调制光学镊子制造技术

一种在微流体或流体系统中利用光学梯度力从非均匀的带液体样本中选取特定部分的方法和设备。样本大小的范围可以从几纳米到至少几十微米，它可以分散在从输入通道（４１０）到输出通道（４３０）传输的任何液体介质中，并可以按照大小，形状，光学特性，电荷，和其他物理性质进行分类。选取过程涉及无源传输通过光的强度场－被流动液体驱动的光学陷阱或光学镊子阵列，它与相关的技术进行比较有几个优点。这些优点包括：连续而不是分批模式的操作，连续和动态的可调谐性，操作各种样本，紧密性，和低成本。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及调制光学镊子。具体地说，本专利技术涉及调制光学镊子在各种情况下的应用。
技术介绍
由于在10年之前引入了光学陷阱，它们在大分子和生物系统的实际研究中已成为不可缺少的工具。由高度聚焦的单个激光束形成的光学镊子利用光学梯度力以操作微米尺度的物体。光学镊子允许科学工作者探测用于描述胶体，聚合物和薄膜相互作用的微小力，并把少量胶体粒子组合成中型结构。每个常规的操作仅需要一个或两个光学镊子。把这种技术延伸到较大和较复杂的系统就需要较大和较复杂的光学陷阱阵列。 用于建立多个同时光学陷阱的相关技术包括广义的相位对比度方法，干涉计量光学镊子，和光学晶格。后两种方法涉及在样本的体积中多个光束的干涉，而可以把前一种方法考虑成全息光学捕获的变型。干涉计量技术可以比全息技术覆盖更大的领域，但是它在可以建立的强度图形类型中受到很大的限制。具体地说，干涉计量光学镊子和光学晶格局限于周期性结构。 利用强会聚透镜聚焦单个激光束形成一种普遍称之为光学镊子的光学陷阱类型。一般地说，可以利用以下的波函数描述这种光束， ψ(r)＝A(r)exp(i(r))(1) 其中A(r)是幅度分布，而(r)是在与光轴垂直的平面上位置r的相位。 常规的光学镊子是从典型激光器提供的TEM00激光束中建立的。这种光束的波前是平面型，并可以用均匀的相位分布(r)＝0描述。利用合适的聚焦元件，例如，显微镜物镜，可以把光束聚焦成衍射受限的焦点，使该光束变换成光学镊子。光学镊子在透镜焦平面上的位置是由光束进入透镜入瞳时的角度确定。此外，若光束在进入透镜入瞳时是发散的，则它被聚焦并在焦平面的下游形成光学镊子。或者，若光束是会聚光束，则它在焦平面的上游形成陷阱。 多个光束同时传输通过透镜入瞳产生多个光学镊子，每个光学镊子的位置是由入射角和在入瞳上的准直度确定。这些光束在传输通过入瞳时形成干涉图形，其幅度和相位波形描述下游的捕获图形。在入瞳上对单个入射光束施加相同的调制就产生相同的陷阱图形，但是不需要建立和引导多个独立的输入光束。这种波前变化可以由通常称之为全息图的衍射光学元件(DOE)完成。一般地说，利用称之为计算机产生全息术(CGH)过程的计算机，可以计算用于编码具体光学陷阱图形的全息图或DOE。利用CGH建立多个光学陷阱的任意配置构成一种新型的光学微操作工具，称之为全息光学镊子(HOT)，它在物理和生物科学以及在工业中有广泛的应用。 全息光学镊子的效力是由形成陷阱的DOE质量确定，而该效力又反映在计算中所有数值算法的性能。以前的研究应用这样的全息图，它是利用简单的线性叠加输入场或利用经典Gerchberg和自适应可加算法的变型计算的。尽管它们有一般的效力，这些算法产生这样的陷阱，其相对强度可以与它们的设计值有很大的差别，通常导致多余的“鬼”陷阱。这些问题对于复杂的三维捕获图形可以变得十分严重，尤其是在相同的全息图还用作模式转换器以投射多功能光学陷阱阵列的情况下。 用于全息光学捕获的全息图通常仅作用在入射光束的相位上，而不是作用在它的振幅上。这种纯相位全息图也称之为开诺全息图，与振幅调制全息图比较有很高的效率，必须把光偏离开光束。与完全复杂的全息图比较，它要求在入瞳上建立任意的叠加，而纯相位全息图也是十分容易实现的。的确，利用计算机寻址的空间光调制器(SLM)以建立动态全息光学镊子，可以投射开诺全息图的序列。 利用开诺全息图仍然可以实现一般的捕获图形，尽管丢失了可以被编码成振幅调制的信息，因为光学镊子依靠它们作用到强度的梯度上，而不是作用到局部的相位变化。然而，仍然需要在输入平面上找到一个相移图形，它可以在聚焦体积中编码所需的强度图形。
技术实现思路
