利用光钳操纵材料用的设备的制作方法

专利名称：利用光钳操纵材料用的设备的制作方法
借助于美国政府的支持，在美国国家科学基金会签订的合同No.DMR-9730189下，通过合同号为No.DMR-9808595的美国国家科学基金会的MRSEC方案，通过教育部的GAANN奖学金作出本发明。美国政府也享有本发明的一定权利。
概括而言本发明涉及用于控制光学陷阱(optical trap)或光钳(optical tweezer)的方法和设备。更准确地说，本发明涉及利用可见光形成的光钳，可用于操纵(manipulate)多种光敏材料，如活体生物材料，而不对被研究或操纵的材料造成显著损伤或有害影响。
已知利用来自单光束的光学梯度力构成光钳，操纵小电介质粒子浸入折射率小于该粒子的流体介质中的位置。此光钳技术概括来说能操纵反射、吸收以及低介电常数的粒子。
因此已经研究出一些通过使用单光束产生单个光学陷阱来操纵单个粒子的系统。为了用这类系统操纵多个粒子，必须采用多个光束。使用传统光钳方法产生扩展的多光束陷阱的难度，限制了其在诸如一般性地检查生物材料的多种潜在商业应用中的使用，并且还限制纳米合成材料的制造和操纵，包括电子、光子和光电子装置，用于化学和生物分析(assay)中的化学传感器阵列，以及全息和计算机存储矩阵。
一种光钳使用由强且密集的会聚光束施加的力来俘获和操纵通常处于流体媒质中的介电粒子。以前对光钳的描述强调其用于生物应用，如俘获细胞或其成分，用于研究、诊断评估乃至治疗的目的的潜在用途。这些报道还强调在使用可见光时由光学俘获方法造成内在和持久的损伤或改变。特别是，观察到Ar(氩)离子激光器发出的波长λ＝514.5nm的绿光对生物材料造成多种有害的影响红细胞完全爆裂(explode)，绿色植物细胞的叶绿体遭到破坏，并且持续应用绿色激光会引起被俘获纤毛细菌的死亡。在前两个例子中绿激光造成的损害显然分别来自于血色素和叶绿素对绿光的强吸收，导致迅速受热和严重破坏。本领域技术人员还没有“从光学上(opticution)”找出第三种损害的机制。后来的研究将光致引起突变确定为细胞由于使用光钳而死亡的可能机制。
当用工作在λ＝1064nm的NdYAG激光器发出的红外光对类似材料进行光学俘获时，观察到对生物材料的损害相当小。主要基于这些和类似的使用单个光钳的早期观察结果，研究人员得出对于光学俘获生物材料而言，红外照射在使用上优于可见光照射的结论。也就是说，使用红外光不会对生物材料造成任何明显的有害影响。
不过在特殊情况下，激光诱发的损害可能是符合需要的。例如，工作在λ＝532nm的脉冲光钳由于具有切割生物材料如染色体的能力而被选中。如此使用的光钳称作光剪刀或光解剖刀。即便如此，由于已被很好地证明，并且对生物材料造成公认的有害影响，以前本领域技术人员一直认为使用可见光无损地俘获生物材料的前景是一种无法接受的光学俘获和操纵方法。
因而本发明的一个目的在于提供一种使用来自光谱的可见或紫外部分光的至少一个光学陷阱的改进的方法和系统。
本发明另一目的在于提供一种用于控制可见光光学陷阱的新的方法和设备，具有提高的效率、效果和使用安全性。
本发明又一目的在于提供一种用于控制可见光光学陷阱的新的方法和设备，由于使用人眼可见的光，故其调整相对简单。
本发明再一目的在于提供一种用于控制可见光光学陷阱的新的方法和设备，其中可精确俘获局部区域。
本发明另一目的在于提供一种用于控制可见光光学陷阱的新的方法和设备，其中被操纵样品不会由于光吸收而过热或以其它方式改变。
本发明又一目的在于提供一种用于控制光学陷阱的新的方法和设备，其中该光学陷阱具有高度改进的跟踪精度。
本发明再一目的在于提供一种新的方法和设备，使用可见光作为光钳，用于其电子、机械、化学或生物状态对具有高强度光图案的光钳高度敏感的任何材料。
本发明另一目的在于提供一种用于控制具有可变功率大小(power level)的光学陷阱的新的方法和设备，其提供有效的光学俘获，但不改变该材料期望的化学、生物、电子或机械状态。
