专利汇可以提供利用全息激光控制分类物质的系统和方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 采用一光束控制设备来将有用的细胞与其他的细胞、组织和掺和物隔离。在一 实施例 中,在 计算机程序 引导的陷阱的柔性控制下,该系统使光学捕获和流相平衡以并行进行细胞分类,该柔性控制根据细胞的组分或标记不同地控制这些细胞来引导分离。,下面是利用全息激光控制分类物质的系统和方法专利的具体信息内容。
1、对象分类的方法,包括:
以预定的流速将对象引入输入通道;
利用光束控制装置汇集这些对象;
评价这些对象,以确定哪些符合预定的标准;以及
将符合所述标准的对象从不符合所述标准的对象中分离出来。
2、据权利要求1的方法,进一步包括:
以跟所述输入通道中相同的流速,引入缓冲液至平行于所述输入通道 配置的输出通道,从而形成层流的平行线。
3、根据权利要求2的方法,其中分类步骤进一步包括:
将符合所述标准的对象从所述输入通道传送到所述输出通道之一。
4、根据权利要求3的方法,其中当执行该分类步骤时,在所述的输 入通道和所述的输出通道之间没有机械分离。
5、据权利要求2的方法,进一步包括:
利用汇集步骤中的所述光束控制装置,保持在所述层流的平行线中的 对象之间的最小距离。
6、根据权利要求5的方法,其中在所述输入通道和所述输出通道内 的所述流速通过所述最小距离,通过在执行分类步骤中的更新率,以及 通过一个整体对象处理速率而被设置。
7、根据权利要求1的方法,其中对象是精子,并且分类步骤是将具 有X染色体的精子从具有Y染色体的精子中分离出来。
8、根据权利要求3的方法,其中所述光束控制装置是一个光学捕获 装置,其形成若干光学陷阱,并且所述光学陷阱包括由安装在旋转轮上 的一组静态全息图建立的低强度陷阱图形。
9、根据权利要求8的方法,其中所述光学陷阱的图形作为所述旋转 图形的函数而改变。
10、根据权利要求9的方法,其中在所述汇集步骤中位于下游区域中 的所述光学陷阱为固定的强度和位置,并且保持所述对象的所述层流的 线之间的分离。
11、根据权利要求10的方法,其中在所述汇集步骤中位于上游区域 中的所述光学陷阱随时间改变强度和位置,以干扰成团的对象的层流, 并通过单个对象的层流。
12、根据权利要求10的方法,其中所述分类步骤在所述下游区域中 的最早点进行。
13、根据权利要求3的方法,其中所述的分类标准包括散射测量和光 学偏转。
14、根据权利要求3的方法,其中在所述分类步骤中,用于实现所述 光束控制装置的物镜的视野的宽度,是与所述输入通道和所述输出通道 视野相同的宽度。
15、根据权利要求6的方法,其中所述输入通道的长度和所述输出通 道的长度依赖于所述流速,所述通道的深度,以及每一条所述通道的所 述更新率。
16、根据权利要求15的方法,其中创建相位掩模的空间光调制器被 使用以驱动所述光束控制装置,并且至少一个所述光线调制器的更新率 至少为30Hz。
17、根据权利要求14的方法,其中所述物镜具有相对低的数值孔径。
18、根据权利要求17的方法,其中来自所述光束控制装置的光束锥 体的半径是由所述数值孔径直接确定的。
19、根据权利要求18的方法,其中使用多条光束。
20、对象分类的方法,包括:
在一结构的表面上分配这些对象;以及
利用光束控制装置,根据预定标准评价所述结构中的这些对象。
21、根据权利要求20的方法,其中所述结构是一个盘。
22、根据权利要求21的方法,进一步包括:
将所述盘的旋转运动与激光的径向运动相组合,以访问所述对象。
23、根据权利要求22的方法,进一步包括:
保证这些对象在盘上保持它们的相对位置。
24、根据权利要求23的方法,其中所述的保证步骤包括:
将每一个对象提供在一个流体腔中。
25、根据权利要求23的方法,其中所述保证步骤包括:
在胶体中固定这些对象。
26、根据权利要求23的方法,其中所述保证步骤包括:
