(57)【要約】  粒子の制御された分別のための方法及びシステム。サンプルは異なるサイズ分布の複数の粒子を有する。光学トラップを準備するための均一なアレイは、選択されたアレイ格子定数を有する。複数の粒子は、或る駆動方向角度で光学トラップの均一なアレイに投入されて、複数の粒子は、変数粒子属性に基づいて、異なる方向に分離する。
2013515269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子の制御された分別のための方法であって、
異なるサイズ分布の複数の粒子を有するサンプルを提供するステップと、
選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなる均一なアレイを準備するステップと、
前記複数の粒子を駆動方向角度Θで前記複数の光学トラップからなる均一なアレイに投入するステップと、
変数である粒子属性に基づいて、異なる方向Θνに沿って前記複数の粒子を分離するステップとを備えた方法。
【請求項２】
前記変数である粒子属性が、第一の粒子が前記複数の光学トラップからなる均一なアレイを通って偏向されない第一の属性と、他の粒子が範囲ΔΘν１以内で方向φ１に沿って偏向される他の属性とのうち少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第一の属性が、偏向させるにはサイズが小さ過ぎることによって、駆動方向Θνに沿って進み続けることを本質的に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記他の属性が、大きな粒径であり、前記範囲ΔΘν１以内で前記方向φ１に沿って偏向されることを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記他の属性が、更に大きな粒径であり、範囲ΔΘν２以内で方向φ１に沿って偏向されることを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記他の属性が、範囲ΔΘν３以内で方向φ３に沿った偏向を生じさせる屈折率ｎｐを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記屈折率が複素屈折率で構成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記選択されたアレイ格子定数が、前記方向νを調整するように変更される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記駆動方向角度φτが、前記方向νを調整するように変更される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複素屈折率が、
【数１】
2013515269.tif 000029
を備え、
【数２】
2013515269.tif 000030
であり、η＝粘度、ν＝粒子速度、ｂ＝アレイ格子定数、Ｐ＝レーザー出力であり、
ｎｐ≧ｎｐ（ａｐ）を満たす粒子が角度Θνの方向にロックインされて、ｎｐ≧ｎｐ（ａｐ）の粒子が抜け出す、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
複数の属性を有する粒子の制御された分別のためのシステムであって、
選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなるアレイを備え、前記選択されたアレイ格子定数が、前記粒子の複数の属性のうち少なくとも一つに従って前記粒子を偏向させるように設定される、システム。
【請求項１２】
複数の光学トラップからなる均一なアレイを準備するステップを実行するためのコンピューター及び組み込み式のコンピューターソフトウェアを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記格子定数が少なくとも一つの値を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記格子定数が少なくとも二つの異なる値を有し、一方の格子定数の値は前記アレイの一方向に沿ったものであり、他方の格子定数の値は前記アレイの他の方向に沿ったものである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数の光学トラップからなるアレイが均一に配置される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記複数の光学トラップからなるアレイが、粒子の屈折率と相互作用することによって偏向を生じさせるように選択された有効光学特性及びポテンシャルエネルギー特性を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記有効光学特性及びポテンシャルエネルギー特性が、前記複数の光学トラップに対して選択されたポテンシャルエネルギーの深さを含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記複数の光学トラップからなるアレイを制御するコンピューターソフトウェアを実行するためのコンピューターを更に含む請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
複数の属性を有する粒子の制御された分別のためのハードウェア処理構成によってアクセス可能な命令を含む持続性コンピューター可読媒体であって、前記処理構成が前記命令を実行し、前記処理構成が、選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなるアレイを生成するホログラムを発生させるように構成されていて、前記選択された格子定数が、前記粒子の複数の属性のうち少なくとも一つに従って前記粒子を偏向させるように設定される、媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｇｒａｎｔ  Ｎｏ．ＤＭＲ‐０８５５７４１を通じて全米科学財団によって一部がサポートされている。米国政府はこの助成による特定の権利を有する。
【０００２】
［関連特許出願の相互参照］
本願は、２００９年１２月２２日出願の米国仮出願第６１／２８９１７７号の優先権を主張する。
【０００３】
本発明は、粒子の制御された分別のための改善された方法及びシステムに関する。特に、本発明は、プリズム光学分別によってコロイド粒子及び他の粒子を分類するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００４】
周期的力場内で動かされる物体のブラウン運動は、半世紀にわたって広く研究されているが、その理由は、それ自体への興味だけではなく、ジョセフソン接合における電荷輸送や化学反応速度論等の別の物理現象との密接な関係によるものである。多くの研究は、一次元系においてバイアスされた拡散を対象としていて、傾いた洗濯板（ｔｉｌｔｅｄ  ｗａｓｈｂｏａｒｄ）の問題が、場の原型を提供する。この多く研究されたモデルは、依然として驚くべき結果を産み出していて、最近では、熱揺らぎの巨大増強が、洗濯板によって僅かにトラップされた粒子に対して発見された。
【０００５】
より高次の次元系は実質的により豊かな現象学を有するが、これは、動かされる粒子が、場のランドスケープを通るその行程の選択において追加の自由度を享受するからである。力場自体は、興味深い非平衡効果をもたらす多次元対称性やソレノイド成分等のより豊かで多様な特性を有することができる。粒子は障害物の周囲を動き回ることができるので、場のランドスケープは、不可侵の障壁でも構成可能である。どのようにしてブラウン粒子がこのような構造化された地形を通る道を見つけるのかは、完全には理解されていない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
