專利名稱：由光學(xué)鉗的靜態(tài)陣列實現(xiàn)流動粒子橫向偏斜和分離的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種用于實現(xiàn)粒子分部分離(fractionation)的系統(tǒng)和方法。尤其，本發(fā)明涉及一種通過使用光學(xué)捕獲的靜態(tài)陣列來實現(xiàn)粒子的橫向分部分離和/或分離的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
能夠在有限的環(huán)境中分部分離粒子的許多技術(shù)是常規(guī)已知的。例如，一種這種技術(shù)涉及包括用于DNA分離的阻礙物或障礙物的二維格子(lattice)的微制造篩網(wǎng)的使用。阻礙物或障礙物的非對稱配置整流通過篩網(wǎng)的DNA分子的布朗運動，使得粒子能夠沿著依賴于現(xiàn)存DNA的各自擴散系數(shù)的路徑。雖然適度地有效，但該技術(shù)包括許多限制。例如，因為格子是微制造的，整體結(jié)構(gòu)既不能調(diào)諧也不能調(diào)節(jié)被分部分離的粒子的類型和大小。而且，這種格子易于遭受堵塞，需要系統(tǒng)的沖洗和重新啟動。
此外，用于分部分離粒子的許多常規(guī)技術(shù)沿著外加力的方向?qū)崿F(xiàn)不同部分的物理分離。因此之故，它們在樣品的離散批上操作，而不能連續(xù)地操作。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種用于流動粒子的橫向偏斜的改進系統(tǒng)和方法，其是可調(diào)諧且連續(xù)的。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統(tǒng)和方法，其不會變得容易被粒子堵塞。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種可用于粒子提純和分離的改進系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的又一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統(tǒng)，其可以用于蛋白質(zhì)的提純和分離。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種能夠通過大小，形狀，介電常數(shù)，表面電荷密度，磁化率，非線性光學(xué)性質(zhì)，和折射率來物理地分離小粒子的改進系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一個目的在于提供一種使用最小量的運動部件來橫向偏斜流動粒子的改進系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統(tǒng)和方法，其可用于染色體的分離。
本發(fā)明的又一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統(tǒng)和方法，其可以用于DNA大小評估。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于橫向偏斜粒子的改進系統(tǒng)和方法，其也可以用來提純和/或分離大分子和/或納米簇或者其他納米大小的材料。
本發(fā)明的更多優(yōu)點和特征將從下面說明本發(fā)明優(yōu)選實施方案的說明書，權(quán)利要求書和附圖中顯然。
附圖簡述

圖1A是將光學(xué)鉗陣列投影到流動的膠體粒子懸浮體上的全息攝影光學(xué)鉗系統(tǒng)的示意圖；圖1B是來自圖1A的CCD照相機的示意視圖；以及圖1C是根據(jù)本發(fā)明用于橫向偏斜流動粒子的10×10光學(xué)鉗陣列的透視圖表示；圖2A是顯示通過對準(zhǔn)的10×10光學(xué)鉗陣列的粒子管道現(xiàn)象的繪圖；圖2B是顯示沿著相對于流向以五度的傾角定向的10×10光學(xué)捕獲陣列的軸而流動的粒子的軌道的繪圖；圖2C是顯示由相對于流向以三十七度的傾角定向的捕獲陣列橫向偏斜的粒子的軌道的繪圖；以及圖2D是顯示流動通過相對于流向以四十五度的傾角定向的捕獲陣列的粒子的基本上未偏斜軌道的繪圖；圖3是通過與外力方向偏移傾角θ的光學(xué)捕獲陣列的各個粒子的運動的第一表示；圖4是通過與外力方向偏移的光學(xué)捕獲陣列的各個粒子的運動的第二表示；圖5是顯示對于可比條件下的兩個不同試驗過程，粒子的橫向速度與前向速度的比值相對于捕獲陣列的角定向的繪圖；以及圖6是與微流通道一起使用、用于粒子分離的光學(xué)鉗靜態(tài)陣列的表示。
