DE60316303T2 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung, sortierung und integration von materialien mittels holographischeroptischer fallen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung, sortierung und integration von materialien mittels holographischeroptischer fallen Download PDF

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    • H05H3/00Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/04Acceleration by electromagnetic wave pressure

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Manipulieren und Modifizieren von kleinen dielektrischen Partikeln oder anderen Materialien unter Verwendung von intensiver Beleuchtung und Intensitätsgradienten in stark fokussierten Lichtstrahlen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, die fokussiertes Laserlicht verwendet, das durch ein optisches Beugungselement wie etwa ein Hologramm oder Beugungsgitter gerichtet wird, um optische Fallen oder Fallen und eines von einer Vielfalt von auswählbaren optischen Muster zu erzeugen, um partikuläre Materialien oder betroffene Materialen zu einem gewünschten räumlichen Muster für irgendeine von einer Unzahl von Anwendungen zusammenzusetzen oder zu richten.
  • Es ist bekannt, eine optische Falle (d. h. eine Falle) unter Verwendung von optischen Gradientenkräften aus einem einzigen Lichtstrahl zu konstruieren, um die Position eines kleinen dielektrischen Partikels zu manipulieren, das in ein Fluidmedium eingetaucht ist, dessen Brechzahl kleiner als die des Partikels ist. Die Technik der optischen Fallen ist verallgemeinert worden, um auch die Manipulation von reflektierenden, absorbierenden Partikeln und Partikeln mit einer kleinen Dielektrizitätskonstanten zu ermöglichen. Außerdem beschreibt das US-Patent Nr. 6 055 106 (erteilt am 25. April 2000), das auch als WO 99/39223 veröffentlicht wurde, die Manipulation einer Vielzahl von Partikeln mit einer Vielzahl von Fallen. Bisher war es jedoch nicht bekannt, optische Fallen für die verschiedenen Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
  • Optische Fallen, ursprünglich von A. Ashkin et al. beschrieben, sind zu einem etablierten Verfahren zum Einfangen, Bewegen und anderweitigen Manipulieren von mesoskopischen Substanzvolumen geworden. Siehe A. Ashkin et al., "Observation of single-beam gradient forces optical trag for dielectric particles", Optics Letters 11, 288–290 (1986). Im Mittelpunkt ihrer Operation steht die Minimierung der Absorption von einfangendem Licht, um eine Beschädigung des eingefangenen Materials zu vermeiden. Optische Skalpelle arbeiten nach dem entgegengesetzten Prinzip und nutzen die Energie eines streng fokussierten Laserstrahls, um weiche Materialien zu durchschneiden. Die vorliegende Anmeldung beschreibt ein neues Hybridsystem, bei dem fokussierte Laserlichtstrahlen als optische Fallen für einige nicht absorbierende Partikel in einer heterogenen Probe und gleichzeitig als optische Skalpelle für andere wirksam sind; dieses wird jedoch nicht beansprucht.
  • Es ist ferner bekannt, eine Vielzahl von Fallen aus einem einzelnen Laserstrahl unter Verwendung von optischen Beugungselementen zu erzeugen, um Partikel zu manipulieren (siehe Eric R. Dufresne und David G. Grier, "Optical tweeezer arrays and optical substrates created with diffractive optics", Review of Scientific Instruments, Vol. 69, Nr. 5, Februar 1998). Dieses Dokument beschreibt jedoch nicht, wie diese Vorrichtung verwendet würde, um eine Fremdsubstanz in lebende Zellen einzubauen.
  • Eine andere Anwendung der Technologie der optischen Fallen gemäß der Erfindung betrifft das Einführen von Fremdmaterialien in lebende Zellen, indem die Zellmembran aufgebrochen wird, ohne ihr völliges Versagen zu verursachen, und die Materialien durch die Bruchstelle bewegt werden. Es sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, um dies zu erreichen, einschließlich viraler Vektoren zum Überführen von kurzen DNA-Längen, der Genpistole und ihrer Varianten zum Überführen größerer Abschnitte, um eine Transmembrandiffusion zu induzieren. Beispielsweise beschreiben Nigel R. Munce et al., "Optical Micromanipulation and Analysis of Single Cells an a Mircochip Platform", Optical Diagnostics of Living Cells B. Proceedings of SPIE, Vol. 4622 (2002) das Auswählen und Markieren einzelner Zellen unter Verwendung von Mikromanipulationswerkzeugen und das Durchführen einer elektrophoretischen Trennung an dem Inhalt einer einzelnen Zelle unter Verwendung des "lab-on-a-chip"-Formats. Die einzelnen Zellen werden mit einem Liposom in Kontakt gebracht und unter Verwendung einer optischen Pinzette verschmolzen, was in einer Zelle mit markierten Komponenten resultiert, die später unter Verwendung einer optischen Schere lysiert wird und deren Inhalt unter Anwendung einer hohen Spannung getrennt wird. Elektroporation ist ein weiteres Verfahren zum Einführen einer Substanz in eine Zelle.
