捕集装置は、
前記光源からの光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズにより集光された光を、前記隔壁と前記対物レンズとの相対的な位置関係を調整することによって前記隔壁に照射可能に構成された調整機構とをさらに備える、請求項１に記載の微小物体の捕集装置。

【請求項3】

前記保持部材には、複数の細孔が前記空間として形成され、
前記複数の細孔の各々は、当該細孔と前記液体との界面における界面張力により、前記微小物体が分散した前記液体の一部を当該細孔内に保持可能なサイズを有する、請求項１に記載の微小物体の捕集装置。

【請求項4】

前記複数の細孔は、ハニカム状に配列される、請求項２または３に記載の微小物体の捕集装置。

【請求項5】

液体中に分散した複数の微小物体を光照射により捕集するための捕集装置に用いられる、微小物体の捕集キットであって、
支持体と、
前記支持体上に形成され、前記液体を保持可能に構成された保持部材とを備え、
前記保持部材には、光源からの光を熱に変換する材料を含む光熱変換領域が形成され、
前記光熱変換領域は、前記液体中に対流を生じさせるように前記液体を加熱するための熱を前記光源からの光により発生させ、
前記保持部材には、前記液体中に分散した前記複数の微小物体が捕捉される空間を規定するための内壁部がさらに形成される、微小物体の捕集キット。

【請求項6】

前記保持部材には、複数の細孔が前記空間として形成され、
前記複数の細孔の各々は、当該細孔と前記液体との界面における界面張力により、前記微小物体が分散した前記液体の一部を当該細孔内に保持可能なサイズを有する、請求項５に記載の微小物体の捕集キット。

【請求項7】

前記複数の細孔は、ハニカム状に配列される、請求項６に記載の微小物体の捕集キット。

【請求項8】

液体中に分散した複数の微小物体を捕集する、微小物体の捕集方法であって、
前記液体中に分散した前記複数の微小物体が捕捉される空間を規定するための内壁部が形成されるとともに、光を吸収して熱に変換する材料を含む光熱変換領域が形成された保持部材を準備するステップと、
前記光熱変換領域の光吸収帯に含まれる波長の光を前記光熱変換領域に照射することによって、前記液体中に対流を生じさせるステップとを含む、微小物体の捕集方法。

【請求項9】

前記保持部材には、複数の細孔が前記空間として形成されるとともに、前記複数の細孔のうちの隣接する細孔間を互いに隔てる隔壁が前記内壁部および前記光熱変換領域として形成され、
前記対流を生じさせるステップは、対物レンズにより光を集光し、集光された光を前記隔壁に照射するステップを含む、請求項８に記載の微小物体の捕集方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、微小物体の捕集装置、捕集装置に用いられる捕集キット、ならびに微小物体の捕集方法に関し、より特定的には、液体中に分散した複数の微小物体を捕集するための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、微小物体を狙った位置に捕集するための技術が提案されている。たとえば特開２００９−２１４０４４号公報（特許文献１）は、誘電泳動力が強い第１の粒子と誘電泳動力が弱い第２の粒子とを含む懸濁液から第１の粒子を誘電泳動により分離する分離方法を開示する。この分離方法では、基板上に設けられた電極間に交流電圧を印加して不均一電界を形成し、第１および第２の粒子を誘電泳動させて電極間付近に引き寄せる。それとともに電極間付近に局所的な流動を発生させることにより誘電泳動力が弱い第２の粒子を電極間付近から排除することによって、誘電泳動力が強い第１の粒子を電極間付近に捕集する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−２１４０４４号公報

【特許文献2】特開２００９−１０３６２４号公報

【特許文献3】特開２００６−７０２５４号公報

【特許文献4】国際公開ＷＯ２０１５／１７０７５８

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】O. Karthaus， N. Maruyama， X. Cieren， M. Shimomura， H. Hasegawa， T. Hashimoto， "Water-Assisted Formation of Micrometer-Size Honeycomb Patterns of Polymers"， Langmuir 16， 6072-6076(2000)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示された分離方法では、電極間への電圧印加により微小物体（特許文献１では粒子）が捕集される。微小物体の捕集技術の適用範囲を拡大する観点からは、電気的手法（電圧印加）以外の手法として、光学的手法（光照射）が要望される。

【0006】

また、特許文献１に開示の分離方法では、電極間付近に一旦捕集された微小物体にその位置を維持させる（言い換えると捕捉する）ためには、電極間に電圧を印加し続けなければならないと考えられる。一旦捕集された微小物体については、より簡易に捕捉可能であることが望ましい。

【0007】

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、液体中に分散した複数の微小物体を光照射により捕集し、さらに捕捉可能な技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある局面に従う微小物体の捕集装置は、液体中に分散した複数の微小物体を捕集する。捕集装置は、光を発する光源と、上記液体を保持可能に構成された保持部材とを備える。保持部材には、上記液体中に分散した複数の微小物体が捕捉される空間を規定するための内壁部が形成されるとともに、上記光源からの光を熱に変換する光熱変換領域が形成される。光熱変換領域は、上記光源からの光を熱に変換して上記液体を加熱することによって、上記液体中に対流を生じさせる。

【0009】

好ましくは、保持部材には、複数の細孔が上記空間として形成されるとともに、複数の細孔のうちの隣接する細孔間を互いに隔てる隔壁が内壁部および光熱変換領域として形成される。捕集装置は、光源からの光を集光する対物レンズと、対物レンズにより集光された光を、隔壁と対物レンズとの相対的な位置関係を調整することによって隔壁に照射可能に構成された調整機構とをさらに備える。

【0010】

好ましくは、保持部材には、複数の細孔が上記空間として形成される。複数の細孔の各々は、当該細孔と上記液体との界面における界面張力により、上記液体の一部を当該細孔内に保持可能なサイズを有する。
好ましくは、上記複数の細孔は、ハニカム状に配列される。

【0011】

本発明の他の局面に従う微小物体の捕集キットは、液体中に分散した複数の微小物体を光照射により捕集するための捕集装置に用いられる。捕集キットは、支持体と、支持体上に形成され、上記液体を保持可能に構成された保持部材とを備える。保持部材には、光源からの光を熱に変換する材料を含む光熱変換領域が形成される。光熱変換領域は、上記液体中に対流を生じさせるように上記液体を加熱するための熱を上記光源からの光により発生させる。保持部材には、上記液体中に分散した複数の微小物体が捕捉される空間を規定するための内壁部がさらに形成される。

【0012】

好ましくは、保持部材には、複数の細孔が上記空間として形成される。複数の細孔の各々は、当該細孔と上記液体との界面における界面張力により、上記液体の一部を当該細孔内に保持可能なサイズを有する。
好ましくは、上記複数の細孔は、ハニカム状に配列される。

【0013】

本発明のさらに他の局面に従う微小物体の捕集方法は、液体中に分散した複数の微小物体を捕集する。捕集方法は、保持部材を準備するステップを含む。保持部材には、上記液体中に分散した複数の微小物体が捕捉される空間を規定するための内壁部が形成されるとともに、光を吸収して熱に変換する材料を含む光熱変換領域が形成される。捕集方法は、光熱変換部材の光吸収帯に含まれる波長の光を光熱変換領域に照射することによって、上記液体中に対流を生じさせるステップをさらに含む。

