專利名稱：以全息光學(xué)陷阱制造、篩分和融合材料的裝置和方法
以全息光學(xué)陷阱制造、篩分和融合材料的裝置和方法
本申請是申請日為2003年7月31日，申請?zhí)枮?3823510, 2，名稱為"以全息光學(xué)陷阱 制造、篩分和融合材料的裝置和方法"的發(fā)明專利申請的分案申請。
本發(fā)明中涉及空間分辨光化學(xué)法(spatially resolved photochemistry)的這一部分是在美國政府資助下，利用全息光學(xué)陷阱 完成的，此資助系由國家科學(xué)基金以資助號DMR-9730189、及國家科 學(xué)基金的MRSEC計劃以資助號DMR-9880595來提供。本發(fā)明中涉及 使用光學(xué)陷阱(optical traps)以從吸收顆粒中篩分出非吸收顆粒的這 一部分是在美國政府資助下完成的，此資助系由由國家科學(xué)基金以資 助號DMR-9730189來提供。
本發(fā)明一般涉及以高聚焦光束、利用強照度和強度梯度(intensity gradients)來操作和調(diào)整細小電介質(zhì)顆粒其它物質(zhì)的方法和裝置。特別 是，本發(fā)明涉及這樣的方法和裝置其通過由衍射光學(xué)元件如全息圖 (hologram)或衍射光柵所引導(dǎo)的聚焦光束，產(chǎn)生光學(xué)陷阱或陷阱及多 種可供選擇的光的強度模式中的任何一種，以將顆粒材料或其它受影 響的材料匯集或?qū)б揭环N期望的空間模式，以用于無數(shù)用途中的一 種用途。更特別的是，本發(fā)明涉及操縱、影響小電介質(zhì)顆粒或其它物 質(zhì)之間的相互作用、并以光化學(xué)方式來對其進行轉(zhuǎn)化和/或篩分的方法。
公知的是，可使用由單束光得到的光梯度力(optical gradient forces)來形成一個光學(xué)陷阱(也就是陷阱)，以改變浸入到液體介質(zhì) 中的小電介質(zhì)顆粒的位置，其中液體介質(zhì)的折射率小于顆粒的折射率。 光學(xué)陷阱技術(shù)己得到推廣，從而使得反射、吸收和低介電常數(shù)顆粒的 操縱也變?yōu)榭赡堋Ｍ瑯?，美國?055106號專利(2000年4月25日頒 發(fā))公開了用多個陷阱來操縱多個顆粒。然而，本發(fā)明的有關(guān)光學(xué)陷 阱的各種應(yīng)用以前并不為人所知。
最初由A.Ashkin等人所描述的光學(xué)陷阱現(xiàn)已成為一種常規(guī)方法， 用于陷獲、移動及在不同情況下操縱物質(zhì)的介觀體積(mesoscopic
volumes)。參見A,Ashkin等人的"Observation of single-beam gradient forces optical trap for dielectric particles (對于介電顆粒的單束梯度力光 學(xué)陷阱的觀察)"，Optics Letters 11, 288-290(1986)。他們操作的核心是 將陷獲光的吸收減小到最低以避免損壞被陷獲的物質(zhì)。光學(xué)手術(shù)刀的 作用原理正相反，是使用高聚焦光束的能量來切入柔軟物質(zhì)。本專利 申請則公開并要求保護一種新穎的混合系統(tǒng)，其中聚焦激光束對不均 勻試樣中的一些非吸收顆粒(nonabsorbing particles)起到光學(xué)陷阱的 作用，并同時對其它顆粒起到光學(xué)手術(shù)刀的作用。
本發(fā)明的光學(xué)陷阱技術(shù)的另一種應(yīng)用涉及通過破壞細胞膜而不導(dǎo) 致其完全損壞，且使物質(zhì)通過破壞處移動，而將一些外部物質(zhì)引入到 活細胞中。為此已開發(fā)出了許多方法，包括用來轉(zhuǎn)染短尺寸DNA的病 毒載體、基因注射器(gene gun)及其用來轉(zhuǎn)移較大片段的變體、及用 來完成跨膜擴散(transmembrane diffusion)的電穿孔，但看來還沒有 哪種適合用來轉(zhuǎn)移物理意義上大的物質(zhì)，特別是在那些物質(zhì)本身脆弱 的情況下。本說明書所描述的本發(fā)明的方法和裝置便解決I這個問題 及其它問題。
"it匕外，可用全息光學(xué)陷阱來實現(xiàn)空間分辨光化學(xué)法，在以化學(xué)方 式分辨小結(jié)構(gòu)方面，空間分辨光化學(xué)法相對于與之競爭的技術(shù)具有多 個優(yōu)點。例如，用光學(xué)陷阱實現(xiàn)的空間分辨光化學(xué)法便于產(chǎn)生三維結(jié) 構(gòu)，其特征從尺寸上構(gòu)成了從光波長到宏觀尺度的一小部分范圍。雖 然諸如浸蘸筆納米平版印刷術(shù)(dip-pen nanolithography)和微接觸印刷 術(shù)(microcontactprinting)這類技術(shù)提供了更高的空間分辨率，但是它 們不能修正三維構(gòu)造。已知有很多種光化反應(yīng)，且其中任一種均可修 正空間分辨光加工(spatially-resolved photo-fabrication)。因此，空間分 辨光化學(xué)法比大多數(shù)微米及納米加工法具備更高的適用性。用全息光 學(xué)陷阱來實現(xiàn)空間分辨光化學(xué)法，通過大幅提高其效率從而增強了此 基本方法的實用性。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的方法和系統(tǒng)，其使用 一個和/或多個裝置來同時建立多個光學(xué)陷阱，舉例來說，上述一個和/ 或多個裝置諸如是同時作用于一單個試樣上的多個全息光學(xué)陷阱工 具，以及同時作用于一單體試樣的多個光學(xué)陷阱和多個強度區(qū)域。