  • Außerdem können holografische optische Fallen dazu dienen, eine räumlich aufgelöste Fotochemie zu bewirken, die gegenüber konkurrierenden Techniken zum chemischen Definieren kleiner Strukturen verschiedene Vorteile hat. Beispielsweise erleichtert die räumlich aufgelöste Fotochemie, die mit optischen Fallen implementiert ist, die Erzeugung von dreidimensionalen Strukturen mit Merkmalen, die hinsichtlich Größe von einem kleinen Bruchteil der Lichtwellenlänge bis zu makroskopischen Größenordnungen reichen. Techniken wie etwa Dip-Pen-Nanolithografie und Mikrokontaktdrucken bieten zwar eine überlegene räumliche Auflösung, sie sind jedoch für dreidimensionale Fertigung nicht geeignet. Es ist eine große Vielfalt von fotochemischen Reaktionen bekannt, und jede davon könnte für eine räumlich aufgelöste Fotofertigung geeignet sein. Die räumlich aufgelöste Fotochemie bietet also mehr Flexibilität als die meisten Mikro- und Nano-Fertigungsmethodologien. Das Durchführen von räumlich aufgelöster Fotochemie mit holografischen optischen Fallen steigert die Brauchbarkeit der grundlegenden Vorgehensweise erheblich, indem ihr Wirkungsgrad erheblich verbessert wird.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System zum gleichzeitigen Einrichten einer Vielzahl von optischen Fallen bereitzustellen unter Verwendung einer einzigen und/oder einer Vielzahl von Einrichtungen wie beispielsweise einer Vielzahl von holografischen optischen Fallenimplementierungen, die gleichzeitig an einer einzigen Probe wirksam sind, und einer Vielzahl von optischen Fallen und einer Vielzahl von Intensitätsbereichen, die gleichzeitig an einer einzigen Probe wirksam sind.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur Verwendung von Hologrammen zum Erzeugen eines optischen Gradientenfelds zur Steuerung einer Vielzahl von Partikeln oder anderen optischen Medien bereitzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zum Einrichten einer Vielzahl von optischen Fallen für eine Vielfalt von gewerblichen Anwendungen bereitzustellen, welche die Manipulation von kleinen Partikeln betreffen, wie etwa bei der Fertigung von photonischen Schaltungen, den Anwendungen von Nanoverbundmaterial, der Fertigung von elektronischen Komponenten, optoelektronischen Bauelementen, chemischen und biologischen Sensorarrays, der Anordnung von holografischen Datenspeichermatrizen, der Erleichterung von kombinatorischen chemischen Anwendungen, der Unterstützung von kolloidaler Spontanaggregation und der Manipulation von biologischen Materialien.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren und System zur Anwendung von einem oder mehreren Laserstrahlen in Verbindung mit einem oder mehreren optischen Beugungselementen bereitzustellen, um ein wählbares zeitlich veränderliches und/oder spezielles räumliches Array von optischen Fallen zur Manipulation von dielektrischen oder metallischen Materialien und anderen Materialien auszubilden.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System bereitzustellen, das einen einzige Eingangslaserstrahl. ein optisches Beugungselement und eine Sammellinse verwendet, um eine statische oder dynamische optische Falle zu bilden, die in Verbindung mit anderen so gebildeten optischen Fallen dazu dienen kann, kleine dielektrische Partikel oder andere Materialien zu manipulieren, eine Interaktion derselben zu bewirken und/oder sie zu sortieren.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System bereitzustellen, das einen einzigen Eingangslaserstrahl, ein optisches Beugungselement und eine Sammellinse verwendet, um eine statische oder dynamische optische Falle zu bilden, die in Verbindung mit anderen so gebildeten Fallen dazu dienen kann, kleine dielektrische Partikel oder andere Materialien zu manipulieren, eine Interaktion derselben zu bewirken, sie fotochemisch umzuwandeln und/oder zu sortieren.
  • Es ist auch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System bereitzustellen, das einen in ein optisches Beugungselement eingeleiteten Laserstrahl mit einem Strahlabtastsystem verwendet, welches das Abtasten eines Arrays von optischen Fallen für verschiedene gewerbliche Anwendungen ermöglicht.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur Anwendung eines Laserstrahls bereitzustellen, der in ein optisches Beugungselement eingeleitet wird, um eine dreidimensionale Anordnung von optische Fallen zu erzeugen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von unabhängig gesteuerten optischen Fallen unter Verwendung eines zeitabhängigen ansteuerbaren Phasenverschiebungsmediums (wie etwa eines Flüssigkristall-Phasenverschiebungsarrays oder eines anderen Phasenmediums) als ein optisches Beugungselement bereitzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zum Erzeugen von zeitabhängigen optischen Gradientenfeldern für die Segregation von mikroskopischen Partikeln bereitzustellen.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zum Manipulieren einer Vielzahl von biologischen Objekten einschließlich der Kristallisation von Proteinen und der Implementierung anderer Phasenänderungen bereitzustellen.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der nachstehenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den nachstehend beschriebenen beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Elemente durchweg mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein bekanntes Verfahren und System für eine einzelne optische Falle;
  • 2 zeigt ein bekanntes Verfahren und System für eine einzelne, steuerbare optische Falle;
  • 3 zeigt ein Verfahren und ein System, wobei ein optisches Beugungselement verwendet wird;
  • 4 zeigt ein anderes Verfahren und System, wobei ein relativ zu einem Eingangslichtstrahl geneigtes optisches Element verwendet wird;
  • 5 zeigt ein kontinuierlich verschiebbares optisches Fallenarray, wobei ein optisches Beugungselement verwendet wird;
  • 6 zeigt ein Verfahren und ein System zum Manipulieren von Partikeln unter Verwendung eines optischen Fallenarrays und gleichzeitiger Erzeugung eines Bilds zum Betrachten des optischen Fallenarrays;
  • 7A zeigt eine Abbildung eines Vier-mal-vier-Arrays von optischen Fallen unter Verwendung des optischen Systems von 6; und 7B zeigt eine Abbildung von Siliciumdioxidkügelchen mit 1 μm Durchmesser, die durch die optischen Fallen von 7A in Wasser suspendiert sind, und zwar unmittelbar nach dem Löschen der Einfangbeleuchtung, jedoch vor dem Wegdiffundieren der Kügelchen;
  • 8A zeigt einen ersten Schritt des Überführens von Material in eine Zelle, wobei in einem Liposom eingekapseltes Material mit optischen Fallen immobilisiert ist; 8B zeigt ein Liposom, das mit einer Zellmembran verschmolzen ist; und 8C zeigt, dass das Material in dem Liposom durch eine Bruchstelle in der Liposom-Zell-Verbindung überführt wird; und
  • 9 ist ein Funktionsblockdiagramm, das die Trennung von nichtabsorbierenden von absorbierenden Partikeln zeigt, eine Erfindung, die in der vorliegenden Anmeldung nicht beansprucht wird. Nichtabsorbierende Proben werden durch das optische Fallenarray abgelenkt. Absorbierende Proben werden zu kleinen Fragmenten aufgebrochen und werden nicht abgelenkt.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt verschiedene Verwendungsmöglichkeiten für "Apparatus for Applying Optical Gradient Forces" vor; diese Vorrichtung ist in dem US-Patent Nr. 6 055 106 von Grier et al. beschrieben und beansprucht. Diese Vorrichtung schließt die Verwendung der nachstehenden Begriffe "optische Falle", "optische Falle" und "optische Gradientenkraftfalle" ein. Zur Einführung zeigen die 1 und 2 verschiedene bekannte Verfahren und Systeme. Diese Systeme werden zuerst erläutert, und dann werden die Verfahren der vorliegenden Erfindung in Form der Ausführungsbeispiele von optischen Fallen gemäß den 3 bis 7A und 7B beschrieben. In dem bekannten optischen Fallensystem 10 von 1 entstehen optische Gradientenkräfte aus der Verwendung eines Einzellichtstrahls 12, um ein kleines dielektrisches Partikel 14, das in einem Medium 16 verteilt ist, dessen Brechzahl kleiner als die des Partikels 14 ist, steuerbar zu manipulieren. Die Beschaffenheit der optischen Gradientenkräfte ist wohl bekannt, und es ist ferner allgemein bekannt, dass das Prinzip verallgemeinert worden ist, um auch die Manipulation von reflektierenden, absorbierenden Partikeln und Partikeln mit kleiner Dielektrizitätskonstanten zu gestatten.
