Sistema y procedimiento de clasificación de materiales usando dirección de láser holográfica.

Un procedimiento de clasificación de objetos que comprende:

generar un haz de luz usando un láser,

haz de luz que se difracta por una superficie de un elemento difractivoóptico (101, 509) en una pluralidad de haces elementales,

teniendo dicho elemento difractivo óptico (101, 509) una de una superficie estática o una dinámica;hacer converger dichos haces elementales a través de una lente de objetivo (109, 504), produciendo de estemodo condiciones de gradiente óptico que forman trampas ópticas (103);

proporcionar una pluralidad de objetos que se quieren clasifican, siendo dichos objetos células;

atrapar cada una de dichas células usando dichas trampas ópticas (103) y usando una fuente de iluminación(503) para formación de imágenes para la espectroscopía de dicha células atrapadas por dichas trampas ópticas;estudiar las células atrapadas por dichas trampas ópticas realizando un análisis espectral usando un ordenadorpara analizar los datos espectrales y para identificar las células portadoras de un cromosoma X o Y, o un tipo celularque se sospecha que es canceroso, precanceroso y/o no canceroso; y

clasificar las células identificadas dirigiendo dichas trampas ópticas (103) para que contengan célulasseleccionadas, basándose en dicho análisis;

en el que se realiza el seguimiento del movimiento y el contenido de cada una de dichas trampas ópticas pormedio de una cámara de vídeo (511), o una corriente de datos ópticos, y en el que dicho ordenador controla unaselección de dichas células y la generación de dichas trampas ópticas.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2003/023822.

Solicitante: Premium Genetics Limited.

Inventor/es: GRUBER,LEWIS, BRADLEY,KENNETH, LOPES,WARD, LANCELOT,ROBERT W, PLEWA,JOSEPH S, GRIER,DAVID.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B01L3/00 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL.B01L APARATOS DE LABORATORIO PARA LA QUIMICA O LA FISICA, DE USO GENERAL (aparatos de uso médico o farmacéutico A61; aparatos para aplicaciones industriales o aparatos de laboratorio cuya estructura y funciones son comparables a las de aparatos industriales similares, ver las clases relativas a los aparatos industriales, en particular las subclases B01 y C12; aparatos de separación o de destilación B01D; dispositivos de mezcla o de agitación B01F; atomizadores B05B; tamices, cribas B07B; tapones, capuchones B65D; manipulación de líquidos en general B67; bombas de vacío F04; sifones F04F 10/00; grifos, válvulas F16K; tubos, empalmes para tubos F16L; aparatos especialmente adaptados al estudio y análisis de materiales G01, particularmente G01N; aparatos eléctricos u ópticos, ver las subclases apropiadas en las secciones G y H). › Recipientes o utensilios para laboratorios, p. ej. cristalería de laboratorio (botellas B65D; equipos para enzimología o microbiología C12M 1/00 ); Cuentagotas (recipientes para volumetría G01F).
  • G01N15/14 FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 15/00 Investigación de características de partículas; Investigación de la permeabilidad, del volumen de los poros o del área superficial efectiva de los materiales porosos (identificación de microorganismos C12Q). › Investigación por medios electroópticos.
  • G01N30/00 G01N […] › Investigación o análisis de materiales por separación en constituyentes utilizando la adsorción, la absorción o fenómenos similares o utilizando el intercambio iónico, p. ej. la cromatografía (G01N 3/00 - G01N 29/00 tienen prioridad).
  • G01N30/02 G01N […] › G01N 30/00 Investigación o análisis de materiales por separación en constituyentes utilizando la adsorción, la absorción o fenómenos similares o utilizando el intercambio iónico, p. ej. la cromatografía (G01N 3/00 - G01N 29/00 tienen prioridad). › Cromatografía sobre columna.
  • G21K1/00 G […] › G21 FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR.G21K TECNICAS NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR PARA MANIPULAR PARTICULAS O RADIACIONES ELECTROMAGNETICAS; DISPOSITIVOS DE IRRADIACION; MICROSCOPIOS DE RAYOS GAMMA O DE RAYOS X.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).