提供粘附表面以结合这些对象。
27、根据权利要求23的方法,其中所述的保证步骤包括:
在胶体中包围这些对象。
28、根据权利要求23的方法,进一步包括:
测量这些对象以确定它们的相对位置。
29、根据权利要求20的方法,其中所述的光束控制装置是一个光学 捕获装置。
30、根据权利要求20的方法,其中所述的结构是衬底,并且所述衬 底被加热以融化所述衬底的一个表面,并且这些对象被嵌入在所述衬底 的所述表面。
31、根据权利要求30的方法,其中当所述衬底被再加热时,对象从 所述衬底的所述表面释放出来。
32、根据权利要求30的方法,其中所述预定标准是预定的吸收光谱。
33、对象分类的方法,包括:
在胶体中分布这些对象;
检测符合预定标准的对象;并且
将符合所述标准的对象从不符合所述标准的对象中分离出来。
34、根据权利要求33的方法,其中利用光束控制装置实现该分类步 骤。
35、根据权利要求34的方法,其中利用来自所述光束控制装置中使 用的激光器的热量以融化所述胶体,从而对希望的对象提供出口路径。
36、根据权利要求33的方法,其中不符合所述标准的对象被杀死。
37、根据权利要求33的方法,其中施加热量以融化所述胶体,并且 符合所述标准的对象从不符合所述标准的对象中被分离出来。
38、根据权利要求33的方法,其中产生热量爆发,以将不符合所述 标准的对象分解为残留物,从而能够在所述残留物上根据大小实现分类 步骤。
39、根据权利要求23的方法,其中不符合所述标准的对象被杀死。
40、用于对象分类的装置,包括:
多个光学陷阱,利用光学捕获装置形成该多个光学陷阱;
输入通道,所述对象以预定的流速被引入该输入通道;
至少一条输出通道;
其中利用所述光学陷阱,在进入所述输出通道之前的分类区域,根 据预定标准将对象分类。
41、根据权利要求40的装置,其中所述输入通道与所述至少一条输 出通道平行。
42、根据权利要求41的装置,其中所述输入通道和所述至少一条输 出通道具有相同的宽度。
43、根据权利要求40的装置,其中缓冲液是以与所述输入通道中保 持的相同的流速引入所述至少一条输出通道。
44、根据权利要求40的装置,其中在所述的分类区域中,在所述输 入通道中的流与所述至少一条输出通道中的流之间没有机械分离。
45、根据权利要求40的装置,其中所述光学陷阱在所述输入通道中 汇集这些对象,从而这些对象沿着流的严格限定的线行进,并且彼此分 离一个最小距离。
46、根据权利要求45的装置,其中所述输入通道和所述至少一条输 出通道中的所述流速是通过所述最小距离,通过在分类步骤执行中的更 新率,以及通过整体对象处理速率而被设定的。
47、根据权利要求40的装置,其中所述对象是精子,在所述分类区 域中将具有X染色体的精子与具有Y染色体的精子分离。
48、根据权利要求45的装置,其中执行所述汇集的所述光学陷阱包 括由安装在一个旋转轮上的一组静态全息图建立的低强度陷阱图形。
49、根据权利要求48的装置,其中光学陷阱的所述图形作为所述旋 转图形的函数而改变。
50、根据权利要求49的装置,其中在下游区域中执行所述汇集的所 述光学陷阱具有固定的强度和位置,并且保持所述对象的流的所述线之 间分离。
51、根据权利要求50的装置,其中在上游区域中执行所述汇集的所 述光学陷阱随时间来改变强度和位置,以干扰成团的对象流,并且通过 独立对象流。
52、根据权利要求51的装置,其中所述分类区域配置在所述下游区 域中的最上方的点。
53、根据权利要求40的装置,其中所述分类标准包括散射测量以及 光学偏转。
54、根据权利要求40的装置,其中在所述分类区域中用于实现所述 光学陷阱的物镜视野的宽度与所述输入通道和所述至少一条输出通道的 视野宽度相同。
55、根据权利要求54的装置,其中所述输入通道的长度以及所述至 少一条输出通道的长度依赖于所述流速,所述通道的深度,以及每一条 所述通道的所述更新率。
