利用全息激光控制分類物質的系統和方法

專利名稱：利用全息激光控制分類物質的系統和方法
利用全息激光控制分類物質的系統和方法本申請是申請人為阿爾利克斯公司、發明名稱為“利用全息激光控制分類物質的系統和方法”的中國專利申請(申請號為03823443. 2 (PCT/US2003/023822)，申請日為2003 年7月31日)的分案申請。本發明要求美國臨時專利申請2002年7月31日提交的No. 60/399，386以及2002 年12月20日提交的No. 60/435，Ml的優先權，其內容在此引用以作參考。
背景技術：
本發明涉及利用激光控制對物質分類的系統和方法，尤其是使用全息光學捕獲。在美國工業中，存在大量未滿足的分類和分離需求，涉及由小于50微米的粒子和單元組成的物質。這些需求的范圍跨越了從包括納米技術的制造在內的專業化學藥品和物質領域的粒子分篩和樣本準備，到藥品和生物技術工業中蛋白質選擇和提純的工業領域。 其它的例子還包括在醫學、診斷、以及農業部門的細胞分類和選擇。通過研究在已經開發出特定的或部分解決方案的領域中的全年的費用，以及通過估計當前甚至尚未有部分解決方案的領域中的分類/分離/提純輸出的市場價值，可以看出這些需求的重要性。對于前者的一個實例，生物技術和藥品工業每年花費大量的設備和供給用于蛋白質提純。后者的一個實例，在農業部門，在農場動物中，當前沒有有效選擇后代的性別；但是，估計僅在養牛業，通過進行精子選擇，作為當前工業中廣泛使用的人工受精方式的一部分將會增加價值。除了動物飼養市場，目前從人類胰腺的胰島細胞提純處理大量涉及開發I型糖尿病的新治療方法的藥物科學。現在已經有胰島移植方法的重要進步，但是提純問題是阻礙的問題之一。用于提純胰島細胞的傳統方法效率低并且導致細胞的損壞。由于I型糖尿病的情況，在患者胰腺中存在的胰島細胞已經被損壞，并且不再產生人類生存需要的胰島素，因此胰島細胞移植是重要的。當前的I型糖尿病治療包括每天注射1至5次胰島素。盡管有了這樣的治療，該疾病通常會產生并發癥，包括失明，需要截肢的血液流動問題，腎臟壞死，以及死亡。用于移植的胰島細胞更純和減少污染期望減少這些并發癥的出現。目前在美國，大約100萬的I型糖尿病患者中，如果可以利用，每年有至少50，000 患者將忍受胰島細胞移植，。當接受大規模的胰島細胞移植作為有效的療法時，成本將有本質上的變化。即使適當地實施當前療法，這個跳變將由使用當前治療方法(頻繁注射)的難度和嚴重后果所驅使。因此，一個重要問題是胰島提純，需要以非損壞、非侵入的方式非常有選擇性的方式對人類細胞進行分類。另一個需要解決的問題是在經受全身的癌癥放射治療的人體骨髓中，從癌細胞中提純正常細胞。另一個問題是為了研究例如帕金森癥這樣的疾病的成因和治療所需的干細胞的選擇。另一方面是開發新的方法以自動問詢大量的人類細胞，并選擇具有不適合于熒光標記特性的一些，其將極大地拓寬藥物診斷的范圍和效力。控制微觀對象的一項傳統技術是光學捕獲。光學捕獲效果的可接受的描述是輕微聚焦光線，例如通過高數值孔徑的顯微透鏡聚焦的光線，具有陡的強度(intensity)梯度。 光學陷阱根據其介電常數，利用光束的梯度強度來捕獲粒子。“粒子”是指生物學上或者其它化學物質，包括但不限于，低聚核苷酸，多聚核苷酸，化學混合物，蛋白質，脂質，多糖，配合基，細胞，抗體，抗原，細胞器，脂質，裂殖細胞，細胞集團，微生物，肽，cDNA, RNA以及類似物質。為將其能量最小化，具有介電常數高于周圍介質的粒子將移動到光學捕獲區域， 這里電場最高。介電常數與其周圍介質具有至少一點點區別的粒子對其梯度靈敏，并且也被吸引到最高光強度點或者從該處排斥，也就是說，到/離開光束聚焦點。在構造光學陷阱的過程中，來自單個光束的光學梯度強度被應用于控制浸入具有小于粒子的折射率的流體介質中的介電粒子的位置，但是也控制反射吸收和低介電常數的粒子。在光學陷阱中光學梯度力(force)與輻射壓力競爭，該輻射壓力傾向于沿光軸位移捕獲的粒子。通過適當地選擇輸入光束的傳播方向以及準直的程度，一個光學陷阱可以被放置于物鏡聚焦容積內的任何地方。進入物鏡的被孔徑(back aperture)的一條準直光束進來在透鏡焦平面中央聚焦，而以某個角度進入的另一光束則偏離中心聚焦。略微分散的光束在焦平面的下游聚焦，而會聚光線則在上游聚焦。同時進入透鏡輸入光瞳的多條光束中的每一光束在由其入射角度確定的位置形成在聚焦容積內的光學陷阱。全息光學捕獲技術利用相位改變衍射光學元件的相位以將用于多光束的相位圖形施加在單輸入波束的波陣面上，因此將該單條光束轉換為多個陷阱。執行輸入光束的相位調制，對于創建光學陷阱是較佳的，因為捕獲依賴于光束的強度，而不是它們的相對相位。調幅可以將光線從陷阱移開，并且減弱它們的效果。當粒子被光學捕獲時，陷阱所用的光學梯度強度超過了由散射和吸收引起的其它輻射壓力。對于高斯TEMcitl輸入激光光束，這通常表示光束直徑將與進入光瞳孔的直徑充分一致。用來形成陷阱的較佳的最小數值孔徑大約為0. 9至大約1. 0。在實現光學捕獲技術時的一個困難是，將產生的每一個陷阱，通常需要其自己的聚焦的光束。感興趣的許多系統需要多個光學陷阱，并且已經開發了幾種方法以獲得多個陷阱構造。一個現有的方法使用單個光束，該單個光束在多個陷阱位置之間被改變方向，以在不同的陷阱之間對該光束“時間共享”。但是，當陷阱數量增加時，在陷阱處于其“關閉” 狀態的間隔對于該陷阱被重激勵之前，粒子從陷阱位置散開可能變長了，所有這些方面已經限制了該方法只能實施于每系統少于約10個陷阱。另一種傳統的創建多個陷阱系統的方法依賴于通過單個高數值孔徑透鏡，同時通過多條光束。在單獨的激光光束中，通過使用多個激光器或者使用一個或多個分束器實現。 這種技術的一個問題是，隨著陷阱數量的增加，該光學系統變得越來越復雜。由于這些問題，該方法的已知實施限于每個系統少于5個陷阱。在實現多個陷阱系統的第三個方案中，衍射光學元件(DOE)(例如，利用傳播或反射幾何學的相位偏移全息圖)用于改變一條單個激光光束的波陣面。該發明在Grier等人的美國專利No. 6，055，106中已經公開過。波陣面被改變，從而下游的激光光束實質上變成多條具有由衍射光學元件的準確性固定的傳播方向和相對位置的獨立激光束。實際上，DOE 的傅立葉變換產生一組強度峰值，其中每一個用作為獨立的陷阱或者“鑷子(tweezer) ”。第三個方案的一些實施已經使用固定傳播全息圖以創建16個和400個數量之間的獨立的捕獲中心。固定的全息圖已經用于說明全息光學捕獲原理，但是使用液晶光柵作為全息圖允許“制造”分離全息圖，用于每一個新的陷阱分布。通過液晶光柵施加在捕獲激光上的空間改變相位調制可以容易地由計算機實時控制，因此允許動態控制變化。可以用于光學捕獲粒子的其它類型的陷阱，包括但是不限于，光學漩渦，光學瓶子，光學旋轉體和光線格子。