發(fā)明詳述為了說明本發(fā)明的實施方案，提供說明以描述本發(fā)明一種實施方案的方法和功能。雖然描述現(xiàn)象的方式是為本領(lǐng)域技術(shù)人員說明本發(fā)明操作的一種嚴(yán)格的方法，也可以使用其他說明來描述表征本發(fā)明實施方案的類似結(jié)果。因此，本發(fā)明并不局限于通過下面的說明書和附圖對其操作的描述。
為了全面地理解本發(fā)明，考慮如圖1A中所示的全息攝影光學(xué)鉗(optical tweezer)系統(tǒng)10和各個光學(xué)鉗(optical tweezer)112的由此得到的方陣列110是有幫助的。系統(tǒng)10包括通過衍射光學(xué)元件30，然后由中繼透鏡40處理，由二向色鏡50反射的激光束20，然后激光束20由物鏡60聚焦到光學(xué)捕獲(optical traps)中。光學(xué)捕獲(沒有顯示)在樣品室70中形成，并且捕獲的粒子陣列(沒有顯示)由包括聚光透鏡80，物鏡60，視頻目鏡85和電荷耦合器件照相機90的常規(guī)光顯微系統(tǒng)來觀察。
作為結(jié)果的光學(xué)鉗系統(tǒng)10產(chǎn)生如圖1B中所示的各個光學(xué)鉗112的方陣列110。光學(xué)鉗112顯示出格子常數(shù)，其典型地，雖然不是排它地，具有比所關(guān)心粒子113的大小稍微大的光學(xué)鉗112之間的距離。由來自偏壓源117的外力驅(qū)動通過陣列110的粒子113經(jīng)歷與各個捕獲112的陣列110的附加相互作用。如果捕獲力顯著地大于外驅(qū)力，粒子113將被束縛。另一方面，如果外力占優(yōu)勢，粒子113將流動通過陣列110，它們的軌道基本上不受干擾。優(yōu)選實施方案在中間狀況中操作，其中對于樣品中的所有粒子113，外力都超過捕獲力，但是對于樣品的不同部分超出不同的程度。
在這些條件下，外力引起粒子113從捕獲112的一個跳躍到另一個，偶爾依賴于光學(xué)捕獲112和外力的相對強度中止一段時期，給定具體粒子113的性質(zhì)。如果外力與捕獲陣列110的主軸對準(zhǔn)，由此得到的跳躍軌道將與外力對準(zhǔn)。另一方面，如果捕獲的軸相對于外力的方向旋轉(zhuǎn)，那么粒子的跳躍可能偏離于外力的方向。這種偏斜已經(jīng)在流動通過類型II超導(dǎo)體的磁通量子的計算機仿真中顯示，并且已經(jīng)直接從周期性約瑟夫遜結(jié)陣列中的橫向電壓梯度的外觀推知。一旦陣列旋轉(zhuǎn)到45°，凈偏斜歸零，出于兩個原因之一(1)正和負(fù)的位移可以以等概率發(fā)生或者(2)粒子對角地跳躍通過陣列，已經(jīng)變得鎖定在[11]方向中。
圖3和4是移動通過相對于外偏力116的方向具有傾角θ的捕獲112的陣列110的各個粒子的圖解或說明性一般表示(同樣參看圖1C)。如圖3和4中可以看到，依賴于陣列110的相對傾角θ，各個粒子113可能在正和負(fù)的方向上橫向偏斜。
圖2A顯示使用系統(tǒng)10的實例，其具有1.5μm直徑二氧化硅的軌道115，球形粒子113通過光學(xué)捕獲或鉗112的10×10陣列110，每個鉗112之間的間隔大約為2.4μm。“y”軸代表大約53μm，并且“x”軸代表大約78μm。在該表示中，壓力梯度正在以大約30μm/sec的速度從左到右驅(qū)動粒子113。使用陣列110的基本上零度傾角，粒子113鎖定于具有最小橫向偏斜的軌道中(從左到右)。圖2A-2D中所示的測量的粒子軌道也被定向，使得外加的流從左到右定向。
因此，圖2A顯示大約1000球體(粒子113)的軌道，流沿著[10]格子方向?qū)?zhǔn)。粒子113從延伸至超過陣列邊界大約3μm的區(qū)域牽引到鉗112的行中，此后沿著[10]行到達(dá)它們的端部。橫向波動極大地由捕獲勢能所抑制，而粒子的縱向運動僅由各個光學(xué)勢阱中的短暫不規(guī)則中止來不時地中斷。粒子113進行橫向跳躍所需的時間比縱向跳躍時間間隔大得多，以至于粒子113基本上決不離開[10]行。不連續(xù)的捕獲勢能對于粒子軌道的這種影響構(gòu)成動力學(xué)地鎖定狀態(tài)。一旦粒子113已經(jīng)跳躍通過鉗112的等級，它們返回到總體流，它們的軌道最終通過擴散而彼此模糊不清。
