CN101437957A - 使用光钳自动提取和纯化样品 - Google Patents

Abstract

一种使用自动提取和纯化系统纯化法医样品的装置和方法，包括：光钳；通过其导入样品的输入通道；接收来自输入通道的样品的腔室；通过其移走样品的选定颗粒的收集通道；和通过其移走样品的非选定颗粒的输出端。提供至少一个缓冲液输入通道。输入通道可允许样品通过重力作用沉淀进入腔室。在另一方案中，该系统包括光学捕捉系统；通过其引入样品的第一通道；通过其引入缓冲液的第二通道；其中使用光钳将样品的选定颗粒从第一通道移动到第二通道。选定颗粒可以是精子。光钳优选采用全息光学捕捉。

Description

使用光钳自动提取和纯化样品

相关申请的交叉引用

本申请要求2004年12月10日提交的序列号60/635,164和2004年12月13日提交的序列号60/634,980的美国临时专利申请的优先权，通过引用将其全文并入本文。

发明背景

1.技术领域

本发明涉及使用光钳(optical tweezer)自动提取和纯化样品。具体而言，本发明涉及使用全息光学捕捉(optical trapping)自动提取和纯化来自样品-尤其是性侵犯的法医样品(即拭样、织物等)的精子。

2.相关技术

法医鉴定需要严格仔细保持保管的连续性。此外，在诸如法医DNA鉴定等领域，适当处理证据能够防止污染DNA样品，允许来自分离细胞的DNA的有效PCR(聚合酶链反应)扩增以及允许STR(短串联重复)分析。

由于强奸案件中样品收集的特点，例如，分离受害者DNA与犯人DNA对于实施鉴定是必需的。鉴定时，来自受害者的上皮细胞所含DNA经常与犯人精子内的DNA混合，干扰鉴定结果。目前，广泛应用的从上皮细胞中分离精子的现有技术是一系列的洗脱步骤，其被设计用来选择性的拆开一种或另一种细胞类型的细胞膜，接着从该细胞类型中洗脱出DNA，然后溶解(lysing)第二细胞类型，收集第二DNA样品。由于此技术的不严密性，以及细胞和细胞/样品历史的多样性，这种溶解/洗脱技术经常给出混杂了受害者与加害者二者特征的STR结果。如果加害者未知，则利用DNA/STR数据库来查找/识别加害者。对于这些情况，混杂的STR特征妨碍数据库的使用，也妨碍将法医数据与(a)其它犯罪和(b)潜在加害者相联系。

因此，需要一种能够对大量物体进行高精度三维处理的方法和装置，其能远距离移动物体，如细胞，或者旋转物体以从多个角度分析。还希望对样品的处理过程进行视觉记录，例如通过摄像和/或录像。具有一种能在密闭室中进行该操作的方法和装置也是有利的，例如避免交叉感染的可能性以及不造成物体的损伤。此外，为了贮存和在以后某一时间潜在的进一步分析，保藏所有收集的材料也是有益的。

发明概述

本发明建立了使用光钳作为自动分离方法的核心的应用，该分离方法可实际应用于从样品中分离精子的法医工作、遗传分析或者其它法医应用。具体而言，本发明涉及一种自动化仪器，其利用光学捕捉或全息光学捕捉(HOT)从包含精子、上皮细胞和其它物质的复杂样品中分离出纯化的精子样品，以鉴定精子DNA的基因组成。

具体而言，全息光学捕捉(HOT)技术可以通过高速处理、大量平行分选来自动分离精子与上皮细胞而使法医样品的处理发生革命。

具体地，HOT将单束激光束全息分成多个由计算机控制(因此可定位与可移动)的三维光阱。HOT系统通过使用空间光调节器(通常是液晶装置)编码全息图而完成上述工作。计算机界面输入所需全息图案至空间光调节器。接着，激光束从空间光调节器弹出，在进入显微镜物镜时，分裂成所需的光阱图案。计算机产生的图案可迅速更新，以产生激光光阱的活动序列，沿用户规定的路径拉动颗粒。全息控制甚至允许调整光阱的类型和特性以使得可以处理类似金属的颗粒或吸附颗粒。净结果是完全的微米处理或纳米处理系统，为用户提供沿三维任意路径同时移动大量细胞或其它颗粒的能力。CCD照相机和图像处理的加入提供了机器视觉引导系统，其能自动执行复杂的处理。

因为可创建大型光阱阵列，所以HOT可被用于创建光过滤器，其优点远超过标准的基于材料的过滤器。这些光过滤器能扫除不想要的物质，纯化或分选样品以提供所需的组分。HOT过滤器永不堵塞，无背压，并且可被调节至不损伤材料，例如细胞。此外，计算机控制的过滤器的全能性意味着可以分选广泛的材料。

