ES2250661T3 - Bombeo peristaltico optico con trampas opticas. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de transferencia de una partícula entre colectores de trampas ópticas, que comprende las etapas de: proporcionar un haz de luz láser (100), dividir el haz de luz láser en una pluralidad de haces de luz láser adicionales (104), enfocar los haces de luz láser adicionales para establecer una condición de gradiente óptico para cada uno de los haces de láser que, posteriormente, puede retener una partícula (22, 60, 62, 84, 86), proporcionar una pluralidad de patrones (26, 28, 30), incluyendo cada patrón al menos un colector (20, 50, 52, 54, 56) y comprendiendo cada uno de dichos colectores al menos uno de los haces de láser con la condición de gradiente óptico formada a partir de los haces de luz láser con la pluralidad de patrones dispuestos de tal manera que al menos un colector, que comprende cada patrón, está separado por un colector de cada uno de los otros patrones e iluminar y apagar secuencialmente cada uno de la pluralidad de patrones usando los haces de luz láser a intervalos lo suficientemente cercanos, tras apagar el patrón previamente dicho, como para capturar y transferir la partículas desde el al menos un colector hasta un colector adyacente, en el que la captura y la transferencia de la partícula hace que la partícula se desplace desde el al menos un colector de uno de los patrones hasta el colector adyacente del mismo patrón.

Description

Bombeo peristáltico óptico con trampas ópticas.

Campo de la invención

En general, la presente invención está dirigida a un procedimiento y a un aparato para controlar y manipular pequeñas partículas, una masa móvil o una estructura deformable. Más en particular, la presente invención está dirigida a un procedimiento y a un aparato para usar trampas ópticas holográficas para controlar y manipular partículas y volúmenes de sustancia tanto de manera general como de manera compleja.

Antecedentes de la invención

Las trampas ópticas usan fuerzas de gradiente óptico para retener, más preferentemente, volúmenes de sustancia de escala micrométrica tanto en dos como en tres dimensiones. Una forma holográfica de trampa óptica puede usar un elemento óptico difractivo generado por ordenador para crear grandes cantidades de trampas ópticas a partir de un único haz de láser. Estas trampas se pueden disponer en cualquier configuración deseada en función de la necesidad del momento.

Si bien se conocen sistemas para mover partículas de manera precisa y con un grado relativamente elevado de seguridad, los sistemas convencionales necesitan que se proyecte un holograma independiente para cada etapa aislada de movimiento de una partícula. Calcular varios hologramas puede llevar mucho tiempo y exige un importante esfuerzo de cálculo. Además, los sistemas de proyección dirigibles por ordenador, necesarios para poner en práctica trampas ópticas generadas por ordenador, de este tipo, u otros sistemas dinámicos de trampas ópticas, tal como pinzas ópticas con escáner, suelen ser prohibitivamente caros.

Resumen de la invención

Por lo tanto, es un objeto de la invención proporcionar un procedimiento mejorado para manipular partículas y volúmenes de sustancias tanto en procedimientos generales como en procedimientos complejos.

Es un objeto adicional de la invención proporcionar un procedimiento mejorado para mover partículas a todo lo largo de una trayectoria predeterminada con un grado elevado de precisión y seguridad.

Otro objeto más de la invención es proporcionar un procedimiento para manipular partículas y volúmenes de sustancia que elimina la carga de cálculo de conseguir redisposiciones complejas.

De conformidad con los objetos anteriores, la proyección de una secuencia variable de tiempo de patrones de trampa de este tipo posibilita la reconfiguración dinámica de las trampas, actualizando cada nuevo patrón la posición de cada trampa mediante una distancia lo suficientemente pequeña como para que las partículas retenidas en el patrón original caigan de manera natural en una trampa correspondiente del siguiente. Por lo tanto, la presente invención ofrece un procedimiento para llevar a cabo redisposiciones complejas de sustancia realizando ciclos a través de una pequeña cantidad de patrones de trampas ópticas holográficas previamente calculados. Los ciclos se pueden llevar a cabo mecánicamente, eliminando tanto la complejidad de cálculo como el gasto de un sistema de trampas ópticas holográficas totalmente general.

La reivindicación 1 define el procedimiento según la presente invención.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 representa una partícula individual que está retenida en una trampa óptica dentro de un colector de trampas ópticas, en la que la posición del colector está representada con una línea discontinua.

La Figura 2 muestra la transferencia de una partícula individual desde un colector de trampas de un primer patrón hasta un colector de trampas de un segundo patrón.

Las Figuras 3A a 3D muestran la acción operativa de un procedimiento de peristalsis óptica.

La Figura 4 muestra el uso de colectores lineales en paralelo de trampas ópticas para transferir partículas a todo lo largo de una trayectoria lineal normal para los colectores.

