由光學鉗的靜態陣列實現流動粒子橫向偏斜和分離的裝置和方法

專利名稱：由光學鉗的靜態陣列實現流動粒子橫向偏斜和分離的裝置和方法
技術領域：
本發明一般地涉及一種用于實現粒子分部分離(fractionation)的系統和方法。尤其，本發明涉及一種通過使用光學捕獲的靜態陣列來實現粒子的橫向分部分離和/或分離的系統和方法。
背景技術：
能夠在有限的環境中分部分離粒子的許多技術是常規已知的。例如，一種這種技術涉及包括用于DNA分離的阻礙物或障礙物的二維格子(lattice)的微制造篩網的使用。阻礙物或障礙物的非對稱配置整流通過篩網的DNA分子的布朗運動，使得粒子能夠沿著依賴于現存DNA的各自擴散系數的路徑。雖然適度地有效，但該技術包括許多限制。例如，因為格子是微制造的，整體結構既不能調諧也不能調節被分部分離的粒子的類型和大小。而且，這種格子易于遭受堵塞，需要系統的沖洗和重新啟動。
此外，用于分部分離粒子的許多常規技術沿著外加力的方向實現不同部分的物理分離。因此之故，它們在樣品的離散批上操作，而不能連續地操作。
發明概述因此，本發明的一個目的在于提供一種用于流動粒子的橫向偏斜的改進系統和方法，其是可調諧且連續的。
本發明的另一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統和方法，其不會變得容易被粒子堵塞。
本發明的再一個目的在于提供一種可用于粒子提純和分離的改進系統和方法。
本發明的又一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統，其可以用于蛋白質的提純和分離。
本發明的另一個目的在于提供一種能夠通過大小，形狀，介電常數，表面電荷密度，磁化率，非線性光學性質，和折射率來物理地分離小粒子的改進系統。
本發明的又一個目的在于提供一種使用最小量的運動部件來橫向偏斜流動粒子的改進系統和方法。
本發明的再一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統和方法，其可用于染色體的分離。
本發明的又一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統和方法，其可以用于DNA大小評估。
本發明的另一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統和方法，其也可以用來提純和/或分離大分子和/或納米簇或者其他納米大小的材料。
本發明的更多優點和特征將從下面說明本發明優選實施方案的說明書，權利要求書和附圖中顯然。
附圖簡述

圖1A是將光學鉗陣列投影到流動的膠體粒子懸浮體上的全息攝影光學鉗系統的示意圖；圖1B是來自圖1A的CCD照相機的示意視圖；以及圖1C是根據本發明用于橫向偏斜流動粒子的10×10光學鉗陣列的透視圖表示；圖2A是顯示通過對準的10×10光學鉗陣列的粒子管道現象的繪圖；圖2B是顯示沿著相對于流向以五度的傾角定向的10×10光學捕獲陣列的軸而流動的粒子的軌道的繪圖；圖2C是顯示由相對于流向以三十七度的傾角定向的捕獲陣列橫向偏斜的粒子的軌道的繪圖；以及圖2D是顯示流動通過相對于流向以四十五度的傾角定向的捕獲陣列的粒子的基本上未偏斜軌道的繪圖；圖3是通過與外力方向偏移傾角θ的光學捕獲陣列的各個粒子的運動的第一表示；圖4是通過與外力方向偏移的光學捕獲陣列的各個粒子的運動的第二表示；圖5是顯示對于可比條件下的兩個不同試驗過程，粒子的橫向速度與前向速度的比值相對于捕獲陣列的角定向的繪圖；以及圖6是與微流通道一起使用、用于粒子分離的光學鉗靜態陣列的表示。