【0014】

好ましくは、保持部材には、複数の細孔が上記空間として形成されるとともに、複数の細孔のうちの隣接する細孔間を互いに隔てる隔壁が内壁部および光熱変換領域として形成される。対流を生じさせるステップは、対物レンズにより光を集光し、集光された光を隔壁に照射するステップを含む。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、液体中に分散した複数の微小物体を光照射により捕集し、さらに捕捉することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本実施の形態に係る細菌の捕集装置の構成を概略的に示す図である。

【図2】サンプルに含まれる細菌の例を示す画像である。

【図3】捕集キットの構成を説明するための概念図である。

【図4】ハニカム高分子膜の作製手法を説明するための概念図である。

【図5】本実施の形態において作製されたハニカム高分子膜の画像である。

【図6】金スパッタ後のハニカム高分子膜の隔壁上面の元素分析結果を示す図である。

【図7】金スパッタ後のハニカム高分子膜の細孔底面の元素分析結果を示す図である。

【図8】金スパッタ後のハニカム高分子膜の隔壁側面（細孔壁面）の元素分析結果を示す図である。

【図9】本実施の形態に係る細菌の捕集方法を示すフローチャートである。

【図10】光熱変換の原理を説明するための図である。

【図11】本実施の形態における細菌捕集メカニズムを概略的に説明するための図である。

【図12】光照射開始前後のハニカム高分子膜の様子および細菌の挙動を説明するための連続画像である。

【図13】細菌の蛍光染色手法を説明するための図である。

【図14】捕集された緑膿菌の蛍光観察像である。

【図15】捕集された黄色ブドウ球菌の蛍光観察像である。

【図16】異なるレーザ出力条件下で捕集された緑膿菌量を比較するための蛍光観察像である。

【図17】異なるレーザ出力条件下で捕集された黄色ブドウ球菌量を比較するための蛍光観察像である。

【図18】細菌の捕集密度および生存率のレーザ出力依存性を示す図である。

【図19】捕集された細菌の培養前後の培養液の画像である。

【図20】比較例における細菌捕集メカニズムを説明するための図である。

【図21】本実施の形態における細菌捕集メカニズムを詳細に説明するための図である。

【図22】実施の形態の変形例に係る、微小物体を捕捉するための「空間」の例を説明するための捕集キットの上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0018】

本発明およびその実施の形態において、「微小物体」との用語は、ナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーまでの範囲のサイズを有する物体を意味する。微小物体の形状は特に限定されず、たとえば球形、楕円球形、ロッド形（棹形）である。微小物体が楕円球形の場合、楕円球の長軸方向の長さおよび短軸方向の長さの少なくとも一方がナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーまでの範囲であればよい。微小物体がロッド形の場合、ロッドの幅および長さの少なくとも一方がナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーまでの範囲であればよい。

【0019】

微小物体は、生体由来の物体を含み得る。より具体的には、微小物体は、たとえば細胞、微生物（細菌、真菌等）、抗原（アレルゲン等）、ウイルス、生体物質を含み得る。「生体物質」とは、タンパク質、核酸、脂質、多糖類等の生体高分子を含み得る。

【0020】

微小物体の他の例としては、金属ナノ粒子、金属ナノ粒子集合体、金属ナノ粒子集積構造体、半導体ナノ粒子、有機ナノ粒子、樹脂ビーズ、ＰＭ（Particulate Matter）などが挙げられる。「金属ナノ粒子」とは、ナノメートルのオーダーのサイズを有する金属粒子である。「金属ナノ粒子集合体」とは、複数の金属ナノ粒子が凝集することによって形成された集合体である。「金属ナノ粒子集積構造体」とは、たとえば複数の金属ナノ粒子が相互作用部位を介してビーズの表面に固定され、互いに隙間を設けて、金属ナノ粒子の直径以下の間隔で配置された構造体である。「半導体ナノ粒子」とは、ナノメートルのオーダーのサイズを有する半導体粒子である。「有機ナノ粒子」とは、ナノメートルのオーダーのサイズを有する有機化合物からなる粒子である。「樹脂ビーズ」とは、ナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーのサイズを有する樹脂からなる粒子である。「ＰＭ」とは、マイクロメートルのオーダーのサイズを有する粒子状物質である。

【0021】

本発明およびその実施の形態において、「ナノメートルのオーダー」には、１ｎｍから１０００ｎｍ（＝１μｍ）までの範囲が含まれる。「マイクロメートルのオーダー」には、１μｍから１０００μｍ（＝１ｍｍ）までの範囲が含まれる。したがって、「ナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーまでの範囲」との用語には、１ｎｍから１０００μｍまでの範囲が含まれる。「ナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーまでの範囲」との用語は、典型的には数ｎｍ〜数百μｍの範囲を示し、好ましくは１００ｎｍ〜１００μｍの範囲を示し、より好ましくは１μｍ〜数十μｍの範囲を示し得る。

【0022】

本発明およびその実施の形態において、「光を吸収する」あるいは「光吸収性を有する」との用語は、物質により吸収される光の強度がゼロより大きいという性質を意味する。光の波長領域は、紫外領域、可視領域、および近赤外領域のいずれかの領域、これら３つの領域のうちの２つの領域にまたがる領域、３つの領域のすべての領域にまたがる領域のいずれもよい。光吸収性は、たとえば光の吸収率の範囲によって定義することができる。この場合、吸収率の範囲の下限はゼロよりも大きければよく、特に限定されない。なお、吸収率の範囲の上限は１００％である。

【0023】

本発明およびその実施の形態において、「ハニカム状」とは、複数の正六角形が２次元方向に六方格子状（ハチの巣状）に配列された形状である。複数の正六角形の各々には細孔が形成される。複数の細孔がハニカム状に配列された構造を有する構造体を「ハニカム構造体」と称する。各細孔は、ナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーまでの範囲の開口を有する孔である。細孔は、貫通孔であってもよく非貫通孔であってもよい。また、細孔の形状は特に限定されず、円柱形、角柱形、真球形を除く球形（たとえば半球形または半楕円球形）等の任意の形状を含み得る。

【0024】

本発明およびその実施の形態において、「マイクロバブル」とは、マイクロメートルのオーダーの気泡である。

【0025】

本発明およびその実施の形態において、「界面張力」とは、固液界面において液体がその表面をできるだけ縮小しようとする力を意味し、毛管力を含む。「毛管力」とは、毛管現象による力、すなわち固体表面間に挟まれた空隙もしくは固体表面に囲まれた狭い空間に液体が浸入しようとする力、または上記空隙もしくは空間内に浸入した液体が上記空隙もしくは空間内に保持される力を意味する。なお、毛管現象は、毛管（管状構造）内で起こる現象に限定されず、上記細孔内で起こる現象を含み得る。

【0026】

以下に説明する実施の形態では、微小物体の一つの例示的形態として細菌が採用される。ただし、上述のように微小物体は細菌に限定されるものではないことを確認的に記載する。

【0027】

［実施の形態］
＜細菌捕集装置の構成＞
図１は、本実施の形態に係る細菌の捕集装置の構成を概略的に示す図である。捕集装置１は、捕集キット１０と、ＸＹＺ軸ステージ２０と、サンプル供給部３０と、調整機構４０と、レーザ光源５０と、光学部品６０と、対物レンズ７０と、照明光源８０と、撮影機器９０と、制御部１００とを備える。以下、ｘ方向およびｙ方向は水平方向を表す。ｘ方向とｙ方向とは互いに直交する。ｚ方向は鉛直方向を表す。重力の向きはｚ方向下方である。

