Sistema y procedimiento de clasificación de materiales usando orientación holográfica con láser.

Un aparato de clasificación de partículas, que comprende:

una celda de flujo que presenta un canal de entrada de fluido

(300) para introducir una muestra de partículas en unflujo laminar;

dos canales de salida (302, 303) dispuestos a ambos lados de dicho canal de entrada de fluido (301), siendoadecuados cada uno de dichos dos canales de salida (302, 303) para hacer fluir a través de los mismos unadisolución amortiguadora y siendo adecuados cada uno de dichos dos canales de salida (302, 303) para introducirdicha disolución amortiguadora en dichos dos canales de salida (302, 303) a caudales que mantienen un flujolaminar con dicho flujo laminar en dicho canal de entrada de fluido (301);

una región de clasificación que no tiene ninguna separación mecánica entre dicho canal de entrada de fluido (301)y dichos dos canales de salida (302, 303) y que tiene dichos flujos laminares en la misma;

un sistema de captura óptica configurado para producir una formación en embudo de trampas ópticas (305) endicho canal de entrada de fluido cerca de dicha región de clasificación, estando configuradas dichas trampasópticas (305) para atrapar dichas partículas en dicho canal de entrada de fluido (301) y para separar dichaspartículas en la región de clasificación;

en el que dicho sistema de captura óptica incluye una lente de objetivo de alta apertura numérica (304) configuradapara implementar dicha formación en embudo de trampas ópticas (305); y

un sistema de detección configurado para detectar dichas partículas atrapadas para determinar las partículas quevan a separarse en dicha región de clasificación.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E10185539.

Solicitante: Premium Genetics Limited.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: Alpha Building, London Road Stapeley, Nantwich, Cheshire CW5 7JW REINO UNIDO.

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

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación de características de partículas;... > G01N15/14 (Investigación por medios electroópticos)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL > APARATOS DE LABORATORIO PARA LA QUIMICA O LA FISICA,... > B01L3/00 (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))
  • 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... > G01N30/00 (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))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de materiales por separación... > G01N30/02 (Cromatografía sobre columna)

PDF original: ES-2451765_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Sistema y procedimiento de clasificación de materiales usando orientación holográfica con láser

La presente invención reivindica prioridad de las solicitudes de patente provisionales estadounidenses 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, cuyos contenidos se incorporan en este documento como referencia.

Antecedentes de la invención La presente invención se refiere a un sistema y procedimiento de clasificación de materiales que usa orientación con láser y en particular que usa captura óptica holográfica.

En la industria estadounidense hay un gran número de necesidades de clasificación y separación no satisfechas relacionadas con materiales formados por partículas o unidades con un tamaño inferior a 50 micrómetros. Estas necesidades varían según el tipo de industria desde la determinación del tamaño de las partículas y la preparación de muestras en los campos especializados relacionados con la química y los materiales, incluyendo la fabricación de productos de nanotecnología, hasta la selección y purificación de proteínas en la industria farmacéutica y de la biotecnología. Otros ejemplos incluyen la clasificación y selección de células en el sector médico, el sector de diagnóstico y el sector de la agricultura.

La importancia de estas necesidades puede observarse analizando los gastos anuales en áreas en las que se han desarrollado soluciones especializadas o parciales, así como estimando el valor de mercado de productos clasificados/separados/purificados en áreas en las que actualmente no hay ni siquiera una solución parcial. Como un ejemplo del primer caso, la industria biotecnológica y la industria farmacéutica utilizan anualmente un elevado número de equipos y suministros para la purificación de las proteínas. Como un ejemplo del segundo caso, en el sector agrícola no existe actualmente ningún modo de seleccionar eficazmente el género de las crías de los animales de granja; sin embargo, se estima que solamente en lo que se refiere al ganado, se añadiría valor permitiendo tal selección de espermatozoides como parte del actual proceso de inseminación artificial utilizado ampliamente en la industria.

Fuera del mercado de la ganadería, el proceso de purificación de las células de los islotes del páncreas humano es actualmente un gran motivo de preocupación para los científicos médicos que desarrollan nuevos procedimientos para tratar la diabetes de tipo I. Se han hecho grandes avances en los procedimientos de transplante de islotes, pero el problema de la purificación es uno de los escollos que aún perduran. Los procedimientos tradicionales para purificar las células de los islotes no son eficaces y dañan las células.

