BRPI0413573B1 - OPTICAL DETECTION SYSTEM FOR OBSERVING A MICROFLUID SYSTEM FOR FORMATING A SINGLE INCIDENT BEAM, FOR INTERROGATING A MICROFLUID SYSTEM AND OPTICAL SYSTEM - Google Patents

OPTICAL DETECTION SYSTEM FOR OBSERVING A MICROFLUID SYSTEM FOR FORMATING A SINGLE INCIDENT BEAM, FOR INTERROGATING A MICROFLUID SYSTEM AND OPTICAL SYSTEM Download PDF

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"SISTEMA DE DETECÇÃO ÓTICA PARA OBSERVAR UM SISTEMA MICROFLUÍDICO, PARA FORMATAR UM ÚNICO FEIXE INCIDENTE, PARA INTERROGAR UM SISTEMA MICROFLUÍDICO E SISTEMA ÓTICO" Pedidos Relacionados A presente invenção reivindica prioridade do pedido de patente provisório U.S. No. 60/495.374, depositado em 14 de agosto de 2003 e do pedido de patente U.S. No. XX/XXX.XXX, depositado em 9 de agosto de 2004, o conteúdo dos quais é expressamente incorporado em sua totalidade por essa referência."OPTICAL DETECTION SYSTEM FOR OBSERVING A MICROFLUIDIC SYSTEM FOR FORMING A SINGLE INCIDENT BEAM FOR INTERROGATING A MICROFLUIDIC SYSTEM AND OPTICAL SYSTEM" Related Applications August 2003 and US Patent Application No. XX / XXX.XXX, filed August 9, 2004, the contents of which are expressly incorporated in their entirety by that reference.

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um sistema e método para o monitoramento de partículas que fluem através de um canal.Field of the Invention The present invention relates to a system and method for monitoring particles that flow through a channel.

Fundamentos da Invenção Em um sistema, tal como um sistema de micro fluido, que transporta partículas através de um ou mais canais, um sistema ótico pode ser utilizado para monitoramento, análise ou detecção de partículas. Os sistemas óticos podem ser úteis, por exemplo, nos sistemas de separação de partículas, que separam uma corrente de partículas que flui através de um ou mais canais com base em uma característica predeterminada.Background of the Invention In a system, such as a micro fluid system, that carries particles through one or more channels, an optical system can be used for particle monitoring, analysis or detection. Optical systems may be useful, for example, in particle separation systems, which separate a particle stream that flows through one or more channels based on a predetermined characteristic.

Os sistemas de detecção convencionais apresentam desvantagens significativas. Por exemplo, os sistemas de detecção ótica anteriores são por vezes imprecisos e fornecem resultados ruins devido à dificuldade de observação dos sinais de nível de luz baixo de rótulos fluorescentes em partículas quando espalhados através de uma área grande. Os sistemas óticos anteriores também apresentam dificuldade quando os sinais luminosos a serem detectados têm curta duração, por exemplo, menos de um milisegundo. Por exemplo, a tecnologia CCD (dispositivo acoplado com carga) convencional possui uma taxa de quadro de mais de um milisegundo.Conventional detection systems have significant disadvantages. For example, earlier optical detection systems are sometimes inaccurate and provide poor results due to the difficulty of observing low light level signals from particulate fluorescent labels when spread over a large area. Earlier optical systems also have difficulty when the light signals to be detected are short lived, for example less than one millisecond. For example, conventional charge-coupled device (CCD) technology has a frame rate of more than one millisecond.

Os sistemas anteriores para interrogação de micro canais também estão limitados a focalizar luz em um único canal, uma região de menos do que cerca de 500 um, e capturar luz de uma região limitada de forma similar.Earlier micro channel interrogation systems are also limited to focusing light on a single channel, a region of less than about 500 µm, and capturing light from a limited region in a similar manner.

Sumário da Invenção A presente invenção fornece um sistema ótico para a aquisição de espectros rápidos de conjuntos de canal de forma espacial. O sistema é projetado para ser utilizado para interrogar um chip de análise ou separação de partícula micro fluídica que contém um conjunto de um ou mais canais fluídicos paralelos espaçados através de 1 a 200 milímetros. As partículas transportadas nos canais apresentam velocidades de 0,1 a 10 metros por segundos, portanto, os sinais observados pelos detectores podem ter uma duração inferior a um milisegundo e podem exigir a observação com detectores e partes eletrônicas de largura de banda de 1 a 100 megahertz. O sistema de detecção ótica inclui uma fonte de luz para a produção de um feixe de luz que passa através do chip micro fluídico ou o canal pode ser monitorado, uma ou mais lentes ou fibras óticas para capturar a luz da fonte de luz após a interação com as partículas ou produtos químicos nos canais micro fluídicos, e um ou mais detectores. Os detectores, que podem incluir elementos de amplificação de luz, detectam cada sinal luminoso e transformam o sinal lu- minoso em um sinal eletrônico. Os sinais eletrônicos, cada um representando a intensidade de um sinal ótico, passam de cada detector para um sistema de aquisição de dados eletrônicos para análise. 0 elemento ou elementos de amplificação de luz pode compreender um conjunto de fototubos, um fototu-bo de múltiplos ânodos ou uma placa de múltiplos canais com base no intensificador de imagem acoplado a um conjunto de detectores de fotodiodo. 0 sistema ótico captura de forma barata e simultânea sinais de extinção, um ou mais sinais óticos espalhados, um ou mais sinais fluorescentes, todos a baixos níveis de luz e com alta largura de banda (> 1 MHz) de um conjunto de um ou mais canais de transporte de partículas de uma só vez. 0 sistema fornece o monitoramento eficiente e preciso de cada partícula sob várias condições.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an optical system for the acquisition of fast spatially shaped channel array spectra. The system is designed to be used to interrogate a micro fluidic particle analysis or separation chip containing a set of one or more parallel fluidic channels spaced 1 to 200 millimeters apart. Particles carried in the channels have speeds of 0.1 to 10 meters per second, so the signals observed by detectors may have a duration of less than one millisecond and may require observation with detectors and 1 to 100 bandwidth electronics. megahertz. The optical detection system includes a light source for producing a light beam passing through the micro fluidic chip or the channel can be monitored, one or more lenses or optical fibers to capture light from the light source after interaction. with particles or chemicals in the micro fluid channels, and one or more detectors. Detectors, which may include light amplifying elements, detect each light signal and transform the light signal into an electronic signal. Electronic signals, each representing the strength of an optical signal, pass from each detector to an electronic data acquisition system for analysis. The light amplifying element or elements may comprise a phototube array, a multiple anode phototube or an image intensifier-based multi-channel plate coupled to a photodiode detector array. The optical system inexpensively and simultaneously captures extinction signals, one or more scattered optical signals, one or more fluorescent signals, all at low light and with high bandwidth (> 1 MHz) from a set of one or more. Particle transport channels at one time. The system provides efficient and accurate monitoring of each particle under various conditions.

Breve Descrição das Figuras A invenção será aparente a partir da descrição e dos desenhos em anexo, nos quais caracteres de referência similares se referem às mesmas partes por todas as diferentes vistas. A Figura 1 ilustra um sistema possuindo uma pluralidade de canais para transportar correntes de partículas, adequadas para a implementação de uma modalidade ilustrativa da presente invenção; A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de detecção ótica da presente invenção; A Figura 3 ilustra uma seção transversal através de um micro canal em um plano perpendicular ao micro canal; A Figura 4 é um diagrama esquemático de um sistema de detecção ótica da presente invenção, ilustrando em detalhes os componentes do detector de fluorescência; A Figura 5 ilustra um sistema de detecção ótica adequado para a análise de partículas em uma pluralidade de canais de um sistema micro fluídico;BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES The invention will be apparent from the description and accompanying drawings, in which similar reference characters refer to the same parts throughout the different views. Figure 1 illustrates a system having a plurality of channels for carrying particle streams suitable for implementing an illustrative embodiment of the present invention; Figure 2 is a schematic diagram of an optical detection system of the present invention; Figure 3 illustrates a cross section through a micro channel in a plane perpendicular to the micro channel; Figure 4 is a schematic diagram of an optical detection system of the present invention illustrating in detail the components of the fluorescence detector; Figure 5 illustrates an optical detection system suitable for particle analysis on a plurality of channels of a micro fluidic system;

As Figuras 6a a 6c ilustram uma modalidade do sub-sistema para a detecção ótica espalhada em um ângulo de 90 graus ou extinção no sistema de detecção ótica da Figura 2; A Figura 7 é um esquema de ótica de formatação de feixe adequada para uso no sistema de detecção ótica da Figura 2; A Figura 8 ilustra um espelho segmentado adequado para utilização no sistema de detecção ótica da presente invenção ; A Figura 9 é uma vista parcial de um sulco do espelho segmentado da Figura 8; A Figura 10 é uma tabela ilustrando diferentes configurações para um sulco com espelho segmentado com base em uma largura local correspondente; A Figura 11 é um esquema da ótica de formatação de feixe empregando um espelho segmentado em um sistema de detecção ótica de uma modalidade ilustrativa da invenção; A Figura 12 ilustra um intensificador de imagem adequado para uso com o sistema de detecção ótica de uma modalidade ilustrativa da invenção.Figures 6a to 6c illustrate a subsystem embodiment for optical detection scattered at a 90 degree angle or extinction in the optical detection system of Figure 2; Figure 7 is a beamforming optical scheme suitable for use in the optical detection system of Figure 2; Figure 8 illustrates a segmented mirror suitable for use in the optical detection system of the present invention; Figure 9 is a partial view of a groove of the segmented mirror of Figure 8; Figure 10 is a table illustrating different configurations for a segmented mirror groove based on a corresponding local width; Figure 11 is a schematic of beam format optics employing a segmented mirror in an optical detection system of an illustrative embodiment of the invention; Figure 12 illustrates an image intensifier suitable for use with the optical detection system of an illustrative embodiment of the invention.