一個光學漩渦產生環繞零電場區域的梯度，其對于控制具有低于周圍介質的介電常數的粒子，或者反射的粒子，或者被光學陷阱排斥的其它類型的粒子是有用的。為了最小化其能量，這樣的粒子將移動到電場最低的區域，即在適當構型的激光束的聚焦點處的零電場區域。光學漩渦提供一個零電場的區域，很像圓環圈(環形)中的孔洞。該光學梯度是徑向的，最高電場在圓環圈周邊。該光學漩渦挽留在圓環圈孔中的小粒子。該挽留通過沿著零電場線滑動小粒子上的漩渦來實現。光學瓶子與光學漩渦不同之處在于它僅在漩渦端的焦點具有零電場，以及在圍繞焦點的所有其它方向上具有非零電場。光學瓶子對于捕獲原子和納米基是有用的， 它們可能太小或者太具有吸收力，從而不能被捕獲在光學漩渦或者光學鑷子中。(參見 Arlt和M. J. Padgett的“具有由較高強度區域圍繞的黑焦點的光束的產生光學瓶光束，，(Generation of a beam with a dark focus surrounded by regions of higher indensity :The optical bottle beam)，Opt·Lett·25，191-193，2000。)光學籠子(美國專利No. 5，939，716)是松散的，光學漩渦的宏觀派生物。光學籠子形成光學陷阱的時間平均的環，以環繞太大或反射性的介電常數低于周圍介質的待被捕獲的粒子。當激光束被引導通過或者從相位構圖光學元件反射，該相位構圖光學元件產生多個細光束，這些細光束具有變化的相位輪廓。根據期望的光學陷阱的數量和類型，該變化包括衍射，波陣面構型，相位偏移，控制，發散和會聚。根據相位輪廓選擇，相位構圖光學元件可以用于產生以光學陷阱，光學漩渦，光學瓶子，光學旋轉器，光學籠子的形式，或者這些形式中兩種或多種組合的形式的光學陷阱。對于物質的控制，除了鉗住介電球體，已經證明了病毒和細菌的鉗住。除了原核生物以及病毒，多種原生生物，例如四膜蟲喜溫生物(thermophila)已經被成功鉗住。而且， 體細胞，例如eukocytes以及頰(cheek)上皮細胞，以及生殖細胞，例如精子已經被捕獲和控制。研究者已經發現用于控制細胞的間接方法，例如以金剛石微粒給細胞做標記，然后鉗住金剛石微粒。細胞控制已經包括細胞定向，用于微觀分析以及拉伸細胞。組織細胞也已經用鑷子被放置在試管中，呈現與體內的同樣分布。除了細胞本身，光學鑷子已經用于控制細胞器，例如沿著微管轉移的囊泡，染色體，或者球狀DNA。利用光學鑷子已經將對象插入細胞內。用于生物學目的的多種分類方法也可能采用光學鑷子。用于化驗和染色體采集的利用傳統光學捕獲的細胞分類，以及為創建庫的分類已經被證明。用于藥品顯示的細胞化驗已經開發。因此，作為利用激光控制的光學陷阱的分類的一個新的類型的例子，需要一種利用從其它細胞、組織以及污染物分離有價值的細胞技術的細胞分類方法。而且，需要一種實現光學陷阱對于(細胞)分類和提純的主要工業需求有唯一貢獻的方式。而且，存在在動物飼養市場中分離精子細胞的需要。

發明內容
本發明涉及一種利用激光控制對物質分類的系統和方法，尤其是利用全息光學捕獲的系統和方法。在符合本發明的一個實施例中，使用光學捕獲，其是已經用作為控制微觀對象的工具的技術。一個可接收的效果描述是，輕微聚焦光線，例如由高數值孔徑顯微透鏡聚焦的光線，具有陡的強度梯度。根據其介電常數，光學陷阱使用光束的梯度強度來捕獲粒子。為了最小化其能量，具有大于周圍介質介電常數的粒子將移動到電場為最高的光學陷阱的區域。本發明的光學捕獲被使用以幾種方法解決細胞分類和提純。例如，在物質上由光學陷阱所施加的力，對在物質中介電常數的精確分布是敏感的——光學強度因此依賴于對象的組成和形狀。而且，對象上的其它力對對象與周圍流體之間的流體動力交互作用是敏感的—— 控制流體流探測物質形狀、大小以及例如表面粗糙度的特征。進一步地，將對象定位在已知位置允許自動問詢的附加方法，例如高速成像以及粒子專用散射測量。在符合本發明的一個實施例中，在實現多陷阱的系統過程中，衍射光學元件(D0E， 即，使用透射或反射幾何學的相位偏移全息圖)用于改變單獨激光束波陣面。該波陣面被改變，從而下游的激光束實際上變成了大量獨立的激光束，這些激光束具有由該衍射光學元件的精確性質固定的傳播方向和相對位置。本發明通過用一透鏡聚焦激光束提供光學捕獲，以創建光學陷阱，其中透鏡具有小于0. 9的數值孔徑，并且最好減小至小于0. 1。利用全息激光控制的分類包括建立將被分類的對象的身份類別，將被分類的對象引入一個分類區域，并且根據其身份類別，以受控激光束來控制對象。該控制可能是以基于其身份類別而不同的方式保持，移動，旋轉，標記或毀壞對象。因此，本發明提供一種利用全息光學捕獲進行細胞分類的并行方案。在本發明的一個實施例中，生物物質樣本的光譜可以由成像照明源完成，該成像照明源適用于不彎曲的光譜或者偏振光線背發散，前者適用于評定化學身份，而后者適用于測量內部結構的尺寸，例如細胞核的大小。利用這樣的光譜學方法，在一些實施例中，細胞被詢問。這些具有肯定結果的細胞(即，這些與標記反應或者結合的這些細胞)的頻譜可以通過使用這樣的成像照明而獲得。計算機程序可以分析光譜數據，以識別期望的目標(即，具有X或Y染色體的細胞，或者疑似癌癥，癌癥前期和/或非癌癥細胞類型，等等)，然后可以應用該信息以引導相
6位構圖光學元件(即，光學陷阱)以分離或者包含這些期望或者選擇的目標(即，細胞類型)。所包含的細胞可以根據與化學品反應或結合而被識別，或者通過使用對象的自然熒光，或者與對象相關聯的襯底的熒光，作為識別標記或者背景標記而被識別。當化驗完成時，將通過計算機和/或操作者選擇哪些細胞被放棄以及哪些細胞被收集。通常通過使多條光束可用，來使細胞的控制更安全。類似釘床，多個鑷子保證在細胞中任何特定點引入盡量少的能量。這消除了熱點，并減少了破壞的危險。由于吸收與激光能量的平方成比例，任何破壞性的雙光子處理有很大好處。正是增加第二鑷子將特定點的雙光子吸收降低了4倍。大的細胞例如四膜蟲包括大量激光能量用于有效捕獲。將能量置入單獨陷阱可以導致細胞立即毀壞。通過例如使用全息光學捕獲，甚至僅一個單獨的細胞的控制明顯增強。一個單獨的頰上皮細胞可以由一行鑷子控制，該行鑷子將細胞沿著一側面的周邊升高。該導致的旋轉允許360度的細胞視圖。除了生物樣本可視的優點之外，也具有能力穩定定向樣本的能力，其具有對研究這樣的對樣本定位有強依靠的散射實驗清楚的好處。具有寬視野的分類具有許多好處，例如較高的產量。但是，在WFOV中的標準鑷取由于過多的輻射壓力而可能失敗。使用全息光學捕獲的具有寬視野的鑷取可以允許形成光線的異常模式的能力，其明顯地減小光束的輻射壓力。例如，漩渦捕獲具有黑的中心，因為光線的不同相位在陷阱的中心取消。該黑的中心表示穿過光束中心的大部分光線不再存在。實際上這些隱藏了光的大部分輻射壓力的光束，因此它們的去除明顯地減輕在軸向捕獲的難度。其它模式，例如，圓環圈模式，具有相同的優點。