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Der
Teil dieser Erfindung, der sich auf das Sortieren nicht absorbierender
Teilchen aus absorbierenden Teilchen unter Verwendung optischer
Fallen bezieht, wurde mit Unterstützung der US-Regierung hergestellt,
die von der National Science Foundation mit der Subvention Nummer
DMR-9730189 gewährt
wurde.
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Die
vorliegende Erfindung ist allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
bezogen, um kleine dielektrische Teilchen oder andere Stoffe unter Verwendung
der starken Beleuchtungs- und Stärkegradienten
bei stark fokussierten Lichtstrahlen zu manipulieren und zu modifizieren.
Insbesondere ist die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung bezogen,
die fokussiertes Laserlicht verwendet, das von einem optischen Beugungselement
wie etwa einem Hologramm oder Beugungsgitter gelenkt wird, um optische
Fallen oder Fallen und irgendeines verschiedener auswählbarer
optischer Stärkemuster
zu schaffen, um in Teilchenform vorliegende Stoffe oder andere affizierte
Stoffe für
jeden einer Myriade von Verwendungsfällen zu einem gewünschten
räumlichen
Muster zusammenzusetzen oder zu lenken. Im Spezielleren ist die
Erfindung auf Verfahren bezogen, um kleine dielektrische Teilchen
oder andere Stoffe zu manipulieren, indem eine Wechselwirkung einer fotochemischen
Umwandlung und/oder Sortierung veranlasst wird.
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Es
ist bekannt, eine optische Falle (d. h. eine Falle) unter Verwendung
optischer Gradientenkräfte aus
einem einzelnen Lichtstrahl aufzubauen, um die Position eines kleinen
dielektrischen Teilchens, das in ein flüssiges Medium, dessen Brechungsindex
geringer ist als derjenige des Teilchens, eingetaucht ist, zu modifizieren.
Das technische Verfahren optischer Fallen wurde verallgemeinert,
um eine Manipulation des Reflektierens, Absorbierens auch von Teilchen mit
geringer relativer Dielektrizitätskonstante
zu ermöglichen.
Gleichermaßen
offenbart das
US-Patent Nr. 6,055,106 (erteilt
am 25. April 2000) die Manipulation vieler Teilchen mit vielen Fallen.
Jedoch war es früher
unbekannt, optische Fallen für
die verschiedenen Anwendungen dieser Erfindung zu verwenden.
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Optische
Fallen, die ursprünglich
von A. Ashkin et al. beschrieben wurden, wurden zu einem etablierten
Verfahren, um mesoskopische Stoffmengen einzufangen, zu bewegen
und anderweitig zu manipulieren. Siehe A. Ashkin et al., "Observation of single-beam
gradient forces optical trag for dielectric particles", Optics Letters
11, 288–290
(1986). Mittelpunkt für
ihre Vorgehensweise ist es, die Absorption von Einfanglicht zu minimieren,
um eine Schädigung
des eingefangenen Materials zu vermeiden. Optische Skalpelle arbeiten
nach dem entgegengesetzten Prinzip, indem sie Energie in einen streng
fokussierten Laserstrahl verwenden, um weiche Materialien zu durchschneiden.
Diese Anmeldung offenbart und beansprucht eine neuartiges Hybridsystem,
bei denn fokussierte Laserlichtstrahlen als optische Fallen für einige
nicht absorbierende Teilchen in einer heterogenen Probe und gleichzeitig
für andere
als optische Skalpelle wirken.
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Eine
andere Anwendung der Technologie optischer Fallen bringt es mit
sich, Fremdstoffe in lebende Zellen einzuschleusen, indem die Zellmembran
durchbrochen wird, ohne sie vollständig versagen zu lassen, und
die Stoffe durch die Bruchstelle zu bewegen. Es wurden verschiedene
Methoden entwickelt, um dies zu bewerkstelligen, einschließlich viraler
Vektoren zur Transfektion kurzer DNA-Abschnitte, die Gen-Kanone
und ihre Varianten zum Übertragen größerer Abschnitte,
und Elektroporation, um Transmembrandiffusion zu induzieren. Keine
scheint sich zur Übertragung
physikalisch großer
Stoffe zu eignen, vor allem, wenn diese selbst fragil sind.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und System bereitzustellen, um gleichzeitig mehrere optische Fallen
zu errichten, indem einzelne und/oder mehrere Vorrichtungen verwendet
werden, wie etwa zum Beispiel mehrere holografische optische Fallenausführungen, die
gleichzeitig an einer einzelnen Probe wirksam sind, und mehrere
optische Fallen und mehrere Stärkebereiche,
die gleichzeitig an einer einzelnen Probe wirksam sind.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren und eine
neuartige Vorrichtung bereitzustellen, um Hologramme dazu zu verwenden,
ein optisches Gradientenfeld zu erzeugen, um eine Vielzahl von Teilchen
oder anderer optischer Medien zu steuern.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und System bereitzustellen, um mehrere optische Fallen für eine breite
Palette kommerzieller Anwendungen zu errichten, die sich auf die
Manipulation kleiner Teilchen beziehen, wie etwa bei der Herstellung
fotonischer Schaltungen, Nanoverbundstoffanwendungen, der Herstellung
von elektronischen Bauteilen, optoelektronischen Geräten, chemischen
und biologischen Sensoranordnungen, denn Aufbau holografischer Datenspeicherungsmatrizen,
der Erleichterung kombinatorischer Chemieanwendungen, der Förderung
kolloidaler Selbstzusammensetzung, und der Manipulation biologischer
Stoffe.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und System bereitzustellen, um optisch nicht absorbierende Teilchen aus
optisch absorbierenden Teilchen zu sortieren.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und System bereitzustellen, um eine zeitlich und räumlich variierende Auslegung
optischer Gradientenfelder für
verschiedene Anwendungen zum Sortieren von Teilchen bereitzustellen.