發明詳述為了說明本發明的實施方案，提供說明以描述本發明一種實施方案的方法和功能。雖然描述現象的方式是為本領域技術人員說明本發明操作的一種嚴格的方法，也可以使用其他說明來描述表征本發明實施方案的類似結果。因此，本發明并不局限于通過下面的說明書和附圖對其操作的描述。
為了全面地理解本發明，考慮如圖1A中所示的全息攝影光學鉗(optical tweezer)系統10和各個光學鉗(optical tweezer)112的由此得到的方陣列110是有幫助的。系統10包括通過衍射光學元件30，然后由中繼透鏡40處理，由二向色鏡50反射的激光束20，然后激光束20由物鏡60聚焦到光學捕獲(optical traps)中。光學捕獲(沒有顯示)在樣品室70中形成，并且捕獲的粒子陣列(沒有顯示)由包括聚光透鏡80，物鏡60，視頻目鏡85和電荷耦合器件照相機90的常規光顯微系統來觀察。
作為結果的光學鉗系統10產生如圖1B中所示的各個光學鉗112的方陣列110。光學鉗112顯示出格子常數，其典型地，雖然不是排它地，具有比所關心粒子113的大小稍微大的光學鉗112之間的距離。由來自偏壓源117的外力驅動通過陣列110的粒子113經歷與各個捕獲112的陣列110的附加相互作用。如果捕獲力顯著地大于外驅力，粒子113將被束縛。另一方面，如果外力占優勢，粒子113將流動通過陣列110，它們的軌道基本上不受干擾。優選實施方案在中間狀況中操作，其中對于樣品中的所有粒子113，外力都超過捕獲力，但是對于樣品的不同部分超出不同的程度。
在這些條件下，外力引起粒子113從捕獲112的一個跳躍到另一個，偶爾依賴于光學捕獲112和外力的相對強度中止一段時期，給定具體粒子113的性質。如果外力與捕獲陣列110的主軸對準，由此得到的跳躍軌道將與外力對準。另一方面，如果捕獲的軸相對于外力的方向旋轉，那么粒子的跳躍可能偏離于外力的方向。這種偏斜已經在流動通過類型II超導體的磁通量子的計算機仿真中顯示，并且已經直接從周期性約瑟夫遜結陣列中的橫向電壓梯度的外觀推知。一旦陣列旋轉到45°，凈偏斜歸零，出于兩個原因之一(1)正和負的位移可以以等概率發生或者(2)粒子對角地跳躍通過陣列，已經變得鎖定在[11]方向中。
圖3和4是移動通過相對于外偏力116的方向具有傾角θ的捕獲112的陣列110的各個粒子的圖解或說明性一般表示(同樣參看圖1C)。如圖3和4中可以看到，依賴于陣列110的相對傾角θ，各個粒子113可能在正和負的方向上橫向偏斜。
圖2A顯示使用系統10的實例，其具有1.5μm直徑二氧化硅的軌道115，球形粒子113通過光學捕獲或鉗112的10×10陣列110，每個鉗112之間的間隔大約為2.4μm。“y”軸代表大約53μm，并且“x”軸代表大約78μm。在該表示中，壓力梯度正在以大約30μm/sec的速度從左到右驅動粒子113。使用陣列110的基本上零度傾角，粒子113鎖定于具有最小橫向偏斜的軌道中(從左到右)。圖2A-2D中所示的測量的粒子軌道也被定向，使得外加的流從左到右定向。
