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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zum
Erzeugen von zeitabhängigen
optischen Gradientenfeldern für
die Segregation von mikroskopischen Partikeln bereitzustellen.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein bekanntes Verfahren und System für eine einzelne optische Falle;
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2 zeigt
ein bekanntes Verfahren und System für eine einzelne, steuerbare
optische Falle;
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3 zeigt
ein Verfahren und ein System, wobei ein optisches Beugungselement
verwendet wird;
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4 zeigt
ein anderes Verfahren und System, wobei ein relativ zu einem Eingangslichtstrahl geneigtes
optisches Element verwendet wird;
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5 zeigt
ein kontinuierlich verschiebbares optisches Fallenarray, wobei ein
optisches Beugungselement verwendet wird;
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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;
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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;
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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
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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.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.