  • Das optische Fallensystem 10 wird angewandt, indem ein Lichtstrahl 12 (wie etwa ein Laserstrahl) verwendet wird, der die erforderlichen Kräfte aufbringen kann, um die optische Einfangwirkung auszuführen, die benötigt wird, um ein Partikel zu manipulieren. Das Verfahren, das verwendet wird, um eine herkömmliche Form der optischen Falle 10 zu erzeugen, besteht darin, dass ein oder mehrere Lichtstrahlen, jeweils mit einem bestimmten Kollimationsgrad, durch die Mitte einer hinteren Apertur 24 eines konvergierenden optischen Elements (wie etwa einer Objektivlinse 20) projiziert werden. Wie aus 1 ersichtlich ist, hat der Lichtstrahl 12 eine Breite "w" und einen Eingangswinkel Φ relativ zu einer optischen Achse 22. Der Lichtstrahl 12 wird in eine hintere Apertur 24 der Objektivlinse 20 eingegeben und tritt aus einer vorderen Apertur 26 aus, die im Wesentlichen auf einen Brennpunkt 28 auf einer Bildebene 30 eines Abbildungsvolumens 32 konvergiert, wobei der Brennpunkt 28 mit einer optischen Falle 33 koinzident ist. Im Allgemeinen kann jeder Lichtstrahl, der in einen beugungsbegrenzten Brennpunkt gebracht wird und ausreichend große axiale Intensitätsgradienten besitzt, um ein Partikel stabil gegenüber axialem Strahlungsdruck einzufangen, die Basis für das optische Fallensystem 10 bilden.
  • Das Erzeugen eines solchen Brennpunkts erfordert ein Fokussierelement mit ausreichend großer numerischer Apertur und ausreichend gut korrigierten Aberrationen. Im Allgemeinen ist die kleinste numerische Apertur zur Bildung einer Falle ungefähr 0,9 bis ungefähr 1,0.
  • Wenn der Lichtstrahl 12 ein kollimierter Laserstrahl ist und seine Achse mit der optischen Achse 22 koinzident ist, tritt der Lichtstrahl 12 in die hintere Apertur 24 der Objektivlinse 20 ein und wird in dem Abbildungsvolumen 32 an dem Mittelpunkt c der Bildebene 30 der Objektivlinse fokussiert. Wenn die Achse des Lichtstrahls 12 um den Winkel (in Bezug auf die optische Achse 22 verlagert wird, sind die Strahlachse 31 und die optische Achse 22 an dem Mittelpunkt B der hinteren Apertur 12 koinzident. Diese Verlagerung ermöglicht die Translation der optischen Falle über das Gesichtsfeld um einen Betrag, der von der Winkelmodifizierung der Objektivlinse 20 abhängt. Die zwei Variablen, die Winkelverlagerung (und veränderliche Konvergenz des Lichtstrahls 12 können dazu dienen, die optische Falle an ausgewählten Positionen innerhalb des Abbildungsvolumens 32 zu bilden. Eine Vielzahl von optischen Fallen 33 können an verschiedenen Stellen angeordnet sein, vorausgesetzt, dass eine Vielzahl von Lichtstrahlen 12 auf die hintere Apertur 24 unter verschiedenen Winkeln (und mit verschiedenen Kollimationsgraden zur Anwendung gebracht werden.
  • Um das optische Einfangen in drei Dimensionen auszuführen, müssen optische Gradientenkräfte, die auf das einzufangende Partikel aufgebracht werden, andere Strahlungsdrücke, die sich aus der Lichtstreuung und -absorption ergeben, überschreiten. Im Allgemeinen erfordert dies, dass die Wellenfront des Lichtstrahls 12 eine geeignete Gestalt an der hinteren Apertur 24 hat. Beispielsweise sollte für einen Gaußschen TEM00 Eingangslaserstrahl der Strahldurchmesser w im Wesentlichen mit dem Durchmesser der Eintrittspupille 24 übereinstimmen. Für allgemeinere Strahlprofile (wie etwa Laguere-Gaußsche Moden) können vergleichbare Bedingungen formuliert werden.
  • Bei einem anderen bekannten System gemäß 2 kann das optische Fallensystem 10 die optische Falle 33 über das Gesichtsfeld der Objektivlinse 20 verschieben. Ein Teleskop 34 ist aus Linsen L1 und L2 gebildet und etabliert einen Punkt A, der dem Mittelpunkt B in dem bekannten System gemäß 1 optisch zugeordnet ist. In dem System von 2 geht der Lichtstrahl 12, der durch den Punkt A geht, auch durch Punkt B und erfüllt somit die Grundanforderungen zum Betrieb als das optische Fallensystem 10. Der Kollimationsgrad wird dadurch bewahrt, dass die Linsen L1 und L2 wie in 2 gezeigt positioniert sind, wobei ihre Brennweiten und anderen optischen Charakteristiken ausgewählt sind, um das Übertragen von Eigenschaften des Teleskops 34 zu optimieren. Insbesondere kann die Vergrößerung des Teleskops 34 gewählt sein, um die Winkelverlagerung des Lichtstrahls 12 und seine Breite w in der Ebene der hinteren Apertur 24 der Objektivlinse 20 zu optimieren. Wie bereits erwähnt, können im Allgemeinen mehrere der Lichtstrahlen 12 dazu dienen, mehrere zugeordnete optische Fallen zu bilden. Eine solche Vielzahl von Strahlen 12 kann aus einer Vielzahl von unabhängigen Eingangsstrahlen oder aus einem Einzelstrahl erzeugt werden, der mittels herkömmlicher reflektierender und/oder brechender optischer Elemente manipuliert wird.
