專利名稱：利用光鉗操縱材料用的設(shè)備的制作方法
借助于美國政府的支持，在美國國家科學(xué)基金會(huì)簽訂的合同No.DMR-9730189下，通過合同號為No.DMR-9808595的美國國家科學(xué)基金會(huì)的MRSEC方案，通過教育部的GAANN獎(jiǎng)學(xué)金作出本發(fā)明。美國政府也享有本發(fā)明的一定權(quán)利。
概括而言本發(fā)明涉及用于控制光學(xué)陷阱(optical trap)或光鉗(optical tweezer)的方法和設(shè)備。更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明涉及利用可見光形成的光鉗，可用于操縱(manipulate)多種光敏材料，如活體生物材料，而不對被研究或操縱的材料造成顯著損傷或有害影響。
已知利用來自單光束的光學(xué)梯度力構(gòu)成光鉗，操縱小電介質(zhì)粒子浸入折射率小于該粒子的流體介質(zhì)中的位置。此光鉗技術(shù)概括來說能操縱反射、吸收以及低介電常數(shù)的粒子。
因此已經(jīng)研究出一些通過使用單光束產(chǎn)生單個(gè)光學(xué)陷阱來操縱單個(gè)粒子的系統(tǒng)。為了用這類系統(tǒng)操縱多個(gè)粒子，必須采用多個(gè)光束。使用傳統(tǒng)光鉗方法產(chǎn)生擴(kuò)展的多光束陷阱的難度，限制了其在諸如一般性地檢查生物材料的多種潛在商業(yè)應(yīng)用中的使用，并且還限制納米合成材料的制造和操縱，包括電子、光子和光電子裝置，用于化學(xué)和生物分析(assay)中的化學(xué)傳感器陣列，以及全息和計(jì)算機(jī)存儲矩陣。
一種光鉗使用由強(qiáng)且密集的會(huì)聚光束施加的力來俘獲和操縱通常處于流體媒質(zhì)中的介電粒子。以前對光鉗的描述強(qiáng)調(diào)其用于生物應(yīng)用，如俘獲細(xì)胞或其成分，用于研究、診斷評估乃至治療的目的的潛在用途。這些報(bào)道還強(qiáng)調(diào)在使用可見光時(shí)由光學(xué)俘獲方法造成內(nèi)在和持久的損傷或改變。特別是，觀察到Ar(氬)離子激光器發(fā)出的波長λ＝514.5nm的綠光對生物材料造成多種有害的影響紅細(xì)胞完全爆裂(explode)，綠色植物細(xì)胞的葉綠體遭到破壞，并且持續(xù)應(yīng)用綠色激光會(huì)引起被俘獲纖毛細(xì)菌的死亡。在前兩個(gè)例子中綠激光造成的損害顯然分別來自于血色素和葉綠素對綠光的強(qiáng)吸收，導(dǎo)致迅速受熱和嚴(yán)重破壞。本領(lǐng)域技術(shù)人員還沒有“從光學(xué)上(opticution)”找出第三種損害的機(jī)制。后來的研究將光致引起突變確定為細(xì)胞由于使用光鉗而死亡的可能機(jī)制。
當(dāng)用工作在λ＝1064nm的NdYAG激光器發(fā)出的紅外光對類似材料進(jìn)行光學(xué)俘獲時(shí)，觀察到對生物材料的損害相當(dāng)小。主要基于這些和類似的使用單個(gè)光鉗的早期觀察結(jié)果，研究人員得出對于光學(xué)俘獲生物材料而言，紅外照射在使用上優(yōu)于可見光照射的結(jié)論。也就是說，使用紅外光不會(huì)對生物材料造成任何明顯的有害影響。
不過在特殊情況下，激光誘發(fā)的損害可能是符合需要的。例如，工作在λ＝532nm的脈沖光鉗由于具有切割生物材料如染色體的能力而被選中。如此使用的光鉗稱作光剪刀或光解剖刀。即便如此，由于已被很好地證明，并且對生物材料造成公認(rèn)的有害影響，以前本領(lǐng)域技術(shù)人員一直認(rèn)為使用可見光無損地俘獲生物材料的前景是一種無法接受的光學(xué)俘獲和操縱方法。
因而本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種使用來自光譜的可見或紫外部分光的至少一個(gè)光學(xué)陷阱的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明另一目的在于提供一種用于控制可見光光學(xué)陷阱的新的方法和設(shè)備，具有提高的效率、效果和使用安全性。
本發(fā)明又一目的在于提供一種用于控制可見光光學(xué)陷阱的新的方法和設(shè)備，由于使用人眼可見的光，故其調(diào)整相對簡單。
本發(fā)明再一目的在于提供一種用于控制可見光光學(xué)陷阱的新的方法和設(shè)備，其中可精確俘獲局部區(qū)域。
本發(fā)明另一目的在于提供一種用于控制可見光光學(xué)陷阱的新的方法和設(shè)備，其中被操縱樣品不會(huì)由于光吸收而過熱或以其它方式改變。
本發(fā)明又一目的在于提供一種用于控制光學(xué)陷阱的新的方法和設(shè)備，其中該光學(xué)陷阱具有高度改進(jìn)的跟蹤精度。
本發(fā)明再一目的在于提供一種新的方法和設(shè)備，使用可見光作為光鉗，用于其電子、機(jī)械、化學(xué)或生物狀態(tài)對具有高強(qiáng)度光圖案的光鉗高度敏感的任何材料。
本發(fā)明另一目的在于提供一種用于控制具有可變功率大小(power level)的光學(xué)陷阱的新的方法和設(shè)備，其提供有效的光學(xué)俘獲，但不改變該材料期望的化學(xué)、生物、電子或機(jī)械狀態(tài)。
根據(jù)上述目的，發(fā)現(xiàn)部分地通過適當(dāng)設(shè)計(jì)光學(xué)俘獲系統(tǒng)和方法，可將可見光鉗對生物物質(zhì)和其他對高強(qiáng)度光敏感的材料造成的損害或不希望的改變減小到可接受的程度，減小或甚至為零大小和水平。此外，相信利用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征，紫外波長也可用于特別小尺寸的物體，以及特殊類型的材料。因此，這種光鉗在生物系統(tǒng)和其他具有光敏材料的系統(tǒng)中具有廣泛用途，并且具有超過紅外光鉗的若干優(yōu)點(diǎn)。
