[发明专利]利用全息激光控制分类物质的系统和方法

说明书

本申请是申请人为阿尔利克斯公司、发明名称为“利用全息激光控制分类物质的系统和方法”的中国专利申请(申请号为03823443.2(PCT/US2003/023822)，申请日为2003年7月31日)的分案申请。

本发明要求美国临时专利申请：2002年7月31日提交的No.60/399,386以及2002年12月20日提交的No.60/435,541的优先权，其内容在此引用以作参考。

背景技术

本发明涉及利用激光控制对物质分类的系统和方法，尤其是使用全息光学捕获。

在美国工业中，存在大量未满足的分类和分离需求，涉及由小于50微米的粒子和单元组成的物质。这些需求的范围跨越了从包括纳米技术的制造在内的专业化学药品和物质领域的粒子分筛和样本准备，到药品和生物技术工业中蛋白质选择和提纯的工业领域。其它的例子还包括在医学、诊断、以及农业部门的细胞分类和选择。

通过研究在已经开发出特定的或部分解决方案的领域中的全年的费用，以及通过估计当前甚至尚未有部分解决方案的领域中的分类/分离/提纯输出的市场价值，可以看出这些需求的重要性。对于前者的一个实例，生物技术和药品工业每年花费大量的设备和供给用于蛋白质提纯。

后者的一个实例，在农业部门，在农场动物中，当前没有有效选择后代的性别；但是，估计仅在养牛业，通过进行精子选择，作为当前工业中广泛使用的人工受精方式的一部分将会增加价值。

除了动物饲养市场，目前从人类胰腺的胰岛细胞提纯处理大量涉及开发I型糖尿病的新治疗方法的药物科学。现在已经有胰岛移植方法的重要进步，但是提纯问题是阻碍的问题之一。用于提纯胰岛细胞的传统方法效率低并且导致细胞的损坏。

由于I型糖尿病的情况，在患者胰腺中存在的胰岛细胞已经被损坏，并且不再产生人类生存需要的胰岛素，因此胰岛细胞移植是重要的。当前的I型糖尿病治疗包括每天注射1至5次胰岛素。尽管有了这样的治疗，该疾病通常会产生并发症，包括失明，需要截肢的血液流动问题，肾脏坏死，以及死亡。用于移植的胰岛细胞更纯和减少污染期望减少这些并发症的出现。

目前在美国，大约100万的I型糖尿病患者中，如果可以利用，每年有至少50,000患者将忍受胰岛细胞移植，。当接受大规模的胰岛细胞移植作为有效的疗法时，成本将有本质上的变化。即使适当地实施当前疗法，这个跳变将由使用当前治疗方法(频繁注射)的难度和严重后果所驱使。

因此，一个重要问题是胰岛提纯，需要以非损坏、非侵入的方式非常有选择性的方式对人类细胞进行分类。

另一个需要解决的问题是在经受全身的癌症放射治疗的人体骨髓中，从癌细胞中提纯正常细胞。

另一个问题是为了研究例如帕金森症这样的疾病的成因和治疗所需的干细胞的选择。

另一方面是开发新的方法以自动问询大量的人类细胞，并选择具有不适合于荧光标记特性的一些，其将极大地拓宽药物诊断的范围和效力。

控制微观对象的一项传统技术是光学捕获。光学捕获效果的可接受的描述是轻微聚焦光线，例如通过高数值孔径的显微透镜聚焦的光线，具有陡的强度(intensity)梯度。光学陷阱根据其介电常数，利用光束的梯度强度来捕获粒子。“粒子”是指生物学上或者其它化学物质，包括但不限于，低聚核苷酸，多聚核苷酸，化学混合物，蛋白质，脂质，多糖，配合基，细胞，抗体，抗原，细胞器，脂质，裂殖细胞，细胞集团，微生物，肽，cDNA，RNA以及类似物质。

为将其能量最小化，具有介电常数高于周围介质的粒子将移动到光学捕获区域，这里电场最高。介电常数与其周围介质具有至少一点点区别的粒子对其梯度灵敏，并且也被吸引到最高光强度点或者从该处排斥，也就是说，到/离开光束聚焦点。在构造光学陷阱的过程中，来自单个光束的光学梯度强度被应用于控制浸入具有小于粒子的折射率的流体介质中的介电粒子的位置，但是也控制反射吸收和低介电常数的粒子。