因此，圖2A顯示大約1000球體(粒子113)的軌道，流沿著[10]格子方向對準。粒子113從延伸至超過陣列邊界大約3μm的區域牽引到鉗112的行中，此后沿著[10]行到達它們的端部。橫向波動極大地由捕獲勢能所抑制，而粒子的縱向運動僅由各個光學勢阱中的短暫不規則中止來不時地中斷。粒子113進行橫向跳躍所需的時間比縱向跳躍時間間隔大得多，以至于粒子113基本上決不離開[10]行。不連續的捕獲勢能對于粒子軌道的這種影響構成動力學地鎖定狀態。一旦粒子113已經跳躍通過鉗112的等級，它們返回到總體流，它們的軌道最終通過擴散而彼此模糊不清。
通過角度θ旋轉衍射光學元件30也旋轉鉗112相對于流向的模式，而其他方面不改變捕獲的特性。圖2B顯示使用相對于流以θ＝5°定位的光學鉗112的同一樣品。與圖2A中一樣，粒子的軌道保持緊密地鎖定于陣列的[10]行中。但是，不同于圖2A中的實例，軌道現在系統地偏斜遠離流向。該偏斜在陣列的下游側留下明顯的陰影，比較少量的粒子113漂移到其中。
進一步的旋轉顯著地改變陣列的影響。圖2C顯示旋轉到θ＝37°的陣列，而其他條件未改變。不是沿著[10]格子行到達正的偏斜，粒子113現在已經鎖定于[11]格子方向并且經歷反向的偏斜。從[10]到[11]鎖定狀態的這種跨越反映出，當它沿著不同的方向受力時粒子113經歷的不同局部勢能場景(potential energy landscape)。在超過22.5°的幾何確定的跨越點的某一閾角，[11]跳躍的跳躍率超出[10]跳躍的跳躍率足夠大的裕度，以至于粒子113變得鎖定于對角軌道中。如圖2D中仍然進一步旋轉到θ＝45°減小偏斜的程度，而增加軌道與[11]格子方向的對準。
可以確信動力學鎖定狀態應當形成層次，其對于遷移性的影響應當隨著增加旋轉，采取縱向遷移中的臺地中的Devil階梯(Devil’sstaircase of plateau)的形式。我們對于鎖定于[10]和[11]方向中的狀態的觀察對應于這些層次的主要臺地(principal plateau)。
我們也觀察橫向偏斜隨著單調增加的旋轉角θ而改變的符號。這不同于其他系統在于，沒有任何符號變化預言隨著增加的磁場，周期性調制的二維電子氣的霍爾系數。如果確實這種符號翻轉可能通過電子系統的簡單圖案形成來獲得，效果將是有利的，并且可能在磁數據獲取中具有廣泛應用。
圖5，數據點和連接實線代表當粒子113在系統10中經歷的外加力和捕獲力同等強時，由粒子113獲得的相對橫向速度。另一方面，虛線代表如果外加力117超過捕獲力，對于同一粒子113所期望的橫向偏斜的不存在。圖5也顯示，橫向偏斜的量和方向可以通過對于給定的激光功率和外驅力117改變旋轉角θ來優化。減小激光功率將減小可達到的最大偏斜，當激光20熄滅時沒有偏斜發生(參看圖1A)。如圖5中也可以看到，當傾角θ為0°或大約22.5°時，實際上根本不存在橫向偏斜，對于大約45°的θ也應當不存在偏斜。但是，也應當指出，當傾角為大約22.5°時，也不存在橫向偏斜。經驗數據已經提出，對于給定的粒子大小和功率級，當傾角到達大約17°時，最大量的橫向偏斜發生。當傾角通過大約22.5°時，粒子113的橫向偏斜完全改變方向。經驗數據已經提出，當傾角達到30°時，該正方向上的最大偏斜發生，雖然該最大偏斜基本上小于大約17°時發生的最大偏斜。橫向偏斜對于方向的非單調依賴清楚地分析。中間和較小角度處的其他可能鎖定方向可能難以在目前大小的系統中分析。原則上，通過光學鉗112的較大陣列的遷移將揭示鎖定狀態的更大范圍層次，可能類似于對于其他系統而預言的Devil階梯(Devil’s staircase)。
