CN105339777A - 用于流式细胞仪的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流式细胞仪，其包括液流喷嘴、光源、光学系统和传感器分析仪。所述液流喷嘴提供沿流路流动的液流。所述光源生成照射所述液流的光束。所述光学系统收集由所述液流自所述光束射出的光线，或者至少部分地基于与所述光线相关联的发射角，传输或阻挡所述光线。

Description

用于流式细胞仪的光学系统
相关申请的交叉引用
本申请于2014年3月12日作为PCT国际专利申请提交，并要求2013年3月15日提交的标题为“OPTICSSYSTEMFORAFLOWCYTOMETER”(用于流式细胞仪的光学系统)的美国专利申请序列号61/793,771的优先权，该美国专利申请的公开内容据此全文以引用方式并入。
背景技术
技术人员使用流式细胞仪鉴定样品的内容物。在使用流式细胞仪时，首先将样品引入液流束，随后用光束照射液流束。光束进入液流后会与样品相互作用，接着从液流沿多个方向散射出光。光的一部分光被样品吸收，并发出荧光。通过评定光从流体射出和发出荧光的方式，可以确定样品的特征。
发明内容
概括地说，本发明涉及用于流式细胞仪的光学系统。作为非限制性实例，此光学系统的一种可能配置包括滤光罩，该滤光罩对基于一定角度从液流束射出的光进行过滤(例如，阻挡或传输)，所述角度为光从流体射出的角度。本发明描述了多个方面，包括但不限于以下各方面。
一个方面是流式细胞仪的光学系统，该光学系统包括：集光光学组件，其被布置和构造为邻近液流流路定位并与来自光源的光束路径对准，以便收集在液流流路中由液流或液流中的颗粒自光束射出的光线；准直器，其被布置为接收来自集光光学组件的光线，其中准直器引导这些光线穿过焦点不敏感区域，在该区域中，光线的位置不受液流流路相对于集光光学组件的位置的波动影响；以及定位在焦点不敏感区域处的滤光罩，其基于与所述光线相关联的发射角有选择地对这些光线进行过滤。
另一个方面是使用包括至少一条光学路径的光学系统对流式细胞仪中的发射光进行过滤的方法，该方法包括：用光源产生光束；引导光束沿第一方向进入液流束，其中液流束包括沿液流路径流动的液流和液流中的颗粒；收集自液流或液流中的颗粒所射出的光线，其中这些光线相对于第一方向成偏转角射出；以及用滤光罩至少部分地基于这些光线的发射角有选择地对这些光线进行过滤，其中滤光罩定位在至少一条光学路径中的一位置处，在该位置处，至少部分地基于光线的发射角有选择性地对这些光线进行过滤不受液流路径朝着或远离集光光学组件移动的影响。
又一个方面是流式细胞仪，该流式细胞仪包括：(1)液流喷嘴，其被构造为提供沿液流流路移动的液流；(2)光源，其被构造为产生用于照射液流的光束；(3)光学系统，该光学系统包括：集光光学组件，其邻近液流流路定位并与光束路径对准，以便收集在液流流路中由液流或液流中的颗粒自光束射出的光线；准直器，其被布置为接收来自集光光学组件的光线，其中准直器引导这些光线穿过焦点不敏感区域，在该区域中，光线的位置不受液流流路相对于集光光学组件的位置的波动影响；以及定位在焦点不敏感区域处的滤光罩，其基于与所述光线相关联的发射角有选择地对这些光线进行过滤；以及(4)传感器分析仪，其可操作用于接收并检测穿过滤光罩的光线。
附图说明
图1为根据本发明的示例性流式细胞仪的示意性框图。
图2为示出图1的示例性流式细胞仪的一部分的示意图。
图3为示例性滤光罩的正视平面图。
图4为根据本发明的另一种示例性流式细胞仪的示意性框图。
图5为图4的示例性流式细胞仪的示例性光学系统的示意性横截面侧视图。
图6为示例性滤光罩的正视平面图，示出了在流路偏移时该实例中出现的滤光不当现象。
图7为根据本发明的另一种示例性流式细胞仪的示意性框图。
图8为图7的示例性流式细胞仪的示例性光学系统的示意性横截面侧视图。
图9为示出图7的示例性流式细胞仪的焦点不敏感区域的示意图。
图10为根据本发明的另一种示例性流式细胞仪的示意性框图。
图11为图10的示例性流式细胞仪的示例性光学系统的示意性横截面侧视图。
图12为图11的示例性光学系统的示例性物理实施方式的横截面侧视图。
图13为根据本发明的另一种示例性流式细胞仪的示意性框图。
图14为图13的示例性流式细胞仪的示例性光学系统的横截面侧视图。
图15为图14的示例性光学系统的横截面顶视图。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述各实施例，其中类似的附图标号代表类似的零件和组件。本说明书提及的各实施例不对所附权利要求书的范围构成限制。另外，本说明书陈述的任何实例并非意图对所附权利要求书进行限制，只是示出了所附权利要求书的多种可行实施例中的一些。
图1为示例性流式细胞仪100的示意性框图。在该实例中，流式细胞仪100包括液流喷嘴102、光源104、样品收集器106、光学系统108、传感器分析仪110和计算设备兼控制电子设备112。光学系统108包括滤光罩120。
液流喷嘴102接收含有颗粒的样品，供流式细胞仪100分析。液流喷嘴102具有小孔，所述小孔每次只许一个颗粒或少量颗粒通过，比方说，使颗粒排成单列穿过液流喷嘴102。样品与鞘液混合，得到含有样品的液流F，该液流F沿着流路FP引导。液流喷嘴102的实例包括流通池和空气喷射式喷嘴。在一些实施例中，流通池的主体是透明的，其中包括极细的通道。含有颗粒的液流束被通道壁沿着延伸穿过流通池的液流路径引导，并经过光源104。在其他实施例中，使用空气喷射式喷嘴沿着液流路径喷射液流束。液流在水动力作用下以连续液流束的形式流动，并在穿过光源104时约束颗粒。其他实施例使用其他液流喷嘴102。