因此，HOT系统结合了两种强大的技术-激光和全息摄影术-使得能够高精度地三维处理大量物体。例如细胞的样品可被长距离移动，或者旋转以从多个角度分析。由于激光束被用于有效地使物体飘浮空中，因而处理可发生在密闭室中，使得交叉污染最小化或被消除。此外，光对有生命或无生命物质的处理非常温和，因而使对颗粒产生损伤的影响最小化。全息激光处理系统也可被用于用户交互模式或可对事实上无限的处理任务组进行编程。

在此，本发明描述的是一种装置和方法，其允许法医样品的无污染引入，将所述样品引入到利用光学捕捉或全息光学捕捉进行提取的容器中，并且密封所述容器以限制污染。

此外，本发明允许对样品处理进行视觉记录。更进一步，本发明允许生成代表样品内容的统计记录。

因此，利用光学捕捉或全息光学捕捉，本装置在处理精子之外的各种类型的法医证据上通常发现有广泛的实用性。

在根据本发明的一个实施方案中，在自动提取和纯化系统中使用光钳纯化法医样品的方法和装置包括：光学捕捉系统；通过其引入样品的输入通道；接收来自输入通道的样品的腔室；通过其移走样品的选定颗粒的收集通道；和移走样品的未选定颗粒的输出通道。

在一个实施方案中，提供至少一个缓冲液输入通道，通过此通道将缓冲液引入到系统中。

在另一个实施方案中，提供屏障，选定颗粒在其上方被移入输出端。

在又一个实施方案中，输出端是至少一个输出通道。

在又一个实施方案中，输入通道允许样品通过重力作用沉淀进入腔室。

在又一个实施方案中，从缓冲液输入通道流入腔室的缓冲液流和从输入通道流入腔室的样品流可以是连续的或间断的。

在又一个实施方案中，腔室下表面用抗粘附涂层处理，以防止样品粘附到表面。

在又一个实施方案中，提供清洗流使非选定颗粒通过输出端被移走，并且用清洗流清洁腔室。

在根据本发明的又一个实施方案中，一种使用光钳纯化法医样品的自动提取和纯化装置包括：光学捕捉系统；通过其导入样品的第一通道；通过其导入缓冲液的第二通道；其中光钳被用来将样品的选定颗粒从第一通道移动到第二通道。在一个实施方案中，屏障分隔第一通道与第二通道。抗粘附涂层被涂覆至第一通道和第二通道的壁上。

在所有实施方案中，提供窗口，通过该窗口实施成像和光钳。成像照相机拍摄样品，并受计算机控制。

在又一个实施方案中，选定颗粒是精子，它们被收集在独立密闭容器例如可移动的小瓶中。

在又一个实施方案中，至少所述通道安装在可移动的平台上。

在又一个实施方案中，使用成像照相机对颗粒自动成像。

在又一个实施方案中，光钳应用全息光学捕捉，但也可应用非全息光学捕捉。

在又一个实施方案中，自动生成报告以提供关于选定颗粒的信息。

在又一个实施方案中，样品处理过程的视觉记录可通过计算机保存。

因此，已经概述了根据本发明的一些特征，以便更好地理解后面的详细描述，以及更好地评价本发明对本领域的贡献。当然，根据本发明的其它特征也将在下文描述，其将构成从属权利要求的主题。

就此而言，在详细说明根据本发明的至少一个实施方案之前，应理解本发明并不就其应用限制在下文描述或附图所阐明的结构细节与各组件的组合上。根据本发明的方法和装置也可用于其它实施方案，并且可用多种方式进行实践和实施。而且，应理解的是本文使用的措辞和术语以及所包括的摘要是以描述为目的的，不应被当作一种限制。

同样，本领域技术人员将理解本公开内容所基于的原理易于被用作设计其它用于实施本发明的几个目的的结构、方法和系统的基础。所以，重要的是权利要求包括这些等同结构，只要其不背离根据本发明的方法和装置的精神和范围即可。

附图说明

图1表示根据本发明一个实施方案的示例性HOT系统的图。

图2表示根据本发明一个实施方案的自动全息激光提取和纯化系统的图，其为与图1中HOT结合的自动细胞分选器。

图3表示根据本发明另一个实施方案的自动全息激光提取和纯化系统图。

图4表示自动全息激光提取和纯化系统的分选部分的另一实施方案的图。

图5表示自动全息激光提取和纯化系统的分选部分的又一实施方案的图。

图6A表示自动全息激光提取和纯化系统的分选部分的另一实施方案的透视局部端视图。

图6B表示图6A的实施方案的端视图。

图6C表示图6A的实施方案的横截面图。

发明详述

本发明涉及一种利用光学捕捉或全息光学捕捉的自动提取和纯化系统，其用于以三维格式精确处理法医样品，同时使可能破坏遗传鉴定或PCR/STR处理的污染或损伤最小化。

本发明的系统用于从法医样品中将精子与其它产物分开(如上皮细胞或外源碎片)。但是，本领域普通技术人员将认识到本系统可用于分离任意细胞群与另一细胞群，例如，在将要测序其DNA的个体和其它个体之间存在某些区别的细胞。

