BG67480B1 - Device for differential counting of microparticles in biological liquids - Google Patents
Device for differential counting of microparticles in biological liquids Download PDFInfo
- Publication number
- BG67480B1 BG67480B1 BG113017A BG11301719A BG67480B1 BG 67480 B1 BG67480 B1 BG 67480B1 BG 113017 A BG113017 A BG 113017A BG 11301719 A BG11301719 A BG 11301719A BG 67480 B1 BG67480 B1 BG 67480B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- sample
- chip
- lens
- counting
- microfluidic
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 34
- 239000007850 fluorescent dye Substances 0.000 claims description 22
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 claims description 16
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 11
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 10
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 8
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 8
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 6
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 5
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 4
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 abstract description 27
- 239000008280 blood Substances 0.000 abstract description 27
- 235000013336 milk Nutrition 0.000 abstract description 25
- 239000008267 milk Substances 0.000 abstract description 25
- 210000004080 milk Anatomy 0.000 abstract description 25
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 abstract description 3
- 235000020185 raw untreated milk Nutrition 0.000 abstract description 3
- 210000002700 urine Anatomy 0.000 abstract description 3
- 230000024245 cell differentiation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 106
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 46
- 210000001082 somatic cell Anatomy 0.000 description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 description 18
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 17
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 16
- LPXPTNMVRIOKMN-UHFFFAOYSA-M sodium nitrite Chemical compound [Na+].[O-]N=O LPXPTNMVRIOKMN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- 210000000265 leukocyte Anatomy 0.000 description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 8
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 8
- 241000283690 Bos taurus Species 0.000 description 7
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 6
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 6
- 235000010288 sodium nitrite Nutrition 0.000 description 6
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 description 5
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 description 5
- 208000004396 mastitis Diseases 0.000 description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 4
- 235000014680 Saccharomyces cerevisiae Nutrition 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000001010 compromised effect Effects 0.000 description 4
- GNBHRKFJIUUOQI-UHFFFAOYSA-N fluorescein Chemical compound O1C(=O)C2=CC=CC=C2C21C1=CC=C(O)C=C1OC1=CC(O)=CC=C21 GNBHRKFJIUUOQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 3
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- BFMYDTVEBKDAKJ-UHFFFAOYSA-L disodium;(2',7'-dibromo-3',6'-dioxido-3-oxospiro[2-benzofuran-1,9'-xanthene]-4'-yl)mercury;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Na+].O1C(=O)C2=CC=CC=C2C21C1=CC(Br)=C([O-])C([Hg])=C1OC1=C2C=C(Br)C([O-])=C1 BFMYDTVEBKDAKJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 3
- XJMOSONTPMZWPB-UHFFFAOYSA-M propidium iodide Chemical compound [I-].[I-].C12=CC(N)=CC=C2C2=CC=C(N)C=C2[N+](CCC[N+](C)(CC)CC)=C1C1=CC=CC=C1 XJMOSONTPMZWPB-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 3
- JVBXVOWTABLYPX-UHFFFAOYSA-L sodium dithionite Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S(=O)S([O-])=O JVBXVOWTABLYPX-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 208000030507 AIDS Diseases 0.000 description 2
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- 108010061951 Methemoglobin Proteins 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 235000013365 dairy product Nutrition 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- MHMNJMPURVTYEJ-UHFFFAOYSA-N fluorescein-5-isothiocyanate Chemical compound O1C(=O)C2=CC(N=C=S)=CC=C2C21C1=CC=C(O)C=C1OC1=CC(O)=CC=C21 MHMNJMPURVTYEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 210000004698 lymphocyte Anatomy 0.000 description 2
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 2
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 210000000582 semen Anatomy 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- FWBHETKCLVMNFS-UHFFFAOYSA-N 4',6-Diamino-2-phenylindol Chemical compound C1=CC(C(=N)N)=CC=C1C1=CC2=CC=C(C(N)=N)C=C2N1 FWBHETKCLVMNFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ORILYTVJVMAKLC-UHFFFAOYSA-N Adamantane Natural products C1C(C2)CC3CC1CC2C3 ORILYTVJVMAKLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000035143 Bacterial infection Diseases 0.000 description 1
- 229920002799 BoPET Polymers 0.000 description 1
- 230000005653 Brownian motion process Effects 0.000 description 1
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010061218 Inflammation Diseases 0.000 description 1
- 108010064719 Oxyhemoglobins Proteins 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000427 antigen Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 1
- 208000022362 bacterial infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 238000009534 blood test Methods 0.000 description 1
- 210000000481 breast Anatomy 0.000 description 1
- 238000005537 brownian motion Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000004163 cytometry Methods 0.000 description 1
- 210000000805 cytoplasm Anatomy 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005292 diamagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012470 diluted sample Substances 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000004043 dyeing Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- ZMMJGEGLRURXTF-UHFFFAOYSA-N ethidium bromide Chemical compound [Br-].C12=CC(N)=CC=C2C2=CC=C(N)C=C2[N+](CC)=C1C1=CC=CC=C1 ZMMJGEGLRURXTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960005542 ethidium bromide Drugs 0.000 description 1
- 229910001448 ferrous ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000684 flow cytometry Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000002795 fluorescence method Methods 0.000 description 1
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000001215 fluorescent labelling Methods 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 210000003714 granulocyte Anatomy 0.000 description 1
- 238000012388 gravitational sedimentation Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000003862 health status Effects 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007124 immune defense Effects 0.000 description 1
- 230000008105 immune reaction Effects 0.000 description 1
- 238000010166 immunofluorescence Methods 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 210000002540 macrophage Anatomy 0.000 description 1
- 210000005075 mammary gland Anatomy 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 210000001616 monocyte Anatomy 0.000 description 1
- 210000000440 neutrophil Anatomy 0.000 description 1
- 239000001048 orange dye Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001454 recorded image Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000010186 staining Methods 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 235000008939 whole milk Nutrition 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
- G01N35/00029—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor provided with flat sample substrates, e.g. slides
- G01N35/00069—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor provided with flat sample substrates, e.g. slides whereby the sample substrate is of the bio-disk type, i.e. having the format of an optical disk
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
- G01N15/1429—Signal processing
- G01N15/1433—Signal processing using image recognition
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
- G01N35/00029—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor provided with flat sample substrates, e.g. slides
- G01N2035/00168—Manufacturing or preparing test elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0052—Optical details of the image generation
- G02B21/0076—Optical details of the image generation arrangements using fluorescence or luminescence
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Настоящото изобретение се отнася до устройство за броене на биологични клетки, суспендирани в течност, което може да използва, като флуоресцентна автоматизирана система за броене на клетки и може да намери приложение при броене и диференциране на микрочастици в биологични течности като мляко, кръв, урина, включително различаване на клетки от други частици, както и на различни видове клетки в сурови млечни проби.The present invention relates to a device for counting biological cells suspended in liquid, which can be used as a fluorescent automated cell counting system and can find application in counting and differentiating microparticles in biological fluids such as milk, blood, urine, including distinguishing cells from other particles as well as different cell types in raw milk samples.
Предшестващо състояние на техникатаPrior art
Сред много параметри, определящи качеството на млякото, броят на бактериалните (ВСС) и на соматичните клетки (SCC) са от изключително значение, тъй като те оказват значително влияние върху качеството на млечните продукти, като едновременно с това предоставят актуална информация за здравословното състояние на кравите.Among many parameters determining the quality of milk, bacterial count (BCC) and somatic cell count (SCC) are of extreme importance, as they have a significant impact on the quality of milk products, while at the same time providing up-to-date information on the health status of the the cows.
Общият брой на соматични клетки (SCC) е признат показател за здравето на кравите и качеството на млякото. Соматични клетки са бели кръвни клетки, известни като левкоцити (лимфоцити, гранулоцити, моноцити и макрофаги) и произхождат от вимето на животното, като броят им зависи от клетъчната имунна защита. Броят на тези клетки може да се увеличи в отговор на бактериални инфекции, които могат да причинят мастит. Именно по тази причина преброяването на соматични клетки, диференциалното броене и идентификацията на левкоцити в млякото е от съществено значение за диагнозата на мастит. SCC е показател за наличието на инфекция и възпаление на млечната жлеза на млечните крави, наречена мастит.Total somatic cell count (SCC) is a recognized indicator of cow health and milk quality. Somatic cells are white blood cells known as leukocytes (lymphocytes, granulocytes, monocytes and macrophages) and originate in the animal's udder, and their number depends on the cellular immune defense. The number of these cells can increase in response to bacterial infections that can cause mastitis. It is for this reason that the somatic cell count, differential count and identification of leukocytes in milk is essential for the diagnosis of mastitis. SCC is an indicator of the presence of infection and inflammation of the dairy cow's mammary gland, called mastitis.
Обикновено мляко от здрави крави има соматични клетки по-малко от 100,000 клетки/ml, стойности по-високи от 300,000 клетки/ ml показват заразени крави, а стойности над 1,000,000 клетки/ ml са типичен показател за болни крави. Граничната стойност за консумация от човека или за по нататъшна преработка в хранителни продукти за консумация от човека, е под 400,000 клетки/ ml в Европа, но може да бъде по-висока в САЩ. Като цяло, крави с SCC по-висок от 300,000 клетки/ ml се разглеждат като заразени (Smith, KL, в стандарти за соматични клетки в млякото: физиологични и Уредба (1996), Международната федерация на млечен мастит, Бюлетин Септември, стр. 7).Normal milk from healthy cows has somatic cells less than 100,000 cells/ml, values higher than 300,000 cells/ml indicate infected cows, and values above 1,000,000 cells/ml are typical of sick cows. The limit value for human consumption or for further processing into food products for human consumption is below 400,000 cells/ml in Europe, but may be higher in the USA. In general, cows with an SCC higher than 300,000 cells/ml are considered infected (Smith, KL, in Standards for somatic cells in milk: physiological and regulatory (1996), International Federation of Dairy Mastitis, Bulletin September, p. 7 ).
За да се оцени качеството на млякото е необходимо да се използват апарати, които позволяват да се извърши надеждно и точно броене на соматични клетки. През последните години са разработени преносими автоматични анализатори, по-специално флуоресцентни образни цитометри, на базата на директен микроскопски флуоресцентен метод за броене на соматични клетки, като по -известни устройства за такъв анализ са ADAM SCC, използващ цифрова технология за целите на броене и анализ; NucleoCounter SCC 100 Chemometec; DCC на DeLaval; и флуоресцентни устройства, базирани на проточна цитометрия: Somacount 150 Bentley инструменти; SomascopeTM на Delta Instruments, FossoMatic 4000TM на Foss Electric).In order to evaluate the quality of milk, it is necessary to use devices that allow a reliable and accurate somatic cell count to be performed. In recent years, portable automatic analyzers, in particular fluorescence imaging cytometers, have been developed based on a direct microscopic fluorescence method for counting somatic cells, the better known devices for such analysis being the ADAM SCC, using digital technology for counting and analysis purposes ; NucleoCounter SCC 100 Chemometec; DeLaval's DCC; and flow cytometry-based fluorescence devices: Somacount 150 Bentley instruments; Delta Instruments' SomascopeTM, Foss Electric's FossoMatic 4000TM).
Споменатите проточни автоматични анализатори се основават на монохромна флуоресценция и определят само общият брой на клетките. При тях пробата на потока минава през много малък диаметър, което позволява преминаване само на една клетка и прилагане на преброяването (Gunasekera Т. S. и др. 2003 г., Фън W. и др. 2004 г.). При споменатите анализатори, като маркери се използват флуоресцентни багрила: етидиев бромид, пропидиев йодид и DAPI (Gonzalo В. et al 2004, Wallen СА сътр 1982).The mentioned automatic flow analyzers are based on monochrome fluorescence and determine only the total number of cells. In these, the flow sample passes through a very small diameter, allowing only one cell to pass through and the count applied (Gunasekera T. S. et al. 2003, Feng W. et al. 2004). In the mentioned analyzers, fluorescent dyes are used as markers: ethidium bromide, propidium iodide and DAPI (Gonzalo B. et al 2004, Wallen CA et al 1982).
Пробите се вземат от индивидуални животни във фермите и се изпращат в централизирани лаборатории оборудвани с проточни цитометри за изброяване на общия брой соматични клетки.Samples are taken from individual animals on farms and sent to centralized laboratories equipped with flow cytometers to enumerate total somatic cells.
Скъпите анализи са свързани основно с наличните в момента технологии и автоматични анализаторни апарати, които са конструирани на базата на оптични или електрически измервания.Expensive analyzes are mainly related to currently available technologies and automatic analyzers that are constructed based on optical or electrical measurements.
Известни са апарати, при които се извършват оптични измервания, като за целта е необходимо първоначално, преди анализа, клетките да бъдат маркирани, поради което обикновено тези апарати използват скъпи химически реагенти или са предназначени за еднократна употреба.Apparatus are known in which optical measurements are performed, for which purpose it is necessary to initially label the cells before the analysis, which is why these apparatus usually use expensive chemical reagents or are designed for single use.
Известни са също така апарати, които работят на принципа на електрически измервания, при които резултатът се получава чрез измерване на съпротивление, при което наличието на други клетъчни млечни частици пречи и по тази причина те трябва да бъдат отстранени чрез прилагане на няколко етапа на центрофугиране. Именно поради това, такива устройства не могат да бъдат използвани директно, на място, при млекопроизводителя и се правят много усилия за опростяване на методите и намаляване на разходите за анализ.Apparatus are also known which work on the principle of electrical measurements, in which the result is obtained by measuring resistance, where the presence of other cellular milk particles interferes and for this reason they must be removed by applying several centrifugation steps. Precisely because of this, such devices cannot be used directly, on site, at the milk producer, and many efforts are made to simplify the methods and reduce the costs of analysis.
