Clasificación óptica.

Un método para clasificar partículas en un fluido que comprende: generar un escenario óptico y hacer fluir el fluido a través del escenario óptico

, en donde el escenario óptico comprende un túnel óptico y una rampa de salida que tiene una línea de intensidad graduada, en donde el embudo óptico se proporciona para dirigir las partículas hacia la línea de intensidad graduada y la línea de intensidad graduada tiene una intensidad óptica graduada no periódica con distintas zonas de intensidad decreciente a lo largo de su longitud que guían a las partículas a través del flujo de fluido y permiten que las partículas de diferentes tamaños o índices de refracción o formas salgan en diferentes posiciones, clasificando de esta manera las partículas en el flujo de fluido.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2007/003578.

Solicitante: THE UNIVERSITY COURT OF THE UNIVERSITY OF ST ANDREWS.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: COLLEGE GATE, NORTH STREET ST. ANDREWS, FIFE KY16 9AJ REINO UNIDO.

Inventor/es: RHODES,DANIEL, MACDONALD,MICHAEL, DHOLAKIA,KISHAN, MILNE,GRAHAM.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR > TECNICAS NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR PARA MANIPULAR... > G21K1/00 (Disposiciones para manipular las radiaciones ionizantes o las partículas, p. ej. para enfocar, para moderar (filtros de radiaciones ionizantes G21K 3/00; producción o aceleración de neutrones, partículas cargadas eléctricamente, haces de moléculas neutras o haces de átomos neutros H05H 3/00 - H05H 15/00))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Muestreo; Preparación de muestras para la investigación... > G01N1/10 (en estado líquido o fluido)
  • SECCION G — FISICA > OPTICA > ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene... > Microscopios (oculares G02B 25/00; sistemas polarizantes... > G02B21/32 (Micromanipuladores combinados por construcción con microscopios)

PDF original: ES-2529430_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Clasificación óptica La presente invención se refiere a clasificación óptica o separación de partículas y, en particular, células.

Antecedentes de la invención Existen muchos esquemas de clasificación o separación de partículas, que varían desde electroforesis en gel, electroforesis capilar y centrifugación analítica hasta las novedosas barreras entrópicas. Los ejemplos de estos se describen en J. Han, H. G. Craighead, Science 288, 1026-1029 (12 de mayo de 2000) y D. Nykypanchuk, H. H. Strey, D. A. Hoagland, Science 297, 987-990 (9 de agosto de 2002) . La mayoría de estas técnicas conocidas separan una mezcla polidispersa en un fluido que fluye en bandas que contienen partículas que se desplazan a diferentes velocidades a lo largo de la dirección de flujo. Esto normalmente conduce a un procesamiento discontinuo. En la electroforesis se utiliza un gel para obtener una movilidad dependiente del tamaño. La recuperación de fracciones se consigue mediante el post-procesamiento del gel. Sin embargo, a pesar de su amplio uso y eficacia esta metodología es lenta y es importante destacar que, debido a tamaños de poro limitados, tiene dificultad a la hora de separar objetos a nivel de tamaño microscópico por ejemplo células, cromosomas y materia coloidal.

Se usan también geles artificiales asimétricos bidimensionales fabricados litográficamente. Los ejemplos de estos se describen en los artículos de D. Ertas, Physical Review Letters 80, 1548-1551 (6 de febrero de 1998) ; T. A. I Duke, R. H. Austin, Physical Review Letters 80, 1552-1555 (16 de febrero de 1998) y C. F. Chou et al., Biophysical Journal 83, 2170-2179 (octubre 2002) . Estos geles producen la separación transversal respecto a la dirección de flujo. Debido a esto, pueden funcionar de forma continua, captándose diversas fracciones mediante los diferentes canales de recogida. Sin embargo, la clasificación basada en difusión resulta poco práctica por su lentitud a escala microscópica y superior.

Los últimos años han presenciado un gran crecimiento en la exploración del movimiento de partículas en escenarios ópticos. Un ejemplo de esto se describe en el artículo "Kinetically Locked-in Colloidal Transport in an Array of Optical Tweezers" de P. T. Korda et al, Physical Review Letters 89, número 12, Art. No. 128301 (16 de septiembre de 2002) . En este caso, se deja que una mono-capa de esferas coloidales fluya a través de una serie de trampas ópticas discretas. Variando la orientación de la red de trampas se mostró que la dirección de flujo de las esferas podía variar. Debido a esto, se sugirió que la red podía usarse para fraccionar continuamente partículas mesoscópicas. Sin embargo, debido al uso de una red de trampas discretas localizadas, la canalización bloqueada cinéticamente observada a lo largo de vectores de red de bajo índice se limitaba intrínsecamente a desviaciones de ángulo pequeño. En la práctica, esto limita la capacidad práctica de la red para su uso en clasificación.

El documento PCT/GB2004/001993 describe otro esquema de clasificación óptica. En este, se usan redes ópticas tridimensionales para clasificar y fraccionar material biológico y coloidal en un fluido micro-fluídico. Diferentes partículas fluyen en diferentes trayectorias a través del escenario y, en consecuencia, salen en diferentes puntos. La selectividad y base de esta forma de clasificación es la afinidad de una partícula dada a los elementos del escenario óptico. Esto se describe también en M. MacDonald, G. Spalding y K. Dholakia, en Nature 426, 421 (2003) , y por A.