  • Bei einer optischen Fallenkonfiguration, die in 3 gezeigt ist, können beliebige Arrays von optischen Fallen gebildet werden. Ein optisches Beugungselement 40 ist im Wesentlichen in einer Ebene 42, die der hinteren Apertur 24 der Objektivlinse 20 zugeordnet ist, angeordnet. Es ist zu beachten, dass aus Gründen der Klarheit nur ein einziger gebeugter Ausgangsstrahl 44 gezeigt ist; es versteht sich jedoch, dass eine Vielzahl solcher Strahlen 44 durch das optische Beugungselement 40 erzeugt werden können. Der Eingangslichtstrahl 12, der auf das optische Beugungselement 40 fällt, wird in ein Muster des Ausgangsstrahls 44 geteilt, das für die Beschaffenheit des optischen Beugungselements 40 charakteristisch ist, wobei der Beugungsstrahl jeweils von dem Punkt A ausgeht. Die Ausgangsstrahlen 44 gehen also durch Punkt B infolge der vorstehend beschriebenen optischen Elemente an der Abstromseite. In einigen Situationen, in denen es erwünscht ist, eine Vielzahl von Objekten in einer speziellen räumlichen Beziehung zueinander zu erzeugen, wobei jedes Objekt in einer speziellen Orientierung ist, ist es erforderlich, die Vielzahl von Objekten auf einer Zeitskala zu erzeugen, die schneller als diejenige ist, auf der die relevante Bewegung der Objekte erfolgt. Diese Zeitskala ist unter anderen Faktoren eine Funktion der Viskosität des Mediums. In einer solche Situation kann eine Vorrichtung, welche die parallele Fertigung der Vielzahl von Objekten zulässt, einen Vorteil gegenüber einer Vorrichtung ergeben, welche die Objekte sequentiell herstellt.
  • Es ist gezeigt, dass das optische Beugungselement 40 gemäß 3 zu dem Eingangslichtstrahl 12 senkrecht ist; es sind jedoch viele andere Anordnungen möglich. Beispielsweise kommt in 4 der Lichtstrahl 12 unter einem schiefen Winkel β relativ zu der optischen Achse 22 und nicht unter einer Normalen zu dem optischen Beugungselement 40 an. Bei dieser Ausführungsform bilden die gebeugten Strahlen 44, die von Punkt A ausgehen, optische Fallen 50 in der Bildebene 52 des Abbildungsvolumens 32 (am besten aus 1 ersichtlich). Bei dieser Anordnung des optischen Fallensystems 10 kann ein nicht gebeugter Anteil 54 des Eingangslichtstrahls 12 aus dem optischen Fallensystem 10 entfernt werden. Diese Konfiguration ermöglicht also das Verarbeiten von weniger Hintergrundlicht und verbessert die Effizienz und Wirksamkeit der Bildung von optischen Fallen.
  • Das optische Beugungselement 40 kann computererzeugte Hologramme aufweisen, die den Eingangslichtstrahl in ein vorgewähltes gewünschtes Muster teilen. Das Kombinieren solcher Hologramme mit den verbliebenen optischen Elementen in 3 und 4 ermöglicht das Erzeugen von beliebigen Arrays, in denen das optische Beugungselement 40 dazu dient, die Wellenfront jedes gebeugten Strahls unabhängig zu formen. Deshalb können die optischen Fallen 50 nicht nur in der Bildebene 52 der Objektivlinse 20, sondern auch außerhalb der Bildebene 52 angeordnet sein, um eine dreidimensionale Anordnung der optischen Fallen 50 zu bilden.
  • In dem optischen Fallensystem 10 von 3 und 4 ist auch ein optisches Fokussierelement wie etwa die Objektivlinse 20 (oder eine andere funktionsmäßig äquivalente optische Einrichtung wie etwa eine Fresnel-Linse) enthalten, um den gebeugten Strahl zu konvergieren, um die optischen Fallen 50 zu bilden. Ferner erzeugt das Teleskop 34 oder eine andere äquivalente Übertragungsoptik einen Punkt A, der dem Mittelpunkt B der vorherigen hinteren Apertur 24 zugeordnet ist. Das optische Beugungselement 40 ist in einer Punkt A enthaltenden Ebene angeordnet.
  • Bei einer anderen Ausführungsform können beliebige Arrays der optischen Fallen 50 ohne die Verwendung des Teleskops 34 erzeugt werden. Bei einer solchen Ausführungsform kann das optische Beugungselement 40 direkt in der Punkt B enthaltenden Ebene angeordnet sein. Bei einer anderen Form der Erfindung kann eine der Linsen in dem Hologramm selbst anstatt in dem Teleskop 34 positioniert sein.
  • In dem optischen Fallensystem 10 können entweder statische oder zeitabhängige optische Beugungselemente 40 verwendet werden. Für eine dynamische oder zeitabhängige Version kann man sich zeitlich ändernde Arrays der optischen Fallen 50 erzeugen, die Teil eines Systems sein können, das ein solches Merkmal nutzt. Außerdem können diese dynamischen optischen Elemente 40 dazu dienen, Partikel oder andere Materialien mit diversen optischen Eigenschaften relativ zueinander aktiv zu bewegen. Beispielsweise kann das optische Beugungselement 40 ein Flüssigkristall-Raumlichtmodulator sein, der Computererzeugte Phasenmodulationen auf die Wellenfront eines auftreffenden Laserstrahls codiert. Bei einer anderen Ausführungsform kann auch ein Raumlichtmodulator in Verbindung mit einem Phasenring anstelle des optischen Beugungselements verwendet werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, kann ein System so ausgebildet sein, dass es eine kontinuierliche Translation der optischen Falle 50 ausführt. Ein kardanisch aufgehängter Spiegel 60 ist mit seinem Drehpunkt an Punkt A angeordnet. Der Lichtstrahl 12 trifft auf die Oberfläche des Spiegels 60 und seine Achse geht durch Punkt A und wird zu der hinteren Apertur 24 projiziert. Ein Neigen des Spiegels 60 bewirkt eine Änderung des Auftreffwinkels des Lichtstrahls 12 relativ zu dem Spiegel 60, und dieses Merkmal kann dazu dienen, die resultierende optische Falle 50 zu verschieben. Ein zweites Teleskop 62 ist aus Linsen L3 und L4 gebildet, wodurch ein Punkt A' gebildet ist, der Punkt A zugeordnet ist. Das optische Beugungselement 40, das an Punkt A' angeordnet ist, erzeugt nun ein Muster von gebeugten Strahlen 64, die jeweils durch Punkt A gehen, um eine der Fallen 50 in einem Array des optischen Fallensystems 10 zu bilden.
