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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2026-02-17
(45)【発行日】2026-02-26
(54)【発明の名称】粒子選別機構
(51)【国際特許分類】
B07C 5/34 20060101AFI20260218BHJP
B01J 19/12 20060101ALI20260218BHJP
B07B 13/18 20060101ALI20260218BHJP
C01B 32/25 20170101ALI20260218BHJP
G01N 15/1429 20240101ALI20260218BHJP
G01N 15/1434 20240101ALI20260218BHJP
【ＦＩ】
B07C5/34
B01J19/12 H
B07B13/18
C01B32/25
G01N15/1429 200
G01N15/1434
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2023520862
(86)(22)【出願日】2022-03-14
(86)【国際出願番号】 JP2022011228
(87)【国際公開番号】W WO2022239450
(87)【国際公開日】2022-11-17
【審査請求日】2025-02-05
(31)【優先権主張番号】P 2021080858
(32)【優先日】2021-05-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】519135633
【氏名又は名称】公立大学法人大阪
(73)【特許権者】
【識別番号】504173471
【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学
(73)【特許権者】
【識別番号】000002901
【氏名又は名称】株式会社ダイセル
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100124800
【弁理士】
【氏名又は名称】諏澤 勇司
(74)【代理人】
【識別番号】100183438
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 泰史
(72)【発明者】
【氏名】石原 一
(72)【発明者】
【氏名】和田 拓道
(72)【発明者】
【氏名】笹木 敬司
(72)【発明者】
【氏名】牧野 有都
【審査官】中田 誠二郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－２４２０８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０３４５０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３８０１２０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】○和田 拓道、久宗 穂高、藤原 英樹、笹木 敬司、石原 一，制限された運動次元での光圧によるナノ粒子輸送及び力学的運動を利用した光学応答計測の理論，２０１８年 第７９回 応用物理学会秋季学術講演会［講演予稿集］ Extended Abstracts of The 79th JSAP，日本，公益社団法人応用物理学会，2018年09月05日，ISBN 978-4-86348-679-9
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０７Ｃ ５／３４
Ｂ０１Ｊ １９／１２
Ｃ０１Ｂ ３２／２５
Ｇ０１Ｎ １５／１４３４
Ｇ０１Ｎ １５／１４２９
Ｂ０７Ｂ １３／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の吸収準位を持つ吸収体を含む複数の第１ナノ粒子と、前記所定の吸収準位を持つ吸収体を含まない複数の第２ナノ粒子とが存在し、第１入力部及び第２入力部を有する流路と、前記第１入力部から前記第２入力部に向かう方向に、前記所定の吸収準位を持つ吸収体に吸収される第１光を出力する第１光源モジュールと、
前記第２入力部から前記第１入力部に向かう方向に、前記所定の吸収準位を持つ吸収体に吸収されず、且つ、前記第２ナノ粒子において散乱又は吸収される第２光を出力する第２光源モジュールと、を備える粒子選別機構。
【請求項2】
前記第１光源モジュール及び前記第２光源モジュールの光出力を制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記第１入力部から前記第２入力部に向かう方向に前記第１ナノ粒子が輸送され、前記第２入力部から前記第１入力部に向かう方向に前記第２ナノ粒子が輸送されるよう、前記第１光及び前記第２光の強度及び周波数が調整されるように、前記第１光源モジュール及び前記第２光源モジュールを制御する、請求項１記載の粒子選別機構。
【請求項3】
前記流路は、前記第１入力部から第１合流点まで第１方向に延在する第１部分と、
前記第１合流点から前記第２入力部まで前記第１方向に交差する第２方向に延在する第２部分と、
前記第２入力部から第２合流点まで、前記第１方向であって前記第１方向において前記第１入力部に近づく方向に延在する第３部分と、
前記第２合流点から前記第１部分に含まれる第３合流点まで延在する第４部分と、
前記第１合流点に設けられ、前記第１部分からの前記第１光を前記第２部分に向けて反射すると共に、前記第２部分からの前記第２光を前記第１部分に向けて反射する第１ミラーと、