【0028】

捕集キット１０はサンプルＳを保持する。本実施の形態において、サンプルＳは、細菌Ｂ（図２参照）が分散された液体である。捕集キット１０の詳細な構成については図３にて説明する。捕集キット１０は、ＸＹＺ軸ステージ２０上に搭載される。

【0029】

サンプル供給部３０は、制御部１００からの指令に応じて、捕集キット１０上に液体状のサンプルＳを供給する。サンプル供給部３０としては、たとえばディスペンサを用いることができる。

【0030】

調整機構４０は、制御部１００からの指令に応じて、捕集キット１０が搭載されたＸＹＺ軸ステージ２０のｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の位置を調整する。本実施の形態では対物レンズ７０の位置が固定されているので、ＸＹＺ軸ステージ２０の位置を調整することにより、捕集キット１０と対物レンズ７０との相対的な位置関係が調整される。調整機構４０としては、たとえば顕微鏡に付属のサーボモータおよび焦準ハンドルなどの駆動機構を用いることができるが、調整機構４０の具体的な構成は特に限定されるものではない。なお、調整機構４０は、固定された捕集キット１０に対して対物レンズ７０の位置を調整してもよい。

【0031】

レーザ光源５０は、制御部１００からの指令に応じて、たとえば近赤外（たとえば波長１０６４ｎｍ）のレーザ光Ｌ１を発する。ただし、レーザ光Ｌ１の波長は、後述する薄膜１３（図３参照）の材料の光吸収帯に含まれる波長であれば、これに限定されるものではない。

【0032】

光学部品６０は、たとえばミラー、ダイクロイックミラーまたはプリズムを含む。捕集装置１の光学系は、レーザ光源５０からのレーザ光Ｌ１が光学部品６０により対物レンズ７０へと導かれるように調整される。

【0033】

対物レンズ７０は、レーザ光源５０からのレーザ光Ｌ１を集光する。対物レンズ７０により集光された光は捕集キット１０に照射される。ここで「照射する」とは、レーザ光Ｌ１が捕集キット１０を通過する場合を含む。すなわち、対物レンズ７０により集光された光のビームウエストが捕集キット１０内に位置する場合に限定されない。なお、光学部品６０および対物レンズ７０は、たとえば倒立型顕微鏡本体または正立型顕微鏡本体に組み込むことができる。

【0034】

照明光源８０は、制御部１００からの指令に応じて、捕集キット１０内のサンプルＳを照らすための白色光Ｌ２を発する。１つの実施例として、ハロゲンランプを照明光源８０として用いることができる。対物レンズ７０は、照明光源８０から捕集キット１０に照射された白色光Ｌ２を取り込むためにも用いられる。対物レンズ７０により取り込まれた白色光Ｌ２は、光学部品６０により撮影機器９０へと導かれる。

【0035】

撮影機器９０は、制御部１００からの指令に応じて、白色光Ｌ２が照射された捕集キット１０内のサンプルＳ（図２参照）を撮影し、撮影された画像を制御部１００に出力する。撮影機器９０には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを含むビデオカメラが用いられる。

【0036】

制御部１００は、サンプル供給部３０、調整機構４０、レーザ光源５０、照明光源８０および撮影機器９０を制御する。また、制御部１００は、撮影機器９０により撮影された画像に所定の画像処理を施す。制御部１００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力バッファ等とを含んで構成されるマイクロコンピュータによって実現される。

【0037】

なお、捕集装置１の光学系は、レーザ光源５０からのレーザ光Ｌ１を捕集キット１０に照射することが可能であるととともに捕集キット１０からの白色光Ｌ２を撮影機器９０に取り込むことが可能であれば、図１に示した構成に限定されず、光ファイバ等を含んで構成されてもよい。また、捕集装置１において、サンプル供給部３０、照明光源８０および撮影機器９０は必須の構成要素ではない。

【0038】

図２は、サンプルＳに含まれる細菌Ｂの例を示す画像である。図２（ａ）は緑膿菌のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像を示し、図２（ｂ）は黄色ブドウ球菌のＳＥＭ画像を示す。

【0039】

図２（ａ）に示すように、緑膿菌Ｂ１は棹菌である。典型的な緑膿菌（本実施の形態ではＮＲＢＣ（NITE Biological Resource Center）番号３０８０）の長軸の長さ（長径）は約２μｍであり、短軸の長さ（短径）は約０．５μｍである。緑膿菌Ｂ１はグラム陰性菌である。

【0040】

一方、図２（ｂ）に示すように、黄色ブドウ球菌Ｂ２は球菌である。典型的な黄色ブドウ球菌（本実施の形態ではＮＢＲＣ番号１０２１３５）の直径は、約０．８μｍである。黄色ブドウ球菌Ｂ２はグラム陽性菌である。以下では、緑膿菌Ｂ１と黄色ブドウ球菌Ｂ２とを区別しない場合には細菌Ｂと記載する。

【0041】

図３は、捕集キット１０の構成を説明するための概念図である。図３（ａ）を参照して、捕集キット１０は、基板１１と、ハニカム構造体が形成された高分子膜（以下「ハニカム高分子膜」とも略す）１２と、薄膜１３とを含む。

【0042】

基板１１には、たとえばカバーガラスが用いられる。ハニカム高分子膜１２は基板１１上に形成される。ハニカム高分子膜１２は、その表面に沿って複数の細孔Ｐがハニカム状に配列された膜である。ハニカム高分子膜１２の材料には樹脂を用いることができるが、その作製手法については後述する。なお、基板１１は、本発明に係る「支持体」に相当する。ハニカム高分子膜１２は、本発明に係る「保持部材」に相当する。

【0043】

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う捕集キット１０の断面を説明するための図である。図３（ｂ）に示すように、ハニカム高分子膜１２上には薄膜１３がさらに形成される。レーザ光Ｌ１が照射される箇所（レーザスポットの位置）に薄膜１３を部分的に形成してもよいが、本実施の形態ではハニカム高分子膜１２の表面全体を覆うように薄膜１３が形成される。したがって、薄膜１３は、ハニカム高分子膜１２の構造を反映してハニカム構造を有する。すなわち、薄膜１３には、ハニカム状に配列された複数の細孔（空間）Ｐが形成されるとともに、複数の細孔Ｐのうちの隣接する細孔間を互いに隔てる隔壁Ｗが形成される。細孔Ｐの底面をＰＢで示す。また、隔壁Ｗの上面をＷＴで示し、隔壁Ｗの壁面（細孔Ｐの側面）をＷＳで示す。隔壁Ｗの側面ＷＳは、本発明に係る「内壁部」に相当する。

【0044】

薄膜１３は、レーザ光源５０からのレーザ光Ｌ１を吸収して光エネルギーを熱エネルギーに変換する。すなわち、薄膜１３（言い換えると、隔壁Ｗの上面ＷＴおよび側面ＷＳならびに細孔Ｐの底面ＰＢ）は、本発明に係る「光熱変換領域」に相当する。薄膜１３の材料は、レーザ光Ｌ１の波長帯（本実施の形態では近赤外）に対する光吸収性（たとえば光熱変換効率）が高い材料であることが好ましい。本実施の形態では、厚みがナノメートルのオーダーの金薄膜が薄膜１３として形成される。金薄膜は、スパッタまたは無電解メッキなどの公知の手法を用いて形成することができる。薄膜１３の厚みは、レーザ光Ｌ１の強度（以下「レーザ出力」とも記載する）および薄膜１３の材料の光吸収性を考慮して、設計的または実験的に決定することが好ましい。本実施の形態では、厚みが４０ｎｍの薄膜１３を金スパッタにより形成した。