56、根据权利要求55的装置,其中创建相位掩模的空间光调制器被 使用以驱动所述光学陷阱,并且至少一个所述空间光调制器的更新率至 少为30Hz。
57、根据权利要求54的装置,其中所述物镜具有相对低的数值孔径。
58、根据权利要求57的装置,其中所述光学陷阱上使用的光束锥体 的半径由所述数值孔径直接确定。
59、根据权利要求58的装置,其中使用多条光束。
60、用于对象分类的装置,包括:
光束控制装置;以及
一个结构,该结构具有分布有这些对象的一个表面;
其中根据这些对象是否符合预定标准,使用所述光束控制装置将这 些对象分类。
61、根据权利要求60的装置,其中所述结构是一个盘。
62、根据权利要求61的装置,其中所述盘的旋转运动与来自所述光 束控制装置的激光的径向运动结合以访问所述对象。
63、根据权利要求60的装置,其中这些对象在所述盘上保持它们的 相对位置。
64、根据权利要求63的装置,其中通过以下方法中的一种来保持所 述相对位置,将每一个对象提供在一个流体腔中,将对象固定在胶体中, 及提供粘附表面以结合对象。
65、根据权利要求64的装置,其中测量所述对象以确定其相对位置。
66、根据权利要求60的装置,其中所述结构是衬底,并且所述衬底 被加热以融化所述衬底的一个表面,并且这些对象被嵌入在所述衬底的 所述表面中。
67、根据权利要求66的装置,其中当所述衬底被再加热时,所述对 象从所述衬底的所述表面上释放出来。
68、根据权利要求60的装置,其中所述预定标准是预定的吸收光谱。
69、用于对象分类的装置,包括:
用于引导对象以预定速率进入输入通道的装置;
用于汇集这些对象的装置;
用于评价这些对象以确定哪些对象符合预定标准的装置;以及
用于将符合所述标准的对象从不符合所述标准的对象中分离出来的 装置。
70、用于对象分类的装置,包括:
用于在一结构的表面上分布这些对象的装置;以及
用于利用光束控制装置根据预定标准评价在所述结构中的这些对象 的装置。
71、用于对象分类的装置,包括:
用于在胶体中分布这些对象的装置;
用于检测符合预定标准的对象的装置;以及
用于将符合所述标准的对象从不符合所述标准的对象中分离的装 置。
72、用于对象分类的方法,包括:
利用光学陷阱访问对象;
检查所述对象以确定其特性;以及
根据预定标准将所述被确定特性的对象分类。
73、根据权利要求72的方法,其中所述光学陷阱是通过以下步骤产 生的:
将来自激光器的激光束引向衍射光学元件,该衍射光学元件将所述 光束衍射为多条细光束;以及
通过物镜会聚这些细光束,因此产生导致光学数据流的光学梯度条 件以形成所述光学陷阱。
74、根据权利要求72的方法,进一步包括:
通过对该对象执行光谱测量来确定该对象特性。
75、根据权利要求74的方法,其中通过使用成像照明源给对象照明 来执行所述光谱测量。
76、根据权利要求75的方法,其中评定该对象的化学特性。
77、根据权利要求76的方法,其中执行所述对象的内部结构的测量。
78、根据权利要求76的方法,其中符合所述预定标准的所述对象被 包含在所述光学陷阱中。
79、根据权利要求78的方法,进一步包括:
根据所述被包含对象与预定化学物质的反应和结合之一来识别所述 对象。
80、根据权利要求72的方法,其中监视每一个光学陷阱的运动和包 含物这两者中的至少一个。
81、根据权利要求80的方法,其中利用视频摄像机、光谱以及所述 光学数据流之一来执行所述监视。
82、根据权利要求72的方法,其中根据由对所述光学元件进行编码 所致使的每一个光学陷阱的预定运动来跟踪所述对象的运动。
83、根据权利要求81的方法,进一步包括:
保持包含在每一个光学陷阱中的每一个对象的记录。
84、根据权利要求83的方法,其中所述光学数据流被处理以监视其 密度。
85、根据权利要求71的方法,其中所述对象被从一个光学陷阱转移 到第二个光学陷阱。