在根据本发明的一个实施方案中，自动精子细胞分离器100的HOT光钳结构如图1所示。该HOT光钳结构例如在Grier等的美国专利编号6,055,106和6,624,940中所描述，其通过引用并入本文。

激光器101提供激光110，其经光纤102穿过全息光学捕捉单元103，经双色镜104和物镜105到达载玻片106。显微镜107为载玻片106提供照明。CCD照相机109记录载玻片106上的图像，例如，光阱112的阵列。HOT系统100通过计算机111进行计算机控制。

图2显示根据本发明的自动精子细胞分选器200的一个实施方案，其用于利用图1的HOT100分离精子细胞。

具体地，束扩展激光器201发射光束215至空间光调节器202(或非HOT的替代方案中的电动机控制的镜子)，接着到达双色镜203(或者偏振光分光器-以允许成像)上，其反射光束215穿过物镜204到达窗口205，在此处可观察样品。照相机206瞄准窗口205。滤镜207阻止激光到达照相机206并遮盖照相机206，并破坏所观察样品的正确成像。照相机206连接至具有机器视觉的计算机控制器208。计算机控制器208也控制空间光调节器202。

在根据本发明的一个实施方案中，落射荧光照明器209提供光束，其穿过滤镜210到达另一双色镜211或分光器上。当落射荧光起作用时，细胞的荧光成像和可能的特异性标签可结合机器视觉使用，以更简单和更可靠的鉴别样品中的组分/物体。

位于物镜204上方的系统200组件安装在显微镜107上的自动可移动的平台上。位于物镜204处或其下的物镜204、双色镜203、计算机206、HOT光钳系统100、照相机206等不在可移动平台上。

在本发明的自动提取和纯化系统的一个实施例中，法医样品212(如经过重新水化的干燥且时间较长的带有精液和上皮细胞的拭样)被引入试管213中的液流中。例如，样品212可被放入具有初始水平液体(无菌缓冲液)的漏斗中。或者，例如，样品212可被放入塑料筒中的通道中，溶液从入口加入或者通过膜或其它口注入所述通道。

包含精子的混合溶液由于重力使得样品212中的固体沉淀在腔室216的底部。沉淀的样品212到达腔室216的底部表面205，其也包括用来实施成像和光钳操作的窗口205。成像照相机206通过窗口205，利用来自显微镜107的亮视场照明器、落射照明器209(荧光或非荧光)或其它照明器提供观察。

通过成像鉴定样品212中的精子，并且通过HOT100生成的光阱将精子移出腔室216(其引入利用HOT100观察的窗口)，越过屏障217，并且例如进入输出管218。一旦进入输出管218中，所提取的精子就沉淀进入小瓶219。在一个实施方案中，小瓶219可通过来自夹紧机构的无菌拉断连接器而被移走。

因此，样品212被纯化得到所需的精子，而沉淀在腔室216底部的非选定物质可通过清洗流收集，例如，用于可能的后续分析。

在本发明的自动提取和纯化系统300的另一个实施方案中，如图3所示，HOT系统100类似于图1和2所示的，并且相同的附图标记指示图2中所描述的相同组件。

但是，在该实施方案中，采用略有不同的结构和方法来实施自动分选。例如，在该实施方案中，有两个输入进入腔室301-缓冲液输入通道301和样品输入通道302。提供缓冲液，使其进入缓冲液输入通道301，然后通过相对狭窄的管或管颈304进入贮存/提取区或腔室303，同时也进入收集通道306。缓冲液接触通过样品输入通道302引入的样品。

一个或多个光钳可操纵腔室303(通过利用HOT100观测的窗口305来成像)内的混合物中感兴趣的物体(即精子)，然后移动所需物体到收集通道306中的“下降区”。这些物体被收集并与没有进入腔室303的缓冲液一起通过收集通道306被移出。含有其它没有被选择的物质的溶液通过输出通道307被移出腔室303，以供将来的保存。

来自缓冲液通道301、306的液流经过管颈304，抑制腔室303中物质的非预期的进入收集通道306的运动。

进入腔室303的液流可以被设定成连续或者间断的-即开始/停止。腔室303的下表面可用抗粘附涂层处理，以防止样品粘附在腔室303的下表面上。

在根据本发明的另一个实施方案中，图4显示自动提取和纯化系统400的另一个分选部件。系统400类似于系统300，其不同在于输入溶液进入试管401并通过重力作用沉淀到腔室402的底部。三个输入通道403、404、405都用于缓冲液，并与腔室402中的样品混合。来自输入通道403～405的缓慢交叉流使小颗粒经过冲洗输出端406被冲走，而大颗粒落至腔室402的底部。通过光学捕捉将所选物体抬升，通过收集输出端407进入排出流。非选定颗粒仍留在底部附近，并通过输出端408排出。