從下面結(jié)合下述附圖的最佳實(shí)施例說明，易于得出本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中相同元件具有相同附圖標(biāo)記。
附圖簡要說明

圖1表示包括單光鉗某些傳統(tǒng)特征的方法和系統(tǒng)；圖2表示包括單個(gè)、可調(diào)光鉗某些傳統(tǒng)特征的方法和系統(tǒng)；圖3表示一種使用衍射光學(xué)元件的方法和系統(tǒng)；圖4表示另一種使用相對輸入光束傾斜的光學(xué)元件的方法和系統(tǒng)；圖5表示使用衍射光學(xué)元件的可連續(xù)移動(dòng)光鉗(陷阱)陣列；圖6表示使用光鉗陣列控制粒子，同時(shí)還形成用于觀察光學(xué)陷阱陣列的圖像的方法和系統(tǒng)；圖7A表示使用圖6的光學(xué)系統(tǒng)的四乘四光鉗(陷阱)陣列的圖像；圖7B表示在消除俘獲照射之后，但在球體擴(kuò)散開之前，立即通過圖7A的光鉗獲得的懸浮在水中的一個(gè)微米直徑硅球體的圖像；圖8表示繼續(xù)使用光鉗，并且加速填充光學(xué)陷阱來控制粒子的方法和系統(tǒng)；圖9A-9D表示光學(xué)陷阱控制方法的使用，其中通過全息衍射光學(xué)元件形成光學(xué)陷阱；以及圖10表示光學(xué)陷阱控制方法的使用，其中對粒子進(jìn)行顯微成像，使用個(gè)人計(jì)算機(jī)識別出粒子，并計(jì)算純相位全息圖以便俘獲粒子。
最佳實(shí)施例詳細(xì)說明為了更好地理解本發(fā)明的改進(jìn)，圖1和2說明包括某些傳統(tǒng)特征的若干方法和系統(tǒng)。在圖1的光鉗系統(tǒng)10中，光學(xué)梯度力由于使用單光束12可控地操縱分散在介質(zhì)16中的小介電粒子14而產(chǎn)生，其中該介質(zhì)的折射率nm小于該粒子14的折射率。光學(xué)梯度力的基本性質(zhì)是眾所周知的，當(dāng)然概括地說該原理可操縱反射、吸收和低介電常數(shù)的粒子。在下面所述本發(fā)明改進(jìn)的描述中可貫徹這些技術(shù)中的任何一種，并且在下文中將使用術(shù)語光鉗、光學(xué)陷阱和光學(xué)梯度力陷阱進(jìn)行描述。
通過使用光束12(如激光束或其他高強(qiáng)度光源)來應(yīng)用光鉗系統(tǒng)10，該光束能施加實(shí)現(xiàn)操縱粒子所需的光學(xué)俘獲效果需要的必要的力。傳統(tǒng)類型光鉗10的目的在于將一個(gè)或多個(gè)經(jīng)過整形的光束投射到會(huì)聚光學(xué)元件(如物鏡20)后孔徑24的中心。如圖1所示，光束12的寬度為“w”，并具有相對光軸22的輸入角Φ。光束12輸入物鏡20的后孔徑24，并從前孔徑26輸出，基本上會(huì)聚到成象體積32焦平面30中的焦點(diǎn)28，且焦點(diǎn)28與光學(xué)陷阱33重合。通常，任何聚焦光學(xué)系統(tǒng)都可以構(gòu)成光鉗系統(tǒng)10的基礎(chǔ)。
在光束12為準(zhǔn)直激光束且其軸與光軸22重合的情況下，光束12進(jìn)入物鏡20的后孔徑24，并被引導(dǎo)到物鏡焦平面30的中點(diǎn)c處成象體積32的焦點(diǎn)。當(dāng)光束12的光軸相對光軸22處于角度Φ時(shí)，光束軸31與光軸22在后孔徑24的中點(diǎn)B處重合。這種設(shè)置可使光學(xué)陷阱在視場上平移一定量，且此平移量取決于物鏡20的角度放大率。可使用兩個(gè)變量角位移Φ和光束12的變會(huì)聚度，以在成象體積32內(nèi)選定位置處形成光學(xué)陷阱。只要多個(gè)光束12以不同角度Φ施加于后孔徑24，并具有不同準(zhǔn)直度，就能在不同位置處設(shè)置大量光學(xué)陷阱33。
為了在三維空間中實(shí)現(xiàn)光學(xué)俘獲，被俘獲粒子上產(chǎn)生的光學(xué)梯度力必須超過由于光散射和吸收產(chǎn)生的其他輻射壓力。通常這必須使光束12的波前在后孔徑24處具有適當(dāng)形狀。例如，對于高斯TEM00輸入激光束，光束直徑w應(yīng)該與后孔徑24的直徑基本相同。對于更一般的光束分布(諸如高斯-Laguerre)，可用公式表示類似條件。
在圖2中包括某些傳統(tǒng)特征的另一種系統(tǒng)中，光鉗系統(tǒng)10可跨越物鏡20的視場平移光學(xué)陷阱33。望遠(yuǎn)鏡34由透鏡L1和L2構(gòu)成，其形成與圖1現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的中點(diǎn)B光學(xué)共軛的點(diǎn)A。在圖2的系統(tǒng)中，通過點(diǎn)A的光束12也通過點(diǎn)B，從而滿足作為光鉗系統(tǒng)10的基本要求。通過如圖2所示設(shè)置透鏡L1和L2的位置，使望遠(yuǎn)鏡34的傳輸性質(zhì)最佳而保持準(zhǔn)直度。此外，可選擇望遠(yuǎn)鏡34的放大率，使物鏡20后孔徑24的平面中光束12的角位移和其寬度w最佳。如上所述，通?？墒褂萌舾晒馐?2形成若干個(gè)相關(guān)的光學(xué)陷阱?？捎啥鄠€(gè)獨(dú)立的輸入光束，或者由傳統(tǒng)反射和/或折射光學(xué)元件控制的單一光束產(chǎn)生所述多個(gè)光束12。
