ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ МАНИПУЛЯЦИИ ОБЪЕКТАМИ Российский патент 2004 года по МПК H05H3/04 G02B21/32 

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/cм²), 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 цилиндрической линзы в световое пятно в виде линии или с помощью специальной сфероцилиндрической оптики в пятно в виде серпа. Фиксация положения достигается, как уже отмечалось, за счет создания светового распределения в виде отдельных пятен или кольца вокруг частицы. При этом радиус такого распределения может меняться в зависимости от размеры частицы или даже нескольких частиц, которые могут быть захвачены вместе. В момент захвата излучение может быть выключено, а положение светового пятна может быть определено с помощью дополнительного пилот-луча, например, от полупроводникового лазера или светодиода, работающего в видимом диапазоне спектра. Подобная схема удобна для управления частицами в двухмерной плоскости, некоторым приближением которой является объем между двумя покровными стеклами микроскопа. При большем расстоянии между этим стеклами, то есть при необходимости управления в трехразмерном объеме, необходимо использовать уже два пучка, направляемых под углом друг к другу. Величина объема захвата частицы зависит от угла между пучками и минимальна при взаимно перпендикулярной ориентации цилиндрических пучков. Пересечение этих цилиндров создаст зону в области пересечения, в которой интенсивность отсутствует или минимальна. Частица захватывается такой своеобразной световой ловушкой, стенки которой постоянно излучают акустические импульсы, и перемещаются в требуемом направлении. При необходимости стыковки одной частицы с другой в момент сближения частицы в световой ловушке с другой частицей излучение на короткий момент выключается для того, чтобы дать возможность частицам войти в соприкосновение, так как при включенном излучении вторая частица может отталкиваться акустическими импульсами от ближайшей части световой ловушки. Затем одна такая ловушка может удерживать уже две или больше частиц внутри необлучаемого объема, включая множество частиц с высокой концентрацией в среде.

Создание двухмерного или трехмерного температурного распределения в среде, например биоткани, позволит управлять движением не только отдельных частиц, но и мелкодисперсным веществом или химическими соединениями и лекарствами. Например, таким образом можно управлять положением малой капсулы, в частности липосомы, с лекарством внутри даже одной клетки. Создание температурного или акустического градиета в среде позволит управлять транспортом лекарств в биотканях и направлять его в нужную зону (мишень). Одним из дополнительных механизмов такого управления является зависимость коэффициента диффузии от температуры, то есть в этом случае реализуется термодиффузия.

Следует отметить, что в предлагаемом изобретении отсутствуют жесткие требования к качеству оптического пучка, так как требуется создать по существу только термический градиент рядом с частицей. Кроме этого вполне допускается небольшое облучение самой частицы крылом светового пучка, мощность которого значительно меньше по сравнению с распределением излучения вблизи центра светового пятна. Оценки показывают, что для случая простейших достаточно легких биологических объектов энергетические параметры излучения будут меньше аналогичных параметров лазеров, уже широко используемых в оптических световых щипцах. Это означает, что в предлагаемом изобретении, во-первых, не будет опасности повреждения во время случайного попадания излучения на саму частицу, во-вторых, возможно использовать для движения частиц эффект частичного асимметричного ее расширения при облучении только небольшой зоны частицы вблизи ее границы, и, в третьих, возможно совмещение предлагаемого изобретения с уже существующими оптическими щипцами. В последнем случае для реализации предлагаемой схемы необходимо будет обеспечить лишь дополнительную модуляцию лазерного пучка. Управление движением частицы за счет асимметричного теплового расширения только небольшой облучаемой части ее поверхности имеет преимущество по сравнению с известными близкими решениями [4, 9] (см. выше), так как воздействие носит не разрушающий характер, и возможно плавно регулировать направление движения за счет изменения положения светового пятна по периметру частицы.

Таким образом, возможен режим, когда излучение направляется только на край частицы, которая в силу небольшого нагрева и сопутствующих эффектов расширения или радиационного давления приходит в движение.

Для удобства работы и определения положения светового пятна излучения может быть введен пробный луч видимого диапазона спектра, совмещаемый с основным пучком. Такая схема полезна при первоначальной юстировке в отсутствие работы основного источника или когда излучение последнего невидимо для глаза, например, когда оно лежит в инфракрасной или ультрафиолетовой области спектра.

Таким образом, предлагаемое изобретение выгодно отличается от прототипа, так как является более универсальным в силу возможности управления положением любыми частицами в отсутствии специальных требовании к их оптическим свойствам, причем воздействующую силу, а следовательно, величину и скорости перемещения частиц можно довольно просто регулировать за счет изменения энергетических параметров используемых источников. Наиболее подходят для этого лазерные источники, хотя в принципе могут использоваться и обычные источники, в том числе лампы, которые могут быть легко встроены в существующие микроскопы. Подобные схемы полезны для формирования пространственного распределения света в силу, например, интерференционных эффектов.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами.

Фиг.1. Общая схема устройства.

1 - источник оптического излучения (лазер); 2 - оптический пучок; 3 - среда (жидкость); 4 - объект (частица); 5 - зеркало; 6 - основная оптическая система; 7 - дополнительная оптическая система; 8 - передвижной столик; 9 - покровные стекла; 10 - область тепловыделения; 11 - акустические волны; 12 - блок механического управления положением передвижного столика; 13 - блок пространственного перемещения оптического луча.

Фиг.2. Схемы с различной пространственной геометрией светового пучка в поперечном сечении около биобъекта.

1 - световой пучок; 2 - объект; 3 - акустические волны.

А - один пучок с круглой в сечении формой; Б - одно световая полоска (линия); В - световой серп или дуга окружности; Г - отдельные световые пучки вокруг объекта; Д - кольцевая форма светового пучка; Е - частичное наложение светового пучка на объект; Ж - комбинация двух или более световых полосок; 3-комбинация световых дуг (или серпов).

Фиг.3. Схемы манипуляции объектами (частицами) с помощью фотоакустических линз.

А - оптическое изображение криволинейной линзы: 1 - оптический пучок; 2 - сфокусированные УЗ колебания; 3 - объект.

Б - фотоакустическая линза с генерацией УЗ колебаний на входной поверхности: 1 - излучение; 2 - поглощающее покрытие; 3 - акустическая линза из оптического материала; 4 - акустические колебания; 4 - объект.

В - фотоакустическая линза с генерацией УЗ колебаний на поверхности микролинзы: 1 - оптический пучок; 2 - акустическая линза; 3 - поглощающее покрытие; 4 - сфокусированные УЗ колебания; 5 - объект.

Г - фотоакустическая линза на поверхности поглощающей жидкости: 1 - излучение; 2 - жидкость; 3 - область поглощения; 4 - сфокусированные УЗ колебания; 5 - объект; 6 - пунктиром показано примерное распределение интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка, 7 - оптическая пластина.

Д - линейка фотоакустических линз: 1 - лазерные пучки; 2 - линейка фотоакустических линз; 3 - сфокусированные фазированные УЗ колебания; 4 - объект.

Фиг.4. Схема оптической манипуляции микрообъектами с помощью оптического волокна.

А - общая схема: 1 - излучение; 2 - оптическое волокно; 3 - область поглощения в жидкости; 4 - акустические волны; 5 - объект.

Б - схема с поглощающим покрытием на торце волокна: 1 - излучение, 2 - волокно; 3 - поглощающее покрытие; 4 - акустические волны; 5 - объект.

В - схема с дополнительным наконечником: 1 - излучение, 2 - волокно; 3 - наконечник; 4 - торцевая поглощающая стенка, 5 - акустические волны; 6 - объект.