プリズム光学分別は、コロイド粒子を分類する実用的な方法を提供し、高度に有利な分解能と以前では得ることができなかった分類手段とを提供する。具体的な分類プロトコルを実現し、理想的なモデルからの実際の逸脱の分岐を明らかにする光学ランドスケープ用の設計基準が提供される。以下の図面は、以下で詳述される好ましい実施形態の選択された側面を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】正方形のトラップアレイを介した角度Θの一定力Ｆ０（ａｐ，ｎｐ）の下で動いている固定屈折率ｎｐの球体に対し、粒径の関数として、ロックインされた方向を示す。
【図２】図２Ａは、光学分別中の粒子のトラッキング及び特性評価のために組み合わせられたホログラフィック光学トラッピング及びホログラフィックビデオ顕微鏡システムを示す。図２Ｂは、図２Ａの顕微鏡の焦点面における１０３個のホログラフィック光学ピンセットの像と、粒子の軌跡とを示す。図２Ｃは、図２Ｂと同じ視野における直径１．５μｍのシリカ球体の規格化されたホログラフィック像を示し、挿入像（右上）は、その球体のホログラフィック像のローレンツ‐ミー理論に対するフィッティングを示す。
【図３】図３Ａ（１）〜図３Ｃ（３）は、半径ａｐ及び屈折率ｎｐの粒子に対する確率密度ρ（ａｐ，ｎｐ）に関して示された単分散コロイドシリカ球体の高分解能光学分別を示す。図３Ａ（１）は、インプット分布に対する二分散シリカ球体を示す。図３Ａ（２）は、［１１］方向に沿ったシリカの分布を示す。図３Ａ（３）は、［１０］方向に沿って頂点に偏向された分布を示す。図３Ｂ（１）は、インプット領域においてより小さな屈折率の分画に分離された単分散シリカサンプルの分布を示す。図３Ｂ（２）は、側部領域におけるより大きくて高屈折率の粒子の分画を示す。図３Ｂ（３）は、［１０］方向に沿ったアレイに対する僅かにロックインされた条件ｎｃ（ａｐ）の破線の曲線と共に頂点領域の分布を示す（注：図３Ｂ（１）、３Ｂ（２）、３Ｂ（３）のプロットされた正方形及び円は、図２Ｂに軌跡がプロットされている四つの代表的な球体の特性を示す）。図３Ｃ（１）は、インプット領域における単分散ポリスチレンサンプルの分布を示す。図３Ｃ（２）は、［１１］方向に沿った側部分布を示す。図３Ｃ（３）は、［１０］方向に沿って頂点に偏向された分布を示す。
【図４】図４Ａは、アレイを通って左から右に流れている粒子の確率密度の計算結果を示す。図４Ｂは、実験的に観測されたサンプルを再現するように選択されたインプット領域内の球体の屈折率及び半径の分布を示す。図４Ｃは、側部領域のアウトプット分布を示す。図４Ｄは、頂点領域におけるアウトプット分布を示す。
【図５】図５Ａは、プリズム光学分別を実施するように設計された複数の光学トラップからなるアレイを粒子が流れるにつれて、プリズム光学分別を受けているその粒子の確率密度の計算結果を示す。最初混合されていたサンプルが、粒子のサイズａｐ及び屈折率ｎｐに基づいて、四つの空間的に分離された分画に分けられる。最初混合されていたサンプルの異なる成分は、［１０］、［２１］、［３１］及び非偏向の四つの方向によるカテゴリーに分けられる。個々のトラップは、局所的な確率最大値として表れている。図５Ｂは、アレイを介する平均輸送方向によってシェーディングされた粒子特性ａｐ及びｎｐのマップを示す。破線の曲線は、異なるロックイン輸送条件間の転移の境界の予測を示し、シミュレーションの結果と良く一致している。図５Ａのカラーレンダリングは、光学トラップアレイを通る軌跡のロックイン方向によって色分けされた粒子の確率密度のプリズム光学分別計算結果を示す。アウトプットは、［１０］、［２１］、［３１］及び非偏向の四つの方向によるカテゴリーに分けられた。個々のトラップは、局所的な確率最大値として表れている。図５Ｂのカラーレンダリングは、アレイを通る平均輸送方向によって色分けされた粒子の特性ａｐ及びｎｐのマップを示す。赤が［１０］、グリーンが［２１］、シアンが［３１］、ブルーが非偏向である。
【図６】本願で説明されるシステム及び方法を実施するためのコンピューターシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の好ましい一つの形態では、光学トラップが、コロイド粒子に対するポテンシャルエネルギー井戸としてモデル化される。不均一な光場を通って移動しているコロイド粒子（球体等）が受ける光学力は、粒子の半径ａｐ及び屈折率ｎｐに依存する。我々は、複数のトラップからなるアレイのｊ番目の光学トラップを、三次元ガウス井戸
【数１】
2013515269.tif 000003
としてモデル化し、その深さは、
【数２】
2013515269.tif 000004
であり、集束光ビームとの粒子の相互作用の強度に依存し、その範囲は、粒径に依存して
【数３】
2013515269.tif 000005
と表され、ＮＡは、光を焦点にあわせるレンズの開口数である。ここで、ｍ＝ｎｐ／ｎｍは、真空波長λの光に対する媒体の屈折率ｎｍに対する相対的な粒子の屈折率ｎｐであり、ｐはトラップを出力するレーザービームの出力であり、ｃは真空中の光速である。従って、位置ｒｊに中心のあるＮ個の個別のトラップから成る一つのアレイはランドスケープ
【数４】
2013515269.tif 000006
を形成し、総レーザー出力はＰ＝Ｎｐであり、その構成は、投影された光の分布だけではなく、それを通過する粒子の性質にも依存する。
【０００９】
Ａ．  ポテンシャルエネルギーランドスケープ中の輸送
速度ｖで流れる粘度ηの流体のストークス抵抗によってこのようなポテンシャルエネルギーランドスケープを通って動かされる粒子は、流れの方向において
【数５】
2013515269.tif 000007
の最大力を受ける。この動かす力（駆動力）が、トラップが発揮することができる最大復元力よりも小さいと、粒子は、その粒子が最初に遭遇したトラップ内に局在化される。従って、粒子がランドスケープを通って連続的に移動することを保証するために、我々は、
【数６】
2013515269.tif 000008
を要する。また、小さな粒子は、トラップから抜け出すことを助ける傾向にあるランダムな熱的力によっても影響を受ける。このように熱的に活性化されるプロセスを用いて、極めてゆっくりではあるが、微視的な物体を分類することができる。熱揺らぎの影響は、絶対温度Ｔにおいて、
【数７】
2013515269.tif 000009
であることを保証することによって最小化可能である。これは、式（６）と共に、複数のトラップからなる一つのアレイを介して高速で移動する粒子を記述して、高スループット分類の適切な限界である。そして、粒子の最も可能性の高い軌跡を、決定論的な運動方程式で計算することができる。この限界においても、熱揺らぎが粒子の軌跡に影響を与え得るが、これについては以下のＩＩ  Ｅのセクションで検討する。
【００１０】
Ｂ．  トラップのラインを介した輸送
駆動力は、添え字νでラベル付けされたランドスケープを介した対称方向
【数８】
2013515269.tif 000010
に関して角度ΔΘνに向けられ得る。粒子が、印加された力に従うのではなくて、ランドスケープに沿って進み、
【数９】
2013515269.tif 000011