El transplante de células de los islotes es importante porque, en la diabetes de tipo I, las células de los islotes presentes en el páncreas del paciente están dañadas y ya no producen insulina, que es necesaria para la supervivencia de las personas. El tratamiento actual para la diabetes de tipo I implica la inyección de insulina entre 1 y 5 veces al día. A pesar del tratamiento, la enfermedad produce a menudo complicaciones, incluyendo ceguera, problemas en el flujo sanguíneo que requieren amputación, insuficiencia renal y la muerte. Se espera que una mayor pureza y un menor número de contaminantes en las células de los islotes usadas en los transplantes permita reducir la aparición de estas complicaciones.

De los casi un millón de enfermos que padecen actualmente diabetes de tipo I en los Estados Unidos, al menos 50.000 enfermos al año se someterían al transplante de células de los islotes si estuviera disponible. Si el transplante de células de los islotes se acepta a gran escala como una terapia eficaz, cabe esperar que los costes aumenten considerablemente. Este aumento sería impulsado por la dificultad de usar el tratamiento actual (las frecuentes inyecciones) y por las graves consecuencias incluso cuando se administra adecuadamente el tratamiento actual.

Por tanto, la purificación de los islotes es un serio problema que requiere una clasificación altamente selectiva de células humanas de una manera no dañina y no invasiva.

Otro problema que es necesario abordar es la purificación de células normales a partir de células cancerígenas en la médula ósea de personas que se someten a un tratamiento de radiación en todo el cuerpo para combatir del cáncer.

Otro problema adicional es la selección de células madre para investigar las causas de y para desarrollar terapias para, enfermedades como el párkinson.

Otro problema consiste en desarrollar nuevas maneras de interrogar automáticamente un gran número de células humanas y seleccionar aquellas que presentan características no receptivas al marcado fluorescente, lo que aumentaría en gran medida el alcance y la precisión de los diagnósticos médicos.

Una técnica convencional para manipular objetos microscópicos es la captura óptica. Una descripción aceptada del efecto de la captura óptica es que una luz cuidadosamente enfocada, tal como una luz enfocada por una lente de microscopio de alta apertura numérica, tiene un gradiente de intensidad pronunciado. Las trampas ópticas usan las fuerzas de gradiente de un haz de luz para atrapar una partícula en función de su constante dieléctrica. "Partícula" se refiere a un material biológico o a otro material químico que incluye, sin limitarse a, oligonucleótidos, polinucleótidos, compuestos químicos, proteínas, lípidos, polisacáridos, ligandos, células, anticuerpos, antígenos, orgánulos celulares, lípidos, blastómeros, aglutinaciones de células, microorganismos, péptidos, ADNc, ARN, etc.

Para minimizar su energía, una partícula que tiene una constante dieléctrica mayor que el medio circundante se moverá hacia la región de una trampa óptica que tiene el campo eléctrico más elevado. Partículas con al menos un ligero diferencial de constante dieléctrica con su entorno son sensibles a este gradiente y son atraídas hacia o repelidas desde el punto de mayor intensidad de luz, es decir, hacia o desde el punto focal del haz de luz. Para construir una trampa óptica se utilizan fuerzas de gradiente óptico de un único haz de luz para manipular la posición de una partícula dieléctrica sumergida en un medio fluido con un índice de refracción menor que el de la partícula, pero también pueden manipularse partículas reflectantes, absorbentes y con una baja constante dieléctrica.

La fuerza de gradiente óptico en una trampa óptica compite con la presión de radiación que tiende a desplazar la partícula atrapada a lo largo del eje del haz. Una trampa óptica puede estar ubicada en cualquier sitio dentro del volumen focal de una lente de objetivo seleccionando de manera apropiada la dirección de propagación del haz de entrada y el grado de colimación. Un haz colimado que entra en la apertura trasera de una lente de objetivo queda enfocado en el centro del plano focal de la lente mientras que otro haz que entra en un ángulo queda desenfocado. Un haz ligeramente divergente se enfoca aguas abajo del plano focal mientras que un haz convergente se enfoca aguas arriba.

Cada uno de los múltiples haces que entran simultáneamente en la pupila de entrada de la lente forma una trampa óptica en el volumen focal en una ubicación determinada por su ángulo de incidencia. La técnica de captura óptica holográfica usa un elemento óptico difrangente modificador de fase para imponer el patrón de fase para múltiples haces en el frente de onda de un único haz de entrada, transformando de ese modo el único haz en múltiples trampas.