La Figura 5A muestra colectores curvos dirigiendo partículas desde la periferia del patrón hacia los centros de curvatura y la Figura 5B muestra esquemáticamente cómo el patrón descrito en la Figura 5A puede introducir partículas en un conducto.

La Figura 6A muestra colectores curvos de manera desigual usados para dividir un flujo de partículas en dos flujos independientes y la Figura 6B muestra colectores curvos de manera desigual para mezclar dos flujos independientes en un único flujo mayor.

La Figura 7A muestra una pluralidad de colectores concéntricos transportando partículas fuera de una zona y la Figura 7B muestra una pluralidad de colectores concéntricos transportando partículas a una zona.

La Figura 8 es una representación de dos partículas moviéndose en respuesta a un campo aplicado externamente y a un patrón de peristalsis óptica.

La Figura 9 muestra dos fases de fraccionamiento óptico, con partículas de un primer tipo transportadas hacia la derecha y partículas de un segundo tipo transportadas hacia la izquierda.

La Figura 10 es una representación de la puesta en práctica de la peristalsis óptica usando trampas ópticas holográficas dinámicas.

La Figura 11 muestra un sistema dinámico de trampas ópticas holográficas usando un modulador espacial de luz dirigido por ordenador en modo transmisión de un tren óptico.

La Figura 12 muestra los ciclos mecánicos de una secuencia de elementos ópticos difractivos, estáticos, generados por ordenador.

La Figura 13 es una representación de un sistema de peristalsis óptica de ciclos mecánicos que usa elementos ópticos difractivos de transmisión, generados por ordenador dispuestos en la periferia de un disco.

La Figura 14 muestra una pluralidad de colectores de trampas ópticas reteniendo un objeto extendido y girando el objeto y

La Figura 15 muestra el uso de colectores de trampas ópticas reteniendo un objeto deformable extendido.

Descripción detallada de las formas de realización preferentes

La peristalsis óptica supone el uso de una secuencia de hologramas previamente calculados proyectados en el tiempo para poner en práctica redistribuciones complejas de grandes cantidades de partículas sobre zonas grandes o seleccionadas. Un aspecto clave de la invención de peristalsis óptica es la transferencia no específica de partículas desde un colector de trampas ópticas de un patrón determinado hasta el patrón siguiente por medio de la intercesión o aplicación de al menos dos patrones intermedios. La intención del término "patrón" es abarcar al menos un colector. La Fig. 1 muestra un colector típico 20 de trampas ópticas 24 dispuesto en una línea recta. Cada una de las trampas 24 es capaz de retener una partícula 22 de interés y las trampas 24 están separadas unas respecto a otras de manera que es poco probable que la partícula 22 pase a través del colector 20 sin caer en una de las trampas disponibles 24 o sin que la bloqueen partículas que ya están en la trampa 24. La partícula 22 está dibujada como una esfera, pero igual podría fácilmente tener una forma irregular o incluso mucho mayor que la separación entre las trampas 24.

El funcionamiento del procedimiento de peristalsis óptica se lleva a cabo apagando el colector 20 de las trampas 24 lo que deja que la partícula 22 se mueva. Si otro patrón de las trampas 24 se ilumina lo suficientemente cerca, una (o más) de las trampas 24 retendrán la partícula 22 en el nuevo patrón. En el caso que se ilustra de las Figs. 3A a 3D un patrón incluye dos de los colectores 20 en línea 23 y 25. No obstante, el patrón siguiente podría incluir sólo uno de los colectores, por ejemplo, a todo lo largo de la línea 27. De hecho, la partícula 22 se transfiere de ese modo desde uno de los colectores 20 de las trampas 24 del primer patrón 26 hasta otro de los colectores 20 de un segundo patrón 28. Este procedimiento se representa, en su forma más sencilla, en la Fig. 2 y se muestra de manera más general en las Figs. 3A a 3D. Para realizar la transferencia de la partícula 22, primero se puede apagar el primer patrón 26 y posteriormente se ilumina el segundo patrón 28, siempre que el intervalo entre los dos patrones 26 y 28 sea lo suficientemente corto como para evitar que la partícula retenida 22 "se aleje" (fuera del gradiente óptico) antes de que la capture la siguiente trampa disponible más próxima 24. Iluminar el segundo patrón 28 antes de apagar el primer patrón 26 también es una forma de realización operativa, si bien es cierto que más complicada de poner en práctica.

Por lo tanto, en una forma de realización de la invención, un patrón de las trampas puede incluir uno o más de los colectores 20 de trampas aisladas 24, tal como pinzas aisladas. Cada uno de los colectores 20 puede incluir varias trampas 24 dispuestas a todo lo largo de una línea o curva unidimensional, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 1, o también en una superficie bidimensional o dentro de un volumen tridimensional. La idea de un patrón de trampas que comprende un conjunto de los colectores 20 es útil para visualizar el procedimiento de peristalsis óptica.

