Оптическое устройство для пространственной манипуляции объектами

Оптическое устройство для пространственной манипуляции объектами

Реферат

 

Устройство включает источник оптического излучения, оптическую систему, систему пространственного перемещения объекта в среде, связанную с оптической системой и/или с передвижным столиком, дополнительный оптический блок, расположенный после основной оптической системы, параметры этого блока взаимосвязаны с параметрами оптической системы. Источник излучения выполнен непрерывным и введен модулятор интенсивности излучения, или источник излучения выполнен импульсным. Дополнительный блок обеспечивает заданное распределение излучения в среде вблизи объекта и включает линзу, или систему линз, или другой оптический элемент. Длина волны оптического источника и оптические параметры и состав среды обеспечивают поглощение излучения в самой среде, временные и энергетические параметры оптического источника обеспечивают создание термических или термических и акустических градиентов в среде около объекта, достаточных для его пространственной фиксации в заданном объеме или передвижения в заданном направлении. Распределение световой энергии в среде вблизи объекта может быть в виде одиночного светового пятна, или узкой прямоугольной полоски, или линии, или дуги окружности, или в виде полусерпа и т.п. Обеспечивается манипулирование пространственным положением как отдельных частиц, так и массива частиц вне зависимости от оптических свойств, веса и размеров, включая их фиксацию в заданном положении и движение в заданном направлении. 22 з.п. ф-лы, 9 ил.

Область техники

Изобретение относится к области технической физики с широкой областью возможных применений в химии, электронике, оптике, материаловедении, нанотехнологии, биотехнологии, фармакологии, биологии, медицине, театральных представлений, области рекламы и касается манипуляции пространственным положением объектов различного типа от одиночных клеток и биомолекул до металлических и диэлектрических частиц, находящихся в газах или жидкостях.

Предшествующий уровень техники

Известны достаточно хорошо многочисленные устройства для манимуляции отдельными объектами с помощью механических приспособлений типа микропинцетов, щипцов, микроигл, и т.п. Недостатком подобных устройств является необходимость механического контакта с объектом. В случае малых образцов с характерными размерами порядка единиц мкм управление их с помощь подобных устройств представляет достаточно сложную задачу. При этом существует опасность их механического повреждения или деформации, внесения нежелательных загрязнений, или же образец может "прилипнуть" к поверхности инструмента в силу различных физико-химических эффектов. Особенно критичны перечисленные проблемы для случая работы с микрообъектами типа отдельных клеток или биомолекул.

Альтернативным решением для фиксации и изменения пространственного положения различных объектов является использование различных типов излучений от ультразвука до лазера. Наибольший прогресс был достигнут с созданием так называемых “оптических щипцов”, принцип работы которых основан на использовании эффекта давления света. Этот эффект обеспечивает формирование оптических градиентных сил, удерживающих облучаемые частицы в поле сильно сфокусированного излучения от лазера, работающего в непрерывном одномодовом режиме [1-3]. Примером управляемых частиц могут служить как диэлектрические прозрачные сферы в диапазоне размеров от 20 нм до десятков мкм, так и биологические объекты в виде вирусов, бактерий и клеток. Этим устройствам, выпускаемым коммерчески [4] и нашедшим широкое применение в различных областях медицины и биологии, тем не менее присущи определенные недостатки и ограничения. Для создания достаточных удерживающих градиентных сил необходимо использование сильной фокусировки лазерного луча с помощью микрообъективов с большой апертурой, что резко уменьшает объем зоны, в пределах которой можно манипулировать биобъектами. Данный метод применим в основном только к прозрачным объектам с коэффициентом преломления, превышающий показатель преломления окружающей среды. Таким образом, он не позволяет манипулировать с частицами, имеющими показатель преломления, близкий к показателю преломления, или с сильно поглощающими или даже полностью непрозрачными для излучения объектами. Необходимость использования сильной фокусировки излучения непосредственно в образец приводит к формированию достаточно высокой интенсивности излучения (до 5-10 МВт/cм ²), что может привести к непредсказуемому влиянию на биообъкты сопутствующих тепловых или фотодинамических эффектов вплоть до их существенного повреждения. Этот эффект несколько снижен, но не полностью исключен, при использование лазеров ближнего инфракрасного диапазона (примерно 700-900 нм), где большинство биологических молекул имеет минимальное поглощение. К тому же оптические градиентные силы очень малы (единицы пиконьютон), что накладывает ограничения на возможность манипулирования прозрачными частицами только малых размеров, не больше нескольких десятков мкм. К тому же метод предназначен для манипуляции одиночными частицами, то есть он не позволяет одновременно манипулировать несколькими частицами или при их высокой концентрации в среде.