在符合本發明的一個實施例中，方法和系統導致其本身半自動或自動處理，用于跟蹤每一個光學陷阱的移動和內容。在符合本發明的一個實施例中，移動可以通過能夠被看到的光學數據流來監視，或者轉換成視頻信號，或者通過操作者可視化檢查光譜地，和/ 或通過視頻監視而被監視或分析。該光學數據流也可以由光檢測器進行處理以監視強度或者任何合適的設備處理，以將光學數據流轉換為適應于計算機和程序的數字數據流。該計算機程序控制細胞的選擇以及光學陷阱的產生。在符合本發明的另一個實施例中，根據通過對相位構圖光學元件編碼而導致的每一個光學陷阱預定的移動來跟蹤細胞的移動。此外，在一些實施例中，計算機程序包括包含在每一個光學陷阱中每一個細胞的記錄。在符合本發明的一個實施例中，執行用于動物飼養的X和Y精子的細胞分類。在肉牛工業中，將后代的雄/雌比率從當前的50% 50%混合比改變到 85% 15%混合比的能力，將顯著地增加每年的后代數量。類似地，在乳品業上也會出現數量的增加，盡管相對較小些。在符合本發明的一個實施例中，對象分類的方法包括有步驟以預定的流率將對象引入輸入通道；利用光束控制(beam steering)裝置匯集(funnel)對象；評價對象以確定哪些符合預定標準；以及將不符合所述標準的對象和符合所述標準的對象進行分類。在符合本發明的另一個實施例中，對象分類的方法包括有步驟在一結構的表面上分配對象；以及根據預定的標準，利用光束控制裝置，評價所述結構中的對象。在符合本發明的又一個實施例中，對象分類的方法包括有步驟在膠體中分布對象；檢測符合預定的標準的對象；以及將符合所述標準的對象和不符合所述標準的對象進行分類。在符合本發明的又一個實施例中，用于分類對象的裝置包括利用光學捕獲裝置形成的多個光學陷阱；一個輸入通道，對象以預定的流率被引入其中；以及至少一個輸出通道；其中在進入所述輸出通道之前，根據預定的標準，使用所述光學陷阱，在分類區域分類對象。在符合本發明的又一個實施例中，用于分類對象的裝置包括一個光束控制裝置； 以及具有其上面分布了對象的一表面的結構；其中根據對象是否符合預定標準對象利用光束控制裝置分類對象。在符合本發明的又一個實施例中，用于分類對象的裝置包括以預定的流體速率將對象引導進入輸入通道的裝置；用于匯集對象的裝置；用于評價對象以判斷哪些對象符合預定標準的裝置；以及用于對符合所述標準的對象和不符合所述標準的對象進行分類的裝置。在符合本發明的又一個實施例中，用于分類對象的裝置包括一個用于在一結構表面分布對象的裝置；以及根據預定的標準，使用光束控制裝置評價在所述的結構中的對象的裝置。在符合本發明的又一個實施例中，用于分類對象的裝置包括一個用于在膠體中分布對象的裝置；用于檢測符合預定標準的對象的裝置；以及用于將符合所述標準的對象和不符合標準的對象進行分類的裝置。在符合本發明的又一個實施例中，分類對象的方法包括有步驟利用光學陷阱訪問對象的步驟；檢查所述對象以確定其身份；以及根據預定的標準將所述確定身份的對象分類。在符合本發明的又一個實施例中，用于分類對象的裝置包括用于利用光學陷阱訪問對象的裝置；用于檢查所述對象以確定其身份的裝置；以及用于根據預定標準將所述確定身份的對象分類的裝置。在符合本發明的又一個實施例中，用于分類對象的裝置包括光束控制裝置，其包括激光器，其提供用于照明的激光束；衍射光學元件，其將所述光束衍射為多條細光束； 以及物鏡，其會聚這些細光束，因此產生導致光學數據流以形成光學陷阱的光學梯度條件; 以及樣本腔，對象被引入其中，捕獲以及分類。在符合本發明的又一個實施例中，控制對象的方法包括將對象引入一個評價系統；利用光束控制裝置，根據預定標準評價對象；以及根據所述預定標準，利用所述光束控制裝置控制對象。在符合本發明的又一個實施例中，破壞對象的方法包括利用光束控制裝置訪問對象；檢查所述對象以確定其身份；根據預定標準將所述確定身份的對象分類，以及當所述對象符合所述預定標準時，破壞所述確定身份的對象。最后，在符合本發明的又一個實施例中，用于破壞對象的裝置包括用于利用光束控制裝置訪問對象的裝置；用于檢查所述對象以確定其身份的裝置；用于根據預定標準將所述確定身份的對象分類的裝置；以及用于當所述對象符合所述預定標準時，破壞所述確定身份的對象的裝置。上面已經進寬泛地概述了一些符合本發明的特征，以使更好地理解下面的詳細描述，及更好地認識對現有技術的貢獻。當然，下面將詳細描述的符合本發明的附加特征，并且將形成這里要求保護的主題。出于此，在詳細說明符合本發明的至少一個實施例之前，應當理解本發明不限于在下面的描述或


中應用的詳細結構，以及組件的設置。符合本發明的方法和裝置適合其它實施例，并且可以通過不同的方式實踐和執行。同時，應當理解，這里所使用的措辭和術語，以及下面所包括的摘要，是為描述發明的目的而不能認為是限制。這樣，熟知本技術的人員將認識到，發明所公開的概念可以容易地用作其它用于執行本發明幾個目的的結構、方法和系統的設計的基礎。因此，重要的是權利要求被認為包括這樣的等價物結構，它們由不脫離本發明的精神實質和范圍的方法和本發明的裝置構成。

圖1概括地表示了根據符合本發明的一個實施例的全息光學捕獲系統。圖2A和2B是根據符合本發明的一個實施例的側視概略圖和頂視概略圖，表示被弓丨導進入樣本保持器中的樣本。圖3描述了根據符合本發明的一個實施例的樣本腔的掃描電子顯微照片。圖4表示根據符合本發明的一個實施例的樣本腔的工作區域的放大視圖。圖5是根據符合本發明的一個實施例用于分類對象的全息光學捕獲系統的概略圖。圖6表示根據符合本發明的一個實施例的用于分類的橫向偏轉的例子。圖7A和7B分別表示根據符合本發明的一個實施例的匯集陷阱的概略正視圖和側視圖。圖8表示根據符合本發明的一個實施例的基于旋轉盤(disk-based)的分類的細胞。圖9表示根據符合本發明的一個實施例的光學蠕動(peristalsis)。
具體實施例方式在如圖1所示的全息光學捕獲裝置或系統100中，光線從激光系統入射，并且如向下箭頭所表示，以驅動系統100。相位構圖光學元件101最好是動態光學元件(DOE)，其具有動態表面，其也是純相位空間光調制(SLM)，例如“PAL-SLM series X7665”，由日本Hamamatsu制造， "SLM 512SA7” 或“SLM 512SA15，，，都是由美國科羅拉多 Boulder Nonlinear System of Lafayette制造。這些動態相位構圖光學元件101被計算機控制以通過在介質中編碼的全息圖來生成細光束，其可以變化以產生細光束以及選擇細光束的形式。在圖1的左下方生成的相位構圖102產生右下方示出的陷阱103，其填有在水105中懸浮著的Iym直徑硅石球體104。因此，該系統100由左下方動態全息控制。激光束傳播通過透鏡106，107，到達分色鏡108。該分束器108由分色鏡，光子帶隙鏡，全向反射鏡，或者其它類似設備構成。該分束器108有選擇地反射用于形成光學陷阱 103的光波長，并且透射其它波長。