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(guó)政府的支持，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)簽訂的合同No.DMR-9730189下，通過(guò)合同號(hào)為No.DMR-9808595的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的MRSEC方案，通過(guò)教育部的GAANN獎(jiǎng)學(xué)金作出本發(fā)明。美國(guó)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(shuō)，本發(fā)明涉及利用可見(jiàn)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(duì)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(lái)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(lái)說(shuō)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(guò)使用單光束產(chǎn)生單個(gè)光學(xué)陷阱來(lái)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(chǔ)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(lái)俘獲和操縱通常處于流體媒質(zhì)中的介電粒子。以前對(duì)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(píng)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(jiàn)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(zhǎng)λ＝514.5nm的綠光對(duì)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(lái)自于血色素和葉綠素對(duì)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(méi)有“從光學(xué)上(opticution)”找出第三種損害的機(jī)制。后來(lái)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(duì)類似材料進(jìn)行光學(xué)俘獲時(shí)，觀察到對(duì)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(duì)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(jiàn)光照射的結(jié)論。也就是說(shuō)，使用紅外光不會(huì)對(duì)生物材料造成任何明顯的有害影響。
不過(guò)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(duì)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(jiàn)光無(wú)損地俘獲生物材料的前景是一種無(wú)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(lái)自光譜的可見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光光學(xué)陷阱的新的方法和設(shè)備，由于使用人眼可見(jiàn)的光，故其調(diào)整相對(duì)簡(jiǎn)單。
本發(fā)明再一目的在于提供一種用于控制可見(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)光作為光鉗，用于其電子、機(jī)械、化學(xué)或生物狀態(tài)對(duì)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?cè)摬牧掀谕幕瘜W(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(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)光學(xué)俘獲系統(tǒng)和方法，可將可見(jiàn)光鉗對(duì)生物物質(zhì)和其他對(duì)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(zhǎng)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(guò)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(shuō)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(jiǎn)要說(shuō)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(duì)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(kāi)之前，立即通過(guò)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(lái)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(guò)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(duì)粒子進(jìn)行顯微成像，使用個(gè)人計(jì)算機(jī)識(shí)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(shuō)明為了更好地理解本發(fā)明的改進(jìn)，圖1和2說(shuō)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(shuō)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(yǔ)光鉗、光學(xué)陷阱和光學(xué)梯度力陷阱進(jìn)行描述。
通過(guò)使用光束12(如激光束或其他高強(qiáng)度光源)來(lái)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(guò)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(duì)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(duì)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(chǎng)上平移一定量，且此平移量取決于物鏡20的角度放大率?？墒褂脙蓚€(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(guò)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(guò)點(diǎn)A的光束12也通過(guò)點(diǎn)B，從而滿足作為光鉗系統(tǒng)10的基本要求。通過(guò)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，通常可使用若干光束12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(jiàn)僅表示出一個(gè)衍射輸出光束44，不過(guò)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(guò)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(guò)也可為多種其他結(jié)構(gòu)。例如，在圖4中，光束12相對(duì)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(jiàn)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(duì)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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)光鉗陷阱50的連續(xù)平移。一萬(wàn)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(guò)點(diǎn)A，并投射到后孔徑24。傾斜反射鏡60來(lái)使光束12相對(duì)反射鏡60的入射角度改變，并且可利用這個(gè)特性來(lái)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(guò)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(guò)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(duì)準(zhǔn)光鉗陣列與固定基板，以通過(guò)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(guò)移動(dòng)樣品載臺(tái)或通過(guò)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡34，光學(xué)陷阱50陣列也可以相對(duì)樣品載臺(tái)(未示出)垂直移動(dòng)。