Известни са и се използват в практиката електронни инструменти, каквито са така наречените Coulter броячи, които могат да броят клетки и да ги определят по размер. Тъй като суровото мляко съдържа много частици, предимно мастни глобули с размер подобен на левкоцитите (5-10 μm), тези инструменти не осигуряват надеждно клетъчно броене, тъй като тези частици са повече от соматичните клетки и силно затрудняват точното измерване. Следователно, тези частици трябва да бъдат отделени от соматичните клетки преди измерването. Това се постига чрез центрофугиране, при което клетките се утаяват и мастните глобули се отделят от супернатантата.Electronic instruments such as so-called Coulter counters are known and used in practice, which can count cells and determine their size. Because raw milk contains many particles, mostly fat globules of a size similar to leukocytes (5-10 μm), these instruments do not provide a reliable cell count because these particles outnumber somatic cells and greatly complicate accurate measurement. Therefore, these particles must be separated from somatic cells before measurement. This is achieved by centrifugation, in which the cells are pelleted and the fat globules are separated from the supernatant.
Значителен брой методи са разработени за диференциално определяне на клетки с помощта на специфични антитела, които обаче имат приложение в областта на хуманната медицина, по -специално при обработване на кръвни проби. Тези методи дават много по-добра селективност и чувствителност на измерване, която се дължи на специфична имунна реакция антитяло-антиген. Herzenberg и Loken са разработили метод за преброяване на клетките с помощта на моноклонални антитела (Herzenberg Loken et all. 1976 & 1977), който се нарича двуцветна имунофлуоресценция.A significant number of methods have been developed for the differential determination of cells using specific antibodies, which, however, have application in the field of human medicine, in particular in the processing of blood samples. These methods give much better selectivity and sensitivity of measurement, which is due to a specific antibody-antigen immune reaction. Herzenberg and Loken developed a method for counting cells using monoclonal antibodies (Herzenberg Loken et al. 1976 & 1977) which is called two-color immunofluorescence.
Известни са множество апарати и патенти, базирани на образна цитометрия, за броене и диференциране на микрочастици в биологични течности, като мляко, кръв, урина и др. Например патент US 6919960 В2. Тези апарати използват микрофлуидни камери или слайдове, например патент US 4513438 за пробата и флуоресцентен микроскоп за заснемане на изображенията чрез CCD или CMOS сензор на микрочастиците. С помощта на процесорни устройства се извършва анализ на изображенията, броене и диференциране на микрочастиците в изследваната проба например патент US 4513438 АNumerous apparatus and patents based on image cytometry are known for counting and differentiating microparticles in biological fluids, such as milk, blood, urine, etc. For example, patent US 6919960 B2. These apparatuses use microfluidic cameras or slides, eg US patent 4513438 for the sample and a fluorescence microscope to capture the images via a CCD or CMOS sensor of the microparticles. With the help of processing devices, image analysis, counting and differentiation of microparticles in the examined sample is carried out, for example patent US 4513438 A
При използване на няколко осветителя, обикновено е нужно периодично да се променя емисионния филтър в оста на обектива, за да осигури преминаване на нужната дължина на вълната до сензора. Филтърните блокове могат да се заменят ръчно или с помощта на механично устройство, което сменя филтрите в обектива, и което най-често се управлява по електронен начин, както това е описано и показано на фигура 7 в патентна публикация US 9046489 B2.When using multiple illuminators, it is usually necessary to periodically change the emission filter in the lens axis to ensure that the required wavelength passes to the sensor. The filter units can be changed manually or by means of a mechanical device that changes the filters in the lens, and which is most often electronically controlled, as described and shown in figure 7 in patent publication US 9046489 B2.
Освен това част от тези апарати заснемат само едно изображение от пробата, а това води до нисък коефициент на вариация. Коефициентът на вариация, според разпределението на Поасон, зависи от броя на изброените частици в пробата. За проби с ниско съдържание на частици, под 10000 в ml кръв, (например при пациенти със СПИН) или за силно разредени проби заснемането на едно, две или три изображения върху различни места на пробата, (както е описано в US 20120223260 и US 20120314092) не е достатъчно за получаването на приемливи коефициенти на вариация. Следователно, за получаването на измерване с повисока степен на точност, е подходящо да се извърши заснемане на по-голям брой полета от пробата, като за целта чипът с изследваната проба трябва да се премества.In addition, some of these devices capture only one image of the sample, resulting in a low coefficient of variation. The coefficient of variation, according to the Poisson distribution, depends on the number of particles counted in the sample. For samples with low particle content, below 10000 per ml of blood, (e.g. from AIDS patients) or for highly diluted samples, capturing one, two or three images on different locations of the sample, (as described in US 20120223260 and US 20120314092 ) is not sufficient to obtain acceptable coefficients of variation. Therefore, in order to obtain a measurement with a higher degree of accuracy, it is appropriate to carry out imaging of a larger number of fields from the sample, and for this purpose the chip with the examined sample must be moved.
В известните устройства се използват оптични системи, които имат дълбочина на фокуса от 20-100 μm, при което, ако пробата излиза от този диапазон, заснемането на изображение на фокус не е възможно. Едновременно с това, при оптимална дълбочина на микрофлуидната камера в рамките на 50 μm и по-малко, е необходимо да се използва система за фокусиране. В зависимост от конкретното изпълнение на устройството е възможно да се използват системи с ръчно или механично фокусиране, като в последните се използват микродвигатели или ръчни системи. Недостатък на механичните системи за фокусиране, осигуряващи необходимата микронна прецизност, е тяхната висока стойност.Known devices use optical systems that have a depth of focus of 20-100 μm, where if the sample falls outside this range, capturing an in-focus image is not possible. At the same time, with the optimal depth of the microfluidic chamber within 50 μm and less, it is necessary to use a focusing system. Depending on the specific implementation of the device, it is possible to use manual or mechanical focusing systems, the latter using micromotors or manual systems. A disadvantage of mechanical focusing systems providing the required micron precision is their high cost.
Известно е, че коефициентът на вариации зависи, според разпределението на Поасон, от броя на преброени частици. При големи увеличения, например 10 пъти, сканираният обем проба пред обектива е недостатъчен за достигане на необходимия коефициент на вариация. При тази ситуация е необходимо да се увеличи броят на заснетите полета. Това води до неприемливо нарастване на времето за анализ. От друга страна, при морфологичен анализ на клетките и/или двуцветно диференциално броене на левкоцити, например в кръв или мляко, трябва да се използва оптично увеличение 10 или повече.It is known that the coefficient of variation depends, according to the Poisson distribution, on the number of particles counted. At high magnifications, for example 10x, the scanned sample volume in front of the objective is insufficient to reach the required coefficient of variation. In this situation, it is necessary to increase the number of captured fields. This results in an unacceptable increase in analysis time. On the other hand, in morphological analysis of cells and/or two-color differential counting of leukocytes, for example in blood or milk, an optical magnification of 10 or higher should be used.
Когато е нужно прецизно броене с нисък коефициент на вариация, без диференциране, подходящо е да се използва увеличение от 1 до 4 пъти. Обикновено познатите системи използват заменяеми оптични обективи с фиксирано увеличение или скъпи механични системи за зум.When precise counting with a low coefficient of variation is required, without differentiation, a magnification of 1 to 4 times is appropriate. Commonly known systems use interchangeable fixed zoom optical lenses or expensive mechanical zoom systems.
Известна е патентна публикация US 20120223260, отнасяща се до метод и система за определяне на частици в течна проба, при които се заснема само едно поле от пробата, като при такива системи практически отсъства необходимост от автофокусиране на изображението. В случай че при изследване на пробата тя трябва да се премества, това автоматично изисква фокусиране на изображението. При преместване на чипа с пробата чрез XY маса е задължително да е предвидено фокусиране на изображението поради факта, че при преместването на чипа с пробата се наблюдава натрупване на грешка по оста Z, която се формира от грешка при преместване на XY масата и грешка от деформиране на пластмасовите микрофлуидни чипове, като грешката най-често надвишава 100 мкм по оста Z, което от своя страна води до неточност на броенето на клетките.Patent publication US 20120223260 is known, relating to a method and system for determining particles in a liquid sample, in which only one field of the sample is imaged, and in such systems there is practically no need for autofocusing the image. If the sample needs to be moved during examination, this automatically requires focusing the image. When moving the sample chip by XY table, it is mandatory to provide image focusing due to the fact that when moving the sample chip, there is an accumulation of error along the Z axis, which is formed by XY table moving error and deformation error of the plastic microfluidic chips, with the error most often exceeding 100 μm along the Z-axis, which in turn leads to inaccuracy in cell counting.
Пример на XY маса за предвижване на последователни подрегиони на пробата пред обектива на микроскопа се съдържат в патентна публикация US 7327901B2.An example of an XY table for moving successive sub-regions of the sample in front of the microscope objective is contained in patent publication US 7327901B2.
Известна е патентна публикация US 7411680 B2 (CN 100520374 С), в която е описано устройство за броене на микрочастици, състоящо се от: източник на светлина; чип, съдържащ проба с микрочастици; обектив на микроскоп, микрофлуидна камера, заснемаща CCD камера, преброяваща част и механизъм за преместване на позицията на чипа. Преместването на чипа с пробата се извършва чрез маса, която е с възможност за преместване по осите XY чрез винтов или друг механизъм. Недостатък на описаното устройство е недостатъчната точност на броене на микрочастиците, която се дължи на отсъствието на техническа възможност за фокусиране на изображението, в резултат на което при придвижването на масата по XY се формира грешка, която допълнително се увеличава от деформирането на пластмасовите микрофлуидни чипове, при което споменатите грешки се натрупват като грешката по оста Z, която често надвишава 100 микрометра по оста Z.Patent publication US 7411680 B2 (CN 100520374 C) is known, in which a microparticle counting device is described, consisting of: a light source; a chip containing a sample with microparticles; a microscope lens, a microfluidic camera, a capturing CCD camera, a counting part, and a mechanism for moving the chip position. The movement of the chip with the sample is done by means of a table which is capable of being moved along the XY axes by means of a screw or other mechanism. A disadvantage of the described device is the insufficient accuracy of counting microparticles, which is due to the absence of a technical possibility to focus the image, as a result of which an error is formed when moving the table along XY, which is further increased by the deformation of the plastic microfluidic chips. wherein said errors accumulate as the Z-axis error, which often exceeds 100 micrometers in the Z-axis.
С помощта на споменатият винтов механизъм позицията на чипа се премества на предварително определени координати, през предварително определен интервал от време, за да може дадена област от чипа, която се намира в непосредствена близост до заснеманият район, да бъде изместена до точката, където пада светлината от източникът на светлина и е в обхвата на полезрението на обектива. По този начин отделните подобласти в чипа се заснемат еднократно, последователно, като се изчислява броят на микро частици във всяка (подзона) подобласт и впоследствие се сумират, за да се изчисли общия брой на микрочастици в дадена проба.By means of said screw mechanism, the position of the chip is moved to predetermined coordinates, at a predetermined time interval, so that an area of the chip that is in close proximity to the imaged area can be shifted to the point where the light falls from the light source and is in the field of view of the lens. In this way, individual subregions in the chip are imaged once, sequentially, counting the number of microparticles in each (subzone) subregion and subsequently summed to calculate the total number of microparticles in a given sample.
Описаният метод за последователно наблюдение или заснемане само на една снимка и последващо изчисляване на броя на микрочастиците в отделните последователни полета и в пробата, като цяло е известен и детайлно разкрит в приетите и прилагани като задължителен стандарт ISO 133666 методики за използване на Неубайер камера.The described method of sequentially observing or capturing only one picture and subsequently calculating the number of microparticles in the individual consecutive fields and in the sample is generally known and disclosed in detail in the accepted and implemented as a mandatory standard ISO 133666 methods for using a Neubayer camera.
Такъв метод на заснемане и броене на микрочастици е разкрит още и в патентна публикация RU 2147123 C1 по-специално в първа независима претенция, където са описани в последователност операциите, които се извършват за целите на изброяване на макрочастици, съдържащи се в едно заснето поле, като част от основната претенция с приоритетна дата 1998 г. и в описанието на патент US 4513438 A „Automated microscopy system and method for locating and re-locating objects in an image”.Such a method of photographing and counting microparticles is also disclosed in patent publication RU 2147123 C1, in particular in a first independent claim, where the operations that are carried out for the purpose of enumerating macroparticles contained in a photographed field are described in sequence, as part of the main claim with a priority date of 1998 and in the description of patent US 4513438 A "Automated microscopy system and method for locating and re-locating objects in an image".
Описаните методи на заснемане и броене на частиците освен, че са известни, също така се свързват с недостатъци, които се изразяват основно в недостатъчна точност на броенето на микрочастиците поради следното: както вече беше изложено, методът за заснемане на единични последователни изображения от пробата не осигурява необходимите условия за точно изброяване на микрочастиците, тъй като при отсъствие на механична система за фокус, единично заснетото изображение, при използване на механизъм за преместването на полимерни чипове по XY, не е на фокус, съответно не позволява качествено и точно изброяване. Към тази базисна неточност е правилно да се добавят присъщите отклонения от фокалната равнина - над 100 pm, в резултат на което изброяването и анализирането на микрочастиците, особено в разтвор е силно затруднено или компрометирано от гледна точка на точност на изброяването.The described methods of photographing and counting the particles, besides being known, are also associated with disadvantages, which are mainly expressed in insufficient accuracy of the counting of microparticles due to the following: as already stated, the method of capturing single consecutive images of the sample does not provides the necessary conditions for accurate enumeration of microparticles, since in the absence of a mechanical focus system, the single captured image, when using a mechanism for moving polymer chips along XY, is not in focus, and therefore does not allow for high-quality and accurate enumeration. To this basic inaccuracy it is correct to add the inherent deviations from the focal plane - over 100 pm, as a result of which the enumeration and analysis of the microparticles, especially in solution, is greatly hindered or compromised in terms of enumeration accuracy.