  • Im Betrieb der Ausführungsform von 5 verschiebt der Spiegel 60 die gesamte Fallenanordnung als eine Einheit. Diese Methodologie ist nützlich für die präzise Ausfluchtung der optischen Fallenanordnung mit einem stationären Substrat, für eine dynamische Versteifung der optischen Falle 50 durch rasche oszillatorische Verlagerungen kleiner Amplitude sowie für jede Anwendung, die eine allgemeine Translationsfähigkeit erfordert.
  • Das Array der optischen Fallen 50 kann auch vertikal relativ zu dem Probentisch verschoben werden, indem der Probentisch bewegt oder das Teleskop 34 eingestellt wird. Außerdem kann das optische Fallenarray auch lateral relativ zu der Probe verschoben werden, indem der Probentisch bewegt wird. Dieses Merkmal ist für eine Bewegung über den Bereich des Gesichtsfelds der Objektivlinse hinaus besonders nützlich.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, ist das optische System so angeordnet, dass es das Betrachten von Bildern von Partikeln gestattet, die von den optischen Fallen 10 eingefangen sind. Ein dichroitischer Strahlteiler 70 oder ein anderer äquivalenter optischer Strahlteiler ist zwischen die Objektivlinse 20 und die optische Reihe des optischen Fallensystems 10 eingesetzt. Bei der gezeigten Ausführungsform reflektiert der Strahlteiler 70 selektiv die verwendete Lichtwellenlänge, um das optische Fallenarray zu bilden und andere Wellenlängen durchzulassen. Der Lichtstrahl 12, der verwendet wird, um die optischen Fallen 50 zu bilden, wird also mit hohem Wirkungsgrad zu der hinteren Apertur 24 übertragen, während gleichzeitig der zum Bilden von Bildern verwendete Lichtstrahl 66 zur Abbildungsoptik hindurchgehen kann.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Einbauen von Fremdsubstanz in lebende Zellen beschrieben. Man hat vor kurzem festgestellt, dass optische Falleneinrichtungen vorteilhaft dazu verwendet werden können, Fremdsubstanz wie etwa ein künstliches Chromosom in lebende Zellen einzubauen, wobei eine Kombination aus optischem Einfangen, optisch induzierter Membranverschmelzung und optischem Schneiden verwendet wird. Als nicht einschränkendes Beispiel weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: Umkapseln des Materials zur Überführung in beispielsweise ein Liposom, Verschmelzen des Liposoms mit der Zellmembran und Durchstoßen der Verbindungsstelle, um das Überführen zu bewirken. Der erste Schritt nutzt jede von einer Vielfalt von bekannten möglichen Umkapselungstechniken. Sobald die Umkapselung vollständig ist, kann das Liposom mit optischen Fallen eingefangen und zu einer Targetzelle hin verschoben werden. In Abhängigkeit von der Lichtempfindlichkeit des Materials könnten mehrere separate optische Fallen einer Falle vorzuziehen sein; in diesem Fall bieten holografische optische Fallen Vorteile gegenüber anderen Techniken wie etwa abgetasteten optischen Fallen.
  • Im Gegensatz zu abgetasteten optischen Fallen, die sequentiell eine Vielzahl von Einfangpunkten ansteuern und somit im Time-Sharing arbeiten, beleuchten holografische optische Fallen jede ihrer Fallen kontinuierlich. Damit eine abgetastete optisch Falle die gleiche Einfangkraft wie eine kontinuierlich beleuchtete Falle erreicht, muss sie mindestens die gleiche zeitlich gemittelte Intensität liefern. Dies bedeutet, dass die abgetastete Falle eine Spitzenintensität haben muss, die um einen Faktor höher ist, der mindestens zu der Anzahl von Einfangbereichen proportional ist. Diese höhere Spitzenintensität erhöht die Gefahr von optisch induzierten Beschädigungen in dem eingefangenen Material. Diese Beschädigungen können sich aus mindestens drei Mechanismen ergeben: Einzelphotonabsorption, die zu lokaler Erwärmung führt, (2) Einzelphotonabsorption, die zu fotochemischen Umwandlungen führt, und (3) Vielfachphotonenabsorption, die zu fotochemischen Umwandlungen führt. Die Ereignisse (1) und (2) können durch Wählen einer Lichtwellenlänge gemildert werden, die von dem einfangenden Material und von dem umgebenden Fluidmedium schwach absorbiert wird. Das Ereignis (3) ist ein allgemeineres Problem und wird teilweise durch Arbeiten mit Licht längerer Wellenlänge gemildert. Vielfachphotonenabsorption, der zentrale Mechanismus des Fotopolymerisationsteils der vorliegenden Offenbarung, tritt mit einer Rate auf, die zu der potenzierten Intensität (d. h. I2 für Zweihotonenabsorption) proportional ist. Die Raten für solche Prozesse werden durch Reduzieren der Spitzenintensität des einfangenden Strahls rasch auf akzeptable Werte gesenkt. Infolgedessen werden kontinuierlich beleuchtete holografische optische Fallen geringerer Intensität abgetasteten Fallen, die Time-Sharing arbeiten, vorgezogen. Ferner eignet sich das Verfahren der holografischen optischen Fallen zur Verteilung unabhängigerer Fallen durch das Gesamtvolumen eines ausgedehnten Objekts als dies jede Technik mit abgetasteten Fallen tut. Im Gegensatz zu abgetasteten Fallen, die auf eine einzige Ebene begrenzt sind, können holografische optische Fallen insbesondere über dreidimensionale Konturen eines Objekts verteilen.
  • Das Verteilen der Einfangkraft auf eine Vielzahl von Stellen an einem Objekt gestattet ferner, dass holografische optische Fallen die maximale Intensität und die maximale Kraft, die auf einen beliebigen Punkt des Objekts aufgebracht wird, minimieren. Man kann dies als analog zu einem Nagelbett betrachten, bei dem jeder eine Verletzung verursachen kann, aber die Verteilung der Last auf eine Vielzahl von Nägeln die lokale Kraft unter die Verletzungsschwelle reduziert.