根据上述目的，发现部分地通过适当设计光学俘获系统和方法，可将可见光钳对生物物质和其他对高强度光敏感的材料造成的损害或不希望的改变减小到可接受的程度，减小或甚至为零大小和水平。此外，相信利用本发明的优点和特征，紫外波长也可用于特别小尺寸的物体，以及特殊类型的材料。因此，这种光钳在生物系统和其他具有光敏材料的系统中具有广泛用途，并且具有超过红外光钳的若干优点。
从下面结合下述附图的最佳实施例说明，易于得出本发明的其他目的、特征和优点，在附图中相同元件具有相同附图标记。
附图简要说明

图1表示包括单光钳某些传统特征的方法和系统；图2表示包括单个、可调光钳某些传统特征的方法和系统；图3表示一种使用衍射光学元件的方法和系统；图4表示另一种使用相对输入光束倾斜的光学元件的方法和系统；图5表示使用衍射光学元件的可连续移动光钳(陷阱)阵列；图6表示使用光钳阵列控制粒子，同时还形成用于观察光学陷阱阵列的图像的方法和系统；图7A表示使用图6的光学系统的四乘四光钳(陷阱)阵列的图像；图7B表示在消除俘获照射之后，但在球体扩散开之前，立即通过图7A的光钳获得的悬浮在水中的一个微米直径硅球体的图像；图8表示继续使用光钳，并且加速填充光学陷阱来控制粒子的方法和系统；图9A-9D表示光学陷阱控制方法的使用，其中通过全息衍射光学元件形成光学陷阱；以及图10表示光学陷阱控制方法的使用，其中对粒子进行显微成像，使用个人计算机识别出粒子，并计算纯相位全息图以便俘获粒子。
最佳实施例详细说明为了更好地理解本发明的改进，图1和2说明包括某些传统特征的若干方法和系统。在图1的光钳系统10中，光学梯度力由于使用单光束12可控地操纵分散在介质16中的小介电粒子14而产生，其中该介质的折射率nm小于该粒子14的折射率。光学梯度力的基本性质是众所周知的，当然概括地说该原理可操纵反射、吸收和低介电常数的粒子。在下面所述本发明改进的描述中可贯彻这些技术中的任何一种，并且在下文中将使用术语光钳、光学陷阱和光学梯度力陷阱进行描述。
通过使用光束12(如激光束或其他高强度光源)来应用光钳系统10，该光束能施加实现操纵粒子所需的光学俘获效果需要的必要的力。传统类型光钳10的目的在于将一个或多个经过整形的光束投射到会聚光学元件(如物镜20)后孔径24的中心。如图1所示，光束12的宽度为“w”，并具有相对光轴22的输入角Φ。光束12输入物镜20的后孔径24，并从前孔径26输出，基本上会聚到成象体积32焦平面30中的焦点28，且焦点28与光学陷阱33重合。通常，任何聚焦光学系统都可以构成光钳系统10的基础。
在光束12为准直激光束且其轴与光轴22重合的情况下，光束12进入物镜20的后孔径24，并被引导到物镜焦平面30的中点c处成象体积32的焦点。当光束12的光轴相对光轴22处于角度Φ时，光束轴31与光轴22在后孔径24的中点B处重合。这种设置可使光学陷阱在视场上平移一定量，且此平移量取决于物镜20的角度放大率。可使用两个变量角位移Φ和光束12的变会聚度，以在成象体积32内选定位置处形成光学陷阱。只要多个光束12以不同角度Φ施加于后孔径24，并具有不同准直度，就能在不同位置处设置大量光学陷阱33。
为了在三维空间中实现光学俘获，被俘获粒子上产生的光学梯度力必须超过由于光散射和吸收产生的其他辐射压力。通常这必须使光束12的波前在后孔径24处具有适当形状。例如，对于高斯TEM00输入激光束，光束直径w应该与后孔径24的直径基本相同。对于更一般的光束分布(诸如高斯-Laguerre)，可用公式表示类似条件。
在图2中包括某些传统特征的另一种系统中，光钳系统10可跨越物镜20的视场平移光学陷阱33。望远镜34由透镜L1和L2构成，其形成与图1现有技术系统中的中点B光学共轭的点A。在图2的系统中，通过点A的光束12也通过点B，从而满足作为光钳系统10的基本要求。通过如图2所示设置透镜L1和L2的位置，使望远镜34的传输性质最佳而保持准直度。此外，可选择望远镜34的放大率，使物镜20后孔径24的平面中光束12的角位移和其宽度w最佳。如上所述，通常可使用若干光束12形成若干个相关的光学陷阱。可由多个独立的输入光束，或者由传统反射和/或折射光学元件控制的单一光束产生所述多个光束12。