Освен това при броене на микрочастици в течни среди с различни коефициенти на пречупване и фиксирано механично фокусно разстояние е установено, че фокуса се променя при промяна на средата. В резултат на това при последователни единични заснети полета от пробата, част от тях са „извън” фокус, което затруднява или компрометира изброяването. Например при броене на соматични клетки в пълномаслено мляко, коефициент на пречупване е 1.460 при 633 nm, а при броене на дрожди на бирена мая във воден разтвор коефициентът на пречупване е 1.340.Furthermore, when counting microparticles in liquid media with different refractive indices and a fixed mechanical focal length, it was found that the focus changes as the media changes. As a result, in consecutive single captured fields from the sample, some of them are "out of focus", making enumeration difficult or compromised. For example, when counting somatic cells in whole milk, the refractive index is 1.460 at 633 nm, and when counting brewer's yeast in aqueous solution, the refractive index is 1.340.
Друг недостатък на изброяването при използване на известните устройства и прилагане на описаните вече методи е свързан с вида на използваните флуоресцентни багрила. При едновременно използване на две или повече флуоресцентни багрила с различна емисия (например FITC-530 nm за първото багрило и Propidium Iodide - 620 nm за второто багрило) за маркиране на биологичните микрочастици в течни или изсушени монослойни проби, ако частиците светещи с дължина на вълната 530 nm са на фокус, то тези светещи с дължина на вълната 620 nm не са фокусирани поради хроматичните аберации в обектива и в резултат на това изброяването на клетките в голяма част от единично заснетите образи на последователни полета от пробата ще са компрометирани за броене.Another drawback of enumeration when using the known devices and applying the methods already described is related to the type of fluorescent dyes used. When simultaneously using two or more fluorescent dyes with different emission (eg FITC-530 nm for the first dye and Propidium Iodide - 620 nm for the second dye) to label the biological microparticles in liquid or dried monolayer samples, if the particles glow with a wavelength 530 nm is in focus, then those 620 nm wavelengths are out of focus due to chromatic aberrations in the lens, and as a result cell enumeration in a large proportion of single imaged sequential fields of the sample will be compromised for counting.
При друго вариантно изпълнение на описаният апарат се заснемат повече изображения, като микрофлуидна камера с изследваната проба се придвижва пред обектива на микроскопа, а за целите на заснемане на по-голям обем проба придвижването се извършва посредством подвижна по XY маса.In another variant implementation of the described apparatus, more images are captured, as a microfluidic camera with the examined sample is moved in front of the microscope lens, and for the purposes of capturing a larger volume of sample, the movement is performed by means of a movable XY table.
Осъществяване преместване на пробата с микрочастици посредством преместване по XY маса е известно още и от патент RU 2147123 С1, и от патент US 4513438.Carrying out movement of the sample with microparticles by means of movement along an XY table is also known from patent RU 2147123 C1 and from patent US 4513438.
Известното устройство за броене на микрочастици от патента US 7411680 B2 (CN 100520374 С) има редица конструктивни недостатъци, които не позволяват да се постигне точно измерване и изброяване на микрочастиците поради следното: дори и при много прецизно изпълнение на механизмите за преместване на чипа, повърхността на XY масата има отклонение спрямо обектива над 10 pm, което заедно с технологичната кривина на микрофлуидния чип определя отклонение, което обикновено надвишава 50 pm. Такова отклонение от равнината на обектива води до изображение, което не е «на фокус» и влияе на софтуерното броене на микрочастиците, като снижава значително прецизността. В коментираното тук устройство не е предвиден механизъм за фокусиране на изображението.The known device for counting microparticles from patent US 7411680 B2 (CN 100520374 C) has a number of design flaws that do not allow to achieve accurate measurement and enumeration of microparticles due to the following: even with a very precise implementation of the mechanisms for moving the chip, the surface the XY table has a deviation from the lens of more than 10 pm, which together with the technological curvature of the microfluidic chip determines a deviation that typically exceeds 50 pm. Such deviation from the objective plane results in an image that is not «in focus» and affects the software counting of microparticles, significantly reducing the precision. No image focusing mechanism is provided in the device discussed here.
Друг недостатък на известното устройство, описано в US 7411680 (CN 100520374 С) е свързан с взаимното разположение на някои от съществените елементи, а именно, че осветителят е разположен пред обектива и зад микрофлуидната камера. Такова взаимно разположение на осветителя спрямо другите елементи преопределя недостатък като този, че устройството трябва задължително да използва микрофлуиден чип, съставен от две прозрачни повърхности.Another disadvantage of the known device described in US 7411680 (CN 100520374 C) is related to the mutual arrangement of some of the essential elements, namely that the illuminator is located in front of the objective and behind the microfluidic chamber. Such a mutual arrangement of the illuminator in relation to the other elements redefines a disadvantage such that the device must necessarily use a microfluidic chip composed of two transparent surfaces.
Осветяването на пробата е от особена важност за активирането на флуорохромите в пробата. В патентните публикации US 7411680 В2, US 6970246 В2, US 20110211058 A1 са показани различни методи на осветяване на пробата с лампи или LED, а в патента US 2015/0053872 А1 е описан LED осветител с повишена мощност чрез мултиплициране на няколко светодиодни кристала. Описан е още и метод за осъществяване на равномерно осветяване на обекта чрез поставяне на два масива микролещи и поляризаторен филтър между тях. Такива осветители имат недостатъка, че е много трудно светлината да се фокусира върху обекта в петно по малко от 4 mm. При по високи увеличения на обектива, например над 5 пъти, наблюдаваното поле е под 1 mm и голяма част от светлината не се използва за активиране на флуорохромите в пробата. Лазерните осветители могат да фокусират светлината в много по-малки петна, например 100 pm и да колимират светлината с една единствена асферична леща до необходимия диаметър, например 5 mm. Така цялата енергия на източника на светлина може да се използва за активиране на флуорохромното багрило в полезрението на флуоресцентния микроскоп. Големия избор на дължини на вълната и мощности на съвременните диодни лазери, позволява да се избере най-подходящата дължина на вълната за избрания флуорохром. Лазерните диоди имат много тясна ивица на излъчване, само от няколко нанометра, което позволява да се използват без скъп, тънкослоен абсорбционен филтър, като по този начин се постига допълнително поевтиняване на осветителя в сравнение с базираните на LED системи. Лазерните осветители имат и един голям недостатък, затрудняващ използването им, като осветители в образните флуоресцентни микроскопски системи, а именно “speckle pattern” ефект. Върху плоскостта на пробата осветителното петно не е хомогенно. При увеличение се забелязват светли и тъмни петна, като неравномерното осветяване води до намалена емисия на обектите или техните части попаднали в петната с ниска осветеност.Illumination of the sample is of particular importance for the activation of the fluorochromes in the sample. The patent publications US 7411680 B2, US 6970246 B2, US 20110211058 A1 show different methods of illuminating the sample with lamps or LEDs, and the patent US 2015/0053872 A1 describes an LED illuminator with increased power by multiplying several LED crystals. Also described is a method for achieving uniform illumination of the object by placing two arrays of microlenses and a polarizing filter between them. Such illuminators have the disadvantage that it is very difficult to focus the light on the object in a spot of less than 4 mm. At higher objective magnifications, for example above 5x, the field of view is less than 1 mm and much of the light is not used to activate the fluorochromes in the sample. Laser illuminators can focus light into much smaller spots, eg 100 pm, and collimate the light with a single aspherical lens to the required diameter, eg 5 mm. Thus, all the energy of the light source can be used to activate the fluorochrome dye in the field of view of the fluorescence microscope. The large selection of wavelengths and powers of modern diode lasers allows choosing the most suitable wavelength for the selected fluorochrome. Laser diodes have a very narrow emission band, of only a few nanometers, which allows them to be used without an expensive, thin-film absorption filter, thereby further reducing the cost of the illuminator compared to LED-based systems. Laser illuminators also have one major drawback, making it difficult to use them as illuminators in imaging fluorescence microscopy systems, namely the "speckle pattern" effect. On the plane of the sample, the illumination spot is not homogeneous. At magnification, bright and dark spots are noticed, and uneven illumination leads to a reduced emission of objects or their parts caught in the spots with low illumination.
Подходящо е да се обърне внимание на обстоятелството, че за целите на получаване на качествено изображение при тази конфигурация на осветител и обектив трябва да се използва микрофлуидна камера, която е прозрачна за дължината на възбуждащия осветител. Използването на микрофлуидни камери, изпълнени с две прозрачни повърхности значително увеличава стойността на консуматива, тъй като за слепването на споменатите прозрачни повърхности се използват скъпи, сложни и ненадеждни методи за слепване, обикновено чрез лепене с течни или сухи лепила, каквито са описани в патентни публикации US 20040145805 A1, US 20120223260 A1, US 7842157 В2 и US8808642 B2.It is worth noting that for the purpose of obtaining a quality image with this illuminator and lens configuration, a microfluidic chamber that is transparent to the length of the excitation illuminator must be used. The use of microfluidic chambers filled with two transparent surfaces significantly increases the cost of the consumable, since the bonding of said transparent surfaces requires expensive, complicated and unreliable bonding methods, usually by bonding with liquid or dry adhesives, as described in patent publications US 20040145805 A1, US 20120223260 A1, US 7842157 B2 and US8808642 B2.
Друг недостатък на известното устройство за броене на микрочастици е свързан отново с описаното вече взаимно разположение на елементите, както и с вида им. Така например при попадане на част от емитираната светлина в равнината на обектива с ъгъл 90o, съответно попадането и през филтъра на CCD или CMOS матрица, съотношението сигнал-шум драстично намалява. Като се има предвид факта, че някои от флуоресцентните багрила, като например масово използвания пропидиум йодид, имат висока собствена флуоресценция в разтвор, това предопределя недобро качество на заснемането, съответно силно затруднява последващата софтуерна обработка на изображението.Another drawback of the known device for counting microparticles is related again to the already described mutual arrangement of the elements, as well as to their type. For example, when a part of the emitted light hits the plane of the lens with an angle of 90 o , correspondingly it also hits the filter of a CCD or CMOS matrix, the signal-to-noise ratio drastically decreases. Taking into account the fact that some of the fluorescent dyes, such as the widely used propidium iodide, have a high intrinsic fluorescence in solution, this predetermines poor quality of the capture, accordingly, it greatly complicates the subsequent software processing of the image.
Известните устройства за диференциално броене се използват и при анализ и броене на проби, при което е необходимо прецизно изброяване на маларийните плазмодии, развиващи се във вътрешността на червените кръвни клетки или залепени на тяхната повърхност, когато в устройството се използва флуоресцентен микроскоп. В такива случаи е желателно фиксиране на червените кръвни телца, особено при големи времена на експозиция на CMOS камера.Known differential counting devices are also used in sample analysis and counting where precise enumeration of malarial plasmodia growing inside or attached to red blood cells is required when a fluorescent microscope is used in the device. In such cases, fixation of the red blood cells is desirable, especially for long CMOS camera exposure times.
Известна е патентна публикация US 10093957 В2, в която е описан метод за формиране на монослой еритроцити на дъното на микрофлуидна камера посредством гравитационно утаяване на еритроцитите със скорост 1 pm/s. Тази скорост на утаяване не е достатъчна особено при микрофлуидни камери с дебелина над 100 pm и води до забавяне на броенето при висок брой проби.Patent publication US 10093957 B2 is known, in which a method is described for forming a monolayer of erythrocytes at the bottom of a microfluidic chamber by means of gravitational sedimentation of erythrocytes at a speed of 1 pm/s. This sedimentation rate is not sufficient especially for microfluidic chambers with a thickness greater than 100 pm and leads to a delay in counting at high sample numbers.
Допълнително се усложнява конструктивното изпълнение на устройството, свързано и с използваната за преместване на изследваната проба XY маса. За да се осигури преминаването на светлината през XY масата и чипа, трябва да се освободи цялата заснемана площ под микрофлуидния чип. При необходимост от осветяване с няколко осветителя, с различна дължина на вълната такова преместване е особено сложно за изпълнение от техническа гледна точка, включително и заради необходимостта да се постигне компактна по размери конструкция на устройствотоThe design of the device is additionally complicated, related to the XY table used to move the examined sample. To ensure the passage of light through the XY table and the chip, the entire imaged area under the microfluidic chip must be freed. In the case of the need for lighting with several illuminators, with different wavelengths, such relocation is particularly difficult to implement from a technical point of view, including due to the need to achieve a compact design of the device
Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention
Описаното до тук известно ниво на техниката в разглежданата област, показва необходимост да се предложи широкоспектърно устройство за диференциално броене на микрочастици в биологични течности, което да осигурява висока степен на точност на броене на микрочастиците, както и детайлно анализиране на различни проби съдържащи биологични микрочастици - мляко, ферментируеми течности, кръв, сперма и др., включително диференциално броене на биологични микрочастици, като соматични клетки в мляко, левкоцити в кръвта, телесни клетки, алги и дрожди. Устройството трябва да е технологично, изградено от евтини и достъпни елементи, чието взаимно разполагане да позволява оптимизиране качествата на оптичната система по отношение на автофокусиране и увеличаване на изображението, което е от съществено значение при заснемането, броенето и анализа на различни по вид и състав биологични течности, както и да използва чип, чието преместване гарантира точно позициониране на образец от пробата спрямо обектива и камерите за заснемане.The state of the art in the subject area described so far shows a need to offer a wide-spectrum device for differential counting of microparticles in biological fluids, which provides a high degree of accuracy of counting microparticles, as well as detailed analysis of various samples containing biological microparticles - milk, fermentable fluids, blood, semen, etc., including differential counting of biological microparticles, such as somatic cells in milk, leukocytes in blood, body cells, algae and yeast. The device must be technological, built from cheap and accessible elements, the mutual arrangement of which allows optimizing the qualities of the optical system in terms of autofocus and image magnification, which is essential in the capture, counting and analysis of different types and composition of biological liquids, as well as to use a chip whose displacement ensures precise positioning of the sample relative to the lens and imaging cameras.