從分束器108區域反射的部分光然后通過一個編碼的相位構圖光學元件的區域，該光學元件基本上配置在與一聚焦透鏡(物鏡)109的平的后孔徑共軛的平面中。在本發明之前，已經構思過在單獨光束光學捕獲(也稱為激光或光學鑷取)中，高數值孔徑透鏡對于可接受的光學陷阱是需要的。這一想法的基礎是，對于光學捕獲，使用在入射光的電場中的梯度以捕獲粒子。為了具有大的捕獲力，人們想到在電場已經必須具有大的梯度(或者光線強度數值)。通常完成該方案的作法是通過高數值孔徑透鏡來通過該光場。涉及在大的視野中觀察和樣本捕獲是這樣的觀察和捕獲將包括具有低數值孔徑的物鏡。與現有教導相反，例如，本發明提供低數值孔徑透鏡，例如作為圖1中的物鏡109。 在這種情況下觀察和捕獲的能力在從通過低放大率透鏡給出大的視野中獲得好處的任何應用中是有用的，例如放置微觀制造的部分或者與大量對象，例如細胞進行工作。根據本發明的一個實例，3微米硅石球體104在水105中懸著，被具有空前低數值孔徑的透鏡109捕獲。所使用的該透鏡109由Nikon制造(a)具有 0. IONA 的 Plan 4x ；以及(b)具有 0. 25NA 的 Plan IOx。合適的相位構圖光學元件特征在于依賴于它們如何引導聚焦光束或者其它能量源的透射性或者反射性。透射性衍射光學元件傳送光束或者其它能量源，而反射性衍射光學元件則反射光束。相位構圖光學元件101也可以分類為具有靜態或者動態表面。合適的靜態相位構圖光學元件的例子包括那些具有一個或多個固定表面區域，例如光柵，包括衍射光柵，反射光柵，以及透射光柵，全息圖，包括多色全息圖，模板，光線整形全息氯光器，多色全息圖，透鏡，反射鏡，棱鏡，波片以及類似物。該靜態的透射性的相位構圖光學元件特征在于固定表但是，在一些實施例中，相位構圖光學元件101本身是可移動的，因此允許用于通過相對激光束移動相位構圖光學元件101以選擇合適的區域來選擇一個或多個固定的表面區域。靜態相位構圖光學元件可以被附加在一軸上以及一通過一受控電機(未示出)被旋轉。該靜態相位構圖光學元件具有固定表面以及離散區域。在其它靜態相位構圖光學元件的實施例中，或者透射性或反射性，該固定表面具有不同類的表面，實際上包含連續變化的區域，或者離散區域的組合，以及實際上連續改變的區域。合適的動態相位構圖光學元件的例子對于它們的功能具有時間相關方面，這些例子包括計算機產生的衍射圖形，相位偏移物質，液晶相位偏移陣列，微鏡陣列，包括活塞模式的微鏡陣列，空間光調制器，光電偏轉器，聲光調制器，可變形反射鏡，反射性MEMS陣列以及類似物。具有動態相位構圖光學元件101，包括相位構圖光學元件101的介質105編碼可以改變的全息圖，以將一構圖的相位偏移施加給聚焦光束，導致在聚焦的光束的相位輪廓的對應改變，例如衍射或者會聚。因此，介質105可以改變以產生光學陷阱103的位置改變。動態相位構圖光學元件101的優點在于介質105可以改變以獨立地移動每一個光學陷阱 103。在這些實施例中，其中細光束的相位輪廓，在外圍不強烈而在從外圍向內的區域中更強烈，將背孔徑通過填充小于約15%對于形成比沒有過填充背孔徑形成的光學陷阱相比在外圍具有更大強度的光學陷阱。在一些實施例中，光學陷阱的形式可以從其原始形式改變為一點的光學陷阱，光學漩渦，貝塞耳光束，光學瓶子，光學旋轉器或者光籠子。該光學陷阱可以在兩維或三維上移動。在相位構圖光學元件也用于將一特定的拓撲模式施加至激光，例如，通過將高斯模轉換為高斯-拉塞爾腔模。因此，一條細光束可以形成高斯-拉塞爾腔模，而其它細光束可以形成高斯模。高斯-拉塞爾腔模的使用通過減小輻射壓力明顯地增強了捕獲。1.成像系統當前的工具設計使用高分辨率的CXD攝像機，用于初級成像系統110。由于該技術是一項成熟的技術，CCD攝像機(見圖5中的參考標記511)的主要優點是有利的性價比。 CCD攝像機的其它優點是它們的廣泛動態范圍以及容易產生數字輸出。在計算機屏幕(見圖5中的參考標記510)上看到圖像以提供用于選擇陷阱位置的參考幀，以及將操作者不小心暴露于激光下的可能性最小化。2.用戶界面a.對象顯示用戶界面包括計算機屏幕，其顯示由CXD攝像機采集到的視野。用戶利用鼠標指明陷阱的位置。還具有刪除位置的選項。下面將更詳細的描述，用戶也能夠指定每一個陷阱的能量，從而能夠避免樣本被破壞。除此之外，期望能夠改變陷阱的能量，因為捕獲依賴于樣本的折射率與懸浮介質之間的差別，該懸浮介質對于不同樣本是不同的。b.全息圖指明陷阱的位置的目的是提供全息圖計算的輸入。全息圖實際上是傅立葉變換產生期望的陷阱陣列的功能。但是在液晶顯示的情況下，該功能是相位對象(即，改變波陣面相位而不吸收任何能量的對象)。c.選擇陷阱組的方法當需要大量的陷阱時，利用計算機鼠標指明其位置的時間可能很長。因此，有幾個選項可以減小需要的時間。通常人們希望使用陷阱在一個特定的方向上移動對象。這可以通過使用鼠標創建一條線(通過拖拽)來實現。該計算機程序將一條線解釋為要求一系列待被序列地部署的陷阱，并且充分接近到一起，從而以小步幅移動目標，而不失去對目標的鎖定。本發明還包括改變陷阱高度的能力。如果激光束平行于物鏡109的光軸，則陷阱形成在相同的高度上作為透鏡109的焦平面。改變陷阱的高度通過調節全息圖來完成，從而當其進入顯微鏡的物鏡109時，形成陷阱的光束輕微會聚(或分散)。使用透鏡調節陷阱的高度是可能的，但是僅一個全息光學捕獲(HOT)允許每一個獨立的陷阱的高度被調節而與任何一個其它陷阱無關。這是通過液晶全息圖引致的調節相位調制的計算機程序所實現。3.樣本保持器a.概述本發明的樣本腔200(見圖2A和2B)是便宜的并且可以任意使用的。盡管下面描述本發明的樣本腔200，本發明的其它目的是用于創建彈性設計，其可以針對不同的應用而改變。樣本腔200位于顯微鏡滑塊201表面。樣本腔200包括一系列通道203，用于引入樣本或者對象。通道203通過薄管204(商業上可購得)連接至提供和搜集庫。樣本或者對象將懸浮在流體介質中，并且將通過通道203被引入工作區域。樣本腔200由覆蓋片 205覆蓋。b.樣本腔制造在符合本發明的一個實施例中，聚乙稀(二甲基硅氧烷)(PDMS)樹脂用于制造樣本腔200。該處理包括利用標準的CAD/CAM方法在計算機上創建期望的通道203的圖形，以及利用傳統的光阻/蝕刻技術將圖形轉換為光掩模。該光掩模然后用作為負掩模以創建通道的反向圖形，這些通道被蝕刻在硅晶片上。通道203的深度由蝕刻時間控制。硅晶片是實際的樣本腔200的負向復制品。最后的步驟包括通過在晶片上傳布PDMS并且聚合創建正向樣本腔200。這導致與玻璃滑塊201結合的PDMS模，并且由覆蓋片205覆蓋。玻璃與 PDMA結合由氧蝕刻產生，氧蝕刻激活暴露的表面。為保證組成質量，需要一些附加步驟。例如，為了防止形成氣泡，PDMS溶液/硬度在真空下被保持。硅晶片被硅烷化，以防止PDMS與晶片粘接。有不同的步驟，包括清洗復制品，并且保持適當的環境控制。