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Es
ist auch eine Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges Verfahren und
System bereitzustellen, um eine oder mehrere Laserstrahl/en in Verbindung
mit einem oder mehreren optischen Beugungselement/en zu verwenden,
um eine selektierbare zeitvariierende und/oder besondere räumliche
Anordnung optischer Fallen zum Manipulieren dielektrischer metallischer
Materialien und anderer Materialien aufzubauen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und System bereitzustellen, das einen einzelnen Eingangslaserstrahl, ein
optisches Beugungselement und eine Sammellinse verwendet, um eine
statische oder dynamische optische Falle zu bilden, die zusammen
mit anderen so ausgebildeten optischen Fallen dazu verwendet werden
kann, kleine dielektrische Teilchen oder andere Stoffe zu manipulieren,
zur Interaktion zu bringen und/oder zu sortieren.
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Es
ist auch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und System bereitzustellen, das einen Laserstrahl nutzt, der in
ein optisches Beugungselement eingegeben wird, wobei es ein Strahlabtastsystem
ermöglicht,
eine Anordnung optischer Fallen für verschiedene kommerzielle
Anwendungen abzutasten.
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Außerdem ist
es eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges Verfahren
und eine neuartige Vorrichtung bereitzustellen, um eine optische Fallenauslegung
aufzubauen, die einen Laserstrahl, ein optisches Beugungselement
und ein optisches Konvergenzsystem verwendet, um eine Fallenauslegung
an einem selektierbaren Ort in Bezug auf die Brennebene einer Objektivlinse
auszubilden.
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Es
wird auch ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung
bereitgestellt, um einen Laserstrahl, der in ein optisches Beugungselement eingegeben
wird, dazu zu verwenden, eine dreidimensionale Anordnung optischer
Fallen zu erzeugen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren bereitzustellen,
um mehrere unabhängig
gesteuerte optische Fallen unter Verwendung eines zeitabhängigen adressierbaren
Phasenverschiebungsmediums (wie etwa eine Flüssigkristall-Phasenverschiebungsanordnung
oder ein anderes Phasenmedium) als optisches Beugungselement zu
schaffen.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein neuartiges Verfahren
bereitzustellen, um zeitabhängige
optische Gradientenfelder zur Isolierung mikroskopischer Teilchen
zu erzeugen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren
bereitzustellen, um mehrere biologische Objekte einschließlich die
Kristallisation von Proteinen oder die Durchsetzung anderer Phasenveränderungen
zu manipulieren.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
schnell aus der folgenden Beschreibung von deren bevorzugten Ausführungsformen
in Zusammenschau mit den nachstehend beschriebenen begleitenden
Zeichnungen hervor, worin gleiche Elemente durchgehend gleiche Bezugszahlen
besitzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein Verfahren und System aus dem Stand der Technik für eine einzelne
optische Falle dar;
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2 stellt
ein Verfahren und System aus dem Stand der Technik für eine einzelne
steuerbare optische Falle dar;
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3 stellt
ein Verfahren und ein System dar, das ein optisches Beugungselement
verwendet;
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4 stellt
ein anderes Verfahren und System dar, das ein optisches Element
verwendet, das in Bezug auf einen eingegebenen Lichtstrahl gekippt ist.
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5 stellt
eine kontinuierlich translationsverschiebliche optische Fallenanordnung
dar, die ein optisches Beugungselement verwendet;
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6 stellt
ein Verfahren und System dar, um Teilchen unter Verwendung einer
optischen Fallenanordnung zu manipulieren, während gleichzeitig ein Bild
zur Sichtbarmachung der optischen Fallenanordnung gemacht wird;
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7A stellt
ein Bild einer Vier-auf-Vier-Anordnung von optischen Fallen unter
Verwendung des Systems von 6 dar; und 7B stellt
ein Bild von in Wasser suspendierten Silicakügelchen mit einem Mikrometer
Durchmesser von den optischen Fallen von 7A unmittelbar
nach dem Erlöschen der
Einfangbeleuchtung, aber noch bevor die Kügelchen durch Diffusion unscharf
geworden sind, dar;
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8 ist
ein Funktionsablaufblockschema, das die Trennung nicht absorbierender
von absorbierenden Teilchen darstellt. Nicht absorbierende Teilchen
werden durch die optische Fallenanordnung abgelenkt. Absorbierende
Proben werden zu kleinen Fragmenten zerteilt und nicht abgelenkt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung stellt verschiedene Verwendungen für die "Apparates for Applying Optical Gradient
Forces" (Vorrichtung
zum Anlegen optischer Gradientenkräfte) vor, die in dem an Grier
et al. erteilten
US-Patent Nr.
