CN102124318A - 在例如流式细胞计中补偿由光与流体流中移动的粒子或生物细胞的相互作用产生的散射光信号的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于探测工具的散射光束的方法和设备，该方法和设备测量由固体微粒例如随着高强度的聚焦光束移动的生物细胞的相互作用产生的散射信号，能够减小相对于照射光束的光轴的细胞移动的影响，并且改善以识别单个粒子或细胞为特征的信号的质量，特别是在流体流中，例如在流式细胞计中使用的流体流。
Description
发明领域
本发明涉及在生物医学装置例如流式细胞计中对用于识别均匀微观的固体粒子例如血细胞的散射光的光学测量的领域。
现有技术
被预期根据某些色散角提供与粒子散射有关的信息的探测器是已知的。现有技术的这些探测器中的一些是由专利保护的，其中提到了第6,232,125号美国专利(Deka等人)和第7,092,078号美国专利(Nagai等人)。
所述专利描述了专用的光电探测器设备，为了补偿Mie定律所述的信号抑制，这些设备以与散射角成比例地增加的面积为特征：由此形成所述设备的探测器元件的个数被限制并且总角分辨率较差。
现有技术未描述以高角分辨率为特征的方法和装置，以便为了达到高角分辨率，需要探测器在从流动单元出射的光束的光轴上位于中心。作为用于工业发明的本专利申请的目的的这种类型的装置和与之相关的方法解决了减小影响现有技术的所述方法和装置的不精确性的技术问题。
所述不精确性实质上具有两种类型：第一种类型涉及在所述装置中利用的组件的公差；第二种类型涉及外部变量的影响，例如，这些外部变量可使细胞计中的光束在检查之间产生微小的移动，这些移动是由所述外部变量中的一些例如被检查的样品的注入压力、粘度和温度的值的最小差异引起的。
因此，本发明的目的是提出一种针对下述问题的新的且更有效的解决方案：当分析与单个粒子相关的散射信号时，将特殊类型的、常规类型的高分辨率光电探测器，即，由光电探测器的简单的线性阵列构成的高分辨率光电探测器与从流动单元出射的光束的光轴对准，从而探测照射光束的左侧与右侧的对称性或可能的非对称性。
这种方法允许单个单元的所谓“散射标志”被识别。
发明概述
为了上述目的，实现了本专利申请中所示的设备，其特征是包括通常被称作“线性二极管阵列”的光探测器的线性组的光电探测器的使用。这种探测器可由硅光电二极管、APD(雪崩光电二极管)光电二极管、和其它已知类型的光电二极管例如CCD构成。所述线性二极管阵列的特征是高灵敏度，并且能够积聚由照射感光材料的光子产生的电荷，在照射时间间隔期间传递它们的能量并且释放电子，从而实际上作为具有正比于入射光子量的电荷量Q的积分器操作。
具有从五个至一千个以上的很多光换能器元件的线性二极管阵列是已知的并且被商业化。
作为非限制性的例子，这种类型的探测器是由浜松光子学株式会社——固态部门制成的S4111-16Q/-16R模型，其由尺寸为0.9x1.45mm的具有15.9x1.45mm的有源区(包括二极管之间0.1mm的间隙)的十六个单独的光电二极管构成。
附图的简要说明
图1示出了根据本发明的设备的优选实施方式的透视图；
图2a、图2b和图2c示出了形成根据本发明的设备的部件；
图3和图4示出了包含大小为0.9x1.45mm的十六个光电二极管的系统的正视图，这些光电二极管为所述CCD型光探测器14的输入光探测器元件。照射所述光探测器元件的平行射线束的区域19由圆示出；
图5示出了根据本发明的设备的优选实施方式的结构；
图6示出了在根据本发明的设备的优选实施方式中的连接到单个光探测器元件的电荷放大器21至35；
图7示出了本发明的特定实施方式，其是仅利用四个放大器的简化解决方案；
图8示出了图7所示的类型的单个放大器28、27、26和24的内插输出信号41、42、43和44；以及
图9示出了具有10微米直径的乳胶粒子上的散射光的角分布。
本发明的详细描述
参照图1，其示出了根据本发明的设备的优选实施方式的透视图，其中下面的组件部分可被识别：LED光源11、流动单元12(例如，借助于由HelmaItaliaSrI制成的单元——模型151-051形成)、集光透镜15、光探测器14(例如，由CCD型探测器形成)、所述探测器14的支撑元件13、优选地包括位置调节螺钉16的用于调节所述支撑元件13的位置的装置。
所述LED光源11包括例如由灯形成的发光元件、单个或多个LED、适合于发射光束的激光二极管或离子激光器设备、和形成光学系统以将所述光束集中且聚焦在所述流动单元12内特别是在由输送溶液流动传送的粒子上的一个或多个透镜。所述光探测器14优选地包括例如由单独的光电二极管组成的至少五个探测器元件。
