CN101893569B - 微粒测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微粒测量装置，包括：光学检测部，被配置为将激光束导向至穿过液流通路的微粒，检测从微粒发出的光，并且将检测到的光转换为电信号；以及控制单元，被配置为根据电信号计算穿过液流通路的微粒的速度，并且当计算出的速度超出预定限度时停止包含微粒的溶液的供给。

Description

微粒测量装置

相关申请的参考

本申请包含涉及于2009年5月21日向日本专利局提交的日本优先专利申请JP 2009-123039中所公开的主题内容，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种微粒测量装置，更具体地，涉及一种检测样本溶液和鞘液(sheath solution)的泄露并从而自动停止操作的微粒测量装置。

背景技术

已经存在用于光学识别诸如与活体相关联的微粒(例如：细胞、微生物、脂质体)和用于工业应用的诸如乳胶粒子和凝胶粒子的任何合成微粒的特性的装置。该装置被设计成将微粒分散导入至液流通路(flow channel)中，并将光束导向穿过液流通路的微粒。

在测量与活体相关联的微粒的装置中最常用的是被称为流式细胞计数器(flow cytometer)的流式细胞仪(flow cytometry)。(参见于2006年8月31日由Shuujunsha第二版出版的H.Nakauchi所写的“Saibou Kougaku(细胞工程)，增刊卷，实验协议系列，流式细胞计数仪的控制”(“Saibou Kougaku(Cell Engineering)，supplement volume，Experiment Protocol Series，Mastering of FlowCytometry，”by H.Nakauchi，issued by Shuujunsha，2nd edition，issuedAugust 31，2006)，下文中，将其称作非专利文件1。)它的一种类型仅是用来识别微粒的特性，而其他类型设计为根据由第一类型所获得的测量结果来分馏具有期望性质的微粒。将用于分馏细胞的后者称作“细胞分类器(cell sorter)”。

现有技术中的流式细胞仪被设计为按以下方式确定诸如细胞和微珠的这样的微粒的特性(例如，尺寸和结构)。将包含所关心的微粒的样本溶液导入至穿过流动池(flow cell)的鞘液的层流的中部，以使微粒在流动池中排成一列。使用光束照射排成一列穿过流动池的微粒，并且为了确定微粒特性，检测从微粒发出的散射光或者荧光。可选地，在该步骤之后，可以以如下的方式来分馏具有期望特性的微粒：将包含微粒的样本溶液以液滴的形式从流动池中排出并且在不同的控制方向上移动各个液滴。

日本专利公开第2007-46947号(下文中，称作专利文件1)公开了由以下部件构成的现有技术中的细胞分类器(如其图7所示)，包括：流动池，具有使细胞(用荧光标识试剂染色)在其中排成一列的液流通路；光学系统，使用激光束照射这些细胞并且检测散射光或者荧光；以及细胞分馏系统，控制从流动池排出的液滴的移动方向。

与此同时，近年来，已经开发了一种微芯片，该微芯片包括硅或者玻璃基板以及形成其上的执行化学或者生物学分析的区域或者液流通路。使用这种微芯片的分析系统被称作μ-TAS(微型全分析系统，micro-total-analysis system)或者片上实验室(labo-on-chip)或者生物芯片。

μ-TAS可以应用于微粒分馏技术，该技术在微粒穿过形成在微芯片上的液流通路或者区域时，以光、电、或者磁的方式检测微粒特性。在日本专利公开第2003-107099号(下文中，称作专利文件2)中公开了用于微粒分离的微芯片的实例。该微芯片包括：第一液流通路，将包含微粒的溶液导入第一液流通路；用于鞘液的第二液流通路，沿着该第一液流通路的至少一侧设置该第二液流通路(两个液流通路形成在同一的基板上)；微粒测量单元，用于穿过该第一液流通路；以及至少两个液流通路(位于测量单元的下游)，用于分离和收集微粒。前述微芯片在测量单元和分离液流通路之间的过渡部(transitional part)附近具有电极。基于微芯片的微粒分馏装置通过微粒与电极电场的相互作用来控制微粒的移动方向，从而该装置可以执行微粒的分馏。