La Fig. 3A muestra, más detalladamente, una de las partículas 22 retenida en un colector 20 de un patrón específico, indicado como el primer patrón 26. El primer patrón comprende dos colectores 50 y 56. Asimismo, se muestran las posiciones de las trampas de los colectores 52 y 54 del segundo patrón apagado 28 (sólo un colector para este patrón) y de un tercer patrón apagado 30 (sólo un colector). En la primera etapa de tiempo, sólo se ilumina el primer patrón 26. En la siguiente etapa de tiempo, representada en la Fig. 3B, se apaga el primer patrón 26 y se ilumina el segundo patrón 28. Esta acción transfiere la partícula 22 desde el primer colector 50 del primer patrón 26 hasta el colector cercano 52 del segundo patrón 28. En la siguiente etapa progresiva de tiempo, que se muestra en la Fig. 3C, se apaga el segundo patrón 28 y se ilumina el tercer patrón 30, volviendo a transferir de ese modo la partícula 22 y esta vez hasta un colector 54 del tercer patrón 30. En la etapa final de tiempo, como se muestra en la Fig. 3D, se apaga el tercer patrón 30 y se vuelve a iluminar el primer patrón 26. Esto transfiere la partícula 22 hasta el primer patrón 26 del colector siguiente 56. Por lo tanto, la peristalsis óptica surge de transferir, de manera determinista, la partícula 22 desde uno de los colectores 20 de un patrón de las trampas ópticas hasta otro de los colectores 20 del mismo segundo patrón 28 realizando ciclos a través de una secuencia de patrones intermedios.

En una forma de realización más preferente de la invención, son necesarios un mínimo de tres de los patrones 26, 28 y 30 para hacer avanzar la partícula 22, de manera determinista, desde un colector 50 de un patrón de trampas hasta el colector siguiente 52. Si sólo se usaran dos de los patrones separados por igual 26 y 28, la partícula 22 podría tener una probabilidad considerable de avanzar hasta el colector siguiente 52 o de volver al colector inicial 50. En otras formas de realización, se pueden usar más de los tres patrones 26, 28 y 30 para transferir una partícula 22 en una dirección específica. Los procedimientos para iluminar o apagar los colectores 20 individuales de trampas ópticas 24 son bien entendidos en la técnica.

Realizar ciclos repetidamente a través de los patrones primero, segundo y tercero 26, 28 y 30, respectivamente, suele mover las partículas 22 de izquierda a derecha, en la disposición que se ha descrito en la Fig. 3. La inversión de la secuencia las conduciría de derecha a izquierda. No obstante, se pueden usar patrones más extensos que comprendan más colectores 20 para transferir las partículas 22 hacia atrás y hacia adelante sobre todo el campo de visión del sistema de trampas ópticas holográficas.

La peristalsis óptica se puede usar de diversos modos para realizar redisposiciones útiles de conjuntos de partículas 22. Estos procedimientos incluyen modificar las formas de los colectores 20 dentro de un patrón de las trampas 24 mediante curvas continuas. Si bien en la presente memoria descriptiva sólo se describe un único patrón en detalle, los expertos en la materia entenderían y reconocerían fácilmente patrones intermedios adicionales necesarios para transferir entre los colectores 20. En los ejemplos que se describen en la presente memoria descriptiva, la dirección de flujo de la partícula se indicará con flechas superpuestas.

La Fig. 4 muestra uno de los patrones 26 a partir de una bomba peristáltica óptica lineal 33. Dos o más patrones (no se muestran) intercalados entre los colectores 20 de este patrón 26 se pueden activar secuencialmente para conducir una o más partículas retenidas 22 de izquierda a derecha. Invertir la secuencia transfiere las partículas 22 de derecha a izquierda. Este patrón, y todos los patrones que se describirán en la presente memoria descriptiva, se pueden orientar en cualquier dirección deseada.

Las Figs. 5A y 5B muestran que los patrones que comprenden colectores curvos 20 se pueden usar para concentrar un flujo de partículas. A la inversa, realizando la misma secuencia hacia atrás dispersa las partículas 22. Esta capacidad sería útil para dirigir las partículas 22 fuera de una zona abierta y dentro de una zona limitada, tal como un depósito. No es necesario que los colectores individuales 20 tengan la misma curvatura y modificar la curvatura puede ser útil en situaciones concretas. Por ejemplo, un patrón de bombeo lineal se puede usar para introducir las partículas 22 en un patrón de enfoque. Las separaciones individuales entre los colectores 20 tampoco tienen que ser iguales. Las zonas de un patrón con formas de los colectores 20 menos separadas suelen transferir partículas 22 de una manera más lenta que las zonas con formas de los colectores 20 más separadas. Los colectores 20 muy juntos suelen concentrar las partículas 22 a todo lo largo de la dirección de movimiento, mientras que los colectores 20 muy separados se pueden usar para extenderlas. Este enfoque podría ser especialmente ventajoso en un patrón de enfoque para evitar el amontonamiento de las partículas 22 cuando están concentradas.

