JP2008536129A - 液体コア導波路内における光学的分類のための装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】粒子/細胞を分類するために液体コア導波路を使用可能にする。
【解決手段】本発明は、液体コア導波路内に形成された複数のカスタマイズ光度パターンを結合し、導波路の流体媒体内を流れる粒子(すなわち、細胞、血液、ナノ粒子など)の懸濁液を希釈することによって、液体コア導波路内を流通する流体媒体中の粒子を分類するための装置に関する。導波路内に閉じ込められた光によって導入される光学的な力を制御するこの様なカスタマイズ光度パターンと、液体流(または、マルチチャンネル液体流)によって導入される流体力学的な力の制御とにより、粒子の分類を達成することができる。
【選択図】図1
【解決手段】本発明は、液体コア導波路内に形成された複数のカスタマイズ光度パターンを結合し、導波路の流体媒体内を流れる粒子(すなわち、細胞、血液、ナノ粒子など)の懸濁液を希釈することによって、液体コア導波路内を流通する流体媒体中の粒子を分類するための装置に関する。導波路内に閉じ込められた光によって導入される光学的な力を制御するこの様なカスタマイズ光度パターンと、液体流(または、マルチチャンネル液体流)によって導入される流体力学的な力の制御とにより、粒子の分類を達成することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、液体コア導波路内に形成された複数のカスタマイズ光度パターンを結合し、導波路の流体媒体内を流れる粒子(すなわち、細胞、血液、ナノ粒子など)の懸濁液を希釈することによって、液体コア導波路内を流通する流体媒体中の粒子を分類(分級)するための装置に関する。導波路内に閉じ込められた光によって導入される光学的な力を制御するこの様なカスタマイズ光度パターンと、液体流(または、マルチチャンネル液体流)によって導入される流体力学的な力の制御とにより、粒子の分類を達成することができる。
関連出願への相互参照
本出願は、2005年4月8日出願の米国特許仮出願No.60/669,357の優先権を主張し、この出願の全内容は、ここに引用により組み込まれるものとする。
液体コア光導波路(光ガイドとしても公知)は、液体コア内に位置する液体サンプル中で生成された蛍光または発光を診断目的のための光検出器として結合するために使用されてきた。
本出願は、2005年4月8日出願の米国特許仮出願No.60/669,357の優先権を主張し、この出願の全内容は、ここに引用により組み込まれるものとする。
液体コア光導波路(光ガイドとしても公知)は、液体コア内に位置する液体サンプル中で生成された蛍光または発光を診断目的のための光検出器として結合するために使用されてきた。
固有モードは、空間光モジュレータ(SLM)を介して成功裏にマルチモード光ファイバに出射されている下記非特許文献1参照が、使用する光ファイバが固体コアを有するので、単に光用導管として有用なだけである。さらに、固体コアを有する光ファイバは、特定の固有モードでの出射のための回折光学素子と共に使用されてきたが、その目的は、単に伝搬特性を研究することにあった。
F.Dubois,外2名,Optics Letters,Vol.19, No.7,April 1,1994 D.McGloin,外1名,Contemporary Physics,Vol.46,No.1,Jan−Feb 2005,15−28
F.Dubois,外2名,Optics Letters,Vol.19, No.7,April 1,1994 D.McGloin,外1名,Contemporary Physics,Vol.46,No.1,Jan−Feb 2005,15−28
しかし、上記の実験には、粒子/細胞を分類するために液体コア導波路を使用可能であることを示すものはない。
本発明は、液体コア導波路内に形成された複数のカスタマイズ光度パターンを結合し、導波路の流体媒体内を流れる粒子(すなわち、細胞、血液、ナノ粒子など)の懸濁液を希釈することによって、液体コア導波路内を流通する流体媒体中の粒子を分類するための装置に関する。導波路内に閉じ込められた光によって導入される光学的な力を制御するこの様なカスタマイズ光度パターンと、液体流(または、マルチチャンネル液体流)によって導入される流体力学的な力の制御とにより、粒子の分類を達成することができる。
本発明において、光場における光子が運動量を保持し、この運動量は屈折率不整合によって表面に伝達されることを注記しておく。したがって、周囲の媒体よりも高屈折率を有する微視的な粒子/細胞は、高開口率の顕微鏡対物レンズによって厳密に合焦された光により捕捉される。この焦点スポットは、光学トラップとして機能する。光学トラップにおいて粒子に作用する力には、2つのタイプがある。すなわち、粒子を光線に沿って下流側に押す散乱力(粒子への光子運動量の移行)と、粒子全体の光度勾配の関数であり、正味勾配力がゼロであるトラップ中心に粒子を引き寄せる勾配力である。高開口率の対物レンズによって、高勾配力の付与が可能であり、粒子を捕捉することなく、光線に沿って下流側に押す散乱力の競合傾向が相殺される。粒子に対する捕捉力は、光度分布、偏光、波長、粒子の屈折率、粒子の周囲の液体媒体の屈折率、粒子の形状の関数である。したがって、屈折率および/または形状が異なる粒子は、異なる量の光学的な力を感知する。
本発明は、異なる粒子に作用する異なる光学的な力に基づいて粒子を分類するために、この原理を利用している。例えば、流体流が存在する場合には、光学的に捕捉された粒子は、付加的な流体力学的なドラッグ力を感知し、同一の光学トラップにおいて捕捉されると、この様なドラッグ力は、あるタイプの粒子を排除し、他のタイプの粒子を排除しないようにするのに充分である。
上記の光学的捕捉形態において、焦点に収束して光学トラップを形成する光は、その後に発散するので、他の捕捉パターンの形成には役立たない。本発明は、長手方向に沿って光度パターンを維持するように設計された長尺構造体を介して粒子に光学的な力を付与可能な装置を含む。この様な長尺構造体または流通管は、希釈粒子濃度を有する液体で満たされている。流通管に出射される光は、反射性内面、または、流通管内において光の内部全反射が可能な材料によって、流通管内に閉じ込められたままである(すなわち、液体コア光導波路の定義)。通常、流通管の断面寸法が光の波長より有意に大きいので、流通管は、マルチ固有モードまたは流通管の長手方向に一定のプロファイルを有する光パターンを光学的に支援する(すなわち、流通管は、液体コア光導波路として機能する)。
例えば、円筒形状の流通管においては、ベッセル関数により定義される固有モードを支援可能である。本発明によって、任意の固有モードを含む任意の光パターンを流通管(液体コア光導波路)に出射することができる。固有モードを流通管に出射する利点は、光の断面パターンが流通管の長手方向に維持され、光が流通管の長手方向に沿って光学的な力を多数の粒子に付与できるように、光の再利用が可能であることである。
本発明において、コンピュータ制御の空間光モジュレータまたは静的回折光学素子を使用して、液体コア導波路において所望の光パターン(すなわち、固有モード、ベッセルビームなど)を生成するために、レーザ源の波面セグメント全体に位相遅延を付与する。
本発明に整合する一実施形態においては、粒子/細胞分類装置は、カプリング光学素子を介して導かれる光を出力するレーザなどの光源から光を内部に導く液体コア導波路を備えている。カプリング光学素子は、液体コア導波路に「カスタム光度パターン」を導く空間光モジュレータ(SLM)などのコンピュータ制御の回折光学素子(DOE)を備えている。液体コア導波路は、外側部分と、内面を有する中央空洞部とを備えている。粒子/細胞の希釈懸濁液は、液体入力領域を介して導波路の空洞部に入力される。空洞部を流通する溶液は、導波路の全長を移動して、発生させたカスタム光度パターンにさらされた後、収集領域に流出し、そこで溶液が成分パーツに分離される。空洞部の内面にはコーティングを設けてもよく、導波路に出射された「カスタム光度パターン」または固有モードを支援可能な機能性導波路を形成するために、内部全反射が可能な反射性材料で形成することができる。
