有发展前景的反应探针(reactive probes)的阵列用于分析和其他化学和生物测试和试验中具有很长的历史。例如，阵列经常用于遗传学，生物化学，和生物学领域以分析生物学或化学材料的样品(称为靶)。被分析的样品经常仅仅可提供相当小的量。一些材料的这种有限的供应导致了微阵列的发展，该微阵列用于在一个小阵列中提供相对高密度的探针，以对少量样品中的的靶分析。
用于生物材料的测试中的微阵列常常被称为生物芯片。两个主要的关于生物芯片的应用是：关于一个特殊核酸的序列信息的提取，即，无论核酸相应于一个生物体的全部基因组，一个单个基因，还是一个单个基因的一部分(美国专利US6,025,136)；和基因表达式的评定。(参见Schena，Ad.et al.“Quantitative monitoring of gene expressionpattems with a complimentary DNA microarray”，Science 270(5235)：467-70(Oct.20，1995)；D.J.and Winzeler，E.A.，“Genomics，geneexpression and DNA arrays”，Nature 405(6788)：827-836(2000)和Ekins，R.and Chu，F.＜RTI W.，“Microarrays：their origins andapplications”，Trends in Biotechnology 17：217-18(1999).)
常规的微阵列包括低核苷酸探针的或者线状或二维结构，附在一个固体支撑(基底)的平坦表面上。不同类型的低核苷酸以预定的位置固定在基底上。从而，微阵列一旦形成，探针的位置和由此与探针起反应的任意靶的位置始终是已知的。探针的固定或者是通过被称为原位照相平板印刷技术合成(in situ photolithography synthesis)(美国专利US5,837,832和US5,143,854)的工艺直接合成低核苷酸到基底上来实现，或者是在它合成完后通过低核苷酸的固定来实现。
这样的微阵列的一个缺点是它们的线性或二维结构提供了有限的探针能被固定的表面区域，从而对分析靶的探针的密度设定了一个限制。在靶(DNA或DNA碎片)和探针(固定的低核苷酸)之间的DNA杂交的情况下，杂交速率由靶能够与探针接触起来的速率控制。因此，探针的密度越高，杂交的速率越大。
这样的微阵列的第二个缺点是由它们的构造的方法引起的。一旦微阵列制备好，探针的类型和数量也就固定了。
在对少量的样品中的靶进行分析的另一种方法中，探针固定在小珠状基层的表面。(Kambara & Mitsuhashi.的未决的专利WO00/61198)每个包含一个不同探针的小珠用各不相同的标签标记，从而，在完成分析后，允许通过分辨哪一个小珠有什么标签来识别每个探针和相结合的靶(见WO 00/71243)。
通过物理地移动小珠，同时探针固定于导杆，毛细管，凹槽，或薄板内的孔中，然后清洗带有靶的小珠，小珠和探针的同一性被保持。虽然小珠的非平面特性确实比微阵列探针为靶提供了更大的表面区域以相互作用，但在整个分析过程中小珠仍然必须保持预定的顺序以以保持支撑哪一个探针的小珠或探针必须连接的小珠，以及在分析后被检查的每个小珠的同一性的记录以确定其同一性。
微阵列和小珠分析的另外一个缺点是需要探针物理固定到基底上。在一些情况中，这种固定本身而且自然而然地改变探针，或影响探针正用于分析的过程。在其他情况中，初始分析期间或之后，如果整个分析过程中已知探针的同一性，而且阵列的结构能容易改变，那么可得到对探针的数量和质量进行想要的改变的信息。然而，不管微阵列还是小珠分析，这种改变都是不可能的。
在非相关技术领域中，已知的是用多个同时产生的光镊光学地捕获粒子。(见颁发给Grier&Dufresne的美国专利US 6,055,106)光镊基于粒子的介电常数，使用一束光的梯度力来捕获粒子。为了将能量减到最小，具有高于环境介质的介电常数的粒子会移动到光镊的区域，那里电场强度最高。
能用于光学捕获粒子的其他类型的捕获包括，但不限于，光学漩涡(optical vortices)，光学瓶颈(optical bottles)，光学旋转器(opticalrotators)和光笼(light cages).光学漩涡产生一个环绕零电场的区域的梯度，其用于控制介电常数低于环境介质的粒子，或者反射性的粒子，或者被光镊排斥的其他类型粒子。为了使其能量最小化，这种粒子会移动到电场强度最低的区域，即在适当形状的激光束的焦点的零电场区域。光学漩涡提供了一个很象炸面圈(环形室)中的孔的零电场的区域。光学梯度是径向的，在炸面圈的圆周具有最高电场。光学漩涡在炸面圈的孔中滞留住一个小粒子。滞留是通过在沿着零电场线的小粒子上滑动漩涡实现的。
光学瓶颈不同于光学漩涡在于它只在焦点有一个零电场，而在围绕焦点的所有其他方向上，即在漩涡的端部，有非零电场。光学瓶颈可以用于捕获原子和纳米团簇，它们由于太小或吸收性太强以至于不能用光学漩涡或光镊捕获。(J.Arlt & MJpadgett.“Gneration of a beamwith a dark focus surrounded by regions of higher intensity：The opticalbottle beam，”Opt.Lett.25，191-193，2000.)