通過角度θ旋轉(zhuǎn)衍射光學(xué)元件30也旋轉(zhuǎn)鉗112相對于流向的模式，而其他方面不改變捕獲的特性。圖2B顯示使用相對于流以θ＝5°定位的光學(xué)鉗112的同一樣品。與圖2A中一樣，粒子的軌道保持緊密地鎖定于陣列的[10]行中。但是，不同于圖2A中的實例，軌道現(xiàn)在系統(tǒng)地偏斜遠(yuǎn)離流向。該偏斜在陣列的下游側(cè)留下明顯的陰影，比較少量的粒子113漂移到其中。
進一步的旋轉(zhuǎn)顯著地改變陣列的影響。圖2C顯示旋轉(zhuǎn)到θ＝37°的陣列，而其他條件未改變。不是沿著[10]格子行到達(dá)正的偏斜，粒子113現(xiàn)在已經(jīng)鎖定于[11]格子方向并且經(jīng)歷反向的偏斜。從[10]到[11]鎖定狀態(tài)的這種跨越反映出，當(dāng)它沿著不同的方向受力時粒子113經(jīng)歷的不同局部勢能場景(potential energy landscape)。在超過22.5°的幾何確定的跨越點的某一閾角，[11]跳躍的跳躍率超出[10]跳躍的跳躍率足夠大的裕度，以至于粒子113變得鎖定于對角軌道中。如圖2D中仍然進一步旋轉(zhuǎn)到θ＝45°減小偏斜的程度，而增加軌道與[11]格子方向的對準(zhǔn)。
可以確信動力學(xué)鎖定狀態(tài)應(yīng)當(dāng)形成層次，其對于遷移性的影響應(yīng)當(dāng)隨著增加旋轉(zhuǎn)，采取縱向遷移中的臺地中的Devil階梯(Devil’sstaircase of plateau)的形式。我們對于鎖定于[10]和[11]方向中的狀態(tài)的觀察對應(yīng)于這些層次的主要臺地(principal plateau)。
我們也觀察橫向偏斜隨著單調(diào)增加的旋轉(zhuǎn)角θ而改變的符號。這不同于其他系統(tǒng)在于，沒有任何符號變化預(yù)言隨著增加的磁場，周期性調(diào)制的二維電子氣的霍爾系數(shù)。如果確實這種符號翻轉(zhuǎn)可能通過電子系統(tǒng)的簡單圖案形成來獲得，效果將是有利的，并且可能在磁數(shù)據(jù)獲取中具有廣泛應(yīng)用。
圖5，數(shù)據(jù)點和連接實線代表當(dāng)粒子113在系統(tǒng)10中經(jīng)歷的外加力和捕獲力同等強時，由粒子113獲得的相對橫向速度。另一方面，虛線代表如果外加力117超過捕獲力，對于同一粒子113所期望的橫向偏斜的不存在。圖5也顯示，橫向偏斜的量和方向可以通過對于給定的激光功率和外驅(qū)力117改變旋轉(zhuǎn)角θ來優(yōu)化。減小激光功率將減小可達(dá)到的最大偏斜，當(dāng)激光20熄滅時沒有偏斜發(fā)生(參看圖1A)。如圖5中也可以看到，當(dāng)傾角θ為0°或大約22.5°時，實際上根本不存在橫向偏斜，對于大約45°的θ也應(yīng)當(dāng)不存在偏斜。但是，也應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)傾角為大約22.5°時，也不存在橫向偏斜。經(jīng)驗數(shù)據(jù)已經(jīng)提出，對于給定的粒子大小和功率級，當(dāng)傾角到達(dá)大約17°時，最大量的橫向偏斜發(fā)生。當(dāng)傾角通過大約22.5°時，粒子113的橫向偏斜完全改變方向。經(jīng)驗數(shù)據(jù)已經(jīng)提出，當(dāng)傾角達(dá)到30°時，該正方向上的最大偏斜發(fā)生，雖然該最大偏斜基本上小于大約17°時發(fā)生的最大偏斜。橫向偏斜對于方向的非單調(diào)依賴清楚地分析。中間和較小角度處的其他可能鎖定方向可能難以在目前大小的系統(tǒng)中分析。原則上，通過光學(xué)鉗112的較大陣列的遷移將揭示鎖定狀態(tài)的更大范圍層次，可能類似于對于其他系統(tǒng)而預(yù)言的Devil階梯(Devil’s staircase)。
如在下文中提供的實例中更詳細(xì)說明的，根據(jù)本發(fā)明的被動光學(xué)誘導(dǎo)橫向偏斜已經(jīng)在分散于去離子水(demonized water)中直徑1.5μm的硅膠球體的懸浮體中觀察到。光學(xué)鉗112的10×10陣列被創(chuàng)造，使得靜態(tài)的計算機產(chǎn)生的衍射光柵由標(biāo)準(zhǔn)全息攝影光學(xué)鉗(HOT)光學(xué)系統(tǒng)中波長為532nm的73mW的激光照射。粒子113包含在密封樣品室70中的平行玻璃墻之間。流動因跨越樣品室70的壓差而誘導(dǎo)?？缭?8×52μm2視場區(qū)域的粒子軌道在使用常規(guī)已知的圖像分析技術(shù)數(shù)字化和分析之前記錄在錄像帶上。