に沿って動く場合、これは、その方向に動力学的にロックインされている（閉じ込められている）と称される。これが起きるためには、粒子は、一つのトラップとの相互作用によって十分に偏向されて、次のポテンシャルエネルギー井戸内に入らなければならない。特に、トラップによって与えられる合力は、
【数１０】
2013515269.tif 000012
（
【数１１】
2013515269.tif 000013
に垂直な方向）に沿った駆動力を補償するのに十分大きくなければならない。
【００１１】
トラップが周期的に配置されていると仮定し、格子定数ｂνで
【数１２】
2013515269.tif 000014
とすると、横方向力は、
【数１３】
2013515269.tif 000015
となり、この横方向力は、粒子を偏向角度ΔΘνにおいて動力学的にロックインされたままにするためにゼロにならなければならない。従って、最大偏向角度は、
【数１４】
2013515269.tif 000016
フレームにおいて観測される全軌跡ｒ（ｔ）＝（ｘν（ｔ），ｙν（ｔ））に沿って、
【数１５】
2013515269.tif 000017
を満たす。偏向角度は、ランドスケープが印加することができる最大横方向力（ｙν＝σ（ａｐ）において生じる）によって制限される。更に、粒子は、アレイの全長さ（最も弱い点であるトラップ間の中点を含む）に沿ってロックインされたままでなければならない。横方向力が二つの最隣接トラップによって決められると仮定すると、以下の結果が得られる。
【数１６】
2013515269.tif 000018
これは、より遠くのトラップからの寄与を含んでいないので、最大偏向角度に対しては過少評価となる。無限アレイに対しては、
【数１７】
2013515269.tif 000019
であり、ここで、
【数１８】
2013515269.tif 000020
は、楕円シータ関数であり、式（１０）の予測を常に超える。更に、ｙν＝σは、トラップ間の中線においては運動学的にアクセス可能ではないものであり得る。何故ならば、周期的軌跡はそこに達しないからである。この場合、粒子は、トラップ間の‘ホール’に落ちることなく、より急な角度で
【数１９】
2013515269.tif 000021
方向に動力学的にロックインされたままとなる。一方、式（１０）の導出は、熱揺らぎや、トラップの位置及び深さのランダム性（これらは、粒子がロックインされた軌跡を抜け出すのを助ける）を考慮していない。従って、安定にロックインされた輸送は、式（１０）によって予測されたものよりも小さい角度に制限され得る。
【００１２】
Ｃ．  二次元の動力学的ロックイン
式（１０）は、トラップの一次元アレイに沿った輸送に対して導出されたものであるが、これは、二次元アレイを介する輸送にも有用な洞察を提供する。トラップの所定の格子は、ミラー指数ν＝［ｉｊ］によって表される対称方向を有する。これらの方向は、アレイの主格子方向に対して角度Θνに向けられる。駆動力Ｆ０は、軸に対して角度Θに向けられる。粒子の軌跡は、φとラベル付けされた角度でアレイを通過する。二次元アレイを通るコロイド輸送を求めるためには、φが所定の駆動方向Θに対して粒子及びアレイの性質にどの位依存するのかを求めなければならない。
【００１３】
駆動力がΘνのΔΘν以内に向けられている場合、粒子は方向νにロックインされる。最大偏向角度ΔΘνは、トラップ間の間隔ｂνを介するアレイの幾何学的形状に依存する。例えば、格子定数ｂの正方形アレイは、間隔
【数２０】
2013515269.tif 000022
を有し、３次元に対しては、
【数２１】
2013515269.tif 000023
となる。従って、所定の方向Θν周辺にロックインされた角度の範囲は、指数νの増大と共に急速に落ち込む。図１は、固定屈折率及びレーザー出力に対する粒径の関数として、正方形アレイを介するいくつかの例示的な方法に対する輸送特性を示す。図１のシェーディングされた領域は、半径ａｐの球体がミラー指数によって示される特定の格子方向に動力学的にロックインされる条件に対する式（１１）の予測を示す。重なった領域は、統計的にロックインされた輸送に対する機会を示し、より高い指数の方向は、より低い指数のジャンプのランダムシーケンスとしてアクセス可能になる。シェーディングされていない領域は、粒子が駆動力の方向に自由に従う条件を示す。水平破線は、ｔａｎΘ＝０．４１の固定された方向で正方形格子を通って移動する異なるサイズの粒子の異なる運命を示す。垂直破線は、駆動力がΘ＝０°からΘ＝４５°に回転すると、半径ａｐ＝０．４ｂの粒子が受けるロックイン転移を示す。
【００１４】
Ｄ．  ロックイン転移
図１のシェーディングされていない領域の一つに落ち込む角度Θで動かされる粒子は、式（１０）に従った方向にロックインされない。従って、粒子は、アレイによって系統的に偏向されず、φ＝Θで駆動方向に沿って進む。
【００１５】
一方、粒子が、対称方向Θν周辺でロックイン領域に落ち込むと、その軌跡は駆動方向Θから偏向されて、粒子はφ＝Θνに沿って進む。従って、図１の垂直破線は、駆動方向の関数として、所定のサイズ及び組成の粒子の運命をマッピングする。所定の駆動方向に対して、粒子は、格子の最隣接の対称性にロックインされるか、又は格子から抜け出して、駆動力の方向に進む。
【００１６】
Ｅ．  統計的にロックインされた輸送
格子とより強力に相互作用するより大きな粒子に対しては、状況が異なる。この場合、式（１１）によって予測されるロックイン領域が重なり得る。このように重なっている領域内のより高い指数の方向は微視的にはアクセス可能ではない。何故ならば、粒子が、より低い指数の方向に沿ってトラップに遭遇し優先的に相互作用するからである。こうした状況下では、粒子は、一方向に主に従い、偶に他の方向に偏移し得る。正味の結果は、全ての重なっている対称方向の影響を反映した平均進行方向Θとなる。粒子がどの方向に進むのかは、微視的にアクセス可能な方向にジャンプする相対的確率に依存して、これは、決定するのに完全な二次元処理を要し得る。
【００１７】
一次元の結果における重なりは、依然として予測力を有していて、低指数方向に沿った決定論的なロックイン輸送から、他の方向に沿った統計的ロックイン輸送へのクロスオーバーを示唆する。多重格子方向に対するロックイン領域が重なると、これは更に複雑になる。
【００１８】
ロックイン方向の候補間の結果としての競合は、正方形のアレイのトラップを介するコロイド輸送に対して実験的に報告されているロックインプラトーのかなり複雑なパターンを少なくとも定性的に説明する。
【００１９】
Ｆ．  プリズム光学分別
角度Θνは、アレイの幾何学的形状のみによって定められるが、範囲ΔΘνｉは、他の属性、特にトラップのアレイの光学的及びポテンシャルエネルギー場の特性と相互作用する粒子のサイズ及び屈折率にも依存する。従って、好ましい実施形態では、所定の駆動方向Θに対して、異なる物体は、属性（粒径ａｐ及び屈折率ｎｐの少なくとも一方等）の関数として、異なる方向φｉに進み得る。この効果を用いて、物体を、それらの物理的性質（光学分別として知られるプロセス）に基づいて空間的に分離された分画に分別することができる。光学分別の以前の実現では、サンプルを二つの分画に分類していて、通常は、粒子が特定の方向にロックインされているか否かで区別されていた。より多くの分画又はより精密な分画への分類は、光学力場の多重段階ステージにサンプルを通すことによるものであった。異なる物体が、均一で静的なランドスケープにおいて異なる方向に動力学的にロックインされる可能性は、多重チャネル光学分別を実現するための有用な手段として提案されている。これを実際にどのように実現するのかについては、未だ特定又は説明されていない。