在圖3所示整個(gè)光學(xué)操縱系統(tǒng)的一個(gè)最佳實(shí)施例中，可形成任意個(gè)光學(xué)陷阱陣列。將衍射光學(xué)元件40基本上設(shè)置在與物鏡20后孔徑24共軛的平面42內(nèi)。注意為了清楚起見僅表示出一個(gè)衍射輸出光束44，不過應(yīng)該理解衍射光學(xué)元件40可產(chǎn)生多個(gè)這類光束44。入射在衍射光學(xué)元件40上的輸入光束12被分成表征衍射光學(xué)元件40性質(zhì)的輸出光束44的圖案，每個(gè)輸出光束44從點(diǎn)A發(fā)射出。因此由于前面所述的下游光學(xué)元件的作用，輸出光束44也通過點(diǎn)B。
圖3中的衍射光學(xué)元件40被表示成垂直于輸入光束12，不過也可為多種其他結(jié)構(gòu)。例如，在圖4中，光束12相對光軸22以某一傾角β抵達(dá)，且不垂直于衍射光學(xué)元件40。在本實(shí)施例中，從點(diǎn)A射出的衍射光束44將在成象體積32(最好參見圖1)的焦平面52中形成光學(xué)陷阱50。在光鉗系統(tǒng)10的這種設(shè)置中，可從光鉗系統(tǒng)10去除入射光束12中未經(jīng)衍射的部分54。從而這種結(jié)構(gòu)使背景光的操縱更少，并提高形成光學(xué)陷阱的效率和效果。
衍射光學(xué)元件40可包括計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的全息圖，且該全息圖將輸入光束12分成預(yù)先選擇的所需圖案。將這種全息圖與圖3和4中其余光學(xué)元件組合，可產(chǎn)生利用衍射光學(xué)元件40獨(dú)立整形每個(gè)衍射光束波前的任意陣列。從而，光學(xué)陷阱50不僅可以位于物鏡20的焦平面52上，而且也可以處于焦平面52外，形成光學(xué)陷阱50的三維排列。
在圖3和4的光鉗系統(tǒng)10中，還包括聚焦光學(xué)元件，如物鏡20(或其他功能上等效的光學(xué)裝置，如菲涅耳透鏡)，以會(huì)聚衍射光束44而形成光學(xué)陷阱50。另外，望遠(yuǎn)鏡34或其他等效的傳輸光學(xué)裝置，可產(chǎn)生與前面的后孔徑24的中心點(diǎn)B共軛的點(diǎn)A。衍射光學(xué)元件40被設(shè)置在包含點(diǎn)A的平面中。
在另一實(shí)施例中，可不使用望遠(yuǎn)鏡34而形成任意個(gè)光學(xué)陷阱50陣列。在這類實(shí)施例中，可將衍射光學(xué)元件40直接放置在包含點(diǎn)B的平面內(nèi)。
在光鉗系統(tǒng)10中，可使用靜態(tài)或與時(shí)間有關(guān)的衍射光學(xué)元件40。對于動(dòng)態(tài)或與時(shí)間有關(guān)的類型，可產(chǎn)生光學(xué)陷阱50的時(shí)變陣列，可為利用該特征的系統(tǒng)的一部分。此外，可使用這些動(dòng)態(tài)光學(xué)元件40主動(dòng)地彼此相對移動(dòng)粒子與基體媒質(zhì)。例如，衍射光學(xué)元件40可以為用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的全息圖案壓印的發(fā)生改變的液晶相位陣列。
在圖5所示的另一實(shí)施例中，可構(gòu)成一系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)光鉗陷阱50的連續(xù)平移。一萬向安裝的反射鏡60被設(shè)置成其旋轉(zhuǎn)中心處于點(diǎn)A。光束12入射在反射鏡60的表面上，并且其軸穿過點(diǎn)A，并投射到后孔徑24。傾斜反射鏡60來使光束12相對反射鏡60的入射角度改變，并且可利用這個(gè)特性來平移所產(chǎn)生的光學(xué)陷阱50。由透鏡L3和L4構(gòu)成第二望遠(yuǎn)鏡62，產(chǎn)生與點(diǎn)A共軛的點(diǎn)A’。設(shè)置在點(diǎn)A’的衍射光學(xué)元件40產(chǎn)生一衍射光束圖案64，每個(gè)衍射光束均通過點(diǎn)A而形成光鉗系統(tǒng)10陣列中的一個(gè)鉗阱50。
在圖5實(shí)施例操作過程中，反射鏡60將光鉗陣列作為整體移動(dòng)。這種方法可用于精確對準(zhǔn)光鉗陣列與固定基板，以通過小幅度快速振動(dòng)位移動(dòng)態(tài)加強(qiáng)光學(xué)陷阱50，以及可用于需要整體平移能力的任何應(yīng)用。
通過移動(dòng)樣品載臺或通過調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡34，光學(xué)陷阱50陣列也可以相對樣品載臺(未示出)垂直移動(dòng)。此外，通過移動(dòng)樣品載臺，光鉗陣列還可以相對樣品橫向移動(dòng)。該特征對于超過物鏡視場范圍以外的大規(guī)模移動(dòng)而言尤為有用。
在圖6所示的另一實(shí)施例中，將光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置成可觀察光鉗10俘獲的粒子的圖像。二向色分束器或其他等效的光學(xué)分束器插入物鏡20與光鉗系統(tǒng)10的光路之間。在所述實(shí)施例中，分束器70有選擇地反射用于形成光鉗陣列的光波長，并透過其它波長。因此，用于形成光學(xué)陷阱50的光束12高效率地傳輸?shù)胶罂讖?4，而用于形成圖像的光束66可穿過以到達(dá)成象光學(xué)系統(tǒng)(未示出)。
圖7A和7B中表示出光學(xué)系統(tǒng)一種應(yīng)用的例子。將衍射光學(xué)元件40設(shè)計(jì)成與單光束12相互作用，以產(chǎn)生4×4陣列的準(zhǔn)直光束。工作在532nm的100mW倍頻激光二極管泵浦NdYAG激光器提供高斯TEM00模，作為光束12。在圖7A中，該視場部分地由俘獲在陣列的16個(gè)主要光鉗10中的16個(gè)硅球體反向散射的激光照射。1μm直徑球體分散在水中，并設(shè)置在顯微鏡玻璃載片與170μm厚玻璃蓋片之間的樣品容器內(nèi)。光鉗陣列通過蓋片向上凸出，并定位在高于蓋片8μm且低于上顯微鏡載片超過20μm的平面中，硅球體牢固地俘獲在16個(gè)光鉗10每一個(gè)的三維空間中。
