專利名稱：光學(xué)分離法的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及把微小粒子分類的方法和系統(tǒng)的實(shí)施方案。更具體說，本發(fā)明針對(duì)的是，使用全息光學(xué)鑷子技術(shù)，對(duì)諸如宏觀分子、生物分子、納米團(tuán)、膠體粒子、及生物細(xì)胞等微小物體進(jìn)行分類。
背景技術(shù)：
光學(xué)鑷子使用光學(xué)梯度力，使微小的，通常是微米尺度的，沿兩維和三維的物質(zhì)體積，陷入阱中。一種光學(xué)鑷子的全息形式，能夠使用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的衍射光學(xué)單元，從單一的激光束建立大量的光學(xué)鑷子。這些鑷子能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)要求，接任何需要的結(jié)構(gòu)形式排列。
雖然已知一些精確的并以相對(duì)高的可信度移動(dòng)粒子的系統(tǒng)，但是通常的系統(tǒng)對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)別步驟，要求單獨(dú)投射的全息圖。要計(jì)算多個(gè)全息圖是費(fèi)時(shí)的，并要求頗大的計(jì)算工作量。此外，要求實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的光學(xué)鑷子的計(jì)算機(jī)可尋址投射系統(tǒng)，或其他動(dòng)力學(xué)光學(xué)鑷子系統(tǒng)，諸如掃描光學(xué)鑷子，看來將是昂貴得不可接受的。

發(fā)明內(nèi)容
許多技術(shù)上和商業(yè)上重要系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，是通過調(diào)制勢(shì)能的形貌的經(jīng)典遷移產(chǎn)生的。利用這些運(yùn)轉(zhuǎn)的一種方法，是光學(xué)分離法。光學(xué)分離法能夠把微小物體的總體，根據(jù)它們通過光阱陣列的不同能力，連續(xù)地(在給定時(shí)間段內(nèi))分類成分開的成分。具體說，被外力，例如流動(dòng)液體中的粘滯阻力驅(qū)動(dòng)的物體，遇到其對(duì)稱軸以一定角度相對(duì)于驅(qū)動(dòng)力取向的光阱陣列。一般地說，這些阱可以用全息光學(xué)鑷子技術(shù)產(chǎn)生。那些更強(qiáng)烈受這些阱建立的勢(shì)能阱影響的物體，趨于從一個(gè)阱跳到一個(gè)阱，從而偏離驅(qū)動(dòng)力的方向。更強(qiáng)烈受驅(qū)動(dòng)力影響或較不強(qiáng)烈受光阱影響的其他物體，則通過陣列而不偏折。與阱的構(gòu)造形式有關(guān)，可以利用本發(fā)明，使不同成分偏折不同的量。在某些情況中，最好使用上述兩成分實(shí)施例的干凈分離。但是，選擇多種成分以便收集，也包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，在“光學(xué)色譜分離法”方法的連續(xù)分布的方向范圍中，可以成扇形地輸出非均勻的樣本。能夠分開地收集偏折的和不偏折的成分。
一般說，非均勻的輸入樣本與輸出的成分，分散在通過通道流動(dòng)的液體中。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，通道取所謂H形交叉的形式，其中的兩個(gè)輸出，一個(gè)包含輸入的混合樣本，而另一個(gè)僅包含本底液體，在被分開為兩條輸出通道前，被帶到一起并排流動(dòng)一段設(shè)定的距離。如果通道足夠小，則流動(dòng)液體的Reynold數(shù)也足夠小，使該兩種流體不會(huì)混合，而是以層流方式并排地流動(dòng)。結(jié)果，除偶或由于擴(kuò)散外，在輸入流體中的物體通常不會(huì)越過流體之間的分界線，進(jìn)入緩沖劑通道。
本發(fā)明的一個(gè)方面，涉及使用離散光阱陣列的光學(xué)分離法，根據(jù)微小物體對(duì)光阱及對(duì)外加力競(jìng)爭(zhēng)的相對(duì)親合性，連續(xù)地把微小物體分類。不需要的成分，比需要的成分更易擴(kuò)散或更易活動(dòng)。但是，本發(fā)明的另一方面，涉及“相反”的光學(xué)分離法。在相反的光學(xué)分離法中，需要的成分，比不需要的成分更易擴(kuò)散或更易活動(dòng)。
本發(fā)明的另一方面，涉及對(duì)被稱為光學(xué)蠕動(dòng)技術(shù)的修改，在光學(xué)蠕動(dòng)技術(shù)中，微小物體決定性地被投射的光阱圖案序列遷移。光學(xué)蠕動(dòng)與公開的光學(xué)熱棘輪技術(shù)之間的差別，從性質(zhì)上對(duì)系統(tǒng)和方法賦予新的能力，包括沒有限制的通過稱為流量顛倒效應(yīng)的雙向泵浦，還具備對(duì)非均勻樣本進(jìn)行分類的新的可能性。