本発明に整合する一実施形態においては、粒子/細胞分類装置は、カプリング光学素子を介して導かれる光を出力するレーザなどの光源から光を内部に導く液体コア導波路を備えている。カプリング光学素子は、液体コア導波路に「カスタム光度パターン」を導く空間光モジュレータ(SLM)などのコンピュータ制御の回折光学素子(DOE)を備えている。液体コア導波路は、外側部分と、内面を有する中央空洞部とを備えている。粒子/細胞の希釈懸濁液は、液体入力領域を介して導波路の空洞部に入力される。空洞部を流通する溶液は、導波路の全長を移動して、発生させたカスタム光度パターンにさらされた後、収集領域に流出し、そこで溶液が成分パーツに分離される。空洞部の内面にはコーティングを設けてもよく、導波路に出射された「カスタム光度パターン」または固有モードを支援可能な機能性導波路を形成するために、内部全反射が可能な反射性材料で形成することができる。
別の実施形態において、導波路の外側部分は、空洞部を流通する溶液よりも低い屈折率を有する材料で形成可能であり、これにより同様の結果が達成される。
本発明に整合する他の実施形態は、円筒形状の導波路におけるドーナツ形状の固有モード(すなわち、ベッセル関数)を含む。固有モードがベッセル関数である場合、光入力はベッセルビームである。分類のための粒子/細胞の溶液が貯留槽から入力されると、高屈折率を有する粒子は、優先的に管状の光またはドーナツ領域に引き寄せられるが、低屈折率を有する粒子は、中央領域に留まる。粒子は、導波路の下流側において環状の収集出力部を介して異なる収集画分に収集される。
本発明に整合する他の実施形態は、円筒形状の導波路におけるドーナツ形状の固有モード(すなわち、ベッセル関数)を含む。固有モードがベッセル関数である場合、光入力はベッセルビームである。分類のための粒子/細胞の溶液が貯留槽から入力されると、高屈折率を有する粒子は、優先的に管状の光またはドーナツ領域に引き寄せられるが、低屈折率を有する粒子は、中央領域に留まる。粒子は、導波路の下流側において環状の収集出力部を介して異なる収集画分に収集される。
本発明に整合する他の実施形態において、カプリング光学素子、空間光モジュレータ(SLM)を介して光源から光を内部に導入する液体コア導波路を備えた粒子/細胞分類装置は、マルチ固有モードまたは一連の経時変化固有モードを液体コア導波路に導入し、液体コア導波路は、分類に使用する横断面光度プロファイルにおいて時間依存性の制御変化を生成する。
光を内部に導入する液体コア導波路を含む粒子/細胞分類装置の他の実施形態において、固有モードを選択的にファイバに出射することができ、分類すべき粒子/細胞を含む溶液が導入される流体入力部により制御される流体力学的な力と重力とを、導波路内の光学的な力と組み合わせて、分類のために所望の粒子を選択的に出口収集領域に導く。
別の実施形態において、電極を用いて印加される電場または磁場を、例えば、導波路内の光学的な力と組み合わせて使用して、異なる出力チャンネルへの粒子の分類を支援する。
別の実施形態において、電極を用いて印加される電場または磁場を、例えば、導波路内の光学的な力と組み合わせて使用して、異なる出力チャンネルへの粒子の分類を支援する。
更に別の実施形態においては、光源と、空間光モジュレータを含むカプリング光学素子とからの光は、導波路に導かれ、光学特性および密度に基づく分類の目的のために、密度勾配チャンバを含む液体コア導波路を備えた遠心分離機に組み込まれる。遠心分離機に組み込まれる装置は、溶液中のナノ粒子画分を分離するために、更なる物理的なパラメータを提供する(すなわち、密度と組み合わせた光場に対する差分応答の結果としての分別)。
本発明に整合する更に他の実施形態において、分類のためのある特定の固有モードまたは「カスタム光度パターン」は、液体コア導波路に導入されるベッセルビーム(固有モードの一例)を使用する。高光度光のベッセルビーム光度パターンまたはラインに曝される液体コア導波路媒体内を流れる対象物(すなわち、粒子、細胞、ナノ粒子など)を光学的な力で捕捉して、光軸で定義されるラインに沿って閉じ込めることができる。
ベッセルビームは、光軸に沿って部分的に遮られた後で再形成されるが、本発明に開示されているように、光線の再生の別の方法としては、反射性/内部全反射性の中空コアシリンダ(液体コア導波路)内にビームを出射する方法がある。
本発明に整合する本実施形態の一例において、装置は、反復ベッセルビームの実施を含み、レーザと、アキシコンと、高反射性のサブ波長(subwavelength:波長以下レベルの)粗さの内面を有するシリンダとを備えている。シリンダまたは導波路の反射性の内面によって、光線は、集束してベッセルビームを形成した後、光軸に向かって逆反射されるので、別のベッセルビームが再形成される。
本発明に整合する本実施形態の一例において、装置は、反復ベッセルビームの実施を含み、レーザと、アキシコンと、高反射性のサブ波長(subwavelength:波長以下レベルの)粗さの内面を有するシリンダとを備えている。シリンダまたは導波路の反射性の内面によって、光線は、集束してベッセルビームを形成した後、光軸に向かって逆反射されるので、別のベッセルビームが再形成される。
本発明に整合する粒子/細胞分類装置の例示的な一実施形態においては、光を液体コア導波路または共鳴キャビティに閉じ込めることが可能である。導波路を使用する実施形態において、導波路は、フローチップに組み込まれており、このフローチップを使用して、導波路の周囲に溶液を導き、導波路の側面のナノ多孔入力孔を通過させる。流体中に浮遊するナノ粒子は、導波路内においてカスタム光パターンと相互作用し、その位置が変位するので、反対側において粒子が流体流によって導波路外に搬送されると、ナノ粒子は、異なる出力チャンネルに容易に分類される。
別の実施形態において、共鳴キャビティは、フローチップに組み込まれており、通常、光を最初にレーザからシステムへと出射するための部分反射性の一方の端部ミラーと、全反射性の他方の端部ミラーとを有する。
本発明に整合する他の実施形態において、粒子/細胞分類装置は、ナノ多孔膜を用いた端部を介して、溶液流全体を液体コア導波路内へと導入可能な構造体を備え、溶液全体が、液体コア導波路内において光場と相互作用可能となっている。
本発明に整合する他の実施形態において、粒子/細胞分類装置は、ナノ多孔膜を用いた端部を介して、溶液流全体を液体コア導波路内へと導入可能な構造体を備え、溶液全体が、液体コア導波路内において光場と相互作用可能となっている。
本発明に整合する更に他の実施形態において、粒子/細胞分類装置は、ナノ粒子フローチャンネルに接続された共鳴キャビティでもある液体コア導波路を使用し、全流れを導波路内において光場と相互作用させることが必要である。
本発明に整合する更に他の実施形態において、液体コア導波路は、非円筒形状の対称性(すなわち、例えば矩形など)を有していてもよい。
本発明に整合する更に他の実施形態において、液体コア導波路は、非円筒形状の対称性(すなわち、例えば矩形など)を有していてもよい。
本発明に整合する更に他の実施形態において、流れの一部のみが、サブ波長開口部を介して液体コア導波路からの光に導入または暴露される。
本発明に整合する他の実施形態において、上記のように、光場は、コンピュータ制御の空間光モジュレータにより導入される固有モードの展開セットであってもよく、差分光学的同調に基づく分類が可能となる。チャンバ/キャビティの端部において、流れの最終的な平衡位置に基づいて、流れを個々の画分に分類してもよい。