基于μ-TAS的(微芯片类型的)流式细胞仪可以具有形成在可随意处理的微芯片上的液流通路以防止测量过程中样本的交叉污染。然而，该优点被微芯片和与其连接的测量单元中的部件的脆弱性带来的以下缺点抵消了。即，微芯片本身以及微芯片和测量单元之间的连接在长时间使用后变得疲劳破损，这导致了样本溶液和鞘液的泄露。在反复置换芯片后，当微芯片和测量单元之间的连接在压力下破裂时，也产生这种问题。

发明内容

如上所述，由于微芯片和与其连接的测量单元的脆弱性，微芯片型的流式细胞仪易遭受样本溶液和鞘液的泄露。这种泄露导致测量单元故障或者损坏，因此，应该立即检测以停止操作并且更换故障微芯片和连接。不幸的是，这对于微芯片型的流式细胞仪来说难以达到，该流式细胞仪需要频繁更换微芯片，并且因此增加了在微芯片周围配置传感器并且通过传感器的方式检测液体泄露的难度。

本发明的主要目的在于提供一种检测样本溶液和鞘液的泄露并自动停止液体供给而无需在微芯片周围配置传感器的新的流式细胞仪。

为了达到前述目的，本发明包括微粒测量装置，该微粒测量装置包括：光学检测装置，用于将激光束导向至穿过液流通路的微粒，检测从微粒发出的光，并且将检测到的光转换为电信号；以及控制装置，用于根据电信号计算穿过液流通路的微粒的速度，并且当计算的速度超出预定限度时停止包含微粒的溶液的供给。

在微粒测量装置中，控制装置基于速度与电信号的脉冲宽度成反比的事实来计算速度。

具体地说，微粒测量装置包括：液流通路，形成在微芯片上；供给装置，用于将包含微粒的样本溶液和/或者鞘液导入液流通路；排出装置，用于从液流通路排出样本溶液和/或鞘液；光学检测装置，用于将激光束导向至穿过液流通路的微粒，检测从微粒发出的光，并且将检测到的光转换为电信号；以及控制装置，用于根据电信号计算穿过液流通路的微粒的速度，并且当计算的速度超出预定限度时停止供给装置的操作。

在微粒测量装置中，优选地，供给装置和排出装置应该配备有传感器以检测样本溶液和/或鞘液的流速。此外，优选地，微粒测量装置应该具有用于显示检测到了超出预定限度的流速的传感器的图像显示装置。优选地，应该构造微粒测量装置以使当穿过液流通路的微粒的速度超出预定限度时停止供给装置的操作，并且在图像显示装置上显示任何一个检测到了超出预定限度的流速的传感器。

在本发明中所使用的术语“微粒”包含：与诸如细胞、微生物、以及脂质体的活体相关联的任何微粒，以及诸如乳胶粒子和凝胶粒子的任何工业用合成微粒。

与活体相关联的微粒包括各种细胞中的染色体、脂质体、线粒体、以及细胞器官。细胞包括动物细胞(比如血细胞)和植物细胞。微生物包括：诸如大肠杆菌的细菌、诸如烟草花叶病毒的病毒、以及诸如酵母菌的真菌。这些微粒还包括：诸如核酸、蛋白质的高分子、以及其合成物。工业应用的微粒包括有机或者无机聚合物材料和金属材料的微粒。有机材料包括聚苯乙烯、苯乙烯-二乙烯基苯、以及聚甲基丙烯酸甲酯。无机聚合物材料包括玻璃、硅石、以及陶瓷。金属材料包括金胶体和铝。这些微粒通常为球形，但是在某些情况下可以为非球形。它们的尺寸和质量并不受到具体的限制。