Известны также методы и соответствующие устройства, в которых возможность принудительного движения поглощающих излучение частиц реализована на основе использования градиентов температуры или давления, индуцированных в самих частицах в силу поглощения в них относительно мощного импульсного лазерного излучения. В одном из этих методов, предложенных для очистки различных поверхностей, отрыв частиц пыли от поверхности достигается в силу резкого теплового расширения облучаемой частицы [5]. В другом методе асимметричной лазерной абляции частицы ее неизотропное облучение (например, только с одной стороны) приводит к быстрому тепловому испарению части частицы или образованию плазменного факела и, как следствие, к формированию эффекта отдачи, как в реактивных двигателях, что заставляет частицу двигаться в направлении, противоположным направлению выброса продуктов абляции [6]. Движение отдельных частей объекта возможно в силу формирования квазигидростатического давления в жидкости под влиянием поглощения в ней лазерного излучения. В частности, в одном из технических решений излучение лазера через отверстие в твердом образце, проделанное самим же лазером, направлялось в глубь образца и благодаря сильному гидростатическому давлению в поступающей внутрь образца жидкости образец раскалывался на отдельные части, которые разлетались в разные стороны [7]. В другом решении лазерное излучение поглощается в малом замкнутом объеме жидкости, которая в силу возникающего гидростатического давления выбрасывается с большой скоростью через небольшое отверстие в ограничивающей объем стенке [8]. В другом устройстве лазерное излучение вначале используется для резки образцов и в конечной стадии в область "недорезанной" небольшой перемычки направляется лазерный импульс повышенной энергии, обеспечивающий окончательное разделение частей образца, которые при этом в силу возникающего давления разлетаются с большой скоростью (катапультируются) [9]. Определенным недостатком всех рассмотренных оптических методов и их различных модификаций [10-13] является необходимость прямого облучения образца или его части высокоинтенсивным излучением, что может привести к изменению его свойств или повреждению. Кроме того, использование этих методов по предложенным схемам позволяет обеспечить только лишь большое начальное ускорение частиц, то есть вопрос удержания этих частиц или точной манипуляции их пространственного положения, включая целенаправленное медленное передвижение в любом заданном направление решен не был. Кроме того, данные методы не позволяют управлять одновременно несколькими частицами.

От этого недостатка свободны методы, основанные на использовании энергии ультразвука (УЗ) для передвижения частиц [14-17]. Однако эти методы требуют размещения вблизи частиц источников УЗ волн или наличия дополнительной камеры, к стенке которой пристыковываются эти источники, выполненные, например, в виде линейки пьезоэлектрических элементов. Все эти методы относительно сложны и требуют тщательной синхронизации работы отдельных источников или их перемещения для транспортировки частиц, что накладывает определенные трудности на их практическую реализацию. К тому же в этих методах трудно обеспечить высокую точность манипуляции частиц из-за технических сложности создания акустических микролинз для формирования малой длины волны УЗ колебаний.