6,055,106 offenbart und beansprucht ist. Diese Vorrichtung
ist nachstehend durch die Verwendung der Terminologie optische Falle,
optische Falle und optische Gradientenkraftfalle umrissen. Als Einleitung
stellen
1 und
2 verschiedene
Verfahren und Systeme aus dem Stand der Technik dar. Diese Systeme
werden zuerst abgehandelt, und dann werden die Verfahren der vorliegenden
Erfindung in Bezug auf die Ausführungsbeispiele
optischer Fallen der
3–
7Ag und
7B beschrieben.
Bei dem optischen Fallensystem
10 von
1 aus
dem Stand der Technik entstehen optische Gradientenkräfte aus
der Verwendung eines einzelnen Lichtstrahls
12, um ein
kleines dielektrisches Teilchen
14, das in einem Medium
16 dispergiert
ist, dessen Brechungsindex geringer ist als derjenige des Teilchens
14,
kontrollierbar zu manipulieren. Die Beschaffenheit der optischen
Gradientenkräfte
ist hinlänglich
bekannt, und es kann auch gut davon ausgegangen werden, dass das
Prinzip verallgemeinert wurde, um eine Manipulation des Reflektierens
und Absorbierens auch von Teilchen mit niedriger Dielektrizitätskonstante
zu ermöglichen.
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Das
optische Fallensystem 10 wird unter Verwendung eines Lichtstrahls 12 (wie
etwa eines Laserstrahls) angewendet, der in der Lage ist, die notwendigen
Kräfte
anzulegen, die gebraucht werden, um die optische Einfangwirkung
auszuüben,
die zur Manipulation des Teilchens nötig ist. Das Verfahren, das
eingesetzt wird, um eine herkömmliche Form
der optischen Falle 10 zu schaffen, besteht darin, einen
oder mehrere Lichtstrahl/en jeweils mit einem festgelegten Kollimationsgrad
durch die Mitte einer rückseitigen
Apertur 24 eines optischen Konvergenzelements (wie etwa
einer Objektivlinse 20) zu projizieren. Wie in 1 angegeben
ist, besitzt der Lichtstrahl 12 eine Breite "w" und einen Eintrittswinkel Φ in Bezug
auf eine optische Achse 22. Der Lichtstrahl 12 wird
in eine rückseitige
Apertur 24 der Objektivlinse 20 eingegeben und
aus einer vorderseitigen Apertur 26 ausgegeben, die im
Wesentlichen zu einem Brennpunkt 28 auf einer Brennebene 30 eines Abbildungsraums 32 konvergiert,
wobei der Brennpunkt 28 mit einer optischen Falle 33 zusammenfällt. Im
Allgemeinen kann jeder Lichtstrahl, der zu einem beugungsbegrenzten
Brennpunkt gebracht werden kann und ausreichend große axiale
Stärkegradienten besitzt,
um ein Teilchen entgegen axialem Strahlungsdruck stabil einzufangen,
die Grundlage für
das optische Fallensystem 10 bilden.
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Um
einen solchen Brennpunkt zu schaffen, ist ein Fokussierelement mit
einer ausreichend hohen numerischen Apertur und ausreichend gut
korrigierten Aberrationen vonnöten.
Generell beträgt
die kleinste numerische Apertur, um eine Falle zu bilden, ca. 0,9
bis ca. 1,0.
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Im
Falle des Lichtstrahls 12, der ein kollimierter Laserstrahl
ist, und dessen Achse mit der optischen Achse 22 zusammenfällt, tritt
der Lichtstrahl 12 in die rückseitige Apertur 24 der
Objektivlinse 20 ein und wird zu einem Brennpunkt im Abbildungsraum 32 am
Mittelpunkt c der Brennebene 30 der Objektivlinse gebracht.
Wenn die Achse des Lichtstrahls 12 um den Winkel Φ im Hinblick
auf die optische Achse 22 verschoben wird, fallen die Strahlachse 31 und
die optische Achse 22 am Mittelpunkt B der rückseitigen Apertur 12 zusammen.
Diese Verschiebung ermöglicht
eine Translationsverschiebung der optischen Achse über das
Sehfeld, und zwar um einen Betrag, der von der Winkelveränderung
der Objektivlinse 20 abhängt. Die beiden Variablen,
die Winkelverschiebung Φ und
die variierende Konvergenz des Lichtstrahls 12, können dazu
verwendet werden, die optische Falle an ausgewählten Stellen im Inneren des Abbildungsraums 32 zu
bilden. Es können
mehrere optische Fallen 33 an verschiedenen Stellen angeordnet
werden, vorausgesetzt, dass mehrere Lichtstrahlen 12 in
verschiedenen Winkeln Φ und
mit verschiedenen Kollimationsgraden an die rückseitige Apertur 24 angelegt
werden.
