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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern und Manipulieren kleiner Partikel, einer bewegbaren Masse
oder einer deformierbaren Struktur gerichtet. Noch genauer ist die
vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Verwenden holographischer optischer Fallen gerichtet, um Partikel und
Materievolumen sowohl auf allgemeine als auch in komplexer Weise
zu steuern und zu manipulieren.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Optische
Fallen verwenden optische Gradientenkräfte um, am meisten bevorzugt,
Mikrometer große
Materievolumen in sowohl zwei als auch drei Dimensionen einzufangen.
Eine holographische Form einer optischen Falle kann ein Computer-erzeugtes
beugendes optisches Element verwenden, um eine große Anzahl
von optischen Fallen aus einem einzigen Laserstrahl zu erzeugen.
Diese Fallen können
in irgend einer gewünschten
Konfiguration in Abhängigkeit
von dem vorliegenden Bedarf angeordnet sein.
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Obwohl
Systeme bekannt sind, um Partikel präzise und mit einem relativ
hohen Grand an Zuverlässigkeit
zu bewegen, erfordern konventionelle Systeme, dass ein separates
Hologramm für
jeden einzelnen Schritt einer Bewegung des Partikels projiziert wird.
Ein Berechnen mehrerer Hologramme kann sehr zeitaufwändig sein
und erfordert einen erheblichen Rechenaufwand. Weiterhin tendieren
Computer-adressierbare
Projektionssysteme, welche erforderlich sind, um solche Computer-erzeugten optischen
Fallen oder andere dynamische optische Fallensysteme, wie beispielsweise
gescannte optische Pinzetten, zu implementieren, unerschwinglich
teuer zu sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zum Manipulieren von Partikeln und Materievolumen in sowohl allgemeinen
als auch komplexen Verfahren vorzusehen.
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Es
ist eine zusätzliche
Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bewegen von Partikeln
entlang eines vorbestimmten Pfades mit einem hohen Grand an Genauigkeit
und Zuverlässigkeit
zu bewegen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Manipulieren
von Partikeln und Materievolumen vorzusehen, welches die Rechenlast
des Erreichens komplexer Umordnungen entfernt.
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In Übereinstimmung
mit den obigen Aufgaben ermöglicht
ein Projizieren einer mit der Zeit veränderlichen Sequenz solcher
Fallenmuster eine dynamische Rekonfiguration von Fallen, wobei mit
jedem neuen Muster die Position von jeder Falle um einen Abstand
aktualisiert wird, welcher klein genug ist, dass Partikel, die in
dem ursprünglichen
Muster gefangen waren, natürlich
in eine entsprechende nächste
Falle fallen. Die vorliegende Erfindung bietet daher ein Verfahren
zum Erreichen komplexer Umordnungen von Materie durch zyklisches
Durchlaufen einer geringen Anzahl von vorberechneten holographischen
optischen Fallenmustern. Das zyklische Durchlaufen kann mechanisch
durchgeführt
werden, wobei sowohl Rechenkomplexität als auch der Aufwand eines
vollständigen
allgemeinen holographischen optischen Fallensystems entfernt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein einzelnes Partikel dar, welches in einer optischen Falle innerhalb
eines Verteilers (manifold) optischer Fallen gefangen ist, wobei die
Position des Verteilers durch eine gestrichelte Linie dargestellt
ist;
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2 zeigt
den Transfer eines einzelnen Partikels aus einem Verteiler von Fallen
in einem ersten Muster zu einem Verteiler von Fallen in einem zweiten
Muster;
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3A-3D zeigen
die operative Funktionsweise eines optischen peristaltischen Verfahrens;
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4 zeigt
die Verwendung von parallelen linearen Verteilern von optischen
Fallen zum Transferieren von Partikeln entlang einer linearen Bahn senkrecht
zu den Verteilern;
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5A zeigt
gekrümmte
Verteiler, welche Partikel von der Peripherie des Musters in Richtung des
Zentrums der Krümmung
leiten; und 5B zeigt schematisch, wie das
Muster, welches in 5A beschrieben ist, Partikel
in einen Kanal ziehen kann;
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6A zeigt
nicht-einheitlich gekrümmte Verteiler,
welche verwendet werden, um einen Fluss von Partikeln in zwei separate
Flüsse
zu teilen; und 6B zeigt nicht-einheitlich gekrümmte Verteiler, um
zwei separate Flüsse
zu einem einzigen größeren Fluss
zu mischen;
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7A zeigt
eine Vielzahl von konzentrischen Verteilern, welche Partikel aus
einem Bereich heraus transportieren; und 7B zeigt
eine Vielzahl von konzentrischen Verteilern, welche Partikel in
einen Bereich hinein transportieren;
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8 ist
eine Darstellung von zwei Partikeln, welche sich in Reaktion auf
ein extern angelegtes Feld und ein optisches peristaltisches Muster
bewegen;