PDF original: ES-2430963_T3.pdf

 

Sistema y procedimiento de clasificación de materiales usando dirección de láser holográfica.

Fragmento de la descripción:

Sistema y procedimiento de clasificación de materiales usando dirección de láser holográfica La presente invención reivindica la prioridad de las solicitudes de patente provisionales de EE. UU. N. º 60/399.386, presentada el 31 de julio de 2002, y N. º 60/435.541, presentada el 20 de diciembre de 2002.

Antecedentes de la invención La presente invención se refiere a un sistema y procedimiento de clasificación de materiales usando dirección de láser y, en particular, usando atrapamiento óptico holográfico.

En la industria estadounidense, existen gran cantidad de necesidades de clasificación y separación sin satisfacer relacionadas con materiales fabricados de partículas o unidades menores de 50 micrómetros. Estas necesidades varían en las industrias desde el dimensionado de las partículas y la preparación de muestras en los campos de la química especializada y los materiales, incluida la fabricación de productos de nanotecnología, hasta la selección y purificación de proteínas en las industrias farmacéutica y biotecnológica. Otros ejemplos incluyen la clasificación y selección de células, en los sectores de la medicina, el diagnóstico y la agricultura.

Se puede observar la importancia de estas necesidades al examinar los gastos anuales en áreas donde se han desarrollado soluciones especializadas o parciales, así como al calcular el valor en el mercado de la producción clasificada/separada/purificada en áreas donde actualmente no existe ni siquiera una solución parcial. Como ejemplo de lo anterior, las industrias biotecnológica y farmacéutica gastan anualmente una enorme cantidad en equipos y suministros para la purificación de proteínas.

Como ejemplo de esto último, actualmente en el sector de la agricultura no existe ninguna manera de seleccionar eficazmente el género de la descendencia de los animales de granja; no obstante, se calcula que solo en el área del ganado vacuno, se añadiría valor al permitir dicha selección de esperma como parte del procedimiento de inseminación actual de uso extendido en la industria.

Fuera del mercado de la ganadería, actualmente el procedimiento de purificación de células de islote a partir de páncreas humanos es una gran preocupación de los científicos médicos que desarrollan nuevos procedimientos de tratamiento para la diabetes de tipo I. Se han hechos avances significativos en los procedimientos de trasplante de islotes, pero el problema de la purificación es uno de los escollos que quedan. Los procedimientos tradicionales para purificar células de islote son ineficaces y dan lugar a daños en las células.

El trasplante de células de islote es importante debido a que, en la forma de diabetes de tipo I, las células de islote existentes en el páncreas del paciente están dañadas y ya no producen la insulina necesaria para la supervivencia humana. El tratamiento actual para la diabetes de tipo I implica la inyección de insulina de 1 a 5 veces al día. A pesar del tratamiento, con frecuencia la enfermedad da lugar a complicaciones que incluyen ceguera, problemas de flujo sanguíneo que requieren amputaciones, insuficiencia renal y muerte. Se espera que una pureza mayor y la reducción de los contaminantes para las células de islote usadas en el trasplante reduzcan la aparición de estas complicaciones.

Del millón aproximado de pacientes actuales de diabetes de tipo I en Estado Unidos, al menos 50.000 pacientes al año se someterían a un trasplante de células de islote si estuviera disponible. Tras la aceptación a gran escala del trasplante de células de islote como tratamiento eficaz, cabría esperar que los costes dieran un salto sustancial. El salto respondería a la dificultad de uso del procedimiento de tratamiento actual (inyecciones frecuentes) y las graves consecuencias incluso cuando el tratamiento se administra de forma adecuada.

Por tanto, la purificación de islotes no es más que un problema importante que requiere la clasificación altamente selectiva de células humanas de manera no perjudicial y no invasiva.

Otro problema que es necesario abordar es la purificación de células sanas a partir de células cancerosas de la médula ósea de personas sometidas a un tratamiento de radiación del cuerpo entero para el cáncer.