圖1畫出光學(xué)分離法，其中的顯微流態(tài)學(xué)的H形交叉，包括含有要分類的非均勻樣本的第一流體，和由本底或叫緩沖劑液體構(gòu)成的第二流體；圖2畫出相反的光學(xué)分離法，其中的顯微流態(tài)學(xué)的H形交叉，包括兩種流動(dòng)的液體，一種包含要分離的非均勻樣本，另一種只包含緩沖劑溶液；圖3A畫出光學(xué)分離法的示意側(cè)視圖；圖3B畫出圖3A的光學(xué)分離法的頂視圖；圖4畫出大石英球從小石英球中的光學(xué)分離；圖4A畫出0.79微米半徑球每隔1/60秒測(cè)量的代表性軌跡；圖4B畫出同時(shí)獲得的0.5微米半徑球的軌跡；圖4C是0.79微米半徑球相對(duì)于它們平均面密度的時(shí)間平均面密度；而圖4D是0.50微米半徑球相對(duì)于它們平均面密度的時(shí)間平均面密度；圖5表示對(duì)單一光阱線獲得的分離的空間分辨質(zhì)量；圖6A畫出現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)蠕動(dòng)方法，其中，一種光阱圖案使物體定位；圖6B畫出以位移一段距離的另一個(gè)光阱圖案置換光阱圖案；圖6C畫出又一個(gè)位移的光阱圖案；最后，圖6D畫出光學(xué)蠕動(dòng)一個(gè)循環(huán)的完成；和圖7對(duì)論證流量顛倒的光學(xué)熱棘輪實(shí)施方案，畫出其運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值解。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及光學(xué)分離法的方法和設(shè)備。一個(gè)方面是涉及用離散光阱陣列的光學(xué)分離法，根據(jù)微小物體對(duì)光阱及對(duì)外加力競(jìng)爭(zhēng)的相對(duì)親合性，連續(xù)地把微小物體分類。本發(fā)明的另一方面，涉及“相反”的光學(xué)分離法。本發(fā)明的第三方面，涉及“棘輪式”光學(xué)分離技術(shù)的使用。
為研究調(diào)制遷移，已經(jīng)發(fā)展一種模型系統(tǒng)，其中各個(gè)膠體球被驅(qū)動(dòng)，通過用離散的光學(xué)鑷子建立的規(guī)則勢(shì)阱陣列，同時(shí)用數(shù)字視頻顯微鏡分析它們的運(yùn)動(dòng)。在該系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)表明，隨著陣列相對(duì)于驅(qū)動(dòng)力旋轉(zhuǎn)，被驅(qū)動(dòng)的粒子描出運(yùn)動(dòng)學(xué)上鎖定狀態(tài)的Devil階梯體系。在這些狀態(tài)的每一個(gè)中，粒子的軌跡遵從對(duì)稱選擇的方向，通過阱的格子，與陣列的取向無關(guān)，從而被側(cè)向偏折，離開驅(qū)動(dòng)力?？梢灶A(yù)測(cè)這種偏折，以便提供連續(xù)分離技術(shù)的基礎(chǔ)，在該分離技術(shù)中，已選擇的總體被阱陣列偏折，同時(shí)，其余的樣本不受阻礙地通過。該方法給出光學(xué)分離法的實(shí)際證明，而且還證明，光學(xué)分離法的分辨率可以按指數(shù)律依賴于粒子的大小。因此，該方法給出以前報(bào)告的任何分類技術(shù)不可比擬的靈敏度。
人們能夠證明一種光學(xué)分離法概念上的形式，證明是通過使用離散光阱陣列，根據(jù)微小物體對(duì)光阱及對(duì)外加力競(jìng)爭(zhēng)的相對(duì)親合性，可以連續(xù)地把微小物體分類。這一證明利用分散在水中兩種不同大小膠體石英球的軌跡，該水流經(jīng)過與水流成一定角度排列的光學(xué)鑷子線性陣列。流動(dòng)的膠體分散性被限制在4mm×0.7mm×40μm的玻璃通道，玻璃通道是把蓋板邊緣粘結(jié)在顯微鏡載波片上形成的。在該通道上施加的壓力差，在數(shù)分鐘內(nèi)產(chǎn)生約60μm/秒的大致恒定的Poisseuille流。樣本包括a＝0.79μm半徑的球(Duke Scientific Duke Scientific Corporation，2463Faber Place Palo Alto，California 94303，Lot No.24169)和a＝0.5μm半徑的球(Duke Scientific Lot No.19057)，兩者可以使用常規(guī)的亮場(chǎng)顯微鏡及數(shù)字視頻分析，每隔1/60秒在平面中以30nm精度跟蹤。此外，這些球能夠根據(jù)它們的外觀可靠地區(qū)分，從而提供理想的模型系統(tǒng)，該模型系統(tǒng)對(duì)光學(xué)分離法的顯微鏡響應(yīng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控。大球和小球的典型軌跡，分別示于圖4A和4B。