本發(fā)明的一個附加目的是，提供一種新的方法和裝置，其使用全 息圖來產(chǎn)生光梯度場，從而控制多種顆?；蚱渌鈱W(xué)介質(zhì)。
本發(fā)明更進一步的目的是，提供一種用來建立多個光學(xué)陷阱的改 進的方法和系統(tǒng)，用于多種涉及小顆粒操縱的商業(yè)應(yīng)用，例如光子電
路(photonic circuit)的制造、纟內(nèi)米復(fù)合材料(nanocomposite material)的應(yīng) 用、電子部件的制造、光電子器件(opto-electronk devices)、化學(xué)和生 物傳感器陣列、全息數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)(holographic data storage matrices)的 組裝、組合化學(xué)(combinatorial chemistiy)應(yīng)用的簡易化、膠體自組裝 (colloidal self-assembly)的開發(fā)、及生物材料的操縱。
本發(fā)明的一個更進一步的目的是，提供一種改進的方法和系統(tǒng)， 其使用光學(xué)陷阱來將外部物質(zhì)融入到活細胞中。
本發(fā)明還有一個目的是，提供一種改進的方法和系統(tǒng)，其從光吸 收顆粒(optically absorbing particles)中篩分出光'非吸收顆粒(optically nonabsorbing particles)。
本發(fā)明還有一個目的是，提供一種改進的方法和系統(tǒng)，其使用空 間分辨光化學(xué)法來完成異質(zhì)結(jié)構(gòu)(heterogeneous structures)的制造。
本發(fā)明還有一個目的是，提供一種改進的方法和系統(tǒng)，用來對不 同顆粒的篩分應(yīng)用，建立在時間上和空間上均變化的光梯度場(optical gradient fields)的形態(tài)。
本發(fā)明還有更進一步的目的是，提供一種新的方法和系統(tǒng)，其使 用與一個或多個衍射光學(xué)元件相協(xié)作的一條或多條激光束，來建造可 選擇的光學(xué)陷阱的時變的和/或特定的空間陣列，以操縱電介質(zhì)金屬材 料和其它材料。
本發(fā)明另外還有更進一步的目的是，提供一種改進的方法和系統(tǒng)， 其使用單輸入激光束、衍射光學(xué)元件、及會聚透鏡來形成靜態(tài)或動態(tài) 的光學(xué)陷阱，此光學(xué)陷阱與其它這樣形成的光學(xué)陷阱相協(xié)作，可被用 來操縱、影響細小電介質(zhì)顆粒或其它材料的相互作用，以光化學(xué)方式 改變和/或篩分細小電介質(zhì)顆粒或其它材料。
本發(fā)明此外還有更進一步的目的是，提供一種改進的方法和系統(tǒng)， 其以一光束掃描系統(tǒng)來利用入射到衍射光學(xué)元件的激光束，從而使光 學(xué)陷阱陣列的掃描得以用于多種商業(yè)用途。
本發(fā)明此外的另一目的是，提供一種新的方法和裝置，其使用激 光束、衍射光學(xué)元件和會聚光學(xué)系統(tǒng)來構(gòu)造光學(xué)陷阱的布局，以在相 對于物鏡焦面的可選擇位置上，形成該陷阱的布局。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種新的方法和裝置，其使用入射 到一衍射光學(xué)元件的激光束，來產(chǎn)生光學(xué)陷阱的三維排列。
本發(fā)明的另一目的是，提供一種新的方法，其使用一種時間相關(guān) 可尋址相移介質(zhì)(如液晶相移陣列或其它相位介質(zhì))作為衍射光學(xué)元 件，來產(chǎn)生多個獨立受控的光學(xué)陷阱。
本發(fā)明的更進一步的目的是，提供一種新的方法，用來形成用于 微觀粒子分離的時間相關(guān)的光梯度場。
本發(fā)明還有另一個目的是，提供一種新的方法，用來操縱包括蛋 白質(zhì)的結(jié)晶在內(nèi)的多個生物目標或完成其它相變。
根據(jù)以下對優(yōu)選實施例的描述，并結(jié)合下邊所描述的附圖，本發(fā) 明的其它目的、特征、優(yōu)點將是顯而易見的，在附圖中，同一元件自 始至終由同一編號表示。


圖1說明用于單個光學(xué)陷阱的現(xiàn)有技術(shù)方法和系統(tǒng)；
圖2說明用于單個可控光學(xué)陷阱的現(xiàn)有技術(shù)方法和系統(tǒng)；
圖3說明使用衍射光學(xué)元件的方法和系統(tǒng)；
圖4說明另一種方法和系統(tǒng)，其中使用了相對于輸入光束傾斜的 光學(xué)元件；
圖5說明一種可持續(xù)平移的光學(xué)陷阱陣列，其中使用了衍射光學(xué) 元件；
圖6說明一種方法和系統(tǒng)，其中使用光學(xué)陷阱陣列來操縱顆粒， 同時還形成用于觀察上述光學(xué)陷阱陣列的圖像；
圖7A說明一種4^4陣列光學(xué)陷阱的圖像，其使用了圖6中的光學(xué) 系統(tǒng)；而圖7B說明一微米直徑硅球的圖像，上述硅球在陷獲照射剛剛 熄滅之后、但在這些球分散開之前，被圖7A中的光學(xué)陷阱懸浮于水中；
圖8A說明在將材料轉(zhuǎn)移到細胞時的第一步驟，其中材料被密封在 為光學(xué)陷阱所束縛的脂質(zhì)體(liposome)中；圖8B說明被融合到細胞膜