  • Infolgedessen bieten holografische optische Fallen erhebliche Vorzüge sowohl gegenüber abgetasteten Fallen als auch einzelnen herkömmlichen optischen Fallen. Wenn die Zelle selbst beweglich ist, kann sie mit holografischen optischen Fallen auch in ihrer Lage gehalten und orientiert werden. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise, wenn Material zu einem bestimmten Teil einer Zelle zu überführen ist unter gleichzeitiger Umgehung anderer Teile, bietet die Manipulation optischer Fallen Vorteile. Ein einziges Set von holografischen optischen Fallen kann dazu dienen, sowohl die Zelle als auch das Liposom gleichzeitig zu halten.
  • Wie 8C zeigt, hat eine Zelle 200 wie beispielsweise eine Pflanzenzelle eine undurchlässige Wand 210. Ein optisches Skalpell kann dazu dienen, ausreichend viel von der Wand 210 wegzuschneiden, um einen Bereich einer Zellmembran 215 für anschließende Liposomverschmelzung freizulegen. Der für dieses Schneiden oder diese Ablation verwendete Laser arbeitet höchstwahrscheinlich mit einer kürzeren Wellenlänge als der zum Halten und Bewegen eines Liposoms 220 und der Zelle 200 verwendete. Im Gegensatz zum Einfangen, bei dem eine Materialbeschädigung normalerweise unerwünscht ist, erfordert das Schneiden ein starkes Zusammenwirken des fokussierten Lichts und des Materials. Infolgedessen stellen die vorstehend erläuterten Bedingungen zum Minimieren einer Beschädigung auch eine Anleitung zum Optimieren einer erwünschten Beschädigung bereit. Insbesondere transportiert Licht kürzerer Wellenlänge mehr Energie pro Photon als Licht längerer Wellenlänge. Es ist deshalb wahrscheinlicher, dass jede Photonenabsorption ausreichend Energie liefert, um chemische Bindungen auseinanderzubrechen und Makromoleküle in der Zellwand 210 und der Zellmembran 215 neu zu ordnen. Die Rate von allen derartigen Umwandlungen wird mit Licht kürzerer Wellenlänge erhöht.
  • Sobald ein geeigneter Abschnitt der Zellmembran 215 freigelegt ist, kann das Liposom 220 wiederum unter Anwendung der Kräfte der optischen Fallen in die Nähe bewegt werden (siehe 8A). Das Verschmelzen kann ausgeführt werden entweder chemisch, durch die Wirkung von Proteinen oder anderen biochemischen Agenzien, die in das äußere Blatt des Liposoms eingebaut sind, oder optisch durch einen oder mehrere Lichtimpulse, die auf die Liposom-Membran-Grenzfläche gerichtet werden (siehe 8).
  • Die Verschmelzung kann ablaufen, um die Überführung in einem Schritt zu bewirken, oder anderenfalls kann eine weitere chemische Behandlung oder ein zusätzlicher Lichtimpuls erforderlich sein, um die Membran-Liposom-Grenzfläche aufzubrechen. Sobald die Grenzfläche aufgebrochen ist, kann der Inhalt des Liposoms (Material 240) durch Diffusion in das Innere 230 der Zelle 200 überführt werden oder kann anderenfalls mit einer oder mehreren optischen Fallen in die Zelle 200 bewegt werden. Außerdem kann für künstliche Chromosomen das Material 240 beispielsweise direkt in dem Zellkern 250 platziert werden durch Verwenden der optischen Fallen, um die Substanz durch die Zellmembran 215 und das Cytoplasma zu überführen, und danach durch Schneiden der Kernmembran, um die Überführung direkt in den Kern 250 zu bewirken.
  • Sobald das Überführen abgeschlossen ist, kann die Zelle 200 zur weiteren Beobachtung in ihrer Lage gehalten werden, bevor sie eingesammelt wird. Sowohl das Halten als auch das Sammeln können durch Manipulation der optischen Fallen erleichtert werden, insbesondere wenn der gesamte oben beschriebene Prozess in einem geschlossenen mikrofluiden System stattfindet.
  • Der gesamte Prozess von der Wahl der Probe bis zum Sammeln der Zelle kann unter Verwendung eines herkömmlichen Lichtmikroskops für die Beobachtung ausgeführt werden. In der Tat kann die gleiche optische Reihe verwendet werden, um die optischen Fallen zu erzeugen, und das Skalpell für diesen Prozess kann auch dazu verwendet werden, den Ablauf des Prozesses zu überwachen. Wenn ferner sämtliche Schritte unter Verwendung von holografischen optischen Fallen oder einer verwandten Manipulationstechnik ausgeführt werden, kann der gesamte Prozess auch automatisiert werden, wobei digital aufgezeichnete Mikroskopbilder verwendet werden, um das Muster von optischen Fallen und ihre Bewegungen zu programmieren.
  • Die Substanz oder das Material 240, das in die Zelle einzuführen ist, kann jede Substanz sein und ist bevorzugt in Bezug auf die Zelle 200, in die es eingeführt wird, nicht endogen.
  • Bevorzugt ist die Substanz eine Substanz, die normalerweise nicht imstande ist, die Zellmembran zu kreuzen. Es wird bevorzugt, dass die in die Zelle 200 einzuführende Substanz eine hydrophile Substanz ist; die Substanz kann jedoch auch hydrophob sein. Es kann jedes biologische Molekül oder jedes Makromolekül, beispielsweise ein Komplex von Molekülen, in die Zelle 200 eingeführt werden. Das Material 240 hat im Allgemeinen ein Molekulargewicht von 100 Daltons oder mehr. Bei einer stärker bevorzugten Ausführungsform ist das Material 240 ein Nucleinsäuremolekül wie etwa DNA, RNA, PNA (beispielsweise cDNA, genomische DNA, ein Plasmid, ein Chromosom, ein Oligonucleotid, eine Nucleotidsequenz oder ein Ribozym) oder ein Chimärenmolekül oder ein Fragment davon oder ein Expressionsvektor. Außerdem kann das Material 240 jedes bioaktive Molekül sein, wie etwa ein Protein, ein Polypeptid, ein Peptid, eine Aminosäure, ein Hormon, ein Polysacchararid, ein Farbstoff oder ein pharmazeutisches Agens wie etwa ein Medikament.
  • Die vorliegende Erläuterung ist zwar auf Verfahren zum Modifizieren einer Einzelzelle unter Verwendung des Inhalts eines einzelnen Liposoms gerichtet; die gleiche Vorgehensweise könnte jedoch angewandt werden, um eine Vielzahl von Liposomen mit einer einzelnen Zelle zu verschmelzen und eine Vielzahl von Zellen gleichzeitig zu verarbeiten.