光源104产生光束LB。光源的实例为产生激光束的激光器。光束LB沿方向A1引导到液流路径FP上，方向A1为光束LB探询液流的方向。尽管通常情况下光束LB是由光源104本身朝着液流路径FP引导，但在其他实施例中，作为另外一种选择，也可先由光源发出光束LB，再利用一个或多个光学设备(例如透镜、反射镜、棱镜等)引导光束。光源104的另一个实例为弧光灯。
液流F沿着液流流路FP前进，然后被引导到样品收集器106。在一些实施例中，样品收集器106为废液容器。在其他实施例中，样品收集器106包括一个或多个存放容器。在另一个可行的实施例中，流式细胞仪100为分选式流式细胞仪，样品收集器106用于基于检测到的一种或多种颗粒特征将液流中的颗粒分选到多个容器中。
在光束LB进入液流F后，液流中的颗粒会散射(例如，前向散射、侧向散射或后向散射)至少一些光线LR。图1的实例示出了前向散射的光线LR。另外，颗粒会将一部分光吸收掉，随后发出不同波长的荧光。于是液流发出散射光和荧光两种光。发射角θ(有时也称散射角)是指液流F射出的光线LR相对于光束LB的方向A1的角度。因为光束LB包括可沿不同方向分开射出的许多条光线LR，所以，可同时沿不同的方向射出不同的光线LR(即，具有不同的发射角θ)。前向散射(和荧光)结合图2较详细示出和描述。图1只示出了垂直维度上的发射角θ，但应当理解，光线LR也可在水平维度上射出(即，在全部三种维度上射出)。
光学系统108邻近液流路径FP定位，用于接收所发射的光线。在一些实施例中，光学系统108包括滤光罩120。滤光罩120被布置和构造为阻挡具有第一组发射角θ的第一部分光线LR，且让具有第二组不同发射角θ的第二部分光线LR通过。可以调整各种可行的滤光罩120中的第一部分和第二部分的位置以用于有选择地阻挡且有选择地传输发射光的某些部分。在一些实施例中，除了阻挡和传输之外，或者作为阻挡和传输的替代，也可由滤光罩120的第一部分和第二部分执行其他类型的过滤。滤光罩120的一个实例结合图2至图3较详细示出和描述。另外，一些实施例包括可调式滤光罩120，其可手动调节，也可由计算设备以机械方式或电子方式调节。可调式滤光罩可包括能够被物理地移动到不同位置的机械可调元件。在其他可行的实施例中，滤光罩包括具有可调透明度的设备，诸如液晶显示器。另一个可行的实施例采用了(例如)微机电系统(MEM)反射镜。
如上所述，通常将光学系统108的至少一部分邻近液流路径FP布置。在图1示出的实例中，光学系统108定位在与液流路径相距D1的位置处。不同实施例的距离D1可能不同。在一些实施例中，距离例如在约10mm至约15mm的范围内。
然而，已经发现，液流路径FP在流式细胞仪100内相对于光学系统108的确切位置可能会移动。因此，距离D1会略有不同。举例来说，流路FP与光束LB相交的位置可能朝着(-)或远离(+)光学系统108移动约50μm(例如，移动约-50μm至约50μm范围内的距离)，使距离D1相应地缩小或增大。流束移位可能由多种因素造成，例如流式细胞仪中出现热变化、液流不稳定、压力改变、部件出现机械不稳定、存在外部振动等。本文将较详细讨论液流束移位对正穿过光学系统108的光线LR带来的影响。
光线LR穿过光学系统108后，用传感器分析仪110对其进行检测。传感器分析仪110检测光线的各种特征，例如探测到的光的强度和位置、颗粒穿过光束时产生的光脉冲的持续时间、脉冲形状、偏振和波长这些特征中的一种或多种。
计算设备兼控制电子设备112与传感器分析仪110进行交互，评估液流中颗粒的特征值。在一些实施例中，计算设备112包括显示器，用于在其上生成用户界面，向用户呈现与液流中颗粒的特征有关的信息。计算设备112通常包括至少一台处理装置(例如中央处理单元)和至少某种形式的计算机可读介质(例如计算机可读存储介质)。计算机可读介质的实例在本文中有描述。
在一些实施例中，流式细胞仪100为分选式流式细胞仪，其中计算设备兼控制电子设备112用于至少部分地基于传感器分析仪110检测到的发射光将颗粒分选到样品收集器106的多个不同容器中。例如，液流中的液滴被液流喷嘴102有选择地充电后，便在液流喷嘴102处基于液滴中所含颗粒的检测到的特征从液流束脱离。这些液滴随后穿过样品收集器106处的荷电板，被分选到不同的容器中。荷电板使这些液滴转向，引导它们进入合适的容器。
图2为示出示例性流式细胞仪100的一部分(例如图1所示流式细胞仪100的一部分)的示意图。流式细胞仪100的图示部分绘出了光束LB、液流F流束、从液流F流束射出的光线LR，和光学系统108。在该实例中，滤光罩120邻近液流束定位于光学系统108前端(该位置为焦点不敏感区域，本文将较详细讨论)。
在光束LB进入液流F后，液流(和液流中包含的任何颗粒)使光线LR沿不同方向(由发射角θ描绘)射出。光线LR不仅沿垂直方向还沿水平方向射出。图2示出光线LR沿垂直方向射出，射出范围介于45°(向上)与-45°(向下)之间。光线LR还沿水平方向射出，射出范围例如介于-12°(从光束LB的视角观察向左)与+12°(向右)之间。所述射出还可能在这些范围外发生，在一些实施例中，需要收集、过滤和/或评估这些范围外的光线LR。
然而，已经发现，在评估样品的一个或多个特征时，并非所有的光线LR都同样有用。因此，可使用滤光罩120有选择地将某些部分的光线阻挡，同时允许所关注的光线通过。
举一个假想例来说，假设所关注的光线只是具有介于+20°和+35°间，以及-20°和-35°间的发射角θ的那些光线。接下来，可按照图2至图3描绘的方式运用滤光罩120。在该实例中，滤光罩120包括主体122，用于将不需要的那部分光线(例如发射角介于-20°与+20°之间的那些光线，和发射角超过+35°或-35°的那些光线)阻挡。滤光罩120还包括在主体122中形成的多个孔124，这些孔124准确地位于允许具有所关注发射角θ(例如介于+20°和+35°间，以及-20°和-35°间的发射角θ)的光线LR从中穿过的位置。