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Um
einen optischen Einfangvorgang in drei Dimensionen durchzuführen, müssen optische
Gradientenkräfte,
die auf das einzufangende Teilchen wirken, andere Strahlungsdrücke überschreiten,
die sich aus Lichtstreuung und -absorption ergeben. Im Allgemeinen
erfordert dies, dass die Wellenfront des Lichtstrahls 12 an
der rückseitigen
Apertur 24 eine geeignete Form hat. Beispielsweise sollte
für einen Gaußschen TEM,
Eingangslaserstrahl der Strahldurchmesser w im Wesentlichen mit
dem Durchmesser der Eintrittspupille 24 übereinstimmen.
Für allgemeinere
Strahlprofile (wie etwa Laguerre-Gauß-Moden)
lassen sich vergleichbare Bedingungen formulieren.
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In
einen in 2 gezeigten anderen System aus
dem Stand der Technik kann das optische Fallensystem 10 die
optische Falle 33 über
das Sehfeld der Objektivlinse 20 translatorisch verschieben.
Ein Teleskop 34 ist aus Linsen L1 und L2 aufgebaut, was
einen Punkt A herstellt, der optisch mit dem Mittelpunkt B im System
von 1 aus dem Stand der Technik konjugiert ist. Im
System von 2 geht der Lichtstrahl 12,
der durch den Punkt A verläuft,
auch durch den Punkt B und erfüllt
somit die Grundanforderungen, um als das optische Fallensystem 10 zu
wirken. Der Kollimationsgrad wird beibehalten, indem die Linsen
L1 und L2 wie in 2 gezeigt positioniert werden,
wobei ihre Brennweiten und andere optische Charakteristika so gewählt sind,
dass die Übertragung
von Eigenschaften des Teleskops 34 optimiert wird. Insbesondere
kann die Vergrößerung des
Teleskops 34 so gewählt
werden, dass die Winkelverschiebung des Lichtstrahls 12 und
seine Breite w in der Ebene der rückseitigen Apertur 24 der
Objektivlinse 20 optimiert wird. Wie bislang festgestellt
wurde, können
im Allgemeinen mehrere der Lichtstrahlen 12 verwendet werden,
um mehrere zueinandergehörende
optische Fallen zu bilden. Mehrere derartige Strahlen 12 können aus
mehreren unabhängigen Eingangsstrahlen
oder aus einem einzigen Strahl hergestellt werden, der durch herkömmliche
optische Reflexions- und/oder Brechungselemente manipuliert wird.
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In
einer optischen Fallenauslegung, die in 3 gezeigt
ist, können
beliebige Anordnungen von optischen Fallen ausgebildet werden. Ein
optisches Beugungselement 40 ist im Wesentlichen in einer
Ebene 42 angeordnet, die mit der rückseitigen Apertur 24 der
Objektivlinse 20 konjugiert ist. Festzuhalten ist, dass
nur ein einzelner gebeugter Ausgangsstrahl 44 der Klarheit
halber gezeigt ist, es aber klar sein sollte, dass auch mehrere
solcher Strahlen 44 durch das optische Beugungselement 40 hergestellt
werden können.
Der Eingangslichtstrahl 12, der auf das optische Beugungselement 40 fällt, wird
zu einem Muster der Ausgangsstrahlen 44 aufgeteilt, das
charakteristisch für
die Beschaffenheit des optischen Beugungselements 40 ist,
wovon jeder vom Punkt A ausgeht. Somit verlaufen die Ausgangsstrahlen 44 als
Folge der zuvor beschriebenen nachgeordneten optischen Elemente
auch durch den Punkt B. In manchen Situationen, bei denen mehrere Objekte
in einem spezifischen räumlichen
Verhältnis zueinander
hergestellt werden sollen, wobei jedes Objekt sich in einer bestimmten
Ausrichtung befindet, wird es notwendig sein, die mehreren Objekte
in einem Zeitmaßstab herzustellen,
der schneller ist als derjenige, in dem die relevante Bewegung der
Objekte stattfindet. Dieser Zeitmaßstab wird unter anderen Faktoren
von der Viskosität
des Mediums abhängen. In
einer solchen Situation kann eine Vorrichtung, die eine parallele
Herstellung der mehreren Objekte zulässt, gegenüber einer Vorrichtung, welche
die Objekte nacheinander herstellt, einen Vorteil bieten.
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Das
optische Beugungselement 40 von 3 ist als
senkrecht zum Eingangslichtstrahl 12 gezeigt, es sind aber
auch viele andere Anordnungen möglich.
Zum Beispiel kommt in 4 der Lichtstrahl 12 in
einem stumpfen Winkel β in
Bezug auf die optische Achse 22 an und nicht in einer Senkrechten zum
optischen Beugungselement 40. In dieser Ausführungsform
werden die gebeugten Strahlen 44, die vom Punkt A ausgehen,
optische Fallen 50 auf einer Brennebene 52 des
Abbildungsraums 32 bilden (am besten in 1 zu
sehen). In dieser Anordnung des optischen Fallensystems 10 kann
ein nicht beugender Teil 54 des Eingangslichtstrahls 12 aus
dem optischen Fallensystem 10 entfernt werden. Diese Auslegung
ermöglicht
es somit, weniger Hintergrundlicht zu verarbeiten, und verbessert
die Effizienz und Effektivität
der Herstellung optischer Fallen.