根据本实施例，提供了一种新的流式细胞仪，该流式细胞仪检测样本溶液和鞘液的泄露并且自动停止其供给而无需在微芯片周围配置传感器。

附图说明

图1为示出根据本实施例的微粒测量装置的配置的示意图；

图2A～图2D为示出总控制单元是如何计算穿过液流通路的微粒的速度的示意图；

图3为示出微粒测量装置的操作的流程图；以及

图4为示出在图像显示单元上显示的图像的一个实例的示意图。

具体实施方式

下文中，将参照附图描述本发明的优选实施例。这些实施例为典型实施例，不能将其理解为对本发明范围的限制。将描述划分为以下部分。

1.微粒测量装置的配置

(1)微芯片

(2)光学检测部

(3)供给部和排出部

(4)总控制单元

2.微粒测量装置的操作

1.微粒测量装置的配置

图1为示出根据本实施例的微粒测量装置A的配置的示意图。

(1)微芯片

在图1中，微芯片由参考标号1来表示。微芯片1具有形成在其上的液流通路11，该液流通路允许样本溶液(包含要测量的微粒)穿过其流动。液流通路11还允许检测穿过其的微粒的光学特性。液流通路11具有分支液流通路111，样本溶液通过样本溶液入口121被导入到该分支液流通路。液流通路11还具有分支液流通路112和112，鞘液通过鞘液入口122和122被导入到分支液流通路112和112。以将层流中的样本溶液(已通过分支液流通路111导入)保持在层流中的鞘液(已通过鞘液入口122和122导入)之间的这种方式，样本溶液和鞘液在交叉点123处汇合在一起。因此，当样本溶液中的微粒穿过液流通路11时，样本溶液中的微粒在其层流中排成一列。

微芯片1由玻璃或者各种塑料(例如，PP(聚丙烯)、PC(聚碳酸酯)、COP(环烯共聚物)、以及PDM(聚二甲硅氧烷))形成。应该选择适当的材料，该材料对于来自光学检测部21和22(稍后提及)的照射光为透明的，具有低水平的自荧光发射，并且具有低水平的波长色散(wavelength dispersion)(对于限制光学误差来说是期望的)。

可以通过在玻璃基板上执行湿蚀刻或者干蚀刻来形成在微芯片1上的液流通路11等。还可以通过在塑料基板上的纳米印刷(nanoimprinting)或者通过注射成型和机械加工来形成这些液流通路。可以通过使用与基板相同或者不同的任何材料对基板(在其上已形成液流通路11等)进行密封来形成微芯片1。

(2)光学检测部

成对的光学检测部21和22检测穿过液流通路11的微粒的光学特性。光学检测部21将激光束导向至微粒，而光学检测部22接收从微粒发出的光并将接收的光转换为电信号。下文中，微芯片的导入从光学检测部21发出的激光束的这部分称作“照射部S”。顺便提及，只要液流通路能够允许微粒在样本溶液的层流中排成一列并且向照射部S提供样本溶液，则微粒测量装置A中的用于样本溶液和鞘液的液流通路并不限于以上所提及的液流通路。

光学检测部21和22可以具有与现有技术中的流式细胞仪相同的结构。具体地说，光学检测部21为这样一种照明装置(illuminator)，该照明装置由激光光源、将激光束导向至微粒的聚光透镜(condenser lens)、二向色镜(dichroic mirror)、以及带通滤光器构成。光学检测部22为检测从被激光束照射的微粒发出的光的检测器。检测器由PMT(光电倍增管)或者诸如CCD或者CMOS元件的区域成像器件构成。顺便提及，所示的光学检测部由分离的照射和检测系统构成。然而，可以将照射和检测系统结合在一个系统中。

光学检测部21和22检测从被激光束照射的微粒发出的光。用于检测的光可以为荧光或者由于前向散射、侧向散射、瑞利散射、以及米氏散射(Mie scattering)所产生的散射光。随后，将检测的光转换为电信号以发送至总控制单元3。利用电信号，总控制单元3确定微粒的特性并且计算穿过液流通路11的微粒的流速。