在图3所示整个光学操纵系统的一个最佳实施例中，可形成任意个光学陷阱阵列。将衍射光学元件40基本上设置在与物镜20后孔径24共轭的平面42内。注意为了清楚起见仅表示出一个衍射输出光束44，不过应该理解衍射光学元件40可产生多个这类光束44。入射在衍射光学元件40上的输入光束12被分成表征衍射光学元件40性质的输出光束44的图案，每个输出光束44从点A发射出。因此由于前面所述的下游光学元件的作用，输出光束44也通过点B。
图3中的衍射光学元件40被表示成垂直于输入光束12，不过也可为多种其他结构。例如，在图4中，光束12相对光轴22以某一倾角β抵达，且不垂直于衍射光学元件40。在本实施例中，从点A射出的衍射光束44将在成象体积32(最好参见图1)的焦平面52中形成光学陷阱50。在光钳系统10的这种设置中，可从光钳系统10去除入射光束12中未经衍射的部分54。从而这种结构使背景光的操纵更少，并提高形成光学陷阱的效率和效果。
衍射光学元件40可包括计算机产生的全息图，且该全息图将输入光束12分成预先选择的所需图案。将这种全息图与图3和4中其余光学元件组合，可产生利用衍射光学元件40独立整形每个衍射光束波前的任意阵列。从而，光学陷阱50不仅可以位于物镜20的焦平面52上，而且也可以处于焦平面52外，形成光学陷阱50的三维排列。
在图3和4的光钳系统10中，还包括聚焦光学元件，如物镜20(或其他功能上等效的光学装置，如菲涅耳透镜)，以会聚衍射光束44而形成光学陷阱50。另外，望远镜34或其他等效的传输光学装置，可产生与前面的后孔径24的中心点B共轭的点A。衍射光学元件40被设置在包含点A的平面中。
在另一实施例中，可不使用望远镜34而形成任意个光学陷阱50阵列。在这类实施例中，可将衍射光学元件40直接放置在包含点B的平面内。
在光钳系统10中，可使用静态或与时间有关的衍射光学元件40。对于动态或与时间有关的类型，可产生光学陷阱50的时变阵列，可为利用该特征的系统的一部分。此外，可使用这些动态光学元件40主动地彼此相对移动粒子与基体媒质。例如，衍射光学元件40可以为用计算机产生的全息图案压印的发生改变的液晶相位阵列。
在图5所示的另一实施例中，可构成一系统来实现光钳陷阱50的连续平移。一万向安装的反射镜60被设置成其旋转中心处于点A。光束12入射在反射镜60的表面上，并且其轴穿过点A，并投射到后孔径24。倾斜反射镜60来使光束12相对反射镜60的入射角度改变，并且可利用这个特性来平移所产生的光学陷阱50。由透镜L3和L4构成第二望远镜62，产生与点A共轭的点A’。设置在点A’的衍射光学元件40产生一衍射光束图案64，每个衍射光束均通过点A而形成光钳系统10阵列中的一个钳阱50。
在图5实施例操作过程中，反射镜60将光钳阵列作为整体移动。这种方法可用于精确对准光钳阵列与固定基板，以通过小幅度快速振动位移动态加强光学陷阱50，以及可用于需要整体平移能力的任何应用。
通过移动样品载台或通过调节望远镜34，光学陷阱50阵列也可以相对样品载台(未示出)垂直移动。此外，通过移动样品载台，光钳阵列还可以相对样品横向移动。该特征对于超过物镜视场范围以外的大规模移动而言尤为有用。
在图6所示的另一实施例中，将光学系统设置成可观察光钳10俘获的粒子的图像。二向色分束器或其他等效的光学分束器插入物镜20与光钳系统10的光路之间。在所述实施例中，分束器70有选择地反射用于形成光钳阵列的光波长，并透过其它波长。因此，用于形成光学陷阱50的光束12高效率地传输到后孔径24，而用于形成图像的光束66可穿过以到达成象光学系统(未示出)。
图7A和7B中表示出光学系统一种应用的例子。将衍射光学元件40设计成与单光束12相互作用，以产生4×4阵列的准直光束。工作在532nm的100mW倍频激光二极管泵浦NdYAG激光器提供高斯TEM00模，作为光束12。在图7A中，该视场部分地由俘获在阵列的16个主要光钳10中的16个硅球体反向散射的激光照射。1μm直径球体分散在水中，并设置在显微镜玻璃载片与170μm厚玻璃盖片之间的样品容器内。光钳阵列通过盖片向上凸出，并定位在高于盖片8μm且低于上显微镜载片超过20μm的平面中，硅球体牢固地俘获在16个光钳10每一个的三维空间中。