在圖7B中表示在光鉗10(陷阱)消失之后，但球體還沒有來得及擴(kuò)散離開俘獲位置之前1/30秒時(shí)，球體的光學(xué)組織排列。
自適應(yīng)光鉗模式在各個(gè)實(shí)施例中，可將上述基本光學(xué)俘獲模式用于多種有用的方法中。而且，其他實(shí)施例包括可構(gòu)造成應(yīng)用這些方法增強(qiáng)光學(xué)陷阱的操作和使用的設(shè)備和系統(tǒng)。特別是，可控制和改變此光學(xué)陷阱，并在下面描述具有這些特征的各個(gè)實(shí)施例。
光學(xué)陷阱的多種新用途和應(yīng)用源于光學(xué)陷阱結(jié)構(gòu)的時(shí)變性和動(dòng)態(tài)改變。在本發(fā)明一種形式中，通過圖8所示的方法可以方便地操縱光學(xué)陷阱陣列。在所示光學(xué)系統(tǒng)100中，衍射光學(xué)元件102將準(zhǔn)直激光束104分成若干個(gè)(兩個(gè)或多個(gè))激光束106和108。多個(gè)激光束106和108中每一個(gè)在物平面118中變換成分離的光學(xué)陷阱。通過傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，如激光器114和116構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡的作用，將多個(gè)激光束106，108中的每一個(gè)傳遞到物光束112的后孔徑110。物鏡112聚焦各光束106，108。在本發(fā)明最佳形式中，一可移動(dòng)刀口120被設(shè)置成可移動(dòng)到多個(gè)激光束106，108的光路中，從而能有選擇地阻擋多個(gè)激光束中任何選定的一個(gè)，以有選擇地阻止一部分光學(xué)陷阱的信息。通過使用適當(dāng)設(shè)計(jì)的刀口或有孔刀口結(jié)構(gòu)和類似結(jié)構(gòu)，這種方法和結(jié)構(gòu)能構(gòu)造任何所需的光學(xué)陷阱陣列。
圖9中表示使用這類光學(xué)陷阱控制方法的一個(gè)例子，其中通過全息形式的衍射光學(xué)元件122形成光學(xué)陷阱。圖8中的可移動(dòng)刀口120阻擋除其光學(xué)陷阱行124以外的全部光線，并且通過系統(tǒng)地移動(dòng)刀口120，可以形成各行124。這就能用粒子126系統(tǒng)地填充光學(xué)陷阱132。這種方法允許用多種不同類型粒子126填充光學(xué)陷阱132，并且還可避免粒子126趨于優(yōu)先填充光學(xué)陷阱陣列外部的常見問題發(fā)生。這種優(yōu)先填充可阻礙內(nèi)部光學(xué)陷阱的填充。光學(xué)陷阱的這種控制形成還能精確形成和改變光學(xué)陷阱結(jié)構(gòu)。
除了對光學(xué)陷阱132陣列的填充進(jìn)行具體控制以外，可以提供加快光學(xué)陷阱填充的裝置。例如，圖8中表示代表該裝置的功能塊128，其(1)輸出所選擇的粒子126(參見圖10)，(2)在壓力差下施加粒子126(通過電泳或電滲透)，(3)施加溫度梯度和(4)用類似漁網(wǎng)的方式通過包含粒子126的懸浮液移動(dòng)整個(gè)光學(xué)陷阱陣列。實(shí)驗(yàn)確定粒子134可以填充到光學(xué)陷阱132中從大約10-4μm-3的粒子濃度開始，并以大約100μm/s的適當(dāng)流速，在大約1分鐘時(shí)間內(nèi)填充一行124或一個(gè)陣列圖案。通過移動(dòng)陣列到一基板上，或者通過使懸浮粒子的液體凝膠化，可使完全形成的粒子126陣列永久存在。該過程還能構(gòu)造大量不同的粒子陣列和粒子126的偶合陣列。使用光學(xué)陷阱132的上述特性和功能，還可以進(jìn)一步訪問、成象和操縱各個(gè)粒子126，用于操作用途和研究的目的。
在另一實(shí)施例中，可根據(jù)特殊光學(xué)要求動(dòng)態(tài)改變光學(xué)陷阱132，可通過使用具有所需指令信息的計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)，從而可使用一個(gè)或多個(gè)光學(xué)陷阱132在各種光學(xué)陷阱位置更改、去除或增加粒子，或能對一個(gè)物體進(jìn)行多種操作。另外，可以去除一個(gè)或多個(gè)光學(xué)陷阱132以及改變其特征(如改變陷阱的形狀或強(qiáng)度)，用于動(dòng)態(tài)操縱任何物體如植物或動(dòng)物的細(xì)胞。這在控制精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，或者在需要實(shí)現(xiàn)物體的復(fù)雜控制時(shí)尤為有利。迄今為止，通過單個(gè)強(qiáng)力陷阱來操縱這種物體，可對該物體造成損害或者不提供實(shí)現(xiàn)所需功能常常需要的自由度。