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Das
optische Beugungselement 40 kann computergenerierte Hologramme
umfassen, die den Eingangslichtstrahl 12 in ein vorausgewähltes gewünschtes
Muster aufteilen. Eine Kombination solcher Hologramme mit den übrigen optischen
Elementen von 3 und 4 ermöglicht die
Herstellung beliebiger Anordnungen, in denen das optische Beugungselement 40 dazu
verwendet wird, die Wellenfront jedes gebeugten Strahls unabhängig zu
formen. Deshalb können
die optischen Fallen 50 nicht nur in der Brennebene 52 der
Objektivlinse 20 angeordnet werden, sondern auch außerhalb
der Brennebene 52, um eine dreidimensionale Anordnung der optischen
Fallen 50 zu bilden.
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Im
optischen Fallensystem 10 von 3 und 4 ist
auch ein optisches Fokussierelement enthalten, wie etwa die Objektivlinse 20 (oder
eine andere ähnliche
funktional gleichwertige Vorrichtung wie etwa eine Fresnel-Linse)
zum Konvergieren des gebeugten Strahls 44, um die optischen
Fallen 50 zu bilden.
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Darüber hinaus
schafft das Teleskop 34, oder eine andere gleichwertige Übertragungsoptik
einen Punkt A, der mit dem Mittelpunkt B der vorstehenden rückseitigen
Apertur 24 konjugiert ist. Das optische Beugungselement 40 ist
in einer Ebene angeordnet, die den Punkt A enthält.
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In
einer anderen Ausführungsform
können beliebige
Anordnungen der optischen Fallen 50 hergestellt werden,
ohne dass dabei das Teleskop 34 eingesetzt wird. In einer
solchen Ausführungsform kann
das optische Beugungselement 40 direkt in die Ebene gesetzt
werden, die den Punkt B enthält.
In einer anderen Form der Erfindung kann eine der Linsen im Hologramm
selbst und nicht im Teleskop 34 angeordnet 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 verändernde Anordnungen der optischen
Fallen 50 schaffen, die ein Teil eines Systems sein können, das
solch ein Leistungsmerkmal nutzt. Außerdem können diese dynamischen optischen
Elemente 40 dazu verwendet werden, Teilchen und andere Stoffe
mit diversen optischen Eigenschaften in Bezug aufeinander zu bewegen.
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Zum
Beispiel kann es sich bei dem optischen Beugungselement 40 um
einen Flüssigkristall-Raumlichtmodulator
handeln, der computergenerierte Phasenmodulationen auf die Wellenfront
eines einfallendes Laserstrahls codiert. In einer anderen Ausführungsform
kann ein Raumlichtmodulator auch in Verbindung mit einem Phasenkreis
anstelle des optischen Beugungselements verwendet werden.
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In
einer anderen Ausführungsform,
die in 5 dargestellt ist, kann ein System so aufgebaut sein,
dass es eine kontinuierliche Translationsverschiebung der optischen
Falle 50 durchführt.
Ein kardanisch aufgehängter
Spiegel 60 ist mit seinem Drehmittelpunkt am Punkt A angeordnet.
Der Lichtstrahl 12 fällt
auf die Fläche
des Spiegels 60, wobei seine Achse durch den Punkt A verläuft und
zur rückseitigen
Apertur 24 projiziert wird. Ein Kippen des Spiegels 60 bewirkt
eine Veränderung
des Einfallswinkels des Lichtstrahls 12 in Bezug auf den
Spiegel 60, und dieses Leistungsmerkmal kann dazu genutzt werden,
die sich ergebende optische Falle 50 translatorisch zu
verschieben. Ein zweites Teleskop 62 wird aus Linsen L3
und L4 gebildet, was einen Punkt A' entstehen lässt, der mit Punkt A konjugiert
ist. Das optische Beugungselement 40, das am Punkt A' sitzt, erzeugt nun ein
Muster von gebeugten Strahlen 64, wovon jeder durch den
Punkt A verläuft,
um eine der Fallen 50 in einer Anordnung des optischen
Fallensystems 10 zu bilden.
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Beim
Betrieb der Ausführungsform
von 5 verschiebt der Spiegel 60 die gesamte
Fallenanordnung translatorisch als eine Einheit. Diese methodische
Vorgehensweise ist nützlich,
um die optische Fallenanordnung mit einem stationären Substrat
genau auszurichten, um die optische Falle 50 durch schnelle
Schwingverschiebungen geringer Amplitude sowie auch für irgendeine
Anwendung dynamisch zu versteifen, die eine allgemeine Translationsbefähigung benötigt.
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Die
Anordnung der optischen Fallen 50 kann auch vertikal in
Bezug auf den Probenhalter translatorisch verschoben werden, indem
der Probenhalter bewegt oder das Teleskop 34 justiert wird.
Außerdem kann
die optische Fallenanordnung auch seitlich in Bezug auf die Probe
translatorisch verschoben werden, indem der Probenhalter bewegt
wird.