顺便提及，微粒测量装置A中光学检测部21和22可以由电或者磁检测部来替代。在这种情况下，在液流通路11的两侧设置彼此相对的微小电极，用于测量电阻、电容、电感、阻抗、电场、磁场、或者电极之间的磁化强度(magnetization)的变化。

(3)供给部和排出部

在图1中示出：样本溶液供给部41，其将样本溶液导入样本溶液入口121；样本溶液储存器411，储存样本溶液；鞘液供给部42，其将鞘液导入鞘液入口122和122；以及鞘液储存器421，储存鞘液。样本溶液供给部41和鞘液供给部42具有普通类型的供给泵以及启动和停止样本溶液和鞘液供给的阀412和422。总控制部3将信号输出至阀412和422以控制其打开和关闭。

样本溶液供给部41设置有传感器413以检测从样本溶液储存器411供给的样本溶液的流速。传感器413设置在样本溶液入口121和阀412之间以便其检测穿过它的样本溶液的流速并且将检测到的流速发送至总控制单元3。同样地，鞘液供给部42也设置有传感器423以检测从鞘液储存器421供给的鞘液的流速。传感器423设置在鞘液入口122和阀422之间以便其检测穿过它的鞘液的流速并且将检测到的流速发送至总控制单元3。

已进入液流通路11并且穿过照射部S的样本溶液和鞘液经由出口124通过排出部43被排出微芯片1，然后被导入废液罐431。排出部43设置有传感器433，将该传感器设置在出口124和阀432之间。传感器433检测穿过其的样本溶液和鞘液的流速并且将检测到的流速发送至总控制单元3。排出部43具有普通类型的供给泵和响应于来自总控制单元3的信号启动和停止样本溶液和鞘液的供给的阀432。

只要能够检测样本溶液或鞘液的流速(或者压力)，微粒测量装置A中的传感器413、423、以及433就可以为流速传感器、压力传感器、气泡检测传感器(bubble detecting sensor)、电导率传感器(conductivity sensor)、电化学传感器、差示折射计(differentialrefractometer)、荧光检测器、以及UV-VIS检测器中的任何一种。顺便提及，图1中所示的传感器是压力传感器。

(4)总控制单元

总控制单元3从光学检测部21和22接收电信号并且根据接收的信号判断微粒的光学特性。判断的参数取决于要测量的微粒和测量的目的，这些参数包括从前向散射光(用于尺寸确定)、侧向散射光、瑞利散射光、或者米氏散射光(用于结构确定)、以及荧光转换的电信号。以与现有技术中的流式细胞仪相同的方式来分析这些参数。用于电或者磁检测微粒的特性的参数可以为从电阻、电容、电感、阻抗、电场、磁场、或者磁化强度的变化所转换的电信号。

总控制单元3还从光学检测部21和22接收电信号并且根据接收的信号计算穿过液流通路11的微粒的速度。当总控制单元发现所计算的速度在预定范围之外时，其向样本溶液供给部41和鞘液供给部42发送信号以停止其操作。换句话说，当穿过液流通路11的微粒的流速变得高于或者低于预定值时，总控制单元3发送信号以关闭阀412和422，从而样本溶液供给部41和鞘液供给部42停止样本溶液和鞘液的供给。结果，装置中的微粒的流动完全停止。

如上所述，总控制单元3被告知由传感器413、423、以及433检测到的样本溶液和/或鞘液的流速，并且响应于由此接收的信息，停止样本溶液供给部41和鞘液供给部42的操作。在这种情况下，总控制单元使图像显示单元5显示检测到了在预定范围之外的流速的传感器。