此外，通過(guò)移動(dòng)樣品載臺(tái)，光鉗陣列還可以相對(duì)樣品橫向移動(dòng)。該特征對(duì)于超過(guò)物鏡視場(chǎng)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(zhǎng)，并透過(guò)其它波長(zhǎng)。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(guò)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(chǎng)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(guò)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(guò)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(méi)有來(lái)得及擴(kuò)散離開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)問(wèn)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(duì)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(jiàn)圖10)，(2)在壓力差下施加粒子126(通過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)移動(dòng)陣列到一基板上，或者通過(guò)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(guò)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(wèn)、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(guò)使用具有所需指令信息的計(jì)算機(jī)程序來(lái)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(duì)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(guò)單個(gè)強(qiáng)力陷阱來(lái)操縱這種物體，可對(duì)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(guò)程中，可根據(jù)尺寸對(duì)粒子126進(jìn)行動(dòng)態(tài)分類。還可以通過(guò)圖10所示的方法對(duì)粒子126陣列進(jìn)行成象。顯微鏡138可以對(duì)粒子126進(jìn)行成象，并且個(gè)人計(jì)算機(jī)140能識(shí)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(lái)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(guò)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(guò)變形的激光束148(也參見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光光鉗是有利的。在本發(fā)明其他形式中，對(duì)于與紫外光匹配的特殊尺寸的材料，或者對(duì)于對(duì)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(jiàn)光更短的波長(zhǎng)，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(guò)至少三個(gè)主要機(jī)理?yè)p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(guò)程。這種過(guò)程是光鉗操作中所固有的，并且不依賴于所使用的光波長(zhǎng)。對(duì)于給定應(yīng)用，通過(guò)使用最不可能且最有效的俘獲力，可使這些破壞性過(guò)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(guò)大多數(shù)生物材料基本上都對(duì)可見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光的陷阱高300倍。對(duì)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(duì)于可見(jiàn)光為μ≈0.1cm-1/M，對(duì)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光可能更可取。
光化學(xué)變化的發(fā)生可通過(guò)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(guò)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(duì)于振動(dòng)躍遷)到可見(jiàn)光(對(duì)于電子躍遷)中。不過(guò)，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(guò)來(lái)自任何特定紅外或可見(jiàn)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(jiàn)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(guò)加熱或機(jī)械破壞，因而理解為什么可見(jiàn)(或者在某些情況下為紫外)光鉗能對(duì)生物和具有相似光化學(xué)響應(yīng)(或者對(duì)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(jí)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(jiàn)波長(zhǎng)下活的有機(jī)體對(duì)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(guò)，來(lái)自太陽(yáng)的可見(jiàn)光通量幅值小于典型1mW光鉗6個(gè)量級(jí)。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(guò)程所需的高強(qiáng)度光環(huán)境。
與紅外相比，可見(jiàn)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(jiàn)光子，這兩個(gè)可見(jiàn)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(zhǎng)的紫外光子，其中需要兩個(gè)或多個(gè)這種光子來(lái)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(jiàn)光光子相當(dāng)?shù)哪芰?，從而通常不足以?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(jiàn)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(zhǎng)波長(zhǎng)下的高階作用相比，較短波長(zhǎng)下產(chǎn)生的低階作用頻繁得多，至少對(duì)于相同功率光束是如此。
不過(guò)與紅外光相比，當(dāng)用更短波長(zhǎng)光(例如可見(jiàn)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(kāi)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(jiàn)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(duì)減小直接轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)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(duì)對(duì)象材料實(shí)質(zhì)上不造成損害。此外，通過(guò)仔細(xì)選擇所使用的光波長(zhǎng)(可見(jiàn)光或者在某些情況下為紫外光)，可利用被檢測(cè)材料的吸收窗口來(lái)選擇光波長(zhǎng)，以減少光吸收，從而減小損害或變化材料。
通過(guò)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(guò)沒(méi)有研究報(bào)道最佳的波前分布。從而，通過(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)(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(duì)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(jiàn)光范圍內(nèi)吸收光很強(qiáng)，從而不能使用可見(jiàn)光鉗來(lái)俘獲。對(duì)于大量對(duì)可見(jiàn)光基本透明的系統(tǒng)而言，可使用多個(gè)步驟來(lái)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(jiàn)光波長(zhǎng)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(zhǎng)。