Г - оптическое волокно с фотоакустической линзой на торце: 1 - волоконо; 2 - поверхность вогнутой формы на торце волокна с поглощающим покрытием; 3 - акустичксекие волны; 4 - объект.

Д - оптическое волокно с фотоакустической насадкой: 1 - волокно; 2 - акустичсекая линза; 3 - поглощающая пленка; 4 - акустические колебания; 5 - объект.

Фиг.5. Схема фотакустического отрыва частицы от подложки.

1 - излучение; 2 - оптическая подложка, 3 - среда (жидкость); 4 - объект; 5 - область поглощения (тепловыделения).

Фиг.6. Схема световой ловушки (клетки) с двумя цилиндрическими пучками (показано их осевое сечение).

1 - первый лазерный пучок цилиндрической геометрии; 2 - второй лазерный пучок; 3 - объект; 4 - силы давления.

Фиг.7. Схемы с одним цилиндрическим пучком (фотоакустический туннель).

А - использование вертикальных конвекционных потоков: 1 - цилиндрический пучок; 2 - объект; 3 - акустические колебания; 4 - конвективные тепловые потоки.

Б - использование термического осевого ускорения с помощью центрального пучка: 1 - оптический пучок цилиндрической геометрии; 2 - объект; 3 - акустические колебания; 4 - излучение в центральной части пучка.

Фиг.8. Управление движением объекта в трубе: 1 - труба с оптическими прозрачными цилиндрическими стенками; 2 - оптический пучок плоской геометрии (показано сечение); 3 - объект; 4 - акустические колебания; 5 - альтернативный (осевой) вариант лазерного воздействия.

Фиг.9. Использование дополнительного потока поглощающего газа или жидкости: 1 - оптический пучок; 2 - объект; 3 - акустические волны; 4 - дополнительные модули с поглощающими излучение компонентами; 5 - потоки с поглощающими компонентами.

Изображенное на фиг.1 устройство работает следующим образом. Оптический источник 1, предпочтительно лазер, формирует оптический пучок 2, направляемый в среду 3, в которой находится подлежащий манипуляции объект 4. Примером среды, окружающей объект, может быть газ, включая воздух, конденсированная среда в виде жидкости, раствора, геля, биоткани, отдельной клетки, поверхность твердого тела и т.п. Для возможного изменения направления пучка, что необходимо, например, в схемах инвертированных микроскопов, используется дополнительное зеркало 5. Заданное распределение оптической энергии в области нахождения объекта формируется с помощью основной 6 и дополнительной 7 оптических систем. В случае использования элементов микроскопа объект размещается на подвижном столике 8 между двумя покровными стеклами 9. В результате оптического поглощения излучения в среде часть поглощенной энергии в силу безизлучательных переходов преобразовывается в тепловую энергию среды, что приводит к ее нагреву. Быстрое тепловое расширение нагретого локального объема 10 приводит к формированию акустической волны 11, распространяющейся по направлению к объекту 4. Далее в силу прямого или косвенного действия этой волны на объект 4 возникают силы, действующие на этот объект и приводящие его в движение. Можно выделить следующие основные причины формирования таких сил на примере жидкой среды: радиационная сила акустического давления, формирование так называемых акустических потоков, проявление эффекта добавленных масс и т.п. [22]. Следует также отметить, что при периодическом воздействии с высокой акустической частотой частицы также начинают колебаться с частотой акустических колебаний. Необходимое перемещение объекта 4 в среде 3 (например, жидкости) может достигаться как перемещением столика 8, управляемого с помощью блока сканирования 12 при фиксированном положении оптической системы, или же за счет перемещения элементов оптической системы 6 и 7, или встроенным оптическим сканером, управляемых с помощью блока 13. В качестве частных примеров возможных схем сканирования можно отметить колебание линз, движение зеркал, периодическое смещение конца волокна или использования акустооптического модулятора. Возможно также комбинированное перемещение с использованием одновременно двух отмеченных способов. Может быть также введен джойстик для ручной манипуляции положением объекта в среде.

На фиг.2 показаны различные варианты (но ими не исчерпываются все возможные схемы) распределения интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка в плоскости объекта. Наиболее простой является схема А с одним пучком 1 круглой формы в поперечном сечении, расположенным рядом с объектом 2. При такой геометрии формируются расходящиеся акустические колебания 3, что позволяет перемещать объект лишь в одном поперечном направлении с относительно невысокой точностью. Тем не менее эта довольно просто реализуемая на практике схема удобна для грубой транспортировки объекта в заданном направлении на базе использования стандартных микроскопов, в которых добавляется лишь оптическая приставка с дополнительный лазером. Так как в этой схеме отсутствует регулировка передвижения в продольном (вдоль оси оптического пучка) направлении, то это схема применима для одномерного перемещения в трубах небольшого диаметра или двумерной манипуляции в пространстве между двумя близкорасположенными плоскостями. Примером последнего может служить пространство между двумя покровными стеклами микроскопа. При фокусировке излучения в линию 1 (схема Б), что реализуется в простейшем случае с помощью цилиндрической линзы, на объект 2 воздействует уже плоская акустическая волна, что несколько повышает точность его целенаправленного пространственного перемещения в заданном направлении. Кроме этого плоская волна может обеспечить воздействие в большом объеме среды, что позволяет управлять движением одновременно несколькими объектами. Подобная схема удобна также для разделения массива частиц на отдельные части. При такой геометрии оси формируется как бы поршневое действие давления из области тепловыделения. Таким образом, достоинством этой схемы является относительная простота технической реализации, например, при использовании отмеченной цилиндрической оптики и легкость управления смещением частицы в одном направлении, но точность задания точной траектории тем не менее является невысокой. Следует отметить возможность в этой схеме использования всего двух расположенных рядом отдельных пучков (схема А, но с двумя пучками), что легко реализуется на практике путем выполнения дополнительной системы 7 (фиг.1) в виде полупрозрачной пластины, помещенной на пути оптического пучка. В зависимости от степени прозрачности пластины такая система позволяет формировать любое желаемое количество световых пучков, ориентированных в линию. Изменением угла по отношению к оптической оси можно также изменять расстояние между этими пучками. Тем не менее большей точностью обладает схема В с изображением оптического пучка 1 в виде отрезка дуги. При этом на объект 2 будет действовать уже сходящаяся акустическая волна 3. Точность будет повышаться по мере увеличения размера дуги, то есть области охвата объекта световым пучком. Данная геометрия может быть реализована при использовании оптической системы с заведомыми аберрациями, искажающими оптический пучок в нужную сторону, в частности формирующими серповидную форму пятна, как и показано на чертеже. Преимуществом такой геометрии, как и в случае чистой дуги, является возможность небольшой фокусировки акустических волн на частицу в силу проявления эффекта акустической линзы. Подобная геометрия может быть также сформирована за счет использования, как описано выше, нескольких дискретных оптических пучков круглой формы, один из которых изображен на схеме А (фиг.2). Это может быть достигнуто различными способами, например с использованием системы делительных зеркал, нескольких оптических волокон, нескольких лазеров и т.п. Для удержания объекта в заданном положение или контролируемом движении в любом заданном направлении наиболее предпочтительна схема Г с использованием отдельных точечных источников 1, минимальное количество которых должно быть 3 или лучше 4. При этом объект 2 располагается в геометрическом центре этих источников. В этом случае от каждого источника распространяется сферическая акустическая волна, и при одновременном воздействии этих волн объект 2 будет находится в области минимального давления, то есть при равенстве акустического давления примерно в центре. Так как каждый источник будет отталкивать объект от себя (при определенном соотношении акустических свойств, как отмеченных выше), то стабилизация положения объекта будет носить динамический характер и объект может испытывать небольшие пространственные флуктуации, то есть как бы "дрожать" или "танцевать". Источники желательно располагать равномерно вокруг частицы, но это не является достаточно критичным, так как возможная неравномерность приведет лишь к небольшому асимметричному смещению частицы по отношению к световым пятнам. Кроме того, возможны также из-за асимметрии неравенство сил акустического давления отдельных зон. Если позволяет оптическая система, подобный небольшой разбаланс может быть компенсирован за счет изменения мощности отдельных пучков.