穿过滤光罩120的光线随后被光学系统108收集，并被引导至传感器分析仪110(图1)，其中在传感器分析仪110处，评估样品的所述一个或多个特征。
图2所示配置的一种有益效果是可以精准滤过具有特定发射角的光线LR，这种效果的实现主要受以下两种能力限制：一是在滤光罩120中的准确位置形成多个孔的能力，二是将滤光罩120恰当地相对于光束LB的方向A1定位的能力。
另一种有益效果是可选择具有针对特定应用优化的期望特征的多个滤光罩，将它们用于流式细胞仪。例如，可将第一滤光罩插入光学系统，该第一滤光罩具有使其可用于第一种应用的第一组特征。随后可将第一滤光罩移除，替换上用于第二种应用的不同滤光罩。在一些实施例中，除了移除第一滤光罩，替换上具有期望特征的另一个滤光罩之外，无需对光学系统作出其他改变。本文还描述了另外的实例。
图3为图2的示例性滤光罩120的前视立面图。在该实例中，滤光罩120包括主体122和多个孔124。
滤光罩120的主体122被布置和构造为将发射光线LR的某些部分阻挡，不让其通过。例如，在一些实施例中，表面涂有或形成有会吸收掉大部分甚至所有光线LR的材料。滤光罩120可由(例如)塑料或金属等材料形成。
滤光罩120还包括在主体122中形成的多个孔124。这些孔124定位在主体122上允许具有某些发射角θ的发射光线LR从中穿过的特定位置。在该实例中，将多个孔定位成允许具有介于+20°和+35°间、以及-20°和-35°间的标称垂直发射角，和介于-12°和+12°间的标称水平发射角的光线LR从中穿过。
可使用将发射角映射到光学系统内恰当物理位置的转移函数来确定滤光罩120的实际物理尺寸。在一些实施例中，发射角与滤光罩特征结构的物理位置线性相关。举例来说，一旦确定流路FP与滤光罩120间的距离D1(示于图1)，并知道所需的发射角θ后，就可以采用三角法计算需要在主体122中形成多个孔的位置。例如，孔124最靠近中心的边缘定位在与原点(光束LB所指向的点)垂直相距H2和H3的位置处，其中H2和H3使用距离D1和发射角θ(例如，+/-20°)计算得到。相似地，孔124的最外侧边缘定位在与原点垂直相距H4和H5的位置处，其中H4和H5使用距离D1和发射角θ(例如，+/-35°)计算得到。孔124的水平边缘定位在与原点水平相距W2和W3的位置处，其中W2和W3使用距离D1和水平发射角(例如，+/-12°)计算得到。
然而，在一些实施例中，转移函数可以是非线性的，譬如具有对数关系、抛物线关系或其他非线性关系。在此类实施例中，可根据光学系统的具体特征确定转移函数，以便允许在发射角和期望的滤光罩特征结构的物理位置间映射。
选择滤光罩120的总体尺寸(高度H1和宽度W1)，以便阻挡所有不需要的光线LR，不让其向前穿过光学系统108。在该实例中，为针对垂直发射角介于+45°与-45°之间以及水平发射角介于+12°与-12°之间的光线，以及针对光学系统与流路FP的距离D1，来选择高度H1和宽度W1。
图3的实例示出了具有与恒定的垂直发射角对准的笔直内外边缘的孔124，其中内边缘例如在+/-20°处，外边缘例如在+/-35°处。在另一个可行的实施例中，孔124的一条或多条边缘是弯曲的，例如沿着恒定的发射角大小是弯曲的。换句话说，如要收集以特定角度范围自照射颗粒射出的光线，在一些实施例中，则孔的内外边缘离探询点的径向距离需恒定不变。在一些实施例中，孔的内外边缘是以原点为中心的圆上的圆弧，而非笔直的边缘。然而，可以在一些实施例中使用笔直边缘来近似弧形边缘，尤其是在孔的宽度较窄时。
本文示出和描述的滤光罩120只是其他实施例中可用的多种不同滤光罩的一个实例。可将滤光罩120构造成具有任何期望的布置方式，以允许与某些需要的发射角相关联的光线通过，同时阻挡与不需要的发射角相关联的其他光线。例如，在一些实施例中，滤光罩的阻光区域的近侧边缘和远侧边缘是弯曲的(例如，离激光束路径的径向距离恒定不变)。有关可用于光学系统108中的示例性滤光罩120的更多细节在与本申请同日提交的标题为“RADIATEDLIGHTFILTERINGFORAFLOWCYTOMETER”(用于流式细胞仪的发射光过滤)的共同待审美国专利申请序列号61/798,548(代理人案卷号30429.0160USP1)中有描述，该专利申请的公开内容据此以引用方式全文并入。
图4至图6示出了流式细胞仪100的另一个实例。在该实例中，，通过使用光学系统108收集发射光线LR，并将它们引导至滤光罩120，来将滤光罩120重新定位以移到离液流F的流路FP更远的地方。这就例如方便了对滤光罩120的触及。然而，该实例的缺点是，光学系统108对流路的位置变化非常敏感，这将在下文较详细讨论。
图4为另一种示例性流式细胞仪100的示意性框图。该实例类似于图1示出的实例，不同的是将滤光罩120从光学系统108前部(像在图1中那样)移到了光学系统108后部，如图所示。在该位置布置滤光罩120的好处比如是能够更方便地触及滤光罩120。另外，将滤光罩120布置在该位置后，就可沿光学路径额外安设杂散光控制特征结构，用于阻挡具有不需要的/未加控制的发射角的光线，让它们不能到达滤光罩120。
类似于图1所示，流式细胞仪100包括液流喷嘴102、光源104、样品收集器106、光学系统108、传感器分析仪110和计算设备兼控制电子设备112。
然而，如上文提及，滤光罩120朝着光学系统108后端定位，以更便于触及滤光罩，以便，比如说，更轻松地移除滤光罩120并替换上不同的滤光罩120。光学系统108和滤光罩120的一个实例结合图5较详细示出和描述。