La distribución y la densidad de las trampas 24 a todo lo largo de un colector también se puede usar para controlar el flujo de las partículas 22 entre los colectores 20. Por ejemplo, las trampas 24 pueden estar separadas de manera uniforme a todo lo largo de cada uno de los colectores 20 y alineadas simplemente desde uno de los colectores 20 hasta el siguiente y desde un patrón hasta el siguiente. En otras formas de realización, disposiciones mas complicadas de las trampas 24 a todo lo largo de los colectores 20 y entre patrones se pueden usar para controlar el flujo de partículas 22 a todo lo largo de una secuencia de patrones. Del mismo modo, variar la intensidad, así como la separación, de trampas individuales 24 a todo lo largo de colectores 20 de un patrón puede tener aplicaciones útiles para controlar el transporte de las partículas 22.

La tendencia de los colectores perfilados 20 a dirigir el flujo de las partículas 22 también se puede usar para dirigir las partículas 22 en cualquier patrón complicado deseado. El ejemplo que se muestra en la Fig. 6A muestra los colectores perfilados 20 dirigiendo un flujo de las partículas 22 en dos. Cuando se realiza a la inversa, un patrón de este tipo se podría usar para combinar dos (o más) flujos en uno. Si bien esto puede no ser tan eficaz, dado que las partículas 22 de un flujo seguirán cerca de otras del mismo flujo una vez que los colectores 20 confluyan, aún así se puede sacar provecho del procedimiento.

El ejemplo que se muestra en la Fig. 6B muestra un modo de inducir la mezcla de las partículas 22 de flujos combinados. Este ejemplo muestra que no es necesario desmontar los colectores 20 de un patrón. Los patrones de estos sistemas incluyen una forma cruzada de los colectores 20 en las zonas de mezcla. Los cruces de este tipo pueden ser útiles para intercambiar las partículas 22 entre los flujos inicialmente diferentes. Cruzar o intersecar los colectores sencillos 20 para formar colectores más complejos 20 introduce un elemento probabilístico en la peristalsis óptica. Las partículas 22 tienen distintas direcciones para desplazarse cerca de cada cruce. La dirección que siguen las partículas individuales 22 se determina mediante fuerzas térmicas aleatorias en la transferencia desde un patrón hasta el siguiente en una secuencia. Por lo tanto, los cruces que se muestran en la Fig. 6B pueden llevar a cierto grado de mezcla.

Un patrón de forma cerrada de los colectores 20, tal como el ejemplo que se muestra en las Figs. 7A y 7B, puede transportar las partículas 22 dentro o fuera de una zona. Si el patrón compacta o enrarece la zona depende del orden en que se proyecta la secuencia de patrones. El ejemplo de la Fig. 7A es útil para quitar las partículas 22 de una zona, tal como para facilitar pruebas del fluido en suspensión o mediciones de partículas aisladas 22. Dichos patrones no tienen que ser circulares, ni tienen que estar limitados al plano. En principio, formas bidimensionales de los colectores 20 de los patrones tridimensionales pueden ser útiles para introducir material en un volumen o para sacar material de un volumen.

Además, se debería tener en cuenta que la rivalidad entre las trampas ópticas y otras fuerzas externas puede tener aplicaciones útiles. Por ejemplo, la rivalidad entre las trampas ópticas y otras fuerzas externas podría ser especialmente útil para fraccionar las partículas 22 a partir de una distribución. Como ejemplo, es práctico considerar las partículas 22 arrastradas en un flujo de fluido circundante. Cada una de las partículas 22 es transportada mediante retardo viscoso en el campo de flujo local \upbar{u}(\upbar{r}) con una fuerza \upbar{f} = \gamma\upbar{u} determinada por su coeficiente de retardo \gamma. Para una esfera de radio a en un fluido de viscosidad \eta;, el coeficiente de retardo viene dado por \gamma=6\pi\etaa y aumenta linealmente con el radio de la partícula. Una partícula más grande, cuando se retiene estacionaria frente a un flujo, experimenta una fuerza superior a la de una partícula más pequeña. Si bien la fuerza debida al retardo viscoso es un ejemplo de una fuerza externa, otras tales como las debidas a campos eléctricos o magnéticos también podrían estar relacionadas con esta forma de realización que se describe en la presente memoria descriptiva.