上的脂質(zhì)體；而圖8C則是脂質(zhì)體中的材料通過脂質(zhì)體-細胞結(jié)合中的 裂口而被轉(zhuǎn)移；
圖9為一個操作流程圖，展示了從吸收顆粒中對非吸收顆粒的分 離。非吸收試樣被光學(xué)陷阱陣列所偏轉(zhuǎn)。吸收試樣則被分裂成小碎片 而且不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
具體實施例方式
本發(fā)明展示了對Grier等人在美國第6055106號專利中所公開和要 求保護的"Apparatus for Applying Optical Gradient Force(用于施加光梯 度力的裝置)"的多種應(yīng)用。以下利用術(shù)語光學(xué)陷阱、光學(xué)陷阱及光梯 度力陷阱來涵蓋上述裝置。圖1和2通過介紹展示了幾種現(xiàn)有技術(shù)的 方法和系統(tǒng)。下面首先將回顧這些系統(tǒng)，然后將要根據(jù)圖3到圖7A和 7B中的光學(xué)陷阱實施例，來描述本發(fā)明的方法。在圖l所示的現(xiàn)有技 術(shù)光學(xué)陷阱系統(tǒng)10中，光梯度力是由于使用單束光12而產(chǎn)生的，用 以可控制地操縱散布于介質(zhì)16中的小電介質(zhì)顆粒14，其中介質(zhì)16的 折射率小于顆粒14的折射率。光梯度力的性質(zhì)是眾所周知的，從而同 樣可以理解的是，此原理已被推廣，而能夠用來操縱反射、吸收以及 低介電常數(shù)顆粒。完成
光學(xué)陷阱系統(tǒng)10是借助使用光束12 (如激光束)來加以運用的， 此光束能夠施加為取得光學(xué)陷獲效應(yīng)所需的必要的力，上述光學(xué)陷獲 效應(yīng)是要用來操縱顆粒的。用來產(chǎn)生傳統(tǒng)形式的光學(xué)陷阱10的方法是， 通過一會聚光學(xué)元件(如物鏡20)的后孔24的中心，來投射一條或多 條光束，每條光束具有一指定的平行度。如圖1所示，光束12具有寬 度"W"、且具有相對于光軸22的入射角4> 。光束12從物鏡20的后孔 24輸入，并從前孔26輸出，大體上會聚于處在成像空間32的焦面30 上的焦點28，其中焦點28與光學(xué)陷阱33相對應(yīng)。通常，任意被投射 到衍射限焦斑、且擁有足夠高的軸向強度梯度以克服軸向輻射":從而 可靠地陷獲顆粒的光束均可構(gòu)成光學(xué)陷阱系統(tǒng)10的基礎(chǔ)。
產(chǎn)生這樣的焦點，需要有一個聚焦元件，其具有足夠大的數(shù)值孔 徑(numerical aperture)以及充分校正過的相差。一般來說，用于形成陷 阱的最小數(shù)值孔徑約為0.9到1.0。
在光束12為平行激光束且其軸與光軸22重合的情況下，光束12
進入物鏡20的后孔24并被投射到成像空間32中的一焦點上，該焦點 位于物鏡的焦面30的中心點。當光束12的軸相對于光軸22以角度4) 位移時，光束的軸31與光軸22在后孔12的中心點B處重合。這個位 移可使光學(xué)陷阱穿過視場平移，平移量取決于物鏡20的角度變化。角 位移4)與光束12的可變會聚點這兩個變量可以被利用，在成像空間32 內(nèi)的一個選定位置形成光學(xué)陷阱。如果多條光束12是以不同角度4)和 不同平行度被施加到后孔24的，則可在不同位置布置多個光學(xué)陷阱 33。
為在三維空間中進行光學(xué)陷獲(optical trapping),作用在待陷獲顆 粒上的光梯度力必須大于由光的散射和吸收所產(chǎn)生的其它輻射壓。通 常這要求在后孔24處，光束12的波陣面具有適合的形狀。例如，對 一個高斯TEM。。輸入激光束來說，光束直徑W應(yīng)該與入射光孔24的 直徑大體相同。對更一般的光束輪廓如拉蓋爾-高斯模式而言，可比條 件可被列成公式。
在圖2所示的另一種原有技術(shù)系統(tǒng)中，光學(xué)陷阱系統(tǒng)10可穿過物 鏡20的視場來平移光學(xué)陷阱33。望遠鏡34是由透鏡Ll和L2組成的， 這些透鏡確定了點A，在圖l的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，點A對于點B來說 是在光學(xué)上共軛的。在圖2的系統(tǒng)中，光束12穿過點A也穿過點B， 因而滿足了作為光學(xué)陷阱系統(tǒng)10而工作的基本需求。平行度是通過使 透鏡L1和L2定位來保證的，如圖2所示，它們的焦距和其它光學(xué)特 性是經(jīng)過選擇的，為的是優(yōu)化望遠鏡34的性能的傳遞(tmnsfer)。特 別是，可以選擇望遠鏡34的放大倍數(shù)，以優(yōu)化在物鏡20的后孔24的 平面上的光束12的角位移及其寬度W。如前所述， 一般來說，可利用 多個光束12來形成若干相關(guān)的光學(xué)陷阱。這樣的多個光束12可以由 多條獨立的輸入光束，或是由傳統(tǒng)的反射和/或折射光學(xué)元件所操縱的 單一一條光束來產(chǎn)生。
在一種光學(xué)陷阱的布局中，如圖3所示，可形成任意的光學(xué)陷阱 陣列。衍射光學(xué)元件40大體上被放置在平面42中，該平面與物鏡20 的后孔24共軛。請注意，雖然為簡明起見只顯示了單一一條衍射輸出 光束44，但是應(yīng)理解，衍射光學(xué)元件40能夠產(chǎn)生了多條這樣的光束