石英球的密度大致是水的兩倍，因而沉降成正好在通道下玻璃壁之上的單層，較小的球因?yàn)樗鼈冚^輕，漂浮得高些。給定通道內(nèi)的Poisseuille流線，較小的球平均速度為us＝17±9μm/秒，與較大球的ub＝13±2μm/秒相比，移動(dòng)得稍快些。靜態(tài)球的粘滯阻力F1＝γu，由阻力系數(shù)γ表征，阻力系數(shù)與球的半徑a及與球的分界面的鄰域有關(guān)。總體的阻力系數(shù)能夠用Einstein-Smoluchowsky關(guān)系D＝kbT/γ，從它們的擴(kuò)散率D估計(jì)，這里KBT是在溫度T的熱能比例。而擴(kuò)散率又可以從例如示于圖4A和4B的軌跡中橫向速度的起伏測(cè)量。更一般地說，施加的力F1能夠由諸如電泳作用、電滲作用、磁泳作用、或重力沉降等過程提供。
上面出示的光阱，是用動(dòng)態(tài)全息光學(xué)鑷子技術(shù)產(chǎn)生的。12個(gè)離散的光學(xué)鑷子，各用1.7±0.8mW的532nm激光會(huì)聚產(chǎn)生，排列在與通道軸成θ＝12.0°±0.5°的線中，中心到中心的間隔為b＝3.6±0.1μm。每一阱粗略地可用Gauss勢(shì)阱模擬，勢(shì)阱的深度V0和寬度εT，兩者都與球的半徑a有關(guān)。
如果不是對(duì)光阱，那么被外加力F1驅(qū)動(dòng)的粒子通過粘滯液體時(shí)，將以平均速度 移動(dòng)。只要外加的力F1足夠大，光阱只把一個(gè)粒子偏折，使它離開它的軌跡。如果偏折是小的，那么粒子將繼續(xù)向下游移動(dòng)，離開阱的線，且可以說已經(jīng)從阱的線逃選。相反，每一阱可以足夠強(qiáng)，把粒子偏折進(jìn)它鄰近的影響力范疇。在此情形下，粒子將從一個(gè)阱到另一個(gè)阱，并有效地被陣列捕獲。這就是運(yùn)動(dòng)學(xué)鎖定遷移的機(jī)理。選擇的偏折角θ，要接近該鎖定遷移的最大偏折。捕獲粒子的軌跡對(duì)逃逸粒子的軌跡的相對(duì)偏折，是用光學(xué)分離法分類的基礎(chǔ)。偏折和不偏折的成分，可以分別地收集，而圖1示意畫出該過程。
給定阱的幾何結(jié)構(gòu)，可以把激光功率設(shè)定在由經(jīng)驗(yàn)確定的大球和小球逃逸閾值之間。圖4A和4B的軌跡表明，在這些條件下，較大的球被阱陣列系統(tǒng)地偏折，而較小的球則沒有。結(jié)果是，小球不受阻礙地流進(jìn)大球分布中產(chǎn)生的影子中，可以在那里收集它們。相反，被偏折的大球，集中進(jìn)光阱陣列一端小的區(qū)域內(nèi)，可以在那里分開地收集它們。因?yàn)樾∏虻募兓饔煤痛笄虻募校怯奢^大的成分的側(cè)向偏折產(chǎn)生的，所以該光學(xué)分離法過程能夠持續(xù)進(jìn)行，從而優(yōu)于諸如凝膠電泳等分批模式的技術(shù)。
這種只有少量軌跡的性質(zhì)上的解釋，通過考慮圖4C和4D中收集的成千上萬軌跡的統(tǒng)計(jì)，更能使人信服。在此，我們?cè)谝?為中心的面積區(qū)域 中，描繪球的時(shí)間平均面密度 其中對(duì)每一總體都以平均的時(shí)間平均面密度n0歸一化。球?qū)宓南鄬?duì)親和力，可作如下估計(jì)大球在阱中比在整個(gè)流體中的可能性粗略地大18倍，而小球的可能性只大3倍。給定球的相對(duì)速度，那么這些比值，與較大球臨時(shí)停在局部的勢(shì)極小中，而較小球被簡(jiǎn)單地減速，是一致的。
得到的分離質(zhì)量，可以通過測(cè)量作為流體中位置函數(shù)的相對(duì)總體濃度估計(jì)Q(r→)=nb(r→)-ns(r→)nb(r→)+ns(r→)---(1)]]>
圖5A和5B所示上式的優(yōu)值，在僅包含大球的區(qū)域中達(dá)到極大值一個(gè)單位，而在只有小球的區(qū)域中是負(fù)的一個(gè)單位。在阱陣列前橫切沿圖5A線A的流體的一段，展現(xiàn)完全混合的樣本，Q(y)＝0，如圖5B中的小圓圈所示。在阱陣列后沿線B的類似的一段，在圖5B中以較大圓圈畫出，粗略展示對(duì)大球和小球有百分之40的純化作用。許多本底對(duì)阱陣列中的碰撞有貢獻(xiàn)，這種碰撞能使大球逃逸。碰撞導(dǎo)致的逃選，在圖4C阱陣列下游的大球濃度曲線中是明顯的，隨著大球在阱陣列下游端的飽和，碰撞和逃逸的可能性逐漸增大。最有效地避免這種碰撞，是投射若干條平行的阱線。在本實(shí)驗(yàn)條件下，少至三條線可以提供基本完善的分離，在較密的懸浮液中，需要更多的線。
在圖4A、4B和5A、5B中的數(shù)據(jù)表明，離散的光阱陣列，能夠連續(xù)地把球根據(jù)它們的大小分離。考慮導(dǎo)致一種粒子從光阱陣列逃逸，而另一種被捕獲的物理?xiàng)l件，可以給出優(yōu)化光學(xué)分離法的基礎(chǔ)。
