KR20060096982A

KR20060096982A - 입자 분류 시스템용 광학 검출기

Info

Publication number: KR20060096982A
Application number: KR1020067002936A
Authority: KR
Inventors: 존 알. 길버트; 에드워드 시노프스키; 매니시 데쉬판데
Original assignee: 사이토놈, 인크.
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2004-08-16
Publication date: 2006-09-13
Also published as: BRPI0413573A; SG145732A1; CA2535390C; JP2009282049A; US8964184B2; EP1661165A4; IL173613A0; US7355699B2; EP1661165A2; US9752976B2; CN101776599A; WO2005017969A3; AU2011202063A1; IL173613A; JP4602975B2; US20050128479A1; EP1661165B1; AU2004264628A1; WO2005017969A2; US20150233813A1

Abstract

공간적인 채널 어레이로부터 빠른 스펙트럼을 획득하기 위한 광학 시스템은 모니터링되는 미세 유체 칩 또는 채널을 통과하는 광선을 생성하기 위한 광원과, 미세 유체 채널 내의 입자 또는 화학 약품과의 상호 작용 후의 광원으로부터의 광을 포착하기 위한 하나 이상의 렌즈 또는 광섬유와, 하나 이상의 검출기를 포함한다. 광 증폭 소자를 포함할 수 있는 검출기는 각각의 광 신호를 검출하여 광 신호를 전자 신호로 변환시킨다. 광학 신호의 강도를 각각 나타내는 전자 신호들은 분석을 위해 각각의 검출기로부터 전자 데이터 획득 시스템으로 통과한다. 광 증폭 소자 또는 소자들은 광전관들의 어레이, 다중 양극 광전관, 또는 광다이오드 검출기들의 어레이에 결합된 다채널 플레이트에 기초한 영상 증배기를 포함할 수 있다.

광학 검출 시스템, 미세 유체 시스템, 채널, 입자, 모니터링, 영상 증배기

Description

입자 분류 시스템용 광학 검출기{OPTICAL DETECTOR FOR A PARTICLE SORTING SYSTEM}

관련 출원

본 발명은 2003년 8월 14일자로 출원된 미국 특허 가출원 제60/495,374호 및 2004년 8월 9일자로 출원된 미국 특허 가출원 XX/XXX,XXX호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 출원들의 전체 내용은 본 발명에 참조로서 명확하게 포함되어 있다.

본 발명은 채널을 통해 유동하는 입자를 모니터링하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

하나 이상의 채널을 통해 입자를 이송하는 미세 유체 시스템과 같은 시스템에서, 입자를 모니터링, 분석, 또는 검출하기 위한 광학 시스템이 사용될 수 있다. 광학 시스템은 예를 들어 소정의 특징에 기초하여 하나 이상의 채널을 통해 유동하는 입자들의 스트림을 분류하는 입자 분류 시스템에서 유용할 수 있다.

종래의 검출 시스템은 중요한 결점을 갖는다. 예를 들어, 이전의 광학 검출 시스템은 넓은 면적에 걸쳐 확산될 때의 입자 상의 형광 수준으로부터의 낮은 광 수준의 신호를 관찰하는 어려움으로 인해 때때로 부정확하며 불완전한 결과를 제공한다. 이전의 광학 시스템은 또한 검출되는 광 신호가 예를 들어 1 밀리초 미만의 짧은 기간일 때 어려움을 갖는다. 예를 들어, 종래의 CCD(전하 결합 장치) 기술은 1 밀리초를 초과하는 프레임 속도를 갖는다.

미세 채널을 인터로게이팅(interrogating)하기 위한 이전의 시스템은 또한 약 500 ㎛ 미만의 영역인 단일 채널 상에 광을 포커싱하고 유사하게 제한된 영역으로부터 광을 포착하는 것으로 제한된다.

본 발명은 공간적인 채널 어레이로부터 빠른 스펙트럼을 얻기 위한 광학 시스템을 제공한다. 시스템은 1 내지 200 밀리미터에 걸쳐 이격된 하나 이상의 평행 유체 채널들의 어레이를 포함하는 미세 유체 입자 분석 또는 분류 칩을 인터로게이팅하는데 사용되도록 설계된다. 채널 내에서 이송되는 입자들은 0.1 내지 10 m/s의 속도를 가지며, 그러므로 검출기에 의해 관찰되는 신호는 지속 시간이 밀리초 이하일 수 있으며 1 내지 100 ㎒ 대역폭의 검출기 및 전자 장치에 의한 관찰을 요구할 수 있다.

광학 검출 시스템은 모니터링되는 미세 유체 칩 또는 채널을 통과하는 광선을 생성하기 위한 광원과, 미세 유체 채널 내의 입자 또는 화학 약품과의 상호 작용 후의 광원으로부터의 광을 포착하기 위한 하나 이상의 렌즈 또는 광섬유와, 하나 이상의 검출기를 포함한다. 광 증폭 소자를 포함할 수 있는 검출기는 각각의 광 신호를 검출하여 광 신호를 전자 신호로 변환시킨다. 광학 신호의 강도를 각각 표시하는 전자 신호들은 분석을 위해 각각의 검출기로부터 전자 데이터 획득 시스템으로 통과한다. 광 증폭 소자 또는 소자들은 광전관들의 어레이, 다양극 광전관, 또는 광다이오드 검출기들의 어레이에 결합된 다채널 플레이트에 기초한 영상 증배기를 포함할 수 있다.

광학 시스템은 비용이 효과적이며, 하나 이상의 입자 이송 채널들의 어레이로부터 낮은 광 수준 및 높은 대역폭(> 1 ㎒)에서, 흡광 신호, 하나 이상의 광학 산란 신호, 및 하나 이상의 형광 신호를 모두 한번에 동시에 포착한다. 시스템은 다양한 조건 하에서의 각각의 입자의 효율적이며 정확한 모니터링을 제공한다.