【0045】

＜ハニカム高分子の作製＞
本実施の形態におけるハニカム高分子膜１２の作製手法について説明する。なお、この作製手法の詳細については、たとえば非特許文献１を参照することができる。

【0046】

図４は、ハニカム高分子膜１２の作製手法を説明するための概念図である。ハニカム高分子膜１２の基質（以下「ハニカム基質」とも略す）としては、有機溶媒（疎水性溶媒）に溶解可能な高分子を用いることができる。本実施の形態では、ポリスチレンがハニカム基質として用いられる。ハニカム基質には、親水基および疎水基の両方を有する微量の両親媒性ポリマーが添加される。本実施の形態では、ジメチルジステアリルアンモニウムブロミド（DimethyldioctadecylammoniumBromide）を親水基として有し、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（Poly(styrenesulfonicacid) sodium salt）を疎水基として有するポリイオンコンプレックス（ＰＩＣ：polyion complex）が両親媒性ポリマーとして添加される。ただし、両親媒性ポリマーの種類は、ＰＩＣに限られず、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド（ＣＴＡＢ）等の界面活性剤であってもよい。

【0047】

ハニカム高分子膜１２を作製するための溶液の調製手順について具体的に説明する。まず、６４．５ｍｇのポリスチレンスルホン酸ナトリウムを５０ｍＬの超純水に溶解させた溶液を透明になるまで攪拌した。また、２００ｍｇのジメチルジステアリルアンモニウムブロミドを１００ｍＬの超純水に溶解させた溶液を７０℃〜８０℃に加熱しつつ半透明になるまで攪拌した。

【0048】

続いて、ジメチルジステアリルアンモニウムブロミドの溶液を攪拌しつつ、その温度を維持したままポリスチレンスルホン酸ナトリウムの溶液をメチルジステアリルアンモニウムブロミドの溶液に加え、さらに２０分間攪拌した。これにより生じたコロイド状のＰＩＣ析出物の吸引濾過を行なった。吸引濾過されたＰＩＣを真空デシケータ内で乾燥させた。その後、２５ｍｇのポリスチレンと２．５ｍｇのＰＩＣとを１０ｍＬのクロロホルムに混合し、その混合溶液を５分間激しく混合した。このようにして調整した溶液（以下「ハニカム溶液」とも記載する）１２１を基板１１上に５００μＬ滴下した。

【0049】

次に、ハニカム溶液１２１からのハニカム高分子膜１２の作製手順について簡単に説明する。ハニカム溶液１２１の溶媒（クロロホルム）の蒸発に伴って潜熱が奪われることにより、ハニカム溶液１２１の表面が冷却される。そのため、ハニカム溶液１２１の上方に水蒸気を含む気流Ｆを流すと、ハニカム溶液と気流Ｆとの温度差により溶液表面が結露し、複数の水滴核（Ｄ１で示す）が生成する。各水滴は時間の経過とともに成長する（Ｄ１〜Ｄ４で示す）。このとき、ハニカム溶液１２１にＰＩＣが含まれていることで、複数の水滴同士の合一が抑制されるとともに各水滴の大きさが均一化される。そして、複数の水滴は、自己組織化によりハニカム状に配列する。溶媒の蒸発によりハニカム基質（ポリスチレン）が次第に濃縮され、ハニカム基質の濃度が飽和濃度（溶解度）に達すると、ハニカム基質が析出する。つまり、複数の水滴がハニカム状に固定される。その後（あるいは溶媒の蒸発と並行して）、各水滴を蒸発させる（Ｄ５で示す）。

【0050】

このように、自己組織化によりハニカム状に配列した複数の水滴を鋳型とすることでハニカム高分子膜１２を作製することができる。なお、両親媒性ポリマーの種類に応じて水分子との静電相互作用の大きさが異なるので、水滴の成長度合いが異なる。この特性を用いることで細孔サイズを調整することができる。

【0051】

図５は、本実施の形態において作製されたハニカム高分子膜１２の画像である。図５（ａ）は、ハニカム高分子膜１２の上面画像（実体顕微鏡像）を示す。図５（ａ）から、ハニカム高分子膜１２の細孔Ｐの規則性が高いことが確認される。より詳細に説明すると、複数の細孔Ｐについて、ｘｙ平面方向に沿う細孔開口の直径（細孔径）を算出したところ、平均細孔径は約５．０μｍであった。つまり、細孔径は細菌Ｂ（図２に示した緑膿菌Ｂ１および黄色ブドウ球菌Ｂ２）のサイズ（より詳細には長径）よりも大きいので、細菌Ｂが細孔開口を通過可能であることが分かる。さらに、細孔径の標準偏差は０．１μｍ以下であった。このことから、細孔径の均一性が高いことが分かる。

【0052】

図５（ｂ）は、ハニカム高分子膜１２の断面画像（ＳＥＭ画像）を示す。細孔Ｐの直径（細孔Ｐを球として見たときのｘｙ平面方向の直径）は約５．０μｍであり、細孔Ｐの深さは約３．０μｍであった。つまり、細孔Ｐの深さ(隔壁Ｗの高さ)は細菌Ｂのサイズ（より詳細には図２に示した緑膿菌Ｂ１の短径、および黄色ブドウ球菌Ｂ２の直径）よりも大きいので、細菌Ｂを捕捉可能であることが分かる。また、細孔Ｐの底面ＰＢに残るハニカム基質を詳細に観察すると、隣接する細孔Ｐ同士が底面側で互いに連通していることが分かる。

【0053】

＜薄膜形成＞
次に、金スパッタ処理されたハニカム高分子膜１２に対してＸ線元素分析装置を用いて元素分析を行なった結果について説明する。

【0054】

図６は、金スパッタ後のハニカム高分子膜１２の隔壁Ｗの上面ＷＴの元素分析結果を示す図である。図７は、金スパッタ後のハニカム高分子膜１２の細孔Ｐの底面ＰＢの元素分析結果を示す図である。図８は、金スパッタ後のハニカム高分子膜１２の隔壁Ｗの側面ＷＳ（細孔Ｐの壁面）の元素分析結果を示す図である。図３（ｂ）および図６〜図８を参照して、すべての箇所の元素分析結果において、金原子由来のピークが観察された。これにより、隔壁Ｗの上面ＷＴだけでなく、細孔Ｐの底面ＰＢおよび壁面（隔壁Ｗの側面ＷＳ）にも金薄膜が形成されていることが確認された。

【0055】

以上のように構成された捕集キット１０において、細菌Ｂが分散した液体状のサンプルＳが薄膜１３上に滴下される。本実施の形態では、サンプルＳの液体（分散媒）は水（超純水）である。細菌ＢはサンプルＳ内を移動し得る。たとえば緑膿菌Ｂ１は、鞭毛を有し、走化性を示すためである。本実施の形態では以下の方法により細菌Ｂを捕集し、さらに捕捉する。

【0056】

＜細菌捕集フロー＞
図９は、本実施の形態に係る細菌Ｂの捕集方法を示すフローチャートである。このフローチャートに含まれる各ステップは、基本的には制御部１００によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部が制御部１００内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。なお、このフローチャートの開始時には、細菌Ｂが分散したサンプルＳがサンプル供給部３０内に設置されているものとする。

【0057】

図１および図９を参照して、ステップＳ１０において、制御部１００は、捕集キット１０を準備してＸＹＺ軸ステージ２０上に設置する。この処理は、たとえば捕集キット１０の送り機構（図示せず）により実現される。