在根据本发明的又一个实施方案中，图5示出自动提取和纯化系统500的又一个分选部件。系统500类似于系统300、400，其不同在于缓冲液从腔室501、503输入，样品通过腔室502进入。缓冲液从腔室501流经通道504进入腔室508，同样从腔室503至腔室510。从腔室502输入的样品流入更大的开放交叉区域或腔室505中。存在弱的反向液流，其来自通道504和507中的缓冲液，流入腔室505。

当样品在腔室505中时，对其成像，并使用光钳将样品分离为所需成分和非所需成分。例如，在来自性侵犯证据试剂盒(rape kit)的法医样品中，精子可被分离并通过通道504移入腔室508，而上皮细胞则可通过通道507移入腔室510。非选定和未分选的输出可通过通道506移入腔室509。腔室508～510的输出可保存起来以供进一步分析。

可对腔室505进行冲洗，然后重新装入新样品

在根据本发明的另一个实施方案中，图6A表示使用HOT100的自动提取和纯化系统600的另一个分选部件。系统600的分选部件包括盒601内部的多个区域或液流通道，如缓冲液输入通道602、603和样品溶液输入通道604。屏障605向下延伸在组件601的中心处，将603、604中的液流分开。

603、604中的液流利用空间分离的区域或通道或可具有分隔液流的屏障608(见图6C)的区域或通道使彼此分离。在根据本发明的一个实施方案中，液流也与盒601内的壁分开。其防止粘附和液流之间的意外混合。可使用光钳将物质从溶液输入通道604移入缓冲液通道603。

所收集物质从收集输出端607(见图6B)回收，非选定物质在输出端606排出。缓冲液在输出端605收集。

在所有实施方案中，亮场和/或荧光显微镜可用于鉴定精子细胞。随后，精子可被光钳移动到隔离的区域中，以将其提取为纯的样品。

除了在法医学性侵犯案件中分离精子之外，本发明还允许光钳分离的不只是精子，还有来自受害者的细胞纯样品。

此外，本发明允许视觉记录样品处理过程。

更进一步，本发明允许生成表示每个所分离样品和/或初始样品内容的统计记录。例如，可对样品输出端1所收集的精子的数量和样品输出端2所收集的上皮细胞的数量进行分析，并可获得对输入溶液中各细胞或物体类型的数量/浓度的估计。

在以上所有实施方案的操作中，涉及从样品中分选所需物质的步骤具有相似性。

在步骤100中，样品212从委托人处获得。如果委托人是强奸受害者，则例如使用性侵犯证据试剂盒来获取样品212，样品212将包括精子细胞、上皮细胞和污染物。

在步骤101中，将样品212置于无菌容器/包装(即性侵犯证据试剂盒)中。样品212被保护在容器中。

在步骤102中，将容器置于特别装置或系统200、300中。系统200、300(如上所述且如图2、3以及图4～6的实施方案所示)包括：至少样品输入通道213、302，其具有在其中沉淀样品212的流体装置或缓冲液流试管213、301；使用HOT100分离样品的腔室216、303；用于所需提取物质的输出通道218、306；用于移走非选定物质的装置(即从腔室216或输出通道307中移走)。

在步骤103中，通过将样品212从容器中取出并将其引入管213或通道30等中的流体装置或缓冲液流中，将密闭容器中的样品212引入系统200、300中。

在一个实施方案中，系统200、300可首先用来自流体缓冲液容器301中的流体灌注。

此外，样品可在引入系统200、300之前重新水化，此过程通过在样品212进入输入通道之前使缓冲液流流过具有样品212的容器而实现。

在步骤104中，样品212的液流开始通过提取/分离系统200、300，进入腔室216、303。液流可由重力驱动，或可通过泵驱动，但可使用多种手段进行灌注和驱动。

在步骤105中，腔室216、303或检测区域灌满其中含有样品212的流体。

在步骤106中，通过附有CCD照相机109、206-基本机器视觉系统的显微镜107对引入观察窗的腔室216、303或检测区域成像。

在步骤107中，扫描检测区域(即腔室216、303)以检测所需物体(即精子)。

在步骤108中，使用成像方法鉴定所需物体(即精子、精子头、或其它相关颗粒)。

在步骤109中，随后利用光学捕捉或全息光学捕捉来移动所需物体(即精子-相对于所有其它携带DNA的物质)至收集区域219、306，在一个实施方案中，其通过引入洁净的缓冲液流(即收集通道306)来创建。

具体地，关于使用HOT100从样品212中提取精子，例如，在多个上皮细胞中鉴定出两个精子，并用光钳将它们移到上皮细胞的右侧。然后，将更多的精子成像并将它们从上皮细胞与周围溶液中分离出来，直到所有的精子都被分离出来并在收集区域被浓缩。