본 발명은 본원의 설명과, 유사한 도면 부호들이 여러 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지시하는 첨부된 도면으로부터 명백해질 것이다.

도1은 본 발명의 예시적인 실시예를 실시하기에 적합한, 입자들의 스트림을 이송하기 위한 복수의 채널을 갖는 시스템을 도시한다.

도2는 본 발명의 광학 검출 시스템의 개략도이다.

도3은 미세 채널에 직교하는 평면 내에서의 하나의 미세 채널을 통한 단면을 도시한다.

도4는 형광 검출기의 구성요소들을 상세하게 도시하는, 본 발명의 광학 검출 시스템의 개략도이다.

도5는 미세 유체 시스템의 복수의 채널 내의 입자를 분석하기에 적합한 광학 검출 시스템을 도시한다.

도6a 내지 도6c는 도2의 광학 검출 시스템 내의 90°각도에서의 광 산란 또는 흡광을 검출하기 위한 하위 시스템의 일 실시예를 도시한다.

도7은 도2의 광학 검출 시스템 내에서 사용하기에 적합한 비임 성형 광학 장치의 개략도이다.

도8은 본 발명의 광학 검출 시스템 내에서 사용하기에 적합한 세그먼트형 거울을 도시한다.

도9는 도8의 세그먼트형 거울의 홈의 부분도이다.

도10은 대응하는 스폿 폭에 기초한 세그먼트형 거울의 홈에 대한 여러 구성들을 도시하는 표이다.

도11은 본 발명의 예시적인 실시예의 광학 검출 시스템 내에 세그먼트형 거울을 채용한 비임 성형 광학 장치의 개략도이다.

도12는 본 발명의 예시적인 실시예의 광학 검출 시스템과 함께 사용하기에 적합한 영상 증배기를 도시한다.

본 발명은 채널들의 어레이를 통한 입자 유동을 모니터링 및 검출하기 위한 광학 시스템을 제공한다. 본 발명은 아래에서 예시적인 실시예에 대해 설명될 것이다. 당업자는 본 발명이 복수의 상이한 적용 및 실시예로 실시될 수 있으며 그의 적용에 있어서 본원에 도시된 특정 실시예로 특별히 제한되지 않는 것을 이해할 것이다.

도1은 입자 및 세포와 같은 물질을 그를 통해 이송하기 위한 복수의 채널을 포함하는 본 발명의 예시적인 실시예를 실시하기에 적합한 미세 유체 시스템(10)을 도시한다. 예시적인 미세 유체 시스템(10)은 내부에 배치된 미세 채널(3)과 같은 복수의 채널을 갖는 기판(1)을 포함한다. 채널들은 액체 시료에 대한 임의의 적합한 작업을 처리, 취급, 및/또는 수행하기 위해 미세 유체 시스템(10)을 통해 유체 및/또는 입자를 운반한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "미세 유체"라는 용어는 마이크로 스케일의 치수를 갖는 적어도 하나의 채널을 포함하는, 유체 시료를 취급, 처리, 분출, 및/또는 분석하기 위한 시스템 또는 장치를 말한다. 본원에서 사용되는 "채널"이라는 용어는 액체 및 기체와 같은 유체의 이동을 허용하는 매체 내에 또는 그를 통해 형성된 경로를 말한다. "미세 채널"이라는 용어는 약 1.0 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 사이, 양호하게는 약 25 ㎛ 내지 약 350 ㎛ 사이, 가장 양호하게는 약 50 ㎛ 내지 약 300 ㎛ 사이의 범위 내의 단면 치수를 갖는 미세 유체 시스템 또는 장치 내에 양호하게 형성된 채널을 말한다. 당업자는 채널의 적절한 체적 및 길이를 결정할 수 있을 것이다. 범위는 상한 또는 하한으로서 전술한 값을 포함하도록 의도된다. 채널은 임의의 선택된 형상 또는 배열을 가질 수 있고, 그의 예는 선형 또는 비선형 구성 및 U형 구성을 포함한다. 미세 유체 시스템(10)은 미세 유체 시스템(10)을 통해 유체를 운반하기 위한 임의의 적합한 개수의 미세 채널(3)을 포함할 수 있다.

본 발명은 도1의 미세 유체 시스템과 같은 미세 유체 칩과 함께 사용하기 위한 광학 검출기를 제공한다. 본 발명의 광학 검출기는 미세 유체 시스템의 측정 영역(2) 내에서 이러한 영역 내의 시스템을 인터로게이팅하기 위해 실시될 수 있다. 본 발명은 1 내지 250 mm, 양호하게는 1 내지 100 mm의 물리적인 크기를 갖는, 하나 이상의 인터로게이션(interrogation) 영역(2) 위에 배치된 1 내지 200개 의 채널들로부터의 채널들의 평행 어레이를 갖는 미세 유체 칩의 스케일일 수 있는 검출 시스템의 형성을 용이하게 한다.