Наиболее близкими по технической сущности является решения [18-19], в которых предлагаются оптические щипцы для манипуляции отражающими объектами. В первом изобретении [18] осуществляется фокусировка излучения, в том числе на край частицы, когда захватывается немного и пограничная область, непосредственно примыкающей к образцу. В качестве источника излучения используется лазер в непрерывном режиме, создающий градиентные силы благодаря описанного эффекту давления света. То есть эти силы не термической или акустической природы, причем наличие среды вокруг объекта не является принципиально необходимым. Так как эти силы являются уже отталкивающими, а не удерживающими, как в случае прозрачных частиц с более высоким показателем преломления, то для пространственной стабилизации положения частицы в заданном положении предложено было использовать высокоскоростное сканирование лазерного пучка вокруг частицы. Недостатком этой схемы является сложность технической реализации, требующей, в частности, дополнительного сканирующего зеркала. Технически проще использовать одновременно три пучка, равномерно расположенных по периметру частицы [19]. Для реализации этой схемы можно использовать известные методы расщепления одного луча на несколько, включая использование дифракционных элементов. Однако этой схеме присущи многие уже описанные недостатки схем всех оптических щипцов, в том числе прямое облучение части образца, малость удерживающих сил, невозможность манипулирования прозрачными частицами, имеющими показатель преломления, близкий к показателю преломления окружающей среде, и непрозрачными частицами с сильным поглощением и относительно большими размерами.

Целью данного изобретения является исключение указанных недостатков, т.е. обеспечение возможности манипулирования пространственным положением как отдельных частиц, так и массива частиц, включая их фиксацию в любом заданном положении, их движение в любом направлении с любой скоростью, причем к частицам не предъявляется жестких требований как по оптическим свойствам (они могут иметь любой показатель преломления, быть непрозрачными, и т.п.), так и по размерам и весу, причем манипуляция осуществляется в отсутствии прямого облучения частицы, что исключает возможность их лучевого повреждения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для оптической манипуляции пространственным положением объектов в среде, включающем источник оптического излучения, оптическую систему, систему пространственного перемещения объекта в среде, связанную с оптической системой и/или с передвижным столиком, на котором может находиться объект, источник оптического излучения выбран работающим в непрерывном режиме излучения и для модуляции интенсивности этого излучения введен дополнительно модулятор оптического излучения, связанный с указанным источником. Альтернативным решением является выбор источника излучения, работающего в импульсном режиме.

Кроме этого введен дополнительный оптический блок, расположенный после основной оптической системы, и параметры этого блока взаимосвязаны с параметрами оптической системы. Указанный блок выполнен таким образом, чтобы обеспечить заданное распределение излучения в среде вблизи объекта, и включает в себя линзу или систему линз, и/или диафрагму, и/или пространственный фильтр, и/или голографические элементы, и/или дифракционные элементы, и/или интерференционные элементы, и/или оптические элементы для пространственного сканирования светового пучка вокруг объекта, и/или одного или нескольких гибких световодов, и/или различных комбинаций указанных элементов. Длина волны оптического источника и оптические параметры и состав среды выбраны таким образом, чтобы обеспечить поглощение излучения в самой среде. Временные и энергетические параметры оптического источника выбираются, исходя из условия обеспечения динамического формирования термических и/или акустических градиентов в среде около объекта, которые, в свою очередь, напрямую или через сопутствующие эффекты обеспечивают силовое воздействие на этот образец, достаточное для его перемещения в требуемом направлении с заданной скоростью или фиксации этого объекта в требуемом объеме.

Предлагается параметры указанного дополнительного оптического блока выбирать таким образом, чтобы обеспечить в среде вблизи объекта распределение световой энергии в виде одиночного светового пятна, и/или узкой прямоугольной полоски (линии), и/или дуги окружности, и/или в виде полусерпа, и/или в виде светового кольца вокруг объекта, и/или в виде сплошного светового пятна с интенсивностью излучения, уменьшающейся к центру, и/или в виде светового кольца вокруг объекта, и/или в виде светового кольца, в центре которого имеется отдельное световое пятно, и/или их различных комбинаций, причем распределение энергии в них может быть как непрерывным, так и дискретным, то есть состоящим из отдельных световых пятен, и/или полосок, и/или полусерпов, дуг окружности, и/или их различных комбинаций.