前記第２入力部に設けられ、前記第２部分からの前記第１光を前記第３部分に向けて反射する第２ミラーと、
前記第２合流点に設けられ、前記第３部分からの前記第１光を前記第４部分に向けて反射する第３ミラーと、を有する、請求項１又は２記載の粒子選別機構。
【請求項4】
前記第１ナノ粒子は、前記吸収体であるＮＶセンターを含むナノダイヤであり、前記第２ナノ粒子は、前記吸収体であるＮＶセンターを含まないナノダイヤである、請求項１～３のいずれか一項記載の粒子選別機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の一態様は、粒子選別機構に関する。
【背景技術】
【0002】
微粒子を選別する方法として、例えば特許文献１に記載された遠心分離法や、クロマトグラフィー等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１３－１９８８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ここで、選別対象の２種類の微粒子については、例えば表面の化学的・物理的性質、あるいは質量・体積等が互いに異ならない（選別できる程度の違いが無い）場合がある。この場合、上述したような遠心分離法やクロマトグラフィーによっては、２種類の微粒子を適切に選別することができない。例えば、ＮＶ（Nitrogen-Vacancy）センターを含むナノダイヤと、ＮＶセンターを含まないナノダイヤとを選別したい場合において、これら２種類のナノダイヤについては表面の化学的・物理的性質が互いに異ならないため、上述したような遠心分離法やクロマトグラフィーによっては、これら２種類のナノダイヤを適切に選別することが困難である。
【0005】
本発明の一態様は上記実情に鑑みてなされたものであり、表面の科学的・物理的性質が互いに異ならない２種類の粒子について適切に選別することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様に係る粒子選別機構は、所定の吸収準位を持つ吸収体を含む複数の第１ナノ粒子と、所定の吸収準位を持つ吸収体を含まない複数の第２ナノ粒子とが存在し、第１入力部及び第２入力部を有する流路と、第１入力部から第２入力部に向かう方向に、所定の吸収準位を持つ吸収体に吸収される第１光を出力する第１光源モジュールと、第２入力部から第１入力部に向かう方向に、所定の吸収準位を持つ吸収体に吸収されず、且つ、第２ナノ粒子において散乱又は吸収される第２光を出力する第２光源モジュールと、を備える。
【0007】
本発明の一態様に係る粒子選別機構によれば、所定の吸収準位を持つ吸収体を含む複数の第１ナノ粒子については、当該吸収体に吸収される第１光によって、第１入力部から第２入力部に向かう方向に輸送されやすくなる。一方で、所定の吸収準位を持つ吸収体を含まない複数の第２ナノ粒子については、第２ナノ粒子において散乱又は吸収される第２光によって、第２入力部から第１入力部に向かう方向に輸送されやすくなる。これにより、上記吸収体を含む第１ナノ粒子及び上記吸収体を含まない第２ナノ粒子の輸送後の位置が分かれやすくなり、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子を適切に選別することができる。このような選別方法は、表面の科学的・物理的性質が互いに異ならない２種類の粒子についても実施可能である。このため、本発明の一態様に係る粒子選別機構によれば、表面の科学的・物理的性質が互いに異ならない２種類の粒子について適切に選別することができる。
【0008】
上記粒子選別機構は、第１光源モジュール及び第２光源モジュールの光出力を制御する制御部を更に備え、制御部は、第１入力部から第２入力部に向かう方向に第１ナノ粒子が輸送され、第２入力部から第１入力部に向かう方向に第２ナノ粒子が輸送されるよう、第１光及び第２光の強度及び周波数が調整されるように、第１光源モジュール及び第２光源モジュールを制御してもよい。このように各光の強度及び周波数が調整されることによって、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子をより確実に選別することができる。
【0009】
流路は、第１入力部から第１合流点まで第１方向に延在する第１部分と、第１合流点から第２入力部まで第１方向に交差する第２方向に延在する第２部分と、第２入力部から第２合流点まで、第１方向であって第１方向において第１入力部に近づく方向に延在する第３部分と、第２合流点から第１部分に含まれる第３合流点まで延在する第４部分と、第１合流点に設けられ、第１部分からの第１光を第２部分に向けて反射すると共に、第２部分からの第２光を第１部分に向けて反射する第１ミラーと、第２入力部に設けられ、第２部分からの第１光を第３部分に向けて反射する第２ミラーと、第２合流点に設けられ、第３部分からの第１光を第４部分に向けて反射する第３ミラーと、を有していてもよい。
【0010】
