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CryLaS社のレーザーシステムは、科学研究、医療・生物学、半導体、工業などの市場において、多くのアプリケーションで幅広く使用されています。コンパクトで低ノイズのレーザーは、長期的な安定性に優れており、要求の厳しいアプリケーションに最適です。レーザーアブレーションは、気化やチッピングにより物体の表面から物質を除去するプロセスです。医学・生物学における生体組織や、シリコンを対象とした例を以下に示します。
In situ法によるアモルファスシリコン表面の自然酸化物層除去
私たちは、UVレーザーを用いてアモルファスシリコン（a-Si）表面から自然酸化膜を除去するin situ法を開発しました。結晶性シリコンシードを含むa-Si膜は、その後の定常の液相エピタキシ法（SSLPE）による結晶性シリコン層の成長に使用されます。この技術は、薄膜太陽電池の吸収層として使用できる結晶シリコンを、低コストのガラス基板上に成長させることを目的としています。私たちは、a-Siとパルスレーザーの相互作用と成長結果を、走査型力顕微鏡（SFM）、走査型電子顕微鏡（SEM）、透過型電子顕微鏡（TEM）、ラマン分光法、減衰全反射フーリエ変換赤外分光法（ATR-FTIR）で調査しました。パルスレーザーでa-Si表面を加熱し，COMSOL-Multiphysicsの有限要素法を用いたシミュレーションでモデル化しました。シミュレーションでは、パルスレーザーがa-Siを、自然酸化物層の熱脱着に十分な温度まで加熱しましたが、a-Siの結晶化温度とガラス転移温度の両方よりも低いことを確認しました。
In situ removal of a native oxide layer from an amorphous silicon surface with a UV laser for subsequent layer growth, 2018
溶液中のタンパク質結晶をIRレーザーで高速アブレーションし、回折特性を維持：シリアル結晶構造解析への応用
X線自由電子レーザーの高繰り返しをシリアル結晶学に利用するためには、大量の個々の微結晶を高繰り返しかつ高速でソフトに送出する方法を開発する必要があります。ピコ秒赤外レーザー(PIRL)パルスは、DIVE(Desorption by Impulsive Vibration Excitation)条件で動作します。水のOH振動伸張を選択的に励起して、加熱効果、核生成、キャビテーションによる衝撃波を最小限に抑えながら、励起されたボリュームを直接高速で推進し、分析対象物を無傷で残すことができます。PIRLシステムは、そのソフトな性質とレーザーを用いたサンプリングの柔軟性により、連続結晶構造解析のための結晶輸送手法になっています。この論文では、PIRL-DIVEアブレーションによって緩衝液から直接抽出されたタンパク質結晶が回折特性を維持し、放射光源での構造決定に有効に利用できることを示しています。この技術は、単結晶の定位、高速サンプリング、同期など、高速シリアルフェムト秒結晶学を実現するために重要です。この原理実証実験は、液体ジェットインジェクターや固定ターゲットマウントソリューションを必要としない、新しいレーザーベースの高速結晶送出システムの実行可能性を示しています。
Protein crystals IR laser ablated from aqueous solution at high speed retain their diffractive properties: applications in high-speed serial crystallography, 2017
接着細胞核の力学的制御におけるアクチンストレスファイバの役割について
アクチンストレスファイバ（SF）は、細胞の機械的伝達や様々な細胞機能の制御に重要な役割を果たしています。SFは内部張力を発生させ、細胞と細胞外マトリックスとの物理的相互作用に貢献します。最近では、細胞骨格が核膜タンパク質を介して核と相互作用する可能性が示唆されています。ですが、現段階では、SFが核との力学的相互作用に関与し、その内力が直接核に伝わり、核内のDNAに影響を与えているかは不明です。
ここでは、基板上に置かれた血管平滑筋細胞（SMC）における核の力学的制御に対するSFの役割を調べまし。実験室で開発したレーザーナノシザーを用いて、核の上面のアピカルストレスファイバ（ASF）と核の下にあるベーサルストレスファイバ（BSF）を微細に切断し、その後のSFと核の力学的反応を観察しました。解剖した繊維の短縮は、BSFよりもASFの方が有意に大きいことが分かりました。また、核も繊維が引き込まれる方向に移動し、核の移動はBSFよりもASFの方が顕著でした。これらの結果は、核を覆うASFが核の位置を安定させ、SFの内部張力が核の動きに大きく影響していることを示しています。核の上面付近では、ASFに沿って核内のDNAが線状に集中している様子がしばしば観察されました。これらの線状のDNA構造は、ASFを切断して短くすると、消失したり大きな変化がみられました。また、ASFを切断した後、数十分で元の位置付近に再編成されるケースもありました。核内のDNAも再編成されたASFに沿って凝集し、繊維の方向に並びました。このように、再構成されたASFに沿ってDNAが動的に再編成されるのは、SFと核周囲のDNAとの相互作用によるものと考えられます。この相互作用が、核内でのDNAの安定化と位置記憶に関与していると考えられます。
On the Roles of Actin Stress Fibers on the Mechanical Regulation of Nucleus in Adherent Cells, 2014
低予算レーザー切断システムの構築：線虫の軸索再生の研究