Указанный оптический блок может быть выполнен в виде цилиндрической линзы, и/или сфероцилиндрической линзы, и/или одной или нескольких оптических пластин с регулируемым углом наклона по отношению к оптической оси основной оптической системы, и/или различной комбинации этих элементов.

Предлагается между дополнительным оптическим блоком и объектом ввести дополнительные оптические элементы, расположенные в среде рядом с объектом. Эти элементы могут представлять собой оптически прозрачную для излучения пластину, или аналогичную пластину, но с поглощающим покрытием на поверхности, обращенной к объекту, или аналогичную первой пластину с дополнительной поглощающей пленкой на указанной поверхности, или только одну поглощающую пленку, так что плоскости указанных элементов ориентированы перпендикулярно оптической оси указанного блока.

Для воздействия на объект предлагается воспользоваться техникой акустических линз, в которых для генерации акустических колебаний используется лазерное излучение. Для этого рядом с объектом размещается акустическая линза, ориентированная в пространстве так, что излучение попадает на входную поверхность этой линзы, фокус линзы совпадает с положением объекта. На входную или выходную поверхности линзы наносятся поглощающие покрытия. Дополнительно для случая источника с непрерывным излучением предусмотрено введение блока изменения частоты модуляции интенсивности излучения, связанного с основным модулятором. В случае же использования импульсного излучения в функции указанного блока входит изменение частоты повторения оптических импульсов. Эти частоты определяют соответствующие частоты (длины волн) акустических волн, воздействующих на объект. Изменение частоты необходимо для пространственного перемещения объекта за счет пространственного смещения фокуса акустической линзы, положение которого зависит от частоты (длины волны) акустических колебаний. Альтернативным решением является введение блока механического перемещения линзы, связанного с этой линзой.

Предлагается также объединить отдельные акустические линзы в линейку, а оптическую систему выполнить так, чтобы она обеспечивала формирование несколько световых пучков, каждый из которых попадает на соответствующую линзу. Кроме этого вводится блок фазовой задержки, соединенный с каждой из линз и источником излучения. Все эти меры необходимы для обеспечения работы линейки акустических линз в режиме фазовой акустической антенны.

В качестве одного из технических решений предлагается ввести второй дополнительный оптический блок, который связан с первым блоком и оптической системой. Этот блок может быть выполнен в виде светоделительных пластинок, и/или дифракционных элементов, и/или световодов, ориентированных в пространстве так, чтобы обеспечить разделение основного светового пучка на несколько других как минимум двух световых пучков. В свою очередь, эти пучки могут быть ориентированы под углом относительно друг друга и величина этого угла лежит в диапазоне от 1 до 180°. В частности, пучки могут быть направлены под прямым углом или навстречу друг к другу. В последнем случае пучки могут располагаться как соосно, так и допускается рассогласование их оптических осей так, что они параллельно смещаются друг относительно друга. При этом положение фокусов отдельных пучков может совпадать, лежать в одной плоскости или быть смещенным вдоль оптической оси относительно друг друга.

Предлагается также за счет выбора параметров дополнительного оптического блока, согласованных с параметрами основной оптической системы, обеспечить в среде около объекта трехмерное распределение энергии в виде одиночного цилиндра, и/или вогнутой линзы, и/или сферы с объектом внутри этой сферы, и/или двух пересекающихся цилиндрических пучков с объектом внутри области их пересечения, и/или периодических пространственных решеток с различным шагом от единиц микрон до нескольких миллиметров, и/или их различных комбинаций.

Для создания необходимого объемного пространственного распределения излучения предложено наряду с выбором соответствующих параметров оптики введение дополнительных источников оптического излучения с независимыми основными оптическими системами и дополнительными оптическими блоками.