このような構造では、第３合流点から第１合流点まで延びる第１部分の流路、第１合流点から第２入力部まで延びる第２部分の流路、第２入力部から第２合流点まで延びる第３部分の流路、及び、第２合流点から第３合流点まで延びる第４部分の流路によって、環構造が形成されている。そして、第１部分及び第２部分においては互いに反対方向に第１光及び第２光が通過し、第３部分及び第４部分では第１光のみが通過する。そのため、第３部分及び第４部分である、第２入力部から第２合流点を経て第３合流点に至る流路においては、第１光のみによって第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子が輸送されることとなる。そして、第３合流点（第１部分に含まれる点）に至った第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子に対しては、互いに反対方向に進む第１光及び第２光の光圧が作用することとなる。ここで、第１ナノ粒子については、所定の吸収準位を持つ吸収体によって第１光が吸収され第２光が吸収されないので、第１光が支配的になり、第１光によって、上述した環構造の流路（第３合流点から、第１合流点、第２入力部、及び第２合流点を経て、第３合流点に戻る流路）内において繰り返し輸送される。一方で、第２ナノ粒子については、上記吸収体を含まないため、第１光が吸収されず、第１ナノ粒子と比較すると第１光が支配的にならないので、第３合流点から第１入力部に向かう方向に輸送される粒子と、環構造の流路内で輸送される粒子とが、両方存在することとなる。しかしながら、環構造の流路内で輸送された第２ナノ粒子は、再度第３合流点に至ると、再度、第３合流点から第１入力部に向かう方向に輸送される粒子と、環構造の流路内で輸送される粒子とに分かれるため、このような処理が繰り返されることによって、十分な時間が経過すると、ほとんどの第２ナノ粒子が第１入力部に向かう方向に輸送されることとなる。このように、環構造によって長時間・長距離の輸送が実現されることにより、第１ナノ粒子については環構造の流路内において繰り返し輸送し、第２ナノ粒子については環構造外の流路に輸送することができるため、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子の存在領域を分け、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子を適切に選別することができる。また、環構造の流路（循環部分）に第１ナノ粒子が濃縮されるため、第１ナノ粒子を容易に回収することができる。
【0011】
第１ナノ粒子は、吸収体であるＮＶセンターを含むナノダイヤであり、第２ナノ粒子は、吸収体であるＮＶセンターを含まないナノダイヤであってもよい。本発明の一態様に係る粒子選別機構によってＮＶセンターを含むナノダイヤとＮＶセンターを含まないナノダイヤとが選別されることにより、量子情報技術における素子、及び、バイオ応用を含む高感度センシング材料として価値が高いＮＶセンターを含むナノダイヤを適切に回収することができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明の一態様によれば、表面の科学的・物理的性質が互いに異ならない２種類の粒子について適切に選別することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図5】図５（ａ）は環構造が無い場合における、初期位置よりも共鳴光による輸送方向側に存在する共鳴粒子及び非共鳴粒子の個数の時間変化を示す図であり、図５（ｂ）は環構造が無い場合における、２０００００ステップ（２０００［ｓ］相当）における共鳴粒子及び非共鳴粒子の存在位置を示す図である。
【図6】図６（ａ）は環構造の一辺ｄ＝１２５μｍの場合における、初期位置よりも共鳴光による輸送方向側に存在する共鳴粒子及び非共鳴粒子の個数の時間変化を示す図であり、図６（ｂ）は環構造の一辺ｄ＝１２５μｍの場合における、２０００００ステップにおける共鳴粒子及び非共鳴粒子の存在位置を示す図である。
【図7】図７（ａ）は環構造の一辺ｄ＝６２．５μｍの場合における、初期位置よりも共鳴光による輸送方向側に存在する共鳴粒子及び非共鳴粒子の個数の時間変化を示す図であり、図７（ｂ）は環構造の一辺ｄ＝６２．５μｍの場合における、２０００００ステップにおける共鳴粒子及び非共鳴粒子の存在位置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0015】
図１は、本実施形態に係る粒子選別機構１を模式的に示す図である。本実施形態に係る粒子選別機構１は、マイクロ流路と２種類のレーザとを用いて、２種類のナノ粒子を選別し、一方のナノ粒子を濃縮・回収する装置である。ここでの２種類のナノ粒子とは、例えば、表面の科学的性質及び物理的性質（質量等）が互いに共通である（異ならない）ナノ粒子である。本実施形態において、一方のナノ粒子は所定の吸収準位を持つ吸収体を含む第１ナノ粒子であり、他方の粒子は上述した所定の吸収準位を持つ吸収体を含まない第２ナノ粒子である。より具体的には、本実施形態の第１ナノ粒子は所定の吸収準位を持つ吸収体であるＮＶセンターを含むナノダイヤであり、第２ナノ粒子は上述した所定の吸収準位を持つ吸収体であるＮＶセンターを含まないナノダイヤである。
【0016】
ＮＶセンターを含むナノダイヤは、量子情報技術における素子、及び、バイオ応用を含む高感度センシング材料として価値が高いが、生産されたナノダイヤ全体に占める比率が極めて低く、ＮＶセンターを含むナノダイヤのみを好適に回収することが難しい。このため、生産されたナノダイヤからＮＶセンターを含むナノダイヤを選別し、濃縮・回収することが求められている。ＮＶセンターを含むナノダイヤとＮＶセンターを含まないナノダイヤとは、表面の科学的・物理的性質が互いに共通である（異ならない）ため、一般的な遠心分離法や、クロマトグラフィー等によっては選別することが困難である。そこで、本実施形態に係る粒子選別機構１では、マイクロ流路と２種類のレーザとを用いて、第１ナノ粒子であるＮＶセンターを含むナノダイヤと、第２ナノ粒子であるＮＶセンターを含まないナノダイヤとを、それぞれ異なる領域に輸送して選別し、ＮＶセンターを含むナノダイヤを濃縮・回収する。より具体的には、第１ナノ粒子の電子遷移に共鳴する光を第１ナノ粒子に照射し、第１ナノ粒子の輻射力を増強することにより、第１ナノ粒子を第２ナノ粒子と異なる領域に輸送する。以下では、ＮＶセンターを含むナノダイヤを共鳴粒子、ＮＶセンターを含まないナノダイヤを非共鳴粒子と記載する場合がある。