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9 zeigt
zwei Stadien der optischen Fraktionierung, wobei Partikel eines
ersten Typs nach rechts transportiert werden und Partikel eines
zweiten Typs nach links transportiert werden;
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10 ist
eine Darstellung der Implementierung der optischen Peristaltik,
welche dynamische holographische optische Fallen verwendet;
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11 zeigt
ein dynamisches holographisches optisches Fallensystem, welches
einen Durchlichtmodus-Computer-adressierbaren räumlichen Lichtmodulator in
einem optischen Zug verwendet;
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12 zeigt
das mechanische zyklische Durchlaufen einer Sequenz von statischen
Computer-erzeugten beugenden optischen Elementen;
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13 ist
eine Darstellung eines mechanisch zyklisch durchlaufenen optischen
Peristaltiksystems, welches durchlässige Computer-erzeugte beugende
optische Elemente verwendet, welche auf der Peripherie einer Scheibe
angeordnet sind;
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14 zeigt
eine Vielzahl von Verteilern von optischen Fallen, welche ein erweitertes
Objekt einfangen und das Objekt drehen; und
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15 zeigt
die Verwendung von Verteilern von optischen Fallen, welche ein erweitertes
deformierbares Objekt einfangen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Optische
Peristaltik bezieht die Verwendung einer Sequenz von vorberechneten
Hologrammen ein, welche im Zeitablauf projiziert werden, um komplexe
Umverteilungen einer großen
Anzahl von Partikeln über
große
oder ausgewählte
Bereiche zu implementieren. Ein Schlüsselaspekt der Erfindung der optischen
Peristaltik ist der nicht-spezifische Transfer von Partikeln von
einem Verteiler (manifold) von optischen Fallen in einem gegebenen
Muster zu einem nächsten
Muster durch Abfangen oder Anwenden von zumindest zwei intermediären Mustern.
Der Begriff „Muster" soll zumindest einen
Verteiler umfassen. 1 zeigt einen typischen Verteiler 20 von
optischen Fallen 24, welche in einer geraden Linie angeordnet
sind. Jede der Fallen 24 ist in der Lage, ein interessierendes
Partikel 22 einzufangen, und die Fallen 24 sind
relativ zueinander beabstandet, so dass es unwahrscheinlich ist,
dass das Partikel 22 durch den Verteiler 20 passiert,
ohne in eine der verfügbaren
Fallen 24 hineinzufallen oder durch Partikel, welche bereits
in der Falle 24 sind, blockiert zu werden. Das Partikel 22 ist
als Kugel gezeichnet, jedoch könnte
es genauso leicht unregelmäßig geformt sein,
oder sogar viel größer als
die Abtrennung zwischen den Fallen 24.
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Das
Arbeiten des optischen Peristaltikverfahrens fährt fort durch Auslöschen des
Verteilers 20 der Fallen 24, was das Partikel 22 befreit,
um sich zu bewegen. Falls ein anderes Muster der Fallen 24 in der
Nähe ausreichend
erleuchtet ist, dann wird das Partikel 22 durch eine (oder
mehrere) der Fallen 24 in dem neuen Muster eingefangen.
In dem in 3A – 3D dargestellten
Fall enthält
ein Muster zwei der Verteiler 20 an der Line 23 und 25.
Jedoch könnte das
nächste
Muster nur einen der Verteiler enthalten, entlang der Line 27 zum
Beispiel. Tatsächlich
wird das Partikel 22 dadurch von einem der Verteiler 20 der
Fallen 24 in dem ersten Muster 26 zu einem anderen
der Verteiler in einem zweiten Muster 28 transferiert.
Dieser Prozess ist in seiner einfachsten Form in 2 dargestellt,
und ist allgemeiner in 3A – 3D gezeigt.
Um den Transfer des Partikels 22 zu bewirken, kann das
erste Muster 26 zuerst ausgelöscht werden; und dann wird
das zweite Muster 28 beleuchtet, vorausgesetzt, dass das
Intervall zwischen den zwei Mustern 26 und 28 kurz
genug ist, um das eingefangene Partikel 22 davor zu bewahren „abzuwandern" (aus dem optischen
Gradienten heraus), bevor es durch die nächste am nächsten verfügbare Falle 24 gefangen
wird. Ein Beleuchten des zweiten Musters 28 vor einem Auslöschen des
ersten Musters 26 ist auch eine weitere operative Ausführungsform,
obgleich komplizierter umzusetzen.
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Ein
Muster der Fallen kann daher einen oder mehrere Verteiler 20 einzelner
Fallen 24 enthalten, wie beispielsweise einzelne Pinzetten
in einer Ausführungsform
der Erfindung. Jeder der Verteiler 20 kann mehrere der
Fallen 24 enthalten, welche entlang einer eindimensionalen
Kurve oder Linie angeordnet sind, wie schematisch in 1 gezeigt
ist, oder auch auf einer zweidimensionalen Oberfläche, oder
innerhalb eines dreidimensionalen Volumens. Die Vorstellung eines
Fallenmusters, welches aus einer Sammlung von Verteilern 20 besteht,
ist nützlich zur
Visualisierung des Verfahrens der optischen Peristaltik.
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3A zeigt
detaillierter einen der Partikel 22, welches in einem Verteiler 20 eines
bestimmten Musters eingefangen ist, welches als das erste Muster 26 benannt
ist. Das erste Muster umfasst zwei Verteiler (manifolds) 50 und 56.