44。入射到衍射光學(xué)元件40的輸入光束12被分裂成輸出光束44的結(jié) 構(gòu)，其特點是具有衍射光學(xué)元件40的特性，這些輸出光束每條均從點 A發(fā)射出去。所以由于此前所述的下游光學(xué)元件的順序，輸出光束44 同樣穿過點B。在某些情況下，當需要以彼此間特定的空間關(guān)系來產(chǎn) 生多個目標，其中每個目標處于一特定的方向時，就必須在一定時標 上形成多個目標，上述一定時標快于目標發(fā)生相對運動的時標。除了 其它因子外，這一時標是介質(zhì)的粘度的函數(shù)。在這種情況下，能夠同 時產(chǎn)生多個目標的裝置便可能提供有利條件而優(yōu)于順序產(chǎn)生目標的裝 置。
圖3所示的衍射光學(xué)元件40與輸入光束12正交，但也可有許多 其它布置。例如在圖4中，光束12是以相對于光軸22的斜角p抵達 衍射光學(xué)元件40的，而不是與之正交。在這一實施例中，從點A射出 的衍射光束44將在成像空間32 (見圖1)的焦面52中形成光學(xué)陷阱 50。在光學(xué)陷阱系統(tǒng)10的此種配置下，輸入光束12的未衍射部分54 可從光學(xué)陷阱系統(tǒng)10中除去。因而這種布局能夠處理較少的背景光， 并且提高形成光學(xué)陷阱的效率和有效性。
衍射光學(xué)元件40可包括計算機產(chǎn)生的全息圖，這些全息圖將輸入 光束12分裂成預(yù)先選擇的所需結(jié)構(gòu)。將這些全息圖與圖3和圖4中的 其它光學(xué)元件相結(jié)合，便可以產(chǎn)生任意的陣列，在這些陣列中衍射光 學(xué)元件40被用來分別形成每條衍射光束的波陣面。因此，光學(xué)陷阱50 不僅可分布在物鏡20的焦面52上，還可分布到焦面52之外而形成光 學(xué)陷阱50的三維空間排列。
在圖3和圖4的光學(xué)陷阱系統(tǒng)10中，還包括聚焦光學(xué)元件，例如 用來會聚衍射光束44以形成光學(xué)陷阱50的物鏡20 (或其它功能相同 的光學(xué)器件如菲涅耳透鏡)。此外，望遠鏡34，或其它等效的傳遞光學(xué) 系統(tǒng)，產(chǎn)生了與先前的后孔24的中心點B共軛的點A。衍射光學(xué)元件 40被置于包含點A的平面上。
在另一實施例中，光學(xué)陷阱50的任意陣列可以不利用望遠鏡34 來產(chǎn)生。在這類實施例中，衍射光學(xué)元件40可直接被放置于包含點B 的平面上。在本發(fā)明的另一形式中，其中一個透鏡可被放置在全息圖 自身中，而不是在望遠鏡34中。
在光學(xué)陷阱系統(tǒng)10中，可使用靜態(tài)的或時間相關(guān)的衍射先學(xué)元件 40。對于動態(tài)的或稱時間相關(guān)的方案而言，可產(chǎn)生光學(xué)陷阱50的隨時 間變化的陣列，這些陣列可成為利用此特征的系統(tǒng)的一部分。此外，
這些動態(tài)光學(xué)元件40可被用來有效地移動顆粒和具有彼此間光學(xué)特性 各異的其它材料。例如，衍射光學(xué)元件40可以是一液晶空間光調(diào)制器， 其對于入射激光束的波陣面，進行計算機產(chǎn)生的相位調(diào)制的編碼。在 另一實施例中，也可以用空間光調(diào)制器與相環(huán)配合以取代上述衍射光 學(xué)元件。
在圖5所示的另一實施例中，可構(gòu)造一個系統(tǒng)以實現(xiàn)光學(xué)陷阱50 的持續(xù)平移。設(shè)置一平衡環(huán)底座上的反射鏡60，而使其旋轉(zhuǎn)中心位于 點A。光束12入射到反射鏡60的表面且它的軸經(jīng)過點A，并將被投 射到后孔24。反射鏡60的傾斜導(dǎo)致光束12相對于反射鏡60的入射角 而變化，并且這一特征可被用于平移所產(chǎn)生的光學(xué)陷阱50。第二望遠 鏡62是由透鏡L3和L4構(gòu)成的，并且它產(chǎn)生了一個與點A共軛的點A'。 位于點A'的衍射光學(xué)元件40現(xiàn)在產(chǎn)生了衍射束64的結(jié)構(gòu)，每條衍射 束64都穿過點A，從而形成光學(xué)陷阱系統(tǒng)10的陣列之中的一個陷阱 50。
在圖5所示實施例的工作過程中，反射鏡60將整個陷阱陣列作為 一個整體來平移。這種方法有效地使光學(xué)陷阱陣列與固定的基底精確 對齊，以通過小振幅快速振動位移量來動態(tài)地加固光學(xué)陷阱50,并用 于任何需要整體平移能力的應(yīng)用。
光學(xué)陷阱50的陣列也可通過移動試樣臺或通過調(diào)整望遠鏡34來 進行相對于試樣臺的垂直平移。此外，上述光學(xué)陷阱陣列還可通過移 動試樣臺來進行相對于試樣的橫向平移。這一特征對于超出物鏡的視 場范圍之外的移動來說將是特別有效的。
在圖6所示的另一種實施例中，光學(xué)系統(tǒng)被設(shè)置成能夠看到被光 學(xué)陷阱10所陷獲的顆粒的圖像。二色分光鏡70，或其它等效的光學(xué)分 光器，被插入于物鏡20與光學(xué)陷阱系統(tǒng)10的光學(xué)系列部件(train)之 間。在所示實施例中，分光鏡70選擇性地反射被用來形成光學(xué)陷阱陣 列的光波長，而透射其它波長。因此，被用來形成光學(xué)陷阱50的光束 12是以高效率透射到后孔24的，而被用來形成圖像的光束66則能夠 通過而到達成像光學(xué)系統(tǒng)。
以下描述本發(fā)明的將外來物質(zhì)融入到活細胞中的方法的另一實施 例。最近己確定，光學(xué)陷阱裝置可有利地通過光學(xué)陷獲、以光學(xué)方式