光学旋转器是一种最近记载的光学工具，它提供了一种捕获目标的螺旋形臂的模式。改变模式会使得捕获的目标旋转。(L.paterson，M.P.MacDonald，RArlt，RSibbett，P.E.Bryant，and K.Dholakia，“Controlled rotation of optically trapped microscopicparticles，”Science 292，912-914，2001.)这类工具可以用于控制非球形的粒子和驱动MEMs装置或纳米机械装置。
光笼(Neal美国专利US5,939,716)广义地讲，其与光学漩涡在宏观上是同族.光笼形成光镊的一个时间平均环来环绕太大或反射性太强以至于不能被捕获的粒子，其介电常数低于环境介质.然而，不同于漩涡，产生了非零电场区.光学漩涡，虽然使用上类似于光镊，但是操作原理相反.
存在对一种分析方法和系统的需求，其中在没有将探针固定到基底上时，能够评估探针与靶的相互作用。还存在对形成可配置的(和再配置的)探针阵列的方法和系统的需求，该方法在整个分析过程中保持探针的同一性，而与探针的位置无关。本发明满足这些和其他的需要，并且提供了进一步相关的优点。

本发明提供一种构造，配置和使用三维探针阵列的新颖的和改进的方法和系统。
在一个容器中产生光陷阱。通过使光束，例如激光束，定向在一个光学元件来产生光陷阱，该光学元件通过组合(patteming)其相位改变光束以产生子光束。该子光束反过来通过透镜聚焦，并产生光学捕获所必要的梯度条件。然后，每个具有已知的特性的探针加入容器。选择用于给定的分析的探针，然后每个探针通过将其包含于光陷阱中而被选定。
形成阵列的探针的数量和质量通过使用光陷阱以增加，去掉，或取代探针而很容易被重新配置。在阵列中，探针的排列相对于彼此也是动态的，因为当保持所选择的构成阵列的的探针的同一性的同时，能够改变探针彼此之间的空间关系。因此，阵列和它的每个探针在容器内也都可以作为一个整体或者单独地在三维上移动且可以定位。
当探针保持包含在光陷阱中时，不管它是否已重新定位在容器中，也不管它在阵列中的空间位置“顺序”的任何改变，可以通过知道包含探针的光陷阱的同一性而保持探针的同一性。此外，光陷阱可以把探针传递到另外一个光陷阱，以此类推，同时跟踪探针的光学捕获收容(custody)链从而保持光陷阱中所包含的探针的同一性。
根据本发明的一方面，提供了一种配置和跟踪探针阵列的方法，包括：在容器中同时产生至少两个独立地可移动的光陷阱；在容器中提供至少两个探针；选择至少两个探针用于光陷阱内部所包含的探针阵列中的内含物；用所述光陷阱中对应的一个捕获每个选定的探针，以配置包含在光陷阱内部的探针阵列；并且，通过计算机监测包含探针的光陷阱的位置，跟踪阵列中至少一个被捕获的探针的位置。
根据本发明的另一方面，提供了一种分析生物材料的方法包括：在容器内部产生至少两个独立地可移动的光陷阱；在容器中提供流体介质；在流体介质内提供至少两个用于生物材料的探针；选择至少两个探针用于阵列中的内含物；用所述光陷阱中对应的一个跟踪每个被选择的探针；引入容器内至少一个包含生物材料的靶；和，确定每个被捕获的探针与每个靶反应或没有反应；其中对所述靶起反应的探针与其余的探针分开。
根据本发明的再另一方面，提供了一种配置探针阵列的方法包括：在容器内部产生至少两个独立地可移动的光陷阱；在容器内部提供至少两个探针；和，通过用所述光陷阱中对应的一个选择每个探针来配置至少两个探针的阵列；其中通过在所述阵列中去除或增加至少一个探针可修改所述阵列；及通过计算机监测包含探针的光陷阱的位置，跟踪所述阵列中至少一个被捕获的探针的位置。
根据本发明的再另一方面，提供了一种配置和再配置探针阵列的方法，包括：定向一聚焦光束在相位模式化光学元件上以形成多个来自相位模式化光学元件的子光束；定向该多个子光束在聚焦透镜后孔径上，以传送子光束通过聚焦透镜，并会聚从聚焦透镜发出的子光束，以在容器内同时产生独立地可移动的光陷阱；在容器内提供大量探针；选择至少两个探针用于包含在光陷阱内的探针阵列中的内容物；用所述光陷阱中对应的一个捕获每个被选定的探针，以配置包含在光陷阱内的探针阵列；通过移动包含探针的光陷阱，变更至少一个包含在所述阵列内的探针的位置，以再配置包含在光陷阱内的探针阵列；及通过计算机监测包含探针的光陷阱的位置，跟踪所述阵列中至少一个被捕获的探针的位置.
