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

Un procedimiento de separación de objetos que comprende

atrapar una pluralidad de objetos (104) usando una pluralidad de trampas ópticas (103,

400, 305) generadas por un aparato de atrapamiento óptico (100, 500) que tiene un láser para producir las condiciones de gradiente óptico que forman dicha pluralidad de trampas ópticas (103, 400, 305);

examinar cada uno de los objetos atrapados usando criterios de identificación predeterminados en cada uno de los objetos atrapados (104) para determinar su identidad, dichos criterios de identificación predeterminados incluyendo una identidad química o una marca de reacción, unión o fluorescencia de los objetos por espectroscopía inelástica, o un tamaño de estructuras internas de los objetos, obtenido como un resultado de retrodispersión de luz polarizada; separar los objetos identificados (104) de acuerdo con dichos criterios de identificación predeterminados; y

dañar o destruir los objetos identificados (104) usando un láser, cuando dichos objetos identificados (104) cumplen con dichos criterios de identificación predeterminados.

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.°: 60/399.386, presentada el 31 de julio de 2002 y N.°: 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 mareaje 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 disminuir 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 TEMoo, 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 para "compartir... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de separación de objetos que comprende

atrapar una pluralidad de objetos (104) usando una pluralidad de trampas ópticas (103, 400, 305) generadas por un aparato de atrapamiento óptico (100, 500) que tiene un láser para producir las condiciones de gradiente óptico que forman dicha pluralidad de trampas ópticas (103, 400, 305);

examinar cada uno de los objetos atrapados usando criterios de identificación predeterminados en cada uno de los objetos atrapados (104) para determinar su identidad, dichos criterios de identificación predeterminados incluyendo una identidad química o una marca de reacción, unión o fluorescencia de los objetos por espectroscopia inelástica, o un tamaño de estructuras internas de los objetos, obtenido como un resultado de retrodispersión de luz polarizada;

separar los objetos identificados (104) de acuerdo con dichos criterios de identificación predeterminados; y

dañar o destruir los objetos identificados (104) usando un láser, cuando dichos objetos identificados (104) cumplen con dichos criterios de identificación predeterminados.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente: introducirlos objetos (104) en un canal de entrada (203, 301) a un caudal predeterminado; y

canalizar los objetos en líneas definidas de flujo en dicho canal de entrada, usando dichas trampas ópticas generadas por dicho aparato de atrapamiento óptico.

3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos objetos (104) atrapados con dichos aparatos de atrapamiento óptico, son espermatozoides.

4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos objetos (104) dañados o destruidos por dicho láser son uno del espermatozoide que lleva el cromosoma X o el espermatozoide que lleva el cromosoma Y.

5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos objetos (104) identificados son células que están dañadas o destruidas por dicho láser en base a los resultados del análisis espectral.

6. Un aparato para clasificar objetos que comprende

un aparato de atrapamiento óptico (100, 505), que comprende un láser dispuesto para atrapar y separa una pluralidad de objetos (104) usando una pluralidad de trampas ópticas (103, 400, 305);

en el que un haz de láser está dirigido desde el láser de dicho aparato de atrapamiento óptico, dicho aparato de atrapamiento óptico que produce las condiciones de gradiente óptico que forman la pluralidad de las trampas ópticas;

medios dispuestos para determinar una identidad de cada uno de los objetos atrapados (104) usando criterios de identificación predeterminados que incluyen una identidad química o una marca de reacción, unión o fluorescencia de los objetos por espectroscopia inelástica, o un tamaño de estructuras internas de los objetos obtenido como un resultado de retrodispersión de luz polarizada;

medios dispuestos para separar los objetos identificados de acuerdo con dichos criterios de identificación predeterminados usando dichos aparatos de atrapamiento óptico; y

medios dispuestos para dañar o destruir los objetos identificados (104) usando un láser cuando cumplan dichos criterios de identificación predeterminados.

7. El aparato de acuerdo con la reivindicación 6, en los que dichos medio de separación comprenden: un canal de entrada (301) configurado para recibir dichos objetos (104) a un caudal predeterminado;

al menos un canal de salida (302, 303) y

una región dispuesta corriente abajo de dicho canal de entrada configurada para separar dichos objetos de acuerdo con dichos criterios de identificación predeterminados, antes de entrar en el canal de salida.

8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende adicionalmente: un ordenador (510) configurado para hacer funcionar un programa de ordenador;

un aparato espectroscópico configurado para proporcionar datos espectrales en dichos objetos identificados (104); en el que dicho ordenador está configurado para analizar dichos datos espectrales.