這些表示的是標準的技術。通道203連接到微孔管204，使用由膠水214保持的小的注射器針206，通道203 通過PDMS模被插入小的圓形井207，圓形井207與每一個通道203連接。利用微型泵208， 樣本溶液被引入到通道203。圖2B表示在210通過注射器泵208引入樣本的典型的設置圖。介質在211處被引入，并且在21處收集廢棄物，而期望收集在213。圖3是表示作為從上述方法實際創建的圖2B中的圖的掃描電子顯微圖。通道大約50微米寬，50微米深。圖4是表示“工作”容積的掃描電子顯微圖，其中將發生樣本的控制。圖形清楚地表示通道203是平滑而且清潔的。盡管通道203是矩形的截面，也可以設計其它形狀。通道203被設計為允許樣本流入“工作區域”，工作區域的形狀可以是根據實驗需求所定制的設計。c.全息光學陷阱與序列定址多個捕獲點，并且因此時間共享的掃描的光學陷阱不同，全息光學陷阱連續照明它們的陷阱中的每一個。對于一個已經掃描的光學陷阱，為了獲得與連續照明的陷阱同樣的捕獲力，其必須提供至少相同時間平均的強度。這意味著掃描的陷阱必須通過與至少捕獲區域的數量成比例的因子具有較高的峰值強度。該較高峰值強度增加了在捕獲的物質中光學引入破壞的機會。該破壞可能由至少三個機理引起(1)單個光子吸收導致的局部發熱，(2)單個光子吸收導致的光化學轉換，以及C3)多個光子吸收導致的光化學轉換。事件(1)和( 可能通過選擇被捕獲物質弱吸收的光波長，以及通過周圍流體介質而被減輕。事件C3)是一個更常見的問題，其通過利用較長的波長光而被部分地減輕。因此， 通過在一個對象的多個點中連續分布較小數量的力，全息光學陷阱可以更緩和地控制精細的物質，具有明顯效果，而不是通過將全部力施加在一個單獨的點上或者對于一個時期以較高強度來潛在地破壞該對象。
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在符合本發明的實施例中，設計是彈性的，其中可以用標準的CAD/CAM計算機程序設計通道203任何希望的圖形。圖形的復雜度不是一個因數，只要通道203分離得足夠遠從而彼此不互相撞擊就可以。由于可以在圖2B和3中看到，多組通道203可以容易地被容納，從而單個芯片可以用于多個實驗。此外，一旦制作了模子，可以用于制作數以千計個樣本腔，所以該方法容易地適用于大批量生產的技術。估計當批量生產時單個腔的相關成本將達到百分之幾的量級。4.光學系統a.合成全息圖全息光學陷阱的早期版本使用自不同的物質制做的固定的全息圖制造。這些足以證明使用全息圖創建幾百個陷阱的原理。但是這些全息圖的主要缺點是，它們是靜態的，并且花費幾個小時來制作單個全息圖。隨著硬件的進步，生產的計算機驅動的液晶顯示器每秒鐘能夠形成多次全息圖，使用光學陷阱作為動態設備已經變得切實可行。下面將描述計算全息圖的原理。b.顯微鏡光學系統110包括標準的高質量光線顯微鏡。物鏡是高數值孔徑的透鏡109，其與長工作距離聚光透鏡相耦合。高數值孔徑物鏡109用于進行捕獲。而長工作距離聚光透鏡可能多少會降低圖像的分辨率，不損害捕獲，并提供外部空間，靠近樣本滑片以容納波導設備和容器。對象可以通過陷阱保持它們，以及垂直或者橫向地移動顯微鏡臺而被移動。在符合本發明的一個實施例中，大約2mW的激光能量被采用以在陷阱中產生200 微瓦。來自2W激光的可用的功率級適于創建大約1000個陷阱。綠激光(532nm)被使用， 但是也可以使用其它波長，包括，例如，遠紅激光與吸收大約532nm數值的物質工作。捕獲依靠折射率梯度，從而具有接近周圍介質的折射率的材料需要具有較高功率級的陷阱。此外，物質被破壞的容限將隨著陷阱能量而變化，因此對于用戶希望能夠控制該參數。用戶可以利用圖形界面上顯示的“能量滑塊器”在任意特定的陷阱中增加功率級。c.液晶全息圖(也稱為空間光調制器或SLM)空間光調制108實際上是由靜電場控制，進而可以由計算機程序控制的液晶陣列。液晶顯示陣列具有根據所施加的電場的強度，將光線的相位延遲不同量的特性。向列性液晶設備用于顯示或用于需要大的純相位調制深度O Π或者更大)的應用。向列性液晶分子通常在設備表面排列，由于液晶雙折射而給出最大的延遲。當施加電場時，分子平行于電場發生傾斜。當電壓增大時，沿著非常軸的折射率，且因此該雙折射被有效降低，致使設備的延遲的減少。d.激光可用的激光包括固態激光，二極管抽運激光，氣體激光，染料激光，變石激光，自由電子激光，VCSEL激光，二極管激光，Ti-藍寶石激光，摻雜YAG激光，摻雜YLF激光，二極管抽運YAG激光，以及閃光燈抽運YAG激光。工作在IOmW和5W之間的二極管抽運Nd: YAG激光是較佳的。該較佳的用于形成研究生物物質的激光束波長包括紅外線，近紅外線，可見紅光，綠光，以及可見藍光波長，具有從400nm到1060nm的波長是最好的。5.操作方法在符合本發明的一個實施例中，光學捕獲系統500(見圖5)(例如由Arryx，Inc.銷售的BioRYx系統，芝加哥，伊利諾依州)包括Nixon TE2000系列顯微鏡501，用于使用全息光學捕獲單元505形成光學陷阱的機座放置其中。附加了一個外殼的換鏡旋轉盤502，通過該機座直接安裝進顯微鏡501。對于成像，一個照明源503設置在物鏡504之上，以照明樣本506。在本發明的一個實施例中，光學陷阱系統100(見圖1和5)包括一個第一光通道的一端，其接近到光學元件，和第一光通道的另一端，該另一端同與其垂直形成的第二光通道相交叉并通信。第二光通道在顯微鏡透鏡安裝轉臺或“換鏡旋轉盤”的基座中形成。該換鏡旋轉盤適合于安裝入Nixon TE200系列顯微鏡。第二光通道與第三光通道通信，第二光通道也是與第二光通道垂直。通過換鏡旋轉盤的底座，第三光通道從換鏡旋轉盤的頂表面橫穿，并且與物鏡聚焦透鏡109平行。聚焦透鏡109具有頂部和底部，形成一背孔徑。在第二光通道與聚焦透鏡背孔徑之間的第三光通道中放置的是分色鏡分束器108。用于形成光學陷阱的光學陷阱系統中的其它組件包括第一反射鏡，其通過第一光通道，反射從相位構圖光學元件101中散發的細光束；第一組轉移光學裝置106，設置在第一光通道中，被對準以接收由第一反射鏡反射的細光束；第二組轉移光學裝置107，設置在第一光通道中，被對準以接收通過第一組轉移透鏡的細光束；以及第二鏡反射鏡108，定位于與第一光通道和第二光通道交叉的位置，被對準以反射通過第二組轉移光學裝置以及通過第三光學通道的細光束。為了產生光學陷阱，激光束引導來自激光器507 (見圖幻，通過校準儀以及通過光纖端508以及反射離開衍射光學元件509的動態表面。離開校準儀和光纖端的光束被衍射光學元件的動態表面衍射為多條細光束。每一條細光束的數量，類型和方向可以通過改變在動態表面介質中編碼的全息圖被控制和改變。然后細光束反射離開第一反射鏡通過第一組轉移光學裝置下至該第一光通道，通過第二組轉移光學裝置至第二反射鏡；并且在分色鏡509向上引導至物鏡504的背孔徑，通過物鏡504被會聚，因此產生形成光學陷阱必須的光學梯度條件。