광학 검출기는 칩 내의 복수의 채널들을 통한 유동을 동시에 모니터링할 수 있다. 광학 검출기 또는 광학 검출기들의 시스템은 크기, 형태, 형광 강도 광학 산란과 같은 하나 이상의 특별한 특징은 물론 당업자에 명백한 다른 특징에 대해 개별 입자를 검사할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에서, 본 발명의 광학 검출기는 관찰되는 유동 입자의 100개 이상을 채널을 포함하는 칩의 비교적 큰 영역(예를 들어, 직경이 약 12 mm 내지 50 mm 사이의 활성 영역)에 걸쳐 위치될 수 있다. 광학 검출기는 복수 또는 모든 채널들로부터의 빠르고, 낮은 광 수준의 신호들을 한번에 비용 효과적으로 포착할 수 있다. 당업자는 광학 시스템이 입자 또는 세포 분류 시스템 내에서의 사용으로 제한되지 않으며 하나 이상의 채널을 통해 유동하는 모니터링되는 입자와 같은 물질을 갖는 임의의 적합한 시스템 내에서 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

도2는 도1의 미세 유체 시스템 내에서 실시될 수 있는, 본 발명의 예시적인 실시예의 광학 검출 시스템(8)의 개략도를 도시한다. 당업자는 광학 검출 시스템이 임의의 적합한 시스템 내에서 실시될 수 있으며 도1의 미세 유체 시스템으로 제한되지 않는 것을 인식할 것이다.

광학 검출 시스템(8)은 미세 유체 칩(10) 내의 입자 이송 채널(3)들의 어레이와 정렬된 핀홀들의 어레이로서 도시된, 광학 마스크(13)를 통과하는 광선(14)을 생성 및 형성하기 위한 비임 성형 광학 장치(12)에 결합된 레이저로서 도시된 광원 (11)을 포함한다. 핀홀에 의해 수용된 광은 이후에 이송 채널(3)들 자체를 통과한다. 하나 이상의 관련 핀홀을 거쳐 각각의 채널로 수용된 광선은 채널(3)을 통해 이송된 입자(18)와 교차하여 광학 신호를 생성한다. 광선이 입자와 교차할 때의 광학 입자 분석, 세포 계수 또는 분류 시에 생성될 수 있는 광학 신호의 예는 광학 흡광, 각도 의존성 광학 산란, 및 형광을 포함한다. 광학 흡광은 상호 작용 없이 입자를 통과하는 광량을 말한다. 각도 의존성 광학 산란은 입사 광선으로부터 멀리 각각의 각도(θ)로 산란 또는 굴절되는 광의 분율을 말한다. 형광은 입자 내의 분자에 의해 흡수되어 더 긴 파장에서 방출되는 광이다.

광원(11)으로부터 채널(3)의 대향 측면 상에 위치된 검출기 광학 장치(15, 16, 17)들은 채널 내에서 광선의 입자와의 상호 작용에 의해 발생된 광학 신호를 포착 및 관찰한다. 광학 흡광 검출기(15)는 광학 흡광을 검출하기 위해 광원(11)에 직접 대향하여 위치되고 입사광 경로(14)와 정렬된다. 광학 산란 검출기(16)는 입사광 벡터 및 그와 교차하는 미세 유체 채널에 의해 형성된 평면 내의 입사광 경로(14)에 대해 대체로 직교하여 위치된다. 양호하게는, 광학 산란 검출기는 입사광 경로(14)에 대해 약 90°의 각도로 위치된다. 다른 각도에 대한 광학 산란 검출기들이 그러한 동일한 평면 내에서 그러한 각도로 선택적으로 위치될 수 있다. 형광 검출 하위 시스템(17)은 형광으로부터의 광학 신호를 포착한다. 형광 검출 하위 시스템(17)은 큰 고개구수 렌즈 및 동반된 광학 소자들을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 형광 검출 하위 시스템은 가능한 한 많은 형광 광자를 포착하여 이를 검출기(도시되지 않음) 상으로 촬상하도록 미세 유체 칩(10) 위에 위치된다.

광학 검출 시스템(8)은 칩(10)의 인터로게이션 영역(2) 내에 실시될 수 있다. 예시적인 인터로게이션 영역(2)은 24개의 채널(3)을 포함할 수 있지만, 당업자는 임의의 적합한 개수의 채널이 광학 검출 시스템(8)을 사용하여 관찰될 수 있는 것을 인식할 것이다. 예시적인 실시예에서, 인터로게이션 영역(2)은 (복수의 채널(3)을 가로질러) 약 10 mm 폭과 (각각의 채널(3)을 따라) 4 mm 길이이지만, 당업자는 본 발명이 이러한 범위로 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다.

레이저(11) 또는 다른 광원으로부터의 광(14)이 칩(10) 상으로 입사할 때, 입자들이 따르는 좁은 영역을 통과한 광만이 입자와 상호 작용하여 광학 신호를 생성할 수 있다. 채널(3) 외부에서 칩(10)을 통과한 광 또는 입자를 포함하지 않는 채널의 영역을 통과한 광은 배경 또는 잡음에만 기여하고 신호에 기여하지 않을 수 있으며, 그러므로 미광(stray light)이며 최소화되어야 한다. 또한, 관찰되는 입자를 통과하지 않고서 칩을 통과한 광은 낭비된 레이저 광원 전력을 나타내고 그러므로 비용 및 열 관리 이유에서 최소화되어야 하는 것으로 고려된다. 핀홀들의 층에 의해 형성된 광학 마스크(13) 및 비임 성형 광학 장치(12)는 미광을 최소화하며 레이저 전력의 낭비를 최소화한다.

도시된 바와 같이, 광원(11)은 채널에 대해 약 45°각도인 입사광을 제공한다. 이러한 방식으로, 전방 산란/흡광은 채널(3)의 대향 측면 상에서 동일한 방향으로 연장된다. 도시된 바와 같이, 전방 산란(14b)은 채널(3)로부터 45°로 연장된다. 측면 산란(14c)은 입사광으로부터 약 90°로 연장되어, 형광 광학 장치(17)에 원추형의 기계적 자유도(170)를 제공한다. 원추형의 기계적 자유도(170)는 전 방 산란(14b)과 측면 산란(14c) 사이 내에서 검출기에 대해 90°의 방해받지 않는 시야를 제공한다.