此外，在另一種過程中，可根據(jù)尺寸對粒子126進(jìn)行動(dòng)態(tài)分類。還可以通過圖10所示的方法對粒子126陣列進(jìn)行成象。顯微鏡138可以對粒子126進(jìn)行成象，并且個(gè)人計(jì)算機(jī)140能識別粒子126，并計(jì)算純相位全息圖142(作為圖8中的衍射光學(xué)元件144)，來俘獲所述粒子。然后計(jì)算機(jī)控制的空間光調(diào)制器143通過施加相位調(diào)制圖案給激光束144，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的全息圖142。也可以根據(jù)多種目的進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變。由顯微鏡聚焦經(jīng)過變形的激光束148(也參見圖8中的多個(gè)激光束106，108)，以產(chǎn)生光學(xué)陷阱132(也稱作光鉗)陣列而在圖像屏幕150上俘獲粒子126。然后可以單獨(dú)操縱每個(gè)粒子126組合成所需結(jié)構(gòu)，以便分類粒子126或者進(jìn)行其他操作，檢查或改變感興趣物體的形狀。
使用可見和UV光譜中的光在本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施例中，使用可見光光鉗是有利的。在本發(fā)明其他形式中，對于與紫外光匹配的特殊尺寸的材料，或者對于對紫外光不太敏感的應(yīng)用，本發(fā)明也可以擴(kuò)展到比可見光更短的波長，包括紫外光。迄今為止，由于上述原因，已經(jīng)由紅外光構(gòu)成了用于活性生物材料中的光鉗。通常，光鉗可通過至少三個(gè)主要機(jī)理損害生物系統(tǒng)(1)機(jī)械破壞物理連接；(2)發(fā)熱和(3)在生物材料的情況下，生物分子的光化學(xué)變化(這些僅為示例性的機(jī)理，也可為其他機(jī)理)。第一種機(jī)理包括諸如將構(gòu)成膜的磷脂吸引到光學(xué)陷阱中，然后將它們作為膠粒(micelle)或囊排出的過程。這種過程是光鉗操作中所固有的，并且不依賴于所使用的光波長。對于給定應(yīng)用，通過使用最不可能且最有效的俘獲力，可使這些破壞性過程最小。受熱源于光學(xué)俘獲光子的吸收，如典型的綠激光導(dǎo)致血紅蛋白豐富的紅細(xì)胞的破壞。不過大多數(shù)生物材料基本上都對可見光透明，并實(shí)際上在紅外光中吸收更為強(qiáng)烈。例如，水的吸收系數(shù)在λ＝500nm(可見光范圍)下為大約μ＝3×10-4cm-1，而與之相比在λ＝1μm下(紅外光范圍)為大約μ＝0.1cm-1。從而基于紅外的光學(xué)陷阱加熱水時(shí)的效率應(yīng)該比基于可見光的陷阱高300倍。對于生物系統(tǒng)的其他成分，此差別不太顯著。例如，大多數(shù)蛋白質(zhì)和多聚糖的摩爾吸收系數(shù)為對于可見光為μ≈0.1cm-1/M，對于紅外輻射為μ≈0.01cm-1/M。血紅蛋白是一個(gè)例外，在光譜可見光部分中具有相當(dāng)大的摩爾吸收系數(shù)μ≈104cm-1/M。在不具備這種強(qiáng)吸收條件時(shí)，可見光導(dǎo)致的受熱應(yīng)該不劣于紅外光，實(shí)際上由于生物系統(tǒng)中富含水，可見光可能更可取。
光化學(xué)變化的發(fā)生可通過一個(gè)或多個(gè)光子的諧振吸收而獲得離散的分子狀態(tài)，或者通過非諧振吸收獲得寬分子帶。大多數(shù)相關(guān)的諧振躍遷發(fā)生在紅外(對于振動(dòng)躍遷)到可見光(對于電子躍遷)中。不過，大多數(shù)相關(guān)的諧振躍遷如此強(qiáng)烈地依賴于光的頻率，以致極不可能通過來自任何特定紅外或可見激光器的單色光驅(qū)動(dòng)。多半在光譜的紫外端發(fā)生到寬帶的躍遷，從而不應(yīng)該由紅外光或由可見光驅(qū)動(dòng)。
認(rèn)為“光學(xué)切割”(前面所述)主要由光化學(xué)作用驅(qū)動(dòng)，而并非通過加熱或機(jī)械破壞，因而理解為什么可見(或者在某些情況下為紫外)光鉗能對生物和具有相似光化學(xué)響應(yīng)(或者對任何種類材料造成有害影響的其他光驅(qū)動(dòng)作用，如光敏化學(xué)狀態(tài)，光敏電子狀態(tài)或者顯微級的敏感機(jī)械結(jié)構(gòu))的其他材料造成有害影響非常重要。這種材料可包括，例如低分子藥品，摻雜半導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)體，催化劑和低熔點(diǎn)金屬。
例如，可見波長下活的有機(jī)體對光化學(xué)降解的抵制表現(xiàn)為日光下其演變的自然副產(chǎn)品。不過，來自太陽的可見光通量幅值小于典型1mW光鉗6個(gè)量級。光鉗焦斑處的強(qiáng)烈照射大大增加多光子吸收的速度，其中兩個(gè)或多個(gè)光子一起驅(qū)動(dòng)一個(gè)光學(xué)躍遷。多光子作用要求光子同時(shí)到達(dá)，從而這種作用的發(fā)生強(qiáng)烈地依賴于光強(qiáng)度。光學(xué)陷阱的強(qiáng)聚焦實(shí)際上提供驅(qū)動(dòng)這類多光子過程所需的高強(qiáng)度光環(huán)境。
與紅外相比，可見光鉗中多光子吸收可能更加有害，因?yàn)橥瑫r(shí)吸收兩個(gè)可見光子，這兩個(gè)可見光子輸送與一個(gè)紫外光子相當(dāng)?shù)哪芰?。同樣，這也可以擴(kuò)展到具有一定波長的紫外光子，其中需要兩個(gè)或多個(gè)這種光子來輸送將改變材料的化學(xué)、生物、電子或機(jī)械狀態(tài)的光能。另一方面，紅外光的雙光子吸收將輸送與可見光光子相當(dāng)?shù)哪芰浚瑥亩ǔ２蛔阋则?qū)動(dòng)光化學(xué)等光學(xué)變化。從而用紅外光實(shí)現(xiàn)相應(yīng)光化學(xué)作用需要三甚至四光子吸收。因?yàn)榕c低階作用(lower orderprocess)相比，高階吸收作用(higher-order absorption process)更不可能發(fā)生，故與紅外光鉗相比，可見光鉗更易于引起有害的光化學(xué)反應(yīng)，如在生物材料中引起染色體重新結(jié)合。認(rèn)為是由于λ＝532nm的密聚焦脈沖光形成能準(zhǔn)確切割染色體的光解剖刀這一機(jī)制。