【００２０】
図１の水平破線は、複数の光学トラップからなる一つの均一なアレイを通る一回の通過でサイズによって複数の分画に分類する方法の一つを示す。格子方向にロックインするには小さ過ぎる粒子は、φ＝Θで偏向されずにアレイを進む。他の幾分大きな粒子は、Θ≦ΔΘ［１０］を満たし、φ＝０°に動力学的にロックインされる。更に大きな粒子は、φ＝Θ［２１］に統計的にロックインされて、φ＝２７°に逆方向に偏向される。従って、サンプルは、サイズによって三つの異なる分画に分けられて、これら三つの分画の物理的分離は、光学トラッピングアレイのサイズと線形にスケーリングする。各分画のサイズ範囲は、駆動角度及びアレイの格子定数を介して調整可能である。このような複数の別々のチャネルへの同時分類は、プリズム光学分別を、他の動作モードと区別する。
【００２１】
例示的な一実施形態では、（複素）屈折率並びにサイズに基づいた分類によって、球体の光学分別に対するこの処理を更に精密にすることができる。式（１０）を、特定の駆動角度において特定の方向にロックイン可能な粒子を、不可能な粒子と区別するように計算し直すことができて、
【数２２】
2013515269.tif 000024
となり、
【数２３】
2013515269.tif 000025
は、比ａｐ／ｂを介して粒径に依存して、
【数２４】
2013515269.tif 000026
である。ｎｐ≧ｎν（ａｐ）を満たす粒子は、角度Θνで格子方向にロックイン可能であり、ｎｐ＜ｎν（ａｐ）の粒子は抜け出す。
【００２２】
実際の応用に対してこれらの結果を検討する場合、根本的な近似をいくつか考慮しなければならない。より包括的な式（１１）で、式（１０）を代用したとしても、式（２）及び式（３）のＶ０（ａｐ，ｎｐ）及びσ（ａｐ）は、特に、光の波長又はそれ以上のサイズに匹敵するサイズの粒子に対して近似である。
【００２３】
ＩＩＩ．例
以下の非限定的な例は、本発明の好ましい実施形態の多様で非限定的な実験的側面を例示する。
【００２４】
上述の理論は、実施された実験的な分別研究の結果を説明し予測するのに極めてうまく機能する。実験的な実施は、システム１００として図２Ａに概略的に示されている。脱イオン水中に分散したコロイド球体は、１ｍｍ×３０μｍの矩形断面を有する長さ２ｃｍのマイクロ流体チャネルを流れる。チャネルは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ，ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌ  ｓｉｌｏｘａｎｅ））内に成形されて、ｎｏ．１．５のガラスカバースリップに結合されて、一定流が、シリンジポンプ（Ｈａｒｖａｒｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ＰＨＤ  ２０００）で維持される。
【００２５】
このサンプルは、１００倍の油浸対物レンズ（ニコン  Ｐｌａｎ  Ａｐｏ，ＮＡ＝１．４）を備えた倒立光学顕微鏡（ニコン  ＴＥ２０００Ｕ）のステージに取り付けられる。この対物レンズを用いて、ホログラフィック光学トラッピング法で、光学ピンセットのアレイをサンプルの中央平面に投影する。図２Ｂは、顕微鏡の焦点面に表示された典型的な光学トラップアレイの測定強度を示し、各離散的な光学ピンセットが光の点として表れている。この光学トラップアレイは、λ＝５３２ｎｍの真空波長で動作する周波数二倍固体レーザー（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｖｅｒｄｉ  ５Ｗ）によって出力され、そのレーザーのビームは、液晶空間光変調器（ＳＬＭ，ｓｐａｔｉａｌ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）（Ｈａｍａｍａｔｓｕ  Ｘ８２６７‐１６）を用いて、コンピューター生成ホログラムでインプリントされる。そして、ホログラムを、ダイクロイックミラーで、対物レンズのインプット瞳にリレーする。
【００２６】
サンプルは、６３２．８ｎｍの真空波長で動作するＨｅＮｅレーザー（Ｕｎｉｐｈａｓｅ  １１０３Ｐ）からのコリメートされたビームでも照射される。コロイド球体によって散乱された光は、対物レンズの焦点面内のビームの散乱されていない部分と干渉する。干渉パターンは、対物レンズによって集められて、ビデオ接眼レンズによってビデオカメラ（ＮＥＣ  ＴＩ‐３２４ＩＩＡ）にリレーされて、そのビデオカメラは、３０フレーム／秒でその強度を記録する。このシステムは、０．０９１μｍ／画素の有効倍率を有する。図２Ｃは、図２Ｂと同じ視野内の光学トラップアレイと相互作用しているコロイド球体の典型的なホログラフィックスナップショットを示す。
【００２７】
Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ‐Ｍａｒｑｕａｒｄｔの非線形最小二乗法フィッティングアルゴリズムのＭＰＦＩＴ実施を用いて、各球体のホログラフィック像を、光散乱のローレンツ‐ミー理論の予測にフィッティングする。各フィッティングは、ナノメートル分解能で球体の三次元位置をもたらし、また、ナノメートル分解能でのその半径と、千分の一以内でのその複素屈折率をもたらす。典型的なフィッティングが図２Ｃの挿入図に示されている。従って、ホログラフィックビデオ顕微鏡法に対するこの方法は、動力学的及び統計的なロックイン輸送を介して流体媒介性粒子を分類する光学ピンセットのアレイの有効性を評価するのに必要な時間分解トラッキング及び特性評価データを提供する。
【００２８】
例Ａ．  混合シリカコロイド粒子
図３Ａ（１）〜図３Ａ（３）のデータは、単分散コロイドシリカ球体の二つの集団の混合物で得られた結果を示し、１：１の化学量論比で、一方は直径１．０μｍのものであり（Ｄｕｋｅ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  カタログ＃８１００、ロット＃２１０２４）、、他方は直径１．５μｍのものである（Ｄｕｋｅ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  カタログ＃８１５０、ロット＃３０１５８）。［１０］方向に沿ってｂ＝２．０２５μｍ、［０１］方向に沿ってａ＝３．２７μｍのトラップ間の間隔で図２Ｂに示されるタイプの光学トラップアレイを介して、この混合分散物をｖ＝２４±８μｍ／ｓで流した。［１０］方向は、流れに対してΘ＝３０°で傾斜している。トラップ毎のレーザー出力は、図２Ｂに示されるもの等の像のイメージング測光法に基づいて、Ｐ＝２．０±０．３ｍＷ／トラップと見積もられる。
【００２９】
高密度のシリカ球体は、三次元ホログラフィック粒子トラッキングによって確かめられるように、チャネルの下方の壁に定着する傾向にある。従って、それらは、ポアズイユ流プロファイルによって、チャネルの中央平面に沿ったピーク流速よりもゆっくりとトラップアレイに近づく。しかしながら、それらはトラップに遭遇すると、光学力によって中央平面に引き込まれて、ピーク流でアレイを通って移動する。光学力によるコロイド流のこの集束は、以前の研究では看過されていたものであるが、理想的な二次元分析が複雑で高度に構造化された三次元光学場を介する輸送を説明するのに成功し得る理由を説明するのに役立つ。
【００３０】
こうした条件下において、式（１２）は、より大きな球体が［１０］方向にロックインされる一方で、より小さな球体が［２１］に統計的にロックインされることを予測する。この予測に基づいた分割線が、図３Ａ（１）〜図３Ａ（３）のｎｐ（ａｐ）平面内に破線の曲線でプロットされていて、はっきりと二つの集団の間を通過している。