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Dieses
Leistungsmerkmal wäre
für eine
Bewegung über
das Sehfeld der Objektivlinse hinaus besonders nützlich.
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In
einer anderen Ausführungsform,
die in 6 gezeigt ist, ist das optische System so angeordnet,
dass es eine Sichtbarmachung von Bildern von Teilchen ermöglicht,
die von der optischen Falle (10) eingefangen wurden. Ein
dichroitischer Strahlenteiler 70 oder ein anderer äquivalenter
optischer Strahlenteiler ist zwischen die Objektivlinse 20 und die
optische Strecke des optischen Fallensystems 10 eingesetzt.
In der dargestellten Ausführungsform
reflektiert der Strahlenteiler 70 die Wellenlänge des Lichts
selektiv, das zur Ausbildung der optischen Fallenanordnung verwendet
wird, und lässt
andere Wellenlängen
durch. Somit wird der Lichtstrahl 12, der zur Ausbildung
der optischen Fallen 50 verwendet wird, mit hoher Effizienz
zur rückseitigen
Apertur 24 durchgelassen, während ein Lichtstrahl 66,
der zur Herstellung von Bildern verwendet wird, zu einer Bildgebungsoptik
hindurchgehen kann.
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In
einem anderen Aspekt der technischen Vorgehensweise kann eine Methode
zum Einschleusen eines Fremdstoffs in lebende Zellen beschrieben werden.
Vor kurzem wurde festgestellt, dass optische Fallenvorrichtungen
vorteilhafter Weise dazu verwendet werden können, einen Fremdstoff wie
etwa ein künstliches
Chromosom in lebende Zellen einzuschleusen, indem eine Kombination
aus optischem Einfangen, optisch induzierter Membranfusion und optischer
Schnitttechnik verwendet wird. Als nicht einschränkendes Beispiel umfasst die
Methode die Schritte des Einkapselns des zu übertragenden Stoffs in zum
Beispiel ein Liposom, des Einschmelzens des Liposoms in die Zellmembran,
und des Punktierens der Verbindungsstelle, um einen Transfer zu
bewirken. Der erste Schritt nutzt irgendeine einer breiten Palette
von bekannten möglichen
Einkapselungsverfahren. Sobald die Einkapselung abgeschlossen ist,
kann das Liposom mit optischen Fallen eingefangen und zu einer Zielzelle
verschoben werden. Je nach der Empfindlichkeit des Stoffes für Licht,
könnten
mehrere separate optische Fallen einer einzigen vorzuziehen sein,
wobei dann holografische optische Fallen Vorteile gegenüber anderen Verfahren
wie etwa abgetasteten optischen Fallen bieten.
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Im
Gegensatz zu abgetasteten optischen Fallen, die sich vielen Einfangspunkten
in Abfolge zuwenden und somit zeitverzahnt oder im Time-Sharing arbeiten,
beleuchten holografische optische Fallen jede ihrer Fallen kontinuierlich.
Damit eine abgetastete optische Falle dieselbe Einfangkraft erzielt
wie eine kontinuierlich beleuchtete Falle, muss sie zumindest dieselbe
zeitgemittelte Stärke
bereitstellen. Dies bedeutet, das die abgetastete Falle eine um
einen Faktor höhere
Spitzenstärke
haben muss, der zumindest zur Anzahl von Einfangbereichen proportional
ist. Diese höhere
Spitzenstärke
erhöht
die Gelegenheiten für
optisch induzierte Schädigung
im eingefangenen Stoff. Diese Schädigung kann aus mindestens
drei Mechanismen entstehen: (1) Einzelphotonenabsorption, die zu
lokaler Erwärmung
führt,
(2) Einzelphotonenabsorption, die zu fotochemischen Umwandlungen
führt,
und (3) Mehrphotonenabsorption, die zu fotochemischen Umwandlungen
führt. Die
Fälle (1)
und (2) können
abgemildert werden, indem eine Lichtwellenlänge gewählt wird, die von dem Einfangstoff
und dem umgebenden flüssigen
Medium schwach absorbiert wird. Der Fall (3) ist ein allgemeineres
Problem und wird zum Teil dadurch abgemildert, dass mit einem Licht
mit längerer
Wellenlänge
gearbeitet wird. Mehrphotonenabsorption, der zentrale Mechanismus
des Lichtpolymerisationsteils dieses Verfahrens, tritt bei einer
Rate auf, die proportional zu der in die Potenz erhobenen Stärke ist
(d. h. I2 für Zweiphotonenabsorption).
Die Raten für
solche Prozesse werden durch Senken der Spitzenstärke des
Einfangstrahls schnell auf akzeptable Niveaus gesenkt. Im Ergebnis sind
kontinuierlich beleuchtete holografische optische Fallen geringerer
Stärke
zeitverzahnten abgetasteten Fallen vorzuziehen. Darüber hinaus
bieten sich holografische optische Fallen einsetzende Verfahren
dazu an, mehr unabhängige Fallen über das
ganze Volumen eines raumgreifendem Objekts zu verteilen, als dies
irgendein abgetastete Fallen einsetzendes technisches Verfahren
tut. Insbesondere können
holografische optische Fallen Fallen über die dreidimensionalen Umrisse
eines Objekts verteilen, im Gegensatz zu abgetasteten Fallen, die
auf eine einzige Ebene beschränkt
sind.