光鉗聚焦體積中n光子吸收的近似發(fā)生率Wn應(yīng)該為Wn∝(Phcσλ)n]]>其中P為光束的功率，σ為吸收體的光子俘獲橫截面。如上面的公式所示，與較長波長下的高階作用相比，較短波長下產(chǎn)生的低階作用頻繁得多，至少對于相同功率光束是如此。
不過與紅外光相比，當(dāng)用更短波長光(例如可見和某些情況下為紫外光)產(chǎn)生光鉗時(shí)要有效得多。結(jié)果，為了與紅外光鉗的俘獲力相當(dāng)，這類光鉗需要少得多的功率。這類光鉗的這種比較而言的優(yōu)點(diǎn)開啟了其用于生物材料(以及上述任何其他高光敏材料)顯微操縱的大門。將介電材料牽引到光學(xué)陷阱焦點(diǎn)的光學(xué)梯度力的幅值近似與瑞利近似中λ四次方的倒數(shù)成比例F∝Pλ4]]>從而工作于例如λ＝532nm下的可見光陷阱僅需要1/16的功率就能獲得與工作在λ＝1064nm的紅外陷阱相同的俘獲力。功率的相對減小直接轉(zhuǎn)換成可見光陷阱的雙光子吸收作用的速度W2的降低。因此，急劇減小了實(shí)質(zhì)損害的可能性，并且甚至能對對象材料實(shí)質(zhì)上不造成損害。此外，通過仔細(xì)選擇所使用的光波長(可見光或者在某些情況下為紫外光)，可利用被檢測材料的吸收窗口來選擇光波長，以減少光吸收，從而減小損害或變化材料。
通過適當(dāng)?shù)卣畏@光束的波前，可以進(jìn)一步增大光鉗的俘獲效率，并且相應(yīng)減小功率需求。例如，已經(jīng)證明由光軸上強(qiáng)度消失的環(huán)形模式激光束構(gòu)成的光學(xué)陷阱，需要少得多的功率就能獲得高斯TEM00模形成的傳統(tǒng)光鉗的軸向俘獲力。雖然將波前整形顯然可以提高俘獲效率，從而減小雙光子吸收，不過沒有研究報(bào)道最佳的波前分布。從而，通過擬定俘獲波前的特性，仍然可以進(jìn)一步得到改善。
雖然時(shí)間平均功率確定了光鉗的俘獲力，不過其峰值功率設(shè)定了雙光子作用的發(fā)生率。因而，連續(xù)波可見光鉗的損害應(yīng)該小于從脈沖激光器得到的陷阱。
如前面所述，通過施加多個(gè)分離的陷阱給系統(tǒng)，而不是僅一個(gè)陷阱，可以進(jìn)一步減小局部照射，從而減小雙光子作用的發(fā)生率。從而在N個(gè)光鉗中將俘獲力分布在擴(kuò)展的樣品上，可將W2減小N倍。
用可見(或者在某些情況下用紫外)光鉗可進(jìn)一步俘獲具有離散光敏成分的(生物或其他)系統(tǒng)，只要遠(yuǎn)離對象材料的敏感區(qū)域仔細(xì)設(shè)置光學(xué)陷阱。
另外，有些樣品，如許多生物材料，在可見光范圍內(nèi)吸收光很強(qiáng)，從而不能使用可見光鉗來俘獲。對于大量對可見光基本透明的系統(tǒng)而言，可使用多個(gè)步驟來使有害的非線性光學(xué)作用的程度最小。如果不加限制，可包括1.給定可見光波長選擇范圍，可避免使用與該類材料強(qiáng)吸收特性有關(guān)的光波長。
2.可使用連續(xù)光波(CW)激光器而非使用脈沖激光器來產(chǎn)生陷阱。
3.可在多個(gè)點(diǎn)而非僅在一點(diǎn)俘獲擴(kuò)展的樣品。
4.可使各陷阱盡可能有效。例如，可利用波前整形使獲得所需俘獲力需要的功率最小。
可將用連續(xù)波(CW)激光器產(chǎn)生陷阱，并避免使用與強(qiáng)吸收有關(guān)的光的概念從種屬上應(yīng)用于所有光鉗系統(tǒng)。然而在傳統(tǒng)光鉗系統(tǒng)中非常難以在多個(gè)點(diǎn)上俘獲擴(kuò)展的樣品，并使各陷阱的效率最大，不過其剛好處于全息光鉗預(yù)期應(yīng)用的范疇內(nèi)。特別是，全息光鉗(“HOT”)可在任意個(gè)位置產(chǎn)生任意數(shù)量N的光鉗，從而在多個(gè)點(diǎn)上俘獲擴(kuò)展的生物樣品(或其他高光敏材料)。通過在所需陷阱陣列中快速掃描單個(gè)光鉗，還可以產(chǎn)生這多個(gè)俘獲圖案中最簡單的一個(gè)。這在生物樣品或其它高光敏材料中尤為有用，因?yàn)椴⒉恍枰獙⑺泄β识际┘佑跇悠返囊稽c(diǎn)。而是通過將功率分布在多個(gè)點(diǎn)上，以通過類似于“釘床”的方式將對樣品總的損害顯著減小。不過在N個(gè)掃描陷阱每一個(gè)中獲得所需的時(shí)間平均俘獲力，將需要各陷阱中N倍的峰值功率。從而，在非破壞性地俘獲材料時(shí)，與掃描光鉗相比，HOT具有固有的優(yōu)點(diǎn)。
與可掃描光鉗系統(tǒng)相比，HOT還能產(chǎn)生更加復(fù)雜的連續(xù)展開的陷阱圖案。如果光鉗操縱意在移動(dòng)或分類生物或高光敏材料，則這將是很有利的。
全息光鉗還能修整組成陷阱陣列的各光束的波前，并能將各光束準(zhǔn)確引導(dǎo)到俘獲系統(tǒng)的聚焦光學(xué)裝置中。從而，用HOT系統(tǒng)形成的光鉗能動(dòng)態(tài)地使獲得所需俘獲力所需的功率大小最小。
通過用可見光進(jìn)行光學(xué)俘獲，可使用上面定性例子的準(zhǔn)則使生物系統(tǒng)(或其他高光敏材料)上遭受的輻射或其他光致?lián)p害程度最小。通過遵從這些準(zhǔn)則，針對特定應(yīng)用，可獲得可接受的小損害程度。從而對于應(yīng)用于生物系統(tǒng)而言，在HOT系統(tǒng)中使用可見光將具有至少若干優(yōu)點(diǎn)光學(xué)效率。通常對于用在可見和紫外波長最佳的適合于形成光鉗的顯微鏡物鏡，當(dāng)用于傳輸紅外光時(shí)具有多個(gè)缺點(diǎn)。因此用可見光進(jìn)行俘獲能最佳地利用傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性質(zhì)。與之相比，紅外系統(tǒng)必須使用更加昂貴的特殊用途光學(xué)系統(tǒng)，否則將具有光學(xué)像差，而光學(xué)像差將會(huì)稍稍減小其相對可見俘獲系統(tǒng)的潛在優(yōu)點(diǎn)。