Se prefiere la modulación de fase de un haz de entrada para crear trampas... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un aparato de clasificación de partículas, que comprende:

una celda de flujo que presenta un canal de entrada de fluido (300) para introducir una muestra de partículas en un flujo laminar;

dos canales de salida (302, 303) dispuestos a ambos lados de dicho canal de entrada de fluido (301) , siendo adecuados cada uno de dichos dos canales de salida (302, 303) para hacer fluir a través de los mismos una disolución amortiguadora y siendo adecuados cada uno de dichos dos canales de salida (302, 303) para introducir dicha disolución amortiguadora en dichos dos canales de salida (302, 303) a caudales que mantienen un flujo laminar con dicho flujo laminar en dicho canal de entrada de fluido (301) ;

una región de clasificación que no tiene ninguna separación mecánica entre dicho canal de entrada de fluido (301) y dichos dos canales de salida (302, 303) y que tiene dichos flujos laminares en la misma;

un sistema de captura óptica configurado para producir una formación en embudo de trampas ópticas (305) en dicho canal de entrada de fluido cerca de dicha región de clasificación, estando configuradas dichas trampas ópticas (305) para atrapar dichas partículas en dicho canal de entrada de fluido (301) y para separar dichas partículas en la región de clasificación;

en el que dicho sistema de captura óptica incluye una lente de objetivo de alta apertura numérica (304) configurada para implementar dicha formación en embudo de trampas ópticas (305) ; y

un sistema de detección configurado para detectar dichas partículas atrapadas para determinar las partículas que van a separarse en dicha región de clasificación.

2. El aparato según la reivindicación 1,

que comprende una rueda giratoria con un conjunto de hologramas estáticos montados en la misma, configurada para establecer el sistema de embudo de un patrón de trampas de baja intensidad (305) y para modificar este patrón en función del patrón de rotación de la rueda.

3. El aparato según la reivindicación 2, configurado de manera que las trampas ópticas en embudo (305) situadas en la posición más aguas abajo de dicho canal de entrada de fluido (301) tienen una intensidad y una posición fijas y están configuradas para mantener una separación entre dichas partículas en dicho flujo laminar en dicho canal de entrada de fluido.

4. El aparato según la reivindicación 2, configurado de manera que las trampas ópticas en embudo (305) situadas en una posición aguas arriba de dicho canal de entrada de fluido tienen una intensidad y una posición que pueden modificarse para perturbar un flujo de partículas cuando dichas partículas están aglutinadas y para dejar pasar dichas partículas cuando dichas partículas son partículas individuales o no están aglutinadas.

5. El aparato según la reivindicación 1, en el que dicho sistema de detección es uno de entre un sistema de detección de fluorescencia de alta resolución, un sistema de medición de dispersión y un sistema de desviación óptica.

6. El aparato según la reivindicación 1, configurado de manera que el campo de visión de dicha lente de objetivo (304) tiene el mismo ancho que cada uno de dicho canal de entrada de fluido (301) y dichos dos canales de salida (302, 303) .

7. El aparato según la reivindicación 1, en el que dicho sistema de captura óptica incluye moduladores espaciales de luz configurados para crear máscaras de fase para hacer funcionar dicho sistema de captura óptica.

8. El aparato según la reivindicación 7, configurado de manera que las tasas de actualización de dichos moduladores espaciales de luz son de 30 Hz o más.

9. El aparato según la reivindicación 1, en el que dichas partículas son células.

10. El aparato según la reivindicación 9, en el que dichas partículas son espermatozoides.

11. El aparato según la reivindicación 1, en el que dicho sistema de captura óptica está configurado para atrapar y separar dichas partículas de dicho canal de entrada de fluido hacia cualquiera de dichos canales de salida.

12. El aparato según la reivindicación 5, en el que dicho sistema de detección está configurado para analizar dichas partículas y para identificar dichas partículas como partículas deseadas o no deseadas y para dañar o

destruir dichas partículas no deseadas mediante un haz de láser.