如在下文中提供的實例中更詳細說明的，根據本發明的被動光學誘導橫向偏斜已經在分散于去離子水(demonized water)中直徑1.5μm的硅膠球體的懸浮體中觀察到。光學鉗112的10×10陣列被創造，使得靜態的計算機產生的衍射光柵由標準全息攝影光學鉗(HOT)光學系統中波長為532nm的73mW的激光照射。粒子113包含在密封樣品室70中的平行玻璃墻之間。流動因跨越樣品室70的壓差而誘導。跨越78×52μm2視場區域的粒子軌道在使用常規已知的圖像分析技術數字化和分析之前記錄在錄像帶上。
橫向偏斜的粒子113可以由根據本發明的多種方法來收集。這些方法包括微流通道(microfluidics channel)的使用。沒有被陣列偏斜的粒子113，可能因為它們相互作用因光學捕獲而較不強或者因外力而較強，將不會偏斜因此將不會被收集。該差別使得基于它們物理性質的最普遍考慮的粒子113的分部分離成為可能，其中控制參數包括規模，對稱性，范圍，和光學捕獲陣列的強度，以及外力的性質和強度。在圖2A-2D中所示的實例中，外力由流體動力阻力提供。此外，粒子的分離可以基于對驅動力，激光束強度，和光學梯度條件的敏感度而實現，其中粒子敏感變量是粒子大小，粒子形狀，介電常數，表面電荷密度，磁化率，非線性光學性質和折射率。
或者通過減小激光強度或者通過增加外驅力來減小捕獲效力使得否則被鎖定的粒子113中的一些能夠更容易地從鉗112的一行跨越到下一行。這對于給定角度減小模式鎖定度，從而減小最大偏斜的角度以及最大偏斜自身，直到最終沒有剩余。該閾值應當獨立于陣列的范圍。
當去釘栓(depinning)時偏斜的損失也為非常通用的連續分部分離技術提供基礎。受鉗112的陣列影響較強的粒子113能夠比受外力驅動較強的粒子113偏斜到更大的角度。例如，對于僅半徑a不同的粒子113考慮膠體球體。施加到次于波長大小的球體上的光學梯度力大約隨著a3而變化。另一方面，眾所周知的斯托克斯阻力隨著“a”變化。因此，具體化粒子113的較大球體受光學鉗112不成比例地影響，而較小的粒子113可以因較小的偏斜而通過。因此，將光學鉗112的陣列110接近最佳偏斜的角度而定向，并且調節強度以使得最大的粒子113處于跳躍狀態中，使得該最大部分橫向偏斜出否則形成的混流。偏斜的部分可以例如通過使得分離的部分流入各自的微流通道來連續地收集。未偏斜的部分可以由第一級下游的光學鉗112的附加級來進一步分部分離。這些附加級甚至可以結合到具有分級特性的單個全息攝影光學鉗陣列中。
連續的分部分離提供超過傳統方法的明顯好處，傳統方法例如凝膠電泳，它沿著外加力線分離樣品的各部分從而每次僅可以在離散量的材料上操作。
如在背景中描述的，不重合的力之間的競爭已經應用于其他連續分部分離方案，包括通過微加工的柱(microfabricated post)的陣列的電泳和通過由非對稱的互成角度配置的電極而引起的介電泳布朗棘齒(dielectrophoretic Brownian ratchet)的流動。光學分部分離提供幾個優點。光學鉗112的陣列可以通過改變激光強度和陣列方向來動態地重新配置。甚至格子常數和對稱性可以被調節以適合所探討的分離問題。不同于對所有粒子113代表固定障礙物的柱(post)，光學鉗112可以對不同的材料具有明顯不同的影響。因此波長的選擇開辟連續光學分部分離的另外可能性。此外，所有這些性能確定的性質可以在操作過程中連續地改變。常見的失效方式例如堵塞類似地可以通過熄滅捕獲陣列來補救。而且，不同于基于微制造樣品室的系統，光學分部分離需要非常簡單的樣品處理，所有分類通過光的圖案而不是通過物質的分布來完成。由光學梯度調停的分子漂移的近期觀察使得可以斷定，基于通過光學鉗112的陣列110的遷移的分部分離甚至可以應用于低至大分子的規模。在這里描述的被動光學誘導橫向偏斜的實現中力的直接考慮證明高度選擇的分部分離的能力。