Descrição Detalhada da Invenção A presente invenção fornece um sistema ótico para o monitoramento e detecção de fluxo de partícula através de um conjunto de canais. A presente invenção será descrita abaixo com relação às modalidades ilustrativas. Os versados na técnica apreciarão que a presente invenção pode ser implementada em várias aplicações e modalidades diferentes e não é especificamente limitada em sua aplicação às modalidades particulares apresentadas aqui. A Figura 1 ilustra um sistema micro fluidico 10 adequado para implementação de uma modalidade ilustrativa da invenção, incluindo uma pluralidade de canais para transportar uma substância, tal como partículas ou células. O sistema micro fluidico ilustrativo 10 compreende um substrato 1 possuindo uma pluralidade de canais, tais como micro canais 3, dispostos no mesmo. Os canais transportam fluido e/ou partículas através do sistema micro fluidico 10 para processar, manuseio e/ou realização de qualquer operação adequada em uma amostra de líquido. Como utilizado aqui, o termo "micro fluidico" se refere a um sistema ou dispositivo para o manuseio, processamento, ejeção e/ou análise de uma amostra de fluido incluindo pelo menos um canal possuindo dimensões em micro escala. O termo "canal" como utilizado aqui se refere a um percurso formado em ou através de um meio que permite o movimento dos fluidos, tal como líquidos e gases. O termo "micro canal" se refere a um canal preferivelmente formado em um sistema micro fluidico ou dispositivo possuindo dimensões transversais na faixa entre cerca de 1,0 pm e cerca de 500 pm, preferivelmente entre cerca de 25 pm e cerca de 350 pm e mais preferivelmente entre cerca de 50 pm e cerca de 300 pm. Os versados na técnica serão capazes de determinar um volume e comprimento adequados do canal. As faixas devem incluir os valores supra mencionados como limites superior e inferior. 0 canal pode ter qualquer formato ou disposição selecionado, exemplos dos quais incluem uma configuração linear ou não linear e uma configuração em formato de U. 0 sistema micro fluidico 10 pode compreender qualquer número adequado de micro canais 3 para o transporte de fluidos através do sistema micro fluidico 10. A presente invenção fornece um detector ótico para uso com um chip micro fluidico, tal como o sistema micro fluidico da Figura 1. 0 detector ótico da presente invenção pode ser implementado em uma região de medição 2 do sistema micro fluidico para interrogar o sistema nessa região. A invenção fornece a facilidade de construção de um sistema de detecção que pode escalonar chips micro fluidicos com conjuntos paralelos de canais de 1 a 200 canais dispostos sobre uma ou mais regiões de interrogação 2, que possuem uma extensão fisica de 1 a 250 mm com extensão preferida de 1 a 100 mm. O detector ótico pode monitorar o fluxo através de uma pluralidade de canais no chip simultaneamente. 0 detector ótico ou um sistema de detectores óticos pode inspecionar partículas individuais para uma ou mais características particulares, tal como tamanho, forma, espalhamento ótico de intensidade fluorescente, além de outras características óbvias aos versados na técnica. Por exemplo, em uma modalidade ilustrativa, o detector ótico da presente invenção pode ser posicionado sobre uma área relativamente grande do chip (por exemplo, uma área ativa de entre cerca de 12 milímetros e 50 milímetros de diâmetro) contendo mais de cem canais de partículas em fluxo a serem observadas. O detector ótico é capaz de capturar sinais de nível luminoso baixo, rápidos, a partir de uma pluralidade ou todos os canais de uma vez. Os versados na técnica reconhecerão que o sistema ótico não está limitado ao uso nos sistemas de separação de partícula ou célula e pode ser implementado em qualquer sistema adequado possuindo uma substância, tal como partículas, a ser monitorada fluindo através de um ou mais canais. A Figura 2 ilustra uma visão geral de um sistema de detecção ótica 8 de uma modalidade ilustrativa da invenção, que pode ser implementada no sistema micro fluídico da Figura 1. Os versados na técnica reconhecerão que o sistema de detecção ótica pode ser implementado em qualquer sistema disponível e não está limitado ao sistema micro fluídico da Figura 1. O sistema de detecção ótica 8 inclui uma fonte de luz 11, ilustrada como um laser, acoplada à ótica de formatação de feixe 12 para produzir e formar um feixe de luz 14 que passa através de uma máscara ótica 13, ilustrada como um conjunto de furos alinhados com um conjunto de canais de transporte de partícula 3 no chip micro fluídico 10. A luz admitida pelos furos passa subseqüentemente através dos canais de transporte 3 propriamente ditos. O feixe de luz admitido para cada canal através de um ou mais furos associados forma uma interseção com as partículas 18 que são trans- portadas através do canal 3 para criar os sinais óticos. Exemplos de sinais óticos que podem ser produzidos na análise, citometria ou separação de partículas óticas quando um feixe de luz forma uma interseção com uma partícula incluem extinção ótica, espalhamento ótico dependente de ângulo e luz fluorescente. A extinção ótica se refere à quantidade de luz que passa pela partícula sem interação. O espalhamento ótico dependente de ângulo se refere à fração de luz que é espalhada ou dobrada em cada ângulo (theta) para longe do feixe de luz incidente. Luz fluorescente é a luz que é absorvida pelas moléculas na partícula e emitida novamente com um comprimento de onda maior. A ótica do detector 15, 15, 17, localizada em um lado oposto do canal 3 da fonte de luz 11, captura e observa os sinais óticos gerados pela interseção de um feixe de luz com uma partícula em um canal. Os detectores de Extinção Ótica 15 são localizados diretamente opostos à fonte de luz 11 e alinhados com o percurso de luz incidente 14 para detecção da extinção ótica. Os detectores de espalhamento ótico 16 são localizados substancialmente de forma perpendicular ao percurso de luz incidente 14 no plano formado pelo vetor de luz incidente e o canal micro fluídico que inter-secta. Preferivelmente, os detectores de espalhamento ótico são localizados em um ângulo de cerca de 90 graus com relação ao percurso de luz incidente 14. Os detectores de Espalhamento Ótico para outros ângulos podem ser localizados opcionalmente nesses ângulos nesse mesmo plano. Um subsistema de detecção de fluorescência 17 captura sinais óticos da fluorescência. 0 subsistema de detecção de fluorescência 17 pode incluir uma grande lente de abertura numérica alta e elementos óticos anexos. Como ilustrado, o subsistema de detecção de fluorescência é localizado acima do chip micro fluidico 10 para capturar o máximo de fótons fluorescentes possível e reproduzir sua imagem nos detectores (não ilustrados) . O sistema de detecção ótica 8 pode ser implementado em uma área de interrogação 2 do chip 10. A área de interrogação ilustrativa 2 engloba 24 canais 3, apesar de os versados na técnica reconhecerem que qualquer número adequado de canais pode ser observado utilizando-se o sistema de detecção ótica 8. Na modalidade ilustrativa, a área de interrogação 2 tem cerca de 10 mm de largura (através de uma pluralidade de canais 3) por 4 mm de comprimento (ao longo de cada canal 3), apesar de os versados na técnica reconhecerem que a invenção não está limitada a essa faixa.Detailed Description of the Invention The present invention provides an optical system for monitoring and detecting particle flow through a set of channels. The present invention will be described below with respect to illustrative embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the present invention may be implemented in a number of different applications and embodiments and is not specifically limited in its application to the particular embodiments set forth herein. Figure 1 illustrates a micro fluid system 10 suitable for implementing an illustrative embodiment of the invention including a plurality of channels for carrying a substance such as particles or cells. Illustrative micro fluidic system 10 comprises a substrate 1 having a plurality of channels, such as micro channels 3, disposed therein. The channels carry fluid and / or particles through the micro fluid system 10 to process, handle and / or perform any suitable operation on a liquid sample. As used herein, the term "micro fluidic" refers to a system or device for the handling, processing, ejection and / or analysis of a fluid sample including at least one channel having micro scale dimensions. The term "channel" as used herein refers to a pathway formed in or through a medium that allows movement of fluids such as liquids and gases. The term "micro channel" refers to a channel preferably formed in a micro fluidic system or device having transverse dimensions in the range from about 1.0 pm to about 500 pm, preferably from about 25 pm to about 350 pm and more preferably between about 50 pm and about 300 pm. Those skilled in the art will be able to determine an appropriate channel volume and length. The ranges should include the values mentioned above as upper and lower limits. The channel may have any selected shape or arrangement, examples of which include a linear or nonlinear configuration and a U-shaped configuration. The micro fluid system 10 may comprise any suitable number of micro channels 3 for transporting fluids through the system. The present invention provides an optical detector for use with a micro fluid chip, such as the micro fluid system of Figure 1. The optical detector of the present invention may be implemented in a measuring region 2 of the micro fluid system for interrogation. the system in that region. The invention provides the ease of construction of a detection system that can scale micro-fluid chips with parallel channel sets of 1 to 200 channels arranged over one or more interrogation regions 2, which have a physical extension of 1 to 250 mm in length. from 1 to 100 mm. The optical detector can monitor flow through a plurality of channels on the chip simultaneously. The optical detector or optical detector system may inspect individual particles for one or more particular characteristics, such as size, shape, fluorescent intensity optical scattering, and other features obvious to those skilled in the art. For example, in one illustrative embodiment, the optical detector of the present invention may be positioned over a relatively large area of the chip (e.g., an active area of about 12mm to 50mm in diameter) containing more than one hundred particle channels. in flow to be observed. The optical detector is capable of capturing fast, low light signals from a plurality or all channels at once. Those skilled in the art will recognize that the optical system is not limited to use in particle or cell separation systems and may be implemented in any suitable system having a substance, such as particles, to be monitored by flowing through one or more channels. Figure 2 illustrates an overview of an optical detection system 8 of an illustrative embodiment of the invention which may be implemented in the micro fluidic system of Figure 1. Those skilled in the art will recognize that the optical detection system may be implemented in any system. available and is not limited to the micro fluidic system of Figure 1. Optical sensing system 8 includes a light source 11, illustrated as a laser, coupled with beamforming optics 12 to produce and form a passing light 14 through an optical mask 13, illustrated as a set of holes aligned with a set of particle transport channels 3 on the micro fluidic chip 10. The light admitted through the holes subsequently passes through the transport channels 3 themselves. The beam of light admitted to each channel through one or more associated holes forms an intersection with the particles 18 which are transported through channel 3 to create the optical signals. Examples of optical signals that may be produced in the analysis, cytometry or separation of optical particles when a light beam intersects with a particle include optical extinction, angle dependent optical scattering and fluorescent light. Optical extinction refers to the amount of light that passes through the particle without interaction. Angle-dependent optical scattering refers to the fraction of light that is scattered or bent at each angle (theta) away from the incident light beam. Fluorescent light is light that is absorbed by the molecules in the particle and emitted again with a longer wavelength. The detector optics 15, 15, 17, located on an opposite side of channel 3 of light source 11, captures and observes the optical signals generated by the intersection of a light beam with a particle in a channel. Optical Extinction detectors 15 are located directly opposite light source 11 and aligned with incident light path 14 for optical extinction detection. Optical scatter detectors 16 are located substantially perpendicular to the incident light path 14 in the plane formed by the incident light vector and the intersecting micro fluidic channel. Preferably, the optical scatter detectors are located at an angle of about 90 degrees to the incident light path 14. Optical Scatter detectors for other angles may optionally be located at these angles in the same plane. A fluorescence detection subsystem 17 captures optical fluorescence signals. The fluorescence detection subsystem 17 may include a large high numerical aperture lens and attached optical elements. As illustrated, the fluorescence detection subsystem is located above the micro-fluidic chip 10 to capture as many fluorescent photons as possible and reproduce its image on detectors (not shown). Optical detection system 8 may be implemented in an interrogation area 2 of chip 10. Illustrative interrogation area 2 encompasses 24 channels 3, although those skilled in the art recognize that any suitable number of channels can be observed using the optical detection system 8. In the illustrative embodiment, the interrogation area 2 is about 10 mm wide (across a plurality of channels 3) by 4 mm long (along each channel 3), although those versed in the recognize that the invention is not limited to this range.