Наиболее оптимальным решением является формирование светового кольца 1 (схема Д) вокруг объекта 2. При этом силы давления 3 будут равномерно действовать со всех сторон, что обеспечивает стабильное положение объекта в центре или его целенаправленное перемещение в заданном направлении. Наиболее просто реализовать эту схему с лазерным пучком, в центре которого создается тем или иным способом провал интенсивности, например, за счет аберраций, использования пространственных фильтров, диафрагм, в том числе с непрозрачной центральной частью, использования дифракционных эффектов и т.п. Световое кольцо может быть также сформировано за счет быстрого сканирования лазерного луча по кругу, например, с помощью сканирующей оптической системы на основе вращающегося зеркала. Возможно также использовать сканирование лазерного луча по спирали с помощью сканаторов, использующихся при лазерной обработке кожи. В этом случае возможен захват объекта в достаточно большой зоне с последующей его транспортировкой в центр указанной спирали.

Следует отметить, что в подобных схемах возникают также силы давления, которые направлены во внешнее пространство. Они могут играть как положительную, так и отрицательную роль. В частности, при транспортировке объекта они могут как бы расталкивать на своем пути нежелательные другие объекты. С другой стороны, они могут препятствовать близкому сближению передвигаемого объекта с другим объектом. Решением может быть выключение на короткое время лазера на момент сближения этих объектов. При захвате другого объекта далее они могут удерживаться уже вместе с помощью описанной схемы.

При разработке предлагаемых устройств следует учитывать также, что одна и та же акустическая волна может оказывать противоположное действие на частицы с разными акустическими свойствами (см. выше): "легкие" в акустическом плане (см. выше) частицы она может притягивать, а тяжелые отталкивать. На этом может быть основана сортировка частиц с разными свойствами. В дальнейшем, если не оговорено дополнительно, будет подразумеваться случай акустического отталкивания частиц.

Размер области пространственной фиксации может регулироваться за счет изменения диаметра светового кольца. Следует также отметить, что в принципе допустимо в ряде случаев касание излучения объекта, если при этом не возникает проблемы его лучевого повреждения. Например, это справедливо для оптически прозрачного объекта или относительной низкой интенсивности излучения, в частности, когда объекта касается существенно ослабленное по интенсивности крыло лазерного пучка с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении. С другой стороны, при такой геометрии (схема Е) при поглощении излучения 1 в части объекта 2 могут возникать асимметричные силы, которые достаточны для передвижения объекта. Например, это может быть тепловое расширение небольшой зоны на границе частицы, что создаст своеобразную реактивную силу движения в направлении, обратном расширению. Для случая легких объектов это может быть вторичное рационное давление из-за испускания нагретой зоны инфракрасного излучения. Эти схемы неразрушающего образец воздействия выгодно отличаются от уже известных (см. выше), поскольку не используют реактивную отдачу покидающих объект продуктов лазерной адляции или плазмы, которые разрушают образец. Кроме того, они позволяют очень плавно регулировать положение объекта, в то время как в аналогах создается довольно большое начальное ускорение, причем направление этого ускорения довольно трудно регулировать. Как уже отмечалось, создание необходимой конфигурации лазерного пучка может быть достигнуто за счет использования отдельных пучков, и в этом направлении могут оказаться полезными схемы, использующие несколько линейных элементов (схема Ж), расположенных, например, по касательной требуемого виртального кольца, или нескольких дуг окружности, или серпов (схема 3). В этих случаях можно использовать разделение одного пучка на несколько других или даже использовать для их создания отдельные лазеры, например компактные и недорогие полупроводниковые лазеры.

Одним из преимуществ предлагаемого изобретения является относительная простота создания с помощью лазерного излучения акустических линз различной конфигурации, например, за счет формирования соответствующего их оптического изображения в среде. Кроме этого в комбинированных линзах, которые можно условно назвать фотоакустическими (ФА), в отличии от традиционной схемы генерации УЗ колебаний (с помощью пьезоэлементов, пристыкованных к линзе) источником этих колебаний является тонкий слой поглощающего излучения покрытия или пленки, облучаемых лазерным излучением. Это покрытия желательно выбрать с высоким коэффициентом термического расширения. Механизм генерации УЗ волн основан на быстром периодическом тепловом расширении этих элементов. Возможны несколько вариантов таких схем (фиг.3). В первой из них А профиль акустической линзы формируется за счет объемной криволинейной конфигурации лазерного пучка в поглощающей среде, что в силу ФА эффекта в среде формирует акустические колебания 2 (на фиг3. А показан их фронт), распространяющиеся к объекту 3 по нормали к поверхности изображения такой ФА линзы. Преимуществом такой схемы является дистанционный характер формирования акустической линзы любой практически конфигурации. Наиболее просто реализовать цилиндрическую ФА линзу, хотя не имеется принципиальных ограничений на создание и трехмерной ФА линзы, например, методами голографии, или использования интерференционных и дифракционных эффектов. Кроме того, возможна просто комбинация двух или трех цилиндрических ФА линз. В схеме Б используется уже традиционная конструкция акустической линзы, в которой УЗ колебания формируются при поглощении лазерного излучения 1 в поглощающем покрытии 2, нанесенном на внешнюю поверхность акустической линзы 3. Далее эти УЗ колебания 4 распространяются к поверхности с высокой кривизной, которая и обеспечивает концентрацию сфокусированных УЗ колебаний 4 на объекте 5. Преимуществом такой схемы является относительная легкость варьирования необходимыми параметрами УЗ волны за счет изменения параметров лазерного излучения, например частотой и фазой акустических колебаний. Отличием следующей схемы В является использование лазерного излучения 1 для генерации УЗ колебаний уже непосредственно на выходе акустической системы 2 с помощью поглощающего покрытия 3, нанесенного на криволинейную поверхность акустической линзы. В случае относительно сильного поглощения излучения в самой среде генерация УЗ колебаний возможна за счет поглощения излучения в тонком слое жидкости, непосредственно соприкасающейся с криволинейной поверхностью акустической линзы. В частности, в случае водной среды для этого подходят эрбиевый лазер и лазер на углекислом газе. Схема Г показывает принципиальную возможность создания эффекта акустической линзы за счет поглощения излучения 1 в жидкости 2 непосредственно на ее поверхности 3. Формирование сходящихся акустических волн 4, действующих на объект 5, достигается за счет соответствующего изменения профиля интенсивности излучения 6 в поперечном сечении пучка, обеспечивающем усиление амплитуды колебаний по направлению к области фокуса. Кроме того, можно использовать принципы работы фазовых решеток, например, на основе использования дополнительной пластины 7 с соответствующими фильтрами или определенной конфигурацией поглощающей пленки на ее поверхности. Эта же пластина 7, располагаемая на поверхности жидкости, обеспечивает дополнительное усиление амплитуды акустических волн благодаря введению жестких граничных условий при формировании акустической волны. Следует отметить, что в роли такой пластинки могут выступать прозрачные стенки камеры, в которой находится объект, причем в этом случае возможна вертикальная геометрия ФА линзы. В схеме Д концентрация акустических колебаний в области фокуса достигается уже за счет фазового согласования акустических волн от отдельных ФА линз, собранных в линейку. Эти волны формируются с помощью отдельных лазерных пучков 1 в линейке поглощающих мишеней 2, действующих как фазированная антенна, обеспечивающая соответствующую концентрацию колебаний 3 на объект 4. Во всех описанных схемах высокочастотные акустических колебаний могут формироваться при использовании непрерывных лазеров, модуляция мощности которых в необходимом диапазоне частот (1-100 МГц) достигается с помощью электрооптических и акустооптических модуляторов. Возможно также использование импульсных лазеров с высокой частотой заполнения пачек отдельных импульсов. В описанных схемах по существу реализована идея использования фокусированных УЗ волн, источником которых является область быстрого тепловыделения поглощенной лазерной энергии. Среди потенциальных реализации подобных схем следует отметить фокусировку лазерного излучения в один из фокусов эллиптического акустического зеркала, который перефокусирует возникающие акустические колебания в область второго фокуса, который может располагаться в труднодоступной для оптического излучения зоне, например внутри живого организма. При этом можно использовать для генерации акустических волн явление оптического пробоя [8]. Таким образом можно фокусировать акустические волны на большую глубину в кожу и в различные внутренние органы с использованием водной среды на поверхности тела для необходимого акустического согласования. Одно из потенциальных применений заключается в ускорении селективной доставке лекарств в требуемую зону, например, с помощью акустического и фотоакустического усиления направленной диффузии лекарств.