Die Positionen des Einfangens der Verteiler 52 und 54 in
dem zweiten ausgelöschten
Muster 28 (nur ein Verteiler für dieses Muster) und ein drittes
ausgelöschtes
Muster 30 (nur ein Verteiler) sind auch gezeigt. In dem
ersten Zeit-Schritt wird nur das erste Muster 26 beleuchtet. In
dem nächsten
Zeit-Schritt, welcher in 3B dargestellt
ist, wird das erste Muster 26 ausgelöscht und das zweite Muster 28 wird
beleuchtet. Dieser Vorgang transferiert das Partikel 22 von
dem ersten Verteiler 50 des ersten Musters 26 zu
dem nahe gelegenen Verteiler 52 des zweiten Musters 28.
In dem nächsten
Zeit-inkrementellen Schritt, welcher in 3C gezeigt
ist, wird das zweite Muster 28 ausgelöscht und das dritte Muster 30 wird
beleuchtet, wodurch das Partikel 22 wieder transferiert
wird und dieses Mal zu einem Verteiler 54 auf dem dritten
Muster 30. In dem letzten Zeit-Schritt, wie in 3D gezeigt ist,
wird das dritte Muster 30 ausgelöscht und das erste Muster 26 wird
noch einmal beleuchtet. Dies transferiert das Partikel 22 zu
dem ersten Muster 26 auf dem nächsten Verteiler 56.
Optische Peristaltik geht daher hervor aus determinstischem Transferieren
des Partikels 22 von einem der Verteiler 20 auf
einem Muster der optischen Fallen zu einem anderen der Verteiler 20 auf
dem gleichen zweiten Muster 28 durch zyklisches Durchlaufen
einer Sequenz von intermediären
Mustern.
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In
einer am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
ein Minimum von drei der Muster 26, 28 und 30 benötigt, um
das Partikel 22 deterministisch von dem einen Verteiler 50 auf
einem Fallenmuster zu dem nächsten
Verteiler 52 zu befördern.
Falls nur zwei der gleich beabstandeten Muster 26 und 28 verwendet
würden,
könnte
das Partikel 22 eine erhebliche Wahrscheinlichkeit aufweisen,
sich entweder zu dem nächsten
Verteiler 52 zu bewegen oder zu dem Anfangsverteiler 50 zurückzukehren.
In anderen Ausführungsformen
können
mehr als die drei Muster 26, 28 und 30 verwendet
werden, um ein Partikel 22 in eine bestimmte Richtung zu
transferieren. Verfahren zum Beleuchten und Auslöschen der einzelnen Verteiler 20 der
optischen Fallen 24 sind in der Technik wohlverstanden.
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Ein
wiederholtes zyklisches Durchlaufen der ersten, zweiten und dritten
Muster 26, 28 bzw. 30 neigt dazu, die
Partikel 22 von links nach rechts in der Anordnung, welche
in 3 beschrieben ist, zu bewegen.
Ein Umkehren der Reihenfolge würde
sie von links nach rechts bewegen. Ausgedehntere Muster, welche
aus mehreren der Verteiler 20 bestehen, können somit
verwendet werden, um die Partikel 22 vor und zurück über das
gesamte Gesichtsfeld des holographischen optischen Fallensystems
zu bewegen.
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Es
gibt eine Vielfalt der Arten und Weisen, in welcher optische Peristaltik
verwendet werden kann, um nützliche
Umordnungen von Sammlungen der Partikel 22 zu bewirken.
Diese Verfahren enthalten ein Modifizieren der Formen der Verteiler 20 innerhalb
eines Musters der Fallen 24 durch fortlaufende Kurven.
Obwohl ein einzelnes Muster im Detail hierin beschrieben wird, würden zusätzliche
intermediäre Muster,
welche zum Transfer zwischen den Verteilers 20 erforderlich
sind, leicht verstanden werden und durch die Fachleute erkannt werden.
In den Beispielen, welche hierin beschrieben wurden, wird die Richtung
des Partikelflusses durch überlagerte
Pfeile gekennzeichnet sein.
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4 zeigt
eines der Muster 26 von einer linearen optischen peristaltischen
Pumpe 33. Zwei oder mehr Muster (nicht gezeigt), welche
zwischen den Verteilern 20 dieses Muster 26 verschachtelt sind,
können
in Folge aktiviert werden, um einen oder mehrere der eingefangenen
Partikel 22 von links nach rechts zu lenken. Ein Umkehren
der Folge transferiert die Partikel 22 von rechts nach
links. Dieses Muster und alle der Muster, welche hierin beschrieben
wurden, können
in jeglicher gewünschter Richtung
orientiert sein.
