CN102374964B - 微粒检测装置及光照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微粒检测装置及光照射装置。一种微粒检测装置包括使从光源发出的光透过相位差元件并将该光聚焦到微粒流过的样本流上的光照射系统。当样本流的送流方向为X轴方向，光对样本流的照射方向为Z轴方向，ZX平面垂直于Y轴方向时，则相位差元件具有在Y轴方向上分割的多个区域，并使透过该多个区域的光的波面之间产生相位差。

Description

微粒检测装置及光照射装置

技术领域

本发明涉及一种微粒检测装置及一种光照射装置，更具体地，涉及一种对诸如细胞或微珠的微粒的特性进行光学分析的微粒检测装置等。

背景技术

现有技术的微粒检测装置向形成在微芯片上的流通池或流路中流动的微粒照射光(激光)，检测从微粒散射的光或由微粒本身或标记在微粒上的荧光物质产生的荧光，并测量微粒的光学特性。此外，该微粒检测装置从这些微粒中分别收集已被判定为满足预定条件的族群，作为光学特性的测量结果。对于这种微粒检测装置，测量作为微粒的细胞的光学特性或分别收集满足预定条件的细胞族群的装置具体称为流式细胞计数仪、细胞分选仪等。

例如，公开号为2007-46947的日本未审查专利申请揭示了一种流式细胞计数仪，该流式细胞计数仪包括多个照射(均在预定时间间隔处具有不同波长和不同相位的)多个激励光束的光源，并且包括将多个激励光束导引到同一个入射光路并将多个激励光束聚焦于被染色的粒子上的波导部件。该流式细胞计数仪包括照射多个(均具有不同波长的)激励光束的多个光源、将多个激励光束引导到同一个入射光路并将多个激励光束聚焦于被染色的粒子上的波导部件、检测由(被多个激励光束激励并输出荧光信号)被染色的粒子产生的荧光的多个荧光检测器(参见公开号为2007-46947的日本未审查专利申请的权利要求1和权利要求3以及图1和图3)。

如图6所示，现有技术的微粒检测装置中，激光L被聚焦透镜103聚焦到样本流S上，微粒P通过样本流S流动，从而跨过激光L聚焦的光斑。此时，激光光斑内的强度分布为高斯分布，其中强度在激光光斑的中心很大，在外围显著降低。图7示出了现有技术的微粒检测装置的激光光斑内的强度分布的实例。如果微粒P在样本流S中的送流位置发生变化，则透过激光光斑中心的微粒P与透过激光光斑外围的微粒P之间的照射激光的有效强度不相同，从而在获得的信号强度中引入误差。

发明内容

现有技术中，为了消除由微粒在同一样本流中的送流位置的变化引起的测量误差，聚焦在样本流上的激光的光斑的形状在样本流的宽度方向(图6中的Y轴方向)上变形为椭圆形。由于在这种椭圆形光斑内的强度分布中，激光光斑内的强度分布变成在样本流的宽度方向上被拓宽的高斯分布，所以微粒之间的由于在样本流中的送流位置的变化引起的激光强度的差异可以得到抑制。

然而，即使当光斑的形状变形为椭圆形时，如果增加样本流的送液压力以提高测量的速度，样本流的送液宽度会相对于椭圆形光斑进一步拓宽，从而使得难以稳定地均衡照射到粒子的激光的有效强度。

期望提供一种通过形成在宽范围内具有均匀的强度分布的激光光斑以使照射到样本流中的微粒的激光的有效强度均匀，从而实现高精度和高速度测量的技术。

根据本发明的实施方式，提供了一种微粒检测装置，该微粒检测装置包括使从光源发出的光透过相位差元件并将光聚集到微粒流过的样本流上的光照射系统，其中，当样本流的送流方向为X轴方向，光对样本流的照射方向为Z轴方向，ZX平面垂直于Y轴方向时，相位差元件具有沿Y轴方向分割的多个区域，并使透过多个区域的光的波面之间产生相位差。

为了以在Y轴方向上拓宽激光光斑的方式将由聚焦透镜聚焦的光的激光光斑聚焦到样本流上，该微粒检测装置使从光源发出的光透过相位差元件并使透过在Y轴方向上分割的多个区域的光的波面之间产生相位差。

该微粒检测装置中，相位差元件在Y轴方向上被分割为三个区域，并且使透过中间区域的光的波面与透过两端区域的光的每个波面之间产生相位差。在这种情况下，透过中间区域的光的波面与透过两端的区域的光的每个波面之间的相位差是π，透过中间区域的光的光斑直径优选地为透过相位差元件的光的光斑直径的25％到75％。