Si la fuerza externa es más débil que la fuerza de gradiente óptico de una de las trampas ópticas 24 determinada, la partícula 22 que se está transportando mediante peristalsis óptica se moverá tanto como se ha descrito anteriormente en la presente memoria descriptiva. Si la fuerza externa es superior a la fuerza de gradiente óptico de la trampa óptica 24, la peristalsis óptica sólo puede perturbar el movimiento de la partícula 22 del campo externo. En el ejemplo idealizado, que se muestra en la Fig. 8, un tipo de la partícula 22 es atraído más enérgicamente hacia las trampas ópticas 24 de lo que es conducido por el campo externo. En el ejemplo que se muestra en la Fig. 8, una primera partícula 60 es más fácil de retener que una segunda partícula 62 o está menos enérgicamente influida por el campo externo que la segunda partícula 62. Por lo tanto, la primera partícula 60 se transporta mediante peristalsis óptica y se puede recoger. La segunda partícula 62 es conducida más enérgicamente por el campo externo y pasa a través del patrón de las trampas 24, quizá desviándose en cierta medida de su trayectoria inicial.

Los dos tipos de las partículas 60 y 62 de la forma de realización de ejemplo, que se muestra en la Fig. 8, se distinguen o bien por su afinidad con las trampas ópticas 24 o bien por su respuesta al campo externo, o por ambas. Eligiendo la distribución espacial, la resistencia y otras características de las trampas ópticas 24 de un patrón de este tipo posibilita el fraccionamiento de las partículas, determinando la selectividad las características físicas diferentes de las partículas.

La técnica de fraccionamiento óptico tiene una serie de ventajas importantes. El fraccionamiento se produce a todo lo largo de la dirección del campo aplicado en electroforesis. El fraccionamiento óptico puede transportar la fracción seleccionada lateralmente. Esto significa que el fraccionamiento óptico puede actuar continuamente, en lugar de una cantidad cada vez. Dado que el fraccionamiento óptico se basa en la tecnología de trampas ópticas holográficas, se puede adaptar fácilmente a diferentes problemas de fraccionamiento.

Por ejemplo, se pueden aplicar varias fases de fraccionamiento óptico una detrás de otra usando el mismo procedimiento y aparato. Ajustando cada fase para extraer una fracción específica de una muestra de varios componentes inicialmente mezclada separará la muestra en cada uno de sus componentes, desplazando de manera adecuada los componentes clasificados lateralmente fuera del flujo y quizá transportándolos hasta conductos o depósitos usando técnicas que se han descrito previamente.

La forma de realización de ejemplo que se muestra en la Fig. 9 añade una única fase de fraccionamiento incluyendo una segunda fase de fraccionamiento óptico. La fuerza externa que conduce las partículas 22 a través de la zona se dirige hacia abajo. Un primer patrón, indicado con el número 80 en la Fig. 9, selecciona partículas del primer tipo 84 y las mueve hacia la derecha, desviando partículas del segundo tipo 86, pero sin recogerlas. La segunda fase de fraccionamiento, parte indicada con el número 82, puede ofrecer ejemplos de las trampas 24 más intensos o con menos separación, pudiendo desviar partículas 22 del segundo tipo 86 fuera de la fuerza externa. Como se muestra, este segundo patrón de fase 82 transporta a la izquierda, aumentando aún más la separación entre las fracciones 84 y 86. Si bien las dos fases de fraccionamiento se presentan como independientes, desde un punto de vista conceptual, se podrían poner en práctica como un único patrón de los colectores de trampas ópticas 20. Asimismo, este procedimiento se puede generalizar para que incluya más fases y para que incorpore la transferencia de partículas fraccionadas para su recogida.

Como se ha analizado anteriormente, la peristalsis óptica funciona realizando ciclos repetidamente a través de una secuencia de patrones de trampas. Los sistemas dinámicos holográficos, que se representan esquemáticamente en las Figs. 10 y 11, son una puesta en práctica totalmente general. En este caso, un modulador espacial de luz dirigido por ordenador 102 crea la configuración de haces de luz 104 necesarios para poner en práctica un patrón determinado de trampas ópticas 114 codificando, la modulación de fase necesaria, en el frente de onda de un haz de láser de entrada 100. En principio, un sistema de este tipo puede poner en práctica cualquier secuencia de patrones de trampas y, por lo tanto, cualquier variante de peristalsis óptica. No obstante, en la práctica el modulador espacial de luz 102 tiene limitaciones físicas, tal como resolución espacial, que limitan la complejidad de los patrones que codifica. Asimismo, los moduladores espaciales de luz 102 de este tipo suelen ser caros.