Otro más es la selección de células madre para la investigación sobre las causas de, y los tratamientos para, enfermedades tales como la enfermedad de Parkinson.

Otra preocupación adicional es el desarrollo de nuevas maneras de estudiar grandes cantidades de células humanas y seleccionar las que tienen características que no se pueden someter a marcaje fluorescente, lo que ampliaría enormemente el alcance y la potencia de los diagnósticos médicos.

Una técnica convencional en la manipulación de objetos microscópicos es el atrapamiento óptico. Una descripción aceptada del efecto del atrapamiento óptico es que la luz con enfoque estrecho, tal como la luz enfocada por una lente de microscopio de abertura numérica alta, tiene un gradiente de intensidad pronunciado. Las trampas ópticas usan las fuerzas del gradiente de un haz de luz para atrapar una partícula en función de su constante dieléctrica. “Partícula” se refiere a material biológico u otro material químico, incluidos, pero sin limitación, oligonucleótidos, polinucleótidos, compuestos químicos, proteínas, lípidos, polisacáridos, ligandos, células, anticuerpos, antígenos,

orgánulos celulares, lípidos, blastómeros, agregaciones celulares, microorganismos, péptidos, ADNc, ARN y similares.

Para reducir al mínimo su energía, una partícula con una constante dieléctrica mayor que la del medio circundante se moverá hacia la región de una trampa óptica donde el campo eléctrico sea más alto. Las partículas con al menos un pequeño diferencial de la constante dieléctrica con su entorno son sensibles a este gradiente y se ven atraídas o repelidas desde el punto de mayor intensidad de luz, es decir, hacia o desde el punto focal del haz de luz. Al construir una trampa óptica, se emplean las fuerzas del gradiente óptico de un solo haz de luz para manipular la posición de una partícula dieléctrica inmersa en un medio fluido con un índice de refracción menor que el de la partícula, pero también se pueden manipular partículas reflejantes, absorbentes y de constante dieléctrica baja.

La fuerza del gradiente óptico de una trampa óptica compite con la presión de la radiación, que tiende a desplazar la partícula atrapada a lo largo del eje del haz. Una trampa óptica se puede colocar en cualquier sitio dentro del volumen focal de una lente de objetivo mediante la selección aproximada de la dirección de propagación del haz de entrada y el grado de colimación. Un haz colimado que entra por la lente de la abertura trasera de un objetivo llega a un foco en el centro del plano focal de la lente, mientras que otro haz que entra con un ángulo llega a un foco descentrado. Un haz ligeramente divergente enfoca más allá del plano focal, mientras que un haz convergente enfoca más acá. Cada uno de los múltiples haces que entran por la pupila de entrada de la lente simultáneamente, forma una trampa óptica en el volumen focal en una posición determinada por su ángulo de incidencia. La técnica de atrapamiento óptico holográfico usa un elemento difractivo óptico de modificación de fase para imponer el patrón de fase para múltiples hacer sobre el frente de onda de un solo haz de entrada, transformando de este modo el haz individual en múltiples trampas.

En la creación de trampas ópticas se prefiere la modulación de la fase de un haz de entrada debido a que el atrapamiento se basa en los intersticios de los haces y no en sus fases relativas. Las modulaciones de la amplitud pueden desviar la luz de las trampas y diminuir su eficacia.

Cuando una partícula está ópticamente atrapada, las fuerzas del gradiente óptico ejercidas por la trampa superan otras presiones de la radiación que surgen de la dispersión y la absorción. En general, para un haz de láser de entrada gaussiano TEM00, esto significa que el diámetro del haz debería coincidir sustancialmente con el diámetro de la pupila de entrada. Una abertura numérica preferente para formar una trampa es de aproximadamente 0, 9 a aproximadamente 1, 0.