  • Bei einer anderen Form der Erfindung werden ein System und ein Verfahren, die in der vorliegenden Anmeldung nicht beansprucht werden, zum Aussortieren nichtabsorbierender Partikeln 310 aus absorbierenden Partikeln 290 bereitgestellt (siehe 9). Man hat entdeckt, dass eine optische Falle oder ein Fallenarray 300 vorteilhaft aus fokussierten Laserlichtstrahlen gebildet werden kann, die als optische Fallen für einige nichtabsorbierende Partikel 310 in einer Probe und als optische Skalpelle für andere wirksam sind. Anstatt die absorbierenden Partikel 290 präzise zu schneiden, wie dies herkömmlich mit einem optischen Skalpell erfolgt, wird jedoch Lichtabsorption angewandt, um die absorbierenden Partikel 290 unspezifisch zu obliterieren, um sie zu sehr kleinen Stückchen 330 zu reduzieren. Diese kleinen Stückchen können dann von den unbeschädigten nichtabsorbierenden Partikeln getrennt werden, die in optischen Fallen 320 zurückgeblieben sind.
  • Ein Beispiel der Brauchbarkeit dieses Verfahrens ist das Problem der Suche nach kanzerösen Zellen in einer Blutprobe. Normalerweise würde man die riesige Anzahl von roten Blutkörperchen in der Probe von den potentiellen Krebszellen trennen müssen, bevor man mit dem Testen beginnen kann. Licht von optischen Fallen, die im sichtbaren Wellenlängenbereich, beispielsweise bei einer Wellenlänge von 532 nm, wirksam sind, würden von roten Blutkörperchen stark absorbiert werden und können infolgedessen dazu verwendet werden, sie durch lokales Erwärmen zu zerstören. Andere nichtpigmentierte Zellen können jedoch durch die gleichen sichtbaren Fallen eingefangen und zum weiteren Testen manipuliert werden. Man betrachte beispielsweise ein Array von sichtbaren optischen Fallen, die mit ihrem charakteristischen Abstand angeordnet sind, der erheblich kleiner als die Größe eines roten Blutkörperchens ist. Ein Zellgemisch, das durch dieses Array von optischen Fallen durch einen extern übertragenen Fluidstrom getrieben wird, würde auf diese optischen Fallen treffen. Die stark absorbierenden Zellen würden durch ihr Zusammenwirken mit dem Licht zu viel kleineren Komponenten wie etwa Membranfragmenten reduziert werden. Diese kleineren Komponenten würden ein vergleichsweise schwächeres Zusammenwirken mit dem Licht haben, und ein kleiner Teil könnte von einigen der Fallen in dem Array eingefangen werden. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass sie von dem Fluidstrom weggespült würden. Anstatt von dem Licht beschädigt zu werden, würden schwach absorbierende Zellen auf eine oder mehrere optische Fallen in dem Array treffen und einer Einfangkraft ausgesetzt sein.
  • Die intakten Zellen würden größere und zahlreichere für optisches Einfangen empfindliche Bereiche haben als die Fragmente der zerstörten Zellen und würden deshalb von dem Array von optischen Fallen bevorzugt eingefangen werden. In dem Array von optischen Fallen lokalisierte Zellen können zum Einsammeln transportiert werden, indem die optischen Fallen selbst bewegt werden, wobei beispielsweise die Merkmale einer früheren Anmeldung der Erwerberin der vorliegenden Anmeldung (Grier et al., US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 09/875 812; US-Patentanmeldungsveröffentlichung US 2002-0185592 A1, veröffentlicht am 12. Dezember 2002) genutzt werden, indem der Probenbehälter bewegt wird, um die eingefangenen Zellen zu einem Sammelbereich innerhalb des Probenbehälters zu transportieren, oder indem die Fallen periodisch abgeschaltet und die Zellen durch einen Fluidstrom zu einem Sammelbereich geleitet werden. In jedem dieser Falle werden die Zellen, die kein Licht absorbieren, separat von den Zellen, die Licht absorbieren, gesammelt.
  • Diese Vorgehensweise kann verallgemeinert werden vom Aussortieren von Zellen zum Aussortieren von jedem anderen Material, dessen Absorptionskoeffizienten für mindestens eine bestimmte Lichtwellenlänge erheblich verschieden sind. Die Vorzüge dieser Manipulation umfassen ausgezeichnete Genauigkeit beim Verwerfen des unerwünschten absorbierenden Materials und die Fähigkeit, andere aktive Sortierschritte auszuführen. Die gleichen Vorzüge würden sich auch bei anderen Anwendungen dieses ablativen Partikelsortierverfahrens ergeben.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen, die in der vorliegenden Anmeldung nicht beansprucht werden, zum optischen ablativen Partikelsortieren kann die Trennung von nichtabsorbierenden Partikeln mit einer Vielzahl von optischen Fallen bewirkt werden, die mit der holografischen optischen Fallentechnik erzeugt werden. Die Trennung der eingefangenen Partikel in Bezug auf die obliterierten absorbierenden Partikel könnten mit den bereits beschriebenen Techniken der aktiven Fallenmanipulation, optischen Peristaltik oder passiven lateralen Ablenkung in einer Strömung ausgeführt werden. Die Trennung könnte auch in einer Mikrofluidikeinrichtung mit einem Kanal zum Spülen von Abfallprodukten aus der Obliteration von absorbierenden Partikeln und anderen Kanälen zum Einsammeln von ausgewählten nichtabsorbierenden Partikeln ausgeführt werden.
  • Bei früheren Verwendungen von optischen Fallen war große Sorgfalt erforderlich, um eine Lichtwellenlänge zu wählen, die keines der einzufangenden Materialen beschädigen würde. Bei der vorliegenden Erfindung ist das Ziel, eine Wellenlänge zu wählen, die von der unerwünschten Subpopulation einer gemischten Probe stark und von der anderen rückzugewinnenden Subpopulation sehr schwach absorbiert wird. Die Rückgewinnung der schwach absorbierenden Subpopulation erfolgt durch herkömmliche Verfahren, wobei die Trennung im vorliegenden Fall durch die passive Zerstörung der unerwünschten Fraktion und nicht durch aktive Auswahl bewirkt wird. Dies könnte auch ein Vorverarbeitungsschritt für andere analytische Verfahren wie etwa Strömungszytometrie sein.