在根据本发明的另一个实施方案中，术语“抬升精子”指使用光钳将多个精子同时抬升到显微镜107盖玻片的下表面上方，其说明可通过HOT100三维操纵多个精子。在成像时，精子尾仅被部分聚焦，因为它们容易下沉而脱离视野。光钳的精确位置可在软件界面(即作为红色目标)中显示。

在步骤110中，将已经利用光钳收集的精子通过液体缓冲液流移入收集通道218、306，然后进入独立密闭容器(即219)。该容器可以以一种确保不引入污染物的方式(即通过夹紧机构220的无菌拉断连接器被移走)从系统200、300中分离出来。

在可选步骤111中，可利用光钳扫描精子收集区域216、306，以除去污染物。可使用光钳通过输出通道307或通过系统200的清洗流除去污染物。

在另一个可选步骤112中，显微镜平台106可以被自动扫描，检测区域216可以被清洗流清洗。

在又一个可选步骤113中，可用光钳机器视觉系统206扫描腔室216、303以检测污染物。任何污染物均可被全息光钳从系统200、300中除去。

在根据本发明的一个实施方案中的一个附加步骤中，软件程序自动生成报告，该报告(利用成像处理)例如给出精子数目的反馈和所提取精子的相关特性图案。

在根据本发明的又一个实施方案中，以上步骤可以使用全息或非全息(单)光阱实施。

在根据本发明的又一个实施方案中，一个或多个步骤可合并。

在根据本发明的又一个实施方案中，非衍射有限光阱可用于只钳取感兴趣的颗粒，也就是使光阱尺寸与特定尺寸匹配以优先钳取所需的目标。

在根据本发明的又一个实施方案中，可使用白光光钳以降低所需的功率和成本。

在根据本发明的又一个实施方案中，光阱可以在平台移动时保持静止，或者平台静止时移动。扫描所述平台或者移动所述平台都是定位和/或移动精子的步骤的一部分。

在根据本发明的又一个实施方案中，光阱可全息移动，或者在另一个实施方案中随镜子的移动而移动。

在根据本发明的又一个实施方案中，光阱闪烁以丢弃非所需物质(有时利用光阱使之落下，从而将非所需物质留下)。这可以使具有不同特性如更小尺寸的物体从光阱中离开，同时重新捕获所需物体。

在根据本发明的又一个实施方案中，利用反向液流或重力，使活动且扩散的物质和细胞不进入输出(收集)通道，例如图2的实施方案所述。

在根据本发明的另一个实施方案中，通过紫外光(即脉冲UV激光束)或在样品中加入化学品来杀死活动的细胞，以防止它们-如果存在的话-干扰分离过程。

在根据本发明的另一个实施方案中，为防止粘附，使用涂层或者利用层流在壁周围提供缓冲区。所述涂层包括聚合物涂层，其通过在表面喷洒化学溶剂或如图6A所示使所述化学溶剂流过通道而涂覆。

在根据本发明的另一个实施方案中，系统中的液流可以是静态的(平台可移动，流体保持静止)、动态的(平台静止，液流移动)、或者间歇流动(流入、停止、流入、停止)。例如，液流可被驱动通过所有输入通道，接着当样品位于样品区域时停止。接着可利用光钳根据需要分选细胞，然后液流可再次流动以将分选出的物质冲入输出通道，并将新的待分选溶液重新充满样品区域。此过程可根据需要重复进行。

在间歇处理时，将部份样品引入系统200、300，处理该部分样品以便分离出所需物质(通过光钳)，接着将另一部份样品引入系统200、300。这样允许将比系统200、300自身所能容纳的更多样品体积引入系统200、300，并且可以减少在获得所需数量的输出细胞之前所需要分析的样品量。

在根据本发明的又一个实施方案中，利用液流转换来实施精子分离。在此实施方案中，液流转换是指三个输入通道分别将缓冲液、输入溶液、缓冲液引入利用激光、光学、或任何其它方法实施样品检测的试管中。

例如，试管的显微镜区域中的光阱将精子从法医样品中分离出来，接着将精子移到收集输出通道。通过将控制液流快速从收集输出通道转换到另一输出通道，可以从所述另一输出通道移走非选定细胞等。

转换可以用机械致动器、膜、电容法、加热、气泡热生成或气泡热膨胀、或者其它技术来实现。在输出收集通道和输出通道(其与显微镜检查区相比为大尺度)中，小的时间依赖性流量变化实现操纵输出端之间的物体。

在根据本发明的又一个实施方案中，可用液流代替光阱来操纵颗粒。

在根据本发明的又一个实施方案中，可使用多种显微镜技术使物体和物体特性成像来鉴定精子，其包括：利用亮场成像、DIC(微分干涉差)、相差、落射光源亮场光谱成像、荧光成像、和偏振光的成像方法；显微镜法；光散射-例如，寻找不对称光散射特征；和非成像光学探测(值得注意的是物体对光阱的反应，例如，精子响应光图案而使其末端对齐)。