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5A und 5B zeigen,
dass Muster, welche aus den gekrümmten
Verteilern 20 bestehen, verwendet werden können, um
einen Fluss von Partikeln zu konzentrieren. Umgekehrt breitet ein
Ablaufen der gleichen Sequenz rückwärts die
Partikel 22 aus. Diese Fähigkeit würde nützlich sein zum Leiten der
Partikel 22 aus einer offenen Region heraus und in eine
abgegrenzte Region, wie beispielsweise ein Reservoir, hinein. Es
ist nicht notwendig, dass die einzelnen Verteiler 20 eine
gleiche Krümmung
aufweisen, und ein Variieren der Krümmung kann in bestimmten Situationen
nützlich
sein. Zum Beispiel kann ein lineares Pumpmuster verwendet werden, um
die Partikel 22 in ein Fokussierungsmuster zu ziehen. Die
einzelnen Abstände
zwischen den Verteilern 20 müssen auch nicht gleich sein.
Regionen eines Musters mit dichter beabstandeten Formen der Verteiler 20 neigen
dazu, Partikel 22 langsamer zu transferieren als Regionen
mit weiter beabstandeten Verteilern 20. Die dicht gepackten
Verteiler 20 neigen dazu, die Partikel 22 entlang
der Richtung der Bewegung zu konzentrieren, während weit beabstandete Verteiler 20 verwendet
werden können,
um sie auszubreiten. Dieser Ansatz könnte besonders vorteilhaft
in einem Fokussierungsmuster sein, um eine Überfüllung der Partikel 22 zu
vermeiden, während sie
konzentriert werden.
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Die
Verteilung und Dichte der Fallen 24 entlang eines Verteilers
kann auch verwendet werden, um den Fluss der Partikel 22 zwischen
den Verteilern 20 zu steuern. Zum Beispiel können die
Fallen 24 gleichmäßig beabstandet
sein entlang jedem der Verteiler 20 und einfach von dem
einen Verteiler 20 zu dem nächsten und von einem Muster
zu dem nächsten
ausgerichtet sein. In anderen Ausführungsformen können kompliziertere
Anordnungen der Fallen 24 entlang jedem der Verteiler 20 und
zwischen Mustern Verwendungen zum Steuern des Flusses der Partikel 22 entlang
einer Sequenz von Mustern haben. Ebenso kann ein Variieren der Intensität sowie
der Abstände
der einzelnen Fallen 24 entlang der Verteiler 20 in
einem Muster nützliche
Anwendungen haben zum Steuern des Transports der Partikel 22.
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Die
Neigung der geformten Verteiler 20, den Fluss der Partikel 22 zu
lenken, kann auch verwendet werden, um die Partikel 22 in
irgendein gewünschtes kompliziertes
Muster zu lenken. Das Beispiel, welches in 6A gezeigt
ist, zeigt die geformten Verteiler 20, welche einen Fluss
von Partikeln 22 in zwei leiten. Wenn umgekehrt betrieben,
könnte
ein solches Muster verwendet werden, um zwei (oder mehr) Flüsse in einen
zu kombinieren. Obwohl dies nicht so effizient sein mag, weil die
Partikel 22 von einem Fluss nahe anderen von dem gleichen
Fluss bleiben werden, sobald sich die Verteiler 20 vereinigen,
kann die Methodik dennoch vorteilhaft genutzt werden.
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Das
Beispiel, welches in 6B gezeigt ist, zeigt eine Art,
wie das Mischen der Partikel 22 aus kombinierten Flüssen eingeleitet
wird. Dieses Beispiel zeigt, dass die Verteiler 20 in einem
Muster nicht zertrennt sein müssen.
Die Muster in diesem System enthalten eine gekreuzte Form der Verteiler 20 in
den Mischungsregionen. Solche Kreuzungen können nützlich sein zum Austauschen
der Partikel 22 zwischen den anfänglich einzelnen Flüssen. Kreuzungen
oder ein anderes Überkreuzen
der einfachen Verteiler 20, um komplexere Verteiler 20 zu
bilden, führt
ein wahrscheinlichkeitstheoretisches Element in die optische Peristaltik
ein. Den Partikeln 22 wird die Wahl der Richtungen gelassen,
um sich nahe jeder Kreuzung zu bewegen. Welche zu folgende Richtung die
einzelnen Partikel 22 wählen,
wird durch zufällige thermische
Kräfte
an der Übergabe
von einem Muster zu dem nächsten
in einer Sequenz bestimmt. Somit können die Kreuzungen, welche
in 6B gezeigt sind, zu einem bestimmten Grad der
Mischung führen.
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Ein
Muster einer geschlossenen Form der Verteiler 20, wie es
beispielsweise in dem Beispiel der 7A und 7B gezeigt
ist, kann die Partikel 22 in oder aus einer Region transportieren.
Ob das Muster den Bereich kompaktiert oder ausdünnt, hängt von der Reihenfolge ab,
in welcher die Sequenz der Muster projiziert wird. Das Beispiel
der 7A ist nützlich
zum Ausräumen
der Partikel 22 aus einer Region, um so Tests mit dem Suspensionsfluid
oder Messungen von isolierten Partikeln 22 zu vereinfachen.
Solche Muster müssen
nicht kreisförmig
sein, noch müssen
sie auf die Ebene beschränkt sein.