根据本发明的实施方式，提供了一种光照射装置，该光照射装置使从光源发出的光透过相位差元件，并将光聚集到对象上，相位差元件具有分割的多个区域并使透过多个区域的光的波面之间产生相位差。

在本发明实施方式中，微粒广泛地包括生物学微粒(诸如细胞、微生物、脂质体)或合成材料(诸如乳胶粒子、凝胶粒子、工业用粒子)。

生物学微粒包括染色体、脂质体、线粒体、小器官(细胞小器官)和细胞的各种类型的其它成分。目标细胞包括动物细胞(比如血液细胞)和植物细胞。微生物包括细菌(比如大肠杆菌)、病毒(比如烟草花叶病病毒)、真菌(比如酵母菌)等。生物学微粒包括生物高分子(比如核酸、蛋白质、其复合物)。

工业用粒子可以是，例如，有机或无机聚合材料或金属。有机高分子包括聚苯乙烯、苯乙烯、二乙烯苯、聚甲基苯烯酸甲酯等。无机高分子包括玻璃、硅土、磁性材料等。金属包括胶体金、铝等等。这些微粒通常是球形的，但是也可以是非球形的，它们的大小和重量也没有特别的限制。

本发明的实施方式提供了一种通过形成在宽范围内具有均匀强度分布的激光光斑以使照射到样本流中的微粒的激光的有效强度均匀来实现高精度和高速度测量的技术。

附图说明

图1A和图1B为示出根据本发明实施方式的微粒检测装置的光照射系统的结构的示意图。

图2为示出相位差元件的结构的示意图。

图3示出了根据本发明的实施方式的微粒检测装置的激光光斑内的强度分布。

图4A和图4B为示出根据本发明另一个实施方式的微粒检测装置的光照射系统的结构的示意图。

图5示出了根据另一实施方式的微粒检测装置的激光光斑内的强度分布。

图6为示出现有技术的微粒检测装置的光照射系统的结构的示意图。

图7示出了现有技术的微粒检测装置的激光光斑内的强度分布。

图8示出了不适宜的激光光斑内的强度分布，其中，将透过根据实施方式的微粒检测装置中的第一区域的激光的光斑直径设定为透过相位差元件的激光的光斑直径的20％。

具体实施方式

将参考附图描述本发明的实施方式。由于后述的实施方式仅仅是本发明的典型实施方式的实例，所以这些实例不限制本发明的范围。描述将按照如下顺序进行：

1.根据实施方式的微粒检测装置

2.根据另一实施方式的微粒检测装置

1.根据实施方式的微粒检测装置

图1A和图1B均示出了根据本发明实施方式的微粒检测装置的光照射系统的结构。

在图1A和图1B中，从光源1发出的光(激光)由准直透镜2耦合为大致平行的光，透过相位差元件4，由聚焦透镜3聚焦在微粒P流过的样本流S上。样本流S可以在形成于微芯片上的流通池或流路中送液。这里，定义样本流S的方向为X轴方向，光对样本流S的照射方向为Z轴方向，垂直于ZX平面的方向为Y轴方向。

散射的光或通过聚焦于并照射到样本流S的光由微粒P或标记于微粒P上的荧光物质产生的荧光被光检测系统(未示出)检测。光检测系统可以包括物镜、滤光片、反射镜、光检测器等，其结构可以与现有技术的微粒检测装置的相同。光检测器的电信号被用来测量微粒P的光学特性。作为用以测量光学特性的参数，当确定微粒P的大小时，使用前向散射光，当确定结构时，使用侧向散射光，当确定标记在微粒P上的荧光物质是否出现时，使用荧光，与现有技术的微粒检测装置一样。

图2示出了相位差元件4的结构。该图中，参考符号O示出了透过相位差元件4的光的光斑，参考符号D示出了其直径。

相位差元件4在Y轴方向上被分割成多个区域。这些区域是中间的第一区域41和两端的第二区域42和第三区域43。参考符号d指出了在透过相位差元件4的光的光斑直径D中，透过第一区域41的光斑直径D的部分。

第一区域具有从第二区域42和第三区域43升高的物理台阶，在这种结构中，在透过第一区域41的光的波面与透过第二区域42和第三区域43中的光的每个波面之间产生了相位差π。即，第一区域41与第二区域42和第三区域43之间的相位差的高度(图2中用h表示)满足下面的表达式。第一区域41与第二区域42和第三区域43之间的相位差的高度h可以从第二区域42和第三区域43凸出，如图2所示，或者可以从第二区域42和第三区域43凹进。

h×(r-1)＝π

(该表达式中符号r表示第一区域41中包括的材料的折射率。)