上述原理可以用作一種將粒子113分離成兩個不同流動的方法。圖6顯示分支成第一子通道122和第二子通道124的微流通道120的實例。在微流通道120劃分成第一和第二子通道122和124之前，光學鉗128的陣列126由于外力相對于流u有角度地偏移。在較大粒子130和較小粒子132都通過陣列126的情況下，較大粒子130因粒子的較大半徑而引起比較小粒子132更多的橫向偏斜。作為該動作的結果，較小粒子132將在基本上直線中移動至第二子通道124中，而較大粒子130將移動至部分偏移的第一子通道122中。
因此，本發明的方法可以在許多應用中使用。這些應用包括但不限于染色體的分離、粒子類型和蛋白質的提純、以及DNA大小評估。另外，大分子和納米簇可以以類似的方式來操作。此外，也能夠彼此串聯地合并鉗112的許多有角度偏移的陣列。這種配置允許粒子113的進一步分離。
下面的非限制性實例說明本發明的一般確定的原理。
實例圖1中示意顯示的一種優選系統包括分散于去離子水中并且限于平行玻璃表面之間的水平層15μm厚的1.5μm直徑二氧化硅球體(Bangs Labs)。這些球體顯著地比水稠密，并且容易沉積到樣品室底壁上大約2μm的單層中。樣品容積的邊緣被密封以形成流道。通過上玻璃墻接合到孔的兩個玻璃管提供了到樣品容積的通路并且用作膠體、水和清潔的混合床離子交換樹脂的儲存器。管的端部連接到濕潤的Ar氣體的連續流。阻擋各個流中的一個引起壓力不平衡，其驅動膠體通過樣品室和通過安裝在Olympus IMT-2顯微鏡座上的100×NA1.4油浸物鏡的75×58μm2視場區域。通過控制Ar流，我們可以誘導膠體以高達100μm/sec在一個小時或更長時期中移動。
各個球體的面內運動使用精密數字視頻顯微鏡以1/60sec間隔10nm的分辨率來跟蹤。由此得到的軌道數據使得我們能夠監控球體通過我們用光創造的勢能場景(potential energy landscape)的前進。
我們的光學勢能場景基于全息攝影光學鉗技術，其中單束光使用計算機產生的衍射光束分離器形成光學捕獲的任意配置。由該衍射光學元件(DOE)創造的每個光束由物鏡聚焦到能夠穩定地捕獲二氧化硅球體中的一個的衍射限制光點中。雖然全息攝影光學鉗可以以三維任意排列，我們選擇具有2.4μm格子常數的平面10×10方陣列，來模擬典型地在類似物理系統的理論和數值處理中討論的自由能調制。捕獲聚焦到單層的平面中，以避免當它們流過時垂直地移位球體。
如果因流動的流體而導致的斯托克斯阻力極大地超過光學鉗的最大捕獲力，那么膠體粒子流動通過陣列且它們的軌道不受干擾。相反，如果捕獲力占優勢，那么粒子不可逆轉地落入它們遇到的第一捕獲中。我們的觀察在捕獲和粘滯力幾乎匹配的中間條件下執行。在這些條件下，捕獲陣列對粒子軌道的影響依賴于它相對于流的方向。在捕獲力超過粘滯力的對稱阻礙的方向上，流仍然可以將粒子推動足夠遠到達各個捕獲的邊緣以至于可以熱輔助跳躍到下一個阱。對稱有利方向上的低勢能障礙物僅可以調制通過粒子的速度。在這些環境下從阱跳躍到阱的粒子基于幾何接近性和有效適宜性之間的折衷選擇通過勢能場景的路徑。這些折衷導致當驅動力與捕獲勢能的關系變化時感興趣的動力學轉變。