引入的膜融合(membrane flision)和光學(xué)切削的結(jié)合使用，而被用來 將外來物質(zhì)如人造染色體融入到活細胞中。作為非限定性的示例，所 述方法包括如下步驟將所要轉(zhuǎn)移的材料封裝到例如一種脂質(zhì)體中， 將上述脂質(zhì)體融合到細胞膜上，并且穿破結(jié)合點以進行轉(zhuǎn)移。上述第 一個步驟可利用任何已知的可行的封裝技術(shù)。 一旦封裝完成，脂質(zhì)體 便可由光學(xué)陷阱來陷獲，并朝向目標細胞移動。因為取決于材料對光 的敏感度，所以若干個獨立的光學(xué)陷阱可能優(yōu)于一個光學(xué)陷阱，在此 情況下全息光學(xué)陷阱優(yōu)于其它技術(shù)，如掃描光學(xué)陷阱。
與按順序處理多個陷獲點、且因此而是分時的掃描光學(xué)陷阱不同， 全息光學(xué)陷阱連續(xù)地照射其每個陷阱。對一個掃描光學(xué)陷阱而言，要 想取得與一連續(xù)照射陷阱相同的陷獲力，它就必須提供至少相同的時 間平均強度。這意味著掃描陷阱必須有一個較高的峰值強度，此峰值 強度是根據(jù)一個至少與陷獲區(qū)域的數(shù)量成比例的系數(shù)確定的。此較高 峰值強度增加了在被陷獲材料中的光致?lián)p害(optical-induced damage) 的機會。此損害可能由于至少三種機理產(chǎn)生(1)單光子吸收引起局 部升溫，(2)單光子吸收引起光化學(xué)轉(zhuǎn)變，與(3)多光子吸收引起光 化學(xué)轉(zhuǎn)變。事件(1)和(2)可通過選擇僅被陷獲材料和周圍流體介 質(zhì)微弱吸收的光的波長來減少。事件(3)是個更為普遍的問題，且可 通過使用波長較長的光來減少一部分。多光子吸收是本說明書的光化 聚合部分的核心機理，其發(fā)生速率與強度的乘方成比例(就是說對雙 光子吸收為I2)。通過減小陷獲光束的峰值強度，此過程的速率便被快 速減小到可接收的程度。因此，低強度而連續(xù)照射的全息光學(xué)陷阱優(yōu) 于分時的掃描陷阱。此外，與任何掃描陷阱技術(shù)相比，全息光學(xué)陷阱 方法適于在一廣延目標的空間內(nèi)分布更多的獨立陷阱。特別是，全息 光學(xué)陷阱能夠在一個目標的三維輪廓線范圍內(nèi)分布陷阱，而不同于僅 局限在單一平面內(nèi)的掃描陷阱。
在一個'目標的多個位置上分布陷獲力，則進一步使全息光學(xué)陷阱 能夠?qū)⑹┘拥侥繕说娜我庖稽c的最大強度和最大力降到最低。這可被
看作類似于一個釘床，任何處于其中的人都會招致傷害，但是將載荷 在多個釘子上加以分散，便將局部力減小到造成傷害閾值以下。
因此，全息光學(xué)陷阱具有優(yōu)于掃描陷阱和單個傳統(tǒng)光學(xué)陷阱的本 質(zhì)上的優(yōu)點。如果細胞本身是運動的，則可用全息光學(xué)陷阱將其固定 于某一位置和方向。對一些應(yīng)用而言，舉例來說，當材料必須被轉(zhuǎn)移 到細胞的某一特定部分同時經(jīng)過其它部分時，光學(xué)陷阱操縱提供了有 利條件?？捎脝为氁唤M全息光學(xué)陷阱將細胞和脂質(zhì)體同時固定住。
如圖8C所示，細胞200具有不能滲透的壁210，例如就像一個植 物細胞。可用一把光學(xué)手術(shù)刀切去足夠多的壁210，直至露出細胞膜 215的一部分，以進行隨后的脂質(zhì)體融合。用于這種切割或稱消融的激 光非?？赡軙ぷ饔诒扔脕砉潭ê鸵苿又|(zhì)體220及細胞200的波長 更短的波長上。與通常不希望出現(xiàn)材料損害的陷獲不同，切割需要在 聚焦光和材料之間發(fā)生強烈的相互作用。因此，上述減小損害的條件 也為優(yōu)化所期望的損害提供了指導(dǎo)。特別是，較短波長的光與較長波 長光相比，每個光子攜帶有更多能量。因此，每個光子吸收更有可能 傳遞足夠的能量來破壞化學(xué)鍵，并且重組細胞壁210和細胞膜215中 的高分子。所有這些轉(zhuǎn)化的速率在光波長較短時都是增加的。
一旦露出了細胞膜215的適當部分，便可將脂質(zhì)體220移動到其 附舉，再次使用光學(xué)陷阱力(參見圖.8A)?？赏ㄟ^蛋白質(zhì)或摻入到脂 質(zhì)體的外表面內(nèi)的其它生化劑的作用而以化學(xué)方式，或通過一個或多 個照射在脂質(zhì)體-膜界面上的光脈沖而以光學(xué)方式，來完成融合(參見圖 8A)。
融合可以繼續(xù)進行從而以一個步驟來完成轉(zhuǎn)移，否則可能需要進 一步的化學(xué)處理和額外的光脈沖以破壞膜-脂質(zhì)體界面。 一旦此界面被 破壞，脂質(zhì)體的內(nèi)含物(材料240)便可通過擴散而轉(zhuǎn)移到細胞200 的內(nèi)部230，否則也可借助于一個或多個光學(xué)陷阱而將其移動到細胞 200之內(nèi)。此外，舉例來說，對于人造染色體，材料240可通過利用光 學(xué)陷阱而被直接放置在細胞核250中，以穿透細胞膜215和細胞質(zhì)來 轉(zhuǎn)移物質(zhì)，然后切割核膜以完成直接進入胞核250的轉(zhuǎn)移。
一旦轉(zhuǎn)移結(jié)束，便可將細胞200固定在適當位置以便在采集之前 對其進一步觀察。固定和采集均可便利地借助光學(xué)陷阱的操縱來進行，
特別是當上述整個過程發(fā)生在一個封閉的微流系統(tǒng)中的情況下。