Реализация предлагаемого изобретения возможна также и с помощью более простых схем с использованием оптических волокон (фиг.4), имеющих, тем не менее, большое практическое значение. Во всех этих схемах, в частности А, доставка лазерного излучения 1 осуществляется с помощью оптических волокон 2, помещаемых в соответствующую среду. Возникающие при этом акустические колебания на конце волокна 4 действуют затем на объект 5. Механизм генерации акустических колебаний может быть различным. Например, это может быть поглощение в самой среде вблизи конца волокна, что приводит к выделению тепловой энергии и последующему формированию акустических колебаний. На торец волокна 2 (схема Б) может быть нанесено поглощающее покрытие 3, поглощение в котором приводит к формированию акустических колебаний 4. Отличием схемы В является фиксация на конце волокна 2 наконечника 3 с поглощающим элементом 4 на его торце. В качестве такого элемента могут использоваться различные поглощающие пленки. Возможно также помещение в пространство между торцом волокна и гибкой пленой поглощающей жидкости, резкое тепловое расширение в силу поглощения излучения приведет к резкому перемещению указанной пленки и в конечном итоге к генерации акустических колебаний 5, действующих на объект 6. На схеме Г показано, что за счет изменения кривизны конца волокна 1 и нанесения на него поглощающего покрытия 2 возможно создание оптоволоконной ФА линзы. Акустическая линза может быть также пристыкована к концу волокна 1 (схема Д) как отдельная насадка 2. Принцип работа этой акустической насадки, как и предыдущей схемы, был изложен при описании схем на фиг.3. Подобные схемы являются близким аналогом схемы А на фиг.2. но с использованием оптоволоконного формирования светового пучка вблизи объекта. Следует однако отметить, что в силу поглощения излучения в указанных покрытиях в оптоволоконных системах исключена проблема лучевого повреждения объекта, так что волокно можно подводить к объекту в любом направлении. Интересно отметить также потенциальную возможность создания оптического пробоя на конце волокна в прозрачной жидкости, что помимо увеличения амплитуды акустической волны позволяет избежать прямого попадания излучения на объект в силу его практически полного поглощения в области оптического пробоя (своеобразный эффект оптической "черной дыры"). Непосредственное помещение волокна в среду имеет свои преимущества также при управлении относительно крупноразмерными объектами. Например, подобная схема с использованием эндоскопа может быть использована для передвижения камней в мочевом пузыре в требуемом направлении или фиксации в требуемом положении, в частности, при интракорпоральной или экстрапоральной литотрипсии. Отличием от использования стандартных микроинструментов типа механических манипуляторов, пинцетов, игл и т.п. является неконтактный характер воздействия посредством акустических колебаний. Кроме того, возможно совмещение таких микроигл и волоконной доставки излучения за счет помещения волокна в полую микроиглу. В результате появляется возможность управления объектом в двух режимах: контактном и бесконтактном. По аналогии с использованием многих лазерных пучков для создания желаемой их пространственной геометрии (фиг.2) подобный подход может быть реализован и с использованием оптических волокон. В качестве примера можно отметить использование двух волокон, расположенных друг против друга, линейки волокон или их размещение вокруг объекта так, чтобы дистальные концы волокон образовывали дискретное кольцо или даже шар, в центре которого находился бы объект.

Параллельно с волокном вплотную к нему можно также разместить полую микротрубочку, через которую осуществляется медленный отсос жидкости или газа из объема манипулирования. Таким образом можно создать эффект пылесоса, притягивающего частицы к засасывающему отверстию с сетчатым фильтром на торце и фиксирующего их, таким образом, положение около конца волокна. Регулировкой величины отсоса и фотоакустического отталкивания частиц можно добиться расположения частиц на определенном расстоянии от конца волокна. Данный режим перспективен при искусственном оплодотворении, когда несколько сперматозоидов притягивается к области расположения яйцеклетки, при исследовании взаимодействия различных клеток между собой и лекарствами, и формирования пространственно-селективных химических и фотохимических реакций. Регулировкой подобных эффектов залипания и отлипания можно обеспечить отрыв частиц от стенок и прецизионную очистку самих стенок.

Одной из проблем при микроскопическом исследовании микробиообъектов является иногда трудность их отрывания от подложки, на которой они размещены или прилипли в силу различных адгезионных сил (Ван-дер-Вальсовых, электростатических, электрохимических и т.п.). Для решения этой проблемы, то есть отрыва залипшего объекта от подложки, можно воспользоваться очень простой частной схемой, представленной на фиг.5. Лазерное излучение 1 направляется со стороны прозрачной для этого излучения подложки 2 в среду 3, где находится объект 4. Во избежание повреждения объекта, длина волны излучения выбирается в диапазоне сильного поглощения среды. Например, в случае водной среды это может быть эрбиевый лазер примерно с длиной волны 2,89 мкм, практически полностью поглощаемой в слое воды 5 толщиной всего несколько мкм. Возникающее поршневое действие сил акустического давления легко отрывает частицу от поверхности. Существенным отличием данной схемы от отмеченного вначале метода чистки поверхности образцов является обратная схема облучения, позволяющая избежать прямого действия излучения на объект. Другое решение может заключаться в помещение дополнительной непрозрачной пленки на поверхность пластины 2, если это допускается задачей исследования. В этом случае при поглощении излучения в жидкости или же в самой пленке она уже сама придет в движение и будет воздействовать на объект, что полностью исключит вероятность попадания даже малой части излучения на объект.