【0017】
図１に示されるように、粒子選別機構１は、還流装置１００と、レーザ２（第１光源モジュール），３（第２光源モジュール）と、制御部２００と、を備えている。還流装置１００は、流路４と、反射鏡６１（第１ミラー）と、ハーフミラー６２（第２ミラー）と、反射鏡６３（第３ミラー）と、を有している。
【0018】
流路４は、複数の共鳴粒子（例えば、ＮＶセンターを含むナノダイヤ）と、複数の非共鳴粒子（例えば、ＮＶセンターを含まないナノダイヤ）とが存在し、第１入力部５１及び第２入力部５３を有する流路である。第１入力部５１は、レーザ２から照射される光の入力部分である（詳細は後述）。第２入力部５３は、レーザ３から照射される光の入力部分である（詳細は後述）。流路４は、第１部分１０と、第２部分２０と、第３部分３０と、第４部分４０と、を有する。
【0019】
第１部分１０は、第１入力部５１から第１合流点５２まで第１方向（図１における左から右に延びる方向）に延在する部分である。第２部分２０は、第１合流点５２から第２入力部５３まで第１方向に交差する第２方向（図１における下から上に延びる方向）に延在する部分である。第３部分３０は、第２入力部５３から第２合流点５４まで、第１方向であって第１方向において第１入力部５１に近づく方向（図１における右から左に延びる方向）に延在する部分である。第４部分４０は、第２合流点５４から第１部分１０に含まれる第３合流点５５まで延在する部分である。このように、流路４には、第３合流点５５から、第１合流点５２、第２入力部５３、及び第２合流点５４を経て、第３合流点５５に戻る環構造の部分が形成されている。環構造の各辺は、例えば数μｍ～数百μｍ程度とされてもよい。環構造の各辺とは、第１部分１０における第３合流点５５から第１合流点５２までの部分、第２部分２０、第３部分３０、及び第４部分４０である。環構造の各辺は、全て同じ長さとされてもよいし、互いに対向する各辺同士のみが同じ長さとされてもよいし、互いに異なる長さとされてもよい。
【0020】
反射鏡６１は、第１合流点５２に設けられ、第１部分１０からの第１光（後述する、レーザ２からの共鳴光）を第２部分２０に向けて反射すると共に、第２部分２０からの第２光（後述する、レーザ３からの非共鳴光）を第１部分１０に向けて反射するミラーである。ハーフミラー６２は、第２入力部５３に設けられ、第２部分２０からの第１光（後述する、レーザ２からの共鳴光）を第３部分３０に向けて反射するミラーである。ハーフミラー６２は、後述する、レーザ３からの非共鳴光を、第２部分２０方向に透過する。反射鏡６３は、第２合流点５４に設けられ、第３部分３０からの第１光（後述する、レーザ２からの共鳴光）を第４部分４０に向けて反射する。
【0021】
レーザ２は、第１入力部５１から第２入力部５３に向かう方向（詳細には、第１入力部５１から第１合流点５２に向かう方向）に、所定の吸収準位を持つ吸収体であるＮＶセンターに吸収される共鳴光（第１光）を出力する。レーザ３は、第２入力部５３から第１入力部５１に向かう方向（詳細には、第２入力部５３から第１合流点５２に向かう方向）に、ＮＶセンターに吸収されず、且つ、少なくともＮＶセンターを含まない第２ナノ粒子である非共鳴粒子において散乱又は吸収される非共鳴光（第２光）を出力する。
【0022】
図２は、図１の粒子選別機構１による粒子選別を説明する図である。図２に示されるように、レーザ２から出力された共鳴光Ｌ１は、第１入力部５１から入力されて第１部分１０を通過し、反射鏡６１にて反射されて第２部分２０を通過し、更にハーフミラー６２にて反射されて第３部分３０を通過し、更に反射鏡６３にて反射されて第４部分４０を通過して、第３合流点５５に至る。また、レーザ３から出力された非共鳴光Ｌ２は、第２入力部５３から入力されて第２部分２０を通過し、反射鏡６１にて反射されて第１部分１０を通過し、第１入力部５１に至る。
【0023】
共鳴光Ｌ１は、共鳴粒子Ｎ１のＮＶセンターに吸収される光である。よって、共鳴粒子Ｎ１は、共鳴光Ｌ１によって、共鳴光Ｌ１の方向に輸送されやすくなっている。また、非共鳴光Ｌ２は、非共鳴粒子において散乱又は吸収される光である。よって、非共鳴粒子Ｎ２は、非共鳴光Ｌ２によって、非共鳴光Ｌ２の方向に輸送されやすくなっている。そして、第１部分１０及び第２部分２０においては、互いに反対方向に共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２が通過しているため、このような共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２の方向の違いを利用して、共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２を互いに異なる方向に輸送して選別することができる。
【0024】