在该实例中，滤光罩120定位在聚焦敏感位置(例如图5示出的区域136)，下文将较详细讨论。
在一些实施例中，光学系统108包括集光光学组件(例如图5所示)，其被布置和构造为收集液流F发射的光线(LR)。因此，该集光光学组件被选择和定位以使得该集光光学组件的焦点正好位于液流F的流路FP和光束LB的交点处。
然而，已经发现，光束LB与液流F的交点不是固定的，随时都在变化。举例来说，液流流路或样品可能移动到离光学系统108稍近一点的位置(如流路FP+所示)，也可能移动到离光学系统108稍远一点的位置(如流路FP-所示)。举例来说，流路FP+朝光学系统108偏移了距离+D2，且流路FP-朝远离光学系统108的方向偏移了距离–D2。除此之外，液流束内的颗粒位置也可能偏移。虽然这些变化可能都是细微的(例如在约+50μm至约-50μm的范围内)，但由于这些变化既可以导致流路FP和/或颗粒与焦点对准又可以导致不对准，所以这些变化会被光学系统108放大。
因此，虽然该实例在流路FP定位在光学系统108的焦点处时能很好地过滤光线LR(使用滤光罩120)，但是，一旦流路FP定位在光学系统108的焦点之外(例如，定位在FP+或FP-处)，该实例就不再能准确地过滤光线LR。
图5为图4的示例性光学系统108的示意性横截面侧视图，其中滤光罩120被朝着光学系统108后端布置。为了方便说明和理解，在图5(和一些后续示意图)中大幅放大了光线偏移度。
在该实例中，光学系统108包括集光光学组件132和准直器134。
集光光学组件132被布置和构造为在光线LR通过液流F之后收集光线LR。至少一些这种光线LR以发射角θ散射。光线LR是弯曲的，朝准直器134引导。集光光学组件132的实例为物镜。在一些实施例中，集光光学组件132还包括一个或多个杂散光控制结构，如针孔。在一些实施例中，针孔包括其中有孔的机械结构。该机械结构是不透明的，能够阻挡一部分光，而其中的孔又允许另一部分光从中穿过。在一些实施例中，这种杂散光控制结构有助于减弱背景信号，由此提升光学系统检测所关注光线的能力。
准直器134接收来自集光光学组件132的光线LR。在液流F(沿着流路FP)布置在集光光学组件132焦点处的情况下，准直器134使多条光线LR准直，使得它们基本上彼此平行地射出。
随后用滤光罩120过滤光线LR。由于集光光学组件132使光线LR的相对位置保持固定(即，散射得更厉害的光线相比未散射光线与中心成比例地相距更远)，所以能够采用与结合图1示出和描述同样的方式使用滤光罩120，以过滤掉与某些发射角相关联的光线，同时又允许其他光线(与其他发射角相关联的光线)通过。随后用传感器分析仪110检测穿过滤光罩120的那些光线。
然而，如果滤光罩120定位在焦点敏感区域136中，那么，一旦流路FP的位置移动远离集光光学组件132的焦点从而使流路偏离焦点，滤光罩便不能以预期方式过滤光线LR。
图5能说明该现象，其中示意性地绘出了从三种不同位置的液流F流路FP发出的光线LR的光学路径。当流路FP处于集光光学组件132的焦点处时，出现第一光学路径(用实线示出)。当流路FP沿流路FP+朝集光光学组件132偏移时，出现第二光学路径(用虚线示出)。当流路FP沿流路FP-远离集光光学组件132偏移时，出现第三光学路径(用短划线示出)。
从图中可以看出，虽然流路FP+和流路FP，或流路FP-和流路FP间的位置改变可能非常小(如大约+50μm或-50μm)，但差异会被光学系统108放大数倍。光线LR到达滤光罩时，其位置明显偏离预想的位置。例如，从FP+发出的光线向外偏离原点，而从FP-发出的光线向内朝原点偏移。图6更清楚地示出了这种现象的结果，即，一旦流路偏离集光光学组件132的焦点，滤光罩120就可能允许那些与不需要的发射角相关联的光线通过，并可能阻挡那些与需要的发射角相关联的光线。
图5还示出了光学路径中的焦点不敏感区域138，其与焦点敏感区域136形成对照。在结合图7至图15较详细示出和描述的示例性流式细胞仪100中用到了这种焦点不敏感区域138。
图6为示例性滤光罩120的正视平面图，示出了在流路偏离集光光学组件的焦点时出现的滤光不当现象。
如上所述，如果流路FP准确地定位在集光光学组件的焦点处，光线就会与滤光罩120准确对准。因此，需要的光线从孔124中穿过，不需要的光线被滤光罩120阻挡。
当液流F在流路FP+上朝光学系统108偏移时，光线LR的光学路径在滤光罩120处会大幅偏移。举例来说，需要的光线LR偏移到了区域142(用虚线表示)。从图中可以看出，需要的光线只有一小部分从孔124中穿过，不需要的光线(区域142外的那些光线)却有许多获准穿过滤光罩120的孔124。
相似地，当液流F在流路FP-上远离光学系统108偏移到时，光线LR的光学路径在滤光罩120处会大幅偏移。举例来说，需要的光线LR偏移到了区域144(用短划线表示)。从该实例可以看出，全部需要的光线都被滤光罩120阻挡，不需要的光线却获准穿过滤光罩120的孔124。
图7至图9示出了流式细胞仪100的另一个实例，其克服了之前实例的缺点。
图7为另一种示例性流式细胞仪100的示意性框图。该实例类似于图4示出的实例，不同的是将滤光罩120从光学系统108的焦点敏感区域136(示于图5)移到了光学系统108的焦点不敏感区域138。因此，该示例性流式细胞仪100不仅获得了图4所示实例的好处，例如方便操作员更轻松地触及滤光罩120，还克服了对流路FP位置的敏感性。
类似于图1和图4所示的实例，该示例性流式细胞仪100包括液流喷嘴102、光源104、样品收集器106、光学系统108、传感器分析仪110和计算设备兼控制电子设备112。
光学系统108包括布置在光学路径中的滤光罩120。更具体地讲，滤光罩120定位在焦点不敏感区域处。