本发明可用于分离任意类型的细胞。例如，不同的细胞类型可能是一种差异形式。另一种差异形式可能是细胞类型在性别上的不同。例如，DNA的Hoescht染色可用于标记DNA，而DNA量的差别可被检测以区分雄性或雌性细胞。此外，其它标记物如荧光标记可用于区分细胞。

例如，假定细胞属于三个人。这可能是来自两个加害者的精子。又或许一片织物上带有受害者、加害者和随机第三者的细胞，其中该第三者是接触过该织物的人，甚至可能是技术人员或警察。一些甚至可能是动物细胞。使用任意种类的荧光标记或其它技术来帮助区分细胞类型和将细胞分级成多个纯组分是有利的。

此外，对于HOT的分选和操纵能力来说，HOT激光本身也可用作颗粒探针。该激光可用于鉴定细胞特性或颗粒的物理特性。物体之间的差异包括：透光度、吸光度、光反射系数、质量、尺寸、形状、折射率、膜性质和延展性的差异，这些差异使得物体在与光阱和光图案相互作用时产生不同的运动和形状。因此，物体在光阱中的行为可用于区分不同性质的物体。

而且，本发明的系统200、300可用于进行图象处理/选择步骤或许甚至液流控制的用户交互模式，或者所述系统可被编程利用机器视觉进行事实上无限的操作任务组。在后者中，计算机可视觉鉴定感兴趣的细胞并计算HOT光阱的运动顺序以将所需物体从样品中移出。如果仔细调节系统参数以操纵感兴趣的特定物体，则基于图象处理的光阱运动可避免对于用户交互模式的需要。

如上所述，本发明通过使用HOT技术，影响了大量法医应用。具体的说，本发明允许自动收集精子细胞以用于性侵犯案件中的STRPCT检测。因为系统生成大量的全息光阱，因此光可作为完美的过滤器，根据物体的尺寸、形状或其它性质分离物体。尽管使用机器视觉来选择分离什么细胞，但是无源滤波(passive filtering)技术也是一种选择。

法医样品的光钳取是指精子细胞可从受害者上皮细胞中分离出来，然后被引入独立的DNA分析室。此过程是完全自动的，包括密闭腔室使得交叉污染最小化或不存在。此外，所提取样品的纯度和该过程的可靠性是主要优点。此外，保留成像或录像记录以及贮存已提取或已纯化样品以供将来分析的能力也是非常有益的。

需要强调的是，上文所述的本发明实施方案仅仅是为了清楚理解本发明原理而阐述的一些可能的实施例。可对本发明的上述实施方案进行更改和变化而在不背离本发明的精神和原理。所有这些更改和变化意图包括在本发明的范围内，并且受到所附权利要求的保护。

Claims (111)