Задачата се решава с устройство за диференциално броене на микро частици в биологични течности, състоящо се от корпус, в който са разположени: обектив, под който е поместен чип с микрофлуидни камери, в които е поместена проба от биологична течност, подлежаща на изследване, заснемаща CCD или CMOS камера, преброяваща част и механизъм за преместване на пробата, при което към пробата е насочен осветител.The task is solved with a device for differential counting of microparticles in biological fluids, consisting of a housing in which they are located: a lens, under which is placed a chip with microfluidic cameras, in which a sample of biological fluid to be studied is placed, capturing A CCD or CMOS camera, a counting part, and a sample moving mechanism where an illuminator is directed at the sample.
Съгласно изобретението, в обектива са разположени оптичен филтър и най-малко една течна леща, а чипът е изпълнен като CD базиран чип, с кръгла форма, по която са оформени микрофлуидни камери, разположени по периферията на чипа, който е свързан директно със задвижващ двигател, при което осветителят е най-малко един и е разположен над равнината, в която е разположен CD базираният чип, като е ориентиран под ъгъл така, че да осигурява ъгъл на осветяване с минимално отражение, а преброяващата част е изпълнена, като микропроцесор, свързан и с генератор, управляващ течните лещи.According to the invention, an optical filter and at least one liquid lens are located in the lens, and the chip is implemented as a CD-based chip, with a circular shape, on which microfluidic chambers are formed, located on the periphery of the chip, which is directly connected to a drive motor , wherein the illuminator is at least one and is located above the plane in which the CD-based chip is located, being oriented at an angle to provide an illumination angle with minimum reflection, and the counting part is implemented as a microprocessor connected and with a generator driving the liquid lenses.
Съгласно едно предпочитано вариантно изпълнение на устройството съгласно изобретението, оптичната система включва три флуоресцентни тънкослойни филтъра, разположени последователно един след друг в оста на оптичния микроскоп, като всеки от тях свързан със стъпков двигател, осигуряващ завъртане на флуоресцентните тънкослойни филтри от 0-90o.According to a preferred variant embodiment of the device according to the invention, the optical system includes three fluorescent thin-film filters, located one after the other in the axis of the optical microscope, each of them connected to a stepper motor, ensuring rotation of the fluorescent thin-film filters from 0-90 o .
Съгласно едно вариантно изпълнение на устройството, в горната част на обектива са разположени една под друга две течни лещи, а в долният край на обектива е разположена една течна леща, при което между горно разположените течни лещи и долно разположената течни лещи е монтиран оптичен филтър и обектив, включващ две ахроматични лещи.According to a variant embodiment of the device, two liquid lenses are located one below the other in the upper part of the lens, and one liquid lens is located in the lower end of the lens, wherein an optical filter is installed between the upper liquid lenses and the lower liquid lens and a lens comprising two achromatic lenses.
За предпочитане е оптичният филтър да е еднолентов или многолентов оптичен филтър.Preferably, the optical filter is a single-band or multi-band optical filter.
Течната леща е свързана с генератор с променливо стъпаловидно напрежение от 0-70 V и честота 1 kHz.The liquid lens is connected to a generator with a variable step voltage of 0-70 V and a frequency of 1 kHz.
Осветителят се състои от последователно разположени един пред друг източник на светлина, колимираща леща, лентов оптичен филтър и фокусираща леща.The illuminator consists of a light source, a collimating lens, a band optical filter, and a focusing lens, which are placed in series in front of each other.
За предпочитане е в качеството на източник на светлина да се използва LED, например Luxeon, или диодно лазерен източник на светлина.It is preferable to use an LED, for example Luxeon, or a diode laser light source as the light source.
Съгласно едно вариантно изпълнение на устройството, в качеството на източник на светлина се използва лазерен осветител, разположен под ъгъл спрямо пробата.According to a variant embodiment of the device, a laser illuminator positioned at an angle to the sample is used as a light source.
За предпочитане е да се използва въртящ се дифузьор, изпълнен във формата на диск, разположен на пътя на кохерентното лазерно излъчване, като дифузьора е разположен преди или след колимиращата асферична леща.It is preferable to use a rotating diffuser made in the form of a disk located in the path of the coherent laser radiation, the diffuser being located before or after the collimating aspherical lens.
Съгласно едно предпочитано изпълнение CD базираният чип се състои от горна част, изпълнена от РММА полимер, с оптически прозрачна повърхност и долна, непрозрачна част, изпълнена от черен ABS полимер. Двата елемента са оформени и свързани чрез лазерно заваряване така, че след свързването им чрез заваряване, с дължина на вълната на лазера 800-1050 nm, в пространството между тях се образуват микрофлуидни канали 15 с височина 50 pm, в които е поместена смес от проба от биологична течност, флуоресцентни багрила или флуоресцентно маркирани антитела.According to a preferred embodiment, the CD-based chip consists of an upper part made of PMMA polymer with an optically transparent surface and a lower, opaque part made of black ABS polymer. The two elements are shaped and connected by laser welding so that after welding them together, with a laser wavelength of 800-1050 nm, microfluidic channels 15 with a height of 50 pm are formed in the space between them, in which a sample mixture is placed from biological fluid, fluorescent dyes or fluorescently labeled antibodies.
Съгласно едно вариантно изпълнение CD базираният чип се състои от две части, съответно горна с прозрачна повърхност и долна с непрозрачна повърхност, при което между повърхностите на споменатите две части се формират смесителни камери. Споменатите смесителни камери са запълнени с проба, обект на изследване и сухи флуоресцентни багрила и/или флуоресцентно маркирани антитела, при което смесителните камери са свързани чрез хидрофобни канали с микрофлуидна камера, a CD базираният чип е монтиран към въртяща се ос, свързана със задвижващ двигател.According to a variant embodiment, the CD-based chip consists of two parts, respectively an upper one with a transparent surface and a lower one with an opaque surface, whereby mixing chambers are formed between the surfaces of said two parts. Said mixing chambers are filled with a sample, a test subject, and dry fluorescent dyes and/or fluorescently labeled antibodies, wherein the mixing chambers are connected via hydrophobic channels to a microfluidic chamber, and the CD-based chip is mounted to a rotating axis connected to a drive motor .
Задвижващият двигател за предпочитане е стъпков двигател и е свързан директно със CD базирания чип.The drive motor is preferably a stepper motor and is connected directly to the CD based chip.
Съгласно друго вариантно изпълнение на CD базираният чип, в изследваната проба с кръв се добавя натриев нитрит или натриев дитионит, при което CD базираната микрофлуидна камера 4 с пробата разредена кръв се разполага върху неодимов магнит 37 (фиг.16).According to another variant embodiment of the CD-based chip, sodium nitrite or sodium dithionite is added to the examined blood sample, whereby the CD-based microfluidic chamber 4 with the diluted blood sample is placed on a neodymium magnet 37 (Fig. 16).
Устройството работи ефективно и при използване на чип с правоъгълна форма, съставен от две части, съответно горна прозрачна част и долна непрозрачна част. Двата елемента са оформени и свързани чрез лазерно заваряване така, че след свързването им в пространството между тях се образуват камери с височина 50 μm, в които се пипетира смес от проба от биологична течност, флуоресцентни багрила или флуоресцентно маркирани антитела. Правоъгълният чип е поместен върху подвижна XY маса, разположена под осветителите и обектива, в който са монтирани многолентов оптичен филтър и течна леща.The device also works efficiently when using a rectangular-shaped chip composed of two parts, an upper transparent part and a lower opaque part, respectively. The two elements are shaped and connected by laser welding in such a way that, after joining them, 50 μm high chambers are formed in the space between them, into which a mixture of biological fluid sample, fluorescent dyes or fluorescently labeled antibodies is pipetted. The rectangular chip is placed on a movable XY stage located below the illuminators and the objective, in which a multiband optical filter and liquid lens are mounted.
Устройството за диференциално броене на микрочастици в биологични течности, съгласно изобретението, се отличава с компактна конструкция, като взаимното разполагане на елементите позволява точно измерване и анализ на микрочастиците в обработваните проби. Използват се елементи с високо качество и ниска стойност, в резултат на което се получава апарат, който осигурява технически възможности за получаване на качествени изображения при заснемане и обработване на проби. За подобряване на качеството на изображението се използват течни лещи, с малки размери, като са разположени в обектива на микроскопа по начин, по който осигуряват едновременно фокусиране и увеличение на изображението.The device for differential counting of microparticles in biological fluids, according to the invention, is distinguished by a compact design, and the mutual arrangement of the elements allows accurate measurement and analysis of the microparticles in the processed samples. High-quality and low-cost elements are used, resulting in an apparatus that provides technical capabilities for obtaining quality images when capturing and processing samples. To improve the quality of the image, liquid lenses are used, with small dimensions, which are located in the objective of the microscope in such a way as to provide simultaneous focusing and magnification of the image.
Същевременно, управлението на течната леща позволява времето за автофокус да е от порядъка на милисекунди. Размерът на течната леща позволява още и да се вгражда и при конструирането на мобилни и «ханд хелд» уреди за измерване на малки частици.At the same time, the control of the liquid lens allows the autofocus time to be on the order of milliseconds. The size of the liquid lens also allows it to be incorporated in the construction of mobile and handheld devices for measuring small particles.
В предложеното устройство се използва принципно нов и различен модел чип със CD базирани микрофлуидни камери, чието позициониране пред обектива за заснемането на изображение зависи само от точността на изработка на микрофлуидната камера, което от своя страна автоматично води до намаляване изискванията към автофокусиращата система. Едновременно с това значително е опростено позиционирането на микрофлуидната камера пред обектива - само чрез завъртане на CD базираният чип, като само в определени случаи се налага минимално преместване по оста X, което може да се извърши с достъпни технически средства, например: мини стъпков двигател NEMA8 за въртящата се ос и мини-серво двигател DS-5001HV по оста X, като този начин на преместване на X оста може да осигури преместване до 10 mm.In the proposed device, a fundamentally new and different model chip with CD-based microfluidic cameras is used, the positioning of which in front of the lens for capturing an image depends only on the accuracy of the microfluidic camera, which in turn automatically leads to a reduction in the requirements for the autofocus system. At the same time, the positioning of the microfluidic camera in front of the lens is greatly simplified - just by rotating the CD-based chip, only in certain cases requiring a minimal movement along the X-axis, which can be done with affordable technical means, for example: a NEMA8 mini stepper motor for the rotary axis and mini-servo motor DS-5001HV along the X axis, this way of moving the X axis can provide up to 10mm of movement.
При реализиране на вариантното изпълнение с използване на три въртящи се последователно разположени тънкослойни филтъра се създават условия да се постигне регулирано пропускане в диапазона от 440 nm до 660 nm, със стъпка 2 nm. Такова дискретно регулиране на полосата на пропускане на флуоресцентната емисия позволява прецизно настройване на съотношението сигнал/шум на изображението на клетките в система за многоцветно флуоресцентно маркиране с различни по емитирана дължина флуорохроми и няколко LED или лазерни излъчвателя с различни дължини на вълната, което е по-контрастно в сравнение с използване на неоптимален филтър за емисията за избраното флуорохром. Контрастното изображение облекчава софтуерния анализ на флуоресцентните изображения.When implementing the variant embodiment using three rotating sequentially located thin-film filters, conditions are created to achieve regulated transmission in the range from 440 nm to 660 nm, with a step of 2 nm. Such discrete bandpass tuning of the fluorescence emission allows fine-tuning of the signal-to-noise ratio of the cell image in a multicolor fluorescent labeling system with different emission wavelength fluorochromes and several LEDs or laser emitters with different wavelengths, which is more in contrast to using a suboptimal emission filter for the selected fluorochrome. Contrast imaging facilitates software analysis of fluorescence images.
Качеството на работа на устройството за диференциално броене допълнително се подобрява при използването на лазерен осветител, разположен под ъгъл спрямо пробата. При правилно избрана скорост на въртене на въртящият се дифузьор се осигурява висока хомогенност на осветеност.The performance of the differential counting device is further improved by using a laser illuminator positioned at an angle to the sample. With a correctly selected rotation speed of the rotating diffuser, a high homogeneity of illumination is ensured.
Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures
По-нататък ще бъде описано едно примерно изпълнение на устройство за диференциално броене на микрочастици в биологични течности, което е представено с помощта на придружаващите описанието чертежи, където:Next, an exemplary embodiment of a device for differential counting of microparticles in biological fluids will be described, which is presented with the help of the accompanying drawings, where:
Фигура 1 - външен вид на устройството съгласно изобретението;Figure 1 - appearance of the device according to the invention;
Фигура 2 - принципна схема на устройство съгласно изобретението, с частичен изглед на CD базиран чип с микрофлуидни камери;Figure 2 - schematic diagram of a device according to the invention, with a partial view of a CD-based chip with microfluidic chambers;
Фигура 3 - схема на устройството с частичен изглед на CD базиран чип, със смесителни и микрофлуидни камери;Figure 3 - schematic of the device with a partial view of a CD-based chip, with mixing and microfluidic chambers;
Фигура 4 - схема на устройството съгласно изобретението с правоъгълен чип, с горна прозрачна повърхност и долна непрозрачна повърхност.Figure 4 - diagram of the device according to the invention with a rectangular chip, with an upper transparent surface and a lower opaque surface.