도3은 한 쌍의 미세 채널(3a, 3b)을 포함하는 미세 유체 칩(10)의 일부를 통한 단면의 예시도를 도시한다. 단면은 미세 채널 및 마스크(13)의 핀홀(13a, 13b)을 통해 절단된 평면 내에 있다. 입사광(14)은 핀홀 층(13)에 의해 부분적으로 차단되어, 초기 비임(14)을 각각의 핀홀(13a, 13b)에 의해 한정되는 포커싱된 비임(18)으로 좁힌다. 포커싱된 비임(18)은 각각의 채널과 교차하여 입자(18)들이 종래의 코어 유동으로 유동하도록 허용되는 영역(31)을 조사한다. 많은 미광이 미세 유체 칩으로부터 분리된 부분일 수 있거나 광 리소그래피 또는 칩 제조 분야의 당업자에게 공지된 다른 방법에 의해 칩의 표면 상에 제조될 수 있는 핀홀 층(13)에 의해 차단된다.

미세 유체 시스템은 입자 또는 세포와 같은 물질을 유동시키기 위한 채널을 포함하는 임의의 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 미세 유체 시스템(10)은 그의 내용이 본원에서 전체적으로 참조된 미국 특허 출원 제10/179,488호 및 제10/329,008호에 설명된 입자 분류 시스템과 같은 입자 분류 시스템을 포함할 수 있다. 다른 적합한 미세 유체 시스템은 본원에서 전체적으로 참조된 미국 특허 출원 제10/028,852호, 제10/027,484호, 제10/027,516호, 및 제10/607,287호에 설명되어 있다.

도4는 형광 검출 하위 시스템(17)의 구성요소들을 상세하게 도시하는 도2의 광학 검출 시스템의 개략도를 도시한다. 형광 검출 하위 시스템(17)은 조사된 입 자로부터 방출되는 가능한 한 많은 광자를 포착하도록 구성 및 위치된 고개구수(낮은 F#)의 집광 렌즈(45)를 포함한다. 렌즈(45)는 50 mm의 상업적으로 구입 가능한 초점 길이의 기존의 F#=1인 렌즈일 수 있다. 일례는 라이카(Leica) 녹틸럭스(Noctilux) 50 mm F#1 렌즈이다. 더 큰 렌즈도 이용 가능하며 다중 웰(well) 플레이트를 촬상하기 위해 사용된다. 리트로(littrow) 회절발로서 도시된 분산 소자(46)가 제1 집광 렌즈(45) 위에 위치된다. 분사 소자(46)는 특정 광선의 파장에 대한 방식으로 광을 굴절시킨다. 예시적인 리트로 회절발(46)은 직경이 76.2 mm이며 73 mm의 활성 영역을 갖는다. 리트로 회절발(46)은 720 홈/mm를 가지며 550 nm에서 43.1°의 휘광각(회절발이 수직으로부터 위치된 각도)을 갖는다. 리트로 각도는 550 nm 광이 도4에서 수직으로부터 멀리 굴절되는 각도인 23.33°이다. 당업자는 광을 특정한 방식으로 굴절시키기 위한 임의의 적합한 수단이 본 발명의 개시 내용에 따라 사용될 수 있는 것을 인식할 것이다. 재구성 렌즈(47)가 회절발(46)로부터의 1차 굴절광을 포착하여 굴절된 광을 영상 평면(48) 내에서 조사된 입자의 영상으로 재구성하도록 리트로 각도로 위치된다.

섬유 어레이(49)가 영상 평면(48)으로부터 연장되어 신호를 분석하기 위해 신호를 검출기(50)로 이송한다. 검출기는 카메라 또는 다른 적합한 장치일 수 있다.

광학 경로 내의 리트로 회절발의 존재로 인해, 미세 채널(3) 내의 조사된 입자는 단파장의 광자보다 더 큰 각도로 경사진 장파장의 광자에 의해 평면(48) 내로 촬상되어, 입자는 그러한 영상 평면에 걸쳐 확산된 스펙트럼을 갖는다. 500 nm 내 지 700 nm의 파장을 갖는 광자들은 렌즈(45, 47)에 대해 사용된 50 mm 초점 길이 렌즈에 대해 영상 평면(48) 내에서 약 7841 미크론에 걸쳐 확산된다. 예시적인 실시예는 nm 파장당 39.2 미크론의 스펙트럼 해상도를 갖는다.

광학 검출 시스템(8)은 세포 계수 분야의 당업자에게 공지된 형광단 또는 다른 형광 입자 표지자에 결합된 항체로 라벨링된 입자들을 관찰하는데 사용될 수 있다. 흡광이 488 nm 파장일 때, 예를 들어 각각 530 nm, 575 nm, 630 nm, 및 695 nm에서 최대 형광 방출을 갖는 FITC(플루오레세인 이소치오시아네이트), PE(R-피코에리쓰린), APC(알로피코시아닌), 및 PerCP(페리디닌-클로로필-단백질 복합체)인 형광단에 결합된 항체로 라벨링된 입자들을 사용할 수 있다. FITC, PE, 및 PerCP로부터의 광자들은 각각 (0 내지 550 nm에 대해) 784 미크론, 980 nm, 3136 nm, 및 5684 nm의 위치에서 영상 평면 상으로 위치된다. 내부에 400 ㎛의 구멍 및 그러한 구멍 내에 위치된 400 ㎛ 직경의 광섬유를 갖는 불투명 플레이트가 각각의 섬유(49)에 약 10 nm의 파장 포착 대역폭을 제공할 것이다. 바람직한 형광단의 최대 방출에 대응하는 각각의 위치에 섬유(49)를 위치시키는 것은 효율적이며 콤팩트한 다색 검출 시스템을 생성한다. 일 단부에서 영상 평면(48) 내에 위치된 섬유(49)들은 검출기에 부착된 그들의 타 단부를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 섬유들의 제2 단부는 형광 광학 신호를 증폭시켜서 이를 전자 신호로 변환시키기 위해, 단일 양극에 대응하는 위치에서 광전관(예를 들어, 하마마쯔 인크.(Hamamatsu Inc.)로부터의 단일 양극 H6780-20 또는 32-양극 H7260-20 광전관)의 광음극 창에 결합된다. 영상 증배기 또는 애벌란시 다이오드 어레이 또는 광학 분야의 당업자에게 공지된 다른 것과 같은 다른 증폭 광 검출기도 광학 신호를 검출하여 이를 전자 신호로 변환시키는데 사용될 수 있다.