图8为图7的示例性光学系统108的示意性横截面侧视图，其中滤光罩120被布置在光学系统108的焦点不敏感区域处。
该示例性光学系统108和图5所示实例一样，还包括集光光学组件132和准直器134。光线由集光光学组件132收集并由准直器134标称地准直。
图8采用与图5同样的方法，示意性地绘出了从三种不同位置的液流F流路FP发出的光线LR的光学路径。当流路FP处于集光光学组件132的焦点处时，出现第一光学路径(用实线示出)。当流路FP沿流路FP+朝集光光学组件132偏移时，出现第二光学路径(用虚线示出)。当流路FP沿流路FP-远离集光光学组件132偏移时，出现第三光学路径(用短划线示出)。
在光线穿过准直器134后，第一光学路径中的光线被正确准直。然而，第二光学路径中的光线(虚线)是发散的，第三光学路径中的光线(短划线)是会聚的。
虽然光线在不同光学路径中沿不同的方向行进，但这三种光学路径最终会在焦点不敏感区域138处相交。比方说，与45°发射角θ相关联的光线，不管它是从液流流路FP发出、还是从偏移的液流流路FP+或FP-发出，最终全都相交于同一点。与每种发射角相关联的所有光线情形都是如此。
因此，将滤光罩120定位在焦点不敏感区域138后，就可以使用滤光罩120根据发射角θ准确地过滤与发射角θ相关联的光线LR，即便液流F的流路FP不处于集光光学组件132的焦点处也可以准确过滤。
在一些实施例中，在液流流路FP与滤光罩120之间使用的光学系统能够消除预备使用的光波长(颜色)范围内的色差。单透镜会产生色差。也就是说，单透镜会将不同波长(颜色)的光沿着稍有不同的方向引导。这会改变不同波长(颜色)的光线从透镜射出时的出射角、这些光线的焦点位置，以及这些光线所成图像的尺寸。因此，不同波长的光源会产生不同的光路，焦点不敏感区域的不同位置，以及焦点敏感区域处透光角和遮光角的不同图案，除非光学系统被专门设计来校正和削弱这种效应。
在一些实施例中，流式细胞仪100使用多种波长的光源，让样品可被不同波长的光照射。因此在一些实施例中构思了不改变光学系统108的配置，将其与不同波长的光一起使用，光学系统108因而必须对预备采用波长范围内的所有光发挥相同(在规定的公差范围内)的引导作用。
此时，可构思使用由不同类型的玻璃制成的多个透镜系统，以便最大程度减轻选定波长范围内的上述效应。这种类型的透镜或透镜系统据说能够消除色差(即，无色差)，我们称其为消色差透镜。一些实施例采用了多透镜系统，借此减轻光学系统中各点处的色差现象。
例如，将集光光学组件132设计成能够消除色差，以使预备使用波长(颜色)范围内的全部光线LR都会聚于焦点。
相似地，一些实施例中的准直器134能够消除色差，让从其射出的所有波长的光线全都被标称地准直——否则，波长不同的光线便将以不同的出射角离开准直器，随后投射在滤光罩120上的不同位置。
图9是较详细示出焦点不敏感区域138的示意图。该示意图示出了沿三个示例性光学路径行进的光线，这些光学路径包括第一光学路径152、第二光学路径154和第三光学路径156。第一光学路径152中的光线从处于光学系统108焦点处的流路FP(示于图7)发出。第二光学路径154中的光线从流路FP+发出，该流路FP+相比焦点离光学系统108更近。第三光学路径156中的光线从流路FP-发出，该流路FP-相比焦点离光学系统108更远。
沿第一光学路径152行进的光线是准直的。第二光学路径154中的光线是发散的。第三光学路径156中的光线是会聚的。
尽管光学路径152、154和156各不相同，但图9示出了与给定发射角θ相关联的这些光学路径各自是如何在焦点不敏感区域处相交的——不管光线是从什么位置(流路FP、FP+或是FP-)发出。虽然图9只示出了垂直维度，但水平维度上的情形也是如此。
因为所有光路相交于共同位置，所以在滤光罩120定位于焦点不敏感区域138处时，滤光罩120将根据发射角θ恰当地过滤与发射角θ相关联的光线，即便液流流路偏离集光光学组件132的焦点也可以恰当过滤。举例来说，可使用滤光罩120阻挡第一部分光线，同时允许第二部分光线从中穿过(例如，图3所示的示例性滤光罩让与介于20°与35°间以及介于-20°与-35°间的发射角θ相关联的那些光线从中穿过)。
图10至图12示出了流式细胞仪100的另一个实例。在该实例中，光学系统108包括二次成像仪。使用二次成像仪的一个优点是能够将光学路径拉长，从而允许滤光罩120定位在离液流流路FP更远的位置。
图10为流式细胞仪100的另一个实例的示意性框图。该实例类似于图7示出的实例，不同的是在光学系统108内添加了二次成像仪162。因此，该流式细胞仪100实例不仅获得了图7所示实例的好处，例如对流路FP位置变化的敏感性降低，还允许滤光罩120(和流式细胞仪100下游部件的一部分甚至全部)重新安置在更合意的位置。
类似于图1、图4和图7所示的实例，该流式细胞仪100实例包括液流喷嘴102、光源104、样品收集器106、光学系统108、传感器分析仪110和计算设备兼控制电子设备112。光学系统108包括二次成像仪162，和位于焦点不敏感区域处的滤光罩120。光学系统108的较详细实例示于图11中。
图11为图10的示例性光学系统108的示意性横截面侧视图，其中光学系统108包括二次成像仪162。更具体地讲，在该实例中，光学系统108包括集光光学组件132、二次成像仪162、准直器134和滤光罩120。传感器分析仪110被布置为接收并检测通过光学系统108的光线。为了方便说明和理解，在图11中大幅放大了光线位移度。