Одним из возможных применений предлагаемого изобретения является манипуляция объектами внутри различных трубок. Для практической реализации этого предлагается использовать трубки с оптическими прозрачными стенками. Оптическая система обеспечивает заданное распределение световой энергии уже внутри этой трубки, причем ориентация светового пучка по отношению к оптической оси указанной трубки может быть как перпендикулярная, так и параллельная (соосная). В таких схемах предусматривается использование различных пространственных конфигураций оптических пучков, в частности пучка с плоской геометрией, перпендикулярной оси указанной трубки, двух плоских пучков, между которыми находится объект, и/или пучка цилиндрической геометрии оптического пучка, и/или их различных комбинаций.

Для возможности манипуляции движением объекта вдоль оси описанной выше трубки предлагается введение дополнительного модулятора, взаимосвязанного с дополнительным оптическим блоком. Последний же выполнен таким образом, чтобы обеспечить цилиндрическую геометрию светового пучка с поперечным сечением в виде кольца и независимой центральной частью. Дополнительный модулятор выполнен таким образом, чтобы обеспечивать модуляцию интенсивности только в центральной части светового пучка, независимую от модуляции периферической кольцевой части. В случае использования импульсного источника функции указанного модулятора сводятся к управлению временными и энергетическими параметрами излучения лишь в центральной части пучка.

Дополнительный оптический блок может быть выполнен также в виде оптического волокна, которое зафиксировано в пространстве с помощью дополнительного держателя так, чтобы конец волокна находился вблизи объекта. В самом же держателе предусмотрено дополнительное устройство для передвижения держателя вместе с волокном в любом заданном направлении. Возможен также вариант использования нескольких волокон с различной пространственной ориентации их дистальных концов вокруг объекта от линейки до расположения на окружности или на поверхности сферы вокруг объекта.

Предусматривается также вариант нанесения на торец волокна поглощающего покрытия или фиксации на нем поглощающего излучение специального наконечника. В другом исполнении торец волокна имеет вогнутую поверхность и/или на указанной вогнутой поверхности нанесено поглощающее излучение покрытие. К торцу волокна может быть также пристыкована акустическая линза с поглощающим покрытием на входной плоской поверхности или на выходной вогнутой поверхности.

Типичным вариантом технической реализации изобретения является манипуляция объектами с использованием микроскопов, в том числе с инвертированной оптической схемой.

Объект в этом случае находится между покровными стеклами или сверху, только на оптической прозрачной подложке. Все эти элементы расположены на стандартном передвижном столике, для прецизионного управления положением которого возможно использования джойстика.

Допускается вариант, когда оптическая система вместе с дополнительным блоком обеспечивает световое распределение энергии около объекта, которое частично соприкасается с объектом в одной или одновременно нескольких пограничных зон, включая и касание по всему периметру объекта.

Во всех перечисленных вариантах в качестве среды могут использоваться различные по свойствам и составу поглощающие излучение жидкости, и/или растворы жидкостей, и/или газы, и/или смеси газов, включая воздух, и/или гели, и/или биологические среды, и/или их различные комбинации. В частности, допускается схема, когда оптическая система обеспечивает заданное распределение излучения внутри среды типа живых биологических тканей или отдельных клеток, а в качестве объекта используется лекарство и/или капсулы с лекарством, выполненные, например, в виде липосом, и/или различные микроносители типа полистероловых микросфер с присоединенными к ним биологическими элементами, и/или различные флуоресцентные зонды, и/или фототермические пробы в виде химических соединений, различных металлических и неметаллических микрошариков, и/или их различных комбинаций.