從試樣選擇到細胞采集，整個處理都可使用傳統(tǒng)的用于觀察的光 學(xué)顯微鏡來完成。實際上，用來產(chǎn)生供這一處理用的光學(xué)陷阱及手術(shù) 刀的同一光學(xué)系統(tǒng)也可被用來監(jiān)視其進程。此外，如果所有步驟皆使 用全息光學(xué)陷阱或相關(guān)操縱技術(shù)完成，則整個處理也可以是自動化的， 而使用數(shù)字式記錄的顯微鏡圖像來擬定光學(xué)陷阱的模式及其運動的程 序。 -
要引入到細胞200內(nèi)的物質(zhì)或稱材料240可以是任意物質(zhì)，并且 優(yōu)選對于要被引入其內(nèi)的細胞200不是內(nèi)生的(endogenous)。優(yōu)選的 是，上述物質(zhì)是正常情況下不能穿越細胞膜的物質(zhì)。要引入到細胞200 內(nèi)的物質(zhì)優(yōu)選是親水物質(zhì)，然而上述物質(zhì)也可以是疏水的。任何生物 分子或任何大分子，例如分子的復(fù)合物，均被引入到細胞200內(nèi)。材 料240 —般具有100道爾頓或更大的分子量。在一個更為優(yōu)選的實施 例中，材料240是核酸分子，如DNA、 RNA、 PNA (例如cDNA、基 因組DNA、質(zhì)粒(plasmid)、染色體、寡核苷酸、核苷酸序列或核酶) 或嵌合分子或其碎片，或表達載體。此外，材料240可以是任何生物 活性分子，如蛋白質(zhì)、多肽、肽、氨基酸、荷爾蒙、多糖、染料(dye)， 或是藥劑，如藥物(dmg)。
雖然這段討論集中于使用單個脂質(zhì)體的內(nèi)含物來改變單個細胞的 各種方法，但相同的手段可被用于將多個脂質(zhì)體融合到單個細胞上， 和被用于同時處理多個細胞。
在本發(fā)明的另一種形式中，提供了一種系統(tǒng)和方法以從吸收顆粒 290中篩分出非吸收顆粒310 (參見圖9)。己發(fā)現(xiàn)光學(xué)陷阱或陷阱陣列 300可以有利地由聚焦激光束形成，此激光束對試樣中的一些非吸收顆 粒310起到光學(xué)陷阱的作用，而對其它顆粒則起到光學(xué)手術(shù)刀的作用。 然而不是、像傳統(tǒng)的光學(xué)手術(shù)刀那樣精確地切割吸收顆粒290，光的吸收 被用來非特定地平整(obliterate)吸收顆粒290，以將它們縮小為非常 小的碎片330。然后，這些小碎片便可從遺留在光學(xué)陷阱320內(nèi)的未受 損害的非吸收顆粒中被分離出來。
這種方法的一個應(yīng)用實例為在血樣中搜尋癌細胞的問題。 一般在 測試可以開始之前，必須將試樣中數(shù)量巨大的紅血球從候選癌細胞中
分離出來。來自光學(xué)陷阱的光在可見波長范圍內(nèi)工作，例如波長為
532nm，它會被紅血球強烈吸收，并因此而可被用于通過局部升溫來破 壞紅血球。然而，其它無色素(impigmented)的細胞則可用同一可見 光光學(xué)陷阱來陷獲，并受到處理以進行下一步測試。例如，假設(shè)可見 光光學(xué)陷阱的陣列被排列成其特征空間明顯小于紅血球的尺寸。在外 部介導(dǎo)(mediated)液體流的驅(qū)動下穿過此光學(xué)陷阱陣列的細胞混合物 將會遇到這些光學(xué)陷阱。強吸收細胞將被縮小為許多小得多的碎塊， 例如通過其與光交互作用而產(chǎn)生的膜碎片。這些較小碎塊與光的交互 作用相對較弱且其一小部分可被陣列中的一些陷阱陷獲。然而更可能 DSH ，它們會被液體流沖走。弱吸收細胞則將會遇到一個或多個陣列 中的光學(xué)陷阱、 一次或多次陷獲、 一個或多個陷獲力，而不是受到光 的損害。
'與被損壞細胞的碎片相比，完整細胞會擁有易受光學(xué)陷獲影響的 更大且數(shù)量更多的區(qū)域，且因此將易于被光學(xué)陷阱的陣列所陷獲。位 于光學(xué)陷阱陣列中的細胞可通過移動這些光學(xué)陷阱本身，例如利用本 專利申請受讓人的一個較早申請的技術(shù)特征(見Grier等人的美國專利 申請序列號09/875812;其美國專利申請公開號為US 2002-0185592 Al, 出版于2002年12月12日)，通過移動試樣容器以將被陷獲細胞輸送 到該試樣容器內(nèi)的采集區(qū)，或通過周期性關(guān)閉陷阱并用液體流將細胞 導(dǎo)引到采集區(qū)，而輸送以便采集。通過以上任何方法，均可將不吸收 光的細胞從吸收光的細胞中分離采集出來。
此方法可從篩分細胞推廣至篩分任意的對至少一個特定光波長吸 收系數(shù)相差很大的其它材料。這種操縱的優(yōu)點包括排斥非期望的吸收 材料的優(yōu)良保真度，及執(zhí)行其它有效篩分步驟的能力。這些相同的優(yōu) 點將出現(xiàn)在對上述消融顆粒篩分法的其它應(yīng)用中。
在光學(xué)消融顆粒篩分的優(yōu)選實施例中，非吸收顆粒的分離可以用 多個以全息光學(xué)陷阱技術(shù)產(chǎn)生的光學(xué)陷阱來實現(xiàn)。針對被平整吸收顆 粒而進行的陷獲顆粒分離可以利用過去公開的有效陷阱操縱、光學(xué)蠕 動(optical peristalsis)、流動中的被動橫向缺陷(passive lateral defection) 等技術(shù)來完成。此分離也可在微流裝置中完成，其中一條管道用于沖 洗去除由于吸收顆粒的平整所帶來的廢物，而其它管道用于采集選定
的非吸收顆粒。
在過去使用光學(xué)陷阱時，要特別注意選擇不會對所要陷獲的材料 造成損害的光的波長。在本發(fā)明中，目的是選擇一個波長，該波長能
夠被混合試樣中的不希望有的亞群(subpopulation)強烈吸收，而僅被
要回收的亞群微弱吸收。用傳統(tǒng)方法來進行弱吸收亞群的回收，而在 此情況下的分離則是通過不希望有的那部分的被動破壞來實施的，而 不是主動選擇來實施的。這也可成為一個預(yù)處理步驟，用于其它分析