13. El aparato según la reivindicación 10, en el que dicho sistema de detección es un sistema de detección de fluorescencia, que está configurado para detectar la fluorescencia de dichos espermatozoides, con el fin de determinar la carga cromosómica subyacente y que está configurado para identificar los cromosomas X y los cromosomas Y de dichos espermatozoides;

y en el que dicho sistema de captura óptica está configurado para clasificar los espermatozoides que portan el cromosoma X y los espermatozoides que portan el cromosoma Y en dicha región de clasificación.

14. El aparato según la reivindicación 13, que comprende un colorante que se adhiere específicamente al ADN de manera que la fluorescencia total presente es una medida del ADN total presente.

15. El aparato según la reivindicación 13, en el que dicho sistema de captura óptica incluye un modulador espacial de luz configurado para crear máscaras de fase para hacer funcionar dicho sistema de captura óptica.

16. El aparato según la reivindicación 13, configurado para clasificar dichos espermatozoides que portan el cromosoma X y dichos espermatozoides que portan el cromosoma Y a partir de dicho canal de entrada de fluido usando dichas trampas ópticas (305) de dicho sistema de captura óptica, hacia cualquiera de dichos canales de salida.

17. El aparato según la reivindicación 13, configurado de manera que bien dichos espermatozoides que portan el cromosoma X o bien dichos espermatozoides que portan el cromosoma Y son dañados o destruidos por un haz de láser.

18. El aparato según la reivindicación 1, en el que dichos dos canales de salida (301, 302) son paralelos a dicho canal de entrada de fluido (301) .

19. Un procedimiento de clasificación de partículas, que comprende las siguientes etapas:

introducir una muestra de partículas en un flujo laminar en un canal de entrada de fluido (301) de una celda de flujo;

introducir una disolución amortiguadora en un flujo laminar en dos canales de salida (302, 303) , estando dispuestos dichos canales de salida (302, 303) a ambos lados de dicho canal de entrada de fluido (301) , en el que dicha disolución amortiguadora se introduce en dichos canales de salida (302, 303) a caudales que mantienen un flujo laminar con dicho flujo laminar en dicho canal de entrada de fluido;

proporcionar una región de clasificación que no tiene ninguna separación mecánica entre dicho canal de entrada de fluido (301) y dichos canales de salida (302, 303) y que tiene dichos flujos laminares en la misma;

producir una formación en embudo de trampas ópticas (305) en dicho canal de entrada de fluido (301) usando un sistema de captura óptica, en el que dicha formación en embudo de trampas ópticas (305) se implementa mediante una lente de objetivo de alta apertura numérica (304) incluida en dicho sistema de captura óptica;

atrapar dichas partículas en dicho canal de entrada de fluido (301) mediante dicha formación en embudo de trampas ópticas (305) ;

detectar e identificar dichas partículas usando un sistema de detección para determinar las partículas que van a clasificarse en dicha región de clasificación;

separar dichas partículas en la región de clasificación mediante dicha formación en embudo de trampas ópticas (305) .

20. El procedimiento según la reivindicación 19,

en el que dicha formación en embudo de trampas ópticas se establece mediante un conjunto de hologramas estáticos que están montados en una rueda giratoria de manera que el patrón cambia en función del patrón de rotación de la rueda.

21. El procedimiento según la reivindicación 19, en el que dichas trampas ópticas (305) ubicadas en la posición más aguas abajo de dicho canal de entrada de fluido (301) tienen una intensidad y una posición fijas y están configuradas para mantener una separación entre dichas partículas en dicho flujo laminar en dicho canal de entrada de fluido (301) .

22. El procedimiento según la reivindicación 19, en el que dichas trampas ópticas (305) situadas en una posición

aguas arriba de dicho canal de entrada de fluido (301) tienen una intensidad y una posición que pueden modificarse para perturbar un flujo de partículas cuando dichas partículas están aglutinadas y para dejar pasar dichas partículas cuando dichas partículas son partículas individuales o no están aglutinadas.

23. El procedimiento según la reivindicación 19, en el que dicho sistema de detección es uno de entre un sistema de detección de fluorescencia de alta resolución, un sistema de medición de dispersión y un sistema de desviación óptica.

24. El procedimiento según la reivindicación 19, en el que el campo de visión de dicha lente de objetivo (304) tiene el mismo ancho que cada uno de dicho canal de entrada de fluido (301) y dichos dos canales de salida (302, 303) .