Quando a luz 14 de um laser 11 ou outra fonte ótica incide no chip 10, apenas a luz que passa através da região estreita que as partículas seguem pode interagir com as partículas para produzir um sinal ótico. A luz que passa através do chip 10 fora dos canais 3 ou a luz que passa através de uma região de um canal que não contém as partículas pode contribuir apenas para o fundo ou ruído e não para o sinal e, portanto, é luz perdida e deve ser minimizada. E uma consideração também que a luz que passa através do chip sem passar através das partículas a ser observada represente uma energia de fonte de laser desperdiçada e deve, portanto, ser minimizada por razões de gerenciamento de custo e temperatura. A máscara ótica 13, formada pela camada de furos, e a ótica de formatação de feixe 12 minimizam a luz perdida e minimizam o desperdício de energia de laser.When light 14 from a laser 11 or other optical source shines on chip 10, only light passing through the narrow region that the particles follow can interact with the particles to produce an optical signal. Light passing through chip 10 out of channels 3 or light passing through a region of a channel that contains no particles can only contribute to the background or noise and not to the signal and therefore is lost light and should be minimized. It is also a consideration that light passing through the chip without passing through the particles to be observed represents wasted laser source energy and should therefore be minimized for cost and temperature management reasons. Optical mask 13 formed by the hole layer and beam-forming optics 12 minimize lost light and minimize laser energy waste.

Como ilustrado, a fonte de luz 11 fornece luz incidente a cerca de um ângulo de 45 graus com relação ao canal 3. Dessa forma, o espalhamento/extinção de avanço se estende na mesma direção no lado oposto do canal 3.Como ilustrado, o espalhamento de avanço 14b se estende por um ângulo de 45 graus do canal 3. 0 espalhamento lateral 14c se estende por cerca de 90 graus a partir da luz incidente, fornecendo à ótica de fluorescência 17 um cone de liberdade mecânica 170. O cone de liberdade mecânica 170 fornece uma vista não obstruída de 90 graus para o detector entre o espalhamento de avanço 14b e o espalhamento lateral 14c. A Figura 3 ilustra uma imagem ilustrativa da seção transversal através de uma parte de um chip micro fluídico 10 contendo um par de micro canais 3a e 3b. A seção transversal está em um plano que corta através dos micro canais e os furos 13a, 13b da máscara 13. A luz incidente 14 é parcialmente bloqueada pela camada de furos 13 e estreita o feixe inicial 14 para os feixes focalizados 18 definidos por cada furo 13a, 13b. Os feixes focalizados 18 formam uma interseção com cada canal para iluminar a região 31 na qual as partículas 18 podem fluir em um fluxo núcleo convencional. Muito da luz perdida é bloqueada pela camada de furos 13, que pode ser uma parte separada do chip micro fluidico ou pode ser fabricada na superfície do chip por fotolitografia ou outros métodos conhecidos dos versados na técnica de fabricação de chip. 0 sistema micro fluidico pode compreender qualquer sistema incluindo canais para fluir uma substância, tal como partículas ou células, através do mesmo. Por exemplo, o sistema micro fluidico 10 pode compreender um sistema de separação de partículas, tal como os sistemas de separação de partícula descritos nos pedidos de patente U.S. Nos. 10/179.488 e 10/329.008, o conteúdo de ambos os pedidos de patente é incorporado aqui por referencial. Outros sistemas micro fluídicos adequados são descritos nos pedidos de patente U.S. Nos. 10/028.852, 10/027.484, 10/027.516 e 10/607.287, todos os quais são incorporados aqui por referência . A Figura 4 ilustra um diagrama esquemático do sistema de detecção ótica da Figura 2 ilustrando em detalhes os componentes do subsistema de detecção de fluorescência 17. O subsistema de detecção de fluorescência 17 inclui uma lente de coleta de abertura numérica alta (baixa F#) 45 configurada e posicionada de forma a capturar o máximo de fótons emitidos a partir da partícula iluminada possível. A lente 45 pode ser uma lente pronta F#=l de 50 mm de comprimento focal comercialmente disponível. Um exemplo é a lente Leica Nocti-lux 50 mm F#l. Lentes maiores também estão disponíveis e em uso para a criação de imagens de placas multiranhura. Um elemento de dispersão 46, ilustrado como uma prisma de Lit-trow, é localizado acima da primeira lente de coleta 45. O elemento de dispersão 46 dobra a luz de uma forma relaciona- da com o comprimento de onda do feixe de luz particular. 0 prisma de Littrow ilustrativo 46 é de 6,2 mm de diâmetro com uma área ativa de 73 mm. 0 prisma de Littrow 46 possui 720 sulcos/mm e possui um ângulo de brilho de 43,1 graus a 550 nm (o ângulo no qual o prisma é oposto ao plano vertical). O ângulo de Littrow é de 23,33 graus que é o ângulo no qual a luz de 550 nm é dobrada para longe do plano vertical na Figura 4. Os versados na técnica reconhecerão que qualquer meio adequado para a dobra da luz de uma forma particular pode ser utilizado de acordo com os ensinamentos da invenção. Uma lente de reconstrução 47 é posicionada no ângulo de Littrow para capturar a luz de difração de Ia ordem do prisma 46 e reconstruir a luz difratada em uma imagem de partículas iluminadas no plano de imagem 48.As illustrated, light source 11 provides incident light at about a 45 degree angle to channel 3. Thus, forward spread / extinction extends in the same direction on the opposite side of channel 3. As illustrated, the lead scatter 14b extends at an angle of 45 degrees from channel 3. Side scatter 14c extends about 90 degrees from incident light, providing fluorescence optics 17 with a mechanical freedom cone 170. The freedom cone Mechanical 170 provides a 90 degree unobstructed view to the detector between feed spread 14b and side spread 14c. Figure 3 illustrates an illustrative cross-sectional image through a portion of a micro fluidic chip 10 containing a pair of micro channels 3a and 3b. The cross section is in a plane that cuts through the micro channels and the holes 13a, 13b of the mask 13. The incident light 14 is partially blocked by the hole layer 13 and narrows the initial beam 14 to the focused beams 18 defined by each hole. 13a, 13b. The focused beams 18 form an intersection with each channel to illuminate the region 31 in which the particles 18 may flow in a conventional core stream. Much of the lost light is blocked by the hole layer 13, which may be a separate part of the micro-fluid chip or may be fabricated on the chip surface by photolithography or other methods known to those skilled in the art of chip manufacturing. The micro-fluidic system may comprise any system including channels for flowing a substance, such as particles or cells, therethrough. For example, the micro fluidic system 10 may comprise a particle separation system, such as the particle separation systems described in U.S. Patent Nos. 10 / 179,488 and 10 / 329,008, the contents of both patent applications are incorporated herein by reference. Other suitable micro fluidic systems are described in U.S. Patent Applications Nos. 10 / 028,852, 10 / 027,484, 10 / 027,516 and 10 / 607,287, all of which are incorporated herein by reference. Figure 4 illustrates a schematic diagram of the optical detection system of Figure 2 illustrating in detail the components of fluorescence detection subsystem 17. Fluorescence detection subsystem 17 includes a configured high (low F #) numeric aperture collection lens 45 and positioned to capture as many photons emitted from the illuminated particle as possible. Lens 45 may be a commercially available focal length 50mm F # = l ready lens. An example is the Leica Nocti-lux 50mm F # l lens. Larger lenses are also available and in use for multi-slot plate imaging. A scatter element 46, illustrated as a Lit-trow prism, is located above the first collection lens 45. The scatter element 46 bends light in a manner related to the wavelength of the particular beam. Illustrative Littrow prism 46 is 6.2 mm in diameter with an active area of 73 mm. The Littrow 46 prism has 720 grooves / mm and has a brightness angle of 43.1 degrees at 550 nm (the angle at which the prism is opposite the vertical plane). The Littrow angle is 23.33 degrees which is the angle at which the 550 nm light is bent away from the vertical plane in Figure 4. Those skilled in the art will recognize that any suitable means for bending the light in a particular way. may be used in accordance with the teachings of the invention. A reconstruction lens 47 is positioned at the Littrow angle to capture 1st order diffraction light from prism 46 and reconstruct the diffracted light into an illuminated particle image in the image plane 48.