根据本发明的再另一方面，提供了一种用于形成和跟踪包含探针的光陷阱的系统包括：用于产生聚焦光束的光源；基本透明的容器；用来产生照明容器的内含物的光束的图像照明源；用于定向的分束器；相位模式化光学元件，其用于接收来自光源的聚焦光束，并将其衍射成至少两个子光束，相位模式化光学元件具有一个表面用于定向每个子光束在聚焦透镜的后孔径上，该表面是可改变以改变至少一个子光束的相位剖面和/或取向；用于会聚每个子光束以形成用于包含探针的光陷阱的聚焦透镜；用于在所述容器内提供由生物材料组成的至少一个靶的装置；用于确定所述光陷阱中每个探针与每个靶反应或没有反应的装置；用于跟踪所述光陷阱的移动和内含物的装置；及用于将对所述靶起反应的探针与其余的探针分开的装置。
本发明的其它特征和优点将会在下面的说明书中和附图中部分地提及，其中描述和显示了本发明的优选实施例，而且部分地，在仔细研读以下结合附图的详细说明后，这对于本领域的技术人员来说，这将是显而易见的，或者也可以通过本发明的实践获悉。本发明的优点可以通过在后附的权利要求中特别地指出的手段和结合来实现和得到。

图1显示了形成可配置的探针阵列的系统的部分剖面侧视图。
图2显示了包含在光陷阱内的自由探针。
图3显示了用来形成探针阵列的系统的概略图。
图4显示了用多个静态区改变元件的光束。
图5A显示了探针的第一有效运动。
图5B显示了探针的第二有效运动。
图6A显示了用于形成光陷阱的小型系统的组成视图。
图6B显示了图6A的装有小型系统的倒置的显微镜。

为了描述本发明的原理和操作，下面将相当详细地描述本发明的几个特定实施例。但是，可能作各种变更，而本发明的范围不受下述的示范性实施例限制。例如，虽然对于基因序列和DNA杂交特别参考生物学系统和分析，但是，可以理解该方法和系统在下面所述的领域同样实用，例如光学电路制造和测试，纳米复合材料结构和测试，光电装置的制作，电子组元测试，全息数据存储矩阵的集合(assembly)和测试，化学分析，基因组分析，蛋白质组学分析，组合化学的简易化，胶体的自集结的促进，和探测非生物材料。
为了方便和作为参考但不作为限制，在以下的说明书中使用某些技术术语。下面提供了简短的定义：
A.“子光束”是指通过定向一束光或其它能源束，例如由激光或发光二极管的准直输出所产生光束，经过介质所产生的光或其它能源的子光束，，其中介质将其衍射为两束或更多的子光束.一个子光束的例子将是衍射出光栅的更高阶激光束.