Как уже отмечалось, представленные схемы позволяют манипулировать положением частицы преимущественно в одномерном и двумерном объемах. Например, кольцевая геометрия одного лишь светового пучка позволит перемещать частицу без дополнительных мер только в поперечном направлении при движении пучка перпендикулярно его оси. Это удобно для случая двухмерных объемов, создаваемых, например, двумя близкорасположенными плоскостями, как в случае покровных стекол в микроскопии. Движение в трехмерном измерении обеспечивает схема с использованием двух цилиндрических пучков 1 и 2, расположенных под углом друг к другу (фиг.6). Объект 3 при этом находится внутри образовавшегося таким образом объема, и на него действуют силы давления со всех сторон этого объема. Величина угла выбирается, исходя из задачи исследования. Например, при сравнительно небольшом угле - от единиц до нескольких десятков градусов формируется несколько удлиненный в пространстве объем. Удобством такой схемы является размещение двух пучков или двух отдельных источников близко друг к другу. При взаимно перпендикулярной ориентации пучков формируется минимально возможный объем своеобразной световой ловушки. Однако при этом возникает необходимость существенного пространственного разделения обоих пучков. Эти схемы напоминают случай нескольких прожекторов, направленных под разными углами в одну зону. Отличием является только цилиндрическая форма лазерных пучков. Таким образом, вполне возможно манипулировать положением легких предметов в воздухе, например, геодезическими шарами или рекламными материалами. При угле в 180° пучки ориентированы навстречу друг другу. Их небольшая фокусировка и смещение оптических осей и фокусов относительно друг друга дает дополнительные возможности для формирования приемлемой геометрии, необходимой для соответствующей манипуляции объектами. Движение объекта обеспечивается синхронизированным движением обоих пучков. Минимально необходимое количество пучков - два, но для усиления воздействующих сил возможно увеличение их количества.

В принципе возможен целый ряд частных случаев, позволяющих осуществлять определенные манипуляции с объектами при использовании довольно простых технических решений. Примеры таких случаев приведены на фиг.7-9. На фиг.7А представлена схема для реализации вертикального движения частицы вдоль оси цилиндрического пучка 1, внутри которого находится объект 2. Удерживание объекта внутри такого пучка осуществляется за счет сил акустического давления 3, формирующиеся в результате поглощения средой излучения только в районе своеобразных оптических стенок. Таким образом, формируется "фотоакустический (ФА) туннель", только внутри которого может двигаться частица. Движение по вертикали может обеспечиваться гравитационными силами. Так как при поглощении излучения в области стенок ФА туннеля выделяется тепло, то это может привести к формированию конвективных потоков среды 4, устремляющиеся вверх и вовлекающие объект 2 в движение.

В схеме Б движение объекта 2 вверх обеспечивается за счет наличия в центральной части цилиндрического пучка излучения 4, воздействующего на объект. Движение объекта будет обеспечивает периодическое тепловое расширение облучаемой части поверхности объекта, как это было описано ранее. То есть в этом случае прямое поглощение объектом лазерного излучения в центральной части может привести к созданию реактивной тяги, обеспечивающей продольное движение объекта. Необходимо только обеспечить уменьшения интенсивности в центральной части пучка по отношение к стенкам, иначе объект может быть выброшенным из пучка за счет доминирования акустических сил в центральной части.

Движение в поперечном направлении при этом можно обеспечить за счет перемещения пучка в поперечном направлении тем или иным образом, например в результате углового поворота пучка. На фиг.8 представлена другая частная схема манипуляции объектом 3 при его расположении в прозрачной трубе 1, перпендикулярно которой пропускается лазерное излучение плоской геометрии 2. В этом случае формируется плоская акустическая волна 4, действующая на объект 3. По аналогии с предыдущими схемами возможно использование двух плоских пучков, расположенных по разные стороны объекта или же использование цилиндрической геометрии оптического пучка, внутри которой и находится объект. Возможно также использование осевой геометрии лазерного пучка 5 (показано пунктиром), поглощение которого осуществляется или в поглощающей среде, например в воздухе, или в самом объекте.

Для этого на объект может быть нанесено специальное поглощающее покрытие с высоким значением коэффициента термического расширения. Другое решение, уже описанное выше, заключается в помещении поглощающей пленки, на которой размещается объект. Силы поршневого характера будут формироваться как в самой пленке, так и в среде перед этой пленкой. В последнем случае тепловое расширение слоя поглощающей среды будет вовлекать в движение пленку, а та уже будет действовать на объект (модель лазерного пистона). В этом случае отпадает требование к оптической прозрачности указанной трубки. Особенно перспективно применение подобной схемы для транспортировки биологических объектов по таким трубкам. В частности, в аналоге [9] осуществляется лишь процесс катапультирования разделяемых частиц в соответствующие трубки, но не решен вопрос дальнейшего управления этих частиц внутри трубки. Поэтому предлагаемое изобретение может выгодно дополнить возможности существующих коммерческих систем, причем совмещение двух систем не представит затруднений, так как можно будет воспользоваться тем же лазером, который используется в указанном аналоге.

Принципиальным условием в предлагаемом изобретении является наличие поглощающей среды, в которой находится объект. Не имеет принципиального значения тип этой среды, например газ, в частности воздух или жидкость. Отличие будет проявляться лишь в проявлении физического механизма генерации акустических градиентов и величины сил давления, действующих на объект. Усиление градиентов давления может быть достигнуто как за счет увеличения энергии лазерного излучения, так и за счет увеличения поглощения в среде, например, за счет добавления различных поглощающих добавок. Одно из технических решений представлено на фиг.9 для случая цилиндрического пучка 1, внутри которого находится объект 2. Усиление действующих на него акустических сил 3 достигается добавлением одного из нескольких модулей 4, обеспечивающих формирование потока поглощающей среды 5 (газа или жидкости), направляемой в область манипуляции объектом. Эти дополнительные потоки могут быть также различной геометрии: цилиндрической, плоской и т.п. и могут направляться под различными углами к оси лазерного пучка, включая распространении вдоль оси или перпендикулярно ей, как показано на фиг.9.

Примеры практической реализации

1. Фотоакустичекие щипцы с импульсным лазером для манипуляции положением биологических объектов (клеток, молекул, вирусов, и т.д.). Это устройство реализуется на базе стандартной схемы инвертного микроскопа, в котором в качестве дополнительного модуля используется оптическая приставка с воздействующем лазером. В соответствии со инвертной схемой указанного микроскопа воздействие на объекты осуществляется путем подвода лазерного излучения к предметному столику снизу. В качестве среды используется стандартные физиологические водные растворы. В качестве источника излучения используется импульсный азотный лазер со следующими параметрами: диапазон энергий 10^-6-10^-3 Дж, длительность импульса l0^-8-10^-9 сек, частота повторения импульсов от единиц Гц до десятков кГц.

В силу относительно сильного поглощения в воде данный лазер позволяет создать достаточно высокие значения давлений в диапазоне десятков и сотен бар, которые достаточны для перемещения объектов размеров до нескольких десятков и даже сотен мкм. Как показывают многочисленные исследования (см. например, [21]), величина такого давления не оказывает практически никакого действия на биологические структуры в силу близости акустических свойств окружающей среды и клеток, содержащих большое количество воды. Следует отметить, что подобная система может быть довольно просто реализована на базе существующих коммерческих систем, предназначенных с использованием близкого по характеристикам лазера для оптической резки биообъектов и их окончательного разделения методом катапультирования [9].

2. Фотоакустичекие щипцы с непрерывным лазером для манипуляции положением биологических объектов (клеток, молекул, вирусов, и т.д,). Отличием данной схемы от предыдущей является использование в качестве источников излучения лазеров ближнего инфракрасного диапазона, где поглощение большинства биологических объектов минимально.