在图7B中表示在光钳10(陷阱)消失之后，但球体还没有来得及扩散离开俘获位置之前1/30秒时，球体的光学组织排列。
自适应光钳模式在各个实施例中，可将上述基本光学俘获模式用于多种有用的方法中。而且，其他实施例包括可构造成应用这些方法增强光学陷阱的操作和使用的设备和系统。特别是，可控制和改变此光学陷阱，并在下面描述具有这些特征的各个实施例。
光学陷阱的多种新用途和应用源于光学陷阱结构的时变性和动态改变。在本发明一种形式中，通过图8所示的方法可以方便地操纵光学陷阱阵列。在所示光学系统100中，衍射光学元件102将准直激光束104分成若干个(两个或多个)激光束106和108。多个激光束106和108中每一个在物平面118中变换成分离的光学陷阱。通过传统光学结构，如激光器114和116构成的望远镜的作用，将多个激光束106，108中的每一个传递到物光束112的后孔径110。物镜112聚焦各光束106，108。在本发明最佳形式中，一可移动刀口120被设置成可移动到多个激光束106，108的光路中，从而能有选择地阻挡多个激光束中任何选定的一个，以有选择地阻止一部分光学陷阱的信息。通过使用适当设计的刀口或有孔刀口结构和类似结构，这种方法和结构能构造任何所需的光学陷阱阵列。
图9中表示使用这类光学陷阱控制方法的一个例子，其中通过全息形式的衍射光学元件122形成光学陷阱。图8中的可移动刀口120阻挡除其光学陷阱行124以外的全部光线，并且通过系统地移动刀口120，可以形成各行124。这就能用粒子126系统地填充光学陷阱132。这种方法允许用多种不同类型粒子126填充光学陷阱132，并且还可避免粒子126趋于优先填充光学陷阱阵列外部的常见问题发生。这种优先填充可阻碍内部光学陷阱的填充。光学陷阱的这种控制形成还能精确形成和改变光学陷阱结构。
除了对光学陷阱132阵列的填充进行具体控制以外，可以提供加快光学陷阱填充的装置。例如，图8中表示代表该装置的功能块128，其(1)输出所选择的粒子126(参见图10)，(2)在压力差下施加粒子126(通过电泳或电渗透)，(3)施加温度梯度和(4)用类似渔网的方式通过包含粒子126的悬浮液移动整个光学陷阱阵列。实验确定粒子134可以填充到光学陷阱132中从大约10-4μm-3的粒子浓度开始，并以大约100μm/s的适当流速，在大约1分钟时间内填充一行124或一个阵列图案。通过移动阵列到一基板上，或者通过使悬浮粒子的液体凝胶化，可使完全形成的粒子126阵列永久存在。该过程还能构造大量不同的粒子阵列和粒子126的偶合阵列。使用光学陷阱132的上述特性和功能，还可以进一步访问、成象和操纵各个粒子126，用于操作用途和研究的目的。
在另一实施例中，可根据特殊光学要求动态改变光学陷阱132，可通过使用具有所需指令信息的计算机程序来实现，从而可使用一个或多个光学陷阱132在各种光学陷阱位置更改、去除或增加粒子，或能对一个物体进行多种操作。另外，可以去除一个或多个光学陷阱132以及改变其特征(如改变陷阱的形状或强度)，用于动态操纵任何物体如植物或动物的细胞。这在控制精细结构时，或者在需要实现物体的复杂控制时尤为有利。迄今为止，通过单个强力陷阱来操纵这种物体，可对该物体造成损害或者不提供实现所需功能常常需要的自由度。
此外，在另一种过程中，可根据尺寸对粒子126进行动态分类。还可以通过图10所示的方法对粒子126阵列进行成象。显微镜138可以对粒子126进行成象，并且个人计算机140能识别粒子126，并计算纯相位全息图142(作为图8中的衍射光学元件144)，来俘获所述粒子。然后计算机控制的空间光调制器143通过施加相位调制图案给激光束144，可实现计算机设计的全息图142。也可以根据多种目的进行动态改变。由显微镜聚焦经过变形的激光束148(也参见图8中的多个激光束106，108)，以产生光学陷阱132(也称作光钳)阵列而在图像屏幕150上俘获粒子126。然后可以单独操纵每个粒子126组合成所需结构，以便分类粒子126或者进行其他操作，检查或改变感兴趣物体的形状。