当入射至聚焦透镜的光的波面的相位彼此对齐时，光被聚焦透镜聚焦到一点。另一方面，当入射至聚焦透镜的光的波面的相位未对齐时，光不会聚焦到一点，而是聚焦在一个较大的范围内。根据实施方式的微粒检测装置使从光源1发出的光透过相位差元件4，使透过在Y轴方向上被分割的区域的光的波面之间产生相位差，并在Y轴方向上拓宽被聚焦透镜3聚焦的光的光斑。

图3示出了根据本发明的实施方式的微粒检测装置中聚焦在样本流S上的激光光斑内的强度分布的实例。

该图示出了当638纳米波段半导体激光器的光源1在X轴方向和Y轴方向上具有9度的发散角，准直透镜2的数值孔径为0.05，聚焦透镜3的数值孔径为0.01时，获得聚焦到样本流S上的激光光斑内的强度分布的计算(模拟)结果。在该计算中，透过第一区域41的光的光斑直径d为透过相位差元件4的光的光斑直径D的70％。

在该图中，激光光斑在X轴方向上具有高斯分布，在Y轴方向上具有中间平坦并在宽范围内均匀的强度分布。

在根据实施方式的微粒检测装置中，透过第一区域41的光的光斑直径d优选地为透过相位差元件4的光的光斑直径D的25％到75％。透过第一区域41的光的光斑直径d被设定为该范围内的值，从而透过各区域的光可以聚焦为在Y轴方向上中间平坦且在宽范围内具有连续的恒定强度的激光光斑。

作为对照，图8示出了当假定透过第一区域41的光的光斑直径d为透过相位差元件4的光的光斑直径D的20％时，作为计算结果获得的激光光斑的强度分布。激光光斑在Y轴方向上被分割，表现出不均匀的强度分布。

如上所述，在根据实施方式的微粒检测装置中，激光可以在样本流S上聚焦为在Y轴方向上被拓宽且在宽范围内具有均匀强度分布的光斑。因此，根据实施方式的微粒检测装置可以使激光光斑内的强度分布为在样本流S的宽度方向(Y轴方向)上被拓宽的高斯分布，并且有效抑制由于在样本流S中的送流位置的不同而引起的微粒P之间的激光照射强度的差异。通过消除由于微粒在样本流S中的送流位置的不同而引起的测量误差，可以实现高精度和高速度的测量。

虽然在实施方式中第一区域41设置有物理台阶以使得透过第一区域41的光的波面与透过第二区域42和第三区域43的光的波面之间产生相位差，但是相位差也可以由具有光学各向异性的液晶分子产生。即，具有光学各向异性的液晶分子设置在第一区域41和第二区域42和第三区域43内，从而第一区域41的配向与第二区域42和第三区域43的配向不同。然后，通过使光作为线偏振光透过相位差元件以使得第一区域41与第二区域42和第三区域43的折射率产生差异，可以提供相位差。通过将液晶分子夹置在ITO膜之间并且与第二区域42和第三区域43的电压相独立地控制第一区域41的电压来控制液晶分子的配向是可行的。在这种情况下，控制电压以决定是否应用实施方式，从而激光光斑的强度分布可以在标准的高斯分布与在样本流S的宽度方向上被拓宽的高斯分布之间切换。

虽然在实施方式中相位差元件4在Y轴方向上被分割为三个区域，但是只要能保证实施方式的效果，那么相位差元件4的区域的数量就可以是四个以上。此外，透过各区域的光的波面之间的相位差不限于上述的π，而是可以根据需要改变，只要能保证本实施方式的效果即可。

2.根据另一实施方式的微粒检测装置

图4A和图4B均示出了根据本发明另一实施方式的微粒检测装置的光照射系统的结构。

在图4A和图4B中，从光源1发出的光(激光)被准直透镜2耦合成大致平行的光，透过相位差元件4，并由一对母线相互垂直的圆柱透镜31和32聚焦到微粒P流过的样本流S上。样本流S可以在形成于微芯片上的流通池或流路中送液。这里，定义样本流S的送流方向为X轴方向，光对样本流S的照射方向为Z轴方向，垂直于ZX平面的方向为Y轴方向。

根据另一实施方式的微粒检测装置中，相位差元件4的结构和检测散射光和荧光的光检测系统的结构与根据最先描述的实施方式的微粒检测装置的相同。

根据另一实施方式的微粒检测装置使用Y轴方向上的聚焦数值孔径相对于X轴方向上的聚焦数值孔径减小的圆柱透镜31和32以在Y轴方向上拓宽聚焦到样本流S上的激光光斑。微粒检测装置还使得从光源1发出的光透过相位差元件4，使透过在Y轴方向上被分割的各区域的光的波面之间产生相位差，进一步在Y轴方向上拓宽被聚焦透镜3聚焦的光的激光光斑。