B.“相位剖面(Phase profile)”是指光束或子光束的横截面中的光或其它能源的相位。
C.“相位模式化(Phase patterning)”指赋予光束或者子光束的模式化的相移，该相移改变光束或子光束的相剖面图，其包括，但是不限于，衍射、相位调制、模式形成、分束、会聚、分散、成形，以及其它控制光束或子光束。
D.“探针”指有选择地与靶结合或与靶反应的生物或其它化学材料。探针包括，但不限于，低核苷酸，多核苷酸，化学化合物，蛋白质，缩氨酸，脂，多糖，配合体，细胞，抗体，抗原，细胞器官，脂，分裂球，细胞聚集体，微生物，cDNA，RNA等等。
E.“靶”是指一种生物或其它化学材料，该材料在样品中的存在与不存在通过靶与探针结合或靶与探针反应来探测。例如，由基因材料形成的靶的存在是通过靶的基因材料和探针的基因材料(其具有为杂交所必需的特定的特性，即互补的结构(complimentary structure))的反应，如杂交反应，而被探测。靶材料还包括，但不限于，低核苷酸，多核苷酸，化学化合物，蛋白质，脂，多糖，配合体，细胞，抗体，抗原，细胞器官，脂，分裂球，细胞聚集体，微生物，缩氨酸，cDNA，RNA等等。
如图1所示，探针500-504可以通过任何合适的粘合工艺或规程(protocol)，与任何合适的基底结合或反应。合适的基底的一个重要特性是，它是一种可以被光陷阱包含或操纵的材料。典型的电介质基底包括小珠，不规则的小颗粒，或其它规则的小颗粒。构成合适的基底的材料包括，但不限于，可控多孔玻璃(control pore glass)，陶瓷，硅石，二氧化钛，乳胶，塑料，例如聚苯乙烯，甲基苯乙烯(methylstyrene)，聚甲基丙烯酸甲酯，顺磁材料，thoriosol，石墨，聚四氟乙烯，交叉链接右旋糖苷，例如琼脂糖，纤维素，尼龙，交叉链接胶束，脂质体，和囊。
如图2显示的另一个可供选择的实施例所示，本发明的方法还包括使用一个或使用多个光陷阱1005(显示一个)以包含未粘合到基底上的一个或多个探针505(显示一个)。应当理解的是，可配置的阵列可以仅包含粘合的探针、非粘合的探针，或者粘合的和非粘合的探针的组合。如果有的话，选择粘合和非粘合探针的什么混合物，可能会部分地受到探针的物理特性的影响。具体地，某些探针的性质，例如皮肤细胞，可以改变为不与基底的粘合。相反地，其它探针例如蛋白质的作用，可以通过除去基底保持探针/蛋白质的第三结构而被更好地使用。
图1显示了用于分析生物材料的与基底粘合的探针500-504的可配置阵列8。使用由聚焦的子光束2000-2004构造的可移动的光陷阱1000-1004把探针配置在主细胞(subject cell)10中。主细胞10是一个由基本透明的材料构造的容器(vessel)，其允许子光束通过且不影响光陷阱的形成。
图3显示的是产生和改变可配置的探针阵列的位置的系统的概略图，通常标记为20。通过传播平行光，最好是由激光器102产生的激光束100，到光束分束器30上的A’区域，在容器10中产生可移动的光陷阱1000-1004(图1)。光束之一，即光束31，来自激光器102并被重定向以便从光束分束器30上的A’区域继续前进到相位模式化光学元件(phase patterning optical element)22上的区域A.然后，相位模式化光学元件22所产生的每个子光束经过位于聚焦透镜12的后孔径28的区域B.子光束由聚焦透镜12会聚.由此产生的聚焦子光束通过产生在三维包含和控制探针所必需的梯度条件来形成光陷阱1000-1004.为了清楚起见，图1中只显示了五组探针、子光束和光陷阱，但是应当理解的是，根据分析的性质，范围和其它参数和产生光陷阱的系统的能力，可以使用更多或更少的数量.