為簡(jiǎn)單起見，分析僅有兩個(gè)離散的光阱的影響，該兩個(gè)光阱以x＝±b/2為中心，粒子靠近它們的中點(diǎn)x＝0。粒子的總勢(shì)能是V(r→)=-V0[exp(-(x-b2)22σ2)+exp(-(x+b2)22σ2)]exp(-y22σ2)-F→1·r→---(2)]]>粒子逃逸通過的點(diǎn)是Fy(r→)=F1sinθ-V0σ2y[exp(-(x-b2)22σ2)+exp(-(x+b2)22σ2)]exp(-y22σ2)---(3)]]>=0]]>在這里，總力的y分量等于零。粒子很可能在接近x＝0時(shí)逃逸，因?yàn)橄萑脍逯械牧ψ钊?，且在y＝σ，分離的力最大。在這種情形下，仍允許捕獲軌跡的最大可獲得的偏折，由下式給出sinθ≈f(a)exp(-b28ζ2)---(4)]]>
這里，相對(duì)阱強(qiáng)度f(a)=(2/e)V0/V1]]>與粒子材料性質(zhì)，包括它們的大小有關(guān)，但與阱的構(gòu)造形式無關(guān)。這里V1＝F1σ表征驅(qū)動(dòng)力。類似地，光阱的表觀擴(kuò)展σ(a)不僅依賴于聚焦光束的寬度σ0，還依賴于粒子的大小σ2(a)≈σ02+a2---(5)]]>較大粒子比較小粒子在更大范圍上受光阱的影響。σ的這一性質(zhì)上對(duì)a的依賴，為指數(shù)律靈敏分離建立條件。我們繼續(xù)使用公式(5)來舉例說明。
對(duì)目前從大球和小球分別獲得的V0/V1＝1.3和0.73的數(shù)據(jù)，使用熱起伏分析來表征光阱的深度。同一分析表明，阱的表觀寬度為σ＝0.94±0.07μm和0.74±0.07μm。這些結(jié)果對(duì)大球建議的臨界角是θ＝14°±1°，而對(duì)小球是θ＝3°±2°，這與觀察到的大球系統(tǒng)地被捕獲而小球逃逸的現(xiàn)象一致。對(duì)N個(gè)阱陣列中勉強(qiáng)捕獲的粒子，總的側(cè)向偏折是(N-1)bsinθ。因此，由Δ(a|b)＝bsinθ (6)建立每一阱的側(cè)向偏折，從而表征陣列的效率。選擇在Δ＝4/eV0/F1上的阱間間隔b＝2σ(a)來優(yōu)化該效率。這個(gè)結(jié)果對(duì)實(shí)際光學(xué)分離法系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有用的，但沒有必要優(yōu)化它對(duì)粒子大小的靈敏度。
靈敏度可以用式子表示為S(a/b)≡∂Δ(a|b)∂a---(7)]]>且可通過下式優(yōu)化
∂S(a|b)∂b=∂2Δ(a|b)∂b∂a=0---(8)]]>于是得到b22(σ02+a2)=3-x(a)+9-2χ(a)+χ2(a),---(9)]]>這里χ(a)=a2+σ02af′(a)f(a)---(10)]]>方程式(9)建立阱間間隔b，在角度θ上按該間隔的光阱陣列，對(duì)將被捕獲的“大”粒子和對(duì)將逃逸的“小”粒子的區(qū)分，是最靈敏的。
作為實(shí)際的例子，可以用這些結(jié)果來優(yōu)化粘滯流體中的光學(xué)分離法。對(duì)大小可與光波長(zhǎng)比較或更小的粒子，勢(shì)阱的深度將與粒子體積V0＝Aa3成比例，同時(shí)，粘滯阻力與粒子的半徑V1＝Ba成正比，所以f(a)與a2成正比。把優(yōu)化的間隔b代入方程式(4)中基于流體分離的判據(jù)，得sinθ≈2Aa2Bexp(σ022a2-34-1294+σ02a2+σ04a4)---(11)]]>方程式(4)和(5)還表明，光學(xué)分離法只線性地依賴于勢(shì)阱的深度。因此，光學(xué)渦流體實(shí)際陣列的實(shí)際深度的變化，只線性地使分離的分辨率降質(zhì)，并一般能被大體上對(duì)粒子大小更強(qiáng)的依賴性補(bǔ)償。
總之，前述例子事實(shí)上已經(jīng)用膠體石英球模擬系統(tǒng)，闡明了光學(xué)分離法，還證明該技術(shù)對(duì)基于大小的分離有可能實(shí)現(xiàn)指數(shù)律的靈敏度。前述的考慮說明，可以選擇光學(xué)分離系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，優(yōu)化基于大小的分離，且指數(shù)律的靈敏度是標(biāo)準(zhǔn)的。基于其他特征的分離，可以用相同的論證優(yōu)化，不過一般不能期望得到指數(shù)律的靈敏度。
方程式(11)還提供深入了解把光學(xué)分離法用于蛋白質(zhì)和納米團(tuán)物體的可能性，這些物體的尺度α是以數(shù)十納米測(cè)量的。具體說，方程式(11)表明，在固定角度θ上，從1微米尺度的物體到10納米尺度的物體，將要求比值A(chǔ)/B增加數(shù)個(gè)量級(jí)。這一點(diǎn)在原理上可以通過增加光強(qiáng)、縮減它的波長(zhǎng)、和選擇與粒子的互作用發(fā)生共振加強(qiáng)的波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)。