使用可见和UV光谱中的光在本发明一个最佳实施例中，使用可见光光钳是有利的。在本发明其他形式中，对于与紫外光匹配的特殊尺寸的材料，或者对于对紫外光不太敏感的应用，本发明也可以扩展到比可见光更短的波长，包括紫外光。迄今为止，由于上述原因，已经由红外光构成了用于活性生物材料中的光钳。通常，光钳可通过至少三个主要机理损害生物系统(1)机械破坏物理连接；(2)发热和(3)在生物材料的情况下，生物分子的光化学变化(这些仅为示例性的机理，也可为其他机理)。第一种机理包括诸如将构成膜的磷脂吸引到光学陷阱中，然后将它们作为胶粒(micelle)或囊排出的过程。这种过程是光钳操作中所固有的，并且不依赖于所使用的光波长。对于给定应用，通过使用最不可能且最有效的俘获力，可使这些破坏性过程最小。受热源于光学俘获光子的吸收，如典型的绿激光导致血红蛋白丰富的红细胞的破坏。不过大多数生物材料基本上都对可见光透明，并实际上在红外光中吸收更为强烈。例如，水的吸收系数在λ＝500nm(可见光范围)下为大约μ＝3×10-4cm-1，而与之相比在λ＝1μm下(红外光范围)为大约μ＝0.1cm-1。从而基于红外的光学陷阱加热水时的效率应该比基于可见光的陷阱高300倍。对于生物系统的其他成分，此差别不太显著。例如，大多数蛋白质和多聚糖的摩尔吸收系数为对于可见光为μ≈0.1cm-1/M，对于红外辐射为μ≈0.01cm-1/M。血红蛋白是一个例外，在光谱可见光部分中具有相当大的摩尔吸收系数μ≈104cm-1/M。在不具备这种强吸收条件时，可见光导致的受热应该不劣于红外光，实际上由于生物系统中富含水，可见光可能更可取。
光化学变化的发生可通过一个或多个光子的谐振吸收而获得离散的分子状态，或者通过非谐振吸收获得宽分子带。大多数相关的谐振跃迁发生在红外(对于振动跃迁)到可见光(对于电子跃迁)中。不过，大多数相关的谐振跃迁如此强烈地依赖于光的频率，以致极不可能通过来自任何特定红外或可见激光器的单色光驱动。多半在光谱的紫外端发生到宽带的跃迁，从而不应该由红外光或由可见光驱动。
认为“光学切割”(前面所述)主要由光化学作用驱动，而并非通过加热或机械破坏，因而理解为什么可见(或者在某些情况下为紫外)光钳能对生物和具有相似光化学响应(或者对任何种类材料造成有害影响的其他光驱动作用，如光敏化学状态，光敏电子状态或者显微级的敏感机械结构)的其他材料造成有害影响非常重要。这种材料可包括，例如低分子药品，掺杂半导体，高温超导体，催化剂和低熔点金属。
例如，可见波长下活的有机体对光化学降解的抵制表现为日光下其演变的自然副产品。不过，来自太阳的可见光通量幅值小于典型1mW光钳6个量级。光钳焦斑处的强烈照射大大增加多光子吸收的速度，其中两个或多个光子一起驱动一个光学跃迁。多光子作用要求光子同时到达，从而这种作用的发生强烈地依赖于光强度。光学陷阱的强聚焦实际上提供驱动这类多光子过程所需的高强度光环境。
与红外相比，可见光钳中多光子吸收可能更加有害，因为同时吸收两个可见光子，这两个可见光子输送与一个紫外光子相当的能量。同样，这也可以扩展到具有一定波长的紫外光子，其中需要两个或多个这种光子来输送将改变材料的化学、生物、电子或机械状态的光能。另一方面，红外光的双光子吸收将输送与可见光光子相当的能量，从而通常不足以驱动光化学等光学变化。从而用红外光实现相应光化学作用需要三甚至四光子吸收。因为与低阶作用(lower orderprocess)相比，高阶吸收作用(higher-order absorption process)更不可能发生，故与红外光钳相比，可见光钳更易于引起有害的光化学反应，如在生物材料中引起染色体重新结合。认为是由于λ＝532nm的密聚焦脉冲光形成能准确切割染色体的光解剖刀这一机制。