ここで、共鳴粒子Ｎ１に対しては、共鳴光Ｌ１だけでなく非共鳴光Ｌ２が照射される。非共鳴光Ｌ２は、共鳴粒子Ｎ１において散乱する可能性があり、当該散乱によって共鳴粒子Ｎ１を非共鳴光Ｌ２の方向に輸送してしまう可能性がある。また、非共鳴粒子Ｎ２に対しては、非共鳴光Ｌ２だけでなく共鳴光Ｌ１が照射される。共鳴光Ｌ１は、非共鳴粒子Ｎ２において吸収されないものの、非共鳴粒子Ｎ２において散乱する可能性があり、当該散乱によって非共鳴粒子Ｎ２を共鳴光Ｌ１の方向に輸送してしまう可能性がある。すなわち、例えば第１部分１０において、共鳴粒子Ｎ１に対しては吸収に係る共鳴光Ｌ１に加えて反対方向の非共鳴光Ｌ２が照射され、非共鳴粒子Ｎ２に対しては非共鳴光Ｌ２に加えて反対方向の共鳴光Ｌ１が照射されるため、共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２を何ら制御しない場合には、上述した所望の輸送及び選別を実現することができないおそれがある。また、共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２によって粒子を輸送する場合においては、これらの光によって輸送される距離を、粒子のランダムな運動（分散）であるブラウン運動による移動距離よりも十分に大きくする必要がある。すなわち、共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２は、粒子の輸送がブラウン運動によるものと区別可能となるように制御される必要がある。制御部２００は、このような共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２の制御を行う構成である。
【0025】
制御部２００は、レーザ２及びレーザ３の光出力を制御する。制御部２００は、第１入力部５１から第２入力部５３に向かう方向に共鳴粒子Ｎ１が輸送され、第２入力部５３から第１入力部５１に向かう方向に非共鳴粒子Ｎ２が輸送されるよう、共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２の強度及び周波数が調整されるように、レーザ２及びレーザ３を制御する。
【0026】
制御部２００は、ブラウン運動による粒子の分散距離よりも共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２による粒子の輸送距離が十分に大きくなるよう、共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２の強度及び周波数が調整されるように、レーザ２及びレーザ３を制御する。光による粒子の輸送距離Ｘｈは以下の（１）式で示される。また、ブラウン運動による分散距離Ｘｄは以下の（２）式で示される。以下の（１）式及び（２）式におけるηは粘性係数、ｋＢはボルツマン定数（１．３８×１０－２３）、ｒは粒子径、Ｔは温度、Ｆは光によって粒子に加わる輻射力、ｔは時間である。一例として、粘性係数ηは０．８９×１０－３［Ｐａ・ｓ］、粒子径ｒは２０．０［ｎｍ］、温度Ｔは３００［Ｋ］である。
【数1】
【数2】
【0027】
輸送距離Ｘｈが分散距離Ｘｄよりも十分に大きくなるための条件式は、例えば以下の（３）式で示される。
制御部２００は、上記（３）式が満たされるよう、共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２の輻射力Ｆがそれぞれ設定されるように、共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２の強度及び周波数を調整する。
【数3】
【0028】
制御部２００は、さらに、共鳴粒子Ｎ１が共鳴光Ｌ１の方向に輸送され、非共鳴粒子Ｎ２が非共鳴光Ｌ２の方向に輸送されるよう、共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２の強度及び周波数が調整されるように、レーザ２及びレーザ３を制御する。制御部２００は、まず、共鳴粒子Ｎ１を共鳴光Ｌ１の方向に輸送可能（ブラウン運動を考慮しても輸送可能）となるよう、図３に示されるように、例えば、共鳴光Ｌ１のエネルギーを２．３３ｅＶ、周波数を５．６３×１０１４Ｈｚ、強度を２．５ＭＷ／ｃｍ２に調整するとする。この場合、例えば吸収体であるＮＶセンターＡｂを１０個含んだ共鳴粒子Ｎ１においては、ＮＶセンターＡｂの吸収による輻射力（例えばＦ＝６．２×１０－２［ｆＮ］）に対して、共鳴粒子Ｎ１の母体における散乱による輻射力（例えばＦ＝６．４×１０－１［ｆＮ］）が大きくなる。制御部２００は、共鳴粒子Ｎ１において、母体に対する共鳴光Ｌ１の散乱による輻射力がキャンセルされるように、共鳴光Ｌ１と反対方向に進む非共鳴光Ｌ２の散乱による輻射力を設定する。これにより、共鳴粒子Ｎ１は、ＮＶセンターＡｂの吸収による輻射力が支配的となり、共鳴光Ｌ１の方向に輸送される。そして、制御部２００は、共鳴粒子Ｎ１の母体に対する共鳴光Ｌ１の散乱による輻射力がキャンセルされると共に、ブラウン運動及び共鳴光Ｌ１の影響を考慮した場合においても非共鳴粒子Ｎ２が非共鳴光Ｌ２の方向に輸送可能となるよう、図３に示されるように、例えば、非共鳴光Ｌ２のエネルギーを１．１６ｅＶ、周波数を２．８１×１０１４Ｈｚ、強度を４１ＭＷ／ｃｍ２に調整する。以上のように、制御部２００は、ブラウン運動を考慮した上で、相反する方向に照射される共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２の強度及び周波数を調整して、共鳴粒子Ｎ１を共鳴光Ｌ１の方向に輸送すると共に、非共鳴粒子Ｎ２を非共鳴光Ｌ２の方向に輸送する。なお、上述した共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２の条件は一例であり、共鳴振動数（周波数）については対象粒子ごとに制限されるが、強度及び波長の組み合わせ等については自由に選択することができる。
【0029】