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Die
Einfangkraft auf mehrere Stellen an einem Objekt zu verteilen ermöglicht es
holografischen optischen Fallen darüber hinaus, die Höchststärke und
die Höchstkraft
zu minimieren, mit denen irgendein Punkt des Objekts beaufschlagt
wird. Dies kann als analog zu einem Nagelbrett angesehen werden,
bei dem jeder einzelne Nägel
einen Schaden verursachen könnte,
eine Verteilung der Belastung auf mehrere Nägel aber die stellenweise Kraft
unter die Schwelle für
einen Schaden senkt.
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Folglich
bieten holografische optische Fallen wesentliche Vorteile gegenüber sowohl
abgetasteten Fallen als auch einzelnen herkömmlichen optischen Fallen.
Wenn die Zelle selbst motil ist, kann sie mit holografischen optischen
Fallen an der Stelle gehalten und ausgerichtet werden. Für einige
Anwendungen, zum Beispiel wenn ein Stoff zu einem bestimmten Teil
einer Zelle übertragen
werden soll und dabei andere Zellen umgangen werden sollten, bietet
eine optische Fallenmanipulation Vorteile. Ein einzelner Satz von
holografischen optischen Fallen kann dazu verwendet werden, sowohl
die Zelle als auch das Liposom gleichzeitig zu halten.
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In
einer anderen Form der Erfindung werden ein System und ein Verfahren
bereitgestellt, um nicht absorbierende Teilchen 310 aus
absorbierenden Teilchen 290 zu sortieren (siehe 8).
Man hat entdeckt, dass eine optische Falle oder Fallenanordnung 300 vorteilhafter
Weise aus fokussierten Strahlen von Laserlicht gebildet werden kann,
die als optische Fallen für
einige nicht absorbierende Teilchen 310 in einer Probe
wirken und als optische Skalpelle für andere. Anstatt jedoch die
absorbierenden Teilchen 290 herauszuschneiden, wie dies
herkömmlicher
Weise mit einem optischen Skalpell getan wird, wird vielmehr Lichtabsorption
genutzt, um die absorbierenden Teilchen 290 unspezifisch
zu zerstören, um
sie in sehr kleine Stücke 330 zu
zerkleinern. Diese kleinen Stücke
können
dann von den unbeschädigten
nicht absorbierenden Teilchen, die in den optischen Fallen 320 zurückbleiben,
getrennt werden.
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Ein
Beispiel für
die Nützlichkeit
dieser Methode ist das Problem der Suche nach Krebszellen in einer
Blutprobe. Für
gewöhnlich
müsste
zuerst die große
Anzahl roter Blutzellen in der Probe von den in Frage kommenden
Krebszellen getrennt werden, bevor das Testen beginnen kann. Licht
aus optischen Fallen, das im sichtbaren Bereich von Wellenlängen, zum
Beispiel bei einer Wellenlänge
von 532 nm wirkt, würde
von roten Blutzellen stark absorbiert und kann folglich dazu verwendet
werden, sie durch lokale Erwärmung
zu zerstören.
Andere unpigmentierte Zellen können
jedoch mit denselben sichtbaren Fallen eingefangen und für weiteres
Testen manipuliert werden. Beispielsweise sei eine Anordnung sichtbarer optischer
Fallen angenommen, die so angeordnet sind, dass ihr charakteristischer
Abstand erheblich kleiner ist als die Größe einer roten Blutzelle. Ein
Gemisch von Zellen, die durch einen von außen vermittelten Flüssigkeitsstrom
durch die Anordnung von optischen Fallen getrieben werden, würde auf
diese optischen Fallen treffen. Die stark absorbierenden Zellen
würden
durch ihre Wechselwirkung mit dem Licht in viel kleinere Bestandteile,
wie etwa Membranfragmente, zerkleinert werden. Diese kleineren Bestandteile
hätten
eine vergleichsweise schwächere
Wechselwirkung mit dem Licht, und ein kleiner Teil könnte von
einigen der Fallen in der Anordnung eingefangen werden. Wahrscheinlicher
ist es jedoch, dass sie durch den Flüssigkeitsstrom fortgespült werden.
Anstatt durch das Licht geschädigt
zu werden, würden schwach
absorbierende Zellen auf eine oder mehrere optische Falle/n in der
Anordnung treffen und eine Einfangkraft erfahren.
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Die
intakten Zellen hätten
größere und
zahlreichere Bereiche, die für
optisches Einfangen empfänglich
wären,
als die Fragmente der zerstörten
Zellen, und würden
deshalb von der Anordnung optischer Fallen bevorzugt eingefangen.