86、根据权利要求84的方法,其中所述对象通过使用围绕一主轴旋 转的静态相位构图光学元件,以将所述激光束与在接近所述一个光学陷 阱的对应组的预定位置产生第二组光学陷阱的另一区域对准而被转移。
87、根据权利要求86的方法,其中所述光学陷阱的设置是交错的。
88、根据权利要求79的方法,其中当所述对象符合所述标准时,所 述对象被标记。
89、根据权利要求85的方法,其中所述对象通过光学蠕动被转移。
90、根据权利要求71的方法,进一步包括:
通过以下方法的至少一个形成对象的聚焦图形,即,减少排成朝着预 定方向的线的所述光学陷阱之间的间隔,和减小所述光学陷阱的所述线 的曲率。
91、根据权利要求90的方法,进一步包括:
通过以下方法中的至少一个将所述对象的聚焦图形分散,即,增加排 成朝着预定方向的线的所述光学陷阱之间的间隔,和增加所述光学陷阱 的所述线的曲率。
92、根据权利要求90的方法,进一步包括:
通过增加所述光学陷阱的所述线之间的所述间隔来增加对象的运动。
93、根据权利要求91的方法,进一步包括:
通过降低所述光学陷阱的所述线之间的所述间隔,降低对象的运动。
94、根据权利要求71的方法,进一步包括:
其中选择的光学陷阱的强度和所述光学陷阱的线是变化的。
95、根据权利要求89的方法,其中所述光学蠕动与粘性曳力和电场 之一的差动效应相结合。
96、根据权利要求89的方法,其中所述光学蠕动由全息系统执行, 该全息系统循环通过一序列相位图形,以实现相应序列的全息光学捕获 图形。
97、根据权利要求96的方法,其中所述图形在所述光学元件表面上 被编码,该光学元件被旋转以循环通过每一个图形。
98、根据权利要求97的方法,其中使用可转换的在膜上编码的相位 光栅和相位全息图。
99、根据权利要求71的方法,进一步包括:
增加偏置力,使得对象流通过直线阵列,而不是被所述光学陷阱捕获。
100、根据权利要求99的方法,其中所述偏置力可以不同,致使所述 对象沿着所述阵列的主轴的方向从一个光学陷阱移动到另一个光学陷 阱。
101、根据权利要求72的方法,其中所述陷阱的高度可以改变。
102、根据权利要求101的方法,其中通过调整所述全息图,以使形 成所述光学陷阱的所述光束在其进入所述物镜时发生汇聚或分散,从而 执行所述高度改变。
103、根据权利要求102的方法,其中由所述全息图引致的相位调制 的调节,对所述一个光学陷阱的所述高度进行调节以使其与另一个光学 陷阱无关地改变。
104用于对象分类的装置,包括:
利用光学陷阱访问对象的装置;
用于检查所述对象以确定其特性的装置;以及
用于根据预定标准将所述被确定特性的对象进行分类的装置。
105、用于对象分类的装置,包括:
光束控制装置,该光束控制装置包括:提供用于照明的激光光束的激 光器;将所述光束衍射为多条细光束的衍射光学元件;以及
会聚所述细光束,因此产生导致光学数据流以形成光学陷阱的光学梯 度条件的物镜;以及
样本腔,在该样本腔中所述对象被引入,捕获及被分类。
106、根据权利要求105的装置,其中通过用所述的光学陷阱保持这 些对象以及垂直或水平地移动显微镜的载物台来移动这些对象。
107、根据权利要求106的装置,其中所述光学元件具有一个静态或 者动态的表面。
108、根据权利要求107的装置,其中所述光学元件是由静电场控制 的液晶阵列。
109、根据权利要求108的装置,其中所述液晶阵列的液晶是向列液 晶。
110、根据权利要求105的装置,其中所述光学元件包括至少一个固 定的表面区域。
111、根据权利要求105的装置,其中所述光学元件包括光栅,全息 图,透镜,反射镜,棱镜,以及波板。
112、根据权利要求105的装置,其中所述光学元件具有一时间相关 的功能。
113、根据权利要求105的装置,其中所述物镜具有相对低的数值孔 径。
114、根据权利要求105的装置,进一步包括一个成像系统。
115、根据权利要求114的装置,其中所述成像系统是一个摄像机。
116、根据权利要求114的装置,进一步包括:
显示器。
117、根据权利要求105的装置,其中所述光学陷阱功率级被监视。
118、根据权利要求105的装置,其中所述光学陷阱是全息光学陷阱。
119、根据权利要求118的装置,其中所述光学陷阱的高度能够改变。
120、根据权利要求119的装置,其中通过调节所述全息图,以使形 成所述光学陷阱的所述光束在其进入所述物镜时汇聚或分散,从而执行 所述高度改变。
121、根据权利要求120的装置,其中由所述全息图导致的相位图调 制的调节,对所述一个光学陷阱的所述高度进行调节以使其与另一个光 学陷阱无关地改变。
122、根据权利要求105的装置,其中所述样本腔包括:
用于引入所述对象的多条通道。
123、根据权利要求122的装置,其中所述通道通过注射器针头连接 至管,该管引至提供和收集库。
124、根据权利要求123的装置,其中所述对象被悬浮在流体介质中。
125、根据权利要求123的装置,其中微型泵将具有悬浮对象的所述 流体介质引入所述样本腔的所述通道。
126、根据权利要求122的装置,其中所述通道为50微米宽,50微 米深。
127、根据权利要求105的装置,其中所述样本腔由PDMS树脂制成。
128、根据权利要求118的装置,其中所述全息光学陷阱通过在所述 对象的多个点上连续分布相对较小的力来控制所述对象。
129、根据权利要求105的装置,其中根据预定标准在分类之前识别 所述对象。
130、根据权利要求129的装置,其中所述对象被利用光谱测量识别。
131、根据权利要求130的装置,其中通过使用成像照明源照明所述 对象来执行所述光谱测量。
132、根据权利要求131的装置,其中所述对象的化学特性被评价。
133、根据权利要求131的装置,其中对该对象的内部结构的测量被 执行。
134、根据权利要求129的装置,其中符合所述预定标准的所述对象 容纳在所述光学陷阱中。
135、根据权利要求134的装置,其中根据所述包含的对象与预定化 学品的的反应和结合两者之一来识别所述对象。
136、根据权利要求105的装置,其中每一个光学陷阱的运动和包含 物两者中的至少一个被监视。
137、根据权利要求136的装置,其中利用视频摄像机,光谱和所述 光学数据流中的一个来执行所述监视。
138、根据权利要求136的装置,其中根据由编码所述光学元件所导 致的每一个光学陷阱的预定运动来跟踪所述对象的所述运动。
139、根据权利要求136的装置,其中每一个光学陷阱中包含的每一 个对象的记录被保持。
140、根据权利要求105的装置,其中所述光学数据流被处理以监视 其强度。
141、根据权利要求105的装置,其中所述对象从一个光学陷阱被转 移至第二个光学陷阱。
142、根据权利要求141的装置,其中所述对象通过使用围绕主轴旋 转的静态相位图形光学元件,以将所述激光束与另一区域对准,该另一 区域在接近所述一个光学陷阱对应组的预定位置产生第二组光学陷阱而 被转移。
143、根据权利要求141的装置,其中所述光学陷阱的排列是交错的。
144、根据权利要求130的装置,其中当所述对象符合所述标准时, 所述对象被标记。
145、根据权利要求141的装置,其中通过光学蠕动来转移所述对象。
146、根据权利要求145的装置,其中通过以下方法中的至少一个来 形成所述对象的聚焦图形,即,减小在朝着预定方向排成线的所述光学 陷阱之间的间隔,和减小所述光学陷阱的所述线的曲率。
147、根据权利要求146的装置,其中通过以下方法中的至少一个来 分散所述对象的聚焦图形,即,增加在朝着预定方向排成线的所述光学 陷阱之间的间隔,和增加所述光学陷阱的所述线的曲率。
148、根据权利要求146的装置,其中通过增加所述光学陷阱的所述 线之间的所述间隔来加强所述对象的运动。
149、根据权利要求147的装置,其中通过降低所述光学陷阱的所述 线之间的所述间隔来减少所述对象的运动。