光钳聚焦体积中n光子吸收的近似发生率Wn应该为Wn∝(Phcσλ)n]]>其中P为光束的功率，σ为吸收体的光子俘获横截面。如上面的公式所示，与较长波长下的高阶作用相比，较短波长下产生的低阶作用频繁得多，至少对于相同功率光束是如此。
不过与红外光相比，当用更短波长光(例如可见和某些情况下为紫外光)产生光钳时要有效得多。结果，为了与红外光钳的俘获力相当，这类光钳需要少得多的功率。这类光钳的这种比较而言的优点开启了其用于生物材料(以及上述任何其他高光敏材料)显微操纵的大门。将介电材料牵引到光学陷阱焦点的光学梯度力的幅值近似与瑞利近似中λ四次方的倒数成比例F∝Pλ4]]>从而工作于例如λ＝532nm下的可见光陷阱仅需要1/16的功率就能获得与工作在λ＝1064nm的红外陷阱相同的俘获力。功率的相对减小直接转换成可见光陷阱的双光子吸收作用的速度W2的降低。因此，急剧减小了实质损害的可能性，并且甚至能对对象材料实质上不造成损害。此外，通过仔细选择所使用的光波长(可见光或者在某些情况下为紫外光)，可利用被检测材料的吸收窗口来选择光波长，以减少光吸收，从而减小损害或变化材料。
通过适当地整形俘获光束的波前，可以进一步增大光钳的俘获效率，并且相应减小功率需求。例如，已经证明由光轴上强度消失的环形模式激光束构成的光学陷阱，需要少得多的功率就能获得高斯TEM00模形成的传统光钳的轴向俘获力。虽然将波前整形显然可以提高俘获效率，从而减小双光子吸收，不过没有研究报道最佳的波前分布。从而，通过拟定俘获波前的特性，仍然可以进一步得到改善。
虽然时间平均功率确定了光钳的俘获力，不过其峰值功率设定了双光子作用的发生率。因而，连续波可见光钳的损害应该小于从脉冲激光器得到的陷阱。
如前面所述，通过施加多个分离的陷阱给系统，而不是仅一个陷阱，可以进一步减小局部照射，从而减小双光子作用的发生率。从而在N个光钳中将俘获力分布在扩展的样品上，可将W2减小N倍。
用可见(或者在某些情况下用紫外)光钳可进一步俘获具有离散光敏成分的(生物或其他)系统，只要远离对象材料的敏感区域仔细设置光学陷阱。
另外，有些样品，如许多生物材料，在可见光范围内吸收光很强，从而不能使用可见光钳来俘获。对于大量对可见光基本透明的系统而言，可使用多个步骤来使有害的非线性光学作用的程度最小。如果不加限制，可包括1.给定可见光波长选择范围，可避免使用与该类材料强吸收特性有关的光波长。
2.可使用连续光波(CW)激光器而非使用脉冲激光器来产生陷阱。
3.可在多个点而非仅在一点俘获扩展的样品。
4.可使各陷阱尽可能有效。例如，可利用波前整形使获得所需俘获力需要的功率最小。
可将用连续波(CW)激光器产生陷阱，并避免使用与强吸收有关的光的概念从种属上应用于所有光钳系统。然而在传统光钳系统中非常难以在多个点上俘获扩展的样品，并使各陷阱的效率最大，不过其刚好处于全息光钳预期应用的范畴内。特别是，全息光钳(“HOT”)可在任意个位置产生任意数量N的光钳，从而在多个点上俘获扩展的生物样品(或其他高光敏材料)。通过在所需陷阱阵列中快速扫描单个光钳，还可以产生这多个俘获图案中最简单的一个。这在生物样品或其它高光敏材料中尤为有用，因为并不需要将所有功率都施加于样品的一点。而是通过将功率分布在多个点上，以通过类似于“钉床”的方式将对样品总的损害显著减小。不过在N个扫描陷阱每一个中获得所需的时间平均俘获力，将需要各陷阱中N倍的峰值功率。从而，在非破坏性地俘获材料时，与扫描光钳相比，HOT具有固有的优点。
与可扫描光钳系统相比，HOT还能产生更加复杂的连续展开的陷阱图案。如果光钳操纵意在移动或分类生物或高光敏材料，则这将是很有利的。
全息光钳还能修整组成陷阱阵列的各光束的波前，并能将各光束准确引导到俘获系统的聚焦光学装置中。从而，用HOT系统形成的光钳能动态地使获得所需俘获力所需的功率大小最小。
通过用可见光进行光学俘获，可使用上面定性例子的准则使生物系统(或其他高光敏材料)上遭受的辐射或其他光致损害程度最小。通过遵从这些准则，针对特定应用，可获得可接受的小损害程度。从而对于应用于生物系统而言，在HOT系统中使用可见光将具有至少若干优点光学效率。通常对于用在可见和紫外波长最佳的适合于形成光钳的显微镜物镜，当用于传输红外光时具有多个缺点。因此用可见光进行俘获能最佳地利用传统光学系统的设计性质。与之相比，红外系统必须使用更加昂贵的特殊用途光学系统，否则将具有光学像差，而光学像差将会稍稍减小其相对可见俘获系统的潜在优点。