本発明に整合する他の実施形態において、上記のように、光場は、コンピュータ制御の空間光モジュレータにより導入される固有モードの展開セットであってもよく、差分光学的同調に基づく分類が可能となる。チャンバ/キャビティの端部において、流れの最終的な平衡位置に基づいて、流れを個々の画分に分類してもよい。
最後に、本発明に整合する他の実施形態において、上記のように、光と相互作用する粒子を分類して、粒子ではなく残留溶液を収集することによって、導波路内に流入する液体溶液を浄化してもよい。
以下の詳細な説明をよりよく理解するため、さらに、当業への貢献をよりよく理解するために、本発明に整合する特徴をこのように概説してきた。もちろん、下記に説明するような本発明に整合する更なる特徴も存在し、添付の特許請求の範囲の主題を構成している。
以下の詳細な説明をよりよく理解するため、さらに、当業への貢献をよりよく理解するために、本発明に整合する特徴をこのように概説してきた。もちろん、下記に説明するような本発明に整合する更なる特徴も存在し、添付の特許請求の範囲の主題を構成している。
この点において、本発明に整合する少なくとも一つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明が、以下の説明や図面に記載されている構成の詳細や部材構成にその適用が限定されないことを理解すべきである。本発明に整合する方法および装置は、他の実施形態でも可能であり、様々な方法で実施、実践可能である。また、ここで使用される語法および用語は、以下の要約書も同様に、説明目的であり、限定と見なすべきではないと理解するものとする。
この様に、当業者は、この開示の基礎となる概念が、本発明の目的を実行するための他の構造、方法およびシステムを設計するための基礎として容易に利用可能であることを理解するであろう。したがって、この様な均等構成も、本発明に整合する方法および装置の趣旨および範囲から逸脱しない限り、特許請求の範囲に含まれるものと見なすことが重要である。
本発明は、導波路と、導波路内で作用する光学的な力とを含む装置に関連し、粒子の分類(分級)のために液体コア導波路にカスタム光度パターンを入力するという新規なアイデアと、この様な固有モードの導入方法に関する詳細を紹介する。本発明の用途の1つに、血液分類がある。
光は、浮遊する粒子または細胞に比較的小さな放射圧を付与する(主に、細胞と血漿との間の屈折率の若干の不整合に起因する)。「光」は、通常、可視光を指すが、紫外線(UV)200nm〜近赤外線(2,500nm)の範囲の波長を有する電磁スペクトルの全領域を含む。粒子または細胞の分散懸濁液において、溶液中の異なる成分に対する放射圧の差分作用を粒子/細胞分類の基礎として使用することができる。
光は、浮遊する粒子または細胞に比較的小さな放射圧を付与する(主に、細胞と血漿との間の屈折率の若干の不整合に起因する)。「光」は、通常、可視光を指すが、紫外線(UV)200nm〜近赤外線(2,500nm)の範囲の波長を有する電磁スペクトルの全領域を含む。粒子または細胞の分散懸濁液において、溶液中の異なる成分に対する放射圧の差分作用を粒子/細胞分類の基礎として使用することができる。
高効率の分別目的で、細胞/粒子画分の有意な偏位を達成するために、流通する粒子/細胞との光の相互作用時間を長くしなければならない。本発明の一実施形態では、液体コア導波路101と称する同一の幾何構造に光および粒子/細胞流を閉じ込めることによって、高い光度および長い相互作用時間を可能とする装置100について説明する。
図1は、液体コア導波路101を含む粒子/細胞分類装置100の一実施形態を示す概略図である。装置101は、カプリング光学素子103を介して液体コア導波路101へと導かれる光を出力するレーザなどの光源102を備えている。
図1は、液体コア導波路101を含む粒子/細胞分類装置100の一実施形態を示す概略図である。装置101は、カプリング光学素子103を介して液体コア導波路101へと導かれる光を出力するレーザなどの光源102を備えている。
カプリング光学素子103は、空間光モジュレータ(SLM)などのコンピュータ制御回折光学素子(DOE)105上に光を導くレンズ104を備えている。回折光線は、ジンバル搭載ミラー106に入射し、レンズ107で変換されて、別のジンバル搭載ミラー108に入射し、光入力窓109を介して液体コア導波路101に入力される。
この様にして、例えば、コンピュータ制御空間光モジュレータ105およびレンズ104、107を介して光線を照射するレーザ102によって、コンピュータ生成ホログラムが生成される。レンズは、光線絞りとして機能するので、光線は、液体コア導波路101の開口部へと効率よく接続される。この様にして、「カスタム光度パターン」を生成して、液体コア導波路101へと出射する。
この様にして、例えば、コンピュータ制御空間光モジュレータ105およびレンズ104、107を介して光線を照射するレーザ102によって、コンピュータ生成ホログラムが生成される。レンズは、光線絞りとして機能するので、光線は、液体コア導波路101の開口部へと効率よく接続される。この様にして、「カスタム光度パターン」を生成して、液体コア導波路101へと出射する。
なお、所望のカスタム光度パターンが達成される限り、効率および効果を向上するために、カプリング光学素子103およびDOE105の位置を多種多様な形態に設定することができる。
液体コア導波路101は、外側部111と、内面112を有する中央空洞部110とを備えており、中心光軸118は、導波路101の中心に沿って走る。ポンプ機構113は、分類が望まれる粒子/細胞の希釈懸濁液を、液体入力領域114を介して導波路101の空洞部110へと導入する。
液体コア導波路101は、外側部111と、内面112を有する中央空洞部110とを備えており、中心光軸118は、導波路101の中心に沿って走る。ポンプ機構113は、分類が望まれる粒子/細胞の希釈懸濁液を、液体入力領域114を介して導波路101の空洞部110へと導入する。
中央空洞部110は、分類対象の粒子よりも大きな内寸を有し、その内部を粒子が流通できるようになっており、カプリング光学素子103により生成されたカスタム光パターンが、粒子に作用して、導波路101の中心液体コア内の様々な目標領域へと粒子を導く。
空洞部110を流通する溶液は、導波路101の全長を移動して、生成されたカスタム光度パターンに曝さらされた後、収集領域115に流出する一方、光は、導波路101を出射する。収集領域115(図1の線Aに沿って参照)は、空洞部110と関連する空間に形成された出力チャンネル116、117を有し、導波路101を出てチャンネル116、117を介して成分パーツに分離された粒子/細胞は、分類粒子すなわち画分119、120に収集される。
空洞部110を流通する溶液は、導波路101の全長を移動して、生成されたカスタム光度パターンに曝さらされた後、収集領域115に流出する一方、光は、導波路101を出射する。収集領域115(図1の線Aに沿って参照)は、空洞部110と関連する空間に形成された出力チャンネル116、117を有し、導波路101を出てチャンネル116、117を介して成分パーツに分離された粒子/細胞は、分類粒子すなわち画分119、120に収集される。
粒子を分類するための機能性導波路101とするためには、液体充填コアまたは空洞部110の内面112に光の内部全反射が必要である。したがって、空洞部110の内面112にコーティング121を設けてもよく、コーティング121の材料は、コア101内を流通する溶液よりも屈折率が小さな材料である。換言すれば、多大な光損失なく、導波路101に出射された「カスタム光度パターン」または固有モードをサポート可能であり、導波路101の全長に沿って分類対象の粒子に作用可能な機能性導波路101を形成するために、内部全反射が可能な反射性材料でコーティング121を形成してもよい。