도4에서, 도시된 채널 내의 입자와 인터로게이팅하는 섬유(49)들은 미세 유체 칩 내의 채널의 평면과 동일한 평면 내에 위치된다. 시스템이 다채널 어레이에 대해 사용되면, 다른 채널들은 도시된 채널의 평면의 전방 또는 도시된 채널의 평면 후방에 놓인다.

도5는 미세 유체 칩 내의 복수의 채널을 관찰하기 위해 사용되는 광학 검출기 시스템(80)의 사시도를 도시한다. 광학 검출기 시스템(80)은 또한 대부분의 입사광(14)을 차단하며 미세 유체 칩의 6개의 채널들의 각각의 채널(3) 내의 작은 검출 영역(2)을 조사하는 핀홀 어레이(13)를 포함한다. 집광 렌즈, 리트로 회절발, 및 재구성 렌즈의 광학 칼럼은 도4에 도시된 것과 유사하며, 렌즈 및 회절발 사양의 동일한 실시예를 가질 수 있다. 통상, 렌즈 및 회절발의 구성요소들의 크기는 검출 영역(채널들이 핀홀을 통해 조사되는 영역)의 크기를 초과하여 칩 상에 시야각을 제공하기에 충분해야 한다. 영상 평면(48) 내에, 각각 4개의 섬유를 포함하는 6개의 어레이(490)를 유지하는 플레이트(480)가 위치된다. 4개의 광섬유(49)의 각각의 어레이는 관련 채널(3)로부터 방출된 광학 스펙트럼을 샘플링하도록 위치된다. 어레이 내의 각각의 섬유는 하나의 형광단의 최대 방출 위치 상에 위치된다. 고개구수 섬유 또는 렌즈형 섬유가 여기서 당업자에게 명백한 바와 같이 적절하다.

도6a 내지 도6c는 90°각도에서의 광학 산란 또는 흡광을 검출하기 위한 하위 시스템의 일 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 광학 흡광 칼럼형 검출기 리본(63)이 약 500 미크론의 채널간 간격을 가지고 다채널 칩(10) 위에 위치된다. 단면이 도6b에 도시되어 있는 광학 흡광 칼럼형 검출기 리본(63)은 리본 두께(63d) 미만의 깊이로 드릴링되어 구멍들을 채널 간격과 정렬시키도록 중심 상에서 500 미크론으로 이격된 300 미크론 직경의 구멍들을 갖는 기계적 부품이다. 고개구수 섬유(65)가 각각의 구멍 내로 위치되어, 채널마다 하나의 섬유로 섬유(61)들의 어레이를 형성한다. 직경이 더 작지만 섬유 구멍(63c)과 동심인 칼럼화 구멍이 각각의 구멍 내에 드릴링된다. 이러한 칼럼화 구멍은 리본 커넥터(63b)를 관통하여, 광이 칼럼화 구멍(63c)을 통해 더 큰 직경의 샤프트 내에 위치된 섬유(65) 내로 통과하도록 허용한다. 이러한 하위 시스템을 작동시키기 위해, 입사광(68)은 45°근방의 각도로 핀홀 및 채널과 교차하고, 광학 흡광 검출 리본(63)은 리본의 위치에 의해 도시된 바와 같이 입사광 벡터를 따라 (즉, 입사광에 대해 180°의 각도로) 직접 장착된다. 칼럼화 장치의 개구는 잘 칼럼화된 입사광에 대해 핀홀을 가로지르는 모든 광이 칼럼화 장치의 단부의 섬유 내에서 검출될 수 있도록, 핀홀의 개구를 초과해야 한다. 칼럼화 장치 자체는 다른 채널들로부터의 임의의 미광을 차단하기에 충분히 길도록 선택된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 핀홀 개구는 150 미크론 직경이고, 칼럼화 장치는 250 미크론 직경이고, 섬유는 300 미크론 직경이고, 채널의 2 mm 내에 위치된 시준기는 1 mm 길이이다. 섬유 어레이(61)의 먼 단부에서, 각각의 섬유는 광전관 또는 다른 광학 검출기에 부착된다. 광학 흡광은 종종 그의 검출기에 대해 광다이오드를 사용하기에 충분히 밝다.

도6c에, 설명된 제1 리본(63)과 대체로 유사하게 구성되지만 세포 또는 입자 로부터의 90°산란 또는 측면 산란 신호를 측정하기에 적절한 입사광으로부터 90°로 위치된 제2 리본(66)이 도시되어 있다. 당업자는 유사한 리본들이 다른 산란 파라미터를 관찰하기 위해 다른 각도로 위치될 수 있는 것을 인식할 것이다. 관심 있는 특정 각도는 흡광 경로 내에서 광을 통한 직선을 획득하지 않고서 직접적인 전방 위치에 대체로 가까운 거의 전방 방향(입사로부터 거의 180°)으로의 광학 산란인 소위 전방 산란이다.