Um conjunto de fibra 49 se estende a partir do plano de imagem 48 e transporta sinais para os detectores 50 para análise do sinal. Os detectores podem ser uma câmera ou outro dispositivo adequado.A fiber assembly 49 extends from image plane 48 and carries signals to detectors 50 for signal analysis. The detectors may be a camera or other suitable device.

Devido à presença do prisma de Littrow no percurso ótico a partícula iluminada no micro canal 3 é representada no plano 48 com fótons de comprimento de onda maior inclinados através de um ângulo maior do que os fótons de comprimento de onda mais curto de forma que a partícula tenha um espectro espalhado através desse plano de imagem. Os fótons possuindo um comprimento de onde de 500 nm a 700 nm são espalhados através de cerca de 7841 mícrons no plano de imagem 48 para as lentes de comprimento focal de 50 mm utilizadas para as lentas 45 e 47. A modalidade ilustrativa possui uma resolução espectral de 39,2 mícrons por nm de comprimento de onda. 0 sistema de detecção ótica 8 pode ser utilizado para observar partículas rotuladas com anticorpos unidos aos fluoroforos ou outros marcadores fluorescentes de partículas conhecidos dos versados na técnica de citometria. Quando a luz de excitação tem 488 nm de comprimento de onda, então, por exemplo, é possível se utilizar partículas rotuladas com anticorpos unidas aos fluoroforos FITC (isotiocianato de fluoresceina), PE (R-Ficoeritrina), APC (AlloFicoCianina) e PerCP (Complexo Peridinina-clorofila-proteina) que apresentam emissão fluorescente de pico a 530 nm, 575 nm, 630 nm, e 695 nm, respectivamente. Os fótons de FITC, PE e PerCP são localizados no plano de imagem nas posições -784 mícrons, 980 mícrons, 3136 nm, e 5684 mícrons (com relação a 0 a 550 nm) , respectivamente. Uma placa opaca com furos de 400 um e fibras óticas de 400 um de diâmetro na mesma localizadas nesses furos fornecerá então a cada fibra 49 uma largura de banda de captura de comprimento de onda de cerca de 10 nm. A colocação de uma fibra 49 em cada localização correspondente à emissão de pico de fluoroforos desejáveis produz um sistema de detecção de múltiplas cores eficiente e compacto. As fibras 49 localizadas com uma extremidade no plano de imagem 48 possuem sua outra extremidade fixada a um detector. Na modalidade ilustrativa, a segunda extremidade das fibras é acoplada à janela de fotocátodo de um fototubo (por exemplo, um ânodo único H6780-20 ou fototubos 32-ânodo H7260-20 da Hamamatsu Inc.) em um local correspondente a um ânodo único, a fim de amplificar os sinais óticos fluorescentes e converter os mesmos em sinais eletrônicos. Outros detectores de luz de amplificação tais como os intesificadores de imagem ou conjuntos de fotodiodo de avalanche ou outros conhecidos dos versados na técnica de ótica também podem ser utilizados para detectar os sinais óticos e converter os mesmos em sinais eletrônicos.Due to the presence of the Littrow prism in the optical path, the illuminated particle in micro channel 3 is represented in plane 48 with longer wavelength photons inclined at an angle greater than shorter wavelength photons so that the particle have a spread spectrum across that image plane. Photons having a wavelength of from 500 nm to 700 nm are scattered across about 7841 microns in the image plane 48 for the 50 mm focal length lenses used for the slow 45 and 47. The illustrative embodiment has a spectral resolution 39.2 microns per nm wavelength. Optical detection system 8 may be used to observe antibody-labeled particles attached to fluorophores or other particle fluorescent markers known to those skilled in the cytometric art. When the excitation light is 488 nm in wavelength, then, for example, antibody labeled particles bound to the fluorophores FITC (fluorescein isothiocyanate), PE (R-phycoerythrin), APC (AlloFicoCyanin) and PerCP ( Peridinin-chlorophyll-protein complex) which exhibit peak fluorescent emission at 530 nm, 575 nm, 630 nm, and 695 nm, respectively. The FITC, PE, and PerCP photons are located in the image plane at positions -784 microns, 980 microns, 3136 nm, and 5684 microns (with respect to 0 to 550 nm), respectively. An opaque plate with 400 µm holes and 400 µm diameter optical fibers located therein will then provide each fiber 49 with a wavelength capture bandwidth of about 10 nm. Placing a fiber 49 at each location corresponding to the desired peak fluorophor emission produces an efficient and compact multi-color detection system. The fibers 49 located at one end in the image plane 48 have their other end attached to a detector. In the illustrative embodiment, the second end of the fibers is coupled to the photocathode window of a phototube (e.g., a single anode H6780-20 or Hamamatsu Inc. 32-anode phototubes) at a location corresponding to a single anode, in order to amplify fluorescent optical signals and convert them to electronic signals. Other amplifier light detectors such as image intensifiers or avalanche photodiode assemblies or others known to those skilled in the optical art may also be used to detect optical signals and convert them to electronic signals.