安全性。人的視覺系統(tǒng)包括保護(hù)性的眨眼反射，以減小可見光俘獲系統(tǒng)的雜散光束損傷使用者視力的機(jī)會(huì)。在紅外光中沒有這種反射保護(hù)使用者的視力。
易于調(diào)準(zhǔn)?？梢姽饴放c紅外光相比更易于調(diào)準(zhǔn)。
雙光子作用的可利用性。雙光子作用可用于某些生物應(yīng)用中，如產(chǎn)生光剪刀和解剖刀?？梢詫?shí)時(shí)地重新構(gòu)成與產(chǎn)生損害最小的可見光學(xué)陷阱結(jié)構(gòu)相同的光路，以產(chǎn)生對雙光子吸收最佳的各光束，不過具有最大功率利用效率。因此使用一個(gè)激光器對一個(gè)光學(xué)陷阱或光學(xué)陷阱矩陣進(jìn)行激勵(lì)，可俘獲、切割并通常誘發(fā)其樣品中的光化學(xué)變化。
減小受熱。紅外系統(tǒng)可能通過水的直接吸收而將其樣品加熱到比可見光系統(tǒng)更大的程度。這種過分受熱可解釋紅外俘獲試驗(yàn)中所報(bào)道的對活體系統(tǒng)的某些損害。
提高俘獲精度。光鉗的俘獲體積與光波長成比例。從而可見光與紅外光相比，能更精確地俘獲局部區(qū)域。
提高跟蹤精度。有時(shí)使用光學(xué)陷阱跟蹤被俘獲物體的運(yùn)動(dòng)，例如通過被俘獲粒子散射到遠(yuǎn)場中的光的時(shí)間演變。這種跟蹤技術(shù)的分辨率與光波長成比例，從而相對紅外光，通過可見光中形成的陷阱可提高分辨率。
可以通過上述方式，使用不同波長、激光器類型和試驗(yàn)條件，對多種生物以及非生物材料進(jìn)行操縱。所使用的特殊參數(shù)取決于被操縱材料以及對光敏感的光學(xué)、化學(xué)、機(jī)械和電學(xué)狀態(tài)。具體來說，例如，可見光范圍內(nèi)一定波長下材料的吸收特性與操縱所用的激光束波長關(guān)系很大。例如，某種類型的綠激光可能成功地用于某些材料，但不適用于其他材料(如某類植物中的葉綠體)。對于非生物材料，如電子器件，可選擇該器件的成份沒有表現(xiàn)出強(qiáng)吸收的可見光波長。
還要注意，通常認(rèn)為光譜的可見部分處于大約400nm到大約700nm范圍內(nèi)。不過根據(jù)本發(fā)明更寬泛的方面，有可能可以使用更寬的波長范圍。例如，水的透明窗口在大約200nm與大約800nm之間，在某些情形中甚至可以使用更大的范圍。
下面的非限定性例子證明可見光鉗操縱活生物樣品時(shí)有效。具體來說，我們已經(jīng)證明，可使用倍頻NdYVO4激光器用λ＝532nm的光進(jìn)行長期俘獲。
例I將大量酵母細(xì)胞(來自Fleischman的Yeast包裝的普通品種)俘獲在培養(yǎng)基中，并在連續(xù)照射期間觀察幾代萌芽。在這些試驗(yàn)期間，使用倍頻NdYVO4激光器532nm波長的光來俘獲酵母細(xì)胞。在室溫下，酵母包含在水溶液中的不同S。鏈啤酒(cerevisiae)中。用大約1mW連續(xù)波激光俘獲各細(xì)胞。在一次試驗(yàn)中，16個(gè)細(xì)胞被限制在一個(gè)4乘4陣列中。在這16個(gè)細(xì)胞中，大約一半看似萌芽子系細(xì)胞，并在6小時(shí)之后形成菌落。
例II使用倍頻NdYVO4激光器532nm波長的光俘獲大量頰上皮細(xì)胞。在室溫下被擦去(swabbed)的細(xì)胞懸浮在水溶液中，并沉積在玻璃蓋板上。在多個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核和液泡上培養(yǎng)光鉗長達(dá)十分鐘。當(dāng)細(xì)胞膜區(qū)域被足夠強(qiáng)的俘獲以便通過其培養(yǎng)基置換懸浮細(xì)胞時(shí)，通過視覺檢查判斷出，其固有的作用表現(xiàn)得不太顯著。在光鉗消失之后，看似恢復(fù)了正常細(xì)胞功能。
例III使用倍頻NdYVO4激光器532nm波長的光俘獲淡黃色下疳(wheat chancre)細(xì)胞。在固體介質(zhì)中獲得細(xì)胞，并在室溫下進(jìn)行光學(xué)俘獲之前沉積在玻璃蓋板上。連續(xù)光學(xué)俘獲不足以破壞細(xì)胞壁。對被照射細(xì)胞的視覺檢查提供了類似于用頰上皮細(xì)胞所獲得的定性結(jié)果。
雖然已經(jīng)表示并描述了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，不過在下面所提供的權(quán)利要求提出的其更寬方面不偏離本發(fā)明的條件下，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以作出多種改變和變型。
權(quán)利要求