在该实例中，光线被集光光学组件132收集，再被引导会聚于焦点164。如图所示，光线LR的来源不同(例如，来自流路FP、FP+或FP-)，焦点164的位置也不同。光线经过焦点164后开始发散。二次成像仪162定位在焦点164以外的位置，用于在来自集光光学组件132的光线LR发散后接收这些光线LR。
二次成像仪162接收发散光线LR，改变其方向，让这些光线再次朝焦点166会聚。光线在焦点166处会聚后再次开始发散。在一些实施例中，二次成像仪162能够消除色差，如上文讨论的那样。使用二次成像仪162是为了改变发散光线LR的方向，让其朝焦点166偏转。
即便用到了二次成像仪，但在一些实施例中，二次成像仪的成像质量并不足以，只要能将发射角保留下来即可。
准直器134定位在焦点166以外的位置，用于在光线LR发散后接收这些光线。准直器134引导光线LR朝滤光罩120射去。
光线的来源不同，在穿过准直器134后，所循的光学路径也不同。然而，所有光学路径都在焦点不敏感区域138处相交，因而把滤光罩120定位在焦点不敏感区域138处。随后用传感器分析仪110接收并检测穿过滤光罩120的光线。
该光学系统108实例的一个优点是，添加二次成像仪162让光学系统108的总长度D4能够偏移D3的一段距离，但不会改变光学路径的总体尺寸(例如，当二次成像仪162和准直器134处的光学路径长度是相同的时候)。距离D3是二次成像仪162焦距的两倍长，因此，选用具有需要的焦距的二次成像仪162，就可以获得各种距离D3。举例来说，二次成像仪的焦距在约25mm至约50mm的范围内，但另外的实施例可以有不同的焦距。另外，可将二次成像仪162移到离焦点164更近或更远的位置，并且类似地将准直器134移到离第二焦点166更近或更远的位置，借此调整光学系统108的总长度。
另外，运用二次成像仪162增大了焦点不敏感区域138的宽度。该宽度增大，流式细胞仪100使机械公差更容易实现，另外，对滤光罩120安置位置微小变化的敏感性降低。
光学系统108的整个光学路径用距离D4示出。在一个实例中，距离D4在约150mm至约250mm的范围内，但另外的实施例可以有不同的距离D4。
图12为图11示意性描绘的示例性光学系统108的示例性物理实施方式的横截面侧视图。
该示例性光学系统108如上所述那样包括集光光学组件132、二次成像仪162、准直器134和滤光罩120。传感器分析仪110接收并检测穿过整个光学系统108的光线。
在一些实施例中，集光光学组件132由多个透镜形成，包括透镜172和透镜174。举例来说，透镜172为前表面平坦、后表面为非球面的施密特校正镜。在一些实施例中，集光光学组件为与镜筒透镜配对使用的多元件显微物镜。适用成对透镜的实例为可向美国新泽西州巴灵顿市爱特蒙特光学股份有限公司(EdmundOptics,Inc.,Barrington,NJ)购买的58-373号透镜和54-774号透镜。在一些需要较大集光角的实施例中，可以使用其他成对透镜，例如与镜筒透镜配对使用的数值孔径较大的显微物镜，或定制光学器件。适用成对透镜的实例为可向美国新泽西州巴灵顿市爱特蒙特光学股份有限公司(EdmundOptics,Inc.,Barrington,NJ)购买的59-880号透镜和54-774号透镜。在一些实施例中，光学组件132包括四个透镜元件，用于如图所示那样将预备使用的所有波长(颜色)范围内的光线LR会聚到单个焦点。如果流式细胞仪使用波长范围较窄的光或只使用一种波长的光，那么便可以选配复杂度降低的光学组件132。
透镜174的实例为三合透镜，其包括用紧固件(例如粘合剂)连接起来的三个透镜元件。第一元件有两个凸面，第二元件有两个凹面，第三元件有两个凸面。
在一些实施例中，二次成像仪162由多个元件构成。在该实例中，二次成像仪162包括两个消色差双合透镜176和178。双合透镜176包括第一元件和第二元件，第一元件具有相对平坦(或略凸)的前表面和凹形后表面，第二元件具有两个凸面。这两个元件连接在一起构成双合透镜176。双合透镜178也由两个元件构成，这两个元件前后颠倒排列。适用于二次成像仪162的双合透镜176的实例为可向美国新泽西州纽顿市Thorlabs股份有限公司(ThorlabsIncorporated,Newton,NJ)购买的型号为AC127-019-A的双合透镜。尽管一些实施例采用相同的双合透镜176和178，但另外的实施例也可利用特征不同(例如焦距不同)的一些双合透镜。
在一些实施例中，准直器134由多个元件构成。在该实例中，准直器134为消色差双合透镜180，该双合透镜180与双合透镜176相似，但可视情况具有不同的尺寸和/或不同的特征。适用于准直器134的双合透镜180的实例为可向美国新泽西州纽顿市Thorlabs股份有限公司(ThorlabsIncorporated,Newton,NJ)购买的型号为AC080-010-A的双合透镜。
图13至图15示出了流式细胞仪100的另一个实例。在该实例中，光学系统108包括光束分离组件182，用于把光线分成或过滤成两个或更多个光束。此外，在一些实施例中，光学系统108包括两个或更多个滤光罩120，用于过滤分离的光束。
图13为流式细胞仪100的另一个实例的示意性框图。该实例类似于图10示出的实例，不同的是在光学系统108中添加了光束分离组件182，用于把光线LR分成两个或更多个光束，添加光束分离组件182后，便例如能够添加多个滤光罩120，或拓宽光线LR的选择标准(例如基于光的偏振程度或波长的标准)。
类似于图1、图4、图7和图10所示的实例，该流式细胞仪100实例包括液流喷嘴102、光源104、样品收集器106、光学系统108、传感器分析仪110和计算设备兼控制电子设备112。光学系统108包括二次成像仪162、光束分离组件182，和多个定位在焦点不敏感区域处的滤光罩120。光学系统108的较详细实例示于图14至图15中。