25. El procedimiento según la reivindicación 19, en el que dicho sistema de captura óptica incluye moduladores espaciales de luz que crean máscaras de fase para hacer funcionar dicho sistema de captura óptica.

26. El procedimiento según la reivindicación 25, en el que las tasas de actualización de dichos moduladores espaciales de luz son de 30 Hz o más.

27. El procedimiento según la reivindicación 26, en el que dichas partículas son células.

28. El procedimiento según la reivindicación 27, en el que las células son espermatozoides.

29. El procedimiento según la reivindicación 19, en el que dichas partículas se clasifican usando dichas trampas ópticas (305) de dicho sistema de captura óptica, desde dicho canal de entrada de fluido (301) hasta cualquiera de dichos canales de salida (302, 303) .

30. El procedimiento según la reivindicación 19, en el que dichas partículas se identifican como partículas deseadas o no deseadas y dichas partículas no deseadas son dañadas o destruidas por un haz de láser.

31. El procedimiento según la reivindicación 19,

en el que dichas partículas son espermatozoides que portan el cromosoma X y espermatozoides que portan el cromosoma Y que usan un colorante que se adhiere específicamente al ADN;

en el que dicho sistema de detección es un sistema de detección de fluorescencia que detecta la fluorescencia de dichos espermatozoides con el fin de determinar la carga cromosómica subyacente y que identifica los cromosomas X y los cromosomas Y de dichos espermatozoides;

en el que dichos espermatozoides que portan el cromosoma X y dichos espermatozoides que portan el cromosoma Y se clasifican usando trampas ópticas (305) de dicho sistema de captura óptica, en dicha región de clasificación.

32. El procedimiento según la reivindicación 31, en el que dicho colorante se adhiere específicamente al ADN, de manera que la fluorescencia total presente es una medida del ADN total presente.

33. El procedimiento según la reivindicación 31, en el que el caudal de dichos espermatozoides en dicho canal de entrada (301) y el caudal de la disolución amortiguadora en dichos dos canales de salida (302, 303) es el mismo.

34. El procedimiento según la reivindicación 31, en el que el caudal en dicho canal de entrada de fluido (301) y el caudal en dichos dos canales de salida (302, 303) se fijan mediante una distancia de separación predeterminada entre dichos espermatozoides, una tasa de actualización de dicho sistema de captura óptica que lleva a cabo la función de separación y mediante un tasa de procesamiento de espermatozoides predeterminada.

35. El procedimiento según la reivindicación 31, en el que el ancho del campo de visión de dicha lente de objetivo de alta apertura numérica es el mismo que el ancho de dicho canal de entrada de fluido y que el ancho de dichos dos canales de salida y una longitud de dicho campo de visión de dicha lente de objetivo de alta apertura numérica depende del caudal en dicho canal de entrada de fluido y dichos dos canales de salida, la profundidad de dicho canal de entrada de fluido y dichos dos canales de salida y una tasa de actualización de dicho sistema de captura óptica usado para controlar dichas trampas ópticas.

36. El procedimiento según la reivindicación 31, en el que dicho sistema de captura óptica incluye un modulador espacial de luz que crea máscaras de fase para hacer funcionar dicho sistema de captura óptica.

37. El procedimiento según la reivindicación 31, en el que dichos espermatozoides que portan el cromosoma X y dichos espermatozoides que portan el cromosoma Y se clasifican usando dichas trampas ópticas (305) de dicho sistema de captura óptica, desde dicho canal de entrada de fluido (301) hasta cualquiera de dichos canales de salida (302, 303) .

38. El procedimiento según la reivindicación 31, en el que uno de dichos espermatozoides que portan el cromosoma X o dichos espermatozoides que portan el cromosoma Y es dañado o destruido por un haz de láser.

39. El procedimiento según la reivindicación 30, en el que dichas partículas que son dañadas o destruidas por dicho haz de láser son o bien espermatozoides que portan el cromosoma X o bien espermatozoides que portan el 5 cromosoma Y y dicha destrucción produce una muestra que tiene más de dichos otros de dichos espermatozoides que portan el cromosoma X o dichos espermatozoides que portan el cromosoma Y.

40. El procedimiento según la reivindicación 38, en el que dicho daño o destrucción mediante dicho haz de láser produce una muestra que tiene más de dichos otros de dichos espermatozoides que portan el cromosoma X o dichos espermatozoides que portan el cromosoma Y.