Una dificultad para aplicar la tecnología de atrapamiento óptico es que, en general, cada trampa que se va a generar requiere su propio haz de luz enfocado. Muchos sistemas de interés requieren múltiples trampas ópticas y se han desarrollado varios procedimientos para lograr configuraciones de trampas múltiples. Un procedimiento existente usa un solo haz de luz que se redirige entre ubicaciones de múltiples trampas... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un procedimiento de clasificación de objetos que comprende:

generar un haz de luz usando un láser, haz de luz que se difracta por una superficie de un elemento difractivo óptico (101, 509) en una pluralidad de haces elementales,

teniendo dicho elemento difractivo óptico (101, 509) una de una superficie estática o una dinámica;

hacer converger dichos haces elementales a través de una lente de objetivo (109, 504) , produciendo de este modo condiciones de gradiente óptico que forman trampas ópticas (103) ;

proporcionar una pluralidad de objetos que se quieren clasifican, siendo dichos objetos células;

atrapar cada una de dichas células usando dichas trampas ópticas (103) y usando una fuente de iluminación 10 (503) para formación de imágenes para la espectroscopía de dicha células atrapadas por dichas trampas ópticas;

estudiar las células atrapadas por dichas trampas ópticas realizando un análisis espectral usando un ordenador para analizar los datos espectrales y para identificar las células portadoras de un cromosoma X o Y, o un tipo celular que se sospecha que es canceroso, precanceroso y/o no canceroso; y

clasificar las células identificadas dirigiendo dichas trampas ópticas (103) para que contengan células 15 seleccionadas, basándose en dicho análisis;

en el que se realiza el seguimiento del movimiento y el contenido de cada una de dichas trampas ópticas por medio de una cámara de vídeo (511) , o una corriente de datos ópticos, y en el que dicho ordenador controla una selección de dichas células y la generación de dichas trampas ópticas.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los objetos son esperma y la etapa de 20 clasificación clasifica esperma portador de cromosomas X y esperma portador de cromosomas Y.

3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además: llevar un registro de cada una de dichas células contenidas en cada una de dichas trampas ópticas (103) .

4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se transfiere cada una de dichas células desde una trampa óptica hasta una segunda trampa óptica.

5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:

rastrear el movimiento de cada una de dichas células basándose en un movimiento predeterminado de cada una de dichas trampas ópticas (103) originado al codificar dicho elemento óptico (101, 509) .

6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además: procesar dicha corriente de datos ópticos para realizar un seguimiento de su intensidad.

7. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además: realizar un seguimiento del nivel de potencia de cada una de dichas trampas ópticas (103) .

8. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el que se destruye uno de dicho esperma portador de cromosomas X o dicho esperma portador de cromosomas Y.

9. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos objetos son células y dichas células se 35 destruyen en función de dicho análisis espectral de dicho estudio usando dicho ordenador.

10. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se destruyen dichos objetos selectivamente.

11. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dichos objetos destruidos son uno de esperma portador de cromosomas X o portador de cromosomas Y, y dicha destrucción produce una muestra con una proporción aumentada de dicho otro de dicho esperma portador de cromosomas X o dicho esperma portador de

cromosomas Y.

12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dichos objetivos se destruyen por un haz de láser.

13. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho análisis espectral es una detección de fluorescencia de alta resolución.

14. Un aparato para clasificar objetos que comprende:

un aparato de atrapamiento óptico (100, 500) que incluye:

un láser para generar un haz de luz;

un elemento difractivo óptico (101, 509) dispuesto para difractar dicho haz de luz en una pluralidad de haces elementales, teniendo dicho elemento difractivo óptico una de una superficie dinámica o una estática;

una lente de objetivo (109, 504) que haga converger dichos haces elementales para producir condiciones de gradiente óptico que forman trampas ópticas, estando adaptada cada una de dichas trampas ópticas para atrapar objetos tales como células; y

una fuente de iluminación (503) de formación de imágenes dispuesta para realizar un análisis espectral de las células atrapadas por dichas trampas ópticas, estudiando de este modo las células;

un ordenador programado para analizar los datos espectrales de dicho análisis espectral y para identificar células portadoras de un cromosoma X o Y, o un tipo celular que se sospecha que es canceroso, precanceroso y/o no canceroso;

en el que se dirige cada una de dichas trampas ópticas (103) para que contenga células seleccionadas, basándose en dicho análisis; y

en el que se dispone el aparato para realizar un seguimiento del movimiento y el contenido de cada una de dichas trampas ópticas (103) por medio de una de una cámara de vídeo o una corriente de datos ópticos, y en el que se dispone dicho ordenador para que controle una selección de dichas células y la generación de dichas trampas ópticas.