参照图2a、图2b和图2c，形成根据本发明的设备的部件被识别。下面的元件将更详细地示出：所述支撑元件13适合于通过作用于所述位置调节螺钉16在与进入所述流动单元12的激光光束实质上垂直的方向上移动所述探测器14。
通过被聚焦于所述流动单元12的中心处的所述凸型集光透镜15，由照射光束和在所述流动单元12中经过的粒子发出的散射光束构成的各种光束变为平行的，并且通过由属于所述探测器-支持器元件13的优选实施方式的槽18构成的隔膜或空间滤波器过滤，并且因此影响适合于将光子能量转换为电流的所述光探测器14。
具体地，在附图2b和附图2c中，示出了根据本发明的设备在测量条件下的透视图：在不存在可使聚焦光束17转向的粒子的情况下，从所述流动单元12出射的聚焦光束17通过所述集光透镜15被转换为平行的射线束19，并且越过所述槽18的所述光束19的一部分在一点上照射所述光探测器，优选地CCD型的光探测器14，该点取决于系统的机械部件的机械公差、所述光源11和所述透镜15的光学对准公差以及所述流动单元12内的流动位置。
附图3示出了包含大小为0.9x1.45mm的十六个光电二极管的系统的正视图，这些光电二极管为所述CCD型光探测器14的输入光探测器元件。此外，照射所述光探测器元件的平行射线束的区域19由圆示出。
在通过根据本发明的设备操作的对准步骤期间，所述位置调节螺钉16的旋转允许移动承载所述透镜15和所述CCD型光探测器14的所述支撑元件13：由此前面列出的所有公差可被补偿。所述位置调节螺钉16可用手旋转，例如，当在工厂测试设备时或者在它的第一次使用的情况下，以便校正所利用的元件的制造公差，并且避免非常昂贵的组件的预防性筛选；或者可通过自动系统优选地伺服辅助型自动系统被自动地旋转，自动系统包括与所述调节螺钉16相关联的电动机、所述电动机的驱动装置和与所述驱动装置相关联的控制装置。所述自动伺服辅助型系统的存在允许在每个其它测量之前执行校准，以便补偿可能由外部变量的可能波动引起的对测量结果的消极影响。
具体地，如果从透镜15出射的光束19比所述CCD型光探测器14的单个元件更宽，那么所述光束可与接近中心的两个相邻元件对准，并且例如在CCD探测器——模型S4111-16Q/-16R(由大小为0.9x1.45mm的十六个单独的光电二极管制成，光电二极管具有包括二极管之间0.1mm的间隙的15.9x1.45mm的有源区)的情况下，它可跨越元件7和元件8移动，如附图3所示。
另一方面，如果从透镜15出射的光束的宽度与所述CCD型光探测器14的单个元件是可比较的，那么所述光束可与单个中心元件对准，特别是在CCD探测器——模型S4111-16Q/-16R的情况下与元件8对准，如附图4所示的。
如果只有元件7被，那么两个相邻元件6和8的光电响应通过作用于所述调节螺钉16以获得相等的电信号来控制；如果两个元件7和8被照射，那么通过平衡元件7和8的电信号来实施调节。
再次参照附图3和4，单个元件的光电信号Q的宽度由虚线20表示，连续内插线40从虚线20被提取；在未被照射的元件中，所述光电信号Q的值约为零，该宽度与照射成比例地增加。
在根据本发明的设备的操作条件下，流入所述流动单元12的载体溶液拖动待分析的细胞，并且溶液的浓度通过稀释被调节，以便保证一次只有一个细胞通过，在两个随后的细胞之间有大间隙，以便产生每个单独的细胞特有的信号。所述流动单元12内的细胞的移动导致拦截光束本身，因而导致复杂的光反射和折射现象：被反射在细胞的膜表面上的部分被称作散射光，而折射部分源自越过细胞的光并且通过有核元件由于吸收和可能的进一步散射现象被衰减。散射光遭受由Mie定律在数学上描述的多个角偏差，在临床细胞计数分析技术中Mie定律提供与细胞直径和生化膜特征有关的信息；因此，由单个细胞产生的在不同角度下反射的光的定量组合允许识别它所属的细胞亚群的类型。
属于现有技术并且在文献中被描述的散射信号采集装置使用提供关于1度和20度之间的四个角度内的转向光的量的信息的探测器。通过利用多(N)元件探测器——其中在本发明的第一优选实施方式中，N至少等于5，并且在附图6和附图7中所示的第二优选实施方式中，N等于16——本发明的设备目的允许测量高达N个的散射光值，这些值激励探测器的每个元件，探测器的电信号是在每个元件所特有的角偏转内的所述光的积分，并且因此在所示的情况下，除了非转向光的值以外，对于每一侧，还有总共十四个散射值。
在附图6中，电荷放大器21至35在本发明的优选实施方式中被示为连接于单个光探测器元件，其产生允许绘制图4所示的阶梯式响应特征20的输出信号。