通過分色鏡509分裂的用于成像的光線的部分，通過第三光通道的較低部分形成光學數據流(見圖1)。生物物質樣本的光譜可以采用成像照明源503被實現，該照明源503適合光譜或者偏振的光背散射，前者用于評價化學身份，后者適用于測量內部結構的尺度，例如細胞核大小。在一些實施例中使用這樣的光譜學方法，細胞被問詢。計算機510可以用于分析光譜數據，并且識別具有X或Y染色體的細胞，或者疑似癌癥，癌癥前期和/或非癌癥細胞類型。計算機程序則可以采用該信息以引導光學陷阱來容納所選擇的細胞類型。所容納的細胞則可以根據所容納的細胞與化學品反應或結合而被識別。當前的方法和系統使適于用于跟蹤每一個光學陷阱的運動和內容的半自動或自動化處理。該運動可以通過視頻攝像機511，光譜，或者光學數據流被監視，以及其提供計算機程序，控制細胞的選擇和光學陷阱的產生。在其它實施例中，根據由編碼相位構圖光學元件產生的每一個光學陷阱預定運動，跟蹤細胞的運動。此外，在一些實施例中，計算機程序被用于保持容納在每一個光學陷阱中的每一個細胞的記錄。然后通過操作者的可視化檢查，光譜地，和/或視頻監視可以看到光學數據流，被轉換為視頻信號，被監視，或者被分析。光學數據流也可以通過光檢測器處理以監視強度，或者任何適當的設備以將光學數據流轉換為適合計算機使用的數字數據流。在不使用SLM的解決方案中，運動通過將對象從第一組光學陷阱轉移至第二，第三，然后第四，等等而實現。為了將對象從第一位置移動到第二位置，靜態相位構圖光學元件圍繞一主軸被旋轉，以將激光束與第二區域對準，第二區域在對應的第二組預定位置產生第二組光學陷阱。通過在接近于第一位置構建第二組光學陷阱，探針可以從第一組光學陷阱傳遞至第二組光學陷阱。該序列可以通過旋轉相位構圖光學元件從第二組預定位置不斷傳遞探針至第三組預定位置，從第三組位置至第四組預定位置，并且從第四組預定位置， 等等，以對準對應于期望位置的適當區域。在一組光學陷阱結束與下一組光學陷阱產生之間的時間間隔是一段保證探針在漂走之前轉移至下一組光學陷阱的持續時間。在對象從寬至窄接近性的交叉運動中，以類似的方式出現細胞的交叉運動。但是， 當對象從第一組光學陷阱傳遞到第二組，并且移動至第二組以及后來的位置時，陷阱的交叉排列允許對象被緊湊地打包，而不放置一組光學陷阱以同時非常接近兩個對象，將導致這些對象被錯誤的光學陷阱容納。一旦一個對象或細胞與陷阱相互作用，光譜方法可以用于詢問細胞。通過使用成像照明，例如適用于不彎曲的光譜或者偏振的光背散射，可能獲得這些具有正向結果的細胞(即，與標記反應或者結合的這些細胞)的光譜。計算機可以分析光譜數據以識別期望目標，并且引導相位構圖光學元件將期望目標分離。當實驗完成時，可以通過計算機和/或操作者進行選擇被拋棄的細胞和被收集的細胞。光學蠕動(見圖9)是一個現有的處理，在設置的微流體通道401采用平行的若干行陷阱400，當第一行陷阱被關閉時，這些行之間的間隔允許一行中捕獲的粒子402被推入另一行中的陷阱中。光學蠕動可以用作為替換方案并且與熒光標記結合(后面將結合應用描述)。該處理通過對若干行陷阱的消失進行定時而操作，從而粒子以這些行陷阱的設置指定的期望的方向移動。通過選擇一行陷阱是否在一側或者其它粒子開或關，粒子將在一個方向上向前或者向后移動。通過使用大量的陷阱，因此大量的粒子可能沿著給定的方向一致運動。因此，附著在陷阱上的粒子可以移動到給定的區域，并且如果需要，在那里聚集。類似地，通過逐漸地朝著一給定方向減小這些行中的陷阱之間的間隔，和/或改變這些陷阱行的曲率，粒子可能被掃入聚焦圖形以將它們集中。將這樣的圖形反向將使這些粒子分散。陷阱行之間的間隔可以相對較大以加速粒子的運動，或者相對較窄使它們慢下來。類似地，改變所選擇的陷阱或行的強度，并且增強它們對粒子的影響，也可以被采用。通過會聚或者發散流，粒子可以被結合或者分離。此外，例如光學蠕動也可以與不同的粘滯拖拽效果或者電場結合，以產生復雜的和特定參數值的組，用于更好地分離物質。通過將捕獲和其它力反向，兩個力平衡點確定粒子是否以陷阱或其它的力運動。在符合本發明的一個實施例中，利用全息系統可以實現光學蠕動，其通過一序列相位圖形循環，以實現一個對應序列的全息光學捕獲圖形。這樣的圖形可以在安裝在棱鏡表面的減輕反射衍射光學元件的表面中被編碼，其中每一個圖形通過馬達旋轉入位。類似地，透射衍射光學元件可以被放置在盤的周邊上并旋轉通過這些圖形循環。也可以使用可切換的在膜上編碼的相位全息圖和相位光柵。對于通過外部偏置力驅動通過直線陣列的粒子，例如流體流，其中捕獲力被認為大于外部驅動力，該些粒子被捕獲。在偏置力更大處，粒子流通過陣列。在這些極限值之間， 偏置力超過捕獲力，超過的程度對于不同部分的粒子是不同的，導致粒子沿著陣列的主軸方向從陷阱跳躍到陷阱。可以觀察到零網(zero network)偏轉，此處陣列被旋轉到45°， 因為(1)正向和負向位移以相等的概率發生；或者( 粒子變得被鎖進了 [11]方向，通過陣列對角跳躍。通過一陣列被影響到一更大程度的粒子比通過偏置力影響到一更大程度的粒子， 可被偏轉到更大的角度。在粒子上施加的光學梯度力大致以a3變化，其中a=半徑。在粒子上的斯托克斯拖拽以a變化。因此，較大的粒子受到陷阱陣列的不成比例的影響，而較小的粒子經歷較小的偏轉。取向該陣列到接近最佳偏轉角度，并且調整強度以在跳躍條件下放置最大的粒子，且因此比較小的粒子更大的偏轉。通過第一行下游的附加陣列，不同偏轉的粒子可以被收集，或者進一步被分級(fractionation)。用于分級的一些常規技術實現一施加力方向上的分離。但是這樣的技術在成批樣本上而非連續地操作。用于微分級的其它傳統的技術采用構成障礙物的二維格子的微制作的篩。例如， 障礙物的不對稱的放置調整通過篩的粒子的布朗運動，導致粒子流過依賴于粒子的擴散系數的路徑。但是，微制作的格子的使用產生妨礙，并且對粒子大小和類型是不可調整的。圖6中給出了根據本發明的粒子分類的一個實例。盡管所闡述的例子僅僅是示例了橫向偏轉，可以在同樣的系統中獲得光學蠕動。視頻圖像的表示給出了基于光的物質分離，在這一情況下，協調以根據粒子大小分離對象。左上方通道中流包括1、2. 25和4. 5 μ m 粒子，另一流從左下方進入。重疊線表示當系統激光能量關閉時的各通道流。當激光能量打開時，交互區域(由重疊的綠色框指失)中的光線，從上面的流提取4. 5μπι粒子，并將它們傳遞到由重疊的白色路徑表明的右下方通道。6.在精子分類上的應用a.背景在符合本發明的一個實施例中，通過使用光學捕獲技術已經實現高分辨率，高產量細胞分類器。通過傳統的串流細胞儀的失敗，證明了需要實現該技術作為新的分類基礎， 從而執行在許多分類問題中需要的細胞特性高分辨率確定。在本例中，在養牛業，區分含有X-和Y-染色體的精子，流率實際上從當今的技術狀態系統的速率被換算回來(scaled back)。