Im Prinzip können
zweidimensionale Formen der Verteiler 20 in dreidimensionalen
Mustern nützlich
sein, um Material in ein Volumen zu ziehen oder Material aus einem
Volumen herauszudrücken.
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Zusätzlich sollte
angemerkt werden, dass eine Konkurrenz zwischen optischem Einfangen
und anderen externen Kräften
nützliche
Anwendungen haben kann. Zum Beispiel könnte eine Konkurrenz zwischen
optischem Einfangen und anderen externen Kräften besonders nützlich sein
beim Fraktionieren der Partikel 22 von einer Verteilung.
Als ein Beispiel ist es hilfreich zu bedenken, dass die Partikel 22 in
einem Fluss des umgebenden Fluids mitgerissen werden. Jedes der
Partikel 22 wird durch eine viskose Widerstandskraft in
das lokale Flussfeld u(r) mit einer Kraft f = γu, welche durch ihren Widerstandsbeiwert γ bestimmt
wird, transportiert. Für
eine Kugel mit dem Radius α in
einem Fluid mit der Viskosität η ist der
Widerstandsbeiwert gegeben durch γ =
6πηα und nimmt
linear mit dem Radius des Partikels zu. Ein größeres Partikel fühlt eine
größere Kraft,
wenn es stationär
gegen einen Fluss gehalten wird als ein kleineres Partikel. Während die
Kraft aufgrund des Widerstandsbeiwerts ein Beispiel einer externen
Kraft ist, würden
andere, wie beispielsweise diejenigen aufgrund von elektrischen
oder magnetischen Feldern, auch die Ausführungsform, welche hierin beschrieben
wurde, betreffen.
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Falls
die externe Kraft schwächer
ist als die optische Gradientenkraft einer gegebenen der optischen
Fallen 24, dann wird sich das Partikel 22 durch optische
Peristaltik viel bewegen, wie hier zuvor beschrieben wurde. Falls
die externe Kraft größer ist
als die optische Gradientenkraft der optischen Falle 24, dann
kann optische Peristaltik die Bewegung des Partikels 22 in
dem externen Feld nur stören.
In dem idealisierten Beispiel, welches in 8 gezeigt
ist, ist ein Typ des Partikels 22 stärker zu den optischen Fallen 24 hingezogen
als es durch das externe Feld gelenkt wird. In dem Beispiel, welches
in 8 gezeigt ist, ist ein erstes Partikel 60 dem
Einfangen zugänglicher
als ein zweites Partikel 62, oder weniger durch das externe
Feld beeinflusst als das zweite Partikel 62. Das erste
Partikel 60 wird daher durch optische Peristaltik transportiert
und kann gesammelt werden. Das zweite Partikel 62 wird
stärker
durch das externe Feld gelenkt und passiert durch das Muster der
Fallen 24, wobei es vielleicht bis zu einem gewissen Grad
von seinem anfänglichen
Kurs abgelenkt wird.
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Die
zwei Typen von Partikeln 60 und 62 in der Beispielsausführungsform,
welche in 8 gezeigt ist, werden unterschieden
entweder durch ihre Affinität
zu den optischen Fallen 24, durch ihre Reaktion auf das
externe Feld, oder beides. Eine Auswahl der räumlichen Verteilung, Stärke und
anderen Charakteristika der optischen Fallen 24 in solch
einem Muster macht eine Fraktionierung der Partikel möglich, wobei
die Selektivität
durch die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Partikel
bestimmt wird.
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Die
optische Fraktionierungstechnik weist eine Anzahl von signifikanten
Vorteilen auf. Eine Fraktionierung tritt entlang der Richtung des
angelegten Feldes in Elektrophorese auf. Eine optische Fraktionierung
kann die ausgewählte
Fraktion lateral transportieren. Dies bedeutet, dass eine optische Fraktionierung
eher kontinuierlich betrieben werden kann, anstatt jeweils eine
Charge. Da eine optische Fraktionierung auf holographischer optischer
Fallentechnologie beruht, kann sie leicht an verschiedene Fraktionierungsprobleme
angepasst werden.
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Zum
Beispiel können
mehrere Stufen der optischen Fraktionierung eines nach der anderen
angewandt werden, wobei das gleiche Verfahren und Vorrichtung verwendet
werden. Ein Einstellen einer jeden Stufe, um eine bestimmte Fraktion
von einer anfänglich
gemischten Multikomponentenprobe zu extrahieren, wird dann die Probe
in jede ihrer Komponenten trennen, wobei in geeigneter Weise die
sortierten Komponenten lateral verlagert werden, weg von dem Fluss,
und wobei sie vielleicht zu Kanälen oder
Reservoirs transportiert werden, wobei zuvor beschriebene Techniken
verwendet werden.