在該系統(tǒng)中實(shí)施光學(xué)分離，涉及建立阱的陣列，該陣列以一定方式跨越輸入的混合流體，該種方式能使粒子需要的成分被偏折，越過分界線，進(jìn)入緩沖劑流體。一方面，成功的操作要求樣本有足夠低的擴(kuò)散率或移動(dòng)性，使不需要的成分自發(fā)地以可接受的低速率越過分界線。
但是，本發(fā)明的另一方面針對(duì)相反的情形，這種情形是，需要的成分比不需要的成分更易擴(kuò)散或更易活動(dòng)。此外，這一方面還針對(duì)需要的成分比另一種成分互作用更弱，因而不被常規(guī)的光學(xué)分離法選擇的情形。本發(fā)明的最大利益，將在能實(shí)施兩種條件的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，盡管兩種條件還不夠。圖1畫出有兩種液體流體的顯微流態(tài)學(xué)的H形交叉100。一種流體，即混合的輸入流體110，包含待分離的非均勻樣本。另一種流體，即緩沖劑流體120，由本底或緩沖劑液體構(gòu)成。輸入流體110中的物體，遇到與流體成 角度排列的光學(xué)鑷子陣列130，該光學(xué)鑷子陣列130把樣本中選擇的成分偏折，使之進(jìn)入緩沖劑輸出流體140，以便收集。樣本中不偏折的成分，依舊留在原先的液流即輸出流體150中，在那里被收集。
如圖2所示，代替建立引導(dǎo)物體離開混合輸入流體110并進(jìn)入緩沖劑流體120的光阱陣列，本發(fā)明還能在物體或者通過擴(kuò)散，或者通過主動(dòng)的游動(dòng)試圖越過分界線時(shí)，使用光阱引導(dǎo)該物體返回輸入的混合流體中。如同在圖l所示的常規(guī)方法中一樣，顯微流態(tài)學(xué)的H形交叉200包含兩種流動(dòng)的液體流，其中之一210包含待分離的非均勻樣本，而其中的另一種220只包含緩沖劑溶液。在混合的輸入流體210中，只有那些試圖越過兩種流體分界線的物體，才遇到光阱陣列230，該光阱陣列的排列，在于引導(dǎo)物體返回混合的輸入流體210中。通過光阱陣列230越過分界線的物體，在緩沖劑輸出流體240中被收集。那些或者因?yàn)樗鼈冚^不易擴(kuò)散，或者因?yàn)樗鼈儽还廒尻嚵?30偏折的物體，仍舊留在原先的輸入流體中，可以在輸出流體250中分開地收集。在這種情形下，較不易擴(kuò)散或較不活動(dòng)的物體，被偏折回混合的輸入流體中，同時(shí)更易移動(dòng)的成分將從阱逃逸并越過分界線而被收集。同樣，較不強(qiáng)烈受光阱影響的物體，更能越過分界線而被收集。
盡管光學(xué)分離法要求足夠大量的光阱，以填充整個(gè)混合的輸入流體，但上述相反的過程僅要求足夠的光阱，以覆蓋正好圍繞流體間分界線的區(qū)域。因此，相反的光學(xué)分離法，比常規(guī)的光學(xué)分離法，要求遠(yuǎn)少得多的光阱，所以更有效地使用需要建立光阱的激光。
就這方面來說，光學(xué)分離法已經(jīng)很好地證明了優(yōu)于其他的分類技術(shù)，相反的光學(xué)分離法給出相同的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括連續(xù)操作而不是分批操作；通過調(diào)整激光功率、激光波長(zhǎng)、光學(xué)鑷子幾何配置、驅(qū)動(dòng)力、和對(duì)大小的指數(shù)律靈敏度而連續(xù)地優(yōu)化。相反的光學(xué)分離法，把這些優(yōu)點(diǎn)推廣到那些常規(guī)光學(xué)分離法或者不能應(yīng)用，或者不實(shí)際的系統(tǒng)。因?yàn)榻柚Ｒ?guī)光學(xué)分離法，相反的光學(xué)分離法可以有利地利用形成阱的光偏振的優(yōu)點(diǎn)，或形成阱的光束模式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)物體的雙折射性、旋光性、彈性、以及諸如大小、光散射截面、光吸收率、表面電荷、及形狀等性質(zhì)，對(duì)物體進(jìn)行分類。
眾所周知，根據(jù)物體的擴(kuò)散率，對(duì)物體進(jìn)行分類，顯微流態(tài)學(xué)的H形交叉是有用的。為相反的光學(xué)分離法增加光學(xué)鑷子陣列，極大地增強(qiáng)過程的選擇性，并給出大量新的對(duì)物體分類的物理基礎(chǔ)。
本發(fā)明的另一方面，是利用熱棘輪。圖6(A-D)畫出光學(xué)蠕動(dòng)操作所根據(jù)的原理，并用于解釋光學(xué)熱棘輪的特性。在圖6A中，畫出離散光阱的圖案使單個(gè)物體定位。該圖案示意地表示成兩個(gè)離散的勢(shì)能阱，各有寬度σ，分開的距離是L。事實(shí)上，實(shí)際的圖案可能包括許多組織成管道的光阱。光學(xué)蠕動(dòng)和本文公開的光學(xué)熱棘輪方法的目的，是把物體從一個(gè)光阱管道傳送到另一個(gè)。這兩種方法的不同，在于它們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