原因在于傳統串流細胞儀計數在進行熒光/非熒光確定中是最好的，在該模式下， 可以實現30，000細胞/秒的速率操作。由于問題變成一個在不同熒光級別(例如在精子分離問題中)之間的鑒別，這些方法變得非常沒有效果。在精子分離問題上，具有χ-和Y-染色體的精子在熒光上差異約為4%，該速率降低到每秒4，000輸出細胞。(見J. L. Schenk, et al. . , Proceedings, The Range Beef Cow Symposium XVI,1999.)b.利用全息光學陷阱分類本發明的高分辨率，高產量(throughout)細胞分類的方法，具有下面的組件微流體顯影(development)，光學陷阱系統顯影(用于運送系統的捕獲組件，以及用于分離系統的陷阱組件)，高分辨率熒光測量，系統控制(包括全息圖計算)，以及機械設計。第一組件是流單元，其具有流體輸入通道，運送輸入樣本，以及兩條輸出通道，運送從輸入通道分離出來的細胞。第二組件是一組陷阱，它們執行“匯集”功能(這里的“匯集”功能是傳統的流動血細胞計數器中形成小滴流的噴嘴等價物)。第三組件是檢測系統， 以及最后，第四組件是分類系統。圖7A-7B表示了這四個組件之間的關系。在本例中，精子用作為分離的樣本目標。傳統的方法中使用HoeChst33342區分具有X-和Y-染色體的精子，特定地結合至DNA的染色，以這樣的方式全部熒光表示是在全部 DNA表示的測量。該熒光的測量實現了基礎染色體負載的性質的評價。6chenk，1999;以及，Erik B.van Munster, Cytometry,volume 47，pagel92，2002)。許該本發明的該建議的實施例實現高產量的實際的特性是其內在的在平行線上同時運行物質的能力，而且相互之間接近。對于該最初的實現，創建具有10條輸入線300的流系統，每一條線300隔開10微米。這設置了從輸入庫到該流的110微米的整體寬度。該輸出通道302，303為與輸入通道301相同的110微米的寬度，并且它們與輸入通道301平行運行，如圖7A和7B所示。引入“輸出通道” 302，303的是緩沖液，其以保持在輸入通道301 中相同的流率被饋入這些通道。所有這三個通道301，302，303被設計為在感興趣的流范圍上的。在分類區域中，特定的細胞從輸入通道301被轉移至輸出通道302，303中的一條，所有的三條流是相鄰的，它們之間沒有機械分離。層流在它們的各自流中保持任何物質，除非特定的外部力被引入以將物質從一條流通道到另一條流通道。匯集陷阱305作用于輸入細胞306，因此它們都穿入到嚴格意義的流線中，并且因此這些輸入細胞306彼此分離一個由操作者設置的最小距離306。在通道301，302，303中的流率通過該最小距離306，通過執行分離功能的設備的“更新”率，并且通過期望的所有的細胞處理速率而被設置。假設在我們的樣本情況下的最小距離為20微米(足夠完全分開精子頭部，但是是允許尾部的無序重疊的距離)，和1，500細胞/秒的處理速率，該系統使用 3mm/秒的流率，[(15，000細胞/秒)X (20微米/細胞-線)+ (10線)]。匯集系統由低強度陷阱305的圖形構成該圖形由一組靜態全息圖構成，其安裝在旋轉輪中，從而圖形作為旋轉圖形的函數而變化。大部分下游的陷阱是固定的強度以及位置，僅用于保持流細胞線之間的分離。上游的陷阱305被允許隨時間改變強度以及位置，以在團集的細胞上分配流，并通過獨立的或者不團集的細胞。分類確定時的測量可能在匯集陷阱305的下游區域發生，或者其可能在匯集系統之外的區域發生。對于該初始系統，測量將包括高分辨率的熒光檢測。但是將來可以實現其他的主動分類標準，例如散射測量，或者可以使用被動技術，例如先前所說的那些使用光學偏轉的技術。設備最后的組件是分離系統，其中分類標準被利用以將細胞傳遞至輸出通道302， 303中的一條，或者允許它們保持在輸入通道301的流中。對于該組件的重要參數是用于實現驅動分離的動態陷阱305陣列的高數值孔徑物鏡304的視野。該視野的寬度是110微米，與獨立通道的寬度相同。但是其長度取決于通道深度和用于控制這些陷阱的光學設備的更新率。當前，符合本發明的一個實施例，包括空間光調制器，其創建相位掩模，在驅動光學捕獲系統時是高度有效的。這些設備具有30Hz的更新率或者更高。估計具有10微米的通道深度，并且假設精子細胞應該在1微米的步幅運動，使用空間光調制器的10次更新，以將細胞從輸入通道301中心移動至輸出通道302或303的中心。具有30Hz的更新數值，這些10步幅的實現將在1/3秒之內發生。這些10步幅在流的方向上在Imm的長度上以3mm/
17CN 102539303 A秒的流率實現。用于分離組件的該物鏡304將因此具有110微米X 1000微米的工作區域。 該方案的一個重要的開發區域實際上是透鏡組件的設計。透鏡設計的折中通常是視野和數值孔徑之間的。也就是說，對于一特定復雜性的透鏡組件，在這些區域中的一個的明顯的性能改善將伴隨另一個區域中性能的下降。由于這個原因，在區域中使用的高性能透鏡例如集成電路電子產品的高分辨率，平板印刷是相當復雜的。但是本發明明顯地在這些透鏡組中的性能水平之下。7.寬場漩渦鑷取的公開具有寬場視野的鑷取包括顯微鏡物鏡，其具有一個相對低的數值孔徑。在軸向的光學捕獲對象的能力依賴于以將在軸向具有最大梯度的方式將光束向下聚焦。這暗示了光錐將形成具有最寬可能半徑。該錐體的半徑直接由物鏡的數值孔徑確定，即高數值孔徑意味著寬錐體半徑。這直接與寬場視野的需求相沖突。按照傳統進行的鑷取難于具有軸向寬視野。軸向鑷取的難度的主要原因之一是被聚焦光束的輻射壓力。尤其對于與周圍介質在強度上良好匹配的粒子，例如，聚苯乙稀微球體，輻射壓力可以將粒子吹出陷阱。由于低數值孔徑物鏡，難于在軸向上以足夠的鑷取力來克服輻射壓力。但是，全息光學陷阱具有形成光異常(exotic)模式的能力，其明顯地減小了光束的輻射壓力。例如漩渦陷阱，具有黑中心，因為光的改變相位在陷阱的中心消失。該黑中心表示向下行至光束中心的大部分光線不再存在。實際上這些光束，隱藏了光的大部分輻射壓力，因此它們的去除明顯地減弱軸向捕獲的難度。其它模式，例如圓環圈模式具有同樣的優點。通常，通過具有多條可利用的光束，對象或細胞的控制(推壓，引導，分類)被使得更安全。類似于釘床，多個鑷子保證低在細胞中任何特定的點被引入較少能量。這消除了熱點并減低破壞的風險。任何破壞性的雙光子處理明顯有益，因為吸收是與激光能量的平方成比例的。僅增加了第二鑷子將特定點的雙光子吸收降低了 4倍。大的細胞例如四膜蟲， 其通過鑷子陣列保持在一個位置，包括大量激光能量用于有效捕獲。將能量置于一個單獨的陷阱中將導致對細胞的立即破壞。最后，通過利用全息光學捕獲，即使僅單個細胞的控制明顯增強。由一行鑷子可控制一個單獨的頰上皮細胞，其沿著一側的周邊提升該細胞。