В том случае, когда исходная среда не поглощает излучение или поглощение является настолько слабым, что не позволяет создать достаточные для манипуляции объектами градиенты температуры и давления, необходимый уровень поглощения в подобных средах может быть обеспечен путем включения в состав среды поглощающих компонент различной природы. Эти компоненты могут быть доставлены в область манипуляции с потоком газа или жидкости, причем эти потоки могут подаваться от соответствующих дополнительных блоков как непрерывно, так и дискретно во времени, то есть отдельными порциями. Допускается, в частности, использование аэрозольного потока. Специальные блоки для создания соответствующих потоков могут иметь различное пространственное расположение по отношению к оптическому пучку, обеспечивая в том числе соосное и перпендикулярное направление указанных потоков относительно оси оптического пучка и различную пространственную геометрию этих потоков от цилиндрической до плоской.

Помимо манипуляции объектами в объеме газовых или жидких сред изобретение допускает также их управление на поверхности различных твердых тел, для чего оптическая система вместе с дополнительным оптическим блоком обеспечивают заданное распределение излучения в среде, соприкасающейся с поверхностью этих тел. В качестве примера твердых тел можно отметить полупроводниковые и оптические материалы, а в качестве задач соответственно управление объектами нанотехнологии, микроэлектроники, биотехнологий, химии, биологии, медицины и т.п.

В качестве источника излучения подразумевается использование самых различных источников излучения, включая лампы и светодиоды с акцентом на лазеры. Допускается применение лазеров, работающих в непрерывном режиме излучения, которое модулируется по интенсивности с помощью соответствующих модуляторов (механических, оптических, электрооптических, акустооптических и др.), в широком диапазоне частот от единиц Гц до сотен МГц. Предполагается также использование источников импульсного излучения с длительностью импульса, лежащего в диапазоне от 10^-3 до 10^-15 сек. При этом, если это необходимо, вводится дополнительный блок, соединенный с этими источниками и обеспечивающий режим повторения отдельных импульсов в диапазоне от единиц Гц до сотен МГц. В качестве подобных источников могут использоваться многие известные газовые, твердотельные, полупроводниковые лазеры и лазеры на красителях, работающие в непрерывном и импульсных режимах, включая импульсный азотный лазер, полупроводниковые лазеры в ближнем инфракрасном диапазоне, неодимовый лазер (первая и вторая гармоника), гольмиевый и эрбиевые лазеры, лазер на сапфире, рубиновый лазер, лазер на углекислом газе с максимальным набором характерных для отмеченных лазеров длин волн.

Таким образом, предлагаемое устройство выгодно отличается от прототипа по целому ряду признаков, что позволяет достичь новой цели, связанной с манипуляцией пространственным положением различных частиц вне зависимости от их оптических свойств без их оптического повреждения. Основное его отличие от различных вариантов оптических щипцов является то, что свет используется не для создания градиентных оптических сил из-за эффектов давления самого света, а уже для создания термических и акустических градиентов, периодическое действие которых на объект приводит последний в движение. Во всех вариантах оптических щипцов, один из которых взят за прототип, используются только непрерывные лазеры без всякой модуляции. В данном изобретении предлагается использовать как импульсные источники, работающие в режиме повторения импульсов с необходимой частотой, так и источники непрерывного излучения, которые модулируется по интенсивности для создания периодических термических и акустических волн, воздействующих на образец.