【００３１】
インプット領域（図２Ｂに示される）を通過する２５００個の粒子のランダムサンプルを、ローレンツ‐ミー散乱理論で特性評価した。これらの粒子（半径ａｐ、屈折率ｎｐ）を、ノンパラメトリック密度推定器で、図３Ａ（１）〜図３Ａ（３）にプロットされた相対確率分布ρ（ａｐ，ｎｐ）に適合させた。これは、シリカ球体の二つの集団を明確に分割していて、より大きなものは、小さなものよりも僅かに密度が低い。個別の単分散集団におけるサイズと屈折率との間の顕著な反相関は、乳化重合によって合成された粒子の通常の特徴であると考えられ、流体小滴等の既知の均一な密度のサンプル内には見られない。このインプット分布は、光学ピンセットのアレイを通って、図２Ｂに示される二つの分析領域内へと通過し、分析領域の一方は、アレイの頂点に存在し、他方は二つの側部領域で構成される。図３Ａ（３）にプロットされたこれら二つのアウトプット分布は、大きな粒子が優先的にアレイの頂点に偏向される一方、より小さな粒子が優先的に側部に偏向される様子を示す。少量の大きな球体は、その方向にロックインされず、アレイを通って漏れて、側部の分布に現れる。同様に、その中線付近においてアレイに入った小さな粒子は、偏向されず、頂点に向かった。従って、大きな割合の小さな球体が、頂点において分析される分布を汚染する。そうはいっても、二つの集団は、側部の分布において９０％以上の効率で、頂点において８０％以上の効率で分類された。
【００３２】
これまでの研究は、このように簡単に区別可能な特性での二分散（ｂｉｄｉｓｐｅｒｓｅ）コロイド混合物の光学分別を実証した。理論的研究は、光学分別がサイズによる、また恐らくは屈折率による分類に対する極めて細かな分解能を有することができると示唆している。これらの予測は、単分散サンプルに対する輸送の研究を通して間接的に試験されたものであるが、ローレンツ‐ミー特性評価は、直接試験を可能にするような粒径及び屈折率に対する十分細かな分解能を有する。
【００３３】
例Ｂ．  単分散シリカコロイド粒子
図３Ｂ（１）〜図３Ｂ（３）は、０．７５±０．０４μｍの公称半径のコロイドシリカ球体（ＰｏｌｙＳｃｉｅｎｃｅｓ  カタログ＃２４３２７、ロット＃６００４２４）の単分散サンプルに対する同じ光学ピンセットアレイにおける比較可能な結果を示す。ローレンツ‐ミー特性評価は、実際のサンプル平均直径が、ａｐ＝０．７１５±０．０２１μｍと、製造業者の仕様よりも幾分小さくて、より鋭い分布であることを明らかにしている。ｎｐ＝１．４１８±０．００４と測定された屈折率も、コロイドシリカ球体に対する１．４３から１．４６の公称範囲よりも顕著に小さくて、これらの球体が幾分多孔質であることを示唆している。
【００３４】
このサンプルを、ν＝２２±５μｍ／ｓと前述のサンプルよりも僅かに遅い速度で流して、ロックイン輸送に対して予測された条件が、サンプルの特性範囲の中間を通るようにした。図３Ｂ（１）〜図３Ｂ（３）の結果は、より低い屈折率を有するより小さな粒子が、側部領域内に対称的に偏向されることを示し、その平均偏向は、統計的にロックインされた輸送を示す。対照的に、より大きくて屈折率の高い粒子は、動力学的にロックインされて、アレイの頂点に向けて偏向される。これらの分布は、６０００個のランダムに選択された粒子で得られた。図３Ｂ（１）及び図３Ｂ（３）にプロットされた離散点は、図２Ｂに軌跡がプロットされている四つの粒子の特性を示す。
【００３５】
頂点に偏向された粒子の平均半径は、他の分画のものよりも僅かに大きいだけであるが（０．７１６±０．０２１μｍ対０．７１０±０．０２７μｍ）、その差は、ウィルコクソンの順位和検定によって、９９．９パーセントのレベルにおいて統計的に有意なものであるとわかっている。はるかに実質的な区別が、分類された集団の屈折率において観測されている。頂点の球体は、１．４２０±０．００３の平均屈折率を有する一方、側部の分画は、１．４１６±０．００３の平均屈折率を有する。これら二つの集団も、ウィルコクソンの順位和検定に従って、９９．９パーセント以上の信頼性で異なる。
【００３６】
これらの結果は、その方向に沿った動力学的ロックインに対する式（１２）の予測と定量的に一致するだけではなく、統計的ロックインの開始に対するセクションＩＩ  Ｅの発見的モデルとも一致する。従って、最初単分散のサンプルは、ローレンツ‐ミー特性評価の百万分の一分解能に近づく屈折率に対する分解能で、二つの空間的に分離された分画に分けられる。我々の知る限り、これは、あらゆる方法に対して報告されている屈折率による分別に対して最も細かい分解能である。更に、これは、光学トラップアレイの不可避な不完全性及び流体速度の変動にもかかわらず、達成されている。これまでの例のように、分類に対する効率は、両方のサンプルにおいて９５％を超えている。
【００３７】
例Ｃ．  単分散ポリスチレンコロイド粒子
図３Ｃ（１）〜図３Ｃ（３）のデータは、０．５０±０．０２μｍの公称半径（Ｄｕｋｅ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  カタログ＃５１００Ａ、ロット＃２７５２７）で、５８９ｎｍにおいて１．５９の公称屈折率のポリスチレン球体の単分散サンプルを用いた比較可能な条件下において得られたものである。シリカ球体とは異なり、ポリスチレン球体は、水よりも僅か５％だけ密度が高い。結果として、これらは、トラップのアレイに向かう流れとしてチャネルを満たす。更に、これらの比較可能な高屈折率は、これらの粒子を放射圧に対してより影響され易いものにして、光学ピンセットによってあまり強くはトラップされないものにする。セルの中央平面に向けて光学力によって引かれるのではなくて、これらの球体は主に、上部のガラス壁に向けて押されて、ポアズイユ流の最も遅い部分において表面に沿ってゆっくり動く。観測された軸方向変位を補償するために、光学トラップアレイを再焦点設定して、粒子が最高の焦点の平面内を通過し続けるようにする。更に、中心から距離ｈにおける壁に対する球体の流体力学的結合を考慮するために式（５）を変形する：
【数２５】
2013515269.tif 000027
ｈ＝（１．２±０．１）ａｐの測定高さにおいて、粒子は、ν＝７．７±２．５μｍ／ｓでチャネルの下方に動く。
【００３８】
こうした条件下において、これまでの例のものと似たトラップアレイを、ｂ＝２．５μｍ及びａ＝２．７２μｍの格子定数で形成して、Ｐ＝２．２±０．２ｍＶ／トラップのレーザー出力で出力した。［１０］方向への動力学的ロックインに対する結果としての閾値が、図３Ｃ（１）〜図３Ｃ（３）にプロットされている。このアレイは、最速の最も強く相互作用している粒子が動力学的にロックインされたままになるように設計された。シリカ球体の分類の前述の実例とは異なり、このアレイは、サイズによる分類を重視するように設計された。ｎｃ（ａｐ）の傾きは、サイズ及び屈折率による分類の間の所望のバランスが得られるようにアクセス可能な制御パラメータで調整可能である。
【００３９】
図３Ｃ（１）〜図３Ｃ（３）のデータは、２０００個のランダムに選択された粒子の軌跡から収集された。あまり簡単にはトラップされなかったサンプルに起因する複雑性にも関わらず、式（１２）の予測は、二つのアウトプット分画における測定分布と依然として定量的に一致していて、公称単分散のサンプルが、曲線ｎｃ（ａｐ）に沿ってより細かく分解された分画に分離されている。頂点領域の粒子の平均半径０．４９７±０．０１７μｍは、側部領域の０．４７８±０．０１４μｍよりも実質的に大きく、２０ｎｍよりも細かい分解能での半径による分類を実証している。二つの分画間のサイズの差は、ウィルコクソンの順位和検定で、９９．９パーセントのレベルで統計的に有意なものであるとわかっている。二つの分画は、平均屈折率においても僅かに異なるが（１．５７６±０．０１６対１．５８９±０．０１９）、この差は、９５％の信頼性レベルにおいてのみ有意なものである。従って、ポリスチレン球体は主にサイズによって実際に分類される。