橫向偏斜的粒子113可以由根據(jù)本發(fā)明的多種方法來收集。這些方法包括微流通道(microfluidics channel)的使用。沒有被陣列偏斜的粒子113，可能因為它們相互作用因光學(xué)捕獲而較不強或者因外力而較強，將不會偏斜因此將不會被收集。該差別使得基于它們物理性質(zhì)的最普遍考慮的粒子113的分部分離成為可能，其中控制參數(shù)包括規(guī)模，對稱性，范圍，和光學(xué)捕獲陣列的強度，以及外力的性質(zhì)和強度。在圖2A-2D中所示的實例中，外力由流體動力阻力提供。此外，粒子的分離可以基于對驅(qū)動力，激光束強度，和光學(xué)梯度條件的敏感度而實現(xiàn)，其中粒子敏感變量是粒子大小，粒子形狀，介電常數(shù)，表面電荷密度，磁化率，非線性光學(xué)性質(zhì)和折射率。
或者通過減小激光強度或者通過增加外驅(qū)力來減小捕獲效力使得否則被鎖定的粒子113中的一些能夠更容易地從鉗112的一行跨越到下一行。這對于給定角度減小模式鎖定度，從而減小最大偏斜的角度以及最大偏斜自身，直到最終沒有剩余。該閾值應(yīng)當(dāng)獨立于陣列的范圍。
當(dāng)去釘栓(depinning)時偏斜的損失也為非常通用的連續(xù)分部分離技術(shù)提供基礎(chǔ)。受鉗112的陣列影響較強的粒子113能夠比受外力驅(qū)動較強的粒子113偏斜到更大的角度。例如，對于僅半徑a不同的粒子113考慮膠體球體。施加到次于波長大小的球體上的光學(xué)梯度力大約隨著a3而變化。另一方面，眾所周知的斯托克斯阻力隨著“a”變化。因此，具體化粒子113的較大球體受光學(xué)鉗112不成比例地影響，而較小的粒子113可以因較小的偏斜而通過。因此，將光學(xué)鉗112的陣列110接近最佳偏斜的角度而定向，并且調(diào)節(jié)強度以使得最大的粒子113處于跳躍狀態(tài)中，使得該最大部分橫向偏斜出否則形成的混流。偏斜的部分可以例如通過使得分離的部分流入各自的微流通道來連續(xù)地收集。未偏斜的部分可以由第一級下游的光學(xué)鉗112的附加級來進一步分部分離。這些附加級甚至可以結(jié)合到具有分級特性的單個全息攝影光學(xué)鉗陣列中。
連續(xù)的分部分離提供超過傳統(tǒng)方法的明顯好處，傳統(tǒng)方法例如凝膠電泳，它沿著外加力線分離樣品的各部分從而每次僅可以在離散量的材料上操作。
如在背景中描述的，不重合的力之間的競爭已經(jīng)應(yīng)用于其他連續(xù)分部分離方案，包括通過微加工的柱(microfabricated post)的陣列的電泳和通過由非對稱的互成角度配置的電極而引起的介電泳布朗棘齒(dielectrophoretic Brownian ratchet)的流動。光學(xué)分部分離提供幾個優(yōu)點。光學(xué)鉗112的陣列可以通過改變激光強度和陣列方向來動態(tài)地重新配置。甚至格子常數(shù)和對稱性可以被調(diào)節(jié)以適合所探討的分離問題。不同于對所有粒子113代表固定障礙物的柱(post)，光學(xué)鉗112可以對不同的材料具有明顯不同的影響。因此波長的選擇開辟連續(xù)光學(xué)分部分離的另外可能性。此外，所有這些性能確定的性質(zhì)可以在操作過程中連續(xù)地改變。常見的失效方式例如堵塞類似地可以通過熄滅捕獲陣列來補救。而且，不同于基于微制造樣品室的系統(tǒng)，光學(xué)分部分離需要非常簡單的樣品處理，所有分類通過光的圖案而不是通過物質(zhì)的分布來完成。由光學(xué)梯度調(diào)停的分子漂移的近期觀察使得可以斷定，基于通過光學(xué)鉗112的陣列110的遷移的分部分離甚至可以應(yīng)用于低至大分子的規(guī)模。在這里描述的被動光學(xué)誘導(dǎo)橫向偏斜的實現(xiàn)中力的直接考慮證明高度選擇的分部分離的能力。
上述原理可以用作一種將粒子113分離成兩個不同流動的方法。圖6顯示分支成第一子通道122和第二子通道124的微流通道120的實例。在微流通道120劃分成第一和第二子通道122和124之前，光學(xué)鉗128的陣列126由于外力相對于流u有角度地偏移。在較大粒子130和較小粒子132都通過陣列126的情況下，較大粒子130因粒子的較大半徑而引起比較小粒子132更多的橫向偏斜。作為該動作的結(jié)果，較小粒子132將在基本上直線中移動至第二子通道124中，而較大粒子130將移動至部分偏移的第一子通道122中。