在光學(xué)蠕動(dòng)中，阱的初始圖案被另一個(gè)取代，在后一個(gè)圖案中，管道位移一段可與σ相比的距離(見圖6B)。因?yàn)樾聞?shì)阱與舊的重疊，粒子確定性地轉(zhuǎn)移到新圖案上最近的管道。圖6C以又一個(gè)位移的阱圖案，重復(fù)該過程。當(dāng)投射原先的圖案時(shí)，完成光學(xué)蠕動(dòng)的一個(gè)循環(huán)(見圖6)。這個(gè)循環(huán)的凈效應(yīng)，是把陷入阱中的粒子從第一圖案中一個(gè)阱的管道，傳送到也在第一圖案中的下一個(gè)管道。實(shí)際上，有許多粒子陷入許多光阱中；且在每一光學(xué)蠕動(dòng)的循環(huán)中，全部粒子將被一組管道向前傳送。運(yùn)動(dòng)的方向由序列的順序明確地確定，并能夠通過顛倒該順序而反過來。
光學(xué)熱棘輪與光學(xué)蠕動(dòng)的差別，在于沿運(yùn)動(dòng)方向，管道之間的距離基本上比各個(gè)阱的寬度更大。因此，當(dāng)激勵(lì)第二圖案時(shí)，陷入第一圖案中的粒子可以自由擴(kuò)散。那些擴(kuò)散得足夠遠(yuǎn)，以致到達(dá)第二圖案中最近管道的粒子，迅速被定位。然后，被定位的成分在投射第三圖案時(shí)，再次被向前傳送(也通過擴(kuò)散)，并當(dāng)循環(huán)回到第一圖案時(shí)，又一次被傳送。與光學(xué)蠕動(dòng)不同，光學(xué)蠕動(dòng)中確定性的遷移，保證在每一循環(huán)中，所有陷入阱中的物體向前運(yùn)動(dòng)，而上述被偏置的擴(kuò)散，只向前遷移樣本的一定成分。
但是，上述熱棘輪的實(shí)施例導(dǎo)致新的機(jī)會(huì)。太慢以致追不上向前傳播的波的粒子，當(dāng)圖6C的第三圖案照射時(shí)，可能仍在擴(kuò)散得足夠遠(yuǎn)，追上逆行到它們開始點(diǎn)的阱。這些粒子在每一循環(huán)中，被向后傳送管道間距離的三分一。通過形成阱的圖案序列的總體，是向前運(yùn)動(dòng)還是向后運(yùn)動(dòng)，由粒子擴(kuò)散速率與序列循環(huán)速率之間的均衡確定。因此，改變循環(huán)的速率，能夠改變平均運(yùn)動(dòng)的方向，此現(xiàn)象亦稱流量顛倒。
在循環(huán)的光學(xué)鑷子圖案的影響下，能夠計(jì)算粒子的期望流量。在位置xj上的鑷子，可以用Gauss勢(shì)阱模擬。
uj(x)=-V0exp(-(x-xj)22σ2)---(12)]]>該勢(shì)阱有深度V0和寬度σ。該勢(shì)阱顯然是空間對(duì)稱的。阱的圖案建立棘輪運(yùn)轉(zhuǎn)需要的三態(tài)循環(huán)中的一個(gè)狀態(tài)。作為說明的例子，可以考慮圖案中的阱以相等距離L隔開，所以在狀態(tài)k中的整個(gè)勢(shì)是
Vk(x)=-Σi=-NN-V0exp(-(x-jL-kL3)22σ2)---(13)]]>這里k＝0、1、或2。還有，如說明的例子所示，勢(shì)能的形貌，可以考慮每隔相等時(shí)間T通過這三個(gè)狀態(tài)重復(fù)循環(huán)。該時(shí)間可與擴(kuò)散率D的粒子通過系統(tǒng)擴(kuò)散的時(shí)間τ=L22D---(14)]]>相當(dāng)。T與τ之間均衡的結(jié)果，確定勢(shì)能狀態(tài)序列驅(qū)動(dòng)粒子通過系統(tǒng)的方向。
在光阱和隨機(jī)熱力的組合影響下，在時(shí)間t、位置x的dx中找到Brown粒子的概率p(x，t)dx，由主方程式?jīng)Q定p(y，t+τ)＝∫P(y，τ|x，0)p(x，t)dx(15)這里，對(duì)每一狀態(tài)k的傳播函數(shù)，由下式給出，Pk(y，t|x，0)＝eL(16)對(duì)時(shí)間τ＜T，有L(y)=D(∂2∂y2-β∂2V(y)∂y2)---(17)]]>且這里β-1是熱能比例。一個(gè)完整三態(tài)循環(huán)的主方程式是，p(y，t+3T)＝∫dy3P3(y3，T\y2，0)∫dy2P2(y2，T\y1，0)∫dy1P1(y1，T\x，0)p(x，t)(18)
對(duì)對(duì)稱的光學(xué)鑷子勢(shì)，我們的考慮是，該主方程式有穩(wěn)態(tài)解，可使p(x，t+3T)＝p(x，t) (19)于是，該穩(wěn)態(tài)的平均速度由下式給出v=-∫p(x)∂V3(x)∂x+∂p(x)∂xdx---(20)]]>圖7對(duì)βV0＝10和σ/L的兩個(gè)代表值，畫出該方程式系統(tǒng)的數(shù)值解。對(duì)循環(huán)時(shí)間T非常小的值，粒子不能跟上迅速變化的勢(shì)能形貌，從而隨機(jī)地?cái)U(kuò)散；平均速度最終在該極限中等于零。如果在相繼圖案中的阱重疊(圖7中σ＝0.15L所示)，粒子確定性地從一個(gè)阱到一個(gè)阱地通過，產(chǎn)生一致的正的漂移速度。這種傳送，對(duì)適度的循環(huán)時(shí)間T而言，達(dá)到它的最大效率，而對(duì)更長(zhǎng)的停頓時(shí)間，沒有改進(jìn)。結(jié)果是，當(dāng)1/T在長(zhǎng)時(shí)間的極限中時(shí)，漂移速度下降。