다른 실시예에서, 광원(11)은 기체 레이저 튜브 방출로부터 잡음이 거의 없거나 전혀 없는 약 200 mw를 생성하는 소형의 공랭식 고체 장치인 코히어런트 사파이어(Coherent Sapphire) 488/200 레이저이다. 또는, OPSS(광학 펌핑 고체) 레이저가 사용되고, 이는 또한 모니터링을 수행하기 위해 필요한 모든 상이한 여기 파장을 발생시킬 수 있다. 당업자는 임의의 적합한 광원이 사용될 수 있는 것을 인식할 것이다.

도7은 본 발명의 예시적인 실시예의 광학 검출기와 함께 사용하기에 적합한 비임 성형 광학 장치(12)의 일 실시예의 단면도이다. 광학 도식은 z-축을 따른 광 전파의 전반적인 방향에서 x-z 평면 내에 도시되어 있다. 각각의 점선은 광선 x-y 프로파일 개략도(14')로 이어져서, 비임이 성형 광학 장치에 의해 어떻게 조작되는 지를 도시한다. 비임은 직경이 700 미크론인 거의 둥근 프로파일로 출력되는 단일 레이저(11)로부터 저주파 또는 대역 통과 필터(74) 후에 파장이 필터링된 비임으로 통과한다. 비임은 그 다음 5 mm의 초점 길이 및 250 mm의 초점 길이를 갖는 제1 쌍의 원통형 시준 렌즈들(73)을 통과하고, 이는 대체로 사각형인 비임을 생성한다. 비임은 그 다음 원통형 렌즈인 150 mm의 초점 길이를 갖는 포커싱 렌즈(71)를 통과하여, 비임(14)을 y-축에서 100 미크론으로 예리하게 만든다. 포커싱 렌즈(71) 후의 이러한 실시예에서의 전반적인 프로파일은 36 mm x 100 미크론이며, 500 미크론 간격의 70개까지의 핀홀/채널들의 핀홀 어레이(13)를 조사하는데 사용될 수 있다. 핀홀들이 y-축의 방향에서 약 100 미크론 미만이므로, 비임의 제한은 광의 낭비를 방지한다. 중심 상에서 500 미크론으로 이격된 N-핀홀 칩에서, 비임이 낭비되는 레이저 전력을 최소화하도록 x-축을 따라 500 x N 미크론보다 약간 더 크고 y-축을 따라 (100 미크론보다 약간 더 큰) 200 미크론인 것이 양호하다. 칼럼화되어 성형된 비임은 그 다음 핀홀 어레이(13)와 교차하여, 채널(3)들의 정합 어레이와 교차하도록 이격된 N 핀홀형 비임(78)이 된다.

도7의 비임 성형 실시예는 이러한 설계가 많은 채널들로부터의 빠른(대역폭 > 10 ㎒) 흡광, 산란, 및 형광을 한번에 동시에 관찰하는 것을 허용하는 것을 고려하면, 최소의 미광과 약 10%의 허용 가능한 전력 효율을 허용하므로 매우 유용하다.

도8은 본 발명의 광학 검출 시스템 내에서 사용하기에 적합한 홈 형성 거울에 기초한 반사식 광선 분할기(80)를 도시한다. 광선 분할기(80)는 입사 광선을 복수의 비임으로 분할하기 위한 세그먼트형 거울(83)을 포함한다. 칼럼화된 입사 비임(82)은 분할기(80)로 진입하여, 입사 비임을 더 작은 비임(84)들의 어레이로 분할하는 세그먼트형 거울(83) 상에서의 비임에 대한 올바른 입사각(통상 낮은 각도)을 설정하는데 사용되는 입사 거울(81)에서 반사된다. 더 작은 비임(84)들의 어레이는 입사 비임(82)과 평행하게 상방으로 연장된다.

세그먼트형 거울(83)은 반사 홈들의 균일한 어레이를 포함한다. 양호하게는, 균일한 어레이는 이방성으로 에칭된 실리콘을 포함한다. 또는, 홈들의 균일한 어레이는 광학적으로 마무리된 종래의 가공 금속으로부터 만들어진다. 다른 실시예에서, 플라스틱 재료 내에 형성된 홈들의 균일한 어레이가 그 다음 홈들의 어레이에 대해 반사 코팅으로 덮인다.

도9는 그러한 세그먼트형 거울의 설계를 안내하는 각도 및 공식을 도시한다. 입사 비임(82)은 거울 내의 각각의 홈(83a)에 의해 부분적으로 클리핑(clipping)되고, 그러한 클리핑된 부분은 고정된 각도로 반사되어 더 좁은 비임(84a)을 만든다. 제2의 좁은 비임(84b)이 인접한 홈(84b)에 의해 형성된다. 각각의 홈은 홈 간격(A)만큼 분리되고, 분할기는 미세 유체 칩 내의 핀홀 및 채널 간격에 정합하도록 설계된 균일한 스폿 폭(균일 홈으로 가정함) 및 비임 또는 통로 간격(L)의 비임을 발생시킨다.

도10은 통로 간격(L)이 500 미크론이고 홈들이 (고정된 홈 각도 e = 54.74를 갖는) 실리콘 이방성 에칭에 의해 제조되는 도8의 광선 분할기의 실시예들의 표이다. 표는 선택된 스폿 크기에 대해 적합한 거울 구성을 표시한다. 예를 들어, 100 미크론 스폿 크기는 100 미크론 미만의 핀홀에 대해 적합하고, 홈 간격 A = 575 미크론, 홈 기울기 G = 29.7°, 및 입사각 I = 25°에 대응한다.