因此，本發(fā)明的方法可以在許多應(yīng)用中使用。這些應(yīng)用包括但不限于染色體的分離、粒子類型和蛋白質(zhì)的提純、以及DNA大小評估。另外，大分子和納米簇可以以類似的方式來操作。此外，也能夠彼此串聯(lián)地合并鉗112的許多有角度偏移的陣列。這種配置允許粒子113的進一步分離。
下面的非限制性實例說明本發(fā)明的一般確定的原理。
實例圖1中示意顯示的一種優(yōu)選系統(tǒng)包括分散于去離子水中并且限于平行玻璃表面之間的水平層15μm厚的1.5μm直徑二氧化硅球體(Bangs Labs)。這些球體顯著地比水稠密，并且容易沉積到樣品室底壁上大約2μm的單層中。樣品容積的邊緣被密封以形成流道。通過上玻璃墻接合到孔的兩個玻璃管提供了到樣品容積的通路并且用作膠體、水和清潔的混合床離子交換樹脂的儲存器。管的端部連接到濕潤的Ar氣體的連續(xù)流。阻擋各個流中的一個引起壓力不平衡，其驅(qū)動膠體通過樣品室和通過安裝在Olympus IMT-2顯微鏡座上的100×NA1.4油浸物鏡的75×58μm2視場區(qū)域。通過控制Ar流，我們可以誘導(dǎo)膠體以高達(dá)100μm/sec在一個小時或更長時期中移動。
各個球體的面內(nèi)運動使用精密數(shù)字視頻顯微鏡以1/60sec間隔10nm的分辨率來跟蹤。由此得到的軌道數(shù)據(jù)使得我們能夠監(jiān)控球體通過我們用光創(chuàng)造的勢能場景(potential energy landscape)的前進。
我們的光學(xué)勢能場景基于全息攝影光學(xué)鉗技術(shù)，其中單束光使用計算機產(chǎn)生的衍射光束分離器形成光學(xué)捕獲的任意配置。由該衍射光學(xué)元件(DOE)創(chuàng)造的每個光束由物鏡聚焦到能夠穩(wěn)定地捕獲二氧化硅球體中的一個的衍射限制光點中。雖然全息攝影光學(xué)鉗可以以三維任意排列，我們選擇具有2.4μm格子常數(shù)的平面10×10方陣列，來模擬典型地在類似物理系統(tǒng)的理論和數(shù)值處理中討論的自由能調(diào)制。捕獲聚焦到單層的平面中，以避免當(dāng)它們流過時垂直地移位球體。
如果因流動的流體而導(dǎo)致的斯托克斯阻力極大地超過光學(xué)鉗的最大捕獲力，那么膠體粒子流動通過陣列且它們的軌道不受干擾。相反，如果捕獲力占優(yōu)勢，那么粒子不可逆轉(zhuǎn)地落入它們遇到的第一捕獲中。我們的觀察在捕獲和粘滯力幾乎匹配的中間條件下執(zhí)行。在這些條件下，捕獲陣列對粒子軌道的影響依賴于它相對于流的方向。在捕獲力超過粘滯力的對稱阻礙的方向上，流仍然可以將粒子推動足夠遠(yuǎn)到達(dá)各個捕獲的邊緣以至于可以熱輔助跳躍到下一個阱。對稱有利方向上的低勢能障礙物僅可以調(diào)制通過粒子的速度。在這些環(huán)境下從阱跳躍到阱的粒子基于幾何接近性和有效適宜性之間的折衷選擇通過勢能場景的路徑。這些折衷導(dǎo)致當(dāng)驅(qū)動力與捕獲勢能的關(guān)系變化時感興趣的動力學(xué)轉(zhuǎn)變。
我們的二氧化硅球體進入30±3μm/sec的流動速度和100±10μW/捕獲的激光強度的跳躍狀態(tài)。單層(minelayer)中球體的真實密度足夠低以至于至多5％的捕獲在任何時間被占據(jù)。雖然碰撞有時在跳躍粒子之間發(fā)生，它們比較罕見。圖2A-2D中所示的數(shù)據(jù)以這種方式獲得。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選實施方案已經(jīng)顯示和描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，可以不背離其更廣泛方面的本發(fā)明而做各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于粒子的受控偏斜的裝置，包括多個粒子的一個源；應(yīng)用于多個粒子、來自一個源的外力；以及相對于來自源的力的方向以傾斜角度定向的光學(xué)鉗陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中傾斜角度被選擇以最優(yōu)化粒子的流動速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中光學(xué)鉗陣列包括多個光學(xué)勢阱，每個具有勢能深度并且布置成這樣的模