1.一种在自动提取和纯化系统中使用光钳纯化法医样品的方法，其包括：

将所述法医样品连同流体一起引入输入通道；

使所述样品通过所述输入通道流入腔室；

在所述腔室内使用光钳分离所述样品的选定颗粒；

通过收集通道移走分离的选定颗粒；和

通过输出端移走非选定颗粒。

2.根据权利要求1的方法，其中所述流体为缓冲液。

3.根据权利要求2的方法，其中所述输入通道首先用所述缓冲液灌注。

4.根据权利要求2的方法，其中所述缓冲液被引入分离的输入通道。

5.根据权利要求2的方法，其中所述样品在引入所述输入通道前，用缓冲液将其重新水化。

6.根据权利要求1的方法，其中所述样品通过重力作用沉淀到所述腔室底部。

7.根据权利要求1的方法，其中所述流体被泵送通过所述腔室。

8.根据权利要求1的方法，其中所述腔室结合用于通过机器视觉系统成像的窗口。

9.根据权利要求8的方法，还包括：

针对所述样品的选定颗粒而扫描所述腔室。

10.根据权利要求9的方法，还包括：

使用机器视觉系统，通过图象处理来鉴定所述选定颗粒。

11.根据权利要求10的方法，其中将精子抬升至高于表面并进行三维操纵。

12.根据权利要求10的方法，其中在分离且密闭的容器中收集所述选定颗粒。

13.根据权利要求12的方法，其中通过无菌拉断连接器移走所述容器。

14.根据权利要求1的方法，还包括：

通过所述输出端使用光钳移走所述非选定颗粒。

15.根据权利要求1的方法，还包括：

提供清洗流以通过所述输出端移走所述非选定颗粒。

16.根据权利要求1的方法，还包括：

使用清洗流清洗所述腔室。

17.根据权利要求10的方法，其中使用机器视觉系统的颗粒成像是自动进行的，并且可保存视觉记录。

18.根据权利要求1的方法，其中所述光钳采用全息光学捕捉。

19.根据权利要求1的方法，其中所述光钳采用非全息光学捕捉。

20.根据权利要求17的方法，其中自动生成报告以提供关于所述选定颗粒的信息。

21.根据权利要求19的方法，其中通过所述光学捕捉系统生成的非衍射有限光阱可用于只钳取所述选定颗粒。

22.根据权利要求1的方法，其中所述光钳为白光光钳。

23.根据权利要求18的方法，其中全息光学捕捉系统与安装其组件的平台共同使用，所述平台是可移动的。

24.根据权利要求23的方法，其中使通过所述全息光学捕捉系统生成的光阱闪烁以丢弃所述非选定颗粒。

25.根据权利要求1的方法，其中所述样品包括多个生物细胞，并且通过紫外光和加入样品中的化学品的其中之一杀死至少一个生物细胞。

26.根据权利要求1的方法，还包括：

涂覆所述输入通道、腔室、收集通道和输出端的壁，以防止粘附。

27.根据权利要求1的方法，其中通过所述系统的液流是静态、动态、和间歇流中的一种。

28.根据权利要求1的方法，其中利用液流转换将所述样品分离成选定颗粒和非选定颗粒。

29.权利要求18的方法，其中所述全息光学捕捉系统的激光可用作颗粒探针。

30.一种在自动提取和纯化系统中使用光钳纯化法医样品的方法，其包括：

将所述法医样品引入第一区域；

将缓冲液引入第二区域；和

使用光钳将所述样品中的选定颗粒从所述第一区域移动到所述第二区域。

31.根据权利要求30的方法，其中屏障将所述第一区域和第二区域分开。

32.根据权利要求30的方法，还包括：

使用机器视觉系统通过图象处理来鉴定所述选定颗粒。

33.根据权利要求32的方法，其中使用机器视觉系统的颗粒成像是自动进行的，并且可保存视觉记录。

34.根据权利要求30的方法，其中所述光钳采用全息光学捕捉。

35.根据权利要求30的方法，其中所述光钳采用非全息光学捕捉。

36.根据权利要求30的方法，其中自动生成报告以提供关于所述选定颗粒的信息。

37.根据权利要求35的方法，其中通过所述光学捕捉系统生成的非衍射有限光阱可用于只钳取所述选定颗粒。

38.根据权利要求30的方法，其中所述光钳为白光光钳。

39.根据权利要求34的方法，其中全息光学捕捉系统与安装其组件的平台共同使用，所述平台是可移动的。

40.根据权利要求34的方法，其中使通过所述全息光学捕捉系统生成的光阱闪烁以丢弃所述非选定颗粒。

41.根据权利要求34的方法，其中通过紫外光和加入样品中的化学品的其中之一杀死所述非选定颗粒。

42.根据权利要求30的方法，还包括：

涂覆所述第一区域和所述第二区域的壁，以防止粘附。

43.权利要求30的方法，其中所述全息光学捕捉系统的激光可用作颗粒探针。

44.一种使用光钳纯化法医样品的自动提取和纯化装置，其包括：

光学捕捉系统；

输入通道，通过其引入样品；

腔室，其接收来自所述输入通道的样品；

收集通道，通过其移走所述样品的选定颗粒；和

输出端，通过其移走所述样品的非选定颗粒。

45.根据权利要求44的装置，还包括：

通向所述输入通道的漏斗。

46.根据权利要求44的装置，其中在筒中提供所述输入通道。

47.根据权利要求44的装置，还包括：

通过其实施成像和光钳操作的窗口。

48.根据权利要求44的装置，其中所述光学捕捉系统包括：

用于对样品成像的成像照相机。

49.根据权利要求44的装置，还包括落射照明器。

50.根据权利要求44的装置，其中所述光学捕捉系统包括显微镜。

51.根据权利要求44的装置，还包括：

在其上方移动所述选定颗粒的屏障。

52.根据权利要求44的装置，还包括：

至少一个缓冲液输入通道。

53.根据权利要求44的装置，还包括：

用于收集所述选定颗粒的可移动小瓶。

54.根据权利要求48的装置，还包括：

控制所述成像照相机的计算机。