安全性。人的视觉系统包括保护性的眨眼反射，以减小可见光俘获系统的杂散光束损伤使用者视力的机会。在红外光中没有这种反射保护使用者的视力。
易于调准。可见光路与红外光相比更易于调准。
双光子作用的可利用性。双光子作用可用于某些生物应用中，如产生光剪刀和解剖刀。可以实时地重新构成与产生损害最小的可见光学陷阱结构相同的光路，以产生对双光子吸收最佳的各光束，不过具有最大功率利用效率。因此使用一个激光器对一个光学陷阱或光学陷阱矩阵进行激励，可俘获、切割并通常诱发其样品中的光化学变化。
减小受热。红外系统可能通过水的直接吸收而将其样品加热到比可见光系统更大的程度。这种过分受热可解释红外俘获试验中所报道的对活体系统的某些损害。
提高俘获精度。光钳的俘获体积与光波长成比例。从而可见光与红外光相比，能更精确地俘获局部区域。
提高跟踪精度。有时使用光学陷阱跟踪被俘获物体的运动，例如通过被俘获粒子散射到远场中的光的时间演变。这种跟踪技术的分辨率与光波长成比例，从而相对红外光，通过可见光中形成的陷阱可提高分辨率。
可以通过上述方式，使用不同波长、激光器类型和试验条件，对多种生物以及非生物材料进行操纵。所使用的特殊参数取决于被操纵材料以及对光敏感的光学、化学、机械和电学状态。具体来说，例如，可见光范围内一定波长下材料的吸收特性与操纵所用的激光束波长关系很大。例如，某种类型的绿激光可能成功地用于某些材料，但不适用于其他材料(如某类植物中的叶绿体)。对于非生物材料，如电子器件，可选择该器件的成份没有表现出强吸收的可见光波长。
还要注意，通常认为光谱的可见部分处于大约400nm到大约700nm范围内。不过根据本发明更宽泛的方面，有可能可以使用更宽的波长范围。例如，水的透明窗口在大约200nm与大约800nm之间，在某些情形中甚至可以使用更大的范围。
下面的非限定性例子证明可见光钳操纵活生物样品时有效。具体来说，我们已经证明，可使用倍频NdYVO4激光器用λ＝532nm的光进行长期俘获。
例I将大量酵母细胞(来自Fleischman的Yeast包装的普通品种)俘获在培养基中，并在连续照射期间观察几代萌芽。在这些试验期间，使用倍频NdYVO4激光器532nm波长的光来俘获酵母细胞。在室温下，酵母包含在水溶液中的不同S。链啤酒(cerevisiae)中。用大约1mW连续波激光俘获各细胞。在一次试验中，16个细胞被限制在一个4乘4阵列中。在这16个细胞中，大约一半看似萌芽子系细胞，并在6小时之后形成菌落。
例II使用倍频NdYVO4激光器532nm波长的光俘获大量颊上皮细胞。在室温下被擦去(swabbed)的细胞悬浮在水溶液中，并沉积在玻璃盖板上。在多个细胞的细胞核和液泡上培养光钳长达十分钟。当细胞膜区域被足够强的俘获以便通过其培养基置换悬浮细胞时，通过视觉检查判断出，其固有的作用表现得不太显著。在光钳消失之后，看似恢复了正常细胞功能。
例III使用倍频NdYVO4激光器532nm波长的光俘获淡黄色下疳(wheat chancre)细胞。在固体介质中获得细胞，并在室温下进行光学俘获之前沉积在玻璃盖板上。连续光学俘获不足以破坏细胞壁。对被照射细胞的视觉检查提供了类似于用颊上皮细胞所获得的定性结果。
虽然已经表示并描述了本发明的最佳实施例，不过在下面所提供的权利要求提出的其更宽方面不偏离本发明的条件下，本领域技术人员显然可以作出多种改变和变型。
权利要求
1.一种使用聚焦激光束操纵生物材料的方法，包括步骤提供可见光波长范围内的聚焦激光束，以形成用于光学陷阱的条件，该激光具有某一波长，使所选择的材料在该激光波长范围内呈现选定吸收系数，其能进行操纵而不对该生物材料造成实质性损害；利用该聚焦激光束提供多个光学陷阱，由所述多个光学陷阱操纵生物材料；以及控制各光学陷阱的功率大小、激光波长以及选定的吸收系数，以避免对该生物材料造成实质性损害。