ここで、上述したように、共鳴粒子Ｎ１におけるＮＶセンターの吸収による輻射力は、共鳴粒子Ｎ１の母体における散乱による輻射力と比較して圧倒的に小さい。このような小さい輻射力によって共鳴粒子Ｎ１を共鳴光Ｌ１の方向に輸送するためには、長時間・長距離の輸送が必要となる。すなわち、時間経過により分散していく粒子全体に光を照射して移動距離の差（共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２の移動距離の差）を抽出するためには、長大な流路が必要となる。また、選別された共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２をそれぞれ回収するためには、選別後のこれらの存在領域が明確に分離されている必要がある。このような要求に対して、上述したように、環構造を有する還流装置１００が採用されることにより、環構造によって長時間の繰り返し輸送を可能にすると共に、環構造に共鳴粒子Ｎ１を濃縮して共鳴粒子Ｎ１の回収を可能にしている。そして、このような共鳴粒子Ｎ１の選別及び回収は、共鳴粒子Ｎ１の輻射力が小さくても実現可能である。
【0030】
いま、図２に示される第３合流点５５が各粒子の初期位置であるとする。各共鳴粒子Ｎ１については、共鳴光Ｌ１によるＮＶセンターの吸収による輻射力によって、共鳴光Ｌ１の方向に輸送される。このため、各共鳴粒子Ｎ１は、第３合流点５５を初期位置として、環構造を繰り返し循環するように輸送される。一方で、各非共鳴粒子Ｎ２については、互いに反対方向に進む共鳴光Ｌ１及び非共鳴光Ｌ２の拡散（非共鳴光Ｌ２については拡散又は吸収）の影響を受け、例えば、共鳴光Ｌ１の方向又は非共鳴光Ｌ２の方向（図２の第３合流点５５から左右方向）に分散して輸送される。
【0031】
図４は、環構造による粒子濃縮について説明する図である。いま、非共鳴粒子Ｎ２については、初期位置である第３合流点５５から等率で左右方向に分散するとする。この場合、図４（ａ）に示されるように、複数の共鳴粒子Ｎ１及び複数の非共鳴粒子Ｎ２が初期位置である第３合流点５５に放たれると、図４（ｂ）に示されるように、各共鳴粒子Ｎ１については共鳴光Ｌ１によって環構造内に輸送される。一方で、図４（ｂ）に示されるように、各非共鳴粒子Ｎ２については、環構造内と環構造外に半分ずつ分散して輸送される。そして、環構造内の共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２のみが、図４（ｃ）に示されるように、環構造内を循環し、再度、第３合流点に戻り、各共鳴粒子Ｎ１が環構造内へ輸送され、各非共鳴粒子Ｎ２が環構造内と環構造外に半分ずつ分散して輸送される。このように、環構造内での循環が繰り返されることにより、共鳴粒子Ｎ１については数が変わることなく全数、環構造内を循環するのに対して、非共鳴粒子Ｎ２については循環する度に徐々に環構造内を循環する数が減少していく。このため、粒子が循環する時間を十分に確保することにより、環構造の内外に共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２の存在する場所を分け、環構造内の共鳴粒子Ｎ１を容易に回収することができる。
【0032】
次に、環構造による粒子濃縮の効果について、図５～図８を参照して説明する。図５～図８は、それぞれ、共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子を各１００００個ずつ初期位置から輸送する場合の時間経過に応じた結果を示している。図５～図８において、（ａ）は初期位置よりも共鳴光Ｌ１による輸送方向側に存在する共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２の個数の時間変化を示す図であり、（ｂ）は２０００００ステップ（２０００［Ｓ］）経過時における共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２の存在位置を示す図である。（ａ）では横軸がステップ、縦軸が粒子の個数を示している。（ｂ）では横軸が初期位置を０とした左右の位置（０．５μｍで規格化した距離）、縦軸が粒子の個数を示している。（ｂ）の横軸「＋」側は、共鳴光Ｌ１による輸送方向側である。なお、非共鳴粒子Ｎ２は、初期位置から等率で左右方向に分散するとする。
【0033】
図５は、環構造が無い場合の結果を示している。図５（ａ）に示されるように、環構造が無い場合、共鳴粒子Ｎ１については時間経過に応じて共鳴光Ｌ１による輸送方向側に輸送される数が増加しているが、非共鳴粒子Ｎ２については等率で左右方向に分散し、時間が経過しても共鳴光Ｌ１による輸送方向側に輸送される数の増減が小さい。図５（ｂ）に示されるように、２０００００ステップ（２０００［Ｓ］）が経過し十分に時間が経過した状態においても、非共鳴粒子Ｎ２については左右に等率で分散しており、共鳴粒子Ｎ１と非共鳴粒子Ｎ２との存在位置が重複しやすくなっている。この場合、共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２のそれぞれを適切に選別することができず、共鳴粒子Ｎ１を容易に回収することが困難となる。
【0034】
図６は、環構造が存在し、環構造の一辺ｄ＝１２５μｍの場合の結果を示している。なお、環構造が存在する構成とは、上述した粒子選別機構１の還流装置１００の構成である（以下同様）。図６（ａ）に示されるように、環構造が存在することによって、環構造を循環する度に徐々に非共鳴粒子Ｎ２が環構造外に排出されていくので、時間の経過と共に、共鳴光Ｌ１による輸送方向側（すなわち環構造側）に存在する非共鳴粒子Ｎ２の数が減少していく。このため、図６（ｂ）に示されるように、２０００００ステップ（２０００［Ｓ］）が経過し十分に時間が経過した状態においては、非共鳴粒子Ｎ２については環構造外側（図６（ｂ）の横軸「－」側）に多く存在しており、共鳴粒子Ｎ１と非共鳴粒子Ｎ２との存在位置が重複しにくくなっている。これにより、図５の例と比較すると、共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２のそれぞれを適切に選別することができ、共鳴粒子Ｎ１を容易に回収することができる。