图14至图15示出了图13的示例性光学系统108的示例性物理实施方式。图14为光学系统108的横截面侧视图。图15为光学系统108的横截面顶视图。
在该实例中，光学系统108包括集光光学组件132、二次成像仪162、准直器134、光束分离组件182、滤光罩120，以及另外一些可能的光学部件184。
这些示例性物理实施方式与图12示出的实例类似。举例来说，在一些实施例中，集光光学组件132包括透镜172和三合透镜174，二次成像仪162包括双合透镜176和178，准直器134包括双合透镜180。
另外，一些实施例包括光束分离组件182，该光束分离组件182被布置和构造为将光线分成两个或更多个光束，例如光束192和光束194(示于图15)。在该实例中，光束分离组件182包括分束器202和反射镜204。分束器202定位在光学系统108的光学路径中，被构造为(例如)反射光线的一部分以形成光束194，并且透射光线的其余部分以形成光束192。在一些实施例中，反射镜204被布置用于改变光束194的方向，让其朝传感器分析仪偏转，使得光束194与光束192平行。在一些实施例中，由于传感器分析仪110沿着光束194的路径布置，所以不必使用反射镜204。如果需要的话，可例如再添加一个或多个分束器，把分束后的光线LR继续分束。
在另一个可行的实施例中，光线取决于其本身的其他特性(例如偏振程度或波长)，被分离或过滤成两个或更多个光束。换句话讲，通过利用一个或多个分束器和一个或多个各种滤光罩，可例如通过评估光线的波长、偏振程度、发射角、时间依赖程度或其他特征，来评估与液流中的颗粒有关的众多信息。
随后可分别但同时过滤并分析独立光束192和194中的每一个。在该实例中，光束192和194各自通过独立的滤光片120A和120B。滤光片120A和120B可以相同，也可以不同。例如，可使用滤光片120A允许光线中与某些发射角θ相关联的选定部分通过，并且可使用滤光片120B允许光线中与其他发射角θ相关联的另一选定部分通过。这样，传感器分析仪110就可以分别并同时评估同一部分液流F所发射光线中的多个部分。
一些实施例额外包括一个或多个光学部件184。这些额外的光学部件的实例包括滤光部件206、透镜208和孔部件210。
在一些实施例中提供了滤光部件206，用于在光线到达传感器分析仪前，对光线进行进一步过滤。滤光部件206的实例包括分光滤光片、中性密度滤光片和偏振滤光片。
设置透镜208A和208B是为了将光线会聚到焦点，让会聚后的光线能够穿过孔部件210A和210B。孔部件210A和201B分别定位在透镜208A和208B的焦点处，被构造为阻挡杂散光到达传感器分析仪。还可类似地在其他焦点处(如图11所示的焦点164和166中的任一个处)额外安设孔部件210。
另外，在一些实施例中，把多条光学路径的长度调节为等长。举例来说，可延长或缩短伪准直光线区域中滤光部件206后透镜208前的这段距离，由此让分束器202分出的光束192和194行进相等的距离到达传感器分析仪110。例如，在一些实施例中，为了使光束192和194的路径长度相等，将分束器202与传感器分析仪110间的距离(滤光部件206A与透镜208A间的距离)增加与分束器202和反射镜204间的距离相等的长度。作为另外一种选择，在另一个可行的实施例中，可将反射镜204与传感器分析仪110间的距离缩短与分束器202和反射镜204间的距离相等的长度。
虽然本发明以结合上文描述实例引入新概念的方式组织，但仍可由本文公开概念的各种组合构成额外的实施例。例如，图13至图15示出的光束分离组件可包括在图1、图4、图7或图10示出的实例中。又如，图10和图14示出的二次成像仪可包括在图1或图4示出的实例中。可这样组合本文所述的特征结构，也可用其他各种方式组合本文所述的特征结构，从而得到在本发明范围内可行的其他实施例。
如本文所述，流式细胞仪100的一些实施例包括一种或多种类型的计算机可读介质。计算机可读介质包括可由计算设备112访问的任何可用介质。举例而言，计算机可读介质包括计算机可读存储介质和计算机可读通信介质。
计算机可读存储介质包括在构造成存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据之类的信息的任何设备中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除的介质。计算机可读存储介质包括但不限于随机存取存储器、只读存储器、电可擦可编程只读存储器、闪速存储器或其他存储技术、密盘只读存储器、数字通用光盘或其他光存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其他磁性存储装置，或可用来存储期望信息并可由计算设备112访问的其他任何介质。计算机可读存储介质不包括计算机可读通信介质。
计算机可读通信介质通常将计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据体现为调制数据信号如载波或其他传输机制，并包括任何信息传送介质。术语“调制数据信号”是指这样的信号，即该信号的一种或多种特征以在该信号中编码信息的方式设定或改变。举例而言，计算机可读通信介质包括连线介质诸如有线网络或直接连线，和无线介质诸如声介质、射频介质、红外介质和其他无线介质。以上任意组合也包括在计算机可读介质的范围内。
在一些实施例中，术语“基本上”是指偏差不到5％。在其他实施例中，术语“基本上”是指偏差不到1％。在另有一些实施例中，该术语是指偏差不到0.1％。在其他实施例中，该术语是指另外的偏差度。