图2示出了总控制单元3是如何计算穿过液流通路11的微粒的流速的。图2A为示出以流速V₁穿过液流通路11的微粒C的示意图。图2B为示出通过转换从图2A中所示的微粒C发出的光所得到的电信号的示意图。图2C为示出以流速V₂(V₁＞V₂)穿过液流通路11的微粒C的示意图。图2D为示出通过转换从图2C中所示的微粒C发出的光所得到的电信号的示意图。在图2A和2C中，照射部S与从光学检测部21导向出来的激光束的点重合。在图2B和2D中，横坐标表示时间而纵坐标表示信号强度。

如图2A所示，以流速V₁穿过液流通路11的微粒C当其穿过照射部S时发出光，并且该光被转换为具有如图2B所示的脉冲宽度P₁的电信号。相反，如图2C所示，以流速V₂穿过液流通路11的微粒C在其穿过照射部S时发出光，并且该光被转换为具有如图2D所示的脉冲宽度P₂的电信号。脉冲宽度P₁小于脉冲宽度P₂。这意味着，穿过液流通路11的微粒C的速度与通过转换从微粒发出的光所得到的电信号的脉冲宽度P成反比。总控制单元3利用通过光学检测部21和22的检测系统生成的电信号的脉冲宽度来计算穿过液流通路11的微粒的速度。

2.微粒测量装置的操作

下文中，将参照图3(是流程图)描述微粒测量装置A的操作。

在步骤S₁(在开始测量之后)中，总控制单元3根据从光学检测部21和22发送的电信号的脉冲宽度通过上述程序计算穿过液流通路11的微粒的速度。

在步骤S₂和S₃中，总控制单元3确定计算的速度是否在预定范围内。可以按任何顺序或者同时执行这些步骤。

在步骤S₂中，总控制单元3判断计算的速度是否超出预定范围。如果结果为“是”，则使操作的流程分支至步骤S_2-1，在该步骤中，总控制单元3停止样本溶液供给部41和鞘液供给部42的操作以停止样本溶液和鞘液的供给。

在穿过液流通路11的微粒的速度超出预定值的情况下，存在样本溶液和鞘液从在微芯片1中的照射部S的下游的液流通路11、从出口124和排出部43之间的连接、或者排出部43的内部泄露的可能性。因而，总控制单元3使图像显示单元5显示溶液泄露的警告，从而向操作者提供信息。

当总控制单元3从传感器413、423、以及433接收到样本溶液和鞘液的流速的检测值时，步骤S_2-2跟随在步骤S_2-1之后，该步骤S_2-2中，总控制单元3使图像显示单元5显示检测到了超出预定范围的流速的传感器，从而向操作者提供信息。具体地说，这种情况表明由于照射部S和排出部43之间的任何地方的泄露引起流速降低，因此传感器433检测到了“异常值”或者低于预定限度的流速。因此，图像显示单元5显示传感器433作为可能的泄露点。

另一方面，如果在步骤S₂中的结果为“否”(或者总控制单元3判断计算的值没有超出预定限度)，则操作的流程继续至步骤S₃，在步骤S₃中，总控制单元3判定计算的值是否在预定限度以下。如果结果为“是”，则操作的流程分支至步骤S_3-1，在步骤S_3-1中，总控制单元3停止样本溶液供给部41和鞘液供给部42的操作以停止样本溶液和鞘液的供给。

液流通路11中的微粒的流速低于预定值的情况表明样本溶液或鞘液从微芯片1的照射部S的上游的液流通路11、从在样本溶液入口121和样本溶液供给部41之间的连接、从在鞘液入口122和鞘液供给部42之间的连接、或者从样本溶液供给部41或鞘液供给部42泄露的可能性。这还表明装置中某处的液流通路堵塞的可能性。在这种情况下，总控制单元3使图像显示单元5显示溶液泄露或者液流通路堵塞的警告，从而向操作者提供信息。

另外，当总控制单元3从传感器413、423、以及433接收到样本溶液和鞘液的流速的检测值时，步骤S_3-2跟随在步骤S_3-1之后，在步骤S_3-2中，总控制单元3使图像显示单元5显示检测到了超出预定范围的流速的传感器，从而向操作者提供信息。具体地说，这种情况表明由于样本溶液供给部41或者鞘液供给部42和照射部S之间的任何地方的泄露引起流速降低，并且因此传感器413或423检测到了异常值。因此，图像显示单元5显示传感器413或者423作为可能的泄露点。