本专利技术涉及一种光学镊子的变型，其中可以使陷阱的劲度随方向而变化。具体地说，改变的陷阱强度在它选取的方向上有更大的扩展，从而减小它在那些方向的劲度，或便于沿那些方向对准非对称物体。这种改变的陷阱可用于使物体沿选取的方向逃逸并定向和旋转非紧致的物体。使物体沿选取方向逃逸的能力在光学分离方面有各种应用，其中物体与光学陷阱不同的相互作用可用作分类的基础。定向和旋转非紧致物体的能力可用于组装微米尺度的物体(0bject)。 以前报告关于在光学陷阱中定向物体的方法包括从Gauss-Hermite模式中建立光学镊子，利用矩形孔径改变它们的振幅轮廓，旋转直线偏转光和椭圆偏转光的偏转角，利用平面波干涉Laguerre-Gaussian模式以建立对称的螺旋图形，调制标准圆形的光学涡流和投射多个紧密相邻的常规光学镊子。 本专利技术还涉及一种基于直接搜索和模拟退火方法计算的新型HOT CGH算法，它利用最近引入的度量以获得空前的形成陷阱准确性和光学效率。 最好是，本专利技术是通过全息光学捕获方法实现的，但也可以利用其他相关的技术实现，例如，广义相位对比方法，干涉计量光学镊子，和光学晶格。 本专利技术的一个实施方案是一种通过光学分离选取分离部分的设备，它包含至少两个通道，分别用于提供至少第一分层液体流和第二分层液体流。这两个液体流中的至少一个液体流包含带液体粒子。全息光学镊子系统至少投射两个光学陷阱阵列到该至少两个通道的结合点处的一个区上。两个光学陷阱阵列中的每个光学陷阱阵列可以有选择地偏转带液体粒子，从而按照带液体粒子的特征分离该带液体粒子。 本专利技术的另一个实施方案是一种通过光学分离选取分离部分的设备，包括用于提供N个分层输入流的N个通道。N个分层输入流中至少一个分层输入流包含带液体粒子。全息光学镊子系统投射一个光学阵列到通道的结合点的一个区上，从而可以把N个分层输入流中的带液体粒子分离成M个分层输出流，其中N不必等于M。 本专利技术还涉及一种利用两个分开的输入激光器建立全息光学陷阱的方法，其应用包括利用两个波长的光建立全息光学陷阱(HOT)。这些方法可以扩展到包括多于两个输入激光器。 此外，本专利技术涉及一种用于表征溶质的电荷状态(chargestate)，尺寸，尺寸多分散性和其他性质的几个特征的方法，其中该溶质被流动的溶剂驱动通过相对于流动方向倾斜的光学陷阱阵列。 根据以下结合附图的详细描述，本专利技术的这些和其他目的，优点和特征以及组织和操作方法是显而易见的，其中相同的元件在以下描述的几个附图中有相同的参考数字。 附图说明 图1表示被调制的光学镊子，其中左图表示常规光学镊子的未调制强度分布，它是由与焦点的距离z＝5λ的平顶形状光束建立的，λ是光的波长，和其中右图表示通过按照公式 正弦调制的光束的相同横截面，m＝5，αm＝1，θm＝0； 图2表示三维多功能的全息光学陷阱阵列，它是利用直接搜索算法计算的单个纯相位DOE建立的，其中上部的DOE相位图形包含对应于2π弧度相移的白色区和对应于0的黑色区，和其中下部投射的光学陷阱阵列是在与100x，NA 1.4物镜的焦平面距离为z＝-10μm，0 μm，和+10μm上，这些陷阱在焦平面上相隔1.2μm，和在中间平面上的12个陷阱包含l＝8个光学涡流； 图3是用于计算图2中全息图的算法的性能度量曲线，它作为可接受的单像素变化数目的函数； 图4表示有多个分层输入流的H结，这些输入流一起进入单个相互作用区，并然后分开成多个输出流； 图5表示本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于通过光学分离选取带液体粒子中分离部分的设备，包括：至少两个通道，用于至少提供第一分层液体流和第二分层液体流，至少一个通道包含带液体粒子；全息光学镊子系统，用于至少投射两个光学陷阱阵列到该至少两个通道的接合点处的一个区上；和两个光学陷阱阵列，每个阵列放置成有选择地偏转带液体粒子，以便按照带液体粒子的特征分离该带液体粒子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-1-21 11/040,6651.一种用于通过光学分离选取带液体粒子中分离部分的设备，包括至少两个通道，用于至少提供第一分层液体流和第二分层液体流，至少一个通道包含带液体粒子；全息光学镊子系统，用于至少投射两个光学陷阱阵列到该至少两个通道的接合点处的一个区上；和两个光学陷阱阵列，每个阵列放置成有选择地偏转带液体粒子，以便按照带液体粒子的特征分离该带液体粒子。2.按照权利要求1的设备，其中全息光学镊子系统包括用于产生光束的激光源；和计算机设计的衍射光学元件，用于从激光源中接收光束并产生两个光学陷阱阵列。