15. El aparato como se reivindica en la reivindicación 14, que comprende además:

una cámara de muestras dispuesta de modo que cada una de dichas células se puede introducir, atrapar y clasificar en dicha cámara de muestras.

16. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende además moduladores de luz espaciales adaptados para crear máscaras de fase que se disponen para dirigir dicho aparato de atrapamiento óptico (100, 500) , y en el que una velocidad de actualización de al menos uno de dichos moduladores de luz espaciales es de al menos 30 Hz.

17. El aparato de acuerdo con la reivindicación 16, en el que un radio de un cono de un haz de luz de dicho aparato de atrapamiento óptico (100, 500) , se determinada por una abertura numérica de dicha lente de objetivo.

18. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que se disponen múltiples haces de luz para su uso.

19. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, dispuesto de forma que se clasifican e identifican dichas células para destruirlas mediante un haz de láser en función de dicho análisis espectral y el estudio de dichas células usando dicho ordenador.

20. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que se codifica dicho elemento óptico (101, 509) para provocar un movimiento predeterminado de cada una de dichas trampas ópticas y se dispone para rastrear dicho movimiento y el contenido de las mismas.

21. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende además un fotodetector adaptado para realizar el seguimiento de una intensidad de dicha corriente de datos ópticos.

22. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que dicho elemento difractivo óptico (101, 509) incluye rejillas, hologramas, lentes, espejos, prismas y placas de onda.

23. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que dicho elemento difractivo óptico (101, 509) tiene una función dependiente del tiempo.

24. El aparato de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende además un sistema de formación de imágenes.

25. El aparato de acuerdo con la reivindicación 24, en el que dicho sistema de formación de imágenes es una cámara.

26. El aparato de acuerdo con la reivindicación 25, que comprende además una pantalla.

27. El aparato de acuerdo con la reivindicación 26, que comprende además un regulador de potencia que se muestra en la interfaz gráfica de la pantalla, que está dispuesto para controlar un nivel de potencia de cada una de dichas trampas ópticas.

28. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que cada uno de dicho objetos es esperma, y el aparato

está dispuesto para clasificar por análisis espectral esperma portador de cromosomas X y esperma portador de cromosomas Y.

29. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, dispuesto de modo que se lleva un registro de cada uno de dichos objetos de dichas trampas ópticas.

30. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, dispuesto para transferir cada uno de dichos objetos desde un primer conjunto de trampas ópticas hasta un segundo conjunto de trampas ópticas por rotación de un elemento difractivo óptico (101, 509) de patrón de fase estático alrededor de un pivote para alinear dicho haz de luz para generar un segundo conjunto de trampas ópticas en una posición próxima a dicho primer conjunto de trampas ópticas.

31. El aparato de acuerdo con la reivindicación 28, dispuesto para destruir uno de dicho esperma portador de cromosomas X o dicho esperma portador de cromosomas Y.

32. El aparato de acuerdo con la reivindicación 19, dispuesto de modo que dichos objetos destruidos son uno de esperma portador de cromosomas X o portador de cromosomas Y, y dicha destrucción produce una muestra de proporción aumentada en dicho otro de dicho esperma portador de cromosomas X o dicho esperma portador de cromosomas Y.

33. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que dicho láser emite una energía lumínica y dicha energía lumínica está adaptada para destruir uno de dichos objetos seleccionados u objetos no seleccionados.

34. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que dicho láser emite una energía lumínica y dicha energía lumínica está adaptada para destruir los objetos.

35. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que dicho análisis espectral es una detección de fluorescencia de alta resolución.


 

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