Источником акустических градиентов может быть множество физических явлений, включая поглощение, электострикцию, оптический пробой, образование плазмы, когерентное рамановское рассеяние и т.п. (см., например, [20]). Наиболее универсальным и не требующим существенных энергетических затрат является фотоакустичесий эффект, возникающий в силу поглощения излучения и последующего резкого расширения нагретого излучением объема. Возникающие при этом изменения объема и смещение нагретого слоя приводит к формированию значительных механических сил, позволяющих значительно ускорить малые частицы, находящиеся поблизости от лазерного луча, так что они могут пролететь даже несколько метров [8]. Давление вблизи сфокусированного лазерного импульса, например при оптическом пробое в воде при длительности импульса в пикосекундном диапазоне, может быть весьма существенным, до тысяч атмосфер [21]. Но для поставленной цели достаточно иметь намного меньшие давления, регулировка которого достигается за счет плавного изменения энергетических параметров лазеров, что позволяет, в свою очередь, манипулировать движением объектов в широком диапазоне скоростей, вплоть до достаточно малых. Распространение как самих акустических волн, так и сопутствующих акустических потоков, и последующее их воздействие на биообъект приводит его в движение под действием как сил акустического давления, так и вовлекается в движение акустическими микропотоками. Достигаемые температуры в области поглощения также могут быть невысокими - на уровне десятых единиц градуса Цельсия. В принципе, такой уровень температур не повреждает биологические структуры. К тому же в предлагаемом устройстве градиенты температуры формируются не в самом объекте, а поблизости от него, так что они не могут на него напрямую повлиять. В прототипе же используется непрерывное излучение мощностью до сотен мВТ, которое при сильной фокусировке непосредственно на биообъект (клетка, бактерия и т.п.) во многих случаях может видоизменить его структуру, вплоть до его повреждения.

Одной из особенностей предлагаемого изобретения является использование прерывистого потока излучения, формирующего периодическое действие градиентов давления. Наиболее эффективен режим генерации давления при использовании импульсного излучения в широком диапазоне длительностей от миллисекунд до пикосекунд и даже фемтосекунд, при которых температура в области взаимодействия излучения относительно мала, а величина возникающего давления относительно велика. Однако давление может быть сформировано за счет модуляции мощности непрерывного излучения в широком диапазоне частот от единиц Гц до нескольких МГц. С точки зрения разумного компромисса между эффективностью преобразования световой энергии в акустическую и простотой технической реализации наиболее предпочтителен ультразвуковой (УЗ) диапазон частот примерно в диапазоне 10-50 кГц.

Таким образом, лазер в данном решении используется для генерации УЗ колебаний, которые можно использовать далее в схемах, близких к "УЗ щипцам" [14-17]. Создание с помощью микрооптических систем распределения света, близкого к геометрии микроакустических линз, позволит обеспечить формирование УЗ колебаний с очень малой длиной волны, теоретически даже меньшей, чем используемая длина волны света. Преимуществом такого метода генерации УЗ волн является легкость пространственного перемещения источника генерации этих колебаний в виде оптического изображения акустических линз, чего лишены чисто акустические системы формирования УЗ волн. Таким образом, в соответствии с предлагаемьми схемами возможно создание "фотоакустичесих щипцов", которые в зависимости от соотношения акустических констант частицы будут или притягиваться к области фокуса УЗ колебаний (разность между произведениями плотности на скорость звука в окружающей частицу среде и самой частицы положительная), или, наоборот, выталкивать частицы, если указанная разность отрицательна. Примером первых частиц являются легкие полистероловые шарики или отдельные клетки, примером же вторых являются металлические шарики. Наиболее просто создать с помощью оптики цилиндрические фотоакустические линзы, хотя создание вогнутых сферических линз не должно сталкиваться с принципиальными затруднениями. В частности, возможно наложение двух цилиндрических линз с взаимно перпендикулярными осями. В случае сильно поглощающей среды достаточно легко создать акустическую линзу на поверхности жидкости за счет пространственного распределения интенсивности света в поперечном сечении пучка, например, с минимумом интенсивности в центральной части.

Интересно отметить, что, в принципе, возможно использовать и немодулированное непрерывное излучение, которое в силу нагрева жидкости может привести к тепловой конвекции в окрестности лазерного пучка. Эти микроконвекционные потоки могут вовлечь в движение достаточно легкие малые частицы. Особенно это просто реализовать при вертикальном расположении оптического пучка с цилиндрической геометрией, при которой тепловым потоком будут поднимать частицы вверх, а дополнительная модуляция интенсивности будет удерживать частицы а пределах этого пучка в силу акустических волн, возникающих в "стенках" цилиндрического пучка. Однако в силу достаточно высокого общего сопутствующего нагрева жидкости это может быть небезопасно для биобъектов.