例えば、水性(すなわち、屈折率1.33)懸濁液に対して、屈折率が1.29〜1.31のテフロンAF(登録商標)などのコーティング材料を使用して、空洞部110の内面をコーティングし、液体コア導波路101を形成してもよい。しかし、反射性材料、すなわち、流入した溶液に対して使用する波長において内部全反射を可能とする(すなわち、波長λにおける内側コーティングの屈折率nic(λ)が、溶液の屈折率、nsolution(λ)よりも小さくなるような、すなわち、nic(λ)<nsolution(λ)となるような)任意の材料で液体コア導波路101の内面をコーティング可能であることが、当業者に知られている。
別の実施形態において、空洞部110内を流通する溶液よりも屈折率が小さな材料で導波路の外側部111を形成することもできる。これによっても、同様の結果を達成することができる。
図1に示す装置100は、さまざまな用途に使用可能である。光を用いた分類の目的では、光は、各成分に対して特異的に作用しなければならない。例えば、血液分類の場合には、血小板の屈折率不整合は、赤血球の屈折率不整合よりも有意に小さいので、赤血球は、レーザ光によってより簡単に押される(すなわち、赤血球のQ係数(「Q」は、細胞への光運動量移行による、光度と、細胞に付与される力との間の比例定数)は、平面波入射に関して、血小板よりも5倍程度大きいと計算される)。
図1に示す装置100は、さまざまな用途に使用可能である。光を用いた分類の目的では、光は、各成分に対して特異的に作用しなければならない。例えば、血液分類の場合には、血小板の屈折率不整合は、赤血球の屈折率不整合よりも有意に小さいので、赤血球は、レーザ光によってより簡単に押される(すなわち、赤血球のQ係数(「Q」は、細胞への光運動量移行による、光度と、細胞に付与される力との間の比例定数)は、平面波入射に関して、血小板よりも5倍程度大きいと計算される)。
したがって、共通焦平面におけるk=0成分に対する中心スポットブロッカは、空間光モジュレータ105の表面に対して0次光線を遮る。したがって、高Q係数を有する細胞(すなわち、赤血球)は、展開モードプロファイルによって誘導可能であるが、低Q係数を有する細胞(例えば、血小板)は、非常に光学的同調性が低いので、細胞の断面位置に応じた細胞の分別が可能となる。この様にして、粒子/細胞溶液の出力は、差分光学的同調に基づいて、画分119、120に分離され、分類が達成される。
10ミクロンのオーダーの赤血球などの粒子の分類に関して、導波路または流通管101(例えば、中空マルチモード光ファイバ)の内径は、血球溶液がその内部を効率よく流通するためには、光の波長よりかなり大きくしなければならない。この様に大きな寸法は、マルチ光学モードのサポートが可能であることを意味するが、分類の目的のためには、標準的なマルチモード伝搬の平坦な断面光度プロファイルは無用である。しかし、本発明においては、導波路(上記の標準的な光度プロファイルとは対照的)の内部でカスタム光パターンを使用することによって、粒子/細胞の分類を達成することができる。
図2は、ドーナツ形状の固有モード(すなわち、ベッセル関数)を円筒形状の導波路または流通管201に備え、高光度断面パターンによりドーナツ形状が形成されている、本発明に整合する他の実施形態を示す。光源203(すなわち、レーザ)は、光線を提供し、例えば、SLM205を含むカプリング光学素子204と共に、光入力領域206を介して導波路201へと光を出射する。
固有モードがベッセル関数である場合、光入力は、ベッセルビームである。ベッセルビームは、上記非特許文献2に引用されているn次ベッセル関数で記述可能な光度パターンである。このパターンの特別な特性は、理想的には光線の伝搬に伴う断面積の変化が無く、したがって、光線は、回折が無く、伝搬が不変であると見なされることである。これは、ベッセルビームが、液体コア導波路の軸に対して定義される光軸214に沿って延びる回折制限スポットを形成することを意味する。
図2において、分類のための粒子/細胞の溶液は、貯留槽207から入力され(すなわち、導波路201に送出され)、高屈折率の粒子は、管状光またはドーナツ領域208に優先的に引き寄せられる(すなわち、「×」粒子)が、低屈折率の粒子は、中央領域に留まる(すなわち、「○」粒子)。粒子は、導波路201の下流側において、環状収集出力部209を介して収集される。ドーナツ形状領域208に引き寄せられた粒子は、収集口211を介して収集され、残りの粒子(すなわち、「○」粒子)は、収集部210を介して収集される。収集部210は、ドーナツ形状領域209により跳ね返された粒子、または、中央領域において低屈折率を有する粒子を収集する。粒子は、画分212、213に収集される。したがって、装置200は、装置200に入力された粒子/細胞を効果的に光学的に分類することができる。
本発明に整合する他の実施形態において、図3Aは、液体コア導波路301を備えた粒子/細胞分類装置300を示し、この液体コア導波路301へは、光が、光源302(すなわち,レーザ)からカプリング光学素子303および空間光モジュレータ(SLM)304を介して導入される。SLM304は、マルチ固有モードまたは一連の経時変化固有モードを液体コア導波路301に導入し、液体コア導波路301は、分類に使用される断面光度プロファイルにおいて、時間依存性の制御変化を生成する。
したがって、液体コア導波路301の固有モードのうちの2、3の固有モードを選択的に出射して、これらの固有モードと特徴的な伝搬特性との組み合わせを使用して、断面光度プロファイルにおける時間依存性の制御変化を達成できる。さらに、液体コア導波路301に出射された固有モードまたは光パターンを複数または多数のパターンの間で変調して、その結果、動的光分布パターンを能動的に付与することができる。手元で粒子を最適に分類できるように、2以上のレーザ源302により異なる波長で生成されたパターンを含むこの様な動的パターン(受動モードカプリングおよび/または能動モード変調)を設計してもよい。
例えば、図3Bにおいて、線Bに沿った断面図は、ドーナツモードおよび中央ベッセルスポットを有する光パターンを示し、この光パターンにおいて、「×」粒子は、外側管状光に引き寄せられる。一方、図3Cに示す、更に下流側の線Cに沿った断面図は、正にドーナツモードの光エネルギーを示す。しかし、SLM304を使用することにより、これらの横断面の「カスタム光度パターン」を時間的もしくは空間的に(または両方に)変化させることができる。
(簡略化のために、粒子の溶液は、図3A〜図3Cに図示されていないが、分類対象の粒子は、上記の力学を用いて分類され、他の実施形態と同様に、分類された粒子は、収集構造体306を介して収集される)。
図4Aは、液体コア導波路401を備えた粒子/細胞分類装置400の他の実施形態を示し、この液体コア導波路401へは、光が、光源402(すなわち、レーザ)、カプリング光学素子403および空間光モジュレータ(SLM)404を介して導入される。
図4Aは、液体コア導波路401を備えた粒子/細胞分類装置400の他の実施形態を示し、この液体コア導波路401へは、光が、光源402(すなわち、レーザ)、カプリング光学素子403および空間光モジュレータ(SLM)404を介して導入される。
図4Aは、カプリング光学素子403においてレーザ402から生成されたコンピュータ生成ホログラムを使用して、固有モードがどのようにして選択的にファイバ401に出射されるかを示し、このコンピュータ生成ホログラムは、SLM404を介して空間的にフィルタリングされ、管状体401内に合焦される。