도11은 광학 검출기 시스템 내에서 사용하기에 적합한 비임 성형 하위 시스템(12)의 일 실시예를 도시한다. 예시적인 비임 성형 하위 시스템(112)은 도7에 대해 설명된 비임 성형 광학 장치(12)와 유사한 비임 성형 광학 장치(12)를 채용한 후에 최종 단계에서 도8의 세그먼트형 거울과 같은 세그먼트형 거울(80)을 사용한다.

다른 실시예는 핀홀 어레이(13)를 광학 시스템 상에 분리식으로 장착하기보다는 각각의 미세 유체 칩 상에 제조하는 단계를 포함한다.

도4 및 도5의 영상 평면 내에서 사용되는 섬유들의 어레이를 위한 검출기에 대한 다른 실시예는 영상 증배기를 그러한 평면 내에 위치시키고 섬유들을 그러한 영상 증배기 후방에 위치시켜서, 그가 그의 인광체 상에서 생성하는 광학 신호를 판독한다. 그러한 대안은 모든 형광 신호에 대해 단지 하나의 광 증폭 소자(영상 증배기)를 사용하고 영상 증배기 후에 광학 신호의 전자 신호로의 전환을 위해 광다이오드를 사용함으로써 비용을 절감할 수 있다.

도12는 표준 하마마쯔 영상 증배기(200)의 도면을 도시하지만, 당업자는 높은 공간 해상도를 갖는 임의의 대면적 광 증폭 구성요소가 이러한 대안에서 사용될 수 있는 것을 인식할 것이다. 영상 증배기(200)는 신호를 광다이오드 어레이 또는 다른 적합한 검출 장치로 통과시키기 전에 광학 영상의 강도를 증폭시키는데 사용된다. 도시된 바와 같이, 영상 증배기는 영상 신호를 위한 입력 창(221)과, 광을 광전자로 변환시키기 위한 광음극(222)과 같은 감광 전자 방출기와, 전자 증폭을 위한 MCP(223)와, 전자를 광으로 변환시키기 위한 인광 스크린(224)과, 광섬유 플레이트로 도시된 출력 창(225)을 포함한다. 예시적인 실시예에 따르면, 영상 증배기는 25 mm - 40 mm 하마마쯔 영상 증배기를 포함할 수 있지만, 당업자는 임의의 적합한 장치가 사용될 수 있는 것을 인식할 것이다.

비임 성형 하위 시스템(12) 및 형광 검출 하위 시스템(17)에 대한 다른 실시예는 형광 검출 시스템의 경우에 미광 또는 스퓨리어스(spurious) 광원을 제거하거나 광원(11)에 의해 방출되는 광으로부터 미광 또는 스퓨리어스 파장 성분을 제거하기 위해 단파 또는 장파 또는 파장 대역 통과 또는 대역 차단 필터를 포함한다.

흡광 및 산란 검출기(15, 16)에 대한 다른 실시예는 그러한 신호를 정규화하는데 사용하기 위해 시스템에 독립적인 레이저 전력 모니터를 추가하는 것이다. 이는 그러한 신호들 모두가 레이저 전력에 직접 비례하여 레이저 상의 잡음이 그러한 신호들을 왜곡시킬 수 있으므로 유용하다.

검출기(15, 16, 17)와 함께 사용되는 섬유의 어레이에 대한 다른 실시예는 섬유들의 각각의 어레이를 광다이오드 또는 애벌란시 광다이오드들의 어레이 또는 다른 광학 검출기 어레이로 교체하는 것이다. 당업자는 다른 검출기들이 여기서 시료의 광 수준 요구 및 사용되는 특정 칩 실시예의 형태 인자 요구와 정합하는 한 가능하다는 것을 인식할 것이다.

광선 분할기에 대한 다른 실시예는 결정성 재료의 이방성 에칭, 또는 금속의 종래의 가공 또는 적절한 광학 연마 또는 반사 코팅이 뒤따르는 플라스틱의 성형에 의해 제조되는 반사식 홈 어레이를 사용할 수 있다.

본 발명의 모든 실시예에서, 핀홀 어레이는 통상 미세 유체 채널들에 대한 간격 내에 정합된다. 반사식 광선 분할기가 비임 성형 광학 장치 내에서 사용될 때, 이는 또한 핀홀에 정합되어야 한다.

가장 단순한 실시예는 광선 분할에 있어서 균일하게 배열된 채널들 및 균일하게 배열된 핀홀들 그리고 가능하게는 균일하게 배열된 홈들을 사용하지만, 이는 본 발명에 의해 요구되지 않으며 유사한 실시예가 채널들의 불규칙적인 간격 또는 패턴을 사용하도록 설계될 수 있다.

형광 검출 하위 시스템(A7)에 대한 다른 실시예는 영상 평면 (3-5), (2-8) 내의 섬유 이전 또는 이후에 협대역 통과 필터를 추가하는 것이다. 그러한 평면 내의 400 미크론 섬유가 10 nm 대역폭을 포착할 것이다. 10 nm 또는 5 nm 대역 통과 필터를 추가하는 것은 감도를 개선하고 몇몇의 경우에 잡음을 감소시킬 것이다.

본 발명은 예시적인 실시예에 대해 설명되었다. 몇몇 변경이 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 상기 구성에서 이루어질 수 있으므로, 상기 설명에 포함되거나 첨부된 도면에 도시된 모든 사항은 제한적이 아닌 예시적인 의미로 해석되어야 한다.

또한, 다음의 청구범위는 본원에서 설명된 본 발명의 모든 일반적이며 구체적인 특징과, 언어에 있어서 그에 포함된다고 말할 수 있는 본 발명의 범주의 모든 기재를 포함한다는 것을 이해해야 한다.