Фигура 5 - аксонометричен изглед на CD базиран чип с микрофлуидни камери; Фигура 6 - напречен разрез на CD базиран чип от фигура 5;Figure 5 - axonometric view of a CD-based chip with microfluidic chambers; Figure 6 is a cross-sectional view of the CD-based chip of Figure 5;
Фигура 7 - аксонометричен изглед на вариантно изпълнение на CD базиран чип с микрофлуидни камери;Figure 7 is an axonometric view of a variant embodiment of a CD-based chip with microfluidic chambers;
Фигура 7а - аксонометричен изглед на CD базиран чип от фигура 7 с разполагане на пробата при завъртане на стъпковия двигател;Figure 7a is an axonometric view of the CD-based chip of Figure 7 with the sample positioned as the stepper motor rotates;
Фигура 7б - аксонометричен изглед на CD базиран чип със запълнени микрофлуидни камери за заснемане на пробата;Figure 7b - axonometric view of a CD-based chip with filled microfluidic chambers for capturing the sample;
Фигура 8 - схематичен изглед отпред на устройството, с монтирана в обектива течна леща за автофокусиране;Figure 8 is a schematic front view of the device, with a liquid autofocus lens mounted in the lens;
Фигура 9 - принципна схема на устройство съгласно изобретението, с две допълнителни течни лещи, подходящо за едновременно сканиране на голям обем проба 10 мкл., т. е. проби с < 10000 клетки на ml и диференциално морфологично измерване;Figure 9 - schematic diagram of a device according to the invention, with two additional liquid lenses, suitable for simultaneous scanning of a large sample volume of 10 µl, i.e. samples with < 10000 cells per ml and differential morphological measurement;
Фигура 10а - примерно изпълнение на устройство съгласно изобретението, използващо мембранно проникващо багрило и приложимо за броене на живи/мъртви клетки в една проба;Figure 10a - exemplary embodiment of a device according to the invention, using a membrane-penetrating dye and applicable for counting live/dead cells in a sample;
Фигура 10б - примерно изпълнение на устройство съгласно изобретението, използващо BO-PR03 и FITC багрило и приложимо за броене на живи/мъртви клетки в една проба;Figure 10b - exemplary embodiment of a device according to the invention, using BO-PR03 and FITC dye and applicable for counting live/dead cells in a sample;
Фигура 11 - примерно изпълнение на устройство, приложимо за диференциално броене на соматични клетки в мляко, с един осветител и дихроично цветоотделително огледало в обектива;Figure 11 - an exemplary embodiment of a device applicable to the differential counting of somatic cells in milk, with one illuminator and a dichroic color-separating mirror in the objective;
Фигура 12 - представя общ вид на “Hand Held” вариант на устройство съгласно изобретението;Figure 12 - presents a general view of a "Hand Held" variant of a device according to the invention;
Фигура 13 - представя схематично устройството от фигура 12;Figure 13 - schematically represents the device of Figure 12;
Фигура 14а, б, в - представя графично изобразяване на резултати от изследване на пробата и визуализирането им върху дисплей на устройството;Figure 14a, b, c - presents a graphical representation of the results of the sample examination and their visualization on the display of the device;
Фигура 15 - представя равнината за 3D последователно заснемане;Figure 15 - represents the 3D sequential capture plane;
Фигура 16 - представя вариантно изпълнение на устройство съгласно изобретението, с използване на CD чип, поставен върху неодимов магнит;Figure 16 - represents a variant embodiment of a device according to the invention, using a CD chip placed on a neodymium magnet;
Фигура 17 - представя вариантно изпълнение на оптичната система на устройство съгласно изобретението, с три флуоресцентни тънкослойни филтъра;Figure 17 - presents a variant implementation of the optical system of a device according to the invention, with three fluorescent thin-film filters;
Фигура 18 - представя изображение на осветено поле на водна проба с флуоресцеин, без въртящ се дифузьор;Figure 18 - represents an illuminated field image of a water sample with fluorescein, without a rotating diffuser;
Фигура 19 - представя изображение на осветено поле на водна проба с флуоресцеин, след преминаване на лазерна светлина през въртящ се дифузьор;Figure 19 - represents an image of an illuminated field of a water sample with fluorescein, after passing laser light through a rotating diffuser;
Фигура 20 - представя изображение на осветено поле на водна проба с флуоресцеин, след преминаване на лазерна светлина.Figure 20 - presents an image of an illuminated field of a water sample with fluorescein, after the passage of laser light.
Списък на позициитеList of positions
- корпус- hull
- обектив- lens
- осветител- illuminator
- микрофлуиден чип (CD базиран чип) ’ - правоъгълен микрофлуиден чип- microfluidic chip (CD based chip) ’ - rectangular microfluidic chip
- проба от биологичен материал- sample of biological material
- оптичен филтър- optical filter
- течна леща (още 7’, 7”)- liquid lens (another 7', 7")
- генератор променливо напрежение- alternating voltage generator
- източник на светлина- light source
- колимираща леща- collimating lens
- оптичен лентов филтър- optical bandpass filter
- фокусираща леща- focusing lens
- горен прозрачен елемент на чип- upper transparent chip element
- долен, непрозрачен елемент на чип- bottom, opaque chip element
- микрофлуидни канали- microfluidic channels
- фруоресцентни багрила (още сухи флуор, багрила)- fluorescent dyes (more dry fluorine, dyes)
- смесителна камера- mixing chamber
- хидрофобни канали- hydrophobic channels
- микрофлуидни камери- microfluidic chambers
- допълнителен отвор- additional opening
- въртяща се ос- rotating axis
- задвижващ двигател (задвижващ стъпков двигател)- drive motor (drive stepper motor)
- микропроцесорно устройство- microprocessor device
- дихроично огледало- dichroic mirror
- захранващ модул- power module
- дисплей- display
- външно базиран миникомпютър- externally based minicomputer
- мобилни комуникационни устройства- mobile communication devices
- мини PC- mini PC
- лазерен излъчвател на светлина- laser light emitter
- стъпков двигател- stepper motor
- дифузор, оформен като диск- a disc-shaped diffuser
- колимираща асферична леща- collimating aspheric lens
- стъпков двигател на филтри- filter stepper motor
- тънкослойни фруоресциращи филтри- thin film fluorescent filters
- еритроцити в кръвната проба- erythrocytes in the blood sample
- неодимов магнит- Neodymium magnet
Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of implementation of the invention
Едно примерно изпълнение на устройството съгласно изобретението е представено по-детайлно, като описаното конструктивно решение не ограничава използването и на други технически елементи, които имат подобно конструктивно оформяне и еквивалентно функционално въздействие, при което цялостната компановка на устройството ще запази идеята и духа на изобретението.An exemplary embodiment of the device according to the invention is presented in more detail, and the described design solution does not limit the use of other technical elements that have a similar structural design and equivalent functional impact, where the overall composition of the device will preserve the idea and spirit of the invention.
Устройството за диференциално броене на микрочастици в биологични течности се състои от корпус 1, в който са разположени един под друг вертикално ориентиран микроскоп с обектив 2, странично на който е монтирана система от два осветителя 3, разположени под ъгъл, над равнината, в която е разположен микрофлуиден чип 4, съдържащ проба 5 от биологичен материал. Микрофлуидният чип 4 е изпълнен като CD базиран чип, като е възможно използването и на правоъгълен чип 4’.The device for differential counting of microparticles in biological fluids consists of a housing 1, in which a vertically oriented microscope with an objective 2 is located one below the other, on the side of which is mounted a system of two illuminators 3, located at an angle, above the plane in which it is located microfluidic chip 4 containing a sample 5 of biological material. The microfluidic chip 4 is implemented as a CD-based chip, and it is possible to use a rectangular chip 4'.
Обективът 2 е изпълнен с оптичен филтър 6, за предпочитане еднолентов тънкослоен филтър и разположена в долната му част течна леща 7, захранвана и управлявана от генератор с променливо напрежение 8, за предпочитане от 0-70 V и честота 1 kHz. Чрез вградената и управлявана чрез генератора 8 течна леща 7 обективът 2 осъществява автофокусиране с дълбочина 1 mm, като времето за автофокусиране е много кратко, в рамките на милисекунди.The lens 2 is filled with an optical filter 6, preferably a single-band thin-layer filter, and a liquid lens 7 located in its lower part, powered and controlled by an alternating voltage generator 8, preferably from 0-70 V and a frequency of 1 kHz. Through the built-in liquid lens 7 controlled by the generator 8, the lens 2 performs autofocus with a depth of 1 mm, and the autofocus time is very short, within milliseconds.
При едно вариантно изпълнение на устройството, в обективът 2 са предвидени допълнително две течни лещи 7’, 7”, (фиг. 9) разположени една под друга в горната част на обектива 2. Такова конструктивно решение на обектива 2, с общо три течни лещи 7, 7’, 7” осигурява възможност за променливо регулируемо увеличение и автофокус в диапазона от 1 до 10 пъти, например 2 пъти увеличение (фиг. 9) и 10 пъти увеличение (фиг. 9) и е подходящо да се прилага в устройства при броене и диференциране на проби с малък брой клетки в ml.In a variant embodiment of the device, two liquid lenses 7', 7" (fig. 9) are additionally provided in the lens 2, located one under the other in the upper part of the lens 2. Such a design solution of the lens 2, with a total of three liquid lenses 7, 7', 7” provides the possibility of variably adjustable magnification and autofocus in the range of 1 to 10 times, for example 2 times magnification (Fig. 9) and 10 times magnification (Fig. 9) and is suitable to be applied in devices at counting and differentiating samples with low cell counts per ml.
Както вече беше изложено по-горе, осветителите 3 са разположени странично на обектива 2 и са ориентирани така, че да осигуряват ъгъл на осветяване, осигуряващ минимално отражение на възбуждащата светлина, например близък до ъгъла на Брустер. Всеки осветител 3 се състои от последователно разположени източник на светлина 9 тип LED например Luxeon и/или диоден лазер 30, Mitsubishi 658 nm колимираща леща 10 и/или асферична леща 33, оптичен лентов филтър 11 и фокусираща леща 12.As already stated above, the illuminators 3 are located laterally on the lens 2 and are oriented so as to provide an illumination angle providing minimal reflection of the excitation light, for example close to Brewster's angle. Each illuminator 3 consists of a sequentially located light source 9 type LED for example Luxeon and/or diode laser 30, Mitsubishi 658 nm collimating lens 10 and/or aspherical lens 33, optical bandpass filter 11 and focusing lens 12.
Описаната компановка на устройството позволява разполагането на повече от един осветител, като е възможно алтернативно да се използват диодно лазерни източници на светлина, каквито са необходими и подходящи при многоцветно флуоресцентно заснемане, например при диференциално броене на биологични микрочастици, като соматични клетки в мляко, левкоцити в кръвта, телесни клетки и дрожди. Разполагането на осветителя 3 над равнината, в която е разположен CD базираният чип 4 осигурява гарантирано голяма част от светлина да се насочи и попадне през горно разположеният прозрачен елемент 13 на микрофлуидния CD чип 4 върху пробата 5 и само много малка част от отразената от повърхността на горният елемент 13 светлина да премине през течната леща 7, през обектива 2 и да попадне в заснемащите камери 2а CCD или CMOS1 сензор.The described arrangement of the device allows the placement of more than one illuminator, and it is possible to alternatively use diode laser light sources, such as are necessary and suitable for multi-color fluorescence imaging, for example, for differential counting of biological microparticles, such as somatic cells in milk, leukocytes in the blood, body cells and yeast. The arrangement of the illuminator 3 above the plane in which the CD-based chip 4 is located ensures that a large part of the light is directed and falls through the upper transparent element 13 of the microfluidic CD chip 4 onto the sample 5 and only a very small part of that reflected from the surface of the upper element 13 for light to pass through the liquid lens 7, through the lens 2 and enter the imaging cameras 2a CCD or CMOS1 sensor.
При едно вариантно изпълнение на устройството е подходящо да се използва лазерен осветител, който е разположен под ъгъл спрямо изследваната проба. Лазерните осветители могат да фокусират светлината в много по-малки петна, например 100 мкм и да колимират светлината с една единствена асферична леща 33 (фиг. 16) до необходимия диаметър, например 5 mm. Ефективността на излъчваната лазерна светлина значително се подобрява, ако е предвидено да премине през въртящ се дифузьор 32, изпълнен във формата на диск и разположен преди или след колимиращата асферична леща 33 (фиг. 17/). За предпочитане е дифузьорът да е изработен от РЕТ фолио Luminit, върху което са оформени дифракционен релеф, дифузиращ преминаващата светлина под различен ъгъл от 2 до 100o.In one variant embodiment of the device, it is appropriate to use a laser illuminator that is positioned at an angle to the sample under investigation. Laser illuminators can focus the light into much smaller spots, for example 100 µm, and collimate the light with a single aspherical lens 33 (Fig. 16) to the required diameter, for example 5 mm. The efficiency of the emitted laser light is greatly improved if it is provided to pass through a rotating diffuser 32 made in the form of a disc and located before or after the collimating aspherical lens 33 (Fig. 17/). It is preferable that the diffuser is made of Luminit PET film, on which a diffraction relief is formed, diffusing the passing light at a different angle from 2 to 100 o .