Это является дополнительным фактором, снижающим вероятность повреждения объектов при их прямом облучении. Примером оптических источников может служить полупроводниковый лазер с длиной волны в спектральном диапазоне 750-900 нм или неодимовый лазер с длиной волны 1,06 мкм с мощностью обоих лазеров в диапазоне 10-200 мВт. Необходимая модуляция осуществляется с помощью электрооптического модулятора в диапазоне частот до 100 кГц. Подобная система близка к схеме коммерческого аппарата "лазерные щипцы" [4], принцип действия которого основан на создании оптических градиентных сил благодаря эффекту давления света. Отличие будет заключаться в добавлении к этой системе лишь указанного модулятора, так как в аналоге используется лазер в непрерывном режиме. Объекты и среда те же, что и в первом примере практической реализации. Усиление акустического давления достигается за счет ведения в раствор различных поглощающих добавок. Например, в случае использования полупроводникового лазера в качестве такой добавки можно использовать йндицианин зеленый в диапазоне концентраций 0,01-0,2%, имеющий максимум полосы поглощения в районе 800 нм. В обоих устройствах проще всего реализуется схема с одним лазерным пучком с круглой поперечной геометрией (фиг.2А) или в виде световой линейки (фиг.2Б) за счет добавления цилиндрической линзы к основной оптической системе. Формирование нескольких оптических пучков достигается с помощью хорошо известных схем с использованием системы делительных зеркал или же дифракционных схем, описанных в [19 ].

3. Оптоволоконное устройство для манипуляции биообъектами (“фотоакустический хлыст”). В этом устройстве в физиологический раствор помещается конец оптического волокна, выполненного из кварца с полимерным покрытием и диаметром в диапазоне от 60 до 800 мкм.

Наблюдение пространственного положения конца волокна в растворе может осуществляться с помощью стандартных микроскопов, включая описанные выше. Для пространственной манипуляцией объектами волокно может быть жестко зафиксировано с помощью дополнительного держателя, а необходимое пространственное перемещение обеспечивается передвижным столиком, на котором находится объект. В качестве источника излучения используется импульсный неодимовый лазер со следующими параметрами: длина волны 1,06 мкм, диапазон энергий 10^-7-10^-4 Дж, диапазон длительностей импульса 10^-710^-9 сек. Для увеличения поглощения в раствор добавляется мелкодисперсный порошок, приготовленный из медицинского угля.

4. Фотоакустическое устройство для манипуляции объектами с использованием стандартной акустической линзы. В основе работы этого устройства лежит принцип акустических щипцов, в которых осуществляется захват частиц в области фокуса стандартной акустической линзы. Однако для создания высокочастотных акустических колебаний используется фотоакустический эффект в поглощающем покрытии на входе этой линзы.

Параметры этой линзы (фиг.3Б): цилиндр из сапфира (материал Аl₂О₃) с тонкой поглощающей пленкой из окиси цинка, используемого в обычном режиме для приема и генерации акустических колебаний. Эта пленка облучается излучением импульсного неодимового лазера со следующими параметрами (см. описание в [20]): длина волны 1,06 мкм, длительность одного импульса 200 пс, расстояние между отдельными импульсами 5 нc (то есть основная частота примерно 200 МГц), полуширина одного пакета импульсов 200 нc и частота его следования 2,7 кГц. Радиус акустической линзы 200 мкм. При лазерной генерации УЗ волн, кроме основной оптической частоты, возможно образование более высоких гармоник, в частности четвертой, с частотой около 800 МГц. Селекция колебаний может осуществляться за счет выбора размеров акустической линзы. При указанном радиусе данная линза обеспечивает фокусировку акустических колебаний, инициированных описанным лазером, в водной среде в пятно примерно размером 2 мкм. Во избежание лучевого разрушения поглощающего покрытия мощность излучения не должна превышать 2 кВт. Однако это не является критическим, поскольку не касается воздействия на сам объект. Поэтому генерация акустических колебаний возможна за счет образования плазмы на поверхности поглощающей мишени. Подобная системы позволяет формировать акустические колебания в принципе в широком диапазоне частот от 50 Мгц до 2 ГГц.

5. Фотоакустическое устройство с оптическим формированием изображения акустической линзы в воде. Как уже отмечалось ранее, в принципе возможно оптическое формирование трехмерного изображения цилиндрической акустической линзы непосредственно в воде, например, за счет целенаправленного использования аберрационных или голографических эффектов. При этом не представляет принципиальных технических ограничений за счет электрооптической модуляции лазерного излучения формирование акустических колебаний с частотой 3,5 МГц (как в акустических щипцах [14]), которая достаточна для захвата и манипуляций полистероловыми шариками размером до 0,2 мм [14]. При этом для устойчивости захвата возможно использовать встречную геометрию двух лазерных пучков и соответствующих ФА линз. Другим решением является использование двух цилиндрических пучков с взаимно перпендикулярной ориентацией друг относительно друга.

6. Фотоакустический туннель. В качестве источника излучения используется относительно мощный импульсный лазер на углекислом газе, широко применяемый для обработки различных материалов. Его параметры: длина волны 10,6 мкм, частота повторения импульсов до 100 Гц, средняя мощность до 2 кВт. В таком лазере сформирована цилиндрическая геометрия лазерного пучка с внешним диаметром 10 см и внутренним 8 см. Такая геометрия легко достигается за счет использования непрозрачной центральной диафрагмы, экранирующей только центральную часть пучка. Подобная геометрия может быть достигнута также за счет изменения параметров самого резонатора, хотя внешнее управление более предпочтительно. В силу поглощения излучения такого лазера в воздухе на молекулах углекислого газа и парах воды формируются значительные акустические колебания, которые можно услышать даже невооруженным ухом. Подобная система позволяет захватывать и удерживать внутри лазерного пучка относительно легкие предметы типа небольшого воздушного шара или легких пластмассовых изделий. Тем не менее это можно использовать в задачах геодезии или театральных или рекламных целей. Движение вдоль такого своеобразного фотоакустического тоннеля при вертикальном расположении лазерного пучка может быть вызвано чисто тепловой конвекцией. Возможно также периодическое перекрывание центральной части пучка за счет, например, колебания указанной диафрагмы. При этом движение будет обеспечиваться за счет периодического теплового расширения облучаемой части объекта. Если частичное лучевое поражение объекта не страшно, то движение объекта вверх возможно за счет описанной раннее реактивной силы, формируемой в силу эффекта отдачи при испарении продуктов лазерной абляции, или формирования плазменных эффектов на поверхности объекта. Для избежания повреждения самого объекта он может быть покрыт специальным отражающим покрытием или помещен внутрь специальной защитной капсулы. Для усиления поглощения возможно воспользоваться добавлением в основную среду различных поглощающих добавок. Например, в случае использования описанного лазера в воздушную среду можно вдувать газ SF₆, обладающий очень сильным поглощением на длине волны лазера на углекислом газе.

Меньший эффект, но также весьма ощутимый может быть достигнут за счет вдувания паров воды в лазерный пучок, например, за счет теплового испарения воды, причем для этого можно воспользоваться излучением того же лазера. Подобные системы весьма перспективны для манипуляции различными агрессивными химическими соединениями, при работе с химическими реакторами и т.п., или в медицине для перемещения стерилизованных препаратов в отсутствии механического контакта с ними.

Расчеты показывают, что при использовании существующих в промышленности газодинамических лазеров на углекислом газе с мощностью до нескольких сотен кВт вполне возможна транспортировка относительно легких предметов весом в десятки и возможно сотни грамм на расстояния как минимум до нескольких сотен метров. Таким образом, с помощью предлагаемого изобретения возможна впервые фотоакустическая левитация различных предметов в воздухе, причем в случае использования инфракрасного невидимого для глаз лазерного излучения для постороннего наблюдения механизм такой левитации будет неочевиден, что можно использовать в театральных и цирковых представлениях.

7. Оптическая манипуляция объектами на поверхности твердых тел. В качестве объектов могут использоваться элементы микроэлектроники или оптики, которые бесконтактно, то есть в отсутствии возможного загрязнения, перемещаются по поверхности соответствующей подложки. В качестве источника излучения целесообразно использовать лазер с минимальным поглощением в подложке во избежание ее возможного оптического повреждения. Например, в случае подложки из полупроводниковых материалов, в частности германия, целесообразно использовать неодимовый лазер с параметрами, аналогичными описанным в примере 2. Для передвижения микрообъектов в нужном направлении по поверхности подложки наиболее подходит распределение световой энергии в виде световой полоски размером 20 на 3 мкм.