方法如流式細胞法(flow cytometry )。
作為非限定性的實例，此方法可被用于通過血液篩選來進行癌癥 的早期檢測。已知幾種癌癥在其早期階段并不形成界定清楚的腫瘤， 但卻有不正常細胞的某些特定部分會脫落到血流中。實際上，對這些 細胞的檢測將顯示出病人已患早期癌癥的跡象。這樣的檢測在需要發(fā) 現(xiàn)完整的腫瘤或其代謝產(chǎn)物的其它方法之前，即能夠提供至少一種試 驗性的診斷。因此，此方法將會提供早期的且更有效的治療。這可與 傳統(tǒng)的用來將較稠的、承載血色素的紅血球從血液中所攜帶的其它細 胞中分離出來的離心法相比較。然而，離心法經(jīng)常將較輕的細胞與較 重的細胞夾雜在一起，因此使檢測變得非常困難。
使用本發(fā)明的方法，可使血樣流過一光學(xué)陷阱陣列，此光學(xué)陷阱 陣列所具有的波長和強度將會破壞紅血球的細胞結(jié)構(gòu)，而保持非紅血 球如白血球和可能的癌細胞完好。實際上，紅細胞將被縮小成因過小 而不能陷獲的碎片。相反，未受破壞的細胞卻可以被光學(xué)陷阱所陷獲， 并且舉例來說通過順序地更新陷阱模式，而被輸送到一采集點，以備 后面的分析之用。
而在本發(fā)明的其它實施例中，涉及一種實施空間分辨光化學(xué)法的 方法。光可以為光化反應(yīng)提供激活能，并且在一個光子不能攜帶足夠 的能量來啟動光化反應(yīng)的情況下，如果能同時吸收兩個或更多個光子 而使得所有被吸收光子的總能量超過反應(yīng)的激活臨界值，則光化反應(yīng) 仍然能夠進行。多光子吸收過程進行的速率非線性地取決于可用光的 強度，其中雙光子吸收發(fā)生的速率與光的強度的平方12成比例。對于 強度的這種非線性關(guān)系可被用于僅在一較大試樣的選定空間內(nèi)啟動光 化反應(yīng)，并以空間分辨方式來繼續(xù)此反應(yīng)。上述反應(yīng)只發(fā)生于照射足
夠強的區(qū)域，而不發(fā)生于其它區(qū)域。
光學(xué)陷阱是高度聚焦的光束，并因此而為通過光化學(xué)來產(chǎn)生空間 分辨結(jié)構(gòu)提供了一種理想方法。光學(xué)陷阱中的焦點是照射區(qū)中光照強 度最高的區(qū)域。將這個焦點區(qū)的強度調(diào)節(jié)到接近對應(yīng)于光化學(xué)變化
(photochemical transformation)的一定適當速率的臨界值，有利于在 一定空間內(nèi)的受控光化反應(yīng)，該空間對光學(xué)陷阱的衍射限焦斑體積是 可比的。另一方面，光學(xué)陷阱一般被用來陷獲和操縱小體積物質(zhì)，在 此應(yīng)用中，它們被用于以預(yù)期的方式轉(zhuǎn)化物質(zhì)。在本技術(shù)領(lǐng)域中，單 個光學(xué)陷阱已被用來產(chǎn)生局部強光照射，以啟動和傳播雙光子光化反 應(yīng)，從而制造直徑小至10微米的光化聚合裝置。在過去的傳統(tǒng)方法中， 確定光化學(xué)模式需要使單個光學(xué)陷阱平移穿過液態(tài)前體，或使液體平 移經(jīng)過單個光學(xué)陷阱。無論在哪種情況下，用空間分辨^^化學(xué)來產(chǎn)生 結(jié)構(gòu)的過程都涉及順序地照射目標空間。
與過去的方法不同，本發(fā)明使用多個全息光學(xué)陷阱，同時在多個 位置實施空間分辨光化學(xué)法，從而產(chǎn)生由異質(zhì)或同質(zhì)材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。 例如，按照過去的方法，人們可使用多條光束來同時形成同一結(jié)構(gòu)的 多個復(fù)制品，因此能夠同時制造多個完全相同的結(jié)構(gòu)。另外，人們可 使用多個光束同時制造單獨一個結(jié)構(gòu)的不同方面，因此能夠大大加快 其制造速度。最后，可用獨立的光束圍繞一外部空間周圍產(chǎn)生外部結(jié) 構(gòu)，并同時制造內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)(即在圍繞該空間獨立產(chǎn)生的外殼之內(nèi) 的結(jié)構(gòu))。所有這類技術(shù)的共同之處在于，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是由同質(zhì)材料 如凝膠構(gòu)成的。在本發(fā)明中，與現(xiàn)有技術(shù)不同，光學(xué)陷阱的操縱與由 此產(chǎn)生的化學(xué)變化的獨特結(jié)合也能夠產(chǎn)生單個或多個異質(zhì)結(jié)構(gòu)。例如， 在形成了一定目標的情況下，可用特定的光學(xué)陷阱將其固定在適當位 置，同時用同樣聚焦的光束來產(chǎn)生由通過光化學(xué)方式所轉(zhuǎn)化的材料構(gòu) 成的相互連接，從而產(chǎn)生異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
而且，與傳統(tǒng)光學(xué)陷阱不同，全息光學(xué)陷阱使用計算機產(chǎn)生的衍 射光學(xué)元件，以便在三維空間中，以任何用戶規(guī)定的模式來確定多個 光學(xué)陷阱。在這樣一種陷獲模式中，每個焦點均可被用來引發(fā)光化學(xué) 變化。計算機算法能夠在一個三維的可進入空間內(nèi)的任何位置放置一 個或多個光學(xué)陷阱，并且允許獨立地調(diào)整這些陷各自阱的特性。通過