分類対象の粒子/細胞を含む溶液を貯留槽405から導入する流体入力部405により制御される流体力学的な力および重力407は、導波路401内において光学的な力と結合し、分類のために、所望の粒子を選択的に出口収集領域408へと導く。導波路401の光軸406に沿って流通するものとして図示されている、光に引き寄せられた粒子は、最終的に上側の出力チャンネル409に流入し、収集貯留槽411に流入する。なぜなら、これらの粒子は、「×」粒子ほど早急に沈殿して導波路401の底部に移動することはないからである。「×」粒子は、光に跳ね返され、重力の作用を受けて、最終的に下側の出力チャンネル410を介して収集貯留槽412に流入する。
分類対象の粒子/細胞を含む溶液を貯留槽405から導入する流体入力部405により制御される流体力学的な力および重力407は、導波路401内において光学的な力と結合し、分類のために、所望の粒子を選択的に出口収集領域408へと導く。導波路401の光軸406に沿って流通するものとして図示されている、光に引き寄せられた粒子は、最終的に上側の出力チャンネル409に流入し、収集貯留槽411に流入する。なぜなら、これらの粒子は、「×」粒子ほど早急に沈殿して導波路401の底部に移動することはないからである。「×」粒子は、光に跳ね返され、重力の作用を受けて、最終的に下側の出力チャンネル410を介して収集貯留槽412に流入する。
別の実施形態において、図4Bは、粒子を異なる出力チャンネル451〜453に分類するのを支援するために、導波路内において、電極450を用いて印加される電場または磁場を、どのようにして光学的な力と組み合わせて使用するかを示す。
更に別の実施形態において、図5は、光源および図1で上述したような空間光モジュレータ500を含むカプリング光学素子からの光を、どのようにして導波路501に導き、光学特性および密度に基づいて分類する目的で、密度勾配チャンバ504を含む液体コア導波路501を備えた遠心分離機502に組み込むかを示す。
更に別の実施形態において、図5は、光源および図1で上述したような空間光モジュレータ500を含むカプリング光学素子からの光を、どのようにして導波路501に導き、光学特性および密度に基づいて分類する目的で、密度勾配チャンバ504を含む液体コア導波路501を備えた遠心分離機502に組み込むかを示す。
換言すれば、管状体501に流入する液体溶液が、密度勾配を形成し、さらに、遠心分離機502に組み込まれた装置500が、溶液中のナノ粒子画分を分離するための更なる物理パラメータを提供する(すなわち、密度と組み合わせた光場に対する差分応答の結果としての分別)。この実施形態においては、遠心分離機502のローター503への光学的カプリングは、ローター503の軸を介して起こる。(なお、ローター503とスピンドル506との間にエアギャップ505が存在する。)
本発明に整合する更に他の実施形態においては、ベッセルビームを用いる分類のための単一の特定の固有モードまたは「カスタム光度パターン」が、図6Aに示す装置600において開示されている。この実施形態では、特に、ベッセルビームを液体コア導波路601に導入する必要がある(あるタイプの固有モードの一例)。
本発明に整合する更に他の実施形態においては、ベッセルビームを用いる分類のための単一の特定の固有モードまたは「カスタム光度パターン」が、図6Aに示す装置600において開示されている。この実施形態では、特に、ベッセルビームを液体コア導波路601に導入する必要がある(あるタイプの固有モードの一例)。
図6Aは、液体コア導波路600内におけるベッセルビーム光度パターンを示し、光軸603に沿った伝搬と、微視的な対象物を捕捉するライントラップとして機能する中心高光度光ライン605を示す。したがって、ベッセルビーム光度パターンまたは高光度光ラインに曝される液体コア導波路媒体内を流れる対象物(すなわち、粒子、細胞、ナノ粒子など)は、光学的な力によって捕捉され、光軸603により定義されるライン605に沿って閉じ込められる(他の矢印604は、極大、極小のリングを示す)。この中心コアスポット沿いの光軸603に沿って下流側に向かう光学的(光子)圧力も、中心コア/ライントラップ605に沿って対象物を更に推進する。
アキシコン光学素子(円錐形状のレンズ)606(図6B参照)を介して、あるいは、k−ベクトルの限定セットのみを許容する結像レンズの後方焦平面の環状開口部607(図6C参照)を介して光を照射することによって、ベッセルビームを形成可能であることが公知となっている。あるいは、「ホログラフィー的」に、すなわち、図6Aに示すように結像レンズ(すなわち、対物レンズ)の後方開口平面に中継されるアキシコンホログラムを形成するために回折光学素子608(図6D参照)を使用して光を整形することによって、ベッセルビームを形成してもよい。
図1の実施形態を参照して、上記のように、図6Aには、その後に空間的にフィルタリングされて管状体601に合焦されるコンピュータ生成ホログラムを使用して、ファイバに固有モードを出射可能なカプリング光学素子(602を含む)が含まれている。この様にして、上記のように、共通焦平面におけるk=0成分に対する中心スポットブロッカは、空間光モジュレータの表面に対して0次光線を遮り、高Q係数を有する細胞は、展開モードプロファイルによって誘導可能であるが、低Q係数の細胞は、非常に光学的同調性が低くいので、細胞の断面位置に応じた細胞の分別が可能となる。
図7は、上記非特許文献2から引用したものであり、Aは、アキシコンを表し、γは、アキシコンの開口角である。Zmaxは、ベッセルビームの伝搬距離である。Bは、中心線上に最大値を有し、軸から離間してリングを定義する極大値を有する形成されたベッセルビームを示す。Gは、ガウス入力プロファイルを有する入力ビームを表す。
実際には、光学スポットが光軸Zmaxに沿って伝搬する長さは、結像レンズの半径、または、図7に示すように結像レンズに照射されるガウスビーム(w0)の幅により支配される。nをアキシコン材料の屈折率、γをアキシコンの開口角とすると、
Zmax≒w0/θ 式中、θ=(n−1)γ
しかし、本発明においては、液体コア導波路内でベッセルビームのライン長を任意に延長することによって、液体コア導波路内において粒子/細胞を分類、推進する方法として、ベッセルビームを使用する。
実際には、光学スポットが光軸Zmaxに沿って伝搬する長さは、結像レンズの半径、または、図7に示すように結像レンズに照射されるガウスビーム(w0)の幅により支配される。nをアキシコン材料の屈折率、γをアキシコンの開口角とすると、
Zmax≒w0/θ 式中、θ=(n−1)γ
しかし、本発明においては、液体コア導波路内でベッセルビームのライン長を任意に延長することによって、液体コア導波路内において粒子/細胞を分類、推進する方法として、ベッセルビームを使用する。
本発明の別の実施形態は、静的溶液懸濁液を利用する。この実施形態において、光は、導波路601の中心を通る流れの場を形成する粒子伝搬源として機能する。例えば、図1において、ポンプ113を、流体入力部114への粒子の拡散限定流入を許容する貯留槽に置き換える。
ベッセルビームは、光軸に沿って部分的に遮光された後に再形成されるように図示したが、本発明により開示される光線の再生の別の方法として、反射性/内部全反射性中空コアシリンダ(液体コア導波路)内に光線を出射する方法がある。
ベッセルビームは、光軸に沿って部分的に遮光された後に再形成されるように図示したが、本発明により開示される光線の再生の別の方法として、反射性/内部全反射性中空コアシリンダ(液体コア導波路)内に光線を出射する方法がある。
本発明に整合するこの実施形態の一例において、図8は、この反復ベッセルビームの実施を含む装置700を示し、この装置700は、レーザ701と、アキシコン202と、高反射性のサブ波長粗さの内面を有するシリンダ703とを備えている。シリンダまたは導波路703の反射性内面によって、光線は、集束してベッセルビームを形成した後、光軸704に向かって逆反射されるので、別のベッセルビームが再形成される(反復部705参照)。再形成されたベッセルビームの間隔は、光線ガイドの半径など、適切なパラメータを変更することによって調整可能である。