Na Figura 4, as fibras 49 que interrogam as partículas no canal ilustrado são localizadas no mesmo plano que o plano do canal no chip micro fluídico. Se o sistema for utilizado em um conjunto de múltiplos canais então os outros canais se encontram na frente do plano do canal ilustrado ou atrás do plano do canal ilustrado. A Figura 5 ilustra uma vista em perspectiva de um sistema de detector ótico 80 utilizado para observar múltiplos canais em um chip micro fluídico. O sistema detector ótico 80 também inclui um conjunto de furos 13 bloqueando a maior parte da luz incidente 14 e iluminando pequenas regiões de detecção 2 em cada canal 3 dos seis canais do chip micro fluídico. A coluna ótica da lente de coleta, o prisma de Littrow e a lente de reconstrução são similar ao ilustrado na Figura 4, e pode ter as mesmas modalidades das especificações de lente e rede. Em geral, o tamanho dos componentes da lente e dos conjuntos de rede deve ser suficiente para fornecer um campo de visão no chip que excede o tamanho da região de detecção (a região onde os canais são iluminados através dos furos). No plano de imagem 48 é localizada uma placa 480 mantendo seis conjuntos 490, incluindo quatro fibras cada. Cada conjunto de quatro fibras óticas 49 é posicionado para amostrar o espectro ótico emitido a partir de um canal associado 3. Cada fibra no conjunto é posicionada no local de emissão de pico de um fluoroforo. Fibras de abertura numérica alta ou fibras com lente são adequadas aqui como será aparente aos versados na técnica.In Figure 4, the fibers 49 interrogating the particles in the illustrated channel are located in the same plane as the channel plane in the micro fluidic chip. If the system is used in a multi-channel set then the other channels are in front of the illustrated channel plane or behind the illustrated channel plane. Figure 5 illustrates a perspective view of an optical detector system 80 used to observe multiple channels on a micro fluidic chip. The optical detector system 80 also includes a set of holes 13 blocking most incident light 14 and illuminating small detection regions 2 in each channel 3 of the six channels of the micro fluidic chip. The collection lens optics, Littrow prism, and reconstruction lens are similar to those shown in Figure 4, and may have the same modalities as the lens and mesh specifications. In general, the size of lens components and network assemblies should be sufficient to provide a field of view on the chip that exceeds the size of the detection region (the region where channels are illuminated through the holes). In image plane 48 a board 480 is located holding six sets 490, including four fibers each. Each set of four optical fibers 49 is positioned to sample the optical spectrum emitted from an associated channel 3. Each fiber in the set is positioned at the peak emission site of a fluorophor. High numerical aperture fibers or lens fibers are suitable herein as will be apparent to those skilled in the art.

As Figuras 6a a 6c ilustram uma modalidade do sub-sistema para a detecção de espalhamento ótico a um ângulo de 90 graus ou extinção. Nessa modalidade, uma fita de detector em colunas de extinção ótica 63 é posicionada acima de um chip de múltiplos canais 10 com um espaçamento intercanal de cerca de 500 microns. A fita de detector com colunas de extinção ótica 63, uma seção transversal da qual é ilustrada na Figura 6b, é uma parte mecânica com furos de 300 microns de diâmetro perfurados na mesma a uma profundidade de menos do que a espessura da fita 63d, e espaçados por 500 microns nos centros de forma a alinharem os furos com o espaçamento do canal. Uma fibra de abertura numérica alta 65 é colocada em cada furo para formar um conjunto de fibras 61, com uma fibra por canal. Um furo com colunas de diâmetro menor mas concêntrico com o furo da fibra 63c é perfurado em cada furo. Esse furo com colunas penetra o conector da fita 63b, e permite que a luz passe através do furo com colunas 63c e entre na fibra 65 posicionada no eixo de diâmetro maior. Para se fazer com que esse sistema funcione, a luz incidente 68 forma uma interseção com o furo e o canal em um ângulo de quase 45 graus e a fita de detecção de extinção ótica 63 é montada diretamente ao longo do vetor de luz incidente (isso é, em um ângulo de 180 graus com a luz incidente) como ilustrado pela posição da fita. A abertura do formador de colunas deve exceder a abertura do furo de forma que para uma luz incidente bem direcionada toda a luz que cruza o furo possa ser detectada na fibra na extremidade do formador de colunas. O formador de colunas propriamente dito é escolhido para ser longo o suficiente para rejeitar qualquer luz perdida de outros canais. Por exemplo, em uma modalidade, a abertura do furo tem 150 microns de diâmetro, o formador de coluna tem 250 microns de diâmetro, a fibra tem 300 microns de diâmetro, e o colimador, que é posicionado dentro de 2 mm do canal, tem 1 mm. de comprimento. Na extremidade mais distante do conjunto de fibra 61, cada fibra é fixada a um tubo de luz ou outro detector ótico. A extinção ótica é freqüen-temente suficientemente forte para utilizar um fotodiodo para seu detector.Figures 6a to 6c illustrate a subsystem embodiment for detecting optical scattering at a 90 degree angle or extinction. In this embodiment, an optical extinction column detector tape 63 is positioned above a multi-channel chip 10 with an intercanal spacing of about 500 microns. Optical extinction detector detector tape 63, a cross-section of which is illustrated in Figure 6b, is a mechanical part with 300 micron diameter holes drilled thereto at a depth of less than the thickness of tape 63d, and spaced by 500 microns in the centers to align the holes with the channel spacing. A high numerical aperture fiber 65 is placed in each hole to form a fiber assembly 61 with one fiber per channel. A hole with smaller diameter but concentric columns with the 63c fiber hole is drilled in each hole. This column hole penetrates the ribbon connector 63b, and allows light to pass through the column hole 63c and into the fiber 65 positioned on the larger diameter shaft. To make this system work, incident light 68 intersects the hole and channel at an angle of nearly 45 degrees and optical extinction detection tape 63 is mounted directly along the incident light vector (this is at an angle of 180 degrees to the incident light) as illustrated by the position of the tape. The aperture of the column former should exceed the aperture of the hole so that for a well-focused incident light all light crossing the hole can be detected in the fiber at the end of the column former. The speaker former itself is chosen to be long enough to reject any lost light from other channels. For example, in one embodiment, the hole aperture is 150 microns in diameter, the column former is 250 microns in diameter, the fiber is 300 microns in diameter, and the collimator, which is positioned within 2 mm of the channel, has 1 mm. of lenght. At the furthest end of the fiber assembly 61, each fiber is attached to a light tube or other optical detector. Optical extinction is often strong enough to use a photodiode for its detector.

Na Figura 6c, uma segunda fita 66 construída substancialmente da mesma forma que a primeira fita descrita 63 mas posicionada a 90 graus da luz incidente que é adequado para medição de espalhamento de 90 graus ou sinais de espa-lhamento lateral das células ou partículas. Os versados na técnica reconhecerão que fitas similares podem ser posicionadas em outros ângulos para observar os parâmetros de espalhamento. Um ângulo de interesse em particular é o chamado espalhamento de avanço que é o espalhamento ótico na direção quase reta geralmente o mais próximo do posicionamento de avanço direto (quase 180 graus da incidência) sem aquisição de luz direta no percurso de extinção.In Figure 6c, a second tape 66 constructed substantially the same as the first described tape 63 but positioned at 90 degrees from incident light that is suitable for measuring 90 degree scattering or lateral spacing signals from cells or particles. Those skilled in the art will recognize that similar ribbons may be positioned at other angles to observe scattering parameters. A particular angle of interest is the so-called advance scattering which is the optical scattering in the almost straight direction generally closest to the forward feed positioning (almost 180 degrees of incidence) without direct light acquisition in the extinction path.