150、根据权利要求105的装置,其中所选择的光学陷阱的强度和所 述光学陷阱的线是变化的。
151、根据权利要求145的装置,其中所述光学蠕动是与粘滞曳力和 电场之一的差动效应相结合。
152、根据权利要求151的装置,其中所述光学蠕动由全息系统执行, 该全息系统通过一序列相位图形循环,以实现相应序列的全息光学捕获 图形。
153、根据权利要求152的装置,其中在所述光学元件表面所述图形 被编码,所述光学元件被旋转以循环通过每一个图形。
154、根据权利要求153的装置,其中使用可转换的在膜上编码的相 位光栅和相位全息图。
155、根据权利要求105的装置,其中偏置力被增加,使得对象流通 过直线阵列,而不是被所述光学陷阱捕获。
156、根据权利要求155的装置,其中所述偏置力能够不同,致使所 述对象沿着所述阵列的主轴方向从一个光学陷阱移动到另一个光学陷 阱。
157、根据权利要求105的装置,其中所述对象是精子,将具有X染 色体的精子和具有Y染色体的精子分离。
158、根据权利要求129的装置,其中当对象被分类成符合所述预定 标准的对象和不符合所述预定标准的对象时,不符合所述预定标准的对 象将被杀死。
159、根据权利要求61的装置,其中光束控制装置是光学捕获装置。
160、根据权利要求73的方法,进一步包括:
通过改变在衍射光学元件的动态表面介质中编码的全息图来控制每 一条细光束。
161、根据权利要求105的装置,进一步包括:
通过改变在衍射光学元件的动态表面介质中编码的全息图来控制每 一条细光束的分光镜。
162、用于对象控制的方法,包括:
将这些对象引入评价系统;
利用光束控制装置根据预定标准来评价这些对象;以及
利用所述光束控制装置,操作符合所述预定标准的对象。
163、破坏对象的方法,包括:
利用光束控制装置来访问对象;
检查所述对象以确定其特性;
将根据预定标准已经确定特性的对象分类;以及
当所述对象符合预定标准时,破坏所述已经确定特性的对象。
164、用于破坏对象的装置,包括:
利用光束控制装置访问对象的装置;
用于检查所述对象以确定其特性的装置;
用于对根据预定标准已经确定特性的对象进行分类的装置;以及
用于当所述对象符合预定标准时,破坏所述已经确定特性的对象的装 置。
本发明涉及利用激光控制对物质分类的系统和方法,尤其是使用全 息光学捕获。
在美国工业中,存在大量未满足的分类和分离需求,涉及由小于50 微米的粒子和单元组成的物质。这些需求的范围跨越了从包括纳米技术 的制造在内的专业化学药品和物质领域的粒子分筛和样本准备,到药品 和生物技术工业中蛋白质选择和提纯的工业领域。其它的例子还包括在 医学、诊断、以及农业部门的细胞分类和选择。
通过研究在已经开发出特定的或部分解决方案的领域中的全年的费 用,以及通过估计当前甚至尚未有部分解决方案的领域中的分类/分离/ 提纯输出的市场价值,可以看出这些需求的重要性。对于前者的一个实 例,生物技术和药品工业每年花费大量的设备和供给用于蛋白质提纯。
后者的一个实例,在农业部门,在农场动物中,当前没有有效选择 后代的性别;但是,估计仅在养牛业,通过进行精子选择,作为当前工 业中广泛使用的人工受精方式的一部分将会增加价值。
除了动物饲养市场,目前从人类胰腺的胰岛细胞提纯处理大量涉及 开发I型糖尿病的新治疗方法的药物科学。现在已经有胰岛移植方法的重 要进步,但是提纯问题是阻碍的问题之一。用于提纯胰岛细胞的传统方 法效率低并且导致细胞的损坏。
由于I型糖尿病的情况,在患者胰腺中存在的胰岛细胞已经被损坏, 并且不再产生人类生存需要的胰岛素,因此胰岛细胞移植是重要的。当 前的I型糖尿病治疗包括每天注射1至5次胰岛素。尽管有了这样的治疗, 该疾病通常会产生并发症,包括失明,需要截肢的血液流动问题,肾脏 坏死,以及死亡。用于移植的胰岛细胞更纯和减少污染期望减少这些并 发症的出现。