Claims

입자 또는 분자를 이송하기 위한 채널들의 어레이를 포함하는 미세 유체 시스템을 관찰하기 위한 광학 검출 시스템이며,

광선을 생성하기 위한 광원과,

광선을 포커싱하기 위한 비임 성형 광학 장치의 세트와,

각각 미세 유체 시스템 내의 상기 채널들의 어레이 내의 미세 유체 채널에 정합되어 그와 관련된 핀홀들의 어레이와,

광선이 상기 핀홀들 중 하나를 거쳐 상기 채널들 중 하나를 통과한 후에 생성되는 광학 흡광, 전방 산란, 및 측면 산란 중 하나를 위한 적어도 하나의 칼럼형 검출기 리본과,

입자가 상기 광선과 교차할 때 상기 채널들의 어레이 내의 입자에 의해 생성되는 광학 신호를 수신하는 고개구수 형광 검출기를 포함하는 광학 검출 시스템.
반사식 광선 분할기를 사용하여 단일 입사 비임을 분리가 제어된 더 작은 비임들의 어레이로 성형하기 위한 시스템이며,

반사 홈들의 균일한 어레이와,

반사 홈들의 어레이를 선택된 각도로 입사 비임에 제공하기 위한 위치 설정기를 포함하는 시스템.
입자를 운반하는 미세 유체 채널들의 어레이를 포함하는 미세 유체 시스템을 인터로게이팅하기 위한 광학 검출 시스템이며,

광선을 생성하기 위한 광원과,

광선을 복수의 하위 광선으로 분할하기 위한 반사식 광선 분할기를 포함하는 비임 성형 광학 장치의 세트와,

미세 유체 시스템 내의 미세 유체 채널들의 어레이에 정합되는 핀홀들의 어레이를 포함하며,

상기 비임 성형 광학 장치는 상기 복수의 하위 광선들 각각을 상기 핀홀들 중 하나를 통해 유도하는 광학 검출 시스템.
입자 또는 분자를 이송하는 채널들을 포함하는 미세 유체 시스템을 관찰하기 위한 광학 검출 시스템이며,

광선을 생성하기 위한 광원과,

광선을 포커싱하기 위한 비임 성형 광학 장치의 세트와,

미세 유체 채널들에 정합되는 핀홀들의 어레이와,

적어도 하나의 칼럼형 검출기 리본과,

미세 유체 시스템 내의 복수의 채널들의 동시 인터로게이션 및 3개의 형광 파장 대역의 동시 검출을 위한 고개구수 형광 검출기를 포함하며,

상기 비임 성형 광학 장치의 세트는 광선을 상기 핀홀들의 어레이를 통과시키는 광학 검출 시스템.
입자 또는 분자를 이송하는 채널들을 포함하는 미세 유체 시스템을 관찰하기 위한 광학 검출 시스템이며,

광선을 생성하기 위한 광원과,

광선을 포커싱하기 위한 비임 성형 광학 장치의 세트와,

미세 유체 시스템의 채널과 연통하는 핀홀과,

미세 유체 시스템 내의 복수의 채널들의 동시 인터로게이션을 위해 광학 증폭 소자로서 영상 증배기를 사용하는 고개구수 형광 검출기를 포함하는 광학 검출 시스템.
입자 또는 분자를 이송하는 채널들을 포함하는 미세 유체 시스템을 관찰하기 위한 광학 검출 시스템이며,

스폿에서만 개방된 마스크를 통해 공간적으로 연장된 스폿들의 어레이를 조사하는 하나 이상의 레이저와,

스폿들의 전체의 공간적으로 연장된 어레이로부터의 광을 한번에 포착하도록 위치된 제1의 고개구수 렌즈와,

제1 렌즈로부터의 광을 수신하여 굴절시키기 위한 스펙트럼 분리 소자와,

스펙트럼 분리 소자에 의해 굴절된 광을 포착하여 포착된 광을 제2 핀홀 어레이 상으로 촬상하기 위한 제2의 고개구수 렌즈와,

핀홀 어레이를 통과한 광을 검출하여 증폭시키기 위한 제2 핀홀 어레이 후방 의 영상 증배기와,

영상 증배기로부터의 광을 포착하여 변환시키기 위한 광다이오드 검출기들의 어레이를 포함하는 광학 검출 시스템.
제6항에 있어서, 광다이오드 검출기로부터의 전자 출력을 획득하기 위해 광다이오드 검출기에 결합된 전자 데이터 획득 시스템을 더 포함하는 검출기.
제6항에 있어서, 스폿들의 어레이와 영상 증배기 사이에 배치된 레이저 대역 차단 필터를 더 포함하는 검출기.
제6항에 있어서, 검출기는 공간적으로 연장된 복수의 스폿으로부터의 1 밀리초 미만의 지속 시간을 갖는 낮은 강도의 광학 스펙트럼을 증폭하여 스펙트럼을 전자 신호로 변환시킬 수 있는 검출기.
광학 시스템이며,

모니터링되는 대상을 통과하는 광선을 생성하기 위한 광원과,

광원으로부터의 광을 포착하기 위한 렌즈와,

광 신호를 검출하여 광 신호를 전자 신호로 변환시키기 위한 광 증폭 소자를 포함하는 검출기를 포함하는 광학 시스템.
제10항에 있어서, 광 증폭 소자는 광전관들의 어레이를 포함하는 광학 시스템.
제10항에 있어서, 광 증폭 소자는 광다이오드 검출기들의 어레이에 결합된 다채널 플레이트에 기초한 영상 증배기를 포함하는 광학 시스템.