通过使在根据本发明的设备中使用的单个光探测器互连，可得到所涉及的信号的各种组合。
作为本发明的目的的非限制性例子，图7示出了本发明的特定实施方式，该实施方式是仅利用4个放大器的简化解决方案，提供了所述光探测器元件之间的电连接，并且提供了预定用于已经提到的现有系统的简化至4个角散射偏转的相同信息。图8示出了单个放大器28、27、26和24的内插输出信号41、42、43和44。
另一方面，通过利用在图5所示的结构中的所有信号，与某个细胞类型对应的每个光探测器元件的光电信号Q的各种值序列可通过识别其特征标志被识别，从而根据它们所属的类别改善细胞的属性。
作为例子，附图9示出了根据Mie定律计算的在具有10微米直径的乳胶粒子上的散射光的角分布，其对应于人体淋巴细胞型细胞的细胞膜的散射光：如所示，该现象表现为光强度调制，并且强度分布的等级根据细胞大小以及各种细胞的膜和细胞核特征而变化。在不同角度处的光分布的精细分析允许更容易识别经受检查的细胞并且将它合计到它所属的类别中。因此，细胞的标志从各种光探测器元件的高低信号的二进制序列和相应放大器的电输出产生。
借助于根据本发明的设备的使用的另一个可能的分析从关于光轴的对称光探测器元件对的信号的比较产生：例如，中心元件的右侧和左侧上的第二元件(由在图4所示的情况下的单个光探测器而不是在图3所示的情况下的两个光探测器构成)可在光学对称的细胞的情况下显示相同的信号，或者对于光学非对称的细胞显示不同的信号。
Claims (14)
1.一种用于补偿散射光信号的光学设备，包括：光源(11)、流动单元(12)、集光透镜(15)、光探测器(14)、与所述探测器(14)相关联的支撑元件(13)和用于所述支撑元件(13)的定位的调节装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光源(11)还包括一个或多个透镜，所述一个或多个透镜适合于将所述光束集中且聚焦在所述流动单元(12)内，并且特别是集中且聚焦在通过载体溶液的流动拖动的粒子上。
3.根据权利要求1至2所述的设备，其特征在于，所述支撑元件(13)还适合于在与进入所述流动单元(12)的激光光束实质上垂直的方向上移动所述探测器(14)。
4.根据权利要求1至3所述的设备，其特征在于，所述光源(11)包括从包含灯泡、单个或多个LED二极管、激光二极管和离子激光器设备的组中选择的发光元件。
5.根据权利要求1至4所述的设备，其特征在于，所述设备还包括与所述支撑元件(13)相关联的空间滤波器。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述空间滤波器包括被适当地制造在与所述探测器(14)相关联的所述支撑元件(13)上的槽(18)。
7.根据权利要求1至6所述的设备，其特征在于，所述集光透镜(15)为凸型的，并且被调焦在所述流动单元(12)的中心。
8.根据权利要求1至7所述的设备，其特征在于，所述光探测器(14)包括从包含硅二极管、APD型光电二极管和CCD型光电二极管的组中选择的至少五个探测器元件。
9.根据权利要求1至8所述的设备，其特征在于，所述光探测器(14)还包括与所述至少五个探测器元件相关联的至少一个电荷放大器(21至35)。
10.根据权利要求8至9所述的设备，其特征在于，所述光探测器(14)包括十六个探测器元件和与所述十六个探测器元件相关联的十六个电荷放大器元件。
11.根据权利要求1至10所述的设备，其特征在于，用于所述支撑元件(13)的定位的所述调节装置包括至少一个调节螺钉(16)。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备包括与所述调节螺钉16相关联的电动机、所述电动机的驱动装置和与所述驱动装置相关联的控制装置。
13.根据权利要求1至12所述的设备，其特征在于，所述光探测器(14)包括与较少量的放大器相关联的N个探测器元件。
14.一种补偿散射光信号的方法，包括下列步骤：
a)将从设备的流动单元出射的光束的尺寸与形成所利用的光探测器的单个探测器元件的尺寸进行比较；
b)如果所述光束的尺寸大于所述单个元件的尺寸，那么所述光束与两个相邻探测器元件对准，否则所述方法继续进行步骤d)；
c)改变所述光探测器的位置，以使在前面步骤中被照射的所述两个相邻探测器元件的光电响应是相同的，并且过程结束；
d)将所述光束与一探测器元件对准；
e)改变所述光探测器的位置，以使与在前面步骤中被照射的所述元件相邻的两个探测器元件的光电响应是相同的，并且过程结束。
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