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Die
beispielhafte Ausführungsform,
welche in 9 gezeigt ist, baut ein einzelne
Fraktionierungsstufe auf durch Einschließen einer zweiten Stufe der
optischen Fraktionierung. Die externe Kraft, welche die Partikel 22 durch
die Region lenkt, ist nach unten gerichtet. Ein erstes Muster, welches
mit 80 in 9 gekennzeichnet ist, wählt Partikel
des ersten Typs 84 aus und bewegt sie nach rechts, wobei
Partikel des zweiten Typs 86 verteilt und nicht gesammelt
werden. Die zweite Stufe der Fraktionierung, gekennzeichnet mit
Abschnitt 82, kann stärkere und
dichter beabstandete Beispiele der Fallen 24 aufweisen,
mit der Fähigkeit,
Partikel 22 des zweiten Typs 86 von der externen
Kraft wegzulenken. Wie gezeigt, transportiert dieses Muster der
zweiten Stufe 82 nach links, wobei die Separation zwischen
den Fraktionen 84 und 86 weiter verbessert wird.
Obwohl die zwei Stufen der Fraktionierung als abstrakt getrennt
dargestellt werden, können
sie auch als ein einzelnes Muster der der optischen Fallen-Verteiler 20 realisiert
werden. Dieses Verfahren kann auch verallgemeinert werden, um mehrere
Stufen zu enthalten, und um fraktionierte Partikel zum Sammeln zu beinhalten.
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Wie
oben beschrieben, arbeitet optische Peristaltik durch wiederholtes
zyklisches Durchlaufen durch eine Sequenz von Fallenmustern. Die
dynamischen holographischen Systeme, welche schematisch in 10 und 11 dargestellt
sind, sind eine völlig
allgemeine Realisierung. In diesem Fall bildet ein Computer-adressierbarer räumlicher
Lichtmodulator 102 die Konfiguration der Laserstrahlen 104, welche
benötigt
werden, um ein gegebenes Muster von optischen Fallen 115 zu
realisieren durch Codieren der nötigen
Phasenmodulation auf die Wellenfront des Eingangslaserstrahls 100.
Im Prinzip kann ein solches System jegliche Sequenz von Fallenmustern
realisieren und somit jegliche Variante der optischen Peristaltik.
In der Praxis weist der räumliche Lichtmodulator 102 jedoch
physikalische Grenzen auf, wie beispielsweise das Auflösungsvermögen, welches
die Komplexität
der Muster beschränkt,
welche er codiert. Auch tendieren solche räumlichen Lichtmodulatoren 102 dazu,
teuer zu sein.
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In
der Ausführungsform,
welche in 10 gezeigt ist, kann optische
Peristaltik mit den dynamischen holographischen optischen Fallen 114 durchgeführt werden,
von welcher eine typische Anwendung gezeigt ist. Ein Eingangslaserstrahl 100 wird von
der Oberfläche
des Computer-adressierbaren räumlichen
Lichtmodulators (SLM) 102 reflektiert. Der SLM 102 codiert
ein Computer-erzeugtes Muster von Phasenänderungen auf die Wellenfront
des Strahls 100, wodurch er in einen oder mehr separate Laserstrahlen 104 aufgespalten
wird, wovon jeder von einem Punkt 107 in dem Zentrum der
Fläche
des SLM 102 ausgeht. Linsen 108 und 110 leiten
jeden dieser Laserstrahlen 104 weiter zu dem konjugierten Punkt 112 an
dem Zentrum der hinteren Apertur der Hoch-NA-Objektivlinse 112.
Diese Objektivlinse 112 fokussiert jeden der Laserstrahlen 104 in
eine separate optische Falle 114, wovon zur Klarheit nur
eine in 10 gezeigt ist. Ein dichroitischer
Spiegel 116 reflektiert Fallenlicht in die Objektivlinse 112,
während
einer Bildbeleuchtung erlaubt wird, hindurch zu passieren, wodurch
erlaubt wird, dass Bilder der Partikel, welche eingefangen werden,
gebildet werden. Ein Aktualisieren der Phasenmodulation, welche durch
die SLM 102 codiert wurde, bewirkt, dass ein neues Muster
der Fallen 114 auftritt. Ein zyklisches Durchlaufen einer
Sequenz optischer Peristaltikmuster auf diese Weise realisiert das
entsprechende optische Peristaltikverfahren. Da dieses System in
einer Software rekonfiguriert werden kann, stellt es eine allgemeine
Ausführung
der optischen Peristaltik dar. In einer weiteren Ausführungsform,
welche in 11 gezeigt ist, verwendet das
dynamische holographische optische Fallensystem einen Durchlichtmodus-Computer-adressierbaren
räumlichen
Lichtmodulator 200 in einem optischen Zug, welche ansonsten ähnlich zu
derjenigen in 10 ist. Dieses System kann auch
verwendet werden, um eine optische Peristaltik durch zyklisches
Durchlaufen einer Sequenz der Fallenmuster zu realisieren.
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Ein
Ausführen
der optischen Peristaltik muss nicht notwendigerweise die Allgemeinheit
und Rekonfigurierbarkeit erfordern, welche durch ein dynamisches
holographisches optisches Fallensystem geboten wird. Stattdessen
verwendet eine Ausführung
optischer Peristaltik vorzugsweise ein holographisches optisches
Fallensystem, welches in der Lage ist, eine (kleine) Sequenz oder
andere statische Muster zu projizieren. In ihrer einfachsten bevorzugten
Form kann optische Peristaltik realisiert werden durch mechanisches
zyklisches Durchlaufen einer Sequenz von Phasenmustern, um eine
entsprechende Sequenz von holographischen optischen Fallenmustern
zu realisieren. Eine besonders nützliche Ausführungsform
erscheint in 12. Wie in 12 gezeigt
ist, werden die Phasenmuster, welche benötigt werden, um ein bestimmtes
optisches Peristaltikverfahren zu realisieren, in dem Oberflächenrelief von
reflektierenden beugenden optischen Elementen 304, 306 und 308 codiert.