Характер и направление воздействующих на образец сил акустического давления зависит в первую очередь от характера распределения поглощенной энергии вокруг образца.

В предлагаемом изобретении силы градиентного давления будут в большинстве случаев выталкивать частицу, а не притягивать ее. Поэтому для фиксации пространственного положения таких частиц, отталкиваемых силами акустического давления, требуется создание акустических градиентов, распределенных дискретно или равномерно вокруг частицы.

В этом случае можно использовать уже известные решения по формированию нескольких световых пучков вокруг объекта, как минимум трех, или сплошного кольца, что ранее было предложено для оптических шипцов [18-19]. Подобные схемы, например, на основе дифракционных элементов или системы отдельных оптических элементов могут с небольшими модификациями использоваться и здесь, производя, однако, совершенно другие по физической сущности и механизму эффекты с другими источниками света и режимами их работы, то есть формировать акустического давления, а не давления света, как в прототипе.

Отличие предлагаемого изобретения от аналогов, в которых используются, например, термические эффекты для удаления частиц с поверхности подложек [5], заключается в том, что в настоящем изобретении термические градиенты создаются вблизи одиночных объектов в отсутствии непосредственного облучения объектов. Таким образом, не требуется контакта последних с дополнительной поверхностью. В отмеченном же аналоге облучению подвергается сам объект и требуется его контакт с подложкой, чтобы резкое тепловое расширение частиц, индуцированное лазерным излучением, позволило создать ускорение, преодолевающие силы сцепления частицы с подложкой (Ван-дер-Вальсовы, электростатические, химические и т.п.). Для преодоления необходимо использовать значительные энергии лазерных импульсов, приводящих даже к расплавлению металлических частиц. Таким образом, в аналоге и других подобных устройствах по предложенным схемам нельзя управлять положением частицы и, кроме того, предложенные механизмы ускорения требуют высоких энергий, повреждающих сам объект.

Для создания акустических волн в предлагаемом изобретении используется эффект поглощения излучения в среде, непосредственно окружающей объект. Применительно к биологии и медицине в качестве такой среды используется обычно вода или другие физиологические растворители. Вода в видимой области 400-700 нм обладает относительно малым поглощением на уровне 10^-3 см^-1, но тем не менее вполне достаточным для генерации значительных акустических эффектов при использовании лазерных источников излучения [20]. Кроме того, возможно использование лазеров как УФ-диапазона (азотного, эксимерных и т.п.), так и ИК-диапазона (полупроводниковые, неодимовый, гольмиевый, эрбиевый и др.), где поглощение воды и других растворителей несколько больше, но вместе с тем они еще остаются прозрачными для наблюдения частиц в проходящем свете. В качестве оптических схем можно воспользоваться существующими многочисленными решениями, реализованными в инвертированных микроскопах, а также коммерчески освоенных оптических щипцах [4] и систем лазерного микрорассечения биообразцов и их катапультирования [9].

Даже в простейшем случае с одним пучком света, сфокусированным рядом с объектом, возможно управлять как скоростью, так и грубо направлением движения частицы за счет перемещения относительного положения светового пятна вокруг объекта. При этом подвод энергии может быть осуществлен с помощью оптического волокна. Последнее может использоваться как традиционное устройство для механической контактной манипуляции с частицей в отсутствии излучения, так и в отсутствии непосредственного механического контакта в акустическом режиме управления при включенном лазере. В случае выбора источника с сильным поглощением в среде акустические волны создаются непосредственно на выходе волокна, так как излучение поглощается в небольшой области, примыкающей к торцу волокна. В случае относительно слабого поглощения для создания необходимых акустических волн используется или поглощающие покрытие на торце волокна, или на последний надевается специальный сильно поглощающий наконечник.

Более удобно управлять движением частицей при фокусировке излучения с помощью цилин