【0035】
図７は、環構造が存在し、環構造の一辺ｄ＝６２．５μｍの場合の結果を示している。一辺ｄが短くなることによって、粒子の循環サイクルが早くなり、初期位置である第３合流点５５から環構造外に非共鳴粒子Ｎ２が排出される機会が増加する。このため、図７（ａ）に示されるように、環構造の一辺ｄ＝１２５μｍである図６の例と比較して、時間の経過に応じた、環構造側に存在する非共鳴粒子Ｎ２の減少度合いが大きくなる。このため、図７（ｂ）に示されるように、２０００００ステップ（２０００［Ｓ］）が経過し十分に時間が経過した状態においては、非共鳴粒子Ｎ２については環構造外側（図７（ｂ）の横軸「－」側）に多く存在しており、共鳴粒子Ｎ１と非共鳴粒子Ｎ２との存在位置がより重複しにくくなっている。これにより、図６の例と比較すると、共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２のそれぞれをより適切に選別することができ、共鳴粒子Ｎ１をより容易に回収することができる。
【0036】
図８は、環構造が存在し、環構造の一辺ｄ＝２５μｍの場合の結果を示している。図８（ａ）に示されるように、一辺ｄが更に短くされているため、環構造の一辺ｄ＝６２．５μｍである図７の例と比較して、時間の経過に応じた、環構造側に存在する非共鳴粒子Ｎ２の減少度合いがより大きくなっており、２０００００ステップ（２０００［Ｓ］）経過時には環構造における非共鳴粒子Ｎ２の濃度が非共鳴粒子Ｎ２全体の１／１０程度に減少している。このため、図８（ｂ）に示されるように、２０００００ステップ（２０００［Ｓ］）が経過し十分に時間が経過した状態においては、非共鳴粒子Ｎ２については環構造外側（図８（ｂ）の横軸「－」側）に多く存在しており、共鳴粒子Ｎ１と非共鳴粒子Ｎ２との存在位置がより重複しにくくなっている。これにより、図７の例と比較すると、共鳴粒子Ｎ１及び非共鳴粒子Ｎ２のそれぞれをより適切に選別することができ、共鳴粒子Ｎ１をより容易に回収することができる。
【0037】
図９は、粒子選別機構１の濃縮機構としての有用性を説明する図である。図９において、横軸は時間を示しており、縦軸は流路４の環構造における粒子の個数を示している。いま、環構造を有する粒子選別機構１において、初期位置である第３合流点５５に、１０個の共鳴粒子Ｎ１と、１０００００個の非共鳴粒子Ｎ２とが放たれ、レーザ２から共鳴光Ｌ１が、レーザ３から非共鳴光Ｌ２が照射されたとする。この場合、図９に示されるように、２００００［Ｓ］経過時においては、共鳴粒子Ｎ１については初期時と変わらない１０個が環構造に存在するのに対して、非共鳴粒子Ｎ２については２８７２個のみが環構造に存在している。このような環構造を利用した選別を実施する前においては、粒子の全体に占める共鳴粒子Ｎ１の割合は、１０／１０００１０≒０．０１％であったのに対して、環構造を利用した選別を実施した後（例えば２０００００［Ｓ］経過時）においては、環構造内における共鳴粒子Ｎ１の割合は、１０／２８３７≒０．３５％にまで増えている。このように、環構造を有する粒子選別機構１によって約５時間程度の粒子循環を行うことにより、環構造における共鳴粒子Ｎ１の濃度を３５倍程度に向上させることができた。
【0038】
次に、本実施形態に係る粒子選別機構１の作用効果について説明する。
【0039】
本実施形態に係る粒子選別機構１は、所定の吸収準位を持つ吸収体を含む複数の第１ナノ粒子と、所定の吸収準位を持つ吸収体を含まない複数の第２ナノ粒子とが存在し、第１入力部５１及び第２入力部５３を有する流路４と、第１入力部５１から第２入力部５３に向かう方向に、所定の吸収準位を持つ吸収体に吸収される第１光を出力するレーザ２と、第２入力部５３から第１入力部５１に向かう方向に、所定の吸収準位を持つ吸収体に吸収されず、且つ、第２ナノ粒子において散乱又は吸収される第２光を出力するレーザ３と、を備える。
【0040】
本実施形態に係る粒子選別機構１によれば、所定の吸収準位を持つ吸収体を含む複数の第１ナノ粒子については、当該吸収体に吸収される第１光によって、第１入力部５１から第２入力部５３に向かう方向に輸送されやすくなる。一方で、所定の吸収準位を持つ吸収体を含まない複数の第２ナノ粒子については、第２ナノ粒子において散乱又は吸収される第２光によって、第２入力部５３から第１入力部５１に向かう方向に輸送されやすくなる。これにより、上記吸収体を含む第１ナノ粒子及び上記吸収体を含まない第２ナノ粒子の輸送後の位置が分かれやすくなり、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子を適切に選別することができる。このような選別方法は、表面の科学的・物理的性質が互いに異ならない２種類の粒子についても実施可能である。このため、本実施形態に係る粒子選別機構１によれば、表面の科学的・物理的性質が互いに異ならない２種類の粒子について適切に選別することができる。
【0041】
上記粒子選別機構１は、レーザ２及びレーザ３の光出力を制御する制御部２００を更に備え、制御部２００は、第１入力部５１から第２入力部５３に向かう方向に第１ナノ粒子が輸送され、第２入力部５３から第１入力部５１に向かう方向に第２ナノ粒子が輸送されるよう、第１光及び第２光の強度及び周波数が調整されるように、レーザ２及びレーザ３を制御してもよい。このように各光の強度及び周波数が調整されることによって、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子をより確実に選別することができる。
【0042】