分開得更寬的阱(圖7中σ＝0.10L所示)產(chǎn)生另一種運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在這里，對(duì)足夠大的T值，粒子能夠跟上向前傳播的波。但是，更快的循環(huán)，導(dǎo)致以負(fù)v值為特征的流量顛倒。這一數(shù)值結(jié)果表明這樣的原理，利用該原理，能夠使用光學(xué)鑷子陣列，以流量顛倒實(shí)施完全對(duì)稱的熱棘輪。
如圖7所示，對(duì)βV0＝10的Gauss阱勢(shì)三態(tài)循環(huán)，出現(xiàn)從σ＝0.15L的確定性光學(xué)蠕動(dòng)，到σ＝0.10L的流量顛倒熱棘輪運(yùn)轉(zhuǎn)的跨越。
至此，已經(jīng)說明因循環(huán)時(shí)間T的變化而導(dǎo)致的流量顛倒。對(duì)非均勻樣本中不同的總體，它們的不同擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生不同的τ值，也能引起流量顛倒效應(yīng)。只要選擇T來驅(qū)動(dòng)一種總體向前而驅(qū)動(dòng)另一種總體向后，那么可以引起這些不同的總體同時(shí)沿相反方向運(yùn)動(dòng)。接此方式，已說明的光學(xué)熱棘輪，對(duì)分離和純化由液體載運(yùn)的小物體是有用的。
實(shí)施可逆轉(zhuǎn)熱棘輪的一種優(yōu)選的光學(xué)途徑，與其他基于棘輪的分離方案相比，是有優(yōu)點(diǎn)的。例如，基于叉指式電極陣列的熱棘輪，已經(jīng)應(yīng)用于DNA碎片的分類。但是這些熱棘輪需要復(fù)雜的微制作工藝，而光學(xué)棘輪能夠廉價(jià)地實(shí)施，并能容易地組裝成顯微流態(tài)學(xué)裝置，供芯片上實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。先前已經(jīng)證明，一種基于單個(gè)時(shí)間共享的掃描光學(xué)鑷子的光學(xué)棘輪，可以引起流量顛倒。所述途徑有賴于建立在時(shí)間平均意義上的空間非對(duì)稱勢(shì)能形貌，因而該系統(tǒng)根據(jù)與上述過程不同的原理。在本文說明的優(yōu)選系統(tǒng)中，每一圖案中的每一光阱，提供空間對(duì)稱勢(shì)能阱；而圖案自身也是空間對(duì)稱的。單向的遷移，是通過每一循環(huán)中至少三種圖案的序列，利用斷開時(shí)空對(duì)稱性驅(qū)動(dòng)的。
前面建議的對(duì)稱熱棘輪例子之一，也涉及三態(tài)序列。但是，該途徑依賴于只在一種狀態(tài)中允許擴(kuò)散的粒子，對(duì)其他兩種狀態(tài)，則起確定性棘輪的作用，從而使擴(kuò)散偏置。在本文獻(xiàn)中說明的過程，涉及在所有三個(gè)狀態(tài)中的擴(kuò)散和定位，因此給出更多的選擇性，和更迅速的對(duì)非均勻樣本的分類。
雖然已經(jīng)出示并說明優(yōu)選的實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)指出，本領(lǐng)域的一般人員，在不偏離更廣泛意義上的本發(fā)明的情形下，可以對(duì)之作出改變和修改。本發(fā)明的各種特性，由下面的權(quán)利要求書規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種把微小物體的總體分類的設(shè)備，包括第一通道和第二通道；驅(qū)動(dòng)微小物體總體通過通道的力的源；位于第一通道和第二通道聚合處并由激光束構(gòu)成的多個(gè)管道，以便形成許多光阱；這些光阱被組織成多種圖案，其中，這些圖案的排列，要使一種圖案的管道能被其余圖案的管道分隔開；和這些光阱以一定角度相對(duì)于驅(qū)動(dòng)力取向，且使光阱的每種圖案彼此分隔地排列；其中，微小物體的總體至少被分類為需要的成分和不需要的成分。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中的微小物體總體，分散在第一通道內(nèi)配置的液體媒質(zhì)中，其中還在第二通道中配置緩沖劑。
3.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中的通道包括一種H形交叉。