【００４０】
例Ｄ．  実験例と比較したシミュレーション結果
光学トラップアレイを流れる流体中を移動するコロイド球体のランジュバン運動方程式は
【数２６】
2013515269.tif 000028
であり、εは、球体の粘性抵抗係数であり、Γ（ｔ）は、ランダム熱揺らぎを記述する。確率的力は、温度Ｔにおいて、〈Γ（ｔ）〉＝０及び〈Γ（ｔ）・Γ（ｔ＋τ）〉＝２ξｋＢＴδ（τ）を満たし、δ（τ）はディラックのデルタ関数である。この運動方程式を、確率的な四次のルンゲ‐クッタアルゴリズムで積分して、シミュレーションの軌跡ｒ（ｔ）を得たが、ｒ（ｔ）は、前述のセクションで示した実験データと類似している。所望の分布からランダムに取り出されたサイズ及び屈折率の粒子は、ランダムに、それぞれ式（４）及び式（５）によって記述される力場及び流れ場内に放たれて、それらの面内運動は、実験的に得られたものと比較可能な分布にまとめられた。
【００４１】
図４Ａ〜Ｄのデータは、図３Ｂ（１）〜図３Ｂ（３）の実験条件を再現するように設計されたこのようなシミュレーションの結果を示す。粒子の特性ａｐ及びｎｐは、図３Ａ（１）の測定されたインプット分布に対する楕円ガウス分布フィッティングからランダムに選択された。各粒子は、図２Ｂに示されるインプット領域内のランダムな位置に放たれて、その粒子のその後の軌跡を記録した。図４Ａは、５０００個のこのようなシミュレーションの軌跡に対する粒子位置の確率分布を示す。
【００４２】
インプット特性の具体的な分布が図４Ｂにプロットされていて、図３Ｂ（１）〜図３Ｂ（３）のホログラフィックビデオ顕微鏡法で得られた実験のサイズ及び屈折率分布との直接比較を可能にしている。図面中の破線の曲線は、実験で求められたパラメータを用いた、シミュレーションのトラップアレイを介する方向に対して予測されたロックイン条件である。
【００４３】
図４Ｃ〜図４Ｄは、図２Ｂに示される頂点及び側部の収集領域のシミュレーションのアウトプット分布を示す。図３Ｂ（１）〜図３Ｂ（３）の実験結果のように、シミュレーションの軌跡は、よく分類されたアウトプット分画をもたらし、より大きくて強く相互作用している粒子は、トラッピングアレイの頂点に優先的に偏向されていて、より小さくて弱く相互作用している分画はアレイを通り過ぎているか、又は側部領域に偏向されている。実験の場合のように、アウトプット分画間の分離は、式（１２）から式（１４）によって予測される曲線近くに沿っている。
【００４４】
これらの観測結果は、セクションＩＩで展開した理想的な一次元モデルが、トラップの二次元アレイを移動する粒子の軌跡を定量的に予測する（統計的なロックイン輸送への転移をキャプチャすることを含む）という我々の示唆を支持している。これらは、セクションＩＩＩの実験結果がこのモデル内において正確に説明されたことも示唆している。
【００４５】
同様に、実験とシミュレーションと理論との間の優れた一致が、他の実験的な実現に対しても得られている。プリズム分別の最適化は、他の好ましい実施形態を詳述するようにも説明可能である。光学ピンセットの傾斜アレイのプリズム光学分別は、サイズ及び屈折率によってコロイド球体を分類するのに明らかに有効であるが、以上において実証した動作モードは好ましい実施形態の一つである。特に、頂点において選択された分画は、全く偏向されていない少量の粒子と混合している。この欠陥は、図３Ａ（１）〜図３Ｃ（３）に示される結果において明白である。これは、我々がこれからブラウン動力学シミュレーションで実証するように、僅かな追加の複雑性によって解消可能である。
【００４６】
アレイから漏れる球体の問題は、図５Ａに示されるように、流れ方向を逆にして、粒子の流入をバルク流内の比較的狭い流れに閉じ込めることによって、軽減可能である。実際に、この方法において、粒子を、マイクロ流体チップ内に集束している流体力学的流動によって閉じ込めることができる。図５Ａは、平面内の所定の位置において粒子を見つけるための確率密度を示す。アレイ内の個々のトラップは、局所的な確率最大値として見て取ることができる。
【００４７】
領域は、通過している軌跡の平均方向に従って、シェーディング及びラベル付けされている。［１０］方向に沿った軌跡は動力学的にロックインされている。［２１］方向及び［３１］方向の軌跡は、統計的にロックインされている。残りの軌跡は、アレイによって実質的には偏向されていない。アウトプット瓶は、これら四つのカテゴリーの各々に対して図５Ａに示されるように、定義される。
【００４８】
これらのシミュレーションの粒子は、図５Ｂに示される広範な半径及び屈折率に対して選択された。このマップの各点は、図５Ａと同じラベル付けの方法を用いて、これらの特性を有する粒子が取る平均輸送方向を示す。空間は、輸送特性の帯に明確に分けられて、最も大きくて最も強く相互作用している粒子がその方向にロックインされていて、最も小さくて最も弱く相互作用している粒子が偏向されずにアレイを通り抜けている。
【００４９】
図５Ｂの破線の曲線は、動力学的にロックインされた輸送と、［２１］及び［３１］に沿って統計的にロックインされた輸送とに対する式（１２）の予測を示す。これらの破線の曲線は、粒子の観測された運命と合理的に一致している。統計的にロックインされた状態への転移及びその状態間の転移を予測することにおける式（１２）の成功は、半定量的な一次元モデルからのその導出を考慮すると、極めて顕著なものである。このシミュレーションは、異種サンプルを複数の空間的に分離された分画に同時且つ連続的に分類するためのプリズム光学分別の可能性及び潜在的な利用性も実証している。
【００５０】
本発明の多様な実施形態において、一様な周期的力のランドスケープを用いて、サイズ及び屈折率に対する極めて細かな分解能で、微視的な球体を空間的に分離された分画へと分類することができる。このような多次元分離を設計するための基礎の式（１２）は、一次元アレイについて議論を制限することによって得られたものであるが、トラップの二次元アレイを介するコロイド球体の輸送をシミュレーションにおいてまた実験的に予測することに対して定量的に正確であることが証明された。この成功は、微視的にアクセス可能なサイトに沿った動力学的にロックインされた輸送だけではなくて、微視的にはアクセス可能ではない方向に沿った統計的にロックインされた輸送に対しても観測されている。
【００５１】
プリズム光学分別を用いて、異種サンプルから二つの分画を選択し、それらを逆方向に偏向させることができることを実証してきた。逆配置の我々のシミュレーションは、複数の物理的に異なるサンプルへの分別を示唆していて、またこれが実現可能であることを示唆している。このような多重チャネル多次元分類は、動力学的及び統計的にロックインされた輸送のメカニズムを活用している。
【００５２】
本実施形態は、粒子間相互作用を回避するように十分分離されたコロイド球体の分類に注目している。対衝突は、ロックイン状態間の転移を曖昧にする傾向があり、プリズム光学分別の有効性を損なうと予想される。しかしながら、多体の共同性は、分類の新たな道を切り開き得る。最近の研究では、ロックイン転移の研究を非球形の物体へと拡張し始めている。これらも、プリズム光学分別用に今まで未利用のチャネルを含む連続分類用の手段を示唆している。
【００５３】