M. Lacasta, et al., en Physical Review Letters (2005) , 94, 188902. Incluso en ausencia de flujo de fluidos pueden usarse patrones ópticos periódicos para clasificación, véase por ejemplo L. Paterson, et al., Applied Physics Letters (2005) , 87, 123901. La clasificación o manipulación de partículas se describe también por ejemplo en los documentos US2005/0247866, WO03/062867, WO2006/032844, US2003/0111594, WO2005/054818 y JPH05026799.

Hasta la fecha se ha realizado la clasificación óptica usando métodos holográficos e interferométricos. Ambos tienen inconvenientes. Los sistemas interferométricos requieren componentes de división de rayo especializados y no reconfigurables. Los moduladores de luz espaciales y las técnicas holográficas ofrecen la posibilidad de cambiar los patrones de luz pero son de una calidad y eficiencia de rayo relativamente pobre. Asimismo, los moduladores de luz espaciales y muchos hologramas no pueden manipular altas potencias de láser y se requieren algoritmos complejos para patrones de luz 3D de buena calidad. También tienen tasas de refresco muy lentas, lo que limita su uso en entornos dinámicos. Ambos tienen limitaciones en la fuerza que puede aplicarse a las micro-partículas, debido a que la variación temporal del campo de luz no puede usarse fácilmente para potenciar la separación óptica.

Sumario de la invención La invención se define en las reivindicaciones independientes adjuntas.

Algunas características preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.

Usando un dispositivo acusto-óptico, el escenario óptico puede modificarse muy rápido en el tiempo, lo que significa que la clasificación óptica puede reconfigurarse fácilmente para diferentes aplicaciones. Esto tiene ventajas prácticas

significativas, por ejemplo para aplicaciones de laboratorio en chip. Los dispositivos acusto-ópticos permiten que la potencia, la frecuencia o la dirección espacial de un rayo láser se controle con una señal eléctrica usando el efecto acusto-óptico, es decir, la modificación del índice de refracción mediante la presión mecánica de oscilación de una onda sonora. El elemento clave de un dispositivo acusto-óptico es un cristal transparente o pieza de vidrio a través de la cual se propaga la luz. Fijado al cristal hay un transductor piezoeléctrico que se usa para excitar una onda sonora de alta frecuencia, normalmente con una frecuencia del orden de 100 MHz.

La luz que pasa a través de un cristal acusto-óptico experimenta difracción de Bragg en una rejilla de índice de refracción periódico generada por la onda sonora. El rayo óptico dispersado tiene una frecuencia óptica ligeramente modificada y una dirección ligeramente diferente. La frecuencia y dirección del rayo dispersado puede controlarse mediante la frecuencia de la onda sonora, mientras que la potencia acústica permite que la potencia óptica se controle rápidamente. Para una potencia acústica suficientemente alta, más del 50 % de la potencia óptica puede disfractarse en un eje. La rápida velocidad de refresco de este sistema significa que su uso en clasificación óptica permite que el escenario óptico se reconfigure rápida y dinámicamente, incluso a potencias relativamente altas.

Se hace que fluya el fluido en el que están suspendidas las partículas. En este caso, el escenario o patrón óptico puede tener una fuerza en gradiente que actúa con o contra el flujo de fluidos. Cuando se opone al flujo, la clasificación ocurre debido al equilibrio selectivo entre cada una de las especies que se están clasificando, ocurriendo el equilibrio a diferentes valores de potencia y/o flujo debido a las diferentes propiedades físicas de cada especie de la muestra.

Breve descripción de los dibujos Se describirán ahora diversos aspectos de la invención a modo de ejemplo únicamente y con referencia a los dibujos adjuntos, de los cuales:

La Figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema óptico para generar un escenario óptico para clasificar partículas; La Figura 2 (a) es una imagen de un escenario óptico que se usó para clasificar partículas de tres tamaños diferentes; La Figura 2 (b) muestra partículas rastreadas... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un método para clasificar partículas en un fluido que comprende: generar un escenario óptico y hacer fluir el fluido a través del escenario óptico, en donde el escenario óptico comprende un túnel óptico y una rampa de salida que tiene una línea de intensidad graduada, en donde el embudo óptico se proporciona para dirigir las partículas hacia la línea de intensidad graduada y la línea de intensidad graduada tiene una intensidad óptica graduada no periódica con distintas zonas de intensidad decreciente a lo largo de su longitud que guían a las partículas a través del flujo de fluido y permiten que las partículas de diferentes tamaños o índices de refracción o formas salgan en diferentes posiciones, clasificando de esta manera las partículas en el flujo de fluido.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la línea de intensidad graduada tiene una intensidad óptica graduada que varía gradualmente en una dirección o dimensión predeterminadas.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en el que intensidad óptica graduada de la línea de intensidad 15 graduada varía discontinuamente o en etapas.

4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que se forma al menos un hueco en la línea de intensidad graduada, para proporcionar así uno o más puertos de salida para las partículas clasificadas.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4 en el que se forman múltiples puertos de salida y los puertos de salida varían de tamaño, para permitir así un tamaño o un índice de refracción o una forma diferentes de las partículas que pasan a través de los mismos.

6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el embudo óptico se 25 dimensiona para proporcionar una corriente de partículas individuales o dobles.

7. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el escenario óptico se genera usando un dispositivo acusto-óptico.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 7 que comprende: seleccionar una velocidad de exploración del dispositivo acusto-óptico para mover las partículas a través del escenario de clasificación óptica.