目前在美国,大约100万的I型糖尿病患者中,如果可以利用,每 年有至少50,000患者将忍受胰岛细胞移植,。当接受大规模的胰岛细胞 移植作为有效的疗法时,成本将有本质上的变化。即使适当地实施当前 疗法,这个跳变将由使用当前治疗方法(频繁注射)的难度和严重后果 所驱使。
因此,一个重要问题是胰岛提纯,需要以非损坏、非侵入的方式非 常有选择性的方式对人类细胞进行分类。
另一个需要解决的问题是在经受全身的癌症放射治疗的人体骨髓 中,从癌细胞中提纯正常细胞。
另一个问题是为了研究例如帕金森症这样的疾病的成因和治疗所需 的干细胞的选择。
另一方面是开发新的方法以自动问询大量的人类细胞,并选择具有 不适合于荧光标记特性的一些,其将极大地拓宽药物诊断的范围和效力。
控制微观对象的一项传统技术是光学捕获。光学捕获效果的可接受 的描述是轻微聚焦光线,例如通过高数值孔径的显微透镜聚焦的光线, 具有陡的强度(intensity)梯度。光学陷阱根据其介电常数,利用光束的 梯度强度来捕获粒子。“粒子”是指生物学上或者其它化学物质,包括但 不限于,低聚核苷酸,多聚核苷酸,化学混合物,蛋白质,脂质,多糖, 配合基,细胞,抗体,抗原,细胞器,脂质,裂殖细胞,细胞集团,微 生物,肽,cDNA,RNA以及类似物质。
为将其能量最小化,具有介电常数高于周围介质的粒子将移动到光 学捕获区域,这里电场最高。介电常数与其周围介质具有至少一点点区 别的粒子对其梯度灵敏,并且也被吸引到最高光强度点或者从该处排斥, 也就是说,到/离开光束聚焦点。在构造光学陷阱的过程中,来自单个光 束的光学梯度强度被应用于控制浸入具有小于粒子的折射率的流体介质 中的介电粒子的位置,但是也控制反射吸收和低介电常数的粒子。
在光学陷阱中光学梯度力(force)与辐射压力竞争,该辐射压力倾 向于沿光轴位移捕获的粒子。通过适当地选择输入光束的传播方向以及 准直的程度,一个光学陷阱可以被放置于物镜聚焦容积内的任何地方。 进入物镜的被孔径(back aperture)的一条准直光束进来在透镜焦平面中 央聚焦,而以某个角度进入的另一光束则偏离中心聚焦。略微分散的光 束在焦平面的下游聚焦,而会聚光线则在上游聚焦。同时进入透镜输入 光瞳的多条光束中的每一光束在由其入射角度确定的位置形成在聚焦容 积内的光学陷阱。全息光学捕获技术利用相位改变衍射光学元件的相位 以将用于多光束的相位图形施加在单输入波束的波阵面上,因此将该单 条光束转换为多个陷阱。
执行输入光束的相位调制,对于创建光学陷阱是较佳的,因为捕获 依赖于光束的强度,而不是它们的相对相位。调幅可以将光线从陷阱移 开,并且减弱它们的效果。
当粒子被光学捕获时,陷阱所用的光学梯度强度超过了由散射和吸 收引起的其它辐射压力。对于高斯TEM00输入激光光束,这通常表示光 束直径将与进入光瞳孔的直径充分一致。用来形成陷阱的较佳的最小数 值孔径大约为0.9至大约1.0。
在实现光学捕获技术时的一个困难是,将产生的每一个陷阱,通常 需要其自己的聚焦的光束。感兴趣的许多系统需要多个光学陷阱,并且 已经开发了几种方法以获得多个陷阱构造。一个现有的方法使用单个光 束,该单个光束在多个陷阱位置之间被改变方向,以在不同的陷阱之间 对该光束“时间共享”。但是,当陷阱数量增加时,在陷阱处于其“关闭” 状态的间隔对于该陷阱被重激励之前,粒子从陷阱位置散开可能变长了, 所有这些方面已经限制了该方法只能实施于每系统少于约10个陷阱。
另一种传统的创建多个陷阱系统的方法依赖于通过单个高数值孔径 透镜,同时通过多条光束。在单独的激光光束中,通过使用多个激光器 或者使用一个或多个分束器实现。这种技术的一个问题是,随着陷阱数 量的增加,该光学系统变得越来越复杂。由于这些问题,该方法的已知 实施限于每个系统少于5个陷阱。
在实现多个陷阱系统的第三个方案中,衍射光学元件(DOE)(例如, 利用传播或反射几何学的相位偏移全息图)用于改变一条单个激光光束 的波阵面。该发明在Grier等人的美国专利No.6,055,106中已经公开过。 波阵面被改变,从而下游的激光光束实质上变成多条具有由衍射光学元 件的准确性固定的传播方向和相对位置的独立激光束。实际上,DOE的 傅立叶变换产生一组强度峰值,其中每一个用作为独立的陷阱或者“镊 子(tweezer)”。