Em uma modalidade adicional, a fonte de luz 11 é um laser Coherent Sapphire 488/200 que é um dispositivo de estado sólido, pequeno e resfriado com ar produzindo cerca de 200 nw com pouco ou nenhum ruido das emissões de tubo de laser a gás. Alternativamente, um laser OPSS (de estado sólido bombeado oticamente) é utilizado, que também é capaz de gerar todos os diferentes comprimentos de onda de excitação diferentes necessários para se realizar o monitoramento. Os versados na técnica reconhecerão que qualquer fonte de luz adequada pode ser utilizada. A Figura 7 é uma vista em seção transversal de uma modalidade da ótica de formatação de feixe 12 adequada para uso com o detector ótico da modalidade ilustrativa da invenção. O esquema ótico é desenhado no plano x-z com a direção geral da propagação de luz ao longo do eixo z. Cada linha pontilhada leva a uma representação de perfil x-y de feixe de luz 14' para ilustrar como o feixe é manipulado pela ótica de formatação. O feixe passa de uma saída de laser única 11 de um perfil quase redondo de 700 mícrons de diâmetro para um feixe filtrado de comprimento de onda depois de um filtro de passa baixa ou passagem de banda 74. O feixe então passa através de um primeiro par de lentes de colimação cilíndricas 73 possuindo comprimento focal de 5 mm possuindo comprimento focal de 250 mm, que produz um feixe de formato substancialmente retangular. O feixe então passa através de uma lente de foco 71 possuindo comprimento focal que é uma lente cilíndrica de 150 mm para afiar o feixe 14 para 100 mícrons no eixo y. O perfil geral nessa modalidade depois da lente de foco 71 é de 36 mm por 100 mícrons e pode ser utilizado para iluminar um conjunto de pinos 13 de até setenta furos/canais no espaçamento de 500 microns. Visto que os furos têm menos que cerca de 100 microns na direção do eixo y, a limitação do feixe impede o desperdício da luz. Em um chip de N furos espaçado por 500 mícrons nos centros é preferível que o feixe seja ligeiramente maior do que 500 X N mícrons ao longo do eixo x e 200 mícrons ao longo do eixo y (ligeiramente maior do que 100 mícrons) a fim de se minimizar a energia a laser desperdiçada. O feixe com colunas e formatado então forma uma interseção com o conjunto de furos 13 e se torna feixe formatado com N furos 78 que são espaçados de forma a formar uma interseção com o conjunto coincidente dos canais 3. A modalidade de formatação de feixe da Figura 7 é muito utilizável permitindo um mínimo de luz perdida e eficiência de energia aceitável de cerca de 10% considerando que esse desenho permita a observação simultânea de extinção rápida (largura de banda > 10 MHz), espalhamento e fluorescência de muitos canais de uma vez. A Figura 8 ilustra um divisor de feixe refletivo 80 com base em um espelho com sulcos, adequado para uso no sistema de detecção ótica da presente invenção. O divisor de feixe 80 inclui um espelho segmentado 83 para dividir um feixe de luz de entrada em uma pluralidade de feixes. Um feixe incidente com colunas 82 entra no divisor 80 e é refletido para fora de um espelho de incidência 81 que é utilizado para configurar o ângulo correto de incidência (ge- ralmente um ângulo baixo) para o feixe no espelho segmentado 83, que divide o feixe incidente em um conjunto de feixes menores 84. O conjunto de feixes menores 84 se estende para cima em paralelo com o feixe incidente 82. 0 espelho segmentado 83 compreende um conjunto uniforme de sulcos refletivos. Preferivelmente, o conjunto uniforme compreende silício gravado de forma anisotrópica. Alternativamente, o conjunto uniforme dos sulcos é feito de metal usinado de forma convencional com um acabamento ótico. Em outra modalidade, o conjunto uniforme de sulcos formado em um material plástico, que é então coberto com um revestimento refletivo para o conjunto de sulcos. A Figura 9 ilustra os ângulos e fórmulas guiando o desenho de tais espelhos segmentados. 0 feixe incidente 82 é parcialmente preso por cada sulco 83a no espalho e essa parte presa é refletida para fora em um ângulo fixo para criar um feixe mais estreito 84a. Um segundo feixe estreito 84b é formado por um sulco adjacente 84b. Cada sulco é separado pelo espaçamento de sulco A e o divisor gera feixes de largura local uniforme (assumindo sulcos uniformes) e o feixe ou espaçamento L que é desenhado para coincidir com o furo e o espaçamento de canal no chip micro fluídico. A Figura 10 é uma tabela de modalidades do divisor de feixe da Figura 8 onde o espaçamento de fila L tem 500 microns e os sulcos são fabricados com gravação anisotrópica de silício (que possui um ângulo de sulco fixo e=54,74). A tabela indica uma configuração de espelho adequada para um tamanho local selecionado. Por exemplo, um tamanho local de 100 mícrons, é adequado para fuso de < 100 mícrons, e corresponde a um espaçamento de sulco A = 575 mícrons, inclinação de sulco G=2 9, 7 graus e ângulo de incidência de I = 25 graus. A Figura 11 representa uma modalidade do subsiste-ma de formatação de feixe 112 adequado para uso no sistema de detector ótico. 0 subsistema de formatação de feixe ilustrativo 112 faz uso de um espelho segmentado 80, tal como o espelho segmentado da Figura 8, em um estágio final depois do emprego de ótica de formatação de feixe similar 12 similar à ótica de formatação de feixe 12 descrita com relação à Figura 7.In an additional embodiment, the light source 11 is a Coherent Sapphire 488/200 laser which is a small, air-cooled solid state device producing about 200 nw with little or no noise from gas laser tube emissions. Alternatively, an optically pumped solid state (OPSS) laser is used which is also capable of generating all the different different excitation wavelengths required for monitoring. Those skilled in the art will recognize that any suitable light source may be used. Figure 7 is a cross-sectional view of a beamforming optic embodiment 12 suitable for use with the optical detector of the illustrative embodiment of the invention. The optical scheme is drawn on the x-z plane with the general direction of light propagation along the z axis. Each dotted line leads to a light beam x-y profile representation 14 'to illustrate how the beam is manipulated by the formatting optics. The beam passes from a single laser output 11 of an almost round profile of 700 microns in diameter to a wavelength filtered beam after a low pass filter or bandpass 74. The beam then passes through a first pair. of cylindrical collimation lenses 73 having a focal length of 5 mm having a focal length of 250 mm which produces a substantially rectangular shaped beam. The beam then passes through a focus lens 71 having focal length which is a 150 mm cylindrical lens to sharpen the beam 14 to 100 microns on the y axis. The overall profile in this embodiment after focus lens 71 is 36 mm by 100 microns and can be used to illuminate a pin set 13 of up to seventy holes / channels in the 500 micron spacing. Since the holes are less than about 100 microns in the y-axis direction, beam limitation prevents wastage of light. On an N-hole chip spaced by 500 microns in the centers it is preferable that the beam is slightly larger than 500 XN microns along the x axis and 200 microns along the y axis (slightly larger than 100 microns) in order to minimize the wasted laser energy. The columnar and formatted beam then intersects with the set of holes 13 and becomes N-shaped formatted beam 78 which are spaced to form an intersection with the coincident set of channels 3. The beam formatting mode of Figure 7 is very usable allowing for a minimum of lost light and acceptable energy efficiency of about 10% whereas this design allows simultaneous observation of rapid extinction (> 10 MHz bandwidth), scattering and fluorescence of many channels at once. Figure 8 illustrates a reflective beam splitter 80 based on a grooved mirror suitable for use in the optical detection system of the present invention. The beam splitter 80 includes a segmented mirror 83 for splitting an incoming light beam into a plurality of beams. An incident beam with columns 82 enters divider 80 and is reflected off an incident mirror 81 which is used to set the correct incident angle (usually a low angle) to the beam in segmented mirror 83 which divides the incident mirror. incident beam in a smaller beam array 84. The smaller beam array 84 extends upward in parallel with the incident beam 82. The segmented mirror 83 comprises a uniform set of reflective grooves. Preferably, the uniform assembly comprises anisotropically etched silicon. Alternatively, the uniform groove assembly is made of conventionally machined metal with an optical finish. In another embodiment, the uniform set of grooves is formed of a plastic material which is then covered with a reflective coating for the set of grooves. Figure 9 illustrates the angles and formulas guiding the design of such segmented mirrors. The incident beam 82 is partially secured by each groove 83a in the spread and that trapped portion is reflected outwardly at a fixed angle to create a narrower beam 84a. A second narrow beam 84b is formed by an adjacent groove 84b. Each groove is separated by groove spacing A and the divider generates beams of uniform local width (assuming uniform grooves) and the beam or spacing L that is designed to match the hole and channel spacing on the micro fluidic chip. Figure 10 is a table of modalities of the beam splitter of Figure 8 where the row spacing L is 500 microns and the grooves are fabricated with anisotropic silicon etching (which has a fixed groove angle e = 54.74). The table indicates a mirror setting suitable for a selected local size. For example, a local size of 100 microns is suitable for a spindle of <100 microns, and corresponds to a groove spacing A = 575 microns, groove slope G = 2,9, 7 degrees and an incidence angle of I = 25 degrees . Figure 11 depicts one embodiment of beam format subsystem 112 suitable for use in the optical detector system. Illustrative beam formatting subsystem 112 makes use of a segmented mirror 80, such as the segmented mirror of Figure 8, at a final stage after employing similar beam format optics 12 similar to beam format optics 12 described with relation to Figure 7.

Uma modalidade alternativa inclui a fabricação de conjuntos de furo 13 em cada chip micro fluídico ao invés de montar os mesmos separadamente no sistema ótico.An alternative embodiment includes fabricating hole assemblies 13 on each micro fluidic chip rather than mounting them separately on the optical system.