本発明の他の形態では、本願で説明されるシステム及び方法を、図６に示されるコンピューター２００によって実施することができる。コンピューター２００は、従来のＲＡＭ素子２５０及びＲＯＭ素子２７５を含み、本発明の方法を実行するために記憶されたコンピューターソフトウェアを実行する。従って、例えば、粒子分別を実行するシステム１００は、コンピューターソフトウェアを介して本発明の方法を実行するコンピューター２００によって機能化される。市販のシステム３００は、素子４００による下流の商業的処理のために、システム１００による分別用に選択された投入材料を提供することができる。
【００５４】
従って、前述のように、本方法及びシステムは、複数の属性を有する粒子の制御された分別用のハードウェア処理構成によってアクセス可能な命令を含む持続性コンピューター可読媒体（又はＲＡＭ２５０やＲＯＭ２７５等の記憶媒体）によって、実施可能であり、その処理構成が命令を実行する際に、その処理構成（コンピューター２００等）は、選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなる一つのアレイを生成するホログラムを発生させるように構成されて、その選択された格子定数は、粒子の複数の属性のうち少なくとも一つに従って粒子を偏向させるように設定される。
【００５５】
以上の本発明の実施形態の説明は、例示及び説明目的で提供されたものであり、包括的なものでも、本発明を開示された正確な形態に限定するものでもなく、修正及び変更が、上記教示を考慮して可能であり、又は、本発明の実施から得られ得る。本実施形態は、本発明の原理及び実際の応用を説明して、当業者が本発明を、想定される特定の仕様に向けて、多様な実施形態、多様な修正で利用することができるようにするために選択及び説明されたものである。
【符号の説明】
【００５６】
１００  システム
２００  コンピューター
３００  システム
４００  素子
【図１】
2013515269.tif 000031
【図３Ａ（１）−３Ａ（３）】
2013515269.tif 000032
【図３Ｂ（１）−３Ｂ（３）】
2013515269.tif 000033
【図３Ｃ（１）−３Ｃ（３）】
2013515269.tif 000034
【図４Ａ−４Ｂ】
2013515269.tif 000035
【図４Ｃ−４Ｄ】
2013515269.tif 000036
【図５Ａ】
2013515269.tif 000037
【図５Ｂ】
2013515269.tif 000038
【図６】
2013515269.tif 000039
【図２】
2013515269.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月19日(2012.7.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子属性を有する粒子の制御された分別のための方法であって、
複数の粒子を有するサンプルを提供するステップと、
選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなる均一なアレイを準備するステップと、
前記複数の粒子を駆動方向角度φτで前記複数の光学トラップからなる均一なアレイに投入するステップと、
変数である粒子属性のうち選択されたものに基づいて、異なる方向Θνに沿って前記複数の粒子を分離するステップとを備えた方法。
【請求項２】
前記変数である粒子属性のうち選択されたものが、第一の属性を有する第一の粒子が前記複数の光学トラップからなる均一なアレイを通って偏向されない第一の属性と、他の属性を有する他の粒子が範囲ΔΘν１以内で方向φ１に沿って偏向される他の属性とのうち少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第一の属性が、偏向させるにはサイズが小さ過ぎることによって、駆動方向角度Θνに沿って進み続けることを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記他の属性が、大きな粒径であり、前記範囲ΔΘν１以内で前記方向φ１に沿って偏向されることを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記他の属性が、他の大きな粒径であり、範囲ΔΘν２以内で方向φ２に沿って偏向されることを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記他の属性が、範囲ΔΘν３以内で方向φ３に沿った偏向を生じさせる屈折率ｎｐを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記屈折率が複素屈折率で構成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記選択されたアレイ格子定数が、前記方向Θνを調整するように変更される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記駆動方向角度φτが、前記方向Θνを調整するように変更される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複素屈折率が、
【数１】
2013515269.tif 000041
を備え、
【数２】
2013515269.tif 000042
であり、η＝粘度、ν＝粒子速度、ｂ＝アレイ格子定数、ｃ＝真空中の光速、Ｐ＝レーザー出力であり、
ｎｐ≧ｎｐ（ａｐ）を満たす粒子が角度Θνの方向にロックインされて、ｎｐ≧ｎｐ（ａｐ）の粒子が抜け出す、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数の光学トラップからなる均一なアレイを制御するソフトウェアを実行するためのコンピューター及び持続性コンピューター可読媒体を提供するステップを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
複数の属性を有する粒子の制御された分別のためのシステムであって、
選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなるアレイを備え、前記選択されたアレイ格子定数が、前記粒子の複数の属性のうち少なくとも一つに従って前記粒子を偏向させるように設定される、システム。
【請求項１３】
複数の光学トラップからなる均一なアレイを設計するステップを共に実行するためのコンピューターと、組み込み式のコンピューターソフトウェアと、持続性媒体とを更に含む請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記アレイ格子定数が少なくとも一つの値を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記アレイ格子定数が少なくとも二つの異なる値を有し、一方のアレイ格子定数の値は前記アレイの一方向に沿ったものであり、他方のアレイ格子定数の値は前記アレイの他の方向に沿ったものである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記複数の光学トラップからなるアレイが、粒子の屈折率と相互作用することによって偏向を生じさせるように選択された有効光学特性及びポテンシャルエネルギー特性を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記複数の光学トラップからなるアレイが、粒子属性と相互作用することによって偏向を生じさせるように選択された有効光学特性及びポテンシャルエネルギー特性を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記光学特性及びポテンシャルエネルギー特性が、前記複数の光学トラップに対して選択されたポテンシャルエネルギーの深さを含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記コンピューターが、前記複数の光学トラップからなるアレイを制御する前記コンピューターソフトウェアを実行する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