【0058】

ステップＳ２０において、制御部１００は、サンプルＳが捕集キット１０上に滴下されるようにサンプル供給部３０を制御する。サンプルＳの滴下量は、上述のように、たとえば５００μＬ程度の微量であってもよいし、より多量であってもよい。

【0059】

ステップＳ３０において、制御部１００は、捕集キット１０上のサンプルＳに照射するための白色光Ｌ２を発するように照明光源８０を制御するとともに、サンプルＳの撮影を開始するように撮影機器９０を制御する。

【0060】

ステップＳ４０において、制御部１００は、レーザ光源５０からのレーザ光Ｌ１が捕集キット１０の適切な位置に照射されるように、調整機構４０を制御することによってＸＹＺ軸ステージ２０の位置を調整する。上記「適切な位置」としては、詳細は後述するが、隔壁Ｗの位置であることが好ましい（図３（ｂ）および後述する図１０参照）。この位置調整は、撮影機器９０により撮影された画像から、たとえばパターン認識の画像処理技術を用いて細孔Ｐのパターンを抽出することによって実現することができる。

【0061】

ステップＳ５０において、制御部１００は、レーザ光Ｌ１を発するようにレーザ光源５０を制御する。レーザ光Ｌ１は対物レンズ７０により集光され、集光された光が隔壁Ｗに照射される。これにより、サンプルＳの液体中に対流が生じ、液体中に分散している細菌Ｂがレーザスポット近傍に捕集され、ハニカム高分子膜１２の細孔Ｐ内に捕捉される。細菌Ｂが捕集かつ捕捉される様子およびそのメカニズムについては図１０〜図１２にて詳細に説明する。

【0062】

ステップＳ６０において、制御部１００は、レーザ光源５０を制御して捕集キット１０へのレーザ光Ｌ１の照射を停止させる。これにより、一連の処理が終了する。

【0063】

なお、ステップＳ３０の処理は、サンプルＳを観察するための処理であって、細菌Ｂを捕集（かつ捕捉）するために必須の処理ではない。したがって、ステップＳ３０の処理を含まないフローチャートを実行した場合でも細菌Ｂを捕集（かつ捕捉）することができる。

【0064】

＜細菌捕集メカニズム＞
以下、本実施の形態における細菌Ｂの捕集メカニズムおよび捕集結果について説明する。本実施の形態に係る細菌Ｂの捕集装置１では、レーザ光源５０からのレーザ光Ｌ１を薄膜１３に照射して光熱変換による熱を発生させ、それにより細菌Ｂの捕集を促進する。

【0065】

図１０は、光熱変換の原理を説明するための図である。図３（ｂ）にて説明したように、ハニカム高分子膜１２上には、ナノメートルのオーダー（本実施の形態では４０ｎｍ）の厚みを有する金薄膜が薄膜１３として形成される。この金薄膜は、一般的にナノメートルオーダーの微細な凹凸が生じる金スパッタにより形成されているので、図１０に示すような金ナノ粒子１３１の集合体であると言える。金薄膜表面の自由電子は表面プラズモンを形成し、レーザ光Ｌ１によって振動する。これにより分極が生じる。この分極のエネルギーは、自由電子と原子核との間のクーロン相互作用により格子振動のエネルギーに変換される。その結果、金薄膜は熱を発生させる。以下では、この効果を「光発熱効果」とも称する。

【0066】

なお、本実施の形態ではレーザ光Ｌ１として波長１０６４ｎｍの光を用いて光発熱効果を生じさせるが、金薄膜の表面プラズモン共鳴波長（空気中または水中では４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視光の波長域に存在する波長）に近い波長の光をレーザ光Ｌ１として用いてもよい。これにより、同じレーザ出力でも、より多くの熱を発生させることができる。

【0067】

また、薄膜１３の材料は金に限定されるものではなく、光発熱効果を生じ得る金以外の金属元素（たとえば銀）または金属ナノ粒子集積構造体（たとえば金ナノ粒子もしくは銀ナノ粒子を用いた構造体）などであってもよい。あるいは、薄膜１３の材料は、レーザ光Ｌ１の波長帯の光吸収率が高い金属以外の材料であってもよい。そのような材料としては、黒体に近い材料（たとえばカーボンナノチューブ黒体）が挙げられる。

【0068】

図１１は、本実施の形態における細菌捕集メカニズムを概略的に説明するための図である。なお、図１１では、図面が煩雑になるのを防ぐため、サンプルＳの液体の界面を示す曲線の図示を省略している。

【0069】

図１１（ａ）に示すように、レーザ光源５０からのレーザ光Ｌ１の照射開始前には、細菌Ｂは、サンプルＳの液体中を自由に移動し得る。ハニカム高分子膜１２の細孔Ｐ内には細菌Ｂはほとんど捕捉されない。

【0070】

しかしながら、レーザ光Ｌ１の照射（以下「光照射」とも略す）を開始すると、レーザ光Ｌ１の照射位置（レーザスポット）の薄膜１３の光発熱効果により、レーザスポット近傍が局所的に加熱される。これにより、レーザスポットに近いほど液体の温度が高くなる。つまり、光照射により液体中に温度勾配が生じる。この温度勾配に起因して、液体中に規則的な熱対流（層流）が定常的に発生する（図１１（ｂ）参照）。以下では、この熱対流を単に「対流」と称する。対流の方向は、矢印Ｃで示すように、レーザスポットに向かい、その後レーザスポットから離れる方向である。このように狭い領域に対流が生じる理由は以下のように説明することができる。すなわち、加熱された領域の鉛直方向（ｚ方向）上方に存在する液体が加熱により相対的に希薄となり浮力によって上昇する。それとともに、加熱された領域の水平方向（ｘｙ方向）に存在する低温の液体が加熱された領域に向けて流入する。

【0071】

この対流に乗って細菌Ｂがレーザスポットに向けて運ばれることによって、細菌Ｂがレーザスポット近傍に捕集される。ここで「捕集」とは、細菌Ｂがレーザースポット近傍に集められる作用を意味する。これにより、光照射がない場合と比べて、細菌Ｂがレーザスポットの周囲の細孔Ｐ上方を通過する頻度（単位時間当たりの回数）が高くなる。細菌Ｂは、細孔Ｐ上方を通過する際に細孔Ｐ内に捕捉される。ここで「捕捉」とは、細菌Ｂを細孔Ｐ内の空間に捉える作用を意味する。この捕捉は以下のように起こると考えられる。すなわち、細菌Ｂがレーザスポットに向けて運ばれる途中でレーザスポットの周囲（マイクロバブルＭＢの直径のたとえば１０倍程度の領域内）の細孔Ｐ上方を通過する際に、細菌Ｂが隔壁Ｗに衝突して液体中を落下することで細菌Ｂが捕捉される。

【0072】

その後、図１１（ｃ）に示すように光照射を停止すると、対流は弱まる。しかしながら、細孔Ｐ内に捕捉された細菌Ｂの多くは、捕捉された状態に維持される。この捕集および捕捉のメカニズムについては、後に比較例と対比しながらより詳細に説明する（図２０および図２１参照）。

【0073】

このように、本実施の形態によれば、レーザ光Ｌ１を薄膜１３に照射することで光発熱効果により生じさせた対流を用いることによって、レーザスポットの周囲の細孔Ｐ上方を細菌Ｂが通過する頻度を高める。これにより、細菌Ｂを捕集および捕捉することができるとともに、細菌Ｂの捕集および捕捉に要する時間を大幅に短縮することができる。また、ハニカム高分子膜１２を用いることによって、細菌Ｂを高密度に捕集することができる。さらに、捕集された細菌Ｂが光照射停止後においても細孔Ｐ内に捕捉された状態を維持することができる。