En la forma de realización que se muestra en la Fig. 10, la peristalsis óptica se puede llevar a cabo con las trampas ópticas holográficas dinámicas 114, de lo que se muestra una puesta en práctica típica. Un haz de láser de entrada 100 se refleja fuera de la superficie del modulador espacial de luz dirigido por ordenador (SLM) 102. El SLM 102 codifica un patrón de cambios de fase generado por ordenador en el frente de onda del haz 100, dividiéndolo de ese modo en uno o más haces de láser independientes 104, emanando cada uno del punto 107 del centro de la superficie del SLM 102. Las lentes 108 y 110 transmiten cada uno de dichos haces de láser 104 al punto conjugado 112 del centro de la abertura posterior de una lente objetivo con alto NA 112. Esta lente del objetivo 112 enfoca cada uno de los haces de láser 104 en una trampa óptica independiente 114, de los que, a efectos de claridad, sólo se muestra uno en la Fig. 10. Un espejo dicroico 116 refleja la luz de retención en la lente del objetivo 112 a la vez que permite que pase la iluminación de formación de imágenes, permitiendo de ese modo que se formen imágenes de las partículas que se están reteniendo. La actualización de la modulación de fase codificada por el SLM 102 hace que aparezca un nuevo patrón de las trampas 114. Realizando ciclos a través de una secuencia de patrones de peristalsis óptica, de este modo, se pone en práctica el procedimiento de peristalsis óptica correspondiente. Dado que el software de este sistema se puede reconfigurar, representa una puesta en práctica general de peristalsis óptica. En otra forma de realización que se muestra en la Fig. 11, el sistema dinámico de trampas ópticas holográficas usa un modulador espacial de luz dirigido por ordenador en modo transmisión 200 en un tren óptico similar al de la Fig. 10. Asimismo, este sistema se puede usar para poner en práctica la peristalsis óptica realizando ciclos a través de una secuencia de patrones de trampas.

La puesta en práctica de la peristalsis óptica no exige necesariamente la generalidad y la capacidad de reconfiguración que ofrece un sistema dinámico de trampas ópticas holográficas. En lugar de esto, preferentemente, la puesta en práctica de la peristalsis óptica usa un sistema de trampas ópticas holográficas capaz de proyectar una (pequeña) secuencia de patrones estáticos. En su forma preferente más sencilla, la peristalsis óptica se puede poner en práctica realizando ciclos mecánicamente a través de una secuencia de patrones de fase para poner en práctica una secuencia correspondiente de patrones de trampas ópticas holográficas. En la Fig. 12 aparece una forma de realización especialmente útil. Como se muestra en la Fig. 12, los patrones de fase necesarios para poner en práctica un procedimiento de peristalsis óptica específico se codifican en el relieve de superficie de los elementos ópticos difractivos de refracción 304, 306 y 308. Estos elementos 304, 306 y 308 se montan en la superficie de un prisma 300 y un motor 302 hace girar cada uno de ellos para colocarlos en su sitio. Invirtiendo el giro del motor se invierte la secuencia de patrones y, por lo tanto, la dirección de la peristalsis óptica. El giro del prisma 300 con el motor 302 orienta cada uno de los patrones en el haz de láser de entrada, de manera que los haces difractados creados por los elementos ópticos difractivos alineados 304, 306 y 308 crean trampas ópticas 114. La peristalsis óptica se pone en práctica moviendo gradualmente el motor 302 a través de cada uno de los patrones secuencialmente. Si se desea o si es necesario, se puede hacer uso de prismas con más de tres patrones.

El montaje de una serie de elementos ópticos difractivos de refracción, fijos, 304, 306 y 308 en la superficie de un prisma giratorio 300 puede tener otros usos en los procedimientos de trampas ópticas holográficas. Del mismo modo, se pueden situar elementos ópticos difractivos de transmisión 404, 406, 408 y 410 en la periferia de un disco 312 y hacerlos girar en el haz 100, como se muestra en la Fig. 13, o en un tren óptico de refracción secuencialmente. Esto también tiene posibles aplicaciones distintas de la peristalsis óptica. Por ejemplo, en la Fig. 13, cada uno de los elementos ópticos difractivos 404, 406, 408 y 410 se hace girar en el tren óptico para proyectar un patrón de la secuencia de peristalsis óptica.

Los elementos ópticos difractivos de refracción o transmisión estáticos se pueden fabricar con tamaños característicos hasta el límite de difracción, pueden tener una codificación de fase fundamentalmente continua y, por lo tanto, pueden poner en práctica una mayor variedad de patrones de trampas más complicados de lo que pueden los moduladores espaciales de luz. Los elementos de este tipo se pueden fabricar de un modo mucho más económico y no necesitan un ordenador para funcionar. Se puede modificar la secuencia de patrones, en un sistema de este tipo, modificando el prisma o disco de elementos ópticos difractivos. En este sentido, esta puesta en práctica es menos general que la que se basa en moduladores espaciales de luz dirigidos por ordenador.