Zellen, die sich in der Anordnung von optischen Fallen befinden,
können
zum Sammeln transportiert werden, indem die optischen Fallen selbst
bewegt werden, wobei zum Beispiel die Leistungsmerkmale einer früheren Anmeldung
des hiesigen Anmelders genutzt werden (Grier et al., US-Patentanmeldung
mit der laufenden Nummer 09/875,812; US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
US 2002-0185592 A1, veröffentlicht
am 12. Dezember 2002), indem der Probenbehälter zum Transportieren der
eingefangenen Zellen zu einem Sammelbereich innerhalb des Probenbehälters bewegt
wird, oder indem die Fallen periodisch abgeschaltet und die Zellen über einen
Flüssigkeitsstrom
zu einem Sammelbereich geleitet werden. Auf jede dieser Weisen werden
die Zellen, die kein Licht absorbieren, separat von denjenigen gesammelt,
die Licht absorbieren.
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Dieser
Lösungsansatz
kann vom Sortieren von Zellen auf das Sortieren irgendeines anderen Stoffs
allgemein ausgeweitet werden, dessen Absorptionskoeffizienten sich
bei zumindest einer bestimmten Wellenlänge von Licht wesentlich unterscheiden.
Die Vorteile dieser Manipulation umfassen eine ausgezeichnete Genauigkeit
zum Verwerfen des ungewünschten
absorbierenden Stoffs und die Fähigkeit,
andere aktive Sortierschritte durchzuführen. Dieselben Vorteile würden sich
auch für
andere Anwendungen dieser ablativen Teilchensortiermethode ergeben.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
des optisch ablativen Teilchensortierens, kann eine Trennung nicht
absorbierender Teilchen mit mehreren optischen Fallen durchgeführt werden,
die mit dem holografischen optischen Fallenverfahren hergestellt sind.
Eine Trennung der eingefangenen Teilchen auf die zerstörten absorbierenden
Teilchen hin könnte mit
den zuvor offenbarten technischen Verfahren der aktiven Fallenmanipulation,
optischen Peristaltik oder passiven seitlichen Ablenkung in einer
Strömung
erfolgen. Die Trennung könnte
auch in einer mikroströmungstechnischen
Vorrichtung mit einem Kanal zum Ausspülen der Abfallprodukte aus
der Zerstörung
absorbierender Teilchen und anderen Kanälen zum Sammeln ausgewählter nicht
absorbierender Teilchen erfolgen.
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In
früheren
Einsatzfällen
von optischen Fallen war große
Sorgfalt erforderlich, um eine Lichtwellenlänge auszuwählen, die keinen der einzufangenden
Stoffe schädigen
würde.
Bei der vorliegenden Erfindung besteht das Ziel darin, eine Wellenlänge auszuwählen, die
von der ungewollten Teilpopulation einer Mischprobe stark absorbiert
wird, und von der anderen, zu gewinnenden Teilpopulation sehr schwach absorbiert
wird. Das Gewinnen der schwach absorbierenden Teilpopulation erfolgt
durch herkömmliche Methoden,
wobei die Trennung in diesem Fall durch die passive Zerstörung der
ungewollten Fraktion und nicht durch aktive Selektion stattfindet.
Dies könnte auch
ein Vorverarbeitungsschritt für
andere analytische Methoden wie etwa Stromungszytometrie sein.
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Als
nicht einschränkendes
Beispiel könnte diese
Methode zur Früherkennung
von Krebs durch Blut-Screening verwendet werden. Verschiedene Krebsarten
bilden nämlich
in ihren frühesten
Stadien keine besonders wohldefinierten Tumore, sondern bilden vielmehr
Bereiche abnormaler Zellen, die dazu tendieren, sich in den Blutstrom
abzusetzen. In der Praxis würde
die Erfassung dieser Zellen einen Hinweis darauf geben, dass der
Patient Krebs im Frühstadium
hat. Diese Erfassung würde
zumindest eine vorläufige
Diagnose lange vor anderen Methoden liefern, die eine Erfassung
eines vollständigen
Tumors oder seiner Stoffwechselprodukte erforderlich machen. Somit
würde diese
Methode für
eine frühe
und effizientere Behandlung sorgen. Dies kann mit herkömmlichen
Trennverfahren zum Zentrifugieren verglichen werden, um die dichteren
hämoglobinhaltigen
roten Blutzellen von anderen im Blut mitgeführten Zellen zu trennen. Jedoch
werden beim Zentrifugieren die leichteren Zellen oftmals mit den
schwereren mitgerissen, wodurch die Erfassung sehr schwierig wird.
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Unter
Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung können Blutproben
dazu gebracht werden, durch eine Anordnung von optischen Fallen
mit einer Wellenlänge
und Stärke
zu fließen, welche
die Zellstruktur der roten Blutzellen zerstört und nicht rote Blutzellen,
wie etwa weiße
Blutzellen und mögliche
Krebszellen intakt lässt.
Die roten Blutzellen werden nämlich
in Fragmente zerkleinert, die zu klein zum Einfangen sind. Die unbeschädigten Zellen
können
jedoch von den optischen Fallen eingefangen und zum Beispiel durch
sequentielles Aktualisieren der Muster der Fallen für eine anschließende Analyse
zu einem Sammelpunkt transportiert werden.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung aufgezeigt und beschrieben wurden, wird den Fachleuten
auf dem Gebiet klar sein, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen
vorgenommen werden können,
ohne von der Erfindung in ihren weitergefassten Aspekten abzuweichen,
wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
dargelegt sind.