55.根据权利要求44的装置，还包括：

可移动平台，其上至少配置腔室、输入通道和收集通道。

56.根据权利要求52的装置，其中所述输出端是至少一个输出通道。

57.根据权利要求56的装置，其中所述输入通道允许所述样品通过重力作用沉淀进入所述腔室。

58.根据权利要求52的装置，其中从所述缓冲液输入通道进入所述腔室的缓冲液流和从所述输入通道进入所述腔室的样品流是连续流和间断流的其中之一。

59.根据权利要求44的装置，其中所述腔室的下表面使用抗粘附涂层处理以防止粘附。

60.根据权利要求44的装置，其中所述输入通道首先用缓冲液灌注。

61.根据权利要求44的装置，其中所述样品在引入所述输入通道之前，用缓冲液将其重新水化。

62.根据权利要求58的装置，其中所述缓冲液被泵送通过所述腔室。

63.根据权利要求44的装置，其中在分离且密闭的容器中收集所述选定颗粒。

64.根据权利要求63的装置，其中通过无菌拉断连接器来移走所述容器。

65.根据权利要求44的装置，其中提供清洗流以通过所述输出端移走所述非选定颗粒。

66.根据权利要求44的装置，其中使用清洗流清洗所述腔室。

67.根据权利要求54的装置，其中使用成像照相机的颗粒成像是自动进行的。

68.根据权利要求44的装置，其中所述光钳采用全息光学捕捉。

69.根据权利要求44的装置，其中所述光钳采用非全息光学捕捉。

70.根据权利要求54的装置，其中自动生成报告以提供关于所述选定颗粒的信息。

71.根据权利要求69的装置，其中通过所述光学捕捉系统生成的非衍射有限光阱可用于只钳取所述选定颗粒。

72.根据权利要求44的装置，其中所述光钳为白光光钳。

73.根据权利要求68的装置，其中使通过所述全息光学捕捉系统生成的光阱闪烁以丢弃所述非选定颗粒。

74.根据权利要求44的装置，其中所述样品包括多个生物细胞，并且通过紫外光和加入样品中的化学品的其中之一杀死至少一个生物细胞。

75.根据权利要求44的装置，其中通过所述系统的液流是静态、动态、和间歇流中的一种。

76.根据权利要求44的装置，其中利用液流转换将所述样品分离成选定颗粒和非选定颗粒。

77.权利要求68的装置，其中所述全息光学捕捉系统的激光可用作颗粒探针。

78.根据权利要求54的装置，其中可通过计算机保存视觉记录。

79.一种使用光钳纯化法医样品的自动提取和纯化装置，其包括：

光学捕捉系统；

第一区域，通过其引入样品；

第二区域，通过其引入缓冲液；

其中使用所述光钳将所述样品的选定颗粒从所述第一区域移动到所述第二区域。

80.根据权利要求79的装置，还包括：

将所述第一区域和所述第二区域分隔开的屏障。

81.根据权利要求79的装置，还包括：

涂覆至所述第一区域和所述第二区域的壁上的抗粘附涂层。

82.根据权利要求79的装置，还包括：

通过其实施成像和光钳操作的窗口。

83.根据权利要求79的装置，其中所述光学捕捉系统包括：

用于对样品成像的成像照相机。

84.根据权利要求79的装置，还包括落射照明器。

85.根据权利要求79的装置，其中所述光学捕捉系统包括显微镜。

86.根据权利要求83的装置，还包括：

控制所述成像照相机的计算机。

87.根据权利要求79的装置，还包括：

其上至少配置第一通道和第二通道的可移动平台。

88.根据权利要求79的装置，其中所述第一区域和第二区域首先用缓冲液灌注。

89.根据权利要求79的装置，其中所述样品在引入所述第一通道之前，用缓冲液将其重新水化。

90.根据权利要求80的装置，还包括：

用于输入缓冲液的第三区域。

91.根据权利要求79的装置，其中在分离且密闭的容器中收集所述选定颗粒。

92.根据权利要求86的装置，其中使用成像照相机的颗粒成像是自动进行的。

93.根据权利要求79的装置，其中所述光钳采用全息光学捕捉。

94.根据权利要求79的装置，其中所述光钳采用非全息光学捕捉。

95.根据权利要求86的装置，其中自动生成报告以提供关于所述选定颗粒的信息。

96.根据权利要求94的装置，其中通过所述光学捕捉系统生成的非衍射有限光阱可用于只钳取所述选定颗粒。

97.根据权利要求79的装置，其中所述光钳为白光光钳。

98.根据权利要求93的装置，其中使通过所述全息光学捕捉系统生成的光阱闪烁以丢弃所述非选定颗粒。

99.根据权利要求79的装置，其中所述样品包括多个生物细胞，并且通过紫外光和加入样品中的化学品的其中之一杀死至少一个生物细胞。

100.根据权利要求93的装置，其中所述全息光学捕捉系统的激光可用作颗粒探针。

根据权利要求86的装置，其中可通过计算机保存视觉记录。

根据权利要求44的装置，其中所述选定颗粒是精子和上皮细胞中的至少其一。

根据权利要求79的装置，其中所述选定颗粒是精子和上皮细胞中的至少其一。

根据权利要求1的方法，其中所述选定颗粒是精子和上皮细胞中的至少其一。

根据权利要求30的方法，其中所述选定颗粒是精子和上皮细胞中的至少其一。

根据权利要求44的装置，其中所述输出端包括指向每一所述选定颗粒的多个输出通道。

根据权利要求1的方法，其中所述输出端包括指向每一所述选定颗粒的多个输出通道。

根据权利要求18的方法，其中所述系统受用户控制。

根据权利要求34的方法，其中所述系统受用户控制。

110.根据权利要求68的装置，其中所述系统受用户控制。

111.根据权利要求93的装置，其中所述系统受用户控制。

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