Dado que sólo es necesaria una pequeña cantidad de elementos ópticos difractivos previamente calculados para poner en práctica la peristalsis óptica, también se pueden usar rejillas de difracción de cambio de fase conmutables. Las ventajas de un enfoque de este tipo incluyen, por ejemplo: libertad para mover partes que se pueden desalinear y desgastar, la ausencia de motores que producen vibración e irradian campos eléctricos y magnéticos aislados, reducción en las necesidades de potencia y compactibilidad mejorada.

Codificar hologramas de fase de alta calidad en medios de película permitirá que se ponga en práctica la peristalsis óptica con el equivalente de bucles de película. Ofreciendo ciclos de alta velocidad a través de grandes cantidades de elementos ópticos difractivos, las puestas en práctica, basadas en películas, de trampas ópticas holográficas tendrán aplicaciones distintas de la peristalsis óptica.

La peristalsis óptica también puede ser útil para partículas y otros materiales, tales como células biológicas que son mayores que la separación física entre las trampas de un patrón de peristalsis óptica. Igualmente, materiales tales como proteínas, ADN o moléculas se podrían, asimismo, manipular usando peristalsis óptica. Un objeto grande retenido en un patrón de trampas ópticas de "cama de agujas", aún así se puede mover trasladando la cama de agujas. No obstante, en lugar de definir una única zona de trampas, un patrón de peristalsis óptica puede establecer un gran campo de trampas adecuado para inmovilizar un objeto grande donde quiera que se encuentre. La actualización del patrón con pequeños desplazamientos, como se ha descrito anteriormente, desplazará todo el objeto. Posibles aplicaciones incluyen trasladar una muestra extendida a una zona en la que se puede someter a pruebas, girar el objeto para examinarlo o deformar, de manera controlable, el objeto. Por ejemplo, en la forma de realización de la Fig. 14, los colectores 20 de las trampas ópticas incluidas se muestran reteniendo un objeto extendido 80. La actualización del patrón con los colectores 20 tenderá a girar el objeto extendido 80. Del mismo modo, la Fig. 15 muestra los colectores 20 de las trampas ópticas reteniendo un objeto deformable extendido 82. El objeto 82 es retenido más enérgicamente por zonas más densas de trampas y el movimiento de estas zonas hacia el exterior de patrones posteriores tiende a estirar el objeto 82.

Cada secuencia de peristalsis óptica lleva a cabo una operación específica. En algunas aplicaciones, puede ser aconsejable llevar a cabo una serie de operaciones de peristalsis óptica, con el orden de las series dependiendo quizá del resultado de las operaciones precedentes. Por ejemplo, la peristalsis óptica se puede usar para mover una célula viva al centro de un campo de visión de un microscopio para su observación reproducible. Posteriormente, se podría llevar a cabo una segunda secuencia para girar la célula a una orientación deseada. Posteriormente, una tercera secuencia puede poner en práctica una prueba específica. A partir del resultado de dicha prueba, se pueden seleccionar secuencias de peristalsis óptica adicionales para recoger la célula o desecharla. Cada una de estas secuencias se puede calcular previamente, eliminando de ese modo gran parte de la carga de cálculo del sistema de trampas ópticas holográficas. Del mismo modo, en un único programa se podrían incorporar diferentes secuencias secundarias de operaciones de peristalsis óptica, en el que una primera secuencia secundaria podría separar las partículas en dos o más flujos diferentes, una segunda secuencia secundaria podría dispersar las partículas de una posición específica, una tercera secuencia secundaria podría mezclar dos corrientes de partículas independientes en un único flujo, una cuarta secuencia secundaria podría concentrar una pluralidad de partículas en una zona de partículas y, asimismo, las partículas se podrían "mover" de patrón a patrón de diversos modos. Se podrían incorporar varias combinaciones de secuencias secundarias, tales como las que se describen en la presente memoria descriptiva, a un único programa y dichas secuencias secundarias se podrían usar secuencialmente y/o simultáneamente, según sea necesario, usando varios tipos de gradientes ópticos, según se describe en la presente memoria descriptiva. Dado que son necesarios muy pocos elementos ópticos difractivos para poner en práctica cualquiera de las secuencias, sólo será necesaria una elaboración moderada de las puestas en práctica propuestas para seleccionar entre un grupo de secuencias disponibles para operaciones de múltiples fases de este tipo.