【0074】

図１２は、光照射開始前後のハニカム高分子膜１２の様子および細菌Ｂの挙動を説明するための連続画像である。図１２（ａ）は、レーザ光Ｌ１の照射開始前の画像を示す。図１２（ｂ）〜図１２（ｆ）は、光照射開始から５秒、５０秒、５３秒、５６秒、８６秒経過後の画像をそれぞれ示す。光照射開始から５６秒後にレーザ光Ｌ１の照射を停止した。

【0075】

光照射開始前にもハニカム高分子膜１２の細孔Ｐ内に捕捉された状態の細菌Ｂ（図１２では緑膿菌Ｂ１）は存在するものの、その量は少なかった（図１２（ａ）参照）。

【0076】

その後、光照射を開始した。図１２（ｂ）〜図１２（ｄ）ではレーザスポットを白円で示すが、レーザ光Ｌ１が隔壁Ｗの上面ＷＴ（図３（ｂ）参照）に照射されていることが分かる。図１２（ｂ）に示すように、光照射を開始すると、一部の細菌Ｂがレーザスポット近傍に捕集され、細孔Ｐ内に捕捉された。これは、光照射による対流の発生が始まったためと考えられる。

【0077】

レーザ光Ｌ１の照射をさらに続けると、図１２（ｃ）に示すように、光照射開始から約５０秒が経過した時点でレーザスポット近傍が黒くなる様子が観察された。これは、レーザスポット近傍の液体の温度上昇によりマイクロバブルＭＢが発生したためと考えられる。マイクロバブルＭＢは時間の経過とともに成長した（図１２（ｄ）参照）。マイクロバブルＭＢ発生後はレーザスポットを中心に対流が発生している様子が観察された。その結果、レーザスポット近傍に限らず、レーザスポットからある程度離れた位置においても細菌Ｂが細孔Ｐ内に捕捉された。また、細孔Ｐ内に捕捉された細菌Ｂが動いている様子も観察された。

【0078】

レーザ光Ｌ１の照射を停止すると、図１２（ｅ）に示すように、マイクロバブルＭＢは直ちに消失した。しかしながら、細孔Ｐ内に一旦捕捉された細菌Ｂは、細孔Ｐ内で動き続けているものの細孔Ｐ外へと脱出することはなかった。また、光照射停止から３０秒経過後も細菌が細孔Ｐ内に捕捉された状態が維持された（図１２（ｆ）参照）。

【0079】

＜細菌の生死判定＞
光照射により液体の温度が過度に上昇すると、捕集された細菌Ｂが死滅してしまう可能性が考えられる。以下では、捕集された細菌Ｂの生死を細菌Ｂの蛍光染色により判定した結果について説明する。

【0080】

図１３は、細菌Ｂの蛍光染色手法を説明するための図である。本実施の形態では、蛍光色素としてＳＹＴＯ９（登録商標）とＰＩ（Propidium Iodide）とが用いられる。ＳＹＴＯ９は、膜透過性を有するＤＮＡ染色試薬であり、細菌の細胞膜（グラム陰性菌である緑膿菌では外膜）に損傷が生じているか否かにかわらずＤＮＡを染色する。つまり、生存している細菌（生菌）と、死滅した細菌（死菌）との両方がＳＹＴＯ９により染色される。ＳＹＴＯ９を含む細菌にＳＹＴＯ９の励起波長の光を照射すると緑色の蛍光を発する。一方、ＰＩは膜透過性を有さない。そのため、細胞膜に損傷が生じている細菌（すなわち死菌）のみがＰＩにより染色される。ＰＩを外部から励起すると赤色の蛍光を発する。

【0081】

図１４は、捕集された緑膿菌の蛍光観察像である。図１５は、捕集された黄色ブドウ球菌の蛍光観察像である。図１４（ａ）および図１５（ａ）は、ＳＹＴＯ９の励起波長による蛍光観察像（以下「ＳＹＴＯ９画像」とも記載する）を示す。図１４（ｂ）および図１５（ｂ）は、ＰＩの励起波長による蛍光観察像（以下「ＰＩ画像」とも記載する）を示す。レーザスポットは、各画像のほぼ中央に位置する。レーザ光源５０からのレーザ出力は、いずれも０．０４Ｗであった。対物レンズの倍率は１００倍であり、対物レンズ７０通過後のレーザ出力は、レーザ光源５０からのレーザ出力の約２０％であった。

【0082】

ＳＹＴＯ９画像より、緑膿菌および黄色ブドウ球菌の菌種にかかわらずレーザスポットの周囲に細菌Ｂを高密度に捕集して細孔Ｐ内に捕捉できることが分かる。その一方で、ＰＩ画像に示すように、緑膿菌および黄色ブドウ球菌のいずれに関してもレーザスポット近傍に死菌がわずかに観察される。また、同一菌種のＳＹＴＯ９画像とＰＩ画像とを比較すると、ＳＹＴＯ９画像にて観察される細菌量（生菌＋死菌の量）に対してＰＩ画像にて観察される細菌量（死菌の量）が少ないことから、細菌Ｂの生存率が高いことが示唆される。

【0083】

なお、レーザスポット近傍に捕集された細菌Ｂが死滅する理由としては、上述のようにレーザスポット近傍が局所的に高温になるためと考えられる。このことは、ハニカム高分子膜１２の基質であるポリスチレンのガラス転移点が約１００℃であるところ、レーザスポット近傍のポリスチレンのガラス転移が観察されたことによって裏付けられる。

【0084】

＜レーザ出力依存性＞
次に、細菌Ｂの捕集密度（捕集された細菌Ｂの密度）および生死状態のレーザ出力依存性について説明する。

【0085】

図１６は、異なるレーザ出力条件下で捕集された緑膿菌量を比較するための蛍光観察像（ＳＹＴＯ９画像）である。図１７は、異なるレーザ出力条件下で捕集された黄色ブドウ球菌量を比較するための蛍光観察像（ＳＹＴＯ９画像）である。図１６には、レーザ光源５０からのレーザ出力が０．０１Ｗから０．０７Ｗまでの範囲で０．０１Ｗずつ異なる場合の結果を示す。図１７についても同様である。レーザスポットは、各画像のほぼ中央に位置する。なお、図示しないが、ＳＹＴＯ９画像に加えてＰＩ画像も取得した。

【0086】

図１６および図１７に示すように、緑膿菌および黄色ブドウ球菌のいずれにおいてもレーザ出力が増加するのに伴い、より多くの細菌Ｂがレーザスポットの周囲に捕集された。

【0087】

また、図１６（ｅ）〜図１６（ｇ）および図１７（ｅ）〜図１７（ｇ）にて特に顕著に観察されたように、レーザスポット近傍であっても細菌Ｂが捕集されていない領域が存在する。これは、マイクロバブルＭＢ直下の領域（マイクロバブルＭＢと薄膜１３との間の領域）には細菌Ｂが侵入できないところ、レーザ出力が大きくなるに従ってマイクロバブルＭＢが大きく成長し、細菌Ｂが侵入できない領域が増大するためと考えられる。