可以使用任何合适的激光器作为激光束100的能源。可用的激光器包括固态激光器，二极管泵激光器，气体激光器，染料(dye)激光器，亚历山大(alexanderite)激光器，自由电子激光器，VCSEL激光器，二极管激光器，Ti-兰宝石激光器，掺杂YAG激光器，掺杂YLF激光器，二极管泵浦YAG激光器，和闪光灯泵浦YAG激光器。在10mW到5W之间工作的二极管泵浦Nd:YAG激光器是优选的。用于形成研究生物材料的阵列的激光束100的优选波长包括：红外线，近红外线，可视红(visible red)，绿，和可视蓝(visible blue)波长，具有从约400nm到约1060nm的波长是最优选的。
光束分束器30由二向色镜，光能隙反射镜(photonic band gapmirror)，全向反射镜(omni directional mirror)，或其它相似的装置构成。光束分束器30有选择地反射用于形成光陷阱的光的波长，并传输其它波长。然后，从光束分束器的A’区域所反射的部分光经过编码的相位模式化光学元件22的区域A，这些相位模式化光学元件22基本上设置于与聚焦透镜12的平面的后孔径28配结的平面24中。
当激光束100通过相位模式化光学元件22被定向时，相位模式化光学元件产生具有改变了的相剖面的多个子光束。根据想要的光陷阱的数量和类型，这种改变可以包括衍射，波前整形，相移，转向(steering)，分散和会聚。基于所选择的相位剖面，相位模式化光学元件可以用于产生以下形式的光陷阱：光镊，光学漩涡，光学瓶颈，光学旋转器，光笼，和这些形式中的两个或更多的组合。
在那些子光束的相位剖面在外围强度较小而从外围向内的区域强度较大的实施例中，过分填充后孔径28的低于约15％，与不过分填充后孔径28相比，用于形成在外围具有更大强度的光陷阱。
根据合适的相位模式化光学元件如何定向聚焦光束或其它能源束，合适的相位模式化光学元件的特征为透射的或折射反射的。透射折射光学元件透射光束或其它能源束，而反射折射光学元件反射光束或其它能源束。
相位模式化光学元件也可以分类为具有静态表面的或具有动态表面的。合适的静态相位模式化光学元件的例子包括那些具有一个或更多固定表面区域的光学元件，例如光栅，包括散射光栅、反射光栅、和透射光栅，全息图，包括多色全息图，模板，光整形全息图滤波器，多色全息图，透镜，反射镜，棱镜，波片等等。静态透射的相位模式化光学元件40，如图4所示，其特征为固定表面41。然而，在一些实施例中，相位模式化光学元件本身是可移动的，通过相对激光束移动相位模式化光学元件以选择合适的区域，从而允许选择一个以上的固定表面区域42-46。静态相位模式化光学元件可以固定在轴(spinder)47上，并绕一个可控制电动机(未示出)旋转。在图4所示的实施例中的静态相位模式化光学元件具有固定表面41和离散区域42-46。在静态相位模式化光学元件的其它实施例中，无论是透射的还是反射的，固定表面41具有一个包含基本上连续改变的区域的非均匀表面，或者离散区域和基本连续改变的区域的组合。
具有其功能与时间有关的适当的静态相位模式化光学元件的例子包括：计算机生成衍射图案，相移材料，液晶相移阵列，微镜阵列，包括活塞式微镜阵列，空间光调制器，电光偏转器，声光调制器，变形镜，反射MEMS阵列等等.因为具有动态相位模式化光学元件，所以包含相位模式化光学元件的介质编码能被改变的全息图，以赋予模式化的相移给聚焦光束，这导致在聚焦光束的相位剖面的相应改变，例如衍射，或会聚.另外，介质可以被变更以产生光陷阱的位置的变化.介质可以改变以独立地移动每个光陷阱，这是动态相位模式化光学元件的优势.
优选的动态光学元件包括纯相位(phase-only)空间光调制器例如日本Hamamatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”，或者由科罗拉多州的Boulder Nonlinear Systems of Layafette制造的“SLM512N15’和SLM512SA7”。这些相位模式化光学元件计算机控制的以通过编码在介质中的全息图产生子光束2000-2004(图1)，其中，该介质能被改变以产生子光束并选择子光束的形式。
在一些实施例中，用于形成阵列的光陷阱的形式和/或光陷阱的位置被改变，并由此被配置和被再配置。该形式可以从其原始的形式改变为以下形式：光镊，光学旋涡，光学瓶颈，光学旋转器或光笼。光陷阱可以在二维或三维中移动。
相位模式化光学元件还可以用于给予激光一个特定的拓扑模式，例如，通过将Gaussian模式转换成Gaussian-Laguerre模式。因此，一个子光束可以被形成Gaussian-Laguerre模式，而另一个子光束可以被形成Gaussian模式。
探针配置在容器10中。容器10是一个由基本透明的材料构成的主细胞，这允许子光束经过且不影响光陷阱的形成。在那些实施例中，在基底用波长特定的染料标记处，主细胞对该特定波长应该是透明的。此外，主细胞应该由对于基底是惰性的材料构成。例如，生物基底，如细胞，蛋白质，和DNA不应该粘到主细胞的表面上，并一定不会被材料改变或者破坏。