Diese Elemente 304, 306 und 308 sind
auf der Oberfläche
eines Prismas 300 montiert, und jedes wird durch einen
Motor 302 in Position gedreht. Ein Umkehren der Drehung
des Motors kehrt die Sequenz der Muster um und somit die Richtung
der optischen Peristaltik. Ein Drehen des Prismas 300 mit
dem Motor 302 orientiert jedes der Muster des Eingangslaserstrahls,
so dass die gebeugten Strahlen, welche durch die ausgerichteten beugenden
optischen Elemente 304, 306 und 308 gebildet
werden, alle optische Fallen 114 bilden. Ein Steppen des
Motors 302 durch jedes der Muster in Folge realisiert optische
Peristaltik. Prismen mit mehr als drei Mustern können eingesetzt werden, falls
erwünscht
oder notwendig.
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Ein
Montieren einer Sequenz fixierter beugender optischer Elemente 304, 306 und 308 auf
der Fläche
eines rotierenden Prismas 300 kann andere Verwendungen
in holographischen optischen Fallenmethoden haben. Ebenso können durchlässige beugende
optische Elemente 404, 406, 408 und 410 auf der
Peripherie einer Scheibe 312 platziert sein und in den
Strahl 100 gedreht werden, wie in 13 gezeigt ist,
oder in einen reflektierenden optischen Zug in einer Sequenz. Dies
hat auch potentielle Anwendungen über optische Peristaltik hinaus.
In 13 wird zum Beispiel jedes der beugenden optischen
Elemente 404, 406, 408 und 410 in
den optischen Zug gedreht, um ein Muster der optischen Peristaltiksequenz
zu projizieren.
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Statische
reflektierende oder durchlässige beugende
optische Elemente können
hergestellt werden mit Merkmalsgrößen hinunter bis zur Beugungsgrenze,
können
im Wesentlichen kontinuierliche Phasencodierung aufweisen, und können somit eine
breitere Vielfalt von komplizierteren Fallenmustern realisieren
als es räumliche
Lichtmodulatoren können.
Solche Elemente können
viel billiger hergestellt werden und erfordern nicht einen Computer,
um betrieben zu werden. Die Sequenz der Muster in solch einem System
kann geändert
werden durch Ändern
des Prismas oder der Scheibe der beugenden optischen Elemente. In
diesem Sinne ist die Ausführung
weniger allgemein als diejenige, welche auf Computer-adressierbaren
räumlichen
Lichtmodulatoren basiert.
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Da
nur eine geringe Anzahl von vorberechneten beugenden optischen Elementen
erforderlich sind, um optische Peristaltik zu realisieren, können auch
schaltbare Phasengitter verwendet werden. Die Vorteile eines solchen
Ansatzes enthalten zum Beispiel: Unabhängigkeit beim Bewegen von Teilen,
welche aus der Ausrichtung herausdriften können und sich abnützen, die
Abwesenheit von Motoren, welche Vibration und elektrische und magnetische
Streufelder verursachen, Reduktion in Energieerfordernissen und
verbesserte Kompatkheit.
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Ein
Codieren von hoch qualitativen Phasenhologrammen auf Filmmedien
erlaubet es, dass optische Peristaltik mit den Äquivalenten von Filmschleifen
realisiert werden kann. Durch Anbieten von zyklischem Hochgeschwindigkeitsdurchlaufen
einer großen
Anzahl von beugenden optischen Elementen, werden Film-basierte Anwendungen
der holographischen optischen Fallen Anwendungen über optische Peristaltik
hinaus aufweisen.
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Optische
Peristaltik kann auch nützlich
sein für
Partikel und andere Materialien, wie beispielsweise biologische
Zellen, welche größer sind
als die physikalische Separation zwischen den Fallen in einem optischen
Peristaltikmuster. Ebenso könnten
Materialien wie Proteine, DNA oder Moleküle manipuliert werden, wobei
optische Peristaltik verwendet wird. Ein großes Objekt, welches auf einem „Nagelbett" optischer Fallenmuster
eingefangen ist, kann immer noch bewegt werden durch Übertragen
des Nagelbetts. Anstatt eine einzige Fallenregion zu definieren, kann
jedoch ein optisches Peristaltikmuster ein großes Feld von Fallen aufbauen,
welche geeignet sind zum Immobilisieren eines großen Objekts,
wo auch immer es gefunden wird. Ein Aktualisieren des Musters mit
kleinen Verschiebungen, wie oben beschrieben, wird dann das gesamte
Objekt verschieben. Potentielle Anwendungen enthalten ein Übertragen
einer erweiterten Probe in eine Region hinein, wo sie Tests durchlaufen
kann, Drehen des Objekts zur Untersuchung oder gesteuertes Deformieren
des Objekts. Zum Beispiel in der Ausführungsform der 14 sind
die Verteiler 20 von enthaltenen optischen Fallen gezeigt,
wobei sie ein erweitertes Objekt 80 einfangen. Ein Aktualisieren
des Musters mit den Verteilern 20 wird dazu neigen, das
erweiterte Objekt 80 zu drehen. Ebenso zeigt 15 die
Verteiler 20 der optischen Fallen, welche ein erweitertes deformierbares
Objekt 82 einfangen. Das Objekt 82 ist stärker eingefangen
durch dichtere Regionen von Fallen und ein Bewegen dieser Regionen
nach außen
in nachfolgende Muster neigt dazu, das Objekt 82 zu strecken.