上述各实施例仅以举例说明的方式提供，而不应将其理解为限制所附权利要求的范围。本领域的技术人员将很容易认识到，在不脱离以下权利要求的真实精神和范围的前提下，可以不遵循本文所示和描述的示例性实施例和具体应用，对各实施例作出各种修改和变更。

Claims (21)

1.一种用于流式细胞仪的光学系统，所述光学系统包括：
集光光学组件，所述集光光学组件被布置和构造为邻近液流流路定位并与来自光源的光束路径对准，以便收集在所述液流流路中由所述液流或所述液流中的颗粒自所述光束射出的光线；
准直器，所述准直器被布置为接收来自所述集光光学组件的所述光线，其中所述准直器引导所述光线穿过焦点不敏感区域，在所述焦点不敏感区域中，所述光线的位置不受所述液流流路相对于所述集光光学组件的位置的波动影响；以及
滤光罩，所述滤光罩定位在所述焦点不敏感区域处，基于与所述光线相关联的发射角有选择地对所述光线进行过滤。
2.根据权利要求1所述的光学系统，还包括二次成像仪，所述二次成像仪在光学上布置于所述集光光学组件与所述准直器之间。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光源为激光器。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中由所述液流或所述液流中的颗粒自所述光束射出的所述光线是前向散射的。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光线还包括荧光。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述滤光罩有选择地将具有某些发射角的光线阻挡，并有选择地让具有其他发射角的光线通过。
7.根据权利要求1所述的光学系统，还包括定位在所述光学系统的焦点处的杂散光控制结构。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统能够消除通过所述光学系统的波长范围内的光的色差。
9.根据权利要求1所述的光学系统，还包括光束分离组件，所述光束分离组件将所述光线分成沿分离的路径行进的两个或更多个光束。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其中所述滤光罩包括至少两个滤光罩，每个滤光罩沿着不同的路径布置，用于分别过滤所述光束。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中所述滤光罩被构造为根据所述光线的所述发射角有选择地阻挡并有选择地传输相应光束的不同部分。
12.根据权利要求10所述的光学系统，其中所述分别过滤包括基于波长和偏振中的至少一者进行过滤。
13.一种使用光学系统过滤流式细胞仪中的发射光的方法，所述光学系统包括至少一条光学路径，所述方法包括：
用光源产生光束；
引导所述光束沿第一方向进入液流束，其中所述液流束包括沿液流路径流动的液流和所述液流中的颗粒；
收集自所述液流或所述液流中的所述颗粒所射出的光线，其中所述光线相对于所述第一方向成偏转角射出；以及
用滤光罩至少部分地基于所述光线的所述发射角有选择地对所述光线进行过滤，其中所述滤光罩定位在所述至少一条光学路径中的一位置处，在所述位置处，所述至少部分地基于所述光线的所述发射角有选择地对所述光线进行过滤不受所述液流路径朝着或远离所述集光光学组件移动的影响。
14.根据权利要求13所述的方法，其中有选择地过滤所述光线还包括至少部分地基于波长和偏振中的至少一者对所述光线进行过滤。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括在分别并有选择地对所述光线进行过滤之前，将所述光线分成至少两个光束。
16.一种流式细胞仪，包括：
液流喷嘴，所述液流喷嘴被构造为提供沿液流流路流动的液流；
光源，所述光源被构造为产生用于照射所述液流的光束；
光学系统，所述光学系统包括：
集光光学组件，所述集光光学组件邻近所述液流流路定位并与所述光束路径对准，以便收集在所述液流流路中由所述液流或所述液流中的颗粒自所述光束射出的光线；
准直器，所述准直器被布置为接收来自所述集光光学组件的所述光线，其中所述准直器引导所述光线穿过焦点不敏感区域，在所述焦点不敏感区域中，所述光线的位置不受所述液流流路相对于所述集光光学组件的位置的波动影响；以及
滤光罩，所述滤光罩定位在所述焦点不敏感区域处，基于与所述光线相关联的发射角有选择地对所述光线进行过滤；以及
传感器分析仪，所述传感器分析仪可操作用于接收并检测穿过所述滤光罩的所述光线。
17.根据权利要求16所述的流式细胞仪，还包括光束分离组件，所述光束分离组件定位在所述准直器与所述滤光罩之间，用于把所述光束分成至少两个独立的光束；并且还包括第二滤光罩，其中所述滤光罩和所述第二滤光罩沿着所述两个独立的光束定位，以便根据不同的标准分别过滤所述独立的光束。
18.根据权利要求17所述的流式细胞仪，其中所述独立的标准选自：不同发射角、不同波长和不同偏振。
19.根据权利要求17所述的流式细胞仪，其中所述滤光罩将具有第一发射角的光线阻挡，并且其中所述第二滤光罩让另一条具有相同的第一发射角的光线通过。
20.根据权利要求16所述的流式细胞仪，其中所述流式细胞仪为分选式流式细胞仪，并且还包括计算设备兼控制电子设备，其中所述计算设备兼控制电子设备利用来自所述传感器分析仪的信息控制所述液流中所述颗粒在多个容器之间的分选。
21.根据权利要求16所述的流式细胞仪，其中所述光学系统被构造为接纳多个不同的滤光罩，包括所述滤光罩，而无需调整所述光学系统来确保恰当运作。
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