具有为与感兴趣的靶结合和/或反应所必需的特殊性质的探针被选择以增加到容器中和包含到可配置阵列中。在一些实施例中，探针与基底粘合处，基底被标有标记(如波长特定的染料)以利于探针的选择。在优选实施例中，所有粘合具有相同粘合特性或反应特性的探针的基底标有相同类型的标记。当基底标有波长特定的标记时，探针500-504的选择可以通过把与带有标记的基底粘合的探针加入到容器10中来完成。然后，如图3中所示，探针的带有标记的基底的光谱测量可以用于选择(或不选择)包含在阵列中的探针。在一些实施例中(图2)探针可以不粘合到基底上并且还可以被标记。
在选择未被标记的探针以形成所有或部分阵列的实施例中，探针可以依次地加入容器10中。在这样的情形下，探针的同一性可以通过加载顺序知道或者探针的同一性可以根据加入探针的时间得知。作为选择，彼此具有不同粘合特性或反应特性的探针，可以根据性质的不同，被隔离到不同的预定位置。然后根据探针在容器中的位置选择探针。
如图3中所见，生物材料的样品的光谱可以用成像照明光源39完成，其既适合于光谱学又适合于偏振光后向散射(polarized lightback scattering)，前者用于定估化学同一性，后者适合于测量内部结构的尺寸，例如原子核尺寸.在一些实施例中，使用这样的光谱学方法，细胞被查询，且探针阵列由挑选出的被查询的细胞创建.例如，计算机38可以用于分析光谱数据，并用于识别可疑的癌性的，癌前的和/或非癌性的细胞类型.然后计算机可以采用信息以引导光陷阱包含被选择的细胞类型.被包含的细胞然后可以根据所包含的细胞与靶(例如其它细胞，抗体，抗原，和其它生物材料，或药品和其它化学药品)的反应或粘合，而用作分析中的探针.本领域技术人员会认识到，根据对癌细胞特殊的参数，用于查询和集中细胞的方法学可以被改变，用于查询和/或分离分裂球，细胞或其它材料，而不背离本发明的范围.
在其它实施例中，带有标记的或没有标记的探针，例如具有不同的粘合或反应特性的没有标记的探针可以放置在一连串的设置于容器10中的子细胞16中。在图1中，为清楚起见，只显示了一个子细胞。然而，应当理解的是，可以提供多个这样的子细胞。在一些实施例中，子细胞的边界由光陷阱构成。许多置于正确的方位的光陷阱产生光学子细胞，其可以执行与物理子细胞16相同的功能。
子细胞16中的探针的布置采用了任何合适的手段，包括用光陷阱，通过流体通道，通过微毛细管或通过其它等效的机构移动。在每个子细胞中，放置了具有相同粘合或反应特性的一个或更多探针。然后，根据包含探针的子细胞，选择包含在阵列中的探针。
然后通过在光陷阱1000-1004中包含探针，使用光陷阱1000-1004捕获所选择的探针500-504。一组这样的被包含的探针从而被配置以形成阵列。
发明的方法和系统本身提供用于跟踪每个光陷阱的移动和内容的半自动或自动的过程。该移动可以通过摄象机，频谱，或光学数据流被监测，其提供计算机控制探针的选择，和用于调整光陷阱所包含的探针的类型的光陷阱信息的产生，和形成阵列的探针的成份。在其它实施例中，根据通过编码相位模式化光学元件所引起的每个光陷阱的预定的移动跟踪所述移动。此外，在一些实施例中，计算机用于保持包含在每个光陷阱中的每个探针的记录。
返回到分束器30，分束器30还提供了来自成像照明光源39的光束32，其通过主细胞10形成与由光陷阱所包含的探针的定位和位置得出的一个或更多的子光束对应的光学数据流。
然后，光学数据流可以被操作者36的视觉监查34a、利用光谱设备34b、和/或视频监测34c来观察、转换为视频信号、监测或分析。光学数据流32还可以由监测强度的光电探测器或任何合适的装置处理以将光学数据流转换为数字数据流用于计算机38使用。
为了构造阵列，操作者36和/或计算机38会调整由相位模式化光学元件22编码的全息图，以引导每个光陷阱的移动来获得所选择的探针并捕获它。多个带有被包含的探针的光陷阱形成配置的阵列的组分，至于探针的组分或位置，根据使用者的需要，该阵列可以再配置。使用光学数据流，一个或更多被捕获的探针的位置可以被识别，且它们的位置可以被监测。基于这样的信息，相位模式化光学元件的表面可以被改变，在一些实施例中被独立地改变，以改变包含探针的一个或更多的光陷阱的形式。
另外，阵列中一个或更多的被捕获的探针的位置可以通过监测包含它的光陷阱的位置而被跟踪。然后，使用这样的信息，通过改变相位模式化光学元件的表面，阵列中任何给定的探针都可以独立地重定位在主细胞中，并且通过包含探针的光陷阱，每个探针的同一性保持已知，无论光陷阱将探针定位在哪儿。
在一个优选实施例中，计算机38在捕获探针之前和之后都控制光陷阱的移动。在其它实施例中，光学数据流首先转换为视频信号，其然后用于产生与阵列相应的图像，然后操作者观察图像以基于图像控制至少一个光陷阱的移动。
参考图1和3，为进行分析，首批靶T1-T5通过入口14加入主细胞10，其还包含流体介质3000.探针500-504的阵列由光陷阱1000-1004对它们的容积(containment)悬浮于介质3000中.为了增加与靶T1-T5反应的机会，探针可以与光陷阱的移动相对应在主细胞周围移动.