Uma modalidade alternativa dos detectores para o conjunto de fibras utilizada no plano de imagem da Figura 4 e 5 é colocar um intensificador de imagem nesse plano e coloca as fibras atrás desse intensificador de imagem para ler o sinal ótico que produz em sua substância fluorescente. Tal alternativa pode reduzir os custos pela utilização apenas de um elemento de amplificação de luz (o intensificador de imagem) para todos os sinais de fluorescência, e então fotodio-dos para a conversão dos sinais óticos de intensificador de pós imagem em sinais eletrônicos. A Figura 12 ilustra uma imagem de um intensifica-dor de imagem Hamamatsu padrão 220 mas os versados na técnica reconhecerão que qualquer componente de amplificação de luz de área grande com resolução espacial alta pode ser utilizado nessa alternativa. 0 intensificador de imagem 220 é utilizado para amplificar a intensidade de uma imagem ótica antes de passar o sinal para um conjunto de fotodiodos ou outro dispositivo de detecção adeguado. Como ilustrado, o intensificador de imagem inclui uma janela de entrada 221 para o sinal de imagem, um emissor de elétron sensível à luz, tal como um fotocátodo 222, para transformar a luz em fotoelétrons, um MCP 223 para multiplicação de elétrons, uma tela de substância fluorescente 224 para converter os elétricos em luz e uma janela de saída 225, ilustrada como uma placa de fibra ótica. De acordo com uma modalidade ilustrativa, o intensificador de imagem pode compreender um inten-sificador de imagem Hamamatsu de 25mm a 40 mm, apesar de os versados na técnica reconhecerem que qualquer dispositivo adequado pode ser utilizado.An alternative embodiment of the fiber set detectors used in the image plane of Figures 4 and 5 is to place an image intensifier in that plane and place the fibers behind that image intensifier to read the optical signal it produces in its fluorescent substance. Such an alternative can reduce costs by using only one light amplifier element (the image intensifier) for all fluorescence signals, and then photodiected for converting the after image intensifier optical signals into electronic signals. Figure 12 illustrates an image of a standard Hamamatsu image intensifier 220 but those skilled in the art will recognize that any large area light amplification component with high spatial resolution can be used in this alternative. Image intensifier 220 is used to amplify the intensity of an optical image before passing the signal to a photodiode array or other appropriate detection device. As illustrated, the image intensifier includes an input window 221 for the image signal, a light sensitive electron emitter, such as a photocathode 222, for transforming light into photoelectrons, an MCP 223 for electron multiplication, a screen of fluorescent substance 224 to convert the electrics into light and an exit window 225, illustrated as a fiber optic plate. According to an illustrative embodiment, the image intensifier may comprise a 25mm to 40mm Hamamatsu image intensifier, although those skilled in the art recognize that any suitable device may be used.

Uma modalidade alternativa para ambos o subsistema de formatação de feixe 12 e o subsistema de detecção de fluorescência 17 inclui filtros de passa curta ou passa longa ou passagem de banda de comprimento de onda ou bloqueio de banda para remover luz de fonte perdida ou espúria no caso do sistema de detecção de fluorescência ou para remover componentes de comprimento de onda perdidos ou espúrios da luz emitida pela fonte de luz 11.An alternative embodiment for both beam formatting subsystem 12 and fluorescence detection subsystem 17 includes short pass or long pass filters or wavelength band pass or band lock to remove stray source light or spurious in case fluorescence detection system or to remove lost or spurious wavelength components from light emitted by the light source 11.

Uma modalidade alternativa aos detectores de extinção e espalhamento 15 e 16 é se adicionar um monitor de energia de laser independente ao sistema para uso na normalização desses sinais. Isso é útil visto que ambos os sinais são diretamente proporcionais à energia de laser de forma que o ruido no laser possa distorcer esses sinais.An alternative embodiment of extinction and scatter detectors 15 and 16 is to add an independent laser energy monitor to the system for use in normalizing these signals. This is useful as both signals are directly proportional to laser energy so that laser noise can distort these signals.

Uma modalidade alternativa aos conjuntos de fibras utilizados com os detectores 15, 16 e 17 é a substituição de cada conjunto de fibras por um conjunto de fotodiodos ou fo-todiodos de avalanche ou outro conjunto detector ótico. Os versados na técnica reconhecerão que detectores alternativos são possíveis aqui desde que coincidam com a exigência de nível de luz das amostras e formem as exigências de fator das modalidades de chip específico a serem utilizadas.An alternative embodiment to the fiber assemblies used with detectors 15, 16 and 17 is the replacement of each fiber array with an avalanche photodiode or photodiode array or other optical detector assembly. Those skilled in the art will recognize that alternative detectors are possible here as long as they match the light level requirement of the samples and form the factor requirements of the specific chip modalities to be used.

Uma modalidade alternativa ao divisor de feixe pode utilizar conjuntos de sulco refletivo fabricados pela gravação anisotrópica de materiais cristalinos ou a usinagem convencional de metal ou formação de plástico seguido por polimento ótico adequado ou revestimento refletivo.An alternative embodiment of the beam splitter may utilize reflective groove assemblies manufactured by anisotropic etching of crystalline materials or conventional metal machining or plastic forming followed by proper optical polishing or reflective coating.

Em todas as modalidades dessa invenção o conjunto de furos é geralmente coincidido no espaçamento com os canais micro fluídicos. Quando um divisor de feixe refletivo é utilizado na ótica de formatação de feixe o mesmo também deve ser coincidido com os furos.In all embodiments of this invention the set of holes is generally coincident in spacing with the microfluidic channels. When a reflective beam splitter is used in the beamforming optics it must also match the holes.

Enquanto as implementações mais simples utilizam canais uniformemente colocados em conjuntos e furos uniformemente colocados em conjuntos e possivelmente sulcos uniformemente colocados em conjuntos na divisão de feixe isso não é exigido pela invenção e modalidades similares podem ser projetadas para uso co espaçamento ou padrões de canais irregulares.While the simplest implementations use uniformly set channels and evenly set holes and possibly evenly set grooves in the beam division this is not required by the invention and similar embodiments may be designed for use with irregular spacing or channel patterns.

Uma modalidade alternativa para o subsistema de detecção de fluorescência A7 é se adicionar filtros de passagem de banda estreita antes ou depois das fibras no plano de imagem (3-5), (2-8). Uma fibra de 400 microns nesse plano capturará uma largura de banda de 10 nm. A adição de filtros de passagem de banda de 10 nm ou 5 nm aperfeiçoará a sensibilidade e reduzirá o ruido em alguns casos. A presente invenção foi descrita com relação a uma modalidade ilustrativa. Visto que determinadas mudanças podem ser realizadas nas construções acima sem se distanciar do escopo da invenção, toda a matéria contida na descrição acima ou ilustrada nos desenhos em anexo deve ser interpretada como ilustrativa e não em um sentido limitador. É compreendido também que as reivindicações a seguir devem cobrir todas as características genéricas e específicas da invenção descritas aqui, e todas as declarações do escopo da invenção que devem ser consideradas como incluídas na mesma.An alternative embodiment of the A7 fluorescence detection subsystem is to add narrowband pass filters before or after the fibers in the image plane (3-5), (2-8). A 400 micron fiber in this plane will capture a bandwidth of 10 nm. The addition of 10nm or 5nm bandpass filters will improve sensitivity and reduce noise in some cases. The present invention has been described with respect to an illustrative embodiment. Since certain changes may be made to the above constructions without departing from the scope of the invention, all subject matter contained in the above description or illustrated in the accompanying drawings should be construed as illustrative and not in a limiting sense. It is also understood that the following claims should cover all generic and specific features of the invention described herein, and all scope statements of the invention that are to be considered as included therein.

REIVINDICAÇÕES

Claims (12)