4.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中的光阱由全息光學(xué)裝置建立。
5.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中不需要的成分，比需要的成分更易擴(kuò)散或更易活動(dòng)。
6.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中，需要的成分，比不需要的成分更易擴(kuò)散或更易活動(dòng)。
7.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中，沿驅(qū)動(dòng)力方向各管道間的距離，基本上大于各種阱的寬度。
8.按照權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，當(dāng)按順序激勵(lì)圖案時(shí)，光阱只適合把微小粒子總體的一部分向前移動(dòng)。
9.按照權(quán)利要求7的設(shè)備，其中的圖案，適合當(dāng)激勵(lì)一種圖案時(shí)，能使微小粒子總體陷入可以擴(kuò)散的另一種圖案的阱中。
10.一種連續(xù)地把微小粒子的總體，分開成至少需要的成分和不需要的成分的方法，包括如下步驟提供一種驅(qū)動(dòng)微小粒子總體的外力；提供激光束，以便形成許多光阱；和組織這些光阱，使不需要的成分能離開這些阱，而留住需要的成分。
11.按照權(quán)利要求10的方法，還包括把微小物體總體分散在送進(jìn)第一通道的液體流體中，其中還把緩沖劑送進(jìn)第二通道中。
12.按照權(quán)利要求10的方法，其中的通道包括一種H形交叉。
13.按照權(quán)利要求10的方法，還包括用全息光學(xué)鑷子技術(shù)建立光阱。
14.按照權(quán)利要求10的方法，其中，沿驅(qū)動(dòng)力方向各管道間的距離，基本上大于各種阱的寬度。
15.按照權(quán)利要求10的方法，其中，當(dāng)按順序激勵(lì)圖案時(shí)，只有微小粒子總體的一定成分通過光阱向前移動(dòng)。
16.按照權(quán)利要求10的方法，其中，當(dāng)激勵(lì)一種圖案時(shí)，陷入另一種圖案的阱中的微小粒子總體，可以自由擴(kuò)散。
17.按照權(quán)利要求10的方法，其中，一些粒子通過光阱陣列向前運(yùn)動(dòng)，而一些粒子通過光阱陣列向后運(yùn)動(dòng)。
18.一種連續(xù)地把微小粒子的總體分開的方法，包括如下步驟提供一種驅(qū)動(dòng)微小粒子總體的外力；把激光束聚焦，形成許多光阱；和提供各包括至少一條管道的多種圖案，每一管道至少包括一種光阱；和每隔一段時(shí)間，熱激勵(lì)每一種圖案，其中，當(dāng)熱激勵(lì)一種圖案時(shí)，陷入先前熱激勵(lì)的另一種圖案阱中的粒子，可以自由擴(kuò)散；其中，微小物體的總體至少被分類為需要的成分和不需要的成分。
19.按照權(quán)利要求18的方法，還包括用全息光學(xué)鑷子技術(shù)建立光阱。
20.按照權(quán)利要求18的方法，其中，沿驅(qū)動(dòng)力方向各管道間的距離，基本上大于各種阱的寬度。
21.按照權(quán)利要求18的方法，其中，當(dāng)按順序激勵(lì)圖案時(shí)，只有微小粒子總體的一定成分通過光阱向前移動(dòng)。
22.按照權(quán)利要求18的方法，其中，當(dāng)激勵(lì)一種圖案時(shí)，陷入另一種圖案的阱中的微小粒子總體，可以自由擴(kuò)散。
23.按照權(quán)利要求18的方法，其中，一些粒子通過光阱陣列向前運(yùn)動(dòng)，而一些粒子通過光阱陣列向后運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
可以使用光阱的靜態(tài)陣列把微觀物體按大小的指數(shù)律靈敏度分類。這種光學(xué)分離法依賴于外加力和運(yùn)動(dòng)物體對(duì)光梯度阱不同的親合力之間的競(jìng)爭(zhēng)。在相反的分離法方法中，受阱更強(qiáng)烈影響的物體，被動(dòng)態(tài)地鎖定在陣列中并被系統(tǒng)地偏折回輸入的流體中。在熱棘輪方法中，圖案是分隔開的，以便讓微粒擴(kuò)散，從而提供向前或向后通過圖案運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)。與其他分類技術(shù)不同，光分離法能夠連續(xù)地運(yùn)行，還能夠連續(xù)地優(yōu)化。源于微粒大小對(duì)勢(shì)阱表觀寬度依賴性的指數(shù)律靈敏度，是十分普遍的。
文檔編號(hào)H05H3/02GK1792123SQ200480013395
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者大衛(wèi)·G·格里爾 申請(qǐng)人:芝加哥大學(xué)