Среди других примеров можно отметить гипотетическую возможность управления потоками лекарств или специальных проб (липосомы, антитела, посаженные на микросферы, золотые микрочастицы, флуоресцентные или фототермические зонды и т.п.) внутри клеток, различных тканей, в крово- и лимфососудах за счет оптического формирования температурных и термических градиентов заданного профиля. Таким образом, вполне можно создать направленные потоки лекарств в требуемую зону, в том числе и против сил гидростатического давления в сосудах, межтканевой жидкости, в глазном пространстве или внутри некоторых онкологических образований.

Если объект достаточно мал, то он, как известно, испытывает броуновское хаотическое движение. Формируемые с помощью лазера тепловые локальные источники вблизи объекта могут сформировать эффект "направленного броуновского движения". Интересно отметить, что хаотические пространственные флуктуации лазерного излучения вокруг объекта, сформированные, например, методами спекл-инферометрии, позволяют как существенно усилить броуновское движение, так видимо и ослабить, что произойдет при вычитании фаз флуктирующего оптического излучения и естественных тепловых флуктуаций среды.

На объект могут при этом оказывать влияние как тепловое движение частиц, так и сопутствующие им хаотические акустические колебания, сформированные в силу известного эффекта акустической эмиссии нагретых тел. Этот эффект проявляется и при отсутствии модуляции теплового источника, и диапазон акустических частот достаточно широк, вплоть до единиц и десятков МГц.

Кроме направленной термодиффузии изобретение позволяет реализовать также направленную тепловую конвекцию за счет соответствующей пространственной ориентации наведенным лазером точечных тепловых источников. Например, их ориентация в виде кольца в микроскопических исследованиях в двумерном пространстве между покровными стеклами позволяет сконцентрировать частицы в районе центра этого кольца. Даже фокусировка излучения вблизи частицы позволяет благодаря конвекции из зоны облучения обеспечить движение частицы прочь от этой зоны.

Подобные схемы помимо манипуляции положением отдельных частиц позволяют осуществить их сортировку в требуемой зоне благодаря различию частиц по массе и акустическим свойствам.

В предлагаемом изобретении на частицу воздействует лишь акустическая волна, которая, как уже отмечалось, не оказывает практически никакого влияния на свойства объекта, по крайне мере это возможное влияние намного меньше, чем в случае прямого воздействия лазерного излучения, как в прототипе. При близком расположении светового пучка к объекту возможно проявление теплового воздействия на объект в силу диффузии тепла из нагретой излучением зоны. Однако при коротких длительностях лазерного импульса менее 10^-6 сек или высоких частот модуляции более десятков кГц длина диффузии достаточно мала (единицы и десятки микрон), чтобы оказать существенное воздействие на объект. Тем не менее этот вопрос в каждом конкретном случае требует отдельного рассмотрения, в частности при использовании описанных ранее схем направленной тепловой диффузии или конвекции. Весьма полезным для удобства управления и целей безопасности во многих случаях, в которых используется невидимое для глаз излучение, введение дополнительного пилот-лазера, излучение которого совмещается со световым пучком от основного лазера. В качестве подобных пилот-лазеров наиболее подходят полупроводниковые лазеры или светодиоды с излучением в красном диапазоне спектра.

ЛИТЕРАТУРА

1. К.Svoboda, S.M.Black. Biological application of optical forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol.Struc. 23, 244-285, 1994.

2. A.Ashkin, Proc. Natl. Acad. Sci. 94:4853-4860, 1997.

3. US Patent №4893886, A.Ashkin et al. "Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same, January 16, 1990.

4. Laser Tweezers 1000 and 1064/1500, website Cell Robotics, Inc. Albuquerque, NM.

5. J.D.Kelley, F.E.Hovis. A thermal detachment mechanism for particle removal from surfaces by pulsed laser irradiation. Microelectronic Engineering 20, 159-170, 1993.

6. Ж.А.Аскарьян, УЕ.М.Мороз. Ипульс отдачи в ходе лазерной абляции. Ж. Теор. и Эксп. Физ.43, 2787-2995, 1962.

7. Авторское свидетельство на изобретение №14977792Б В.П.Жаров и др. Способ лазерного разрушения твердых материалов. Приоритет от 4 декабря 1986, выдано 1 апреля 1989 г.

8. V.P.Zharov, A.V.Kilpio, V.I.Lotchilov, V.B.Shashkov. Application of power optoacoustic methods and instruments in medicine and biology. In book: Photoacoustics and Photothermal 5. Phenomena, Springer Series in Optical Sciences(Springer, Berlin,) Vol.58, 533-547, 1987.

9. Laser Pressure Catapulting. website P.A.L.M. Mikrolaser Technologies. Inc.

10. US Patent №4772786. R.M.Langdon "Photothermal oscillator force sensor. September 20,1988.

11. US Patent №6067859. J.A.Kas et al. Optical stretcher. May 30, 2000.

12. US Patent №6055106. D.G. Grier at al. Apparatus for applying optical gradient forces. April, 25,2000.

13. US Patent №5512745. J.Finer et al. Optical trap system and method. April 30, 1996.

14. J.Wu. Acoustic tweezers. J.Acoustical Soc. Am.5, 2140-2143, 1991.

15. US Patent №6216538. К.Yasuda et al. Particle handling apparatus for handling particles in fluid by acoustic radiation pressue. April 17, 2001.

16. US Patent №5902489 К.Yasuda et al. Particle handling method by acoustic radiation force and apparatus therefore. May 11, 1999.

17. US Patent №6245207. К.Yasuda et al. Cell separation device using ultrasound and electrophoresis. June 12, 2001.

18. US Patent №5212382 К.Sasaki et al. Laser trapping and method for applications thereof. May 18, 1993.

19. 15.US Patent №5939716, D.R.Neil" Three dimentional light trap for reflective particles" August 17, 1999.

20. V.P.Zharov, V.S.Letokhov. Laser Optoacoustis Spectroscopy (book), Springer Series in Optical Sciences, vol.37, Springer-Verlag (Berlin Heidelberg New York), 320 p, 1986.

21. E.N.Beilin, V.I Lotchilov. V.P.Zharov. Investigation of ulrtashort laser acoustic effects in water and their influence on cellular structure. Sov. Phys. Acoust. 33, 344-349, 1987.

22. Q.Qi, G.J.Brereton. Mechanisms of removal of micron-sized particles by high-frequency ultrasonic waves. IEEE Transaction of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 42, 619-629, 1995.

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.