【0088】

ＳＹＴＯ９により染色された細菌（生菌＋死菌）は、ＳＹＴＯ９の励起波長の光照射下で緑色の輝点として観察される。したがって、観察領域で観察される緑色の輝点数を数えることによって、捕集された細菌数（全細菌数）を求めることができる。そのようにして求めた細菌数から下記式（１）に従って細菌Ｂの捕集密度を算出することができる。
捕集密度＝緑色の輝点数／観察領域の面積 ・・・（１）

【0089】

一方、ＰＩにより染色された細菌（死菌）は、ＰＩの励起波長の光照射下で赤色の輝点として観察される。ＰＩ画像についてもＳＹＴＯ９画像と同様に、赤色の輝点数から死菌数を求めることができる。

【0090】

本実施の形態では、細菌Ｂの生存率を下記式（２）のように定義した。すなわち、全細菌数と死菌数との差分を生菌数と推定し、全細菌数に対する生菌数の割合を生存率と定義した。そして、緑色の輝点数および赤色の輝点数を数えることで生存率を算出した。
生存率＝（緑色の輝点数−赤色の輝点数）／緑色の輝点数 ・・・（２）

【0091】

図１８は、細菌Ｂの捕集密度および生存率のレーザ出力依存性を示す図である。図１８（ａ）は緑膿菌での算出結果を示し、図１８（ｂ）は黄色ブドウ球菌での算出結果を示す。図１８（ａ）および図１８（ｂ）において、横軸は、レーザ光源５０からのレーザ出力を表す。左側の縦軸は細菌Ｂの捕集密度［単位：１０^７個／ｃｍ^２］を表し、右側の縦軸は細菌Ｂの生存率を表す。

【0092】

生存率は、緑膿菌および黄色ブドウ球菌のいずれに関してもレーザ出力にかかわらず９０％程度であることが分かった。このように、本実施の形態によれば、高い割合で細菌Ｂを生きたまま捕集かつ捕捉することができる。

【0093】

一方、捕集密度は、緑膿菌および黄色ブドウ球菌のいずれに関してもレーザ出力に依存した。本実施の形態では、レーザ出力が０．０４Ｗの場合に捕集密度は最大（約１０^７個／ｃｍ^２）であった。この最大密度は、光照射を行なわない場合の密度の約１０００倍である。このように、できるだけ高い捕集密度を実現するためには、実験またはシミュレーションによりレーザ出力を適切な値に設定することが望ましい。

【0094】

レーザ出力が０．０４Ｗよりも高くなるに従って細菌Ｂの捕集密度が低下した理由としては以下の２点が考えられる。第１の理由は、各細孔Ｐ内に捕捉可能な細菌数には上限が存在するためである。このため、レーザスポット近傍の細孔Ｐ内に捕捉された細菌数が上限に達して飽和している場合には、たとえレーザ出力の増加に伴い対流が強まってレーザスポットへ向かう細菌数が増加したとしても、それ以上の細菌Ｂは捕集されない。第２の理由は、上述のようにレーザ出力の増加に伴いマイクロバブルＭＢが成長することによって、細菌Ｂが侵入できない領域が増大することである。

【0095】

＜捕集された細菌の機能評価＞
図１４および図１５にて説明した染色観察像から、レーザ光Ｌ１の照射による細菌Ｂの細胞膜（外膜）への損傷はほとんど生じないことが確認された。しかしながら、捕集された細菌Ｂの細胞膜に損傷が生じていないことは、細菌Ｂがその機能を維持していることを必ずしも意味するものではない。そこで、細菌Ｂ捕集後のハニカム高分子膜１２を培養液（液体培地）に添加することで、捕集された細菌Ｂを培養した。

【0096】

図１９は、捕集された細菌Ｂの培養前後の培養液の画像である。１９（ａ）は培養開始前の画像を示し、図１９（ｂ）は１８時間培養後の画像を示す。培養前後の培養液の画像を比較すると、培養後の培養液が培養前の培養液と比べて懸濁していることが確認された。これは、捕集された細菌Ｂが増殖したことを意味する。これにより、本実施の形態に係る捕集装置１によって捕集された細菌Ｂが、その機能（代謝機能または増殖機能）を維持していることが分かる。

【0097】

＜比較例との対比＞
以下、本実施の形態に係る細菌捕集メカニズムについて、理解が容易になるように比較例に係る細菌捕集メカニズム（特許文献４参照）と対比しながら詳細に説明する。

【0098】

図２０は、比較例における細菌捕集メカニズムを説明するための図である。図２１は、本実施の形態における細菌捕集メカニズムを詳細に説明するための図である。まず、光発熱効果による加熱の相違点について説明する。

【0099】

図２０（ａ）に示すように、比較例に係る捕集キット１０Ａは、基板１１Ａ上にハニカム高分子膜１２が形成されていない点において、本実施の形態に係る捕集キット１０と異なる。捕集キット１０Ａでは、基板１１Ａ（たとえばカバーガラス）上に、厚みがナノメートルのオーダーの金薄膜である薄膜１３Ａが直接形成されている。

【0100】

光照射を開始すると、図２０（ｂ）に示すように、レーザスポットにマイクロバブルＭＢが発生するとともに液体中に対流が発生する。マイクロバブルＭＢは、レーザスポット近傍の温度上昇に伴い成長する（図２０（ｃ）参照）。マイクロバブルＭＢと薄膜１３Ａとの間には、対流の流速が略ゼロとなる淀み領域が生じる。比較例では、対流により運ばれた細菌Ｂが淀み領域（およびその周囲の領域）に滞留することで捕集される。

【0101】

ここで、薄膜１３Ａの材料である金は、光熱変換効率が高いだけでなく熱伝導率も高い。より詳細には、分散媒である水の熱伝導率が０．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、基板１１Ａの材料であるガラスの熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対し、金の熱伝導率は３２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。なお、ハニカム高分子膜１２の基質であるポリスチレンの熱伝導率は、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

【0102】

熱伝導率が高い金薄膜が形成されている領域（ｘｙ平面方向に延在する領域Ｒ）に着目した場合に、比較例では、薄膜１３Ａが基板１１Ａの表面に沿って一様に（連続的に）形成されている。薄膜１３Ａのうちレーザ光Ｌ１が照射された箇所が熱源となるところ、この熱源で発生した熱は、薄膜１３Ａ内をｘｙ平面方向に伝導する。よって、比較的広い範囲の液体が加熱される（加熱領域を斜線で示す）。よって、細菌Ｂが捕集された淀み領域において、広範囲に亘って薄膜１３Ａの温度が上昇し得る。その結果、死滅する細菌Ｂの割合が高くなる可能性がある。

【0103】

これに対し、本実施の形態においては、図２１（ａ）に示すように、基板１１上にハニカム高分子膜１２が形成され、ハニカム高分子膜１２上に薄膜１３がさらに形成される。そして、薄膜１３のうち隔壁Ｗの表面に形成された箇所が熱源となる。この熱源は液体中に突出しているので、熱源で発生した熱は、熱源近傍の液体を集中的に加熱する。さらに、隔壁Ｗのうち薄膜１３間の領域（ｘｙ平面方向のある側面ＷＳと他の側面ＷＳとの間の領域）には熱伝導率が低いポリスチレンが存在する。ポリスチレンによってもｘｙ平面方向の熱伝導が阻害され、熱がｘｙ平面方向に関して熱源近傍に閉じ込められやすくなる。したがって、本実施の形態において熱が伝わる領域（加熱領域）は、比較例における加熱領域と比べて狭い。