1.一種使用聚焦激光束操縱生物材料的方法，包括步驟提供可見光波長范圍內(nèi)的聚焦激光束，以形成用于光學(xué)陷阱的條件，該激光具有某一波長，使所選擇的材料在該激光波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)選定吸收系數(shù)，其能進(jìn)行操縱而不對該生物材料造成實(shí)質(zhì)性損害；利用該聚焦激光束提供多個(gè)光學(xué)陷阱，由所述多個(gè)光學(xué)陷阱操縱生物材料；以及控制各光學(xué)陷阱的功率大小、激光波長以及選定的吸收系數(shù)，以避免對該生物材料造成實(shí)質(zhì)性損害。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該聚焦激光束包括大約400nm到大約700nm波長的光。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述光束包括連續(xù)波激光束。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對該聚焦光束的波前進(jìn)行整形的步驟，使相對沒有整形的聚焦光束而言，獲得預(yù)定俘獲力所需的功率減小。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該光束包括圓環(huán)形模式。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個(gè)光學(xué)陷阱由于衍射光學(xué)元件產(chǎn)生。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中控制多個(gè)光學(xué)陷阱中每一個(gè)的功率大小，避免生物材料的遺傳密碼改變生物學(xué)上較大的量。
8.一種使用聚焦激光束操縱生物材料的方法，包括步驟提供連續(xù)波、聚焦激光束，該光束具有使該材料在該激光波長范圍內(nèi)具有弱吸收系數(shù)的波長；提供至少一個(gè)光學(xué)陷阱，用于操縱該生物材料的離散部分；以及控制所述至少一個(gè)光學(xué)陷阱的功率大小連同該弱吸收系數(shù)，避免改變該生物材料遺傳密碼的主要部分。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中用聚焦激光束形成多個(gè)光學(xué)陷阱，其中這些陷阱中的每一個(gè)操縱該材料的離散部分。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括對該聚焦光束的波前進(jìn)行整形的步驟，使相對沒有整形的聚焦光束而言，所述至少一個(gè)光學(xué)陷阱的俘獲效率增大。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該聚焦光束包括計(jì)算出來的使材料的吸收最小的形狀。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中各俘獲位置不處于該生物材料中生物學(xué)敏感的位置。
13.一種使用聚焦激光束操縱生物材料用的系統(tǒng)，包括一具有一定波長范圍的聚焦激光束，其中最大波長小于紅外光的最小波長，該聚焦激光形成光學(xué)陷阱，并具有該激光波長范圍內(nèi)使生物材料具有弱吸收系數(shù)的波長；和多個(gè)光學(xué)陷阱，用于操縱該生物材料的離散部分，其中控制各光學(xué)陷阱的功率大小和所述弱吸收系數(shù)，至少能避免該生物材料的遺傳密碼改變生物學(xué)上顯著的量。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中從可見和紫外波長范圍內(nèi)選擇該聚焦激光束。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中該聚焦激光束包括連續(xù)波激光束。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中對該聚焦光束的波前進(jìn)行整形，使相對沒有整形的聚焦光束而言，減小所獲得的預(yù)定俘獲力。
17.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)光學(xué)陷阱包括全息光學(xué)陷阱。
18.一種使用聚焦激光束操縱材料的方法，包括步驟提供波長范圍小于紅外光波長范圍的聚焦激光束，形成用于光學(xué)陷阱的條件；提供多個(gè)光學(xué)陷阱，用于操縱該材料的離散部分；以及控制各光學(xué)陷阱的功率大小，避免對所述材料造成實(shí)質(zhì)性損傷。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中從包括可見和紫外波長范圍的組中選擇所述聚焦激光束。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括使用波長與該材料的吸收窗口匹配的激光，以便使光吸收最小的步驟。
21.一種使用聚焦激光束操縱材料的方法，包括步驟提供連續(xù)波、聚焦激光束，該激光束在激光波長范圍內(nèi)具有使該材料具有弱吸收系數(shù)的波長；提供至少一個(gè)光學(xué)陷阱，用于操縱該材料；以及控制所述至少一個(gè)光學(xué)陷阱的功率大小以及所述吸收系數(shù)，避免對該材料造成實(shí)質(zhì)性改變。
全文摘要
本發(fā)明提供使用光譜可見部分中的光控制光學(xué)陷阱陣列和粒子陣列形成的方法和設(shè)備。該方法和設(shè)備具有一激光器和一時(shí)變衍射光學(xué)元件，能動(dòng)態(tài)控制光學(xué)陷阱陣列，從而控制粒子陣列，并具有使用多個(gè)光學(xué)陷阱操縱特殊物體的能力。通過避免與底層材料中的強(qiáng)吸收有關(guān)的波長，用連續(xù)波激光器產(chǎn)生光學(xué)陷阱，使各陷阱的效率最佳，并在多個(gè)點(diǎn)上俘獲擴(kuò)展的樣品，可使有害的非線性光學(xué)作用的程度最小。
文檔編號G02B27/42GK1505915SQ02808941
公開日2004年6月16日 申請日期2002年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月27日
發(fā)明者戴維·G·格里爾, 埃里克·R·迪弗雷納, 詹妮弗·E·庫爾蒂斯, 布賴恩·A·考斯, A 考斯, E 庫爾蒂斯, R 迪弗雷納, 戴維 G 格里爾 申請人:芝加哥大學(xué)