1. Устройство для оптической манипуляции пространственным положением объектов в среде, включающее 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, отличающееся тем, что источник излучения выполнен непрерывным и введен модулятор интенсивности излучения, связанный с этим источником, или же источник излучения выполнен импульсным, дополнительный блок выполнен таким образом, чтобы обеспечить заданное распределение излучения в среде вблизи объекта и включает в себя линзу, или систему линз, или диафрагму, или пространственный фильтр, или голографические элементы, или дифракционные элементы, или интерференционные элементы, или оптические элементы для пространственного сканирования светового пучка вокруг объекта, или один или несколько гибких световодов, причем 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 выбраны, исходя из условия обеспечения термических или термических и акустических градиентов в среде около объекта, достаточных для его пространственной фиксации в заданном объеме или передвижения в заданном направлении.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что параметры дополнительного оптического блока выбраны таким образом, чтобы обеспечить в среде вблизи объекта распределение световой энергии в виде одиночного светового пятна, или узкой прямоугольной полоски, или линии, или дуги окружности, или в виде полусерпа, или в виде светового кольца вокруг объекта, или в виде сплошного светового пятна с интенсивностью излучения, уменьшающейся к центру, или в виде светового кольца вокруг объекта, или в виде светового кольца, в центре которого имеется отдельное световое пятно, причем распределение энергии в них может быть как непрерывным, так и дискретным, то есть состоящим из отдельных световых пятен, или полосок, или полусерпов, или дуг окружности.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оптический блок выполнен в виде цилиндрической линзы, или сфероцилиндрической линзы, или одной или нескольких оптических пластин с регулируемым углом наклона по отношению к оптической оси основной оптической системы.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между дополнительным оптическим блоком и объектом введены дополнительные оптические элементы, расположенные в среде рядом с объектом и представляющие собой оптически прозрачную для излучения пластину, или пластину с поглощающим покрытием на поверхности, обращенной к объекту, или пластину с дополнительной поглощающей пленкой на указанной поверхности, или только одну поглощающую пленку, так что плоскости указанных элементов ориентированы перпендикулярно оптической оси указанного блока.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рядом с объектом размещены акустическая линза, ориентированная в пространстве так, что излучение попадает на входную поверхность этой линзы, фокус линзы совпадает с положением объекта, причем на входную или выходную поверхности линзы нанесены поглощающие покрытия, и дополнительно предусмотрены блок изменения частоты оптического воздействия, связанный с оптическим источником, или блок механического перемещения линзы, связанный с этой линзой.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что отдельные акустические линзы объединены в линейку, оптическая система выполнена так, чтобы обеспечивать формирование нескольких световых пучков, каждый из которых попадает на соответствующую линзу, и введен блок фазовой задержки, соединенный с каждой из линз и источником излучения для обеспечения работы линейки линз в режиме фазовой акустической антенны.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введен второй дополнительный оптический блок, связанный с первым блоком и оптической системой, выполненный в виде светоделительных пластинок или дифракционных элементов или световодов, ориентированных в пространстве так, чтобы обеспечить разделение основного светового пучка на несколько других, как минимум двух, световых пучков, которые ориентированы под углом относительно друг друга, величина этого угла лежит в диапазоне 1-180°, например, пучки могут быть ориентированы перпендикулярно друг другу или навстречу друг другу, причем в последнем случае пучки могут располагаться как соосно, так и их оптические оси могут быть параллельно смещены относительно друг друга, и положение фокусов может совпадать, лежать в одной плоскости или быть смещенным вдоль оптической оси относительно друг друга.8. Устройство по п.1 или 7, отличающееся тем, что параметры дополнительного оптического блока совместно с параметрами оптической системы выбраны таким образом, чтобы обеспечить в среде около объекта трехмерное распределение энергии в виде одиночного цилиндра, или вогнутой линзы, или сферы с объектом внутри этой сферы, или двух пересекающихся цилиндрических пучков с объектом внутри области их пересечения, или периодических пространственных решеток с различным шагом от единиц микрон до нескольких миллиметров, или их различных комбинаций.9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что для создания необходимого объемного пространственного распределения излучения вблизи объекта введены дополнительные источники оптического излучения с независимыми основными оптическими системами и дополнительными оптическими блоками.10. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что введена дополнительно трубка с оптическими прозрачными стенками и средой внутри, в которой располагается объект, а оптическая система обеспечивает заданное распределение световой энергии уже внутри этой трубки при ориентации оси оптического пучка вдоль или перпендикулярно оси указанной трубки, включая плоскую геометрию одного светового пучка, плоскость которого ориентирована перпендикулярно оси указанной трубки, или двух плоских пучков, между которыми находится объект, или цилиндрическую геометрию оптического пучка.11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введен модулятор, соединенный с дополнительным оптическим блоком, этот блок выполнен таким образом, чтобы обеспечить цилиндрическую геометрию светового пучка с поперечным сечением в виде кольца и независимой центральной частью, модулятор выполнен таким образом, чтобы обеспечивать модуляцию интенсивности центральной части светового пучка, независимую от модуляции периферической кольцевой части.12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный оптический блок выполнен в виде оптического волокна, которое зафиксировано в пространстве с помощью дополнительного держателя так, чтобы конец волокна находился вблизи объекта, причем в самом держателе предусмотрено дополнительное устройство для передвижения держателя вместе с волокном в любом заданном направлении.13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что на торец волокна нанесено поглощающее покрытие и/или на нем зафиксирован поглощающий излучение наконечник, или торец волокна имеет вогнутую поверхность, или на указанной вогнутой поверхности нанесено поглощающее излучение покрытие, или к торцу волокна пристыковывается акустическая линза с поглощающим покрытием на входной плоской поверхности или на выходной вогнутой поверхности.14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введены микроскопические покровные стекла, располагаемые на передвижном столике, между которыми находится среда с образцом, в качестве оптической системы используется схема инвертного микроскопа, а для прецизионного управления передвижным столиком введена система типа джойстика.15. Устройство по любому из пп.1-14, отличающееся тем, что оптическая система обеспечивает световое распределение энергии около объекта, которое частично соприкасается с объектом в одной или одновременно нескольких пограничных зонах, включая и касание по всему периметру объекта.16. Устройство по любому из пп.1-15, отличающееся тем, что в качестве среды используются различные поглощающие излучение жидкости, или растворы жидкостей, или газы, или смеси газов, включая воздух, или гели, или биологические среды.17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что оптическая система обеспечивает заданное распределение излучения внутри среды типа живых биологических тканей или отдельных клеток, а в качестве объекта используется лекарство или капсулы с лекарством, выполненные, например, в виде липосом, или различные микроносители типа полистероловых микросфер с присоединенными к ним биологическими элементами, или различные флуоресцентные зонды, или фототермические пробы в виде химических соединений, различных металлических и неметаллических микрошариков.18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что необходимое поглощение в среде обеспечивается путем обеспечения состава среды, в который входят поглощающие излучения компоненты различной природы.19. Устройство по любому из пп.1-18, отличающееся тем, что введен один или несколько дополнительных блоков подачи потоков поглощающих добавок в область облучения, в которых обеспечивается как дискретная, так и непрерывная подача этих потоков, включая использование аэрозольного потока, указанный блок или блоки имеют различную ориентацию 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.20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система обеспечивает заданное распределение излучения в среде, соприкасающейся с поверхностью твердых подложек различной природы, включая полупроводниковые или оптические элементы, а объекты размещаются на поверхности этих элементов.21. Устройство по любому из пп.1-20, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется лазер, работающий в непрерывном режиме, и вводится дополнительно модулятор, стыкованный с лазером для обеспечения модуляции мощности в широком диапазоне частот от единиц Гц до сотен МГц.22. Устройство по любому из пп.1-20, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется источник импульсного излучения с длительностью импульса, лежащего в диапазоне 10^-3-10^-15 с, и вводится дополнительный блок, соединенный с этим источником и обеспечивающий режим повторения отдельных импульсов в диапазоне от единиц Гц до сотен МГц.23. Устройство по любому из пп.1-20, отличающееся тем, что в качестве источников излучения могут использоваться многие известные газовые, твердотельные, полупроводниковые лазеры и лазеры на красителях, работающие в непрерывных или импульсных режимах, включая импульсный азотный лазер, полупроводниковые лазеры в ближнем инфракрасном диапазоне, неодимовый лазер (первая и вторая гармоника), лазер на сапфире, эрбиевый, рубиновый и гольмиевый лазеры, лазер на углекислом газе.