第三个方案的一些实施已经使用固定传播全息图以创建16个和400 个数量之间的独立的捕获中心。
固定的全息图已经用于说明全息光学捕获原理,但是使用液晶光栅 作为全息图允许“制造”分离全息图,用于每一个新的陷阱分布。通过 液晶光栅施加在捕获激光上的空间改变相位调制可以容易地由计算机实 时控制,因此允许动态控制变化。
可以用于光学捕获粒子的其它类型的陷阱,包括但是不限于,光学 漩涡,光学瓶子,光学旋转体和光线格子。一个光学漩涡产生环绕零电 场区域的梯度,其对于控制具有低于周围介质的介电常数的粒子,或者 反射的粒子,或者被光学陷阱排斥的其它类型的粒子是有用的。为了最 小化其能量,这样的粒子将移动到电场最低的区域,即在适当构型的激 光束的聚焦点处的零电场区域。光学漩涡提供一个零电场的区域,很像 圆环圈(环形)中的孔洞。该光学梯度是径向的,最高电场在圆环圈周 边。该光学漩涡挽留在圆环圈孔中的小粒子。该挽留通过沿着零电场线 滑动小粒子上的漩涡来实现。
光学瓶子与光学漩涡不同之处在于它仅在漩涡端的焦点具有零电 场,以及在围绕焦点的所有其它方向上具有非零电场。光学瓶子对于捕 获原子和纳米基是有用的,它们可能太小或者太具有吸收力,从而不能 被捕获在光学漩涡或者光学镊子中。(参见Arlt和M.J.Padgett的“具有 由较高强度区域围绕的黑焦点的光束的产生:光学瓶光束”(Generation of a beam with a dark focus smrrounded by regions of higher indensity:The optical bottle beam),Opt.Lett.25,191-193,2000。)
光学笼子(美国专利No.5,939,716)是松散的,光学漩涡的宏观派生 物。光学笼子形成光学陷阱的时间平均的环,以环绕太大或反射性的介 电常数低于周围介质的待被捕获的粒子。
当激光束被引导通过或者从相位构图光学元件反射,该相位构图光 学元件产生多个细光束,这些细光束具有变化的相位轮廓。根据期望的 光学陷阱的数量和类型,该变化包括衍射,波阵面构型,相位偏移,控 制,发散和会聚。根据相位轮廓选择,相位构图光学元件可以用于产生 以光学陷阱,光学漩涡,光学瓶子,光学旋转器,光学笼子的形式,或 者这些形式中两种或多种组合的形式的光学陷阱。
对于物质的控制,除了钳住介电球体,已经证明了病毒和细菌的钳 住。除了原核生物以及病毒,多种原生生物,例如四膜虫喜温生物 (thermophila)已经被成功钳住。而且,体细胞,例如eukocytes以及颊 (cheek)上皮细胞,以及生殖细胞,例如精子已经被捕获和控制。
研究者已经发现用于控制细胞的间接方法,例如以金刚石微粒给细 胞做标记,然后钳住金刚石微粒。细胞控制已经包括细胞定向,用于微 观分析以及拉伸细胞。组织细胞也已经用镊子被放置在试管中,呈现与 体内的同样分布。
除了细胞本身,光学镊子已经用于控制细胞器,例如沿着微管转移 的囊泡,染色体,或者球状DNA。利用光学镊子已经将对象插入细胞内。
用于生物学目的的多种分类方法也可能采用光学镊子。用于化验和 染色体采集的利用传统光学捕获的细胞分类,以及为创建库的分类已经 被证明。用于药品显示的细胞化验已经开发。
因此,作为利用激光控制的光学陷阱的分类的一个新的类型的例 子,需要一种利用从其它细胞、组织以及污染物分离有价值的细胞技术 的细胞分类方法。而且,需要一种实现光学陷阱对于(细胞)分类和提 纯的主要工业需求有唯一贡献的方式。而且,存在在动物饲养市场中分 离精子细胞的需要。
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