実際的なこの方法にとっては、このシリンダ703の内面の平行性および平坦性が充分に高くなければならない。内面706に鏡面仕上げを施してもよいし、(図1に関して上述したように、所与の波長および溶液の屈折率に対して)内部全反射可能な材料で内面706をコーティングしてもよい。
捕捉/推進を利用して粒子を分類する目的のために、この様なシリンダ703は、ある程度希釈した粒子を含有し、フロー入力部707を介して入力される液体(溶液)で満たされる。固有モードを利用する上記の実施形態で述べたとおり、粒子/細胞の各画分に関する異なるQ値に基づく粒子/細胞分類のために、この様な装置700を使用することができる。上記のように、Qは、粒子に作用する光度と、結果として生じる付与力との間の比例定数である。高Q値の粒子タイプ(または細胞)は、光子圧に起因する力によって、より簡単に押される。
捕捉/推進を利用して粒子を分類する目的のために、この様なシリンダ703は、ある程度希釈した粒子を含有し、フロー入力部707を介して入力される液体(溶液)で満たされる。固有モードを利用する上記の実施形態で述べたとおり、粒子/細胞の各画分に関する異なるQ値に基づく粒子/細胞分類のために、この様な装置700を使用することができる。上記のように、Qは、粒子に作用する光度と、結果として生じる付与力との間の比例定数である。高Q値の粒子タイプ(または細胞)は、光子圧に起因する力によって、より簡単に押される。
したがって、図8の本実施形態においては、光学的捕捉に適した回折制限光パターンを繰り返し生成することによって、通常のガウス光学トラップを使用すれば消失してしまうような非散乱レーザ光を再利用することができる。レーザパワーを低減し、安価に大量生産可能な2、3の構成部材へと分類装置を単純化することによって、異なる個体数の対象物を光学特性に基づいて分離可能な、安価かつ小型のシステムを提供する。反射角度が充分に鈍角である場合には、中空コア光ファイバをシリンダ703の代替として使用してもよい。
図6に関して上述したように、別の実施形態において、光が粒子伝搬源として機能する静的溶液懸濁液に本発明を適用することができる。あるいは、溶液を能動的に導波路703の中心に送出して流れの場を生成してもよい。図1は、この結果を達成するためのポンプおよび貯留槽を示している。
更に、上記に説明、図示したように、ベッセルビーム導波路において、光学的/流体力学的場の差分作用と組み合わせて、粒子/細胞を分類する追加手段として、重力場、磁場および/または電場を使用してもよい。磁場および/または電場を導波路の表面を介して導入し、これらの場との差分粒子相互作用に基づく更なる分別機能を可能とする。垂直に作用する重力を使用し、密度に基づいて画分を識別することもできる。
更に、上記に説明、図示したように、ベッセルビーム導波路において、光学的/流体力学的場の差分作用と組み合わせて、粒子/細胞を分類する追加手段として、重力場、磁場および/または電場を使用してもよい。磁場および/または電場を導波路の表面を介して導入し、これらの場との差分粒子相互作用に基づく更なる分別機能を可能とする。垂直に作用する重力を使用し、密度に基づいて画分を識別することもできる。
本発明に整合する更に他の実施形態において、前記装置は、特にナノ粒子の分類のために液体コア導波路を利用し、導波路内にサブ波長孔を導入することを必要とする。本発明の本実施形態の重要な特徴は、ナノ粒子を導波路に流入させ、その後の高光度光場との相互作用を可能とする導波路(例えば、図1参照)内にサブ波長入出力口が存在することである。長さスケールでサブ波長である導波路の開口部は、多大な光損失を招くことはなく、それでも、構造体へのナノ粒子の導入が可能である。この実施形態は、(光の波長に対して)非常に小さな粒子の分類に限定されるが、粒子が導波路の長手方向に流通する必要はなく、出力収集領域を導波路の端部に設ける必要がないことを意味する。
本発明に整合する粒子/細胞分類装置800の例示的な実施形態において、光を液体コア導波路(図9A参照)または共鳴キャビティ(図9B参照)内に閉じ込めることができる。
図9Aにおいて、レーザ801および光カプリング光学素子802は、固有モードパターンを液体コア導波路803に出射するが、導波路803の端部804は閉じられ、液体流は、導波路804の側面805を横切って移動する。流体は、貯留槽806から送出されるが、フローチップ807を使用して、導波路803の周囲に溶液を導き、側面805のナノ多孔入力孔808を通過させることができる。流体中に浮遊するナノ粒子は、導波路803内のカスタム光パターンと相互作用して、その位置が変位するので、反対側において粒子が流れによって導波路803外に搬送されると、ナノ粒子を異なる出力チャンネル809、810、811に容易に分類することができる。
図9Aにおいて、レーザ801および光カプリング光学素子802は、固有モードパターンを液体コア導波路803に出射するが、導波路803の端部804は閉じられ、液体流は、導波路804の側面805を横切って移動する。流体は、貯留槽806から送出されるが、フローチップ807を使用して、導波路803の周囲に溶液を導き、側面805のナノ多孔入力孔808を通過させることができる。流体中に浮遊するナノ粒子は、導波路803内のカスタム光パターンと相互作用して、その位置が変位するので、反対側において粒子が流れによって導波路803外に搬送されると、ナノ粒子を異なる出力チャンネル809、810、811に容易に分類することができる。
図9Bの例示的な実施形態は、光を生成するレーザ901とカプリング光学素子902とを有する同様の分類装置900を示し、この装置900は、(図9Aに示すような)導波路の代わりにナノ多孔側面を有する共鳴キャビティ903を使用して構成されている。図9Aと同様のフローチップ907を使用して、ナノ粒子を導入し、キャビティ903内の光場全体に流れを導き、そして、収集のための出力チャンネル908〜910に向かって流れを導く。共鳴キャビティ903は、通常、最初にレーザ901からシステムへと光を出射する一方の部分反射性端部ミラー904を有し、他方の端部ミラー905は、全反射性である(なお、前記のように、「カスタム光度パターン」すなわち固有モードを生成するために、カプリング光学素子902において回折素子を使用してもよい)。
本発明で使用される液体は、ナノ粒子(直径が200ナノメートル未満の粒子)の任意の分散懸濁液とすることができ、ナノ粒子は、光場における様々な正味の力に対するナノ粒子の作用(すなわち、Q値)に基づく物理特性や光学特性により分類される。
サブ波長サイズの孔の配列は、液体コア導波路/共鳴キャビティ903の任意の表面を貫通して配置される。この様なナノ多孔表面は、導波路903によるナノ粒子の処理能力を大幅に向上し、分類速度を速める。この様な表面の孔密度は、多大な光損失を防止するために充分に低くすべきである。
サブ波長サイズの孔の配列は、液体コア導波路/共鳴キャビティ903の任意の表面を貫通して配置される。この様なナノ多孔表面は、導波路903によるナノ粒子の処理能力を大幅に向上し、分類速度を速める。この様な表面の孔密度は、多大な光損失を防止するために充分に低くすべきである。
本発明に整合する他の実施形態において、粒子/細胞分類装置1000は、ナノ多孔膜を使用した端部を介して溶液流全体を液体コア導波路1001(矢印参照)へと導入し、図10に示すように液体コア導波路1001内において溶液全体を光場と相互作用させる構造体を備えている。
図10は、液体コア導波路1001の光学的なレイアウトを示し(簡略化のため周囲の構造は図示せず)、この導波路1001は、導波路1001の正面側1002および裏面側1003においてナノ多孔膜に接続され、導波路1001内において全流れが光場と相互作用可能となっている。画分は、上記の実施形態と同様に、出力チャンネル1004を介して流れの終端で収集される。