Дифузьорът е монтиран на оста на миниатюрен DC или стъпков мотор 31, например Nidec 2 phase 4 Wire micro stepper motor. Скоростта на въртене се избира според диаметъра на дифузьора и скоростта на експозицията на CMOS камерата (2а), която се използва за формиране на изображението, като в случая е подходяща скорост 700 об/min. На фигура 18 е показано изображение на осветеното поле на водна проба с флуоресцеин, без използване на въртящ се дифузьор, а на фигура 19 е показано изображение на същото поле, след преминаване на лазерната светлина през въртящ се дифузьор.The diffuser is mounted on the axis of a miniature DC or stepper motor 31, for example a Nidec 2 phase 4 Wire micro stepper motor. The rotation speed is chosen according to the diameter of the diffuser and the exposure speed of the CMOS camera (2a) used to form the image, in this case a speed of 700 rpm is suitable. Figure 18 shows an image of the illuminated field of a fluorescein water sample without using a rotating diffuser, and Figure 19 shows an image of the same field after passing the laser light through a rotating diffuser.
Ясно се вижда високата хомогенност на осветеността след преминаването на лазерната светлина през въртящия се дифузьор.The high homogeneity of the illuminance after passing the laser light through the rotating diffuser is clearly visible.
Под осветителят 3 е разположен CD базиран микрофлуиден чип 4, който съдържа проба 5 с микрочастици, подлежащи на изследване.A CD-based microfluidic chip 4 is located under the illuminator 3, which contains a sample 5 with microparticles to be examined.
Съгласно едно предпочитано изпълнение на устройството чипът 4 се състои от две части, съответно горно разположен елемент с прозрачна повърхност 13, изпълнена от РММА полимер, с оптически прозрачна повърхност и долно разположен елемент 14, за предпочитане непрозрачен, изпълнен от черен ABS полимер. Двата елемента 13 и 14 са свързани помежду си чрез лазерно заваряване на двете повърхности, за предпочитане с дължина на вълната на лазера 1050 nm и осево приложена притискаща сила. Двата елемента 13 и 14 са оформени така, че след свързването им чрез заваряване, в пространството между двата елемента се образуват микрофлуидни канали 15 с височина до 50 pm, в които се пипетират предварително смесена проба 5, съдържаща флуоресцентни багрила 16, например сухи флуоресцентни багрила и/или флуоресцентно маркирани антитела. Описаният CD чип 4 е подходящ за анализ на различни проби, съдържащи биологични микрочастици - мляко, ферментируеми течности, кръв, сперма и др.According to a preferred embodiment of the device, the chip 4 consists of two parts, respectively an upper element with a transparent surface 13, made of PMMA polymer, with an optically transparent surface and a lower element 14, preferably opaque, made of black ABS polymer. The two elements 13 and 14 are connected to each other by laser welding on the two surfaces, preferably with a laser wavelength of 1050 nm and an axially applied pressing force. The two elements 13 and 14 are shaped so that after they are connected by welding, microfluidic channels 15 with a height of up to 50 pm are formed in the space between the two elements, into which a premixed sample 5 containing fluorescent dyes 16, for example dry fluorescent dyes, is pipetted and/or fluorescently labeled antibodies. The described CD chip 4 is suitable for the analysis of various samples containing biological microparticles - milk, fermentable liquids, blood, semen, etc.
В едно друго вариантно изпълнение на устройството за диференциално броене може да се използва чип 4, чието конструктивно изпълнение е представено по-детайлно на фигури 7, 7а, 7б. Чипът 4 представлява CD базиран чип, съставен от два елемента, съответно с горна повърхност 13 и долна повърхност 14, като между повърхностите им са оформени смесителни камери 17, съдържащи сухи флуоресцентни багрила, в които се пипетира пробата 5. Смесителните камери 17 са свързани чрез хидрофобни канали 18 с микрофлуидна камера 19 за заснемане на образец от пробата 5. Микрофлуидната камера 19 е изпълнена с допълнителен отвор 20, предназначен за освобождаване на въздуха, съдържащ се в камерата 19, при запълването й с изтласканата от центробежните сили течна проба 5.In another alternative embodiment of the device for differential counting, a chip 4 can be used, the design of which is presented in more detail in Figures 7, 7a, 7b. The chip 4 is a CD-based chip composed of two elements, respectively, with an upper surface 13 and a lower surface 14, and mixing chambers 17 containing dry fluorescent dyes, into which the sample 5 is pipetted, are formed between their surfaces. The mixing chambers 17 are connected by hydrophobic channels 18 with a microfluidic chamber 19 for capturing a sample of the sample 5. The microfluidic chamber 19 is filled with an additional hole 20 designed to release the air contained in the chamber 19 when it is filled with the liquid sample 5 pushed out by centrifugal forces.
CD базираният чип 4 е поставен върху въртяща се ос 21 (фиг. 9) и е свързан със задвижващ двигател 22, за предпочитане стъпков двигател, като при завъртането му образецът на пробата 5 се премества пред повърхнината на обектива 2. Стъпковият двигател 22 е свързан с микропроцесорно устройство 23, в чиято памет са въведени данни и координати, определящи преместването на пробата 5, като в нея се записва и заснетото изображение на пробата 5.The CD-based chip 4 is placed on a rotating axis 21 (Fig. 9) and is connected to a drive motor 22, preferably a stepper motor, the rotation of which moves the sample sample 5 in front of the lens surface 2. The stepper motor 22 is connected with a microprocessor device 23, in whose memory are entered data and coordinates determining the displacement of the sample 5, and the recorded image of the sample 5 is also recorded in it.
В едно вариантно изпълнение на устройството за диференциално броене може да се използва чип 4’ (фиг. 4), с правоъгълна форма, съставен от две части, съответно горна прозрачна част 13’ и долна непрозрачна част 14’, като между повърхностите им са оформени микрофлуидни камери, съдържащи сухи флуоресцентни багрила 16, в които се пипетира пробата 5.In a variant embodiment of the device for differential counting, a chip 4' (Fig. 4) can be used, with a rectangular shape, composed of two parts, respectively an upper transparent part 13' and a lower opaque part 14', and between their surfaces are formed microfluidic chambers containing dry fluorescent dyes 16 into which the sample 5 is pipetted.
Правоъгълният чип 4’ е поместен и се премества за заснемане на пробата чрез XY маса, която е разположена под осветителите 3 и обектива 2, в който са монтирани многолентов оптичен филтър 6 и течна леща 7.The rectangular chip 4' is positioned and moved to image the sample via an XY table which is located below the illuminators 3 and the objective lens 2, in which the multi-band optical filter 6 and liquid lens 7 are mounted.
За целите на по-прецизното изброяване, в зависимост от обработваните проби, например мляко, понякога е необходимо първоначално да се отделят мастните клъбца и соматичните клетки в пробата чрез центруфугиране. За целта е подходящо, като задвижващ двигател, да се използва миниатюрен стъпков двигател, например тип Р310 Disc Magnet High Speed Step Motor, чиито технически характеристики ги определят като високоскоростни стъпкови двигатели, със скорост на въртене до 20000 об/min, в сравнение с конвенционалните стъпкови двигатели, които достигат скорост на въртене до 1000 об/min. CD базираният чип 4 се монтира върху ротора на стъпковия двигател 22, с непрозрачната повърхност 14 от горната му страна. Заедно със защитния непрозрачен борд околната светлина се изолира от обектива и по такъв начин устройството може да бъде изпълнено без горен защитен капак. В такава конфугирация на устройството за диференциално броене, при анализ на проби от мляко, първоначално пробата се центрофугира с над 10000 об/min, в резултат на което се отделят мастните клъбца и соматичните клетки, след което стъпковия двигател се превключва на по-ниска скорост, например 200-300 об/min, при което пробата се позиционира пред обектива, за да се заснеме супернатантата.For the purpose of more precise enumeration, depending on the samples being processed, for example milk, it is sometimes necessary to initially separate the fat globules and somatic cells in the sample by centrifugation. For this purpose, it is suitable to use as a drive motor a miniature stepper motor, for example type P310 Disc Magnet High Speed Step Motor, whose technical characteristics define them as high-speed stepper motors, with a rotation speed of up to 20000 rpm, compared to conventional stepper motors that reach a rotation speed of up to 1000 rpm. The CD based chip 4 is mounted on the stepper motor rotor 22, with the opaque surface 14 on its upper side. Together with the protective opaque board, ambient light is isolated from the lens and thus the device can be implemented without a protective top cover. In such a configuration of the differential counting device, when analyzing milk samples, the sample is initially centrifuged at over 10000 rpm, resulting in the separation of fat globules and somatic cells, after which the stepper motor is switched to a lower speed , for example 200-300 rpm, where the sample is positioned in front of the objective to image the supernatant.
На фигури 10а, 10б е представено едно примерно изпълнение на устройство за диференциално броене на клетки в биологични течности, чиято конструкция съответства на описаната до тук компановка на устройството, което е подходящо да се използва за броене на живи и мъртви клетки в една проба на биологични течности съдържащи клетки. В обектива 2 се използва двулентов тънкослоен оптичен филтър 6, за предпочитане тип Semrock FF01-527/645-25, а странично на обектива 2, под ъгъл са разположени два осветителя 3, със светлинен източник тип LED LUXEON 475 nm (фиг. 10а) и оптичен лентов филтър 11, с параметри 470/30, както и алтернативно светлинен източник 9 тип LED LUXEON 565 nm, с оптичен лентов филтър 11, с параметри 560/30 (фиг. 10б), за двуцветно багрене.Figures 10a, 10b show an exemplary embodiment of a device for differential counting of cells in biological fluids, the construction of which corresponds to the composition of the device described so far, which is suitable to be used for counting live and dead cells in one sample of biological fluids containing cells. In the lens 2, a two-band thin-layer optical filter 6 is used, preferably Semrock FF01-527/645-25 type, and on the side of the lens 2, at an angle, there are two illuminators 3, with a LED LUXEON 475 nm light source (fig. 10a) and optical band filter 11, with parameters 470/30, as well as alternatively light source 9 type LED LUXEON 565 nm, with optical band filter 11, with parameters 560/30 (fig. 10b), for two-color dyeing.
В пробата 5 се използва мембрано проникващо багрило 16 FITC оцветяващо ДНК на живи и мъртви клетки 5а (фиг. 10а) 10 и BO-PR03 багрило 16 ДНК само на мъртви клетки 5b (фиг. 10б).In sample 5, membrane-penetrating dye 16 FITC staining DNA of live and dead cells 5a (Fig. 10a) 10 and BO-PR03 dye 16 DNA of dead cells only 5b (Fig. 10b) were used.
На фигура 16 е представено едно изпълнение на устройството за диференциално броене на клетки в биологична проба, например кръвна проба, като за целите на успешно изброяване на маларийните плазмодии с флуоресцентния микроскоп, развиващи се във вътрешността на червените кръвни клетки или залепени на тяхната повърхност е необходимо да се формира монослой на дъното на микрофлуидния чип 4. Фиксирането на червените кръвни телца на дъното е желателно особено при по големи времена на експозиция на CMOS камерата 2а. Ускоряване на утаяването на еритроцитите 36 се осъществява чрез превръщане на еритроцитите в парамагнитни клетки. Това става чрез окисление на клетъчния им оксихемоглобин до метхемоглобин с натриев нитрит или, когато клетките се обработят с изотоничен натриев дитионит хемоглобинът се превръща в деоксигенирана редуцирана форма и клетките стават парамагнитни.Figure 16 shows one embodiment of the device for differential counting of cells in a biological sample, for example a blood sample, and for the purpose of successfully enumerating malarial plasmodia with the fluorescence microscope, developing inside the red blood cells or attached to their surface, it is necessary to form a monolayer on the bottom of the microfluidic chip 4. Fixation of the red blood cells on the bottom is desirable especially for longer exposure times of the CMOS camera 2a. Acceleration of erythrocyte sedimentation 36 occurs by converting erythrocytes into paramagnetic cells. This is done by oxidizing their cellular oxyhemoglobin to methemoglobin with sodium nitrite or, when the cells are treated with isotonic sodium dithionite, the hemoglobin is converted to a deoxygenated reduced form and the cells become paramagnetic.
Когато пробата 5 в смесителната камера 17 е с кръв, се добавя натриев нитрит или натриев дитионит, при което CD базираната микрофлуидна камера 4 с пробата разредена кръв се разполага върху неодимов магнит 37.When the sample 5 in the mixing chamber 17 is blood, sodium nitrite or sodium dithionite is added, whereby the CD-based microfluidic chamber 4 with the diluted blood sample is placed on a neodymium magnet 37.