式，即用于建立相對于外力的選定的未對準(zhǔn)的模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中光學(xué)鉗陣列包括對于多個光學(xué)鉗的至少兩個不同的勢阱深度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中傾斜角度是可調(diào)節(jié)的，以選擇粒子偏斜的方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中偏斜的角度隨著粒子的大小、粒子置于其中的介質(zhì)的折射率、粒子的形狀、粒子的密度和粒子的表面化學(xué)中的至少一個而變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中外力被調(diào)節(jié)以修改粒子與外力方向的偏斜角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中粒子運動的控制由對于光學(xué)鉗具有變化的激光強度的激光束源來獲得。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中通過選擇適當(dāng)?shù)募す鈴姸?，粒子中較大的一些可以優(yōu)先地與粒子中較小的一些分離。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括光學(xué)鉗陣列的附加級，以進一步偏斜粒子。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中粒子選自膠體粒子，大分子，生物細(xì)胞，生物細(xì)胞器，染色體，及其混合物。
12.一種控制粒子運動的方法，包括步驟提供粒子流；將外力施加到粒子；以及形成相對于外力方向以角度傾斜的光學(xué)鉗陣列。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括改變用來形成光學(xué)鉗陣列的激光束強度，從而控制粒子的流動的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括改變外力的強度，從而控制粒子的流動的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中粒子具有大小，形狀，密度，電荷，磁化率，磁矩，介電常數(shù)，和非線性光學(xué)性質(zhì)中至少一個的范圍，它們對于外力、激光束強度和光學(xué)鉗陣列中至少一個具有可變的響應(yīng)，從而形成粒子的偏斜角度的范圍。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中角度被調(diào)節(jié)，以改變粒子的流動速度。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中偏斜連續(xù)地發(fā)生。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中激光被提供以形成光學(xué)鉗陣列，并且激光的波長被調(diào)節(jié)以控制粒子運動。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中當(dāng)粒子流動時，光學(xué)鉗陣列、外力和傾斜角度中至少一個被動態(tài)地改變。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中粒子選自膠體粒子，大分子，生物細(xì)胞，生物細(xì)胞器，染色體，以及它們的混合物。
全文摘要
一種使用光學(xué)鉗的靜態(tài)陣列來橫向偏斜和/或分離粒子流的方法和裝置。在具有大于所關(guān)心粒子大小的格子常數(shù)的光學(xué)鉗陣列中，由外力驅(qū)動通過陣列的粒子經(jīng)受與捕獲陣列的附加相互作用。通過改變捕獲陣列相對于外力的角度，陣列內(nèi)從捕獲到捕獲的粒子運動可以偏離于外力的方向，從而允許粒子的選擇性偏斜和/或分離。
文檔編號G02B21/32GK1557115SQ02817929
公開日2004年12月22日 申請日期2002年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月13日
發(fā)明者戴維·G·格瑞爾, 帕梅拉·T·庫達(dá), T 庫達(dá), 戴維 G 格瑞爾 申請人:芝加哥大學(xué)