2.可使用連續(xù)光波(CW)激光器而非使用脈沖激光器來(lái)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(guò)將功率分布在多個(gè)點(diǎn)上，以通過(guò)類似于“釘床”的方式將對(duì)樣品總的損害顯著減小。不過(guò)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(kāi)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(guò)用可見(jiàn)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(guò)遵從這些準(zhǔn)則，針對(duì)特定應(yīng)用，可獲得可接受的小損害程度。從而對(duì)于應(yīng)用于生物系統(tǒng)而言，在HOT系統(tǒng)中使用可見(jiàn)光將具有至少若干優(yōu)點(diǎn)光學(xué)效率。通常對(duì)于用在可見(jiàn)和紫外波長(zhǎng)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(jiàn)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(duì)可見(jiàn)俘獲系統(tǒng)的潛在優(yōu)點(diǎn)。
安全性。人的視覺(jué)系統(tǒng)包括保護(hù)性的眨眼反射，以減小可見(jiàn)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(méi)有這種反射保護(hù)使用者的視力。
易于調(diào)準(zhǔn)?？梢?jiàn)光路與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(jiàn)光學(xué)陷阱結(jié)構(gòu)相同的光路，以產(chǎn)生對(duì)雙光子吸收最佳的各光束，不過(guò)具有最大功率利用效率。因此使用一個(gè)激光器對(duì)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(guò)水的直接吸收而將其樣品加熱到比可見(jiàn)光系統(tǒng)更大的程度。這種過(guò)分受熱可解釋紅外俘獲試驗(yàn)中所報(bào)道的對(duì)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(zhǎng)成比例。從而可見(jiàn)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(guò)被俘獲粒子散射到遠(yuǎn)場(chǎng)中的光的時(shí)間演變。這種跟蹤技術(shù)的分辨率與光波長(zhǎng)成比例，從而相對(duì)紅外光，通過(guò)可見(jiàn)光中形成的陷阱可提高分辨率。
可以通過(guò)上述方式，使用不同波長(zhǎng)、激光器類型和試驗(yàn)條件，對(duì)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(duì)光敏感的光學(xué)、化學(xué)、機(jī)械和電學(xué)狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，例如，可見(jiàn)光范圍內(nèi)一定波長(zhǎng)下材料的吸收特性與操縱所用的激光束波長(zhǎng)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(duì)于非生物材料，如電子器件，可選擇該器件的成份沒(méi)有表現(xiàn)出強(qiáng)吸收的可見(jiàn)光波長(zhǎng)。
還要注意，通常認(rèn)為光譜的可見(jiàn)部分處于大約400nm到大約700nm范圍內(nèi)。不過(guò)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(zhǎng)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(jiàn)光鉗操縱活生物樣品時(shí)有效。具體來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)期俘獲。
例I將大量酵母細(xì)胞(來(lái)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(zhǎng)的光來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)其培養(yǎng)基置換懸浮細(xì)胞時(shí)，通過(guò)視覺(jué)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(zhǎng)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(duì)被照射細(xì)胞的視覺(jué)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(guò)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(jiàn)光波長(zhǎng)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(zhǎng)，使所選擇的材料在該激光波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)選定吸收系數(shù)，其能進(jìn)行操縱而不對(duì)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(zhǎng)以及選定的吸收系數(shù)，以避免對(duì)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(zhǎng)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(duì)該聚焦光束的波前進(jìn)行整形的步驟，使相對(duì)沒(méi)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(zhǎng)范圍內(nèi)具有弱吸收系數(shù)的波長(zhǎng)；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?cè)撋锊牧线z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(duì)該聚焦光束的波前進(jìn)行整形的步驟，使相對(duì)沒(méi)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(lái)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(zhǎng)范圍的聚焦激光束，其中最大波長(zhǎng)小于紅外光的最小波長(zhǎng)，該聚焦激光形成光學(xué)陷阱，并具有該激光波長(zhǎng)范圍內(nèi)使生物材料具有弱吸收系數(shù)的波長(zhǎng)；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(jiàn)和紫外波長(zhǎng)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(duì)該聚焦光束的波前進(jìn)行整形，使相對(duì)沒(méi)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(zhǎng)范圍小于紅外光波長(zhǎng)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(duì)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(jiàn)和紫外波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)范圍內(nèi)具有使該材料具有弱吸收系數(shù)的波長(zhǎng)；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(duì)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(jiàn)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(guò)避免與底層材料中的強(qiáng)吸收有關(guān)的波長(zhǎng)，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(hào)G02B27/42GK1505915SQ02808941
公開(kāi)日2004年6月16日 申請(qǐng)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(kù)爾蒂斯, 布賴恩·A·考斯, A 考斯, E 庫(kù)爾蒂斯, R 迪弗雷納, 戴維 G 格里爾 申請(qǐng)人:芝加哥大學(xué)