例如，在一个实施例中，探针500-504被旋转通过包含靶T1-T5的介质3000。通过光学地包含探针，与物理地包含相反，以及在主细胞10中移动探针，探针与每个靶相互作用的机会增加了，因此提高了分析的速度和效率。
图5A和5B中显示了通过顺序地产生几组光陷阱移动探针500-502的阵列。在图5A显示的实施例中，显示了探针阵列简单的线性移动，其沿线P1配置，P1代表了第组预定位置。移动通过将探针从第一组光陷阱转移到第二组，第三组，然后第四组来完成。另外参考图4，第一组光陷阱是通过定向激光束在相位模式化光学元件40的第一区域42上而产生的。当第一区域42发出的子光束通过聚焦透镜时，它们在包含探针500-503的第一位置P1形成了第一组光陷阱。
为了将探针500-502从第一位置P1移动到第二位置P2，静态相位模式化光学元件40围绕轴47旋转，以使激光束与第二区域43对准，在相应的第二组预定位置P2处产生第二组光陷阱。通过在适当的临近第一位置P1处构造第二组组光陷阱，探针可以从第一组光陷阱传递到第二组光陷阱。通过旋转相位模式化光学元件以对准与想要的位置P1-P5对应的适当区域42-46，可以依次继续传递探针从第二组预定位置P2到第三组预定位置P3，从第三组预定位置P3到第四组预定位置P4，从第四组预定位置P4到第五组预定位置P5。一组光陷阱的终止和下一组的产生之间的时间间隔应该持续一段时间，以确保探针在漂移之前传递到下一组光陷阱。
探针的这种移动可以用于旋转(troll)探针通过介质，从而增加介质中的靶与探针相互作用的机会。这种类型的简单移动还可以用于从子细胞16(图1)移动探针到主细胞10的另一个区域，或者将探针隔离到子细胞16中。
在图5B显示的实施例中，显示了探针临近得从宽到狭的交错的移动。探针的交错移动以与如参照图5A所描述的方式相近似的方式产生。然而，现在第一区域42用沿线P1所配置的两个探针500和502产生光陷阱，，而第三探针501配置在P2，即介于上面两个探针之间，但与线P1间隔开。当探针从第一组光陷阱传递到第二组并移动到第二和随后的位置，探针的交错排列允许探针被密集地填塞而不必同时在离两个探针太临近的位置放置一组陷阱，否则会导致探针被包含于错误的光陷阱中。
一旦靶与探针相互作用，可以使用光谱方法研究靶。那些具有正的结果的探针(即，那些与靶反应或粘合的探针)的光谱可以通过使用图像照明39得到，例如这适于非弹性光谱学(inelasticspectroscopy)或者偏振光后向散射。计算机38可以分析光谱数据以识别想要的靶，并引导相位模式化元件去隔离那些想要的靶。本领域技术人员会认识到根据光谱数据的用于隔离靶的方法学可以被变更，以根据从靶和/或光学数据流可得到的其它信息，来识别和/或隔离靶，而不背离本发明的范围。
当完成分析时，通过计算机38和/或操作者36，选择抛弃哪个探针和收集哪个探针.阵列的再配置的特性允许给定的光陷阱和被包含的探针有选择地移动.在一些情况下，介质3000和非粘合的靶会从主细胞10经由出口18排除或清洗掉，然后完成分析.在其它情形下，至少一些仍包含于光陷阱的探针，与另外的靶一起而被重新利用以进行进一步分析.根据分析的参数，该技术能用于测定为正或负的探针的情形中.还在另外一些情形中，因为关于形成阵列的探针的数量和特性探针的阵列被重新配置，光陷阱可以用于排除非粘合探针并获得用于进一步实验的另外的探针.