这种情况可能是由于另一可能原因，即，装置中的任何地方发生了堵塞并且传感器413、423、以及433中的一个或者多个根据堵塞点检测到了异常值。例如，如果在样本溶液入口121和样本溶液供给部41之间的连接处产生堵塞，则传感器413检测到异常值。从而，图像显示单元5显示传感器413作为可能的堵塞点。

图4为示出当传感器413检测到异常值时在图像显示单元5上显示的图像51的一个实例的示意图。图像51表示了微粒测量装置A的简化结构，其标记出在设置有传感器413的线路中发生了泄漏或者堵塞的点。显示的标记允许操作者识别任何发生了异常的点，以便操作者可以执行诸如更换微芯片或者其连接部件的维护工作。

如果在步骤S₃中的结果为“否”(或者计算的值没有超出预定范围的下限)，则总控制单元3返回至步骤S₁以重新计算穿过液流通路11的微粒的速度并且重复前述判断步骤直到完成测量。

总控制单元3可以预先存储并且保持用作步骤S₂和S₃中的判断基准的速度的上限值和下限值。应该通过重复测量发生或未发生泄漏或者堵塞的流速来确定这样的值。

还可以通过在测量开始以后获得的若干微粒的流速的平均值或者中值(加上或者减去某个值)来确定上限值或者下限值。如果在测量期间观测到流速的较大波动，则应该通过样本溶液供给部41和鞘液供给部42来停止样本溶液和鞘液的供给。

如上所述，微粒测量装置A响应于转换从微粒发出的光的所得到的电信号，计算穿过液流通路11的微粒的速度，当微粒速度超出预定范围时，微粒测量装置停止微粒的供给，以便其检测样本溶液和鞘液的泄露或者检测液流通路的堵塞并且自动停止溶液的供给。此外，因为不需要在微芯片周围配置传感器，所以微粒测量装置A具有简单的结构。

虽然即使是样本溶液或者鞘液的轻微泄露也容易影响穿过液流通路11的微粒的流速，但是微粒测量装置A能够基于穿过液流通路11的微粒的速度灵敏地检测样本溶液和鞘液的任何泄露，从而防止由于在装置中的故障或者装置中的部件的破裂引起的事故。

本领域的技术人员应该理解，在本发明所附的权利要求或其等同物的范围之内，根据设计要求和其它因素，可以作出多种修改、组合、再组合和变形。

Claims (5)

1.一种微粒测量装置，包括：

光学检测装置，用于将激光束导向至穿过液流通路的微粒，检测从所述微粒发出的光，并且将所述检测到的光转换为电信号；以及

控制装置，用于基于穿过所述液流通路的微粒的速度与所述电信号的脉冲宽度成反比的事实来计算所述速度，并且当计算出的速度超出预定限度时停止包含所述微粒的溶液的供给。

2.根据权利要求1所述的微粒测量装置，进一步包括：

液流通路，形成在微芯片上；

供给装置，用于将鞘液和/或包含微粒的样本溶液导入所述液流通路；

排出装置，用于从所述液流通路排出所述样本溶液和/或者所述鞘液。

3.根据权利要求2所述的微粒测量装置，其中，所述供给装置和所述排出装置配备有传感器以检测所述样本溶液和/或所述鞘液的流速。

4.根据权利要求3所述的微粒测量装置，进一步包括图像显示装置，用于显示检测到了超出预定限度的流速的所述传感器。

5.根据权利要求4所述的微粒测量装置，当穿过所述液流通路的微粒的速度超出预定限度时，所述微粒测量装置停止所述供给装置的操作，并且在所述图像显示装置上显示任何一个检测到了超出预定限度的流速的所述传感器。

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