Además, también se puede practicar la presente invención sin el uso de trampas ópticas, como se entiende convencionalmente, es decir, que necesita condiciones de gradiente óptico específicas para retener una partícula. Por ejemplo, se puede establecer una pluralidad de gradientes ópticos deterministas e incorporarlos a una pluralidad de colectores y patrones, como se han descrito, en general, anteriormente. Estos gradientes ópticos deterministas actúan para "retener" o limitar, pero no necesariamente formar, una trampa óptica para partículas individuales en una posición específica durante un período de tiempo suficiente, en secuencia, para generar un efecto de peristalsis óptica. Es decir, realizar ciclos repetidamente a través de un primer, un segundo y un tercer patrón de gradientes ópticos deterministas moverá las partículas individuales a todo lo largo de una trayectoria indicada. Los gradientes ópticos son deterministas en el sentido de que las condiciones que se aplican son suficientes para conseguir el resultado deseado con más de sólo una mera probabilidad de éxito.

Si bien se han mostrado y descrito formas de realización preferentes de la invención, resultará evidente para los expertos en la materia que se pueden realizar diversos cambios y modificaciones sin apartarse de la invención, según se expone en las reivindicaciones que se proporcionan a continuación en la presente memoria descriptiva.

Claims (11)

1. Un procedimiento de transferencia de una partícula entre colectores de trampas ópticas, que comprende las etapas de:

proporcionar un haz de luz láser (100),

dividir el haz de luz láser en una pluralidad de haces de luz láser adicionales (104),

enfocar los haces de luz láser adicionales para establecer una condición de gradiente óptico para cada uno de los haces de láser que, posteriormente, puede retener una partícula (22, 60, 62, 84, 86),

proporcionar una pluralidad de patrones (26, 28, 30), incluyendo cada patrón al menos un colector (20, 50, 52, 54, 56) y comprendiendo cada uno de dichos colectores al menos uno de los haces de láser con la condición de gradiente óptico formada a partir de los haces de luz láser con la pluralidad de patrones dispuestos de tal manera que al menos un colector, que comprende cada patrón, está separado por un colector de cada uno de los otros patrones e iluminar y apagar secuencialmente cada uno de la pluralidad de patrones usando los haces de luz láser a intervalos lo suficientemente cercanos, tras apagar el patrón previamente dicho, como para capturar y transferir la partículas desde el al menos un colector hasta un colector adyacente, en el que la captura y la transferencia de la partícula hace que la partícula se desplace desde el al menos un colector de uno de los patrones hasta el colector adyacente del mismo pa- trón.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que los colectores de cada uno de los patrones están alineados sustancialmente paralelos entre sí y en el que la partícula se desplaza a todo lo largo de una trayectoria sustancialmente lineal normal a los colectores de cada uno de los patrones.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que los colectores de cada uno de los patrones incluyen un radio de curvatura y en el que la partícula se desplaza a todo lo largo de una trayectoria sustancialmente hacia el centro de curvatura de cada uno de los colectores.

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que una pluralidad de partículas se transfieren a través de cada uno de los colectores y cada uno de los colectores está dispuesto concéntricamente a fin de concentrar la pluralidad de partículas en una zona específica o dispersar la pluralidad de partículas fuera de una zona específica.

5. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que una pluralidad de partículas se transfieren a través de cada uno de los colectores y que comprende además la etapa de aplicar un campo externo a cada una de la pluralidad de partículas, en el que la iluminación y el apagado secuencial de cada uno de los patrones, usando los haces de luz láser, modifica la dirección de al menos algunas de las partículas respecto a la dirección que habrían tomado las partículas únicamente en presencia del campo externo.

6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que el campo aplicado actúa a fin de no modificar la dirección de al menos algunas de las partículas cuando se desplazan desde un colector hasta el siguiente colector inmediatamente adyacente.

7. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que una pluralidad de partículas se transfieren a través de cada uno de los colectores y en el que al menos una de las partículas forma parte de una masa que es mayor que la separación física entre las trampas ópticas individuales de cada uno de los colectores y en el que el movimiento de la al menos una de las partículas desde un colector hasta el colector siguiente adyacente tiene como resultado una deformación física de la masa.

8. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que una pluralidad de partículas se transfiere a través de cada uno de los colectores y en el que la partícula es parte de una masa que es mayor que la separación física entre las trampas ópticas individuales de cada colector y en el que el movimiento de la partícula desde un colector hasta el colector siguiente inmediatamente adyacente tiene como resultado un giro físico de la masa.

9. El procedimiento según se define en la reivindicación 1, en el que la pluralidad de patrones comprende al menos un primer, un segundo y un tercer patrón.

10. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la partícula comprende parte de un medio biológico.

11. El procedimiento según se define en la reivindicación 1, en el que la condición de gradiente óptico comprende una condición de trampa óptica.