3.按照权利要求1的设备，其中全息光学镊子系统包括产生第一光束的第一激光源和产生第二光束的第二激光源；计算机设计的衍射光学元件，它被设计用于从第一激光源中接收第一光束和从第二激光源中接收第二光束，以产生两个光学陷阱阵列；和其中第一光束和第二光束有不同的波长，使之从两个不同波长的光中导出两个光学陷阱阵列。4.按照权利要求1的设备，其中全息光学镊子系统包括产生第一光束的第一激光源和产生第二光束的第二激光源；第一计算机设计的衍射光学元件，它被设计成从第一激光源中接收第一光束；第二计算机设计的衍射光学元件，它被设计成从第二激光源中接收第二光束；其中第一光束和第二光束有不同的波长，使之从两个不同波长的光中导出两个光学陷阱阵列。5.按照权利要求1的设备，其中在两个通道的接合点处，第一分层液体流中带液体粒子的第一子集合被两个光学陷阱阵列中的一个阵列偏转到第二分层液体流，而第一子集合带液体粒子中的一个子集合被另一个光学陷阱阵列偏转回到第一分层液体流。6.按照权利要求1的设备，其中用于分离的带液体粒子的一个特征是粒子尺度，因此，在两个通道的接合点上，第一分层液体流中尺度基子集合的带液体粒子被两个光学陷阱阵列中的一个阵列偏转到第二分层液体流，而该子集合带液体粒子中的尺度基子集合被另一个光学陷阱阵列偏转回到第一分层液体流。7.按照权利要求1的设备，其中第一分层液体流包含带液体粒子，而第二分层液体流包含缓冲液体，和其中在两个通道的接合点上，第一分层液体流中带液体粒子的一个子集合被两个光学陷阱阵列中的一个阵列偏转到第二分层液体流，而该子集合带液体粒子中的一个子集合被另一个光学陷阱阵列偏转回到第一分层液体流，因此，第二分层液体流包含该子集合带液体粒子中被分离的子集合。8.一种用于通过光学分离选取分离部分的设备，包括N个通道，用于提供N个分层输入流，该N个分层输入流中至少一个输入流包含带液体粒子；和全息光学镊子系统，用于投射光学陷阱阵列到通道的结合点的一个区，以便把N个分层输入流中的带液体粒子分离成M个分层输出流。9.按照权利要求8的设备，其中全息光学镊子系统包括衍射光学元件，用于动态控制带液体粒子的分离。10.按照权利要求8的设备，其中光学阵列在结合点上离散地发生变化，以把N个分层输入流中的带液体粒子有选择地分离成M个分层输出流。11.按照权利要求8的设备，其中光学阵列在结合点上连续地发生变化，以把N个分层输入流中的带液体粒子有选择地分离成M个分层输出流。12.按照权利要求8的设备，其中光学阵列被设计成把至少两个分层输入流(N＝2)中的带液体粒子组合成一个分层输出流(M＝1)。13.按照权利要求8的设备，其中N个输入分层流包含药物分子和微生物，微生物是基于该微生物对药物分子的响应被分类。14.按照权利要求8的设备，其中N个输入分层流包含按照尺度被分类的化学反应物体。15.按照权利要求8的设备，其中N个输入分层流包含按照光学性质被分类的化学反应物体。16.一种用于通过光学分离选取分离部分的方法，包括以下步骤至少提供两个通道，它们分别提供第一分层液体流和第二分层液体流，至少一个通道包含带液体粒子；利用全息光学镊子系统至少投射两个光学陷阱阵列到该至少两个通道的结合点处的一个区上；其中按照带液体粒子的特征，两个光学陷阱阵列中的每个阵列有选择地偏转带液体粒子，用于分离该带液体粒子。17.一种用于操作粒子的设备，包括有调制相位分布的激光束；和光学陷阱阵列，它包括从激光束中建立的多个光学陷阱并有与其相关的偏置力。18.按照权利要求17的设备，其中该粒子包括非紧致物体。19.按照权利要求17的设备，其中多个光学陷阱中的各个光学陷阱有可选择的变弱方向。20.按照权利要求19的设备，其中各个光学陷阱的变弱方向是互相对准的。21.按照权利要求20的设备，其中各个光学陷阱的变弱方向还与偏置力对准。22.一种用于表征带电溶质的方法，包括以下步骤有效地分隔开第一电极和第二电极，以形成电极之间的间隙；提供与第一电极和第二电极通信的静电计；投射放置在电极间隙中的光学陷阱阵列；和在带电溶质被驱动通过光学阵列时，测量其横向电压。23.按照权利要求22的方法，还包括以下步骤施加外部偏向力到多个带...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫G格里尔，
申请(专利权)人：纽约大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]