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Jede
optische Peristaltiksequenz führt
eine spezifische Operation durch. In einigen Anwendungen kann es
wünschenswert
sein, eine Reihe von optischen Peristaltikoperationen durchzuführen, wobei die
Reihenfolge der Reihe vielleicht von dem Ergebnis der vorhergehenden
Operationen abhängt.
Zum Beispiel kann optische Peristaltik verwendet werden, um eine
lebende Zelle in das Zentrum eines Mikroskopsichtfelds für eine reproduzierbare
Beobachtung zu bewegen. Eine zweite Sequenz könnte dann damit beschäftigt sein,
die Zelle in eine gewünschte
Orientierung zu drehen. Dann kann eine dritte Sequenz einen bestimmten
Test realisieren. Basierend auf dem Ergebnis des Tests, können zusätzliche
optische Peristaltiksequenzen ausgewählt werden, um die Zelle zu
sammeln oder sie zu beseitigen. Jede dieser Sequenzen kann vorberechnet
sein, wodurch viel der Rechenlast von dem holographsichen optischen
Fallensystem entfernt wird. Ebenso könnten verschiedene Abfolgen
optischer Peristaltikoperationen in einem einzigen Programm umfasst
sein, wobei eine erste Unterabfolge einzelne Partikel in zwei oder mehr
einzelne Flüsse
trennen könnte,
eine zweite Unterabfolge Partikel von einer bestimmten Stelle verteilen
könnte,
eine dritte Unterabfolge zwei getrennte Ströme von Partikeln in einen einzigen
Fluss konzentrieren könnte,
eine vierte Unterabfolge eine Vielzahl von Partikeln in eine Partikelregion
konzentrieren könnte
und Partikel könnten
genauso von Muster zu Muster in einer Vielzahl anderer Arten „bewegt" werden. Eine Vielzahl
von Kombinationen von Unterabfolgen, wie diejenigen, welcher hierin
beschrieben wurden, könnten
in einem einzigen Programm enthalten sein, und diese Unterabfolgen
könnten
sequentiell oder gleichzeitig, je nach Bedarf, verwendet werden,
wobei eine Vielzahl von Typen optischer Gradienten, wie hierin beschrieben,
verwendet werden könnte.
Weil nur sehr wenige beugende optische Elemente erforderlich sind,
um irgendeine der Sequenzen zu realisieren, würde nur eine anspruchslose
Ausarbeitung der vorgeschlagenen Ausführungen erforderlich sein,
um aus einer Sammlung von verfügbaren
Sequenzen für
solche Multistufen-Operationen auszuwählen.
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Zusätzlich ist
es auch möglich,
die vorliegende Erfindung ohne die Verwendung optischer Fallen umzusetzen,
wie es auf konventionelle Weise verstanden wird, um spezifische
optische Gradientenbedingungen, um ein Partikel zu halten, zu erfordern. Zum
Beispiel kann eine Vielzahl von deterministischen optischen Gradienten
aufgebaut werden und in eine Vielzahl von Verteilern und Mustern
eingebaut werden, wie im Allgemeinen oben beschrieben wurde. Diese
optischen deterministischen Gradienten arbeiten, um zu „halten" oder „zurückzuhalten", bilden jedoch nicht
notwendigerweise eine optische Falle für einzelne Partikel in einer
bestimmten Position für eine
ausreichende Dauer von Zeit in Folge, um einen optischen Peristaltikeffekt
zu erzeugen. Mit anderen Worten wird ein wiederholtes zyklisches
Durchlaufen durch erste, zweite und dritte Muster von deterministischen
optischen Gradienten einzelne Partikel entlang eines bestimmten
Pfades bewegen. Die optischen Gradienten sind in einem Sinne deterministisch,
dass die Bedingungen, welche angewandt werden, ausreichend sind,
um das beabsichtigte Ergebnis mit mehr als nur einer reinen Wahrscheinlichkeit des
Erfolges zu erzielen.
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Während bevorzugte
Ausführungsformen der
Erfindung gezeigt worden sind und beschrieben wurden, wird es den
Fachleuten klar sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen
gemacht werden können,
ohne von der Erfindung abzuweichen, wie sie in den Ansprüchen, welche
im Folgenden vorgesehen sind, dargelegt sind.