  • Als nicht einschränkendes Beispiel könnte dieses Verfahren zur Früherkennung von Krebs durch Blutscreening dienen. Verschiedene Krebsarten bilden nämlich in ihren frühesten Stadien keine besonders wohldefinierten Tumoren, sondern definieren stattdessen Bereiche von abnormalen Zellen, die dazu tendieren, sich in den Blutstrom abzusetzen. In der Praxis würde der Nachweis dieser Zellen ein Zeichen dafür sein, dass der Patient Krebs in einem frühen Stadium hat. Ein solcher Nachweise würde zumindest eine vorsichtige Diagnose lange vor anderen Methoden liefern, die den Nachweise eines vollständigen Tumors oder seiner Stoffwechselprodukte erfordert. Dieses Verfahren würde also eine frühe und effektivere Behandlung ermöglichen. Dies kann verglichen werden mit herkömmlichen Trennungsmethoden zur Zentrifugierung, um die dichteren, Hämoglobin-führenden roten Blutkörperchen von anderen in dem Blut transportierten Zellen zu trennen. Die Zentrifugierung reißt jedoch häufig die leichteren Zellen mit den schwereren mit und macht somit den Nachweis sehr schwierig.
  • Unter Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung können Blutproben dazu veranlasst werden, durch ein Array von optischen Fallen zu fließen, die eine Wellenlänge und Intensität haben, welche die Zellstruktur der roten Blutkörperchen zerstört und nicht-rote Blutkörperchen wie etwa weiße Blutkörperchen und mögliche Krebszellen intakt lässt. In der Tat werden die roten Blutkörperchen zu Fragmenten reduziert, die zum Einfangen zu klein sind. Im Gegensatz dazu können die unbeschädigten Zellen von den optischen Fallen eingefangen und beispielsweise durch sequentielles Aktualisieren des Fallenmusters zu einer Sammelstelle für die anschließende Analyse transportiert werden.
  • Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren das Implementieren von räumlich aufgelöster Fotochemie. Licht kann die Aktivierungsenergie für fotochemische Reaktionen liefern, und in Fällen, in denen ein Photon nicht genügend Energie transportiert, um eine fotochemische Reaktion zu initiieren, kann die fotochemische Reaktion dennoch ablaufen, wenn zwei oder mehr Photonen gleichzeitig absorbiert werden, so dass die kombinierte Energie von sämtlichen absorbierten Photonen die Aktivierungsschwelle für die Reaktion überschreitet. Die Rate, mit der Multiphotonenprozesse ablaufen, hängt nichtlinear von der Intensität des verfügbaren Lichts ab, wobei eine Zweiphotonenabsorption mit einer Rate stattfindet, die zu I2, dem Quadrat der Lichtintensität, proportional ist. Diese nichtlineare Abhängigkeit von der Intensität kann dazu dienen, fotochemische Reaktionen nur in ausgewählten Volumen innerhalb einer größeren Probe m initiieren und mit räumlicher Auflösung vorzugehen. Die Reaktion findet nur in Bereichen statt, die ausreichend stark beleuchtet werden, und nicht in anderen.
  • Bei dem Verfahren der Erfindung werden die holografischen optischen Fallen verwendet durch Fotopolymerisation von UV-gehärtetem Kleber Norland Typ 73 und UV-gehärteten Kleber Norland Typ 88 unter Anwendung von Licht der Wellenlänge 532 nm, erhalten von einem frequenzverdoppelten Nd:YVO4-Laser. Optische Fallen sind verwendet worden, um Polyacrylamid aus einer Vorlauferlösung zu fotopolymerisieren, die einen UV-erregten Fotoinitiator und einen Inhibitor für freie Radikale enthält.
  • Es sind zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden; es versteht sich jedoch für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung in ihren breitesten Aspekten, wie sie in den nachstehenden Ansprüchen angegeben sind, abzuweichen.

Claims (7)

  1. Verfahren, um eine Fremdsubstanz in vitro in lebende Zellen einzubauen, die ein Zelläußeres und eine Zellmembran haben, wobei mindestens eine optische Falle verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines lichtbrechenden optischen Elements zum Empfangen eines Laserstrahls und Bilden einer Vielzahl von separaten Laserstrahlen; Bereitstellen eines Fokussierelements, das an der Abstromseite des lichtbrechenden optischen Elements angeordnet ist, wobei das lichtbrechende optische Element mit dem Fokussierelement zusammenwirkt, um jeden der Laserstrahlen separat zu konvergieren, um einen fokussierten Fleck oder Fokalbereich zu bilden, um Mittel zu schaffen zur Bildung einer separaten optischen Falle innerhalb des Flecks für jedes der Partikel unter Anwendung eines der separaten Laserstrahlen für jedes der Partikel; Umkapseln der Fremdsubstanz zur Überführung in ein Liposom; Verwenden eines optischen Skalpells, um genügend Zelläußeres wegzuschneiden, um einen Bereich der Zellmembran für die anschließende Liposomverschmelzung freizulegen; Verwenden einer optischen Falle, um das Liposom in die Nähe des Zelläußeren zu bewegen; Verschmelzen des Liposoms mit der Zelle durch mindestens entweder eine chemische oder eine elektrische oder eine optische Verschmelzung unter Anwendung eines Laserlichtimpulses, der auf die Liposom-Membran-Grenzfläche gerichtet ist; Vorsehen der Verwendung eines zusätzlichen Laserlichtimplses, um die Membran-Liposom-Grenzfläche zu durchstoßen; und Überführen des Inhalts des Liposoms in die Zelle mit der mindestens einen Falle.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fremdsubstanz nicht zellendogen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fremdsubstanz eine hydrophile Substanz aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fremdsubstanz ein Nucleinsäuremolekül aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: RNA, DNA, PNA, einem Chimärenmolekül und einem Expressionsvektor.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fremdsubstanz aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einem Protein, Polypeptid, einem Peptid, einer Aminosäure, einem Hormon, einem Polysaccharid, einem Farbstoff und einem pharmazeutischen Agens.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den folgenden Schritt aufweist: Aufzeichnen von einem oder mehreren Mikroskopbildern während des Einbaus einer Fremdsubstanz in die lebende Zelle.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den folgenden Schritt aufweist: Steuern der Intensität des Laserstrahls, um die Erzeugung von Multiphotonen zu minimieren und dadurch eine Zellschädigung zu minimieren.
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