1. Sistema de detecção ótica (8) para observar um sistema micro fluidico (10) que contém um conjunto de canais (3) para o transporte de partículas ou moléculas, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: uma fonte de luz (11) para produzir um feixe de luz (4) ; um conjunto de óticas de formatação de feixe (12) para focalizar o feixe de luz (4); um conjunto de furos (13), cada furo (13a, 13b) combinado com e associado com um canal micro fluidico no dito conjunto de canais (3) no sistema micro fluidico (10); pelo menos uma fita de detector com colunas (63) para receber e transportar um dentre extinção ótica, espa-lhamento de avanço e espalhamento lateral produzido depois que o feixe de luz passa através de um dos ditos canais através de um dos ditos furos; e um detector de fluorescência de abertura numérica alta (17) recebendo sinais óticos produzidos por uma partícula em qualquer um dos ditos canais (3) quando a partícula forma uma interseção com o dito feixe de luz (4).1. Optical detection system (8) for observing a micro-fluidic system (10) containing a set of channels (3) for the transport of particles or molecules, characterized by the fact that it comprises: a light source (11) to produce a beam of light (4); a beam format optics assembly (12) for focusing the light beam (4); a set of holes (13), each hole (13a, 13b) combined with and associated with a micro fluid channel in said channel set (3) in the micro fluid system (10); at least one column detector strip (63) for receiving and carrying one of the optical extinction, advance spread and lateral spread produced after the beam of light passes through one of said channels through one of said holes; and a high numerical aperture fluorescence detector (17) receiving optical signals produced by a particle in any of said channels (3) when the particle forms an intersection with said light beam (4). 2. Sistema para formatar um único feixe incidente (82) em um conjunto de feixes menores (84) com uma separação controlada utilizando um divisor de feixe refletivo (80), CARACTERIZADO pelo fato de compreender: um conjunto uniforme de sulcos refletivos; e em que o conjunto de sulcos refletivos é posicionado em relação a um feixe incidente em um ângulo seleciona- do .2. System for formatting a single incident beam (82) into a smaller beam array (84) with a controlled separation using a reflective beam splitter (80), characterized in that it comprises: a uniform set of reflective grooves; and wherein the set of reflective grooves is positioned relative to an incident beam at a selected angle. 3. Sistema de detecção ótica (8) para interrogar um sistema micro fluidico (10) incluindo um conjunto de canais micro fluidicos (3) em um substrato que transporta partículas, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: uma fonte de luz (11) para produzir um feixe de luz (14); um conjunto de ótica de formatação de feixe (12) incluindo um divisor de feixe refletivo (80) para dividir o feixe de luz (14) em uma pluralidade de feixes de luz subsidiários; e uma máscara ótica (13) formada na superfície do substrato, em que a máscara ótica (13) inclui um conjunto de furos formados na mesma e coincidentes com um conjunto de canais micro fluidicos no sistema micro fluidico (10), onde as óticas de formatação de feixe (12) direcionam cada um dentre a dita pluralidade de feixes de luz subsidiários através de um dos ditos furos.3. Optical detection system (8) for interrogating a micro fluid system (10) including a set of micro fluid channels (3) on a particle-carrying substrate, characterized by the fact that it comprises: a light source (11) to produce a beam of light (14); a beamforming optics assembly (12) including a reflective beam splitter (80) for dividing the light beam (14) into a plurality of subsidiary light beams; and an optical mask (13) formed on the surface of the substrate, wherein the optical mask (13) includes a set of holes formed therein and coincident with a set of micro fluid channels in the micro fluid system (10), where the optics of beam formatting (12) direct each of said plurality of subsidiary light beams through one of said holes. 4. Sistema de detecção ótica (8) para observar os sistemas micro fluidicos (10) que contêm os canais (3) que transportam partículas ou moléculas, CARACTERIZADO por compreender : uma fonte de luz (11) para produzir um feixe de luz (14); um conjunto de ótica de formatação de feixe (12) para focalizar o feixe de luz (14); um conjunto de furos (13) coincidentes com os canais micro fluidicos, onde o dito conjunto das óticas de formatação de feixe (12) passa o feixe de luz (14) através do dito conjunto de furos (13); pelo menos uma fita de detector com colunas (63) para receber e transportar um dentre extinção ótica, espa-lhamento de avanço ou espalhamento lateral produzido depois que o feixe de luz passa através de um dos ditos canais (3) através de um dos ditos furos (13); e um detector de fluorescência de abertura numérica alta (17) para interrogação simultânea de uma pluralidade de canais no sistema micro fluidico (10) e detecção simultânea de três bandas de comprimento de onda de fluorescência.4. Optical detection system (8) for observing micro-fluidic systems (10) containing particle or molecule-carrying channels (3), characterized in that it comprises: a light source (11) for producing a beam of light (14) ); a beamforming optics assembly (12) for focusing the light beam (14); a set of holes (13) coincident with the micro fluid channels, wherein said set of beam-forming optics (12) passes the light beam (14) through said set of holes (13); at least one column detector strip (63) for receiving and carrying one of the optical extinction, advance spread or lateral spread produced after the beam of light passes through one of said channels (3) through one of said holes (13); and a high numerical aperture fluorescence detector (17) for simultaneous interrogation of a plurality of channels in the micro fluid system (10) and simultaneous detection of three fluorescence wavelength bands. 5. Sistema de detecção ótica (8) para observação de sistemas micro fluidicos (10) que contêm canais (3) que transportam partículas ou moléculas, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: uma fonte de luz (11) para produzir um feixe de luz (14); um conjunto de ótica de formatação de feixe (12) para focalizar o feixe de luz (14); um furo em comunicação (13a, 13b) com um canal do sistema micro fluidico; e um detector de fluorescência de abertura numérica (17) alta para interrogação simultânea de uma pluralidade de canais no sistema micro fluidico (10) e utilizando um inten-sificador de imagem (220) como um elemento de amplificação ótica, em que o intensificador de imagem inclui uma janela de entrada (221) para um sinal de imagem, um emissor de elétron sensível à luz (222) para transformar a luz emitida a partir de um canal para fotoelétrons, um multiplicador de elétrons (223) para multiplicação de elétrons, uma tela de substância florescente (224) para converter os elétrons em luz e uma janela de saída (225) para emitir um sinal de imagem amplificado.5. Optical detection system (8) for observing micro-fluidic systems (10) containing channels (3) carrying particles or molecules, CHARACTERIZED by the fact that it comprises: a light source (11) to produce a light beam ( 14); a beamforming optics assembly (12) for focusing the light beam (14); a hole in communication (13a, 13b) with a micro fluidic system channel; and a high numerical aperture fluorescence detector (17) for simultaneous interrogation of a plurality of channels in the micro fluid system (10) and using an image intensifier (220) as an optical amplifier element, wherein the amplifier of The image includes an input window (221) for an image signal, a light-sensitive electron emitter (222) for transforming light emitted from a photoelectron channel, an electron multiplier (223) for electron multiplication, a flourescent substance screen (224) for converting electrons into light and an exit window (225) for emitting an amplified image signal. 6. Sistema de detecção ótica (8) para observação dos sistemas micro fluídicos (10) que contêm canais (3) que transportam partículas ou moléculas, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: um ou mais lasers (11) iluminando um conjunto de pontos estendidos espacialmente através de uma máscara (13) que é aberta apenas nos pontos para formar um primeiro conjunto de furos; uma primeira lente de abertura numérica alta (45) posicionada para capturar luz de todo o conjunto estendido espacialmente dos pontos de uma vez; um elemento de separação espectral para receber e dobrar luz da primeira lente (45); uma segunda lente de abertura numérica alta (47) para capturar a luz dobrada pelo elemento de separação espectral e criação de imagem da luz capturada em um segundo conjunto de furo; um intensificador de imagem (220) atrás do segundo conjunto de furo para detectar e amplificar a luz que passa através do segundo conjunto de furo; e um conjunto de detectores de fotodiodo (15, 16) para capturar e transformar a luz do intensificador de ima- gem (220).6. Optical detection system (8) for observing micro fluidic systems (10) containing channels (3) carrying particles or molecules, CHARACTERIZED by the fact that it comprises: one or more lasers (11) illuminating a set of spatially extended points through a mask (13) which is opened only at the points to form a first set of holes; a first high numeric aperture lens (45) positioned to capture light from the entire spatially extended set of points at one time; a spectral separation element for receiving and bending light from the first lens (45); a second high numerical aperture lens (47) for capturing light bent by the spectral separation element and imaging of the light captured in a second hole assembly; an image intensifier (220) behind the second hole assembly for detecting and amplifying light passing through the second hole assembly; and a photodiode detector array (15, 16) for capturing and transforming light from the image intensifier (220). 7. Sistema de detecção ótica, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente um sistema de aquisição de dados eletrônicos acoplado aos detectores de fotodiodo (15, 16) para adquirir uma saída eletrônica dos detectores de fotodiodo (15, 16).Optical detection system according to claim 6, characterized in that it further comprises an electronic data acquisition system coupled to photodiode detectors (15, 16) to acquire an electronic output from photodiode detectors (15, 16 ). 8. Sistema de detecção ótica, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente um filtro de bloqueio de banda de laser (74) disposto entre o conjunto de pontos e o intensificador de imagem (220).Optical detection system according to claim 6, characterized in that it further comprises a laser band blocking filter (74) disposed between the dot set and the image intensifier (220). 9. Sistema de detecção ótica, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de o detector ser capaz de amplificar espectros óticos de baixa intensidade possuindo uma duração de menos de um milisegundo a partir de uma pluralidade espacialmente estendida de pontos e transformar os espectros em sinais eletrônicos.Optical detection system according to claim 6, characterized in that the detector is capable of amplifying low intensity optical spectra having a duration of less than one millisecond from a spatially extended plurality of points and transforming the spectra. on electronic signals. 10. Sistema ótico, CARACTERIZADO pelo fato de compreender : uma fonte de luz (11) para produzir um feixe de luz (14) que passa através de um objeto a ser monitorado; uma primeira lente de abertura numérica alta (45) para capturar a luz da fonte de luz (11); um elemento de dispersão (46) para receber e dobrar a luz da primeira lente (45); uma segunda lente de abertura numérica alta (47) para capturar a luz dobrada pelo elemento de dispersão (46); e um detector (50), incluindo um elemento de amplificação de luz, para detectar um sinal de luz da segunda lente (47) e transformar o sinal de luz em um sinal eletrônico .10. Optical system, characterized in that it comprises: a light source (11) for producing a beam of light (14) that passes through an object to be monitored; a first high numeric aperture lens (45) for capturing light from the light source (11); a scattering element (46) for receiving and bending light from the first lens (45); a second high numerical aperture lens (47) for capturing light bent by the scattering element (46); and a detector (50) including a light amplifying element for detecting a light signal from the second lens (47) and transforming the light signal into an electronic signal. 11. Sistema ótico, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de o elemento de amplificação de luz compreender um conjunto de fototubos.Optical system according to claim 10, characterized in that the light amplifying element comprises a set of phototubes. 12. Sistema ótico, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de o elemento de amplificação de luz compreender uma placa de múltiplos canais com base no intensificador de imagem acoplado a um conjunto de detectores de fotodiodo.Optical system according to claim 10, characterized in that the light amplifying element comprises an image intensifier-based multi-channel plate coupled to a photodiode detector array.

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