我們的二氧化硅球體進入30±3μm/sec的流動速度和100±10μW/捕獲的激光強度的跳躍狀態。單層(minelayer)中球體的真實密度足夠低以至于至多5％的捕獲在任何時間被占據。雖然碰撞有時在跳躍粒子之間發生，它們比較罕見。圖2A-2D中所示的數據以這種方式獲得。
雖然本發明的優選實施方案已經顯示和描述，本領域技術人員應當清楚，可以不背離其更廣泛方面的本發明而做各種改變和修改。
權利要求
1.一種用于粒子的受控偏斜的裝置，包括多個粒子的一個源；應用于多個粒子、來自一個源的外力；以及相對于來自源的力的方向以傾斜角度定向的光學鉗陣列。
2.根據權利要求1的裝置，其中傾斜角度被選擇以最優化粒子的流動速度。
3.根據權利要求1的裝置，其中光學鉗陣列包括多個光學勢阱，每個具有勢能深度并且布置成這樣的模式，即用于建立相對于外力的選定的未對準的模式。
4.根據權利要求3的裝置，其中光學鉗陣列包括對于多個光學鉗的至少兩個不同的勢阱深度。
5.根據權利要求1的裝置，其中傾斜角度是可調節的，以選擇粒子偏斜的方向。
6.根據權利要求5的裝置，其中偏斜的角度隨著粒子的大小、粒子置于其中的介質的折射率、粒子的形狀、粒子的密度和粒子的表面化學中的至少一個而變化。
7.根據權利要求1的裝置，其中外力被調節以修改粒子與外力方向的偏斜角度。
8.根據權利要求1的裝置，其中粒子運動的控制由對于光學鉗具有變化的激光強度的激光束源來獲得。
9.根據權利要求8的裝置，其中通過選擇適當的激光強度，粒子中較大的一些可以優先地與粒子中較小的一些分離。
10.根據權利要求1的裝置，還包括光學鉗陣列的附加級，以進一步偏斜粒子。
11.根據權利要求1的裝置，其中粒子選自膠體粒子，大分子，生物細胞，生物細胞器，染色體，及其混合物。
12.一種控制粒子運動的方法，包括步驟提供粒子流；將外力施加到粒子；以及形成相對于外力方向以角度傾斜的光學鉗陣列。
13.根據權利要求12的方法，還包括改變用來形成光學鉗陣列的激光束強度，從而控制粒子的流動的步驟。
14.根據權利要求12的方法，還包括改變外力的強度，從而控制粒子的流動的步驟。
15.根據權利要求12的方法，其中粒子具有大小，形狀，密度，電荷，磁化率，磁矩，介電常數，和非線性光學性質中至少一個的范圍，它們對于外力、激光束強度和光學鉗陣列中至少一個具有可變的響應，從而形成粒子的偏斜角度的范圍。
16.根據權利要求12的方法，其中角度被調節，以改變粒子的流動速度。
17.根據權利要求12的方法，其中偏斜連續地發生。
18.根據權利要求12的方法，其中激光被提供以形成光學鉗陣列，并且激光的波長被調節以控制粒子運動。
19.根據權利要求12的方法，其中當粒子流動時，光學鉗陣列、外力和傾斜角度中至少一個被動態地改變。
20.根據權利要求12的方法，其中粒子選自膠體粒子，大分子，生物細胞，生物細胞器，染色體，以及它們的混合物。
全文摘要
一種使用光學鉗的靜態陣列來橫向偏斜和/或分離粒子流的方法和裝置。在具有大于所關心粒子大小的格子常數的光學鉗陣列中，由外力驅動通過陣列的粒子經受與捕獲陣列的附加相互作用。通過改變捕獲陣列相對于外力的角度，陣列內從捕獲到捕獲的粒子運動可以偏離于外力的方向，從而允許粒子的選擇性偏斜和/或分離。
文檔編號G02B21/32GK1557115SQ02817929
公開日2004年12月22日 申請日期2002年9月11日 優先權日2001年9月13日
發明者戴維·G·格瑞爾, 帕梅拉·T·庫達, T 庫達, 戴維 G 格瑞爾 申請人:芝加哥大學