图5示出了根据另一实施方式的微粒检测装置中的聚焦在样本流S上的激光光斑内的强度分布的实例。

该图示出了当638纳米波段半导体激光器的光源1在X轴方向上具有8.7度发散角，在Y轴方向上具有23度发散角，准直透镜2的数值孔径为0.25，用于在X轴方向上聚焦的圆柱透镜31的数值孔径为0.67，用于在Y轴方向上聚焦的圆柱透镜32的数值孔径为0.01时，获得聚焦在样本流S上的激光光斑内的强度分布的计算(模拟)结果。在该计算中，透过第一区域41的光的光斑直径d为透过相位差元件4的光的光斑直径D的50％。

在该图中，激光光斑在X轴方向上具有高斯分布，在Y轴方向上具有中间平坦并在宽范围内均匀的强度分布。与根据图3中最先描述的实施方式的微粒检测装置的模拟结果相比，X轴方向上的宽度小得多。

在根据该另一实施方式的微粒检测装置中，透过第一区域41的光的光斑直径d优选地为透过相位差元件4的光的光斑直径D的25％到75％。透过第一区域41的光的光斑直径d被设定为该范围内的值，从而使得透过各区域的光可以聚焦为在Y轴方向上中间平坦且在宽范围内具有连续的恒定强度的激光光斑。

如上所述，在根据该另一实施方式的微粒检测装置中，激光可以在样本流S上聚焦为，在Y轴方向上被拓宽并在宽范围内具有均匀的强度分布而在X轴方向上变窄并具有高光密度的光斑。因此，该微粒检测装置可以使激光光斑内的强度分布为在样本流S的宽度方向(Y轴方向)上被拓宽的高斯分布，并且有效抑制由于在样本流S中的送流位置的不同而引起的微粒P之间的激光照射强度的差异。另外，可以消除由于微粒P在样本流S中的送流位置的不同而引起的测量误差。高密度光可以照射到微粒P以获得大的信号强度。这使得高精度和高速度测量成为可能，从而实现高检测灵敏度。

与根据最先描述的实施方式的微粒检测装置一样，透过第一区域41的光的波面与透过第二区域42和第三区域43的光的波面之间的相位差也可以由具有光学各向异性的液晶分子产生。另外，与根据最先描述的实施方式的微粒检测装置一样，相位差单元4的区域的数量可以是四个以上，只要能保证另一实施方式的效果即可，透过各区域的光的波面之间产生的相位差可以根据需要改变，只要能保证另一实施方式的效果即可。

本发明包含于2010年7月20日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-162853中揭示的内容有关的主题，其全部内容结合于此作为参考。

本领域技术人员应当理解，在随附的权利要求书或其等同物的范围内，根据设计需求和其它因素，可以进行各种修改、组合、再组合和替换。

Claims (6)

1.一种微粒检测装置，包括：

光照射系统，使从光源发出的光透过相位差元件并将所述光聚集到微粒流过的样本流上；

其中，当所述样本流的送流方向为X轴方向，所述光对所述样本流的照射方向为Z轴方向，ZX平面垂直于Y轴方向时，所述相位差元件具有沿所述Y轴方向分割的多个区域，并使透过所述多个区域的光的波面之间产生相位差。

2.根据权利要求1所述的微粒检测装置，其中，所述相位差元件在所述Y轴方向上分割成三个区域，并使透过中间区域的光的波面与透过两端区域的光的每个波面之间产生相位差。

3.根据权利要求2所述的微粒检测装置，其中，透过所述中间区域的光的波面与透过两端区域的光的每个波面之间产生的相位差是π。

4.根据权利要求2所述的微粒检测装置，其中，透过所述中间区域的光的光斑直径为透过所述相位差元件的光的光斑直径的25％到75％。

5.一种光照射装置，使从光源发出的光透过相位差元件，并将所述光聚集到对象上，所述相位差元件具有分割的多个区域并使透过所述多个区域的光的波面之间产生相位差，其中所述多个区域中的区域具有从相邻的区域升高的台阶，所述台阶升高的方向朝向所述光源发出的光，而且所述台阶的高度使所述光的波面之间产生相位差。

6.根据权利要求5所述的光照射装置，其中所述台阶的高度满足以下表达式：

h×(r-1)＝π

其中h表示所述台阶的高度，r表示所述具有台阶的区域中包括的材料的折射率。