【0104】

このように、比較例ではレーザスポットがいわば「面熱源」として作用するのに対し、本実施の形態においてはレーザスポットがいわば「点熱源」として作用する。そのため、本実施の形態では、比較例と比べて、薄膜１３の温度が過度に上昇する範囲が狭くなり、レーザスポットを中心とする広範囲の細孔Ｐ内に捕捉された細菌Ｂへの熱的なダメージが低減される。よって、死滅する細菌Ｂの割合を低減して細菌Ｂの生存率を向上させることができる。

【0105】

さらに、本実施の形態では、隔壁Ｗ上に形成された薄膜１３にレーザ光Ｌ１が照射されるように、捕集キット１０と対物レンズ７０との相対的な位置関係が調整される。レーザ光Ｌ１の照射位置は隔壁Ｗの側面ＷＳであってもよいが、隔壁Ｗの上面ＷＴであることがより好ましい。

【0106】

細孔Ｐの底面ＰＢに形成された薄膜１３にレーザ光Ｌ１を照射することも考えられる。しかしながら、そうすると、隔壁Ｗにより対流の発生が阻害されるので、対流を生じさせるためにはレーザ出力を十分に高くしなければならなくなる。これに対し、本実施の形態においては隔壁Ｗにレーザ光Ｌ１を照射することにより、相対的に低いレーザ出力で対流を生じさせることができる。その結果、薄膜１３の過度の温度上昇を抑制し、細菌Ｂの生存率を一層向上させることができる。

【0107】

なお、一般に、ハニカム構造体は、その構造に起因する撥水性（および撥油性）を有することが知られている。さらに、薄膜１３の材料である金は疎水性を有する。そのため、分散媒である水は細孔Ｐ内に浸入しにくく、光照射前の細孔Ｐ内には空気が存在し得る。したがって、細孔Ｐ内に水が浸入しやすくなるように、基板１１上への液体の滴下前には基板１１表面にアルコール処理を施し、基板１１表面を親水性に変化させておくことが望ましい。

【0108】

続いて、ハニカム高分子膜１２による細菌Ｂの捕捉作用について説明する。ハニカム構造体は、上述のように撥水性（および撥油性）を有する一方で、液体が細孔内に一旦入り込むと、その液体を保持する性質（液体保持性）を有する。これは、液体と細孔表面との界面における界面張力（より詳細には毛管力）によるものである。対流によりレーザスポット近傍に捕集され細孔Ｐ内に捕捉された細菌Ｂは、ハニカム構造体の液体保持性により細孔Ｐ内に液体とともに保持される。したがって、光照射停止後であっても細菌Ｂを細孔Ｐ内に捕捉することができる。なお、捕捉された細菌Ｂについては、抗体等を用いて細孔Ｐ内の内壁または底面に固定してもよい。

【0109】

このように、細孔径の上限値（上限サイズ）は、毛管力（あるいは毛管現象）が生じるサイズを考慮して決定することが好ましい。毛管現象が顕著に生じるか否かは、液体の表面張力と、接触角を指標値とする細孔表面の濡れ性と、細孔径とによって主に定まる。本実施の形態のように、液体の主成分が水であり、樹脂を材料とする細孔表面に金属薄膜が形成されている場合、細孔径の上限値は、好ましくは数１００μｍであり、より好ましくは数１０μｍである。なお、細孔径の下限値（下限サイズ）は、捕集対象の細菌Ｂ（あるいは他の微小物体）のサイズおよび数に応じて決定される。細孔径の下限値は、少なくとも１つの細菌Ｂの短径よりも大きい。

【0110】

同様に、細孔Ｐの隔壁Ｗの高さ（深さ）も細菌Ｂ（あるいは他の微小物体）のサイズおよび数に応じて決定される。隔壁Ｗの高さの上限値は、好ましくは数１００μｍであり、より好ましくは１０μｍである。なお、隔壁Ｗの高さの下限値は、細菌Ｂの短径よりも大きいことが好ましいが、少なくとも１つの細菌Ｂを捕捉可能であれば特に限定されるものではなく、たとえば細菌Ｂの短径の半分程度であってもよい。

【0111】

以上のように、本実施の形態によれば、ハニカム高分子膜１２上に形成された光熱変換部材としての薄膜１３にレーザ光Ｌ１を照射することによって、光発熱効果による対流を生じさせる。ハニカム高分子膜１２では複数の細孔Ｐがハニカム状に配列しているので、細菌Ｂを高密度に捕集し、さらに捕捉可能である。また、対流を生じさせることによってレーザスポット近傍での細菌Ｂの捕集を促進し、捕集時間を短縮することができる。さらに、ハニカム構造による熱の閉じ込め効果によって過度の温度上昇が起こる領域が狭められるので、高い生存率で細菌Ｂを捕捉することができる。また、光照射により細孔Ｐ内に捕捉された細菌Ｂについて、光照射停止後にもハニカム構造体の液体保持性により細孔Ｐ内に捕捉した状態を維持させることができる。

【0112】

［変形例］
実施の形態では、複数の細菌Ｂが捕捉される空間として、ハニカム状に配列した複数の細孔Ｐを例に説明した。しかし、本発明に係る「複数の微小物体を捕捉するための空間」の構成は、これに限定されるものではない。実施の形態の変形例１〜３では「空間」の他の構成例について説明する。

【0113】

図２２は、実施の形態の変形例に係る、微小物体を捕捉するための空間の例を説明するための捕集キットの上面図である。図５（ｂ）に示した断面図では、複数の細孔Ｐのうちの隣接する細孔間が底面ＰＢにおいて互いに連通していると説明した。しかし、図２２（ａ）に示すように、複数の細孔Ｐ１が細孔の上面（開口）において互いに連通していてもよい。

【0114】

また、複数の細孔Ｐの配列はハニカム状に限定されない。さらに、各細孔Ｐの開口形状も円形（楕円形）に限定されない。捕集対象の微小物体のサイズよりも大きいサイズを有する任意の多角形を任意に配列することができる。たとえば図２２（ｂ）に示すように、正方形の細孔Ｐ２をマトリクス状に配列させてもよい。ただし、各々が円形の開口形状を有する複数の細孔Ｐをハニカム状に配列することにより、最も高密度に細孔を配列させることができる。

【0115】

さらに、複数の細孔Ｐに代えて１または複数の溝を形成してもよい。溝の形状も特に限定されず、たとえば同心円形状であってもよいし直線状であってもよい。図２２（ｃ）では渦形状の溝Ｐ３を示す。なお、フォトリソグラフィー等の微細加工技術を用いることにより、ガラス基板等に所望の形状の細孔または溝を形成することができる。

【0116】

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0117】

本発明は、人類にとって有用な微生物（細菌等）を捕集する捕集装置として利用することができる。あるいは、本発明によれば、人体に有害な微生物を捕集して除去する除去装置を実現することができる。

【符号の説明】

【0118】

１ 捕集装置、１０，１０Ａ 捕集キット、１１，１１Ａ 基板、１２ ハニカム高分子膜、１２１ ハニカム溶液、１３，１３Ａ 薄膜、１３１ 金ナノ粒子、２０ ＸＹＺ軸ステージ、３０ サンプル供給部、４０ 調整機構、５０ レーザ光源、６０ 光学部品、７０ 対物レンズ、８０ 照明光源、９０ 撮影機器、１００ 制御部、Ｓ サンプル、Ｂ 細菌、Ｂ１ 緑膿菌、Ｂ２ 黄色ブドウ球菌、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２ 細孔、Ｐ３ 溝、ＰＢ 細孔の底面、Ｗ 隔壁、ＷＴ 隔壁の上面、ＷＳ 隔壁の側面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】