図10は、液体コア導波路1001の光学的なレイアウトを示し(簡略化のため周囲の構造は図示せず)、この導波路1001は、導波路1001の正面側1002および裏面側1003においてナノ多孔膜に接続され、導波路1001内において全流れが光場と相互作用可能となっている。画分は、上記の実施形態と同様に、出力チャンネル1004を介して流れの終端で収集される。
なお、この例の液体コア導波路1001は、空間的に変化する光分布または「カスタム光度パターン」(他の図面に関して上述した固有モードにより決定される)を有する。この流れにおけるナノ粒子の各画分の平衡位置は、正味の浮力、流体力学的な力、光学的な力の関数であり、結果的に流れの場における個々の位置を占有する画分となる。光導波路/共鳴キャビティ内の流れは、その後、個別のチャンネルに分割され、画分毎に収集可能となる。
当業者は考え付くであろうが、「サブ波長」入出力部の変型態様を使用してナノ粒子を分類する、本発明に整合する他の実施形態もある。さらに、図1などに関連して上述したように、「共鳴キャビティ」を液体コア導波路と組み合わせて使用したり、分類のために「共鳴キャビティ」を「カスタム光度パターン」と組み合わせて使用したりする他の組み合わせも、本発明の全実施形態に関連する。
なお、小さな「サブ波長」開口部のみを使用しているので、小さな対象物しか分類できないが、これは、例えば、血液分類用途で使用可能な大型の例とは対照的に、中空コアを有するシングルモード光ファイバのように、使用する液体コア導波路も小型化できることを意味する。
さらに、「ナノ粒子」は、分類対象物の大きさが、サブ波長であり、サブ波長入力部を介して導入可能であり、多大な光損失なく導波路内で光学的な力に暴露可能である限り、無機粒子(量子ドットなど)、生体対象物(ウイルス、DNA、浮遊小胞体など)、その他の有機/無機材料(改質粒子、ポリマー懸濁液)を意味するものである。
さらに、「ナノ粒子」は、分類対象物の大きさが、サブ波長であり、サブ波長入力部を介して導入可能であり、多大な光損失なく導波路内で光学的な力に暴露可能である限り、無機粒子(量子ドットなど)、生体対象物(ウイルス、DNA、浮遊小胞体など)、その他の有機/無機材料(改質粒子、ポリマー懸濁液)を意味するものである。
本発明の更なる実施形態について、以下に具体的に説明する。
上記の通り、先に図4A、図5に示したように、本発明においてナノ粒子を分類する追加手段として、重力場、磁場および/または電場を光学的/流体力学的場の差分作用と組み合わせて使用することもできる。
本発明に整合する更に他の実施形態において、粒子/細胞分類装置1100は、ナノ粒子フローチャンネルに接続された共鳴キャビティでもある液体コア導波路1100を使用し、全流れを導波路1101内において光場と相互作用させることが必要である(図11参照)。この場合も、サブ波長入力部1102を介して全流れを液体コア導波路1101(矢印参照)へと導入可能である。x方向および/またはy方向に共鳴キャビティを作製することによって形成される更なる光場(破線矢印)は、光場分布を調整するためにも形成される。光導波路/共鳴キャビティ1101における流れは、その後、個々のチャンネル1103に分割され、各分類画分の収集が可能となる。
上記の通り、先に図4A、図5に示したように、本発明においてナノ粒子を分類する追加手段として、重力場、磁場および/または電場を光学的/流体力学的場の差分作用と組み合わせて使用することもできる。
本発明に整合する更に他の実施形態において、粒子/細胞分類装置1100は、ナノ粒子フローチャンネルに接続された共鳴キャビティでもある液体コア導波路1100を使用し、全流れを導波路1101内において光場と相互作用させることが必要である(図11参照)。この場合も、サブ波長入力部1102を介して全流れを液体コア導波路1101(矢印参照)へと導入可能である。x方向および/またはy方向に共鳴キャビティを作製することによって形成される更なる光場(破線矢印)は、光場分布を調整するためにも形成される。光導波路/共鳴キャビティ1101における流れは、その後、個々のチャンネル1103に分割され、各分類画分の収集が可能となる。
本発明に整合する他の実施形態においては、レーザまたは非レーザ光を適切な窓を介して出射することによって(すなわち、上記のように固有モードを導入することによって)設定されるx、y、z方向の光場分布を有する液体コア導波路1101内で確立される「カスタム光パターン」に加えて、x、y方向に沿った共鳴キャビティも、適切な反射性内面および光源を用いて確立することができる。
更に、本発明に整合する他の実施形態において、液体コア導波路1101は、図11、図12Aおよび図12Bに示すように、非円筒形状の対称性(すなわち、例えば、矩形)を有していてもよい。
本発明に整合する更に他の実施形態において、流れの一部のみが、サブ波長開口部1201を介して液体コア導波路1200(図12A参照)からの光に導入または暴露される(上記の実施形態と同様に、簡略化のために周囲の構造体は図示せず)。
本発明に整合する更に他の実施形態において、流れの一部のみが、サブ波長開口部1201を介して液体コア導波路1200(図12A参照)からの光に導入または暴露される(上記の実施形態と同様に、簡略化のために周囲の構造体は図示せず)。
一例として、図12Aは、ナノ粒子フローチャンネル1201に接続する液体コア導波路1200の光学的なレイアウトを示す。液体コア導波路1200内のサブ波長開口部1202は、光がキャビティ外に伝搬しないようにする。流れaは、導波路1200に光学的に強制流入させられ、流れbは、通過流である。図12Aは、ナノ粒子流がどのようにして液体コア導波路1200からの「カスタム光度パターン」の一部に暴露されるかを示しており、その結果、内部の光場とのナノ粒子の相互作用に応じて、以下の何れかとなる。
1)更なる分別(図12Aの矢印a)の有無にかかわらず、導波路流へと進路変更される。
2)有意に相互作用しなかった画分(図12Aの矢印b)を含有する流れが継続する。
1)更なる分別(図12Aの矢印a)の有無にかかわらず、導波路流へと進路変更される。
2)有意に相互作用しなかった画分(図12Aの矢印b)を含有する流れが継続する。
導波路1200に引き寄せられるナノ粒子流は、チャンバ/キャビティの長さ方向に沿って光場と相互作用する(1204は、相互作用距離である)。
他の実施形態において、図12Bは、図12Aと同様であるが、液体コア導波路1200へとナノ粒子溶液を流入させ、相互作用しないナノ粒子溶液(流れb)をこの構造体からナノ粒子画分に富む出力部1203へと流入させるためのナノ多孔表面を示す。
他の実施形態において、図12Bは、図12Aと同様であるが、液体コア導波路1200へとナノ粒子溶液を流入させ、相互作用しないナノ粒子溶液(流れb)をこの構造体からナノ粒子画分に富む出力部1203へと流入させるためのナノ多孔表面を示す。
本発明に整合する他の実施形態において、上記のように、光場は、コンピュータ制御の空間光モジュレータ(例えば、図1に関する上記を参照)により導入される固有モードの展開セットであってもよく、差分光学的同調に基づく分類が可能となる。チャンバ/キャビティの端部において、流れの最終平衡位置に基づいて、流れを個々の画分に分類してもよい。
最後に、本発明に整合する他の実施形態において、上記のように、光と相互作用する粒子を分類して、粒子ではなく残留溶液を収集することによって、導波路に流入する液体溶液を浄化してもよい。
本発明の上記の実施形態は、本発明の原理の明確な理解のために記載された考え得る実施の例示にすぎないことを強調しなければならない。本発明の上記の実施形態は、本発明の精神および原理から逸脱することなく、変更および修正が可能である。この様な変更および修正は全て、ここにおいて本発明の範囲に包含され、以下の特許請求の範囲により保護されるものとする。