レーザー切断後に経時的顕微鏡検査法で観察する方法は、線虫の軸索再生の表現型を調べるための高感度なアッセイです。このアッセイの難点は、レーザーアブレーションシステムの導入に必要なコスト（2万5,000～10万ドル）と技術的な専門知識だと考えられています。しかし、安価な固体パルスレーザー（10,000ドル以下）は、標的軸索が組織表面に近い透明な試料でのレーザーアブレーションに十分な性能を発揮します。システムの構築および調整は1日で完了します。集光されたコンデンサーからアブレーションレーザーまでの光路が、アライメントガイドになります。すべての光学部品を取り外した中間モジュールは、アブレーションレーザー専用となり、レーザーアブレーションのセッション中に光学部品を移動させる必要がありません。中間モジュールのダイクロイックは、イメージングとレーザーアブレーションの同時進行を可能にします。顕微鏡の集光レンズからの出射光とレーザービームの中心を合わせることで、システムの初期調整を行います。様々なレンズを使用してレーザービームを調整し、選択した対物レンズのバックアパーチャを満たすように拡大します。最終的なアライメントとテストは、前面鏡面のスライドガラスターゲットで行います。出力を調整し、アブレーションの最小スポット径（<1um）を取得します。スポットは、イメージングウィンドウに固定されたクロスヘアに対して、キネマティックマウントによる最後のミラーの微調整によって中央に配置されます。軸索切断用のレーザー出力は、ターゲットスライド上の最小アブレーションスポットに必要な値よりも約10倍高くします（使用するターゲットによって異なります）。線虫は、アガロースパッド（またはマイクロ流体チャンバー）にマウントすることで、レーザーによる軸索切断とタイムラプスイメージングのために固定することができます。アガロースパッドは、バランスのとれた生理食塩水に含まれる10％アガロースを電子レンジで溶かして簡単に作成できます。溶融したアガロースを一滴ずつスライドグラスにのせ、別のスライドグラスで平らにして、厚さ約200umのパッドを作ります（隣のスライドにタイムテープを1枚貼って、スペーサーとして使用）。次に、Sharpieキャップを使用して、直径13mmの均一な円形パッドを切り出します。麻酔薬（1ul Muscimol 20mM）と微粒子（Chris Fang-Yen personal communication）（1ul 2.65% Polystyrene 0.1 um in water）をパッドの中央に加え、続いて3-5匹のミミズを左側に寝かせます。ガラス製のカバースリップを装着し、ワセリンでカバースリップを密閉してサンプルの蒸発を防ぎます。
1. Hammarlund M, Nix P, Hauth L, Jorgensen EM, Bastiani M. Axon regeneration requires a conserved MAP kinase pathway. Science. 2009;323:802–806. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
2. Steinmeyer JD. Construction of a femtosecond laser microsurgery system. Nature protocols. 2010;5:395–407. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
3. Wu Z. Caenorhabditis elegans neuronal regeneration is influenced by life stage, ephrin signaling, and synaptic branching. Proc Natl Acad. 2007;104:15132–15137. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
4. Gilleland CL, Rohde CB, Zeng F, Yanik MF. Microfluidic immobilization of physiologically active Caenorhabditis elegans. Nature protocols. 2010;5:1888–1902. [PubMed] [Google Scholar]
Constructing a Low-budget Laser Axotomy System to Study Axon Regeneration in C. elegans, 2011
吸収分光法による複雑なマトリックス中のミクロン径粒子の同位体比分析
レーザーアブレーションとデュアルチューナブルダイオードレーザーの吸収分光法を組み合わせて、ミクロン径粒子における152Gd：160Gdの同位体比を測定しました。ダイオードレーザーは、405.9nm（152Gd）と413.4nm（160Gd）の2つの異なる原子遷移における特定の同位体に調整されており、レーザーアブレーションのプルームの中を平行に照射します。回折格子上で分離し、フォトダイオードで検出することで、ショットごとに過渡的な吸収信号をモニターします。この方法は、まずGd金属箔が用いられ、次に152Gdと160Gdの同位体比が0.01から0.43の範囲にある二元および三元混合物としてのGdCl3-xH20の粒子を用いて特徴付けられます。これらの粒子混合物をコロンビア川の堆積物粉末（SRM 4350B）で希釈して環境試料をシミュレートしたところ、Gd含有粒子がSRM粉末中の微量成分（0.08%）であり、広範囲に分散している場合（80万回のアブレーションレーザー照射で1178個の粒子を検出）でも、100倍以上の低濃縮粒子の存在下で少数の高濃縮粒子を検出できることが示されました。原子力産業に関連して、大気中の粒子サンプルの235U:238U濃縮度比をモニターすることの意味を議論します。
Isotope ratio analysis on micron-sized particles in complex matrices by Laser Ablation-Absorption Ratio Spectrometry, 2009