Клетките се обработват с натриев нитрит, хемоглобинът се окислява до метхемоглобин и клетките стават парамагнитни. CD базираната микрофлуидна камера 4 с пробата разредена кръв се слага върху неодимов магнит 37, който ускорява утаяването на еритроцитите 36 към дъното на микрофлуидната камера 4 и те образуват монослой. В нормалните червени кръвни клетки хемоглобинът е в окислена форма, съдържа Fe2+ йони и червените клетки са диамагнитни. Третирането на червените кръвни клетки се осъществява лесно, като кръвната проба се смесва с 5 mМ разтвор на NaNO2 в съотношение 1:40 (v/v) за окисляване на хемоглобина в червените кръвни клетки и превръщането му в парамагнитна форма. При тази обработка с NaNO2 феро-йони (Fe2+) в хемоглобина се превръщат във фери (Fe3+) йони. Парамагнитните клетки ускорено могат да бъдат утаени чрез магнитно поле. При прилагане на високо градиентно магнитно поле, създадено от неодимовият магнит 37, еритроцитите от горните слоеве на разредена 1:5 кръв намиращи се максимално на 50 μm от долната повърхност на микрофлуидната камера, изработена от прозрачен материал 14 (РММА) се придвижват със скорост 3-4 μm/s към дъното на камерата и образуват монослой. Достигайки до дъното на микрофлуидната камера 14, положително заредените парамагнитни еритроцити, образуват йонна връзка с отрицателния повърхностен заряд на полимера, в резултат на което остават фиксирани на дъното на микрофлуидната камера дори и след премахване на магнитното поле.The cells are treated with sodium nitrite, the hemoglobin is oxidized to methemoglobin, and the cells become paramagnetic. The CD-based microfluidic chamber 4 with the diluted blood sample is placed on a neodymium magnet 37, which accelerates the sedimentation of the erythrocytes 36 to the bottom of the microfluidic chamber 4 and they form a monolayer. In normal red blood cells, hemoglobin is in an oxidized form, contains Fe 2+ ions, and the red cells are diamagnetic. Treatment of red blood cells is easily performed by mixing the blood sample with 5 mM NaNO2 solution at a ratio of 1:40 (v/v) to oxidize the hemoglobin in the red blood cells and convert it to a paramagnetic form. In this NaNO2 treatment, ferrous ions (Fe 2+ ) in hemoglobin are converted to ferrous (Fe 3+ ) ions. Paramagnetic cells can be precipitated by a magnetic field. Upon application of a high gradient magnetic field created by the neodymium magnet 37, erythrocytes from the upper layers of diluted 1:5 blood located at a maximum distance of 50 μm from the bottom surface of the microfluidic chamber made of transparent material 14 (PMMA) move at a speed of 3 -4 μm/s to the bottom of the chamber and form a monolayer. Reaching the bottom of the microfluidic chamber 14, the positively charged paramagnetic erythrocytes form an ionic bond with the negative surface charge of the polymer, as a result of which they remain fixed at the bottom of the microfluidic chamber even after removing the magnetic field.
На фигура 11 e представено едно примерно изпълнение на устройство, което е подходящо да бъде използвано за диференциално броене на соматични клетки в мляко и е особено изгодно в случаите, когато клетките се преместват междувременно от брауновото движение в течността. Устройството е конфигурирано по-специално за използване на изследвания, при които се определя съотношението между неутрофили и лимфоцити в мляко или кръв. Обективът 2 е изпълнен с един оптичен филтър 6, разположен в горната му част и една течна леща 7, разположена в долната част на обектива 2. В близост до оптичния филтър 6 и под него, в оста на обектива 2 е монтирано под ъгъл дихроично цветоотделително огледало 24, а перпендикулярно на оста на обектива 2 е разположена втора камера 2а, например CCD или CMOS сензор. Странично на обектива 2 е разположен един осветител 3, снабден с източник на светлина с дължина на вълната 675 nm, тип LED LUXEON 675. В CD чипа 4 се използва флуоресцентно багрило акредин оранж, което оцветява ДНК и РНК на живи и мъртви клетки 5а, като се използва само една дължина на вълната за възбуждане, а емисиите за ДНК и РНК са с различни дължини на вълната. При осветяване на клетките 5b от пробата 5, с дължина на вълната 675 nm, свързаното с ДНК (DNA) в ядрото багрило “акредин оранж” има зелена емисия 530 nm, а свързано с РНК (RNA) в цитоплазмата на клетките 5b емитира с дължина на вълната 620 nm с червена светлина.Figure 11 shows an exemplary embodiment of a device which is suitable to be used for differential counting of somatic cells in milk and is particularly advantageous in cases where the cells are moved by Brownian motion in the liquid. The device is particularly configured for use in studies where the ratio of neutrophils to lymphocytes in milk or blood is determined. The lens 2 is provided with an optical filter 6 located in its upper part and a liquid lens 7 located in the lower part of the lens 2. Near the optical filter 6 and below it, in the axis of the lens 2, a dichroic color separator is mounted at an angle mirror 24, and a second camera 2a, for example a CCD or CMOS sensor, is arranged perpendicular to the lens axis 2. An illuminator 3 equipped with a light source with a wavelength of 675 nm, type LED LUXEON 675, is located on the side of the lens 2. In the CD chip 4, a fluorescent dye acredine orange is used, which stains DNA and RNA of living and dead cells 5a, using only one excitation wavelength and the emissions for DNA and RNA being at different wavelengths. When 5b cells from sample 5 are illuminated at a wavelength of 675 nm, the DNA-bound acredine orange dye in the nucleus has a green emission of 530 nm, and the RNA-bound RNA in the cytoplasm of 5b cells emits at at the wave 620 nm with red light.
По този начин, с описаната по-горе конфигурация на устройството, без използване на скъпи подвижни механични устройства, могат да се правят едновременно две снимки на пробата с различна дължина на вълната. Впоследствие снимките се обединяват от процесорното устройство 23, а чрез използването на програмното осигуряване, на база на интензитета и съотношението на зелената и червена емисия се извършва диференциране на клетките.Thus, with the device configuration described above, without the use of expensive movable mechanical devices, two images of the sample at different wavelengths can be taken simultaneously. Subsequently, the images are combined by the processing unit 23, and through the use of the software, on the basis of the intensity and the ratio of the green and red emission, cell differentiation is carried out.
В зависимост от вида на изследваните биологични течности, както и от необходимостта от бързо и точно изследване, възможно е да се реализира „Ханд Хелд” вариант на устройството за диференциално броене съгласно изобретението, което по същество представлява образен цитометър, каквото е показано на фигури 12, 13. В долната част на корпуса 1 е разположен захранващ модул 25 на устройството, което е изпълнено с батерийно захранване. В корпуса 1 са разположени още обектив 2, тип SUNEX-M12x0,5, като е подходящо да се използва течна леща тип Arctic 16F, с увеличение Х4, което позволява да се конфигурира реверсиран обектив 2, за CCD или CMOS камера с автофокус. Този обектив е специално проектиран, с възможност да събира светлина от значителни по големина ъгли, като съдържа до 6 асферични стъклени миниатюрни лещи, непоказани на фигурите, позволяващи да работят с мегапикселови сензори, с големи диагонали, в резултат на което обектива 2 има пространствена разделителна способност около 2 pm, при минимални аберации.Depending on the type of biological fluids examined, as well as the need for rapid and accurate examination, it is possible to realize a "Hand Held" variant of the differential counting device according to the invention, which is essentially an imaging cytometer, as shown in Figures 12 , 13. In the lower part of the housing 1, a power module 25 of the device is located, which is filled with battery power. In the housing 1 there is also a lens 2, type SUNEX-M12x0.5, and it is suitable to use a liquid lens type Arctic 16F, with a magnification of X4, which allows to configure a reversed lens 2, for a CCD or CMOS camera with autofocus. This lens is specially designed with the ability to collect light from significant angles, containing up to 6 aspherical glass miniature lenses, not shown in the figures, allowing to work with megapixel sensors, with large diagonals, resulting in the lens 2 having a spatial resolution ability around 2 pm, with minimal aberrations.
Устройството за диференциално броене съгласно изобретението може да бъде изпълнено и с една подобрена оптична система, по-подробно представена на фигура 17. Съгласно това вариантно изпълнение, на мястото на конвенционалният емисионен филтър, в оста на оптичния микроскоп са монтирани последователно три флуоресцентни, тънкослойни филтъра 35’, 35”, 35’”, за предпочитане тип VersaChrome Edge™ Tunable Longpass Filters, като всеки от филтрите е свързан със стъпков двигател 34, при което филтрите 35’, 35”, 35”’ могат да се завъртат от 0 до 90o. Заместването на емисионният филтър с настройваеми филтри позволява да се постигне по-добро регулиране на полосата на пропускане, например със стъпка 2 nm. Така например е установено, че при завъртане от 0 до 60o, полосата на пропускане се премества към синия спектър и при ъгъл 60o фронта на пропускане е 12% по малък от този при 0o. Тоест при 0o емисионния филтър ще пропуска зелената светлина над 505 nm, а при 60o синята светлина след 442 nm. Така чрез завъртане на флуоресцентните тънкослойни филтри 35’ - 35’”, в диапазона от 0 до 60o полосата на пропускане може да се регулира със стъпка 2 nm.The differential counting device according to the invention can also be implemented with an improved optical system, presented in more detail in Figure 17. According to this alternative embodiment, instead of the conventional emission filter, three fluorescent, thin-film filters are mounted in series in the axis of the optical microscope 35', 35”, 35'”, preferably VersaChrome Edge™ Tunable Longpass Filters, each of the filters being coupled to a stepper motor 34, wherein the filters 35', 35”, 35”' can be rotated from 0 to 90 o . Replacing the emission filter with tunable filters allows to achieve a better adjustment of the passband, for example with a step of 2 nm. Thus, for example, it was found that when rotating from 0 to 60 o , the transmission band moves to the blue spectrum, and at an angle of 60 o , the transmission front is 12% smaller than that at 0 o . That is, at 0 o the emission filter will pass green light above 505 nm, and at 60 o blue light after 442 nm. Thus, by rotating the fluorescent thin-film filters 35' - 35'”, in the range from 0 to 60 o , the transmission band can be adjusted with a step of 2 nm.
Описаното ханд хелд устройство (цитометър) може да работи в автономен режим, като автофокусирането, осигурявано чрез течната леща 7, позиционирането, управлението на лазерния диоден осветител 30 Mitsubishi 658 nm, изпълнен с оптичен лентов филтър 6, асферична колимираща леща 33, Nidec 2 phase 4 wire micro srepper motor и се управляват от микропроцесорното устройство 23, като след обработката на изображенията резултатът се извежда на дисплей 26. Цитометърът е снабден още и със стандартни комуникационни изводи (USB), непоказани на фигурите, (фиг. 12), чрез които устройството може да бъде свързано с външно базиран миникомпютър 27, със специално разработена програма за управление работата на устройството, включително графична обработка и визуализиране на резултатите от анализа на обработваните проби 5. Посредством описаните интерфейси, устройството може да се управлява дистанционно, чрез мобилни комуникационни устройства (смартфон, таблет, базирани на Windows или Android), на които е инсталирана управляваща програма (Фиг. 14 а, б, в,), като цялата информация е достъпна онлайн, в облачна услуга. Програмното осигуряване на устройството позволява обработване на изображенията получени от заснемащите камери CMOS или CCD, при което се определя броя на биологични микрочастици (соматични клетки в мляко, левкоцити в кръвта, телесни клетки, червени кръвни телца, и дрожди) - в ml, както и се извършва оценка на размера частиците и графичното им разпределение. Използвайки метода на диференциално броене и оценка на размерите може да се определя и броят локални максимуми в интензивността на изображението, както и бинаризация на изображението чрез локален хистограмен анализ. Последното се прави с цел повишаване на отношението сигнал/шум чрез елиминиране на неравномерностите на фона по цялото изображение.The described handheld device (cytometer) can work in autonomous mode, with the autofocus provided by the liquid lens 7, the positioning, the control of the laser diode illuminator 30 Mitsubishi 658 nm, filled with an optical bandpass filter 6, aspherical collimating lens 33, Nidec 2 phase 4 wire micro srepper motor and are controlled by the microprocessor device 23, and after processing the images, the result is displayed on the display 26. The cytometer is also equipped with standard communication terminals (USB), not shown in the figures, (fig. 12), through which the device can be connected to an externally based minicomputer 27, with a specially developed program for managing the operation of the device, including graphic processing and visualization of the results of the analysis of the processed samples 5. Through the described interfaces, the device can be controlled remotely, through mobile communication devices (smartphone, tablet, based on Windows or Android) on which insta lira control program (Fig. 14 a, b, c,), with all information available online, in a cloud service. The software of the device allows processing of the images received from the CMOS or CCD cameras, in which the number of biological microparticles (somatic cells in milk, leukocytes in blood, body cells, red blood cells, and yeast) is determined - in ml, as well as an assessment of the size of the particles and their graphical distribution is carried out. Using the method of differential counting and size estimation, the number of local maxima in image intensity can also be determined, as well as image binarization through local histogram analysis. The latter is done in order to increase the signal-to-noise ratio by eliminating background irregularities throughout the image.
Устройството за диференциално броене съгласно изобретението се използва по следният начин: приготвя се CD базирания чип 4, с образец от пробата 5, която подлежи на изследване. Със задействането на стъпковия двигател 22, пробата 5 се смесва с флуоресцентните багрила, като при повишаване на оборотите на стъпковият двигател 22 до 500-1000 об/min, върху смесената с флуоресцентни багрила 16 проба 5 действа центробежна сила. В резултат течната проба 5 (фиг. 7а) преодолява съпротивлението на хидрофобния канал 18 (фиг. 7а) и попада в микрофлуидната камера 19 (фиг. 7б), при което през допълнителния отвор 20 се освобождава изтласкания от преместването на пробата 5 въздух. Последователно, чрез въртене със стъпковия двигател 22, пробата 5 се премества пред обектива 2, по точно определени координати, предварително въведени в паметта на микропроцесорното устройство 23, като позицията за заснемане на изображението на пробата 5 не се измества или отклонява спрямо обектива 2.The differential counting device according to the invention is used as follows: the CD-based chip 4 is prepared, with a sample of the sample 5 to be tested. With the actuation of the stepper motor 22, the sample 5 is mixed with the fluorescent dyes, and when the revolutions of the stepper motor 22 are increased to 500-1000 rpm, a centrifugal force acts on the sample 5 mixed with the fluorescent dyes 16. As a result, the liquid sample 5 (Fig. 7a) overcomes the resistance of the hydrophobic channel 18 (Fig. 7a) and falls into the microfluidic chamber 19 (Fig. 7b), where the air displaced by the displacement of the sample 5 is released through the additional hole 20. Sequentially, by rotating the stepper motor 22, the sample 5 is moved in front of the lens 2, according to precisely defined coordinates previously entered into the memory of the microprocessor device 23, and the position for capturing the image of the sample 5 is not shifted or deviated relative to the lens 2.