2.如权利要求1所述的方法，其中该聚焦激光束包括大约400nm到大约700nm波长的光。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述光束包括连续波激光束。
4.如权利要求1所述的方法，还包括对该聚焦光束的波前进行整形的步骤，使相对没有整形的聚焦光束而言，获得预定俘获力所需的功率减小。
5.如权利要求4所述的方法，其中该光束包括圆环形模式。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述多个光学陷阱由于衍射光学元件产生。
7.如权利要求1所述的方法，其中控制多个光学陷阱中每一个的功率大小，避免生物材料的遗传密码改变生物学上较大的量。
8.一种使用聚焦激光束操纵生物材料的方法，包括步骤提供连续波、聚焦激光束，该光束具有使该材料在该激光波长范围内具有弱吸收系数的波长；提供至少一个光学陷阱，用于操纵该生物材料的离散部分；以及控制所述至少一个光学陷阱的功率大小连同该弱吸收系数，避免改变该生物材料遗传密码的主要部分。
9.如权利要求8所述的方法，其中用聚焦激光束形成多个光学陷阱，其中这些陷阱中的每一个操纵该材料的离散部分。
10.如权利要求9所述的方法，还包括对该聚焦光束的波前进行整形的步骤，使相对没有整形的聚焦光束而言，所述至少一个光学陷阱的俘获效率增大。
11.如权利要求10所述的方法，其中该聚焦光束包括计算出来的使材料的吸收最小的形状。
12.如权利要求9所述的方法，其中各俘获位置不处于该生物材料中生物学敏感的位置。
13.一种使用聚焦激光束操纵生物材料用的系统，包括一具有一定波长范围的聚焦激光束，其中最大波长小于红外光的最小波长，该聚焦激光形成光学陷阱，并具有该激光波长范围内使生物材料具有弱吸收系数的波长；和多个光学陷阱，用于操纵该生物材料的离散部分，其中控制各光学陷阱的功率大小和所述弱吸收系数，至少能避免该生物材料的遗传密码改变生物学上显著的量。
14.如权利要求13所述的系统，其中从可见和紫外波长范围内选择该聚焦激光束。
15.如权利要求13所述的系统，其中该聚焦激光束包括连续波激光束。
16.如权利要求15所述的系统，其中对该聚焦光束的波前进行整形，使相对没有整形的聚焦光束而言，减小所获得的预定俘获力。
17.如权利要求13所述的系统，其中所述多个光学陷阱包括全息光学陷阱。
18.一种使用聚焦激光束操纵材料的方法，包括步骤提供波长范围小于红外光波长范围的聚焦激光束，形成用于光学陷阱的条件；提供多个光学陷阱，用于操纵该材料的离散部分；以及控制各光学陷阱的功率大小，避免对所述材料造成实质性损伤。
19.如权利要求18所述的方法，其中从包括可见和紫外波长范围的组中选择所述聚焦激光束。
20.如权利要求18所述的方法，还包括使用波长与该材料的吸收窗口匹配的激光，以便使光吸收最小的步骤。
21.一种使用聚焦激光束操纵材料的方法，包括步骤提供连续波、聚焦激光束，该激光束在激光波长范围内具有使该材料具有弱吸收系数的波长；提供至少一个光学陷阱，用于操纵该材料；以及控制所述至少一个光学陷阱的功率大小以及所述吸收系数，避免对该材料造成实质性改变。
全文摘要
本发明提供使用光谱可见部分中的光控制光学陷阱阵列和粒子阵列形成的方法和设备。该方法和设备具有一激光器和一时变衍射光学元件，能动态控制光学陷阱阵列，从而控制粒子阵列，并具有使用多个光学陷阱操纵特殊物体的能力。通过避免与底层材料中的强吸收有关的波长，用连续波激光器产生光学陷阱，使各陷阱的效率最佳，并在多个点上俘获扩展的样品，可使有害的非线性光学作用的程度最小。
文档编号G02B27/42GK1505915SQ02808941
公开日2004年6月16日 申请日期2002年4月26日 优先权日2001年4月27日
发明者戴维·G·格里尔, 埃里克·R·迪弗雷纳, 詹妮弗·E·库尔蒂斯, 布赖恩·A·考斯, A 考斯, E 库尔蒂斯, R 迪弗雷纳, 戴维 G 格里尔 申请人:芝加哥大学