該產生的旋轉允許360度觀察該細胞。除了觀察生物樣本的這一優點之外，還具有穩定地定向樣本的能力，對于對樣本定向有很強依賴性的研究，例如散射實驗，其具有明顯的好處。8.基于旋轉盤的細胞分類器由于大量的精子是典型的突然射出，在精子變得不再有功能之前僅小量的時間可用，每秒大量的精子(以百萬數量級)被分類用于商業上可存活的精子分類器。由于具有并行處理大量細胞的能力，采用全息光學陷阱的分類體現出非常大的優點。使用激光快速訪問大量點的技術已經以旋轉激光盤，CD播放器，或者DVD播放器的形式存在了。這些設備組合了盤的旋轉運動和激光的徑向運動，以不可思議的高速訪問點。例如，典型的DVD播放器可以在兩個小時左右訪問盤上近4千兆個分離的“位”。將該旋轉盤方案與光學捕獲(見圖8)相組合允許以類似的速度訪問細胞，并且全息光學捕獲將這些速度提高了大約100倍甚至更高。如圖8所示，對象或者細胞被引入樣本入口 700，并且使用適當的樣本傳送系統 701，這些細胞被提供至由馬達控制旋轉的樣本分配盤702。該成像和捕獲系統703，與控制和分析系統704連接，將細胞分類，并且它們被收集進樣本腔705和706。有很多在盤的表面上分配細胞的機理。流體腔，其外殼與細胞相獨立；膠體，其粘滯細胞；粘的或者蠟質表面，其結合細胞；或者甚至將細胞冷凍為固體狀態，都是可以使用的方法。一旦細胞被定位，從而它們保持它們的相對位置，它們可以被準確地測量。然后光學捕獲可以從表面或者容積中釋放希望或者不想要的細胞。在期望分類為兩組以上的情況下，每一組可以在單獨通過中被釋放，并且可以執行多個通過。9.利用可融襯底的細胞和非生物物質分類例如熒光激活的細胞分類(FACS)的技術，盡管已經很好地建立，實際上它們是一系列的處理方法。因為在生物學中普遍存在標記染色，根據這些染色進行分類成為可能。這些染色經常在染色和未染色的精子之間創建一些波長或者波長范圍的吸收的差別，假設將被分類的組本質上尚未表現出這一吸收差別。全息光學陷阱則可以被使用以加熱和控制精子進入襯底，該襯底由于精子升高的溫度而融化。隨著明顯的溫度升高，該嵌入的精子可以后來被釋放。此外，較快，甚至并行處理方法成為可能，該方法中細胞由寬帶的高能量光源照明，其同時處理整個精子陣列。同樣一組方法可以應用在非生物樣本中，這些非生物樣本在吸收光譜上不同，或者也可以有選擇地這樣做。10.基于膠體的分類全息光學激光陷阱在對象的控制方向方面具有明顯的優點，其中它們能夠訪問并在三個方向移動對象。由于生物分類應用變得更加先進，經常以少量的時間，大量的精子需要分類。全息光學陷阱三維訪問意味著這些分類應用可被實現。很麻煩或不可能進行系列分類或在兩維襯底上進行分類的感興趣的大量細胞和其他生物樣本可以被有效地分類。這樣的三維分類的一中實現依賴于可逆的膠體處理。細胞在一網絡上被粘滯，然后希望或不希望的細胞利用全息光學陷阱被從膠體中抽取出來。來自陷阱的熱量可以用于融化膠體并提供出口路徑。可選地，采用全息光學激光陷阱，根據一些標準有選擇地被殺死細胞。整個膠體然后被融化，并且活的細胞與死細胞分離。與僅僅殺死不同，可以產生更加具有破壞性的熱爆炸，它使細胞分解為更小的部分，然后根據大小進行分類，分組或者將某些細胞再連接在一起。11.生物樣本的殺死選擇性地殺死生物樣本的能力有大量的應用的好處。一個這樣的應用是將病原體從血液中去除。另一個應用是細胞分類。細胞被識別，一組或多組細胞被殺死，然后死細胞被去除。該殺死通過來自激光本身的光能量執行，不需要光學陷阱執行這一功能。實際上，通過激光束，細胞被加熱或者細胞周圍的介質被加熱，破壞和殺死了細胞。全息光學陷阱，因為它們的通用性和三維控制，允許選擇性的，大量并行殺死細胞。12.固定電子組件注意到上述許多技術能夠用于移動小的電子組件或者將電子組件固定就位。參考上面的實施例已經具體描述了本發明，那些本領域的熟練技術人員應當理解可以進行的各種其它的形式以及細節上的改變，而不脫離本發明的精神實質和范圍。
權利要求
1.對象分類的方法，包括以預定的流速將對象引入輸入通道；利用光束控制裝置提供由一組靜態全息圖形成的低強度的光學陷阱的圖形，以干擾所述輸入通道中的成團對象流并且允許各個對象通過所述輸入通道匯集，所述光學陷阱的強度和位置能夠隨時間變化；利用光束控制裝置將這些對象匯集到層流中，所述光束控制裝置向所述輸入通道的下游提供具有固定強度和位置的低強度的光學陷阱的圖形； 評價這些對象，以確定哪些符合預定的分類標準；以及通過利用所述光學陷阱將經過分類的對象從所述輸入通道移動到多個輸出通道中的一個輸出通道，將符合所述分類標準的對象從不符合所述標準的對象中分離出來。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括以所述輸入通道相同的流速將緩沖液引入平行于所述輸入通道的所述輸出通道，從而形成層流的平行線。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述分類步驟還包括將滿足所述標準的對象從所述輸入通道傳送到所述輸出通道中的一個輸出通道。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，當執行所述分類步驟時，所述層流在所述輸入通道和所述輸出通道中相互鄰近。
5.根據權利要求2所述的方法，還包括使用匯集步驟中的所述光束控制裝置在所述層流的平行線中的對象之間保持最小距1 O
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述輸入通道和所述輸出通道中的所述流速由所述最小距離、所述分類步驟中執行的更新率以及整個對象處理速率設定。
7.根據權利要求2所述的方法，其中，用于分類的所述標準包括熒光檢測、散射測量以及光學偏轉。
8.根據權利要求2所述的方法，其中，用于在所述分類步驟中實現所述光束控制裝置的物鏡的視野寬度等于所述輸入通道和所述輸出通道的視野寬度。
9.根據權利要求6所述的方法，其中，所述輸入通道的長度和所述輸出通道的長度依賴于所述流速、所述通道的深度和每個所述通道的所述更新率。
10.根據權利要求6所述的方法，其中，創建相位掩模的空間光調制器用于驅動所述光束控制裝置，至少一個所述空間光調制器的更新率至少為30 Hz0
全文摘要
本發明采用一光束控制設備來將有用的細胞與其他的細胞、組織和摻和物隔離。在一實施例中，在計算機程序引導的陷阱的柔性控制下，該系統使光學捕獲和流相平衡以并行進行細胞分類，該柔性控制根據細胞的組分或標記不同地控制這些細胞來引導分離。
文檔編號G01N30/02GK102539303SQ20111039948
公開日2012年7月4日 申請日期2003年7月31日 優先權日2002年7月31日
發明者劉易斯·格魯貝爾, 戴維·格里爾, 沃德·洛佩斯, 約瑟夫·S·普萊瓦, 羅伯特·W·蘭斯洛特, 肯尼思·布拉德利 申請人:阿爾利克斯公司