В този случай разстоянието на микрочастиците от пробата 5 до обектива 2 зависи в голяма степен от точността на изработка на микрофлуидната камера 19, в резултат на което значително се намаляват изискванията към автофокусиращата система. Едновременно с това се увеличава драстично съотношението сигнал-шум, решаващо за откриване и софтуерно изброяване на слабо светещи микрочастици от пробата. За целите на точно изброяване на микрочастиците в една подобласт се извършва заснемане на повече от една снимка, като се избира една от тях, която е най -добре фокусирана и изброяването се извършва върху това избрано изображение, след което се извършва преместване и подобно заснемане на следващата подобласт, като избраните за броене изображения се записват в паметта на устройството.In this case, the distance of the microparticles from the sample 5 to the lens 2 depends to a large extent on the manufacturing accuracy of the microfluidic chamber 19, as a result of which the requirements for the autofocus system are significantly reduced. At the same time, the signal-to-noise ratio, crucial for the detection and software enumeration of faintly luminescent microparticles from the sample, is dramatically increased. For the purpose of accurate enumeration of the microparticles in a sub-region, more than one image is taken, selecting one of them that is best focused and enumeration is performed on this selected image, after which displacement and similar acquisition of the next sub-area, and the images selected for counting are saved to the device's memory.
Както вече беше изложено, броенето на частици от единични заснети образи на последователни полета от проба, премествана с XY или въртяща се ос пред оста на обектива се извършва при условията на един значително по-точен начин на сканиране на проба, премествана от XY маса или премествана от въртяща се ос пред оста на обектива, с последващо изброяване и анализиране на проба, съдържаща микрочастици, което излагаме в последователност: въвеждането на високоскоростна течна леща в главната оптична ос позволява пробата, съдържаща се в микрофлуидните канали на CD базиран микрофлуидни камери или конвенционални правоъгълни микрофлуидни камери да се поставя в носача на устройството осъществяващо преместването, представляващо XY преместване или директно куплирана ос на стъпков двигател. При това положение, по предварително зададени координати пред оста на обектива 2, се извършва позициониране на първото анализирано поле от пробата 5, при което се заснема поредица от снимки, при използване на един емисионен осветител, например 5 снимки над предварително зададената при калибровката на устройството плоскост на образа (фиг. 15) и 5 снимки под очакваната плоскост на образа, като за препоръчване е да се избере дистанция между плоскостите 0.05 mm, като по този начин образа по оста Z се сканира на равноотдалечени интервали (фиг. 15).As already stated, particle counting from single captured images of consecutive fields of a sample moved by an XY or rotating axis in front of the lens axis is performed under the conditions of a significantly more accurate way of scanning a sample moved by an XY table or moved by a rotating axis in front of the lens axis, with subsequent enumeration and analysis of a sample containing microparticles, which we set out in a sequence: the introduction of a high-speed liquid lens in the main optical axis allows the sample contained in the microfluidic channels of CD-based microfluidic chambers or conventional rectangular microfluidic chambers to be placed in the carrier of the device performing the displacement, representing an XY displacement or a directly coupled axis of a stepper motor. In this position, according to predetermined coordinates in front of the axis of the lens 2, positioning of the first analyzed field of the sample 5 is carried out, during which a series of photos is taken, using one emission illuminator, for example, 5 photos above the preset during the calibration of the device image plane (Fig. 15) and 5 pictures below the expected image plane, and it is recommended to choose a distance between the planes of 0.05 mm, thus scanning the Z-axis image at equidistant intervals (Fig. 15).
Получените снимки се обработват от микропроцесорното устройство, като се избира една снимка, на която микрочастиците са «на фокус». След това частиците се изброяват и/или анализират морфологично. Ако при анализа се изясни, че образът (изображението) е компрометиран например от въздушни мехури заемащи голяма част от изображението, заснетото поле се изключва от последващото преброяване или анализ, а резултатът се записва в паметта на устройството.The resulting photos are processed by the microprocessor device, selecting one photo in which the microparticles are "in focus". The particles are then enumerated and/or analyzed morphologically. If the analysis reveals that the image(s) is compromised, for example by air bubbles occupying a large part of the image, the imaged field is excluded from subsequent counting or analysis, and the result is recorded in the device's memory.
Едновременно с това, при използване на две флуоресцентни багрила с различна емисиона дължина на вълната, например FITC-530 и TO-PRO3-660 nm, първо се прави поредица от 5 снимки с LED излъчвателя на 470 nm или, лазерен диоден излъчвател 470 nm, намира се снимката с фокусирани частици с емисия 530 nm, която се запомня за последващо изброяване.Simultaneously, when using two fluorescent dyes with different emission wavelengths, for example FITC-530 and TO-PRO3-660 nm, first a series of 5 pictures is taken with the LED emitter at 470 nm or, laser diode emitter 470 nm, the focused particle image with 530 nm emission is located and is memorized for subsequent enumeration.
След това се прави същото с LED излъчвател 630 nm, като в края на този етап се получават две снимки на полето от пробата, които се запомнят в паметта за обработване. След завършване на заснемането на споменатите снимки, придвижващия механизъм премества пробата на следващото поле за заснемане, като процедурата се повтаря до края на предварително зададената последователност на преместване за сканиране на пробата. След завършването на сканирането средния брой на микрочастиците в пробата се изчислява по формула, например формулата от ISO 13366, като сбора от числото на частиците в отделните полета на пробата се дели на броя на изброените полета и се изчислява за 1 ml, например при броене на соматични клетки в мляко.The same is then done with a 630 nm LED emitter, at the end of which two field images of the sample are obtained and stored in the processing memory. After the capture of said pictures is completed, the moving mechanism moves the sample to the next capture field, the procedure being repeated until the end of the preset movement sequence for scanning the sample. After the scan is completed, the average number of microparticles in the sample is calculated using a formula, for example the ISO 13366 formula, by dividing the sum of the number of particles in the individual fields of the sample by the number of fields enumerated and calculated per 1 ml, for example by counting somatic cells in milk.
Приложение на изобретениетоApplication of the invention
Едно вариантно мобилно изпълнение на цитометъра е подходящо да се използва от фермери директно във фермата, например за целите на откриване на доклиничен мастит, чрез броене на соматични клетки в млякото.An alternative mobile embodiment of the cytometer is suitable for use by farmers directly on the farm, for example for the purpose of detecting preclinical mastitis, by counting somatic cells in milk.
Друго приложение на мобилния вариант на устройството е в телемедицината, по-специално в неотложната медицинска помощ, когато е необходимо на място, при пациента, да се преброят и диференцират левкоцитите в кръвта. Поради ниската цена, батерийното захранване и възможността за използване от неквалифициран персонал е особено удобен за приложение в страните, където се извършват голям брой изследвания и диагностициране на болести, като СПИН. Такъв апарат е особено необходим за използване в полеви условия, доколкото може да сканира кръвна проба до 10 μΐ, като при такива изследвания на кръвта левкоцитите намаляват до 500 бр/ml. Резултатите могат да бъдат наблюдавани дистанционно от специалист, намиращ се във всяка точка на земята, с възможност за бързо и точно определяне на диагноза. Устройството може да намери приложение и в центровете за приемане на кръв, където обикновено първо се приема кръвта, а после се изпраща за изследване в централизирани лаборатории. При вземане на 20 μΐ. кръв от пръст на донора, пробата може да се изследва на място, съответно веднага да се прецени дали даден пациент е годен за кръводарител.Another application of the mobile version of the device is in telemedicine, in particular in emergency medical care, when it is necessary to count and differentiate leukocytes in the blood on the spot, at the patient. Due to the low cost, battery power and the possibility of use by unqualified personnel, it is particularly convenient for application in countries where a large number of research and diagnosis of diseases, such as AIDS, are carried out. Such an apparatus is especially necessary for use in field conditions, as it can scan a blood sample of up to 10 μΐ, and in such blood tests, leukocytes decrease to 500 pcs/ml. The results can be monitored remotely by a specialist located anywhere on earth, with the ability to quickly and accurately determine a diagnosis. The device can also be used in blood collection centers, where blood is usually collected first and then sent for testing in centralized laboratories. When taking 20 μΐ. blood from the donor's finger, the sample can be tested on the spot, thus immediately assessing whether a patient is suitable as a blood donor.
Claims (16)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG113017A BG67480B1 (en) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | Device for differential counting of microparticles in biological liquids |
PCT/BG2020/000001 WO2021081607A1 (en) | 2019-10-30 | 2020-01-13 | Device for differential counting of microparticles in biological liquids |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG113017A BG67480B1 (en) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | Device for differential counting of microparticles in biological liquids |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG113017A BG113017A (en) | 2021-05-17 |
BG67480B1 true BG67480B1 (en) | 2022-12-15 |
Family
ID=69723748
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG113017A BG67480B1 (en) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | Device for differential counting of microparticles in biological liquids |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG67480B1 (en) |
WO (1) | WO2021081607A1 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113340894B (en) * | 2021-05-28 | 2023-04-07 | 上海睿钰生物科技有限公司 | Detection method of non-transparent particles |
CN114859443B (en) * | 2022-04-24 | 2024-02-06 | 武汉大学 | Liquid adjustable micro-lens array based on acoustic and micro-fluidic technology |
CN116046647B (en) * | 2023-01-28 | 2023-06-09 | 深圳安侣医学科技有限公司 | Blood imaging analysis system and method |
Family Cites Families (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4513438A (en) | 1982-04-15 | 1985-04-23 | Coulter Electronics, Inc. | Automated microscopy system and method for locating and re-locating objects in an image |
JP2001526780A (en) | 1997-05-05 | 2001-12-18 | シェモメテック・アクティーゼルスカブ | Method and system for measurement of particles in a liquid sample |
RU2147123C1 (en) | 1998-12-16 | 2000-03-27 | Боев Сергей Федотович | Method for examining cellular blood composition using a smear |
US6970246B2 (en) | 2000-04-11 | 2005-11-29 | Chemometec A/S | Method and apparatus for detecting fluorescence of a sample |
SE517626C3 (en) | 2001-04-12 | 2002-09-04 | Cellavision Ab | Microscopy procedure for scanning and positioning an object, where images are taken and joined in the same image coordinate system to accurately set the microscope table |
US20040145805A1 (en) | 2003-01-16 | 2004-07-29 | Jean Qiu | Unitary device with internal microscopic counting grid used for analysis of microscopic particles contained in liquid |
KR100608498B1 (en) | 2003-07-19 | 2006-08-08 | 주식회사 디지탈바이오테크놀러지 | Device for counting micro particles |
EP1651947B1 (en) | 2003-07-19 | 2015-11-04 | NanoEnTek, Inc. | Device for counting micro particles |
KR100572207B1 (en) | 2003-12-18 | 2006-04-19 | 주식회사 디지탈바이오테크놀러지 | Bonding method of plastic microchip |
US8860938B2 (en) | 2008-10-21 | 2014-10-14 | Chemometec A/S | Apparatus and methods for analysing fluorescent particles |
US8570370B2 (en) | 2009-08-31 | 2013-10-29 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Compact automated cell counter |
US9354155B2 (en) | 2011-05-31 | 2016-05-31 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Cell counting systems and methods |
KR101242540B1 (en) | 2011-08-19 | 2013-03-19 | (주)로고스바이오시스템스 | Microchip |
KR101414248B1 (en) | 2013-03-27 | 2014-07-01 | (주)로고스바이오시스템스 | fluorescence imaging device |
IL227276A0 (en) | 2013-07-01 | 2014-03-06 | Parasight Ltd | A method and system for preparing a monolayer of cells, particularly suitable for diagnosis |
CN207816777U (en) * | 2017-08-11 | 2018-09-04 | 米克乔尼克有限公司 | Equipment for carrying out counting and differential counting to the particle in biofluid |
-
2019
- 2019-10-30 BG BG113017A patent/BG67480B1/en unknown
-
2020
- 2020-01-13 WO PCT/BG2020/000001 patent/WO2021081607A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BG113017A (en) | 2021-05-17 |
WO2021081607A1 (en) | 2021-05-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10921234B2 (en) | Image forming cytometer | |
US12005443B2 (en) | Apparatus and method for analyzing a bodily sample | |
JP5129347B2 (en) | Method and apparatus for analyzing particles in a liquid sample | |
RU2402006C1 (en) | Device, method and computer program for measuring | |
US10345303B2 (en) | Image analysis and measurement of biological samples | |
US8570370B2 (en) | Compact automated cell counter | |
BG67480B1 (en) | Device for differential counting of microparticles in biological liquids | |
US20090185734A1 (en) | Apparatus and method for analysis of particles in a liquid sample | |
EP2715611B1 (en) | Cell counting systems and methods | |
JP2022553151A (en) | Explanation of sources of error in optical measurements | |
EP1329706A1 (en) | Rapid imaging of particles in a large fluid volume through flow cell imaging | |
US20220268701A1 (en) | Methods for microscopy with ultraviolet surface excitation (muse) imaging | |
JP2001255260A (en) | In-urine physical component classification device | |
EP4073508A1 (en) | Detecting platelets in a blood sample | |
JP2023506417A (en) | Off-focus microscope image of sample | |
JP2021535373A (en) | Image of surface color and liquid contact angle | |
CN207816777U (en) | Equipment for carrying out counting and differential counting to the particle in biofluid | |
BG2786U1 (en) | Device for differential counting of microparticle in biological liquids | |
JP2010054426A (en) | Observation method of disease |