在一些实施例中，没有必要从静态光束改变光学元件40的每个区域产生子光束，或者在一规定方向上移动光束改变光学元件40。作为替代，改变区域的顺序会改变这组光陷阱的位置。
图6A显示的是用于形成光陷阱的小型的系统的立体图，通常标记为50。相位模式化光学元件51是动态的光学元件，具有反射的、动态的表面，其也是纯相位的空间光调制器例如由日本Hamamatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”，或者由科罗拉多州的BoulderNonlinear Systems Lafayette制造的“SLM512N15’和SLM512SA7”。这些动态的光学元件具有可编码的反射表面，其中计算机可以控制形成在其中的全息图。
图6A显示了用于形成光陷阱的小型系统，光学元件51对准外壳52或附着于外壳52上，通过该外壳52提供第一光频道53a。第一光频道的一端53b紧邻于光学元件51，第一光频道的另一端53c和与其垂直的第二光频道53d相互作用并相通。第二光频道形成于安装转台(turret)或“换镜旋座(nosepiece)”54b的显微镜透镜的底座54a中。换镜旋座54b适于装配到Nixon TE 200系列显微镜(未示出)。第二光频道与也正交于第二光频道的第三光频道55a相通。第三光频道55a从换镜旋座54b的顶部表面横向通过换镜旋座54a，并平行于物镜聚焦透镜56。聚焦透镜具有顶部和形成后孔径57的底部。插入第二光频道和聚焦透镜的后孔径57之间的第三光频道的是二向色镜分束器58。在小型系统中用于形成光陷阱50的其它部件包括第一反射镜M1，其反射从相位模式化光学元件发出的子光束通过第一光频道，设置在第一光频道中的第一组传递光学装置TO1，其被准直以接收第一反射镜M1反射的子光束，设置在第一光频道中的第二组传递光学装置TO2，其被准直以接收通过第一组传递透镜TO1的子光束，和位于第一光频道和第二光频道的交点处的第二反射镜M2，其被准直以反射通过第二组传递光学装置TO2和第三光频道55a的子光束。
为了产生光陷阱，引导激光束(未示出)通过光纤150从准直管末端151出来并反射离开光学元件51的动态表面59。从光纤150的准直器末端151输出的光束(未示出)被光学元件51的动态表面59衍射成多个子光束(未示出)。每个子光束的编号类型和方向可以通过变更编码在动态表面介质59中的全息图控制和改变。子光束然后反射出第一反射镜M1经过第一组传递光学装置TO1，沿着第一光频道53a经过第二组传递光学装置TO2到达第二反射镜M2；然后被定向在分光镜58上直到物镜56的后孔径57，通过物镜56被会聚，从而产生形成光陷阱所必需的光学梯度条件。用于成像，通过二向色镜58被分解的那部分光通过第三光频道55b的下部分形成光数据流(未示出)。
在那些其中子光束的相位剖面在外围强度较小而在从外围向内的区域强度较大的实施例中，过分填充后孔径57的低于约15％，与不过分填充后孔径57相比，用于形成在周围具有较大强度的光陷阱。
图6B示出的是Nixon TE 200系列显微镜的立体图，其中装配了用于形成光陷阱50的小型系统，通常标记为60.带有附于其上的外壳52的换镜旋座54通过支撑换镜旋座54a和54b的底座直接安装在显微镜中.外壳和它的内含物和相连的光学元件51固定到换镜旋座54a和54b，对显微镜的其余部分要求很少或不需要变更和改进.为了成像，在物镜56上方可以提供照明源.
第一和第二组传递光学装置TO1和TO2被显示了每个包含两个透镜元件。透镜可以是凸的或者是凹的。可以选择不同的和变化的类型和数量的透镜，例如对称空气间隙单镜片(symmetrical air spacedsinglets)，对称空气间隙双重镜片(symmetrical air spaced doublets)和/或另外的透镜或透镜组，以实现图象从第一反射镜M1到第二反射镜M2的传递。在一些实施例中，第一和第二组传递光学装置是对称空气间隙双重谱线，其隔开一定距离组合作为远摄镜头。
由于在以上的系统装置和方法中可以做一定的改动而不背离本发明的范围，所以，所有包含于以上描述中的内容，如附图和说明书所示，可以解释为说明性的，而非限制的意义。
本申请是申请日为2002年4月12日，申请号为02816288.9，发明名称为“可配置的动态三维阵列”的中国发明专利申请的分案申请。
发明的背景
在整个申请中的括号里提及了各种公开出版的文献。为了更充分地描述本发明所属技术领域的情况，在本申请中结合这些公开出版的文献的全部公开内容作为参考。