複数の属性を有する粒子の制御された分別のための命令を含む持続性コンピューター可読媒体であって、前記媒体及び前記命令がハードウェア処理構成によってアクセス可能であり、前記ハードウェア処理構成が前記命令を実行し、前記処理構成が、選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなるアレイを生成するホログラムを発生させるように構成されていて、前記選択された格子定数が、前記粒子の複数の属性のうち少なくとも一つに従って前記粒子を偏向させるように設定される、媒体。
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月31日(2012.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子属性を有する粒子の制御された分別のための方法であって、
複数の粒子を有するサンプルを提供するステップと、
選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなる均一なアレイを準備するステップと、
前記複数の粒子を駆動方向角度φτで前記複数の光学トラップからなる均一なアレイに投入するステップと、
変数である粒子属性のうち選択されたものに基づいて、異なる方向Θνに沿って前記複数の粒子を分離するステップとを備えた方法。
【請求項２】
前記変数である粒子属性のうち選択されたものが、第一の属性を有する第一の粒子が前記複数の光学トラップからなる均一なアレイを通って偏向されない第一の属性と、他の属性を有する他の粒子が範囲ΔΘν１以内で方向φ１に沿って偏向される他の属性とのうち少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第一の属性が、偏向させるにはサイズが小さ過ぎることによって、駆動方向角度Θνに沿って進み続けることを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記他の属性が、大きな粒径であり、前記範囲ΔΘν１以内で前記方向φ１に沿って偏向されることを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記他の属性が、他の大きな粒径であり、範囲ΔΘν２以内で方向φ２に沿って偏向されることを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記他の属性が、範囲ΔΘν３以内で方向φ３に沿った偏向を生じさせる屈折率ｎｐを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記屈折率が複素屈折率で構成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記選択されたアレイ格子定数が、前記方向Θνを調整するように変更される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記駆動方向角度φτが、前記方向Θνを調整するように変更される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複素屈折率が、
【数１】
2013515269.tif 000043
を備え、
【数２】
2013515269.tif 000044
であり、η＝粘度、ν＝粒子速度、ｂ＝アレイ格子定数、ｃ＝真空中の光速、Ｐ＝レーザー出力であり、
ｎｐ≧ｎν（ａｐ）を満たす粒子が角度Θνの方向にロックインされて、ｎｐ≦ｎν（ａｐ）の粒子が抜け出す、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数の光学トラップからなる均一なアレイを制御するソフトウェアを実行するためのコンピューター及び持続性コンピューター可読媒体を提供するステップを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
複数の属性を有する粒子の制御された分別のためのシステムであって、
選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなるアレイを備え、前記選択されたアレイ格子定数が、前記粒子の複数の属性のうち少なくとも一つに従って前記粒子を偏向させるように設定される、システム。
【請求項１３】
複数の光学トラップからなる均一なアレイを設計するステップを共に実行するためのコンピューターと、組み込み式のコンピューターソフトウェアと、持続性媒体とを更に含む請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記アレイ格子定数が少なくとも一つの値を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記アレイ格子定数が少なくとも二つの異なる値を有し、一方のアレイ格子定数の値は前記アレイの一方向に沿ったものであり、他方のアレイ格子定数の値は前記アレイの他の方向に沿ったものである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記複数の光学トラップからなるアレイが、粒子の屈折率と相互作用することによって偏向を生じさせるように選択された有効光学特性及びポテンシャルエネルギー特性を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記複数の光学トラップからなるアレイが、粒子属性と相互作用することによって偏向を生じさせるように選択された有効光学特性及びポテンシャルエネルギー特性を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記光学特性及びポテンシャルエネルギー特性が、前記複数の光学トラップに対して選択されたポテンシャルエネルギーの深さを含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記コンピューターが、前記複数の光学トラップからなるアレイを制御する前記コンピューターソフトウェアを実行する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
複数の属性を有する粒子の制御された分別のための命令を含む持続性コンピューター可読媒体であって、前記媒体及び前記命令がハードウェア処理構成によってアクセス可能であり、前記ハードウェア処理構成が前記命令を実行し、前記処理構成が、選択されたアレイ格子定数を有する複数の光学トラップからなるアレイを生成するホログラムを発生させるように構成されていて、前記選択された格子定数が、前記粒子の複数の属性のうち少なくとも一つに従って前記粒子を偏向させるように設定される、媒体。
【国際調査報告】
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