計算和投射一個新的全息圖，即可以實現(xiàn)在由原來的陷阱移動得到的 位置上，或在陷阱特性略微不同的情況下，用陷阱產(chǎn)生新的布局。因
此，可以通過前體溶液(precursor solution)來操縱陷阱的固定排列， 從而制造以光化學(xué)方式確定的模式的多個復(fù)制品，雖然可能需要一系 列小步驟來產(chǎn)生大的變化。相反，在一個全息光學(xué)陷阱陣列中的個別 陷阱可通過計算和投射一系列計算機產(chǎn)生的衍射模式而被獨立地移 動，其中每種模式中的每個陷阱的位置均按需更新。這樣就會使得多 個陷阱能夠同時在多個區(qū)域內(nèi)引發(fā)光化學(xué)變化，還會有助于高效尋址 一個或多個光化學(xué)方式限定的結(jié)構(gòu)的多個部分。在此類應(yīng)用中，全息 光學(xué)陷阱技術(shù)的優(yōu)點包括極大地提高了生產(chǎn)率以及局部調(diào)整啟動和生 長傳播速率的機會，從而優(yōu)化了制成品中的可能取決于形成過程的上 述方面的材料特性。
在本發(fā)明的方法中，全息光學(xué)陷阱是借助光化聚合NorlandType 73 紫外固化粘合劑和Norland Type 88紫外固化粘合劑、使用由倍頻 Nd:YV04激光器獲得的532nm波長的光，而得到利用的。光學(xué)陷阱已 經(jīng)被用于由包含紫外線受激光引發(fā)劑(UV-exdtedphotoinitiator)及無 輻射抑制劑的前體溶液，來光化聚合聚丙烯酰胺。
盡管展示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而 易見的是，在不偏離本發(fā)明在所附權(quán)利要求書中限定的較寬范圍的情 況下，尚可做出很多變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種使用一個或多個光學(xué)陷阱從吸收顆粒中篩分出非吸收顆粒的方法，所述方法包括提供一衍射光學(xué)元件，用以接收一條激光束并形成多條獨立激光束；提供一聚焦元件，其位于所述衍射光學(xué)元件的下游，所述衍射光學(xué)元件與所述聚焦元件相配合，分別會聚每條所述激光束而形成一實質(zhì)聚焦光斑，以使用對應(yīng)于每個顆粒的其中一條所述激光束，為每個所述顆粒在所述光斑內(nèi)形成一獨立的光學(xué)陷阱；使吸收顆粒和非吸收顆粒通過所述光學(xué)陷阱，由此令光的吸收非特定地平整所述吸收顆粒，而將其縮小為較小碎片；分離所述小碎片，而在所述光學(xué)陷阱中留下未受損害的所述非吸收顆粒；及將所述非吸收顆粒從所述光學(xué)陷阱中除去。
2. —種通過光化學(xué)法在材料上產(chǎn)生多個空間分辨結(jié)構(gòu)的方法，其使用以下 至少其中之一多個全息光學(xué)陷阱及一光學(xué)陷阱配合的照射斑點，所述方法包 括提供一衍射光學(xué)元件，用以接收一條激光束并形成多條獨立的激光束； 提供一聚焦元件，其位于所述衍射光學(xué)元件的下游，所述衍射光學(xué)元件與所述聚焦元件配合，分別會聚每條所述激光束以形成用于處理至少一個顆粒的獨立光學(xué)陷阱；提供一執(zhí)行程序的計算機，以控制在一個三維可進入空間內(nèi)放置所述光學(xué) 陷阱，并對該光學(xué)陷阱的光學(xué)特性提供獨立的調(diào)整；及調(diào)節(jié)所述獨立激光束的強度以完成所述材料的預(yù)定光化學(xué)變化，從而有助 于在與所述光學(xué)陷阱的衍射限焦斑體積及一照射斑點有關(guān)的空間內(nèi)的受控光 化反應(yīng)；并且使用其中一個所述光學(xué)陷阱，來操縱所述光學(xué)陷阱和照射斑點的至少其中 之一的位置和強度，以選擇性地在多個區(qū)域內(nèi)引發(fā)光化學(xué)變化，由此制造多個 以光化學(xué)方式確定的模式的復(fù)制品。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進一步包括在三維空間中以用戶規(guī)定的模 式為多個所述光學(xué)陷阱確定多種功能。
全文摘要
公開了用來操縱、影響小電介質(zhì)顆?；蚱渌牧祥g的相互作用、并以光化學(xué)方式對其轉(zhuǎn)化和/或篩分的裝置和方法。所述裝置和方法涉及使用一或多個衍射光學(xué)元件，其各自接收單條激光束并形成多條激光束。這些激光束通過望遠鏡透鏡系統(tǒng)且隨后通過物鏡元件工作，從而產(chǎn)生光學(xué)陷阱陣列，以操縱、影響小電介質(zhì)顆?；蚱渌牧祥g的相互作用、并以光化學(xué)方式對其轉(zhuǎn)化和/或篩分。本發(fā)明的一個目的是提供改進的方法和系統(tǒng)以用光學(xué)陷阱將外部物質(zhì)融入到活細胞中。本發(fā)明的另一目的是提供改進的方法和系統(tǒng)以將光非吸收顆粒從光吸收顆粒中篩分出來。本發(fā)明還有一目的是提供用空間分辨光化學(xué)法來完成異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造的改進的方法和系統(tǒng)。
文檔編號G02B21/32GK101114054SQ20071010965
公開日2008年1月30日 申請日期2003年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月1日
發(fā)明者D·G·格里爾, E·R·杜費斯尼 申請人:芝加哥大學(xué)