本発明の上記の実施形態は、本発明の原理の明確な理解のために記載された考え得る実施の例示にすぎないことを強調しなければならない。本発明の上記の実施形態は、本発明の精神および原理から逸脱することなく、変更および修正が可能である。この様な変更および修正は全て、ここにおいて本発明の範囲に包含され、以下の特許請求の範囲により保護されるものとする。
Claims (41)
- 光線を出射するレーザと、
内部を溶液が流通し、前記光線が内部に導かれるフロー構造体と、
前記フロー構造体の内面に設けられたコーティングであって、前記フロー構造体内を流通する前記溶液よりも小さな屈折率を有するコーティングとを備えた液体コア導波路。 - 前記コーティングが、使用される波長において内部全反射可能な反射性材料で形成されている請求項1の液体コア導波路。
- 波長λにおける前記コーティングの屈折率をnic(λ)、前記波長λにおける前記溶液の屈折率をnsolution(λ)とした場合に、nic(λ)<nsolution(λ)となる請求項2の液体コア導波路。
- 前記溶液が前記フロー構造体内を効率よく流通するように、前記フロー構造体の内径が、光の波長よりも相対的に大きくなっている請求項2の液体コア導波路。
- 前記溶液が血液である請求項4の液体コア導波路。
- 光線を出射するレーザと、
前記光線を変調するコンピュータ制御の空間光モジュレータと、
前記変調された光線を導くための複数のレンズと、
内部を溶液が流通し、前記変調された光線が内部に導かれるフロー構造体とを備えた液体コア導波路。 - 前記溶液が貯留槽から前記フロー構造体へと送出される請求項6の液体コア導波路。
- 前記空間光モジュレータの表面に対して0次光線を遮る中心スポットブロッカを更に備えた請求項6の液体コア導波路。
- 前記溶液中の粒子が、光学的に同調し、前記フロー構造体の断面位置に応じて分別される請求項8の液体コア導波路。
- 前記装置が、遠心分離器に組み込まれている請求項6の液体コア導波路。
- 光線を出射するレーザと、
内部を溶液が流通し、前記変調された光線が内部に導かれるフロー構造体と、
前記溶液中の粒子を光学的に同調させ、前記粒子の断面位置に応じて前記粒子を分別する手段とを備えた液体コア導波路。 - 光線を出射するレーザと、
内部を溶液が流通し、前記変調された光線が内部に導かれるフロー構造体と、
密度と組み合わせた光場に対する差分応答の結果として分別が生じるように、前記フロー構造体内に密度勾配を形成する手段とを備えた液体コア導波路。 - 液体コア導波路であって、
ベッセルビームを形成し、前記液体コア導波路に出射するために必要なレーザおよび光学素子と、
中心光軸が内部に存在する中心コアを有するフロー構造体であって、その内部を溶液が流通し、前記ベッセルビーム光度パターンがその内部に伝搬されるフロー構造体とを備え、
前記フロー構造体の前記中心コアの前記光軸に沿って下流側に向かう光学的な圧力が、前記溶液中の対象物を前記中心コアに沿って下流側に推進する液体コア導波路。 - 前記ベッセルビーム光度パターンを形成するために光を照射するためのアキシコン光学素子を更に備えた請求項13の液体コア導波路。
- 結像レンズの後方焦平面内の環状開口部を更に備え、前記環状開口部を介して前記光を照射し、前記ベッセルビーム光度パターンを形成する請求項13の液体コア導波路。
- アキシコンホログラムを生成するための回折光学素子を更に備え、前記回折光学素子が、結像レンズの後方開口平面へ中継され、前記ベッセルビーム光度パターンを形成する請求項13の液体コア導波路。
- 前記フロー構造体が、部分反射性または全反射性の内面とサブ波長粗さの内面のうちの一方を有する請求項13の液体コア導波路。
- 前記フロー構造体が、中空コア光ファイバである請求項13の液体コア導波路。
- 前記反射性内面は、前記フロー構造体の内面に設けられたコーティングによって提供され、前記コーティングが、前記フロー構造内を流通する前記溶液よりも小さな屈折率を有する請求項17の液体コア導波路。
- 光線を出射するレーザと、
中心光軸が内部に存在する中心コアを有するフロー構造体であって、その内部を溶液が流通し、前記光線がその内部に導かれるフロー構造体と、
ベッセルビームを形成および再形成することによって、前記フロー構造体内において前記光線を再生する手段とを備えた液体コア導波路。 - 再形成される前記ベッセルビームの間隔が、前記光線の半径を変更することによって調整される請求項20の液体コア導波路。
- 光線を出射するレーザと、
中心光軸が内部に存在する中心コアを有するフロー構造体であって、その内部を溶液が流通し、前記光線がその内部に導かれるフロー構造体と、
ベッセルビームを使用して、前記溶液中の粒子を分類する手段とを備えた液体コア導波路。 - 光線を出射するレーザと、
内部を溶液が流通し、前記光線が内部に導かれるフロー構造体と、
前記溶液中の異なる対象物に対する放射圧の差分作用によって、前記溶液中の対象物を分類する手段とを備えた液体コア導波路。 - 光線を出射するレーザと、
内部を溶液が流通し、前記光線が内部に導かれるフロー構造体と、
前記溶液中の対象物を、前記対象物のQ値に基づいて分類する手段とを備えた液体コア導波路。 - 光線を出射するレーザと、
中心光軸が内部に存在する中心コアを有するフロー構造体であって、その内部に静的溶液が滞留し、前記光線がその内部に導かれるフロー構造体と、
ベッセルビームを使用して前記溶液中の粒子を分類する手段とを備え、
前記光線が、粒子伝搬源として機能する液体コア導波路。 - 光線を出射するレーザと、
内部を溶液が流通するフロー構造体とを備え、
前記フロー構造体が、
少なくとも1つのサブ波長入力チャンネルと、
少なくとも1つのサブ波長出力チャンネルとを備え、
前記溶液中の粒子が、前記フロー構造体内において前記光線からの高光度光場と相互作用し、
前記相互作用に基づいて、前記サブ波長出力チャンネルを介して粒子が分類される液体コア導波路。 - 前記フロー構造体が、共鳴キャビティである請求項26の液体コア導波路。
- 前記溶液が、ナノ粒子の懸濁液である請求項26の液体コア導波路。
- 前記ナノ粒子が、前記フロー構造体内におけるQ値に対する前記ナノ粒子の反作用に基づき、前記ナノ粒子の物理的特性および光学的特性によって分類される請求項26の液体コア導波路。
- 前記フロー構造体が、ナノ多孔膜である請求項26の液体コア導波路。
- 前記ナノ多孔膜が、サブ波長孔サイズである請求項30の液体コア導波路。
- 前記フロー構造体が、前記共鳴キャビティの表面を貫通するサブ波長サイズの孔の配列を含む請求項27の液体コア導波路。
- 前記フロー構造体が、中空コアを有するシングルモード光ファイバである請求項27の液体コア導波路。
- ナノ粒子が、有機粒子、生体粒子および無機粒子からなる群より選択される請求項26の液体コア導波路。
- 空間的に変化する光分布を前記光線から生成して、差分光学的同調に基づいて前記ナノ粒子を分類するためのコンピュータ制御の空間光モジュレータを更に備えた請求項26の液体コア導波路。
- 前記フロー構造体において光場分布を調整するために、前記共鳴キャビティにおいて更なる光場がx方向および/またはy方向に生成される請求項27の液体コア導波路。
- 前記フロー構造体が、非円筒形状の対称性を有する請求項26の液体コア導波路。
- 前記フロー構造体が、非円筒形状の対称性を有する請求項1の液体コア導波路。
- 前記フロー構造体が、非円筒形状の対称性を有する請求項13の液体コア導波路。
- 前記溶液の一部のみが、前記フロー構造体を介して入力される請求項26の液体コア導波路。
- 前記ナノ粒子が、前記フロー構造体内においてカスタム光度パターンに曝され、その結果、分別されることなく前記溶液の流れが進路変更されるか、または、相互作用のない画分を含有する前記流れが継続して出力される請求項26の液体コア導波路。
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