流路４は、第１入力部５１から第１合流点５２まで第１方向に延在する第１部分１０と、第１合流点５２から第２入力部５３まで第１方向に交差する第２方向に延在する第２部分２０と、第２入力部５３から第２合流点５４まで、第１方向であって第１方向において第１入力部５１に近づく方向に延在する第３部分３０と、第２合流点５４から第１部分１０に含まれる第３合流点５５まで延在する第４部分４０と、第１合流点５２に設けられ、第１部分１０からの第１光を第２部分２０に向けて反射すると共に、第２部分２０からの第２光を第１部分１０に向けて反射する反射鏡６１と、第２入力部５３に設けられ、第２部分２０からの第１光を第３部分３０に向けて反射するハーフミラー６２と、第２合流点５４に設けられ、第３部分３０からの第１光を第４部分４０に向けて反射する反射鏡６３と、を有していてもよい。
【0043】
このような構造では、第３合流点５５から第１合流点５２まで延びる第１部分１０の流路、第１合流点５２から第２入力部５３まで延びる第２部分２０の流路、第２入力部５３から第２合流点５４まで延びる第３部分３０の流路、及び、第２合流点５４から第３合流点５５まで延びる第４部分４０の流路によって、環構造が形成されている。そして、第１部分１０及び第２部分２０においては互いに反対方向に第１光及び第２光が通過し、第３部分３０及び第４部分４０では第１光のみが通過する。そのため、第３部分３０及び第４部分４０である、第２入力部５３から第２合流点５４を経て第３合流点５５に至る流路においては、第１光のみによって第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子が輸送されることとなる。そして、第３合流点５５（第１部分１０に含まれる点）に至った第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子に対しては、互いに反対方向に進む第１光及び第２光の光圧が作用することとなる。ここで、第１ナノ粒子については、所定の吸収準位を持つ吸収体によって第１光が吸収され第２光が吸収されないので、第１光が支配的になり、第１光によって、上述した環構造の流路（第３合流点５５から、第１合流点５２、第２入力部５３、及び第２合流点５４を経て、第３合流点５５に戻る流路）内において繰り返し輸送される。一方で、第２ナノ粒子については、上記吸収体を含まないため、第１光が吸収されず、第１ナノ粒子と比較すると第１光が支配的にならないので、第３合流点５５から第１入力部５１に向かう方向に輸送される粒子と、環構造の流路内で輸送される粒子とが、両方存在することとなる。しかしながら、環構造の流路内で輸送された第２ナノ粒子は、再度第３合流点５５に至ると、再度、第３合流点５５から第１入力部５１に向かう方向に輸送される粒子と、環構造の流路内で輸送される粒子とに分かれるため、このような処理が繰り返されることによって、十分な時間が経過すると、ほとんどの第２ナノ粒子が第１入力部に向かう方向に輸送されることとなる。すなわち、非共鳴粒子を環構造外に効率的に排除することができる。このように、環構造によって長時間・長距離の輸送が実現されることにより、第１ナノ粒子については環構造の流路内において繰り返し輸送し、第２ナノ粒子については環構造外の流路に輸送することができるため、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子の存在領域を分け、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子を適切に選別することができる。また、環構造の流路（循環部分）に第１ナノ粒子が濃縮されるため、第１ナノ粒子を容易に回収することができる。
【0044】
第１ナノ粒子は、吸収体であるＮＶセンターを含むナノダイヤであり、第２ナノ粒子は、吸収体であるＮＶセンターを含まないナノダイヤであってもよい。本実施形態に係る粒子選別機構１によってＮＶセンターを含むナノダイヤとＮＶセンターを含まないナノダイヤとが選別されることにより、量子情報技術における素子、及び、バイオ応用を含む高感度センシング材料として価値が高いＮＶセンターを含むナノダイヤを適切に回収することができる。
【0045】
以上、本実施形態について説明したが本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、第１ナノ粒子を「ＮＶセンターを含むナノダイヤ」、第２ナノ粒子を「ＮＶセンターを含まないナノダイヤ」として説明したが、これに限定されない。例えば、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子は、サイズ違いの量子ドットであってもよい。この場合、共鳴光の強度は例えば１ｋＷ／ｃｍ２程度とされ、周波数は対応する量子ドットに依存する値とされてもよい。また、第１ナノ粒子及び第２ナノ粒子は、カーボンナノチューブであってもよい。この場合、共鳴光の強度は例えば１ＭＷｃｍ２程度とされ、周波数は例えば約２．４×１０１４Ｈｚとされてもよい。
【符号の説明】
【0046】
１…粒子選別機構、２…レーザ（第１光源モジュール）、３…レーザ（第２光源モジュール）、４…流路、１０…第１部分、２０…第２部分、３０…第３部分、４０…第４部分、５１…第１入力部、５２…第１合流点、５３…第２入力部、５４…第２合流点、５５…第３合流点、６１…反射鏡（第１ミラー）、６２…ハーフミラー（第２ミラー）、６３…反射鏡（第３ミラー）、２００…制御部、Ｌ１…共鳴光（第１光）、Ｌ２…非共鳴光（第２光）、Ｎ１…共鳴粒子（第１ナノ粒子）、Ｎ２…非共鳴粒子（第２ナノ粒子）。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
