CN112673247A - 用于流式细胞术中的离轴照射的系统、设备以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种流式细胞仪，其包括激光束，所述激光束从光与流体交叉的正交平面以15°‑70°、可选地30°的角度轰击样品流。

Description

用于流式细胞术中的离轴照射的系统、设备以及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月10日提交的标题为“SYSTEM,APPARATUS AND METHOD FOROFF AXIS ILLUMINATION IN FLOW CYTOMETRY”的美国临时申请第62/695,937号的优先权，所述美国临时申请的全部内容通过引用全文并入本文中。
技术领域
本公开技术涉及流式细胞术。更特别地，在一个实施例中，本公开技术涉及流式细胞术中的离轴照射以及对散射光和荧光的捕获。
背景技术
流式细胞术在单个颗粒(通常是细胞)在流体流中流动通过光束时测量和分析所述单个颗粒的多种物理特性。所测量的特性包含颗粒的相对大小、相对粒度或内部复杂度、以及相对荧光强度。颗粒流延展，以使得颗粒迅速相继地一个接一个穿过光束。在一个示例中，以1-10m/s的速度行进的每秒100-10,000个颗粒以10μm的核心被包含在100μm流中。每当颗粒穿过所述束时，光都会感应小的光学信号。放置一个或多个检测器，以使得其观察激光路径和细胞轨迹相交处的点。检测器可以登记不同颜色和/或不同偏振的散射和荧光信号。所述信号提供对存在于样品中的细胞的数量和类型的指示。
流式细胞术通常被用来对血细胞进行计数和分析。该技术在HIV诊断以及血癌的分类中起到关键作用。它也是重要的研究工具。近年来，流式细胞术已经被成功用于分析海水和淡水样品中的浮游生物。
在比如图1中所示的某些现有技术的布置中，照射光14与颗粒20的轨迹正交。在这些仪器中，检测器(多个检测器)22也与颗粒路径正交。在美国专利第9,453,789号中公开一种这样的布置，所述美国专利通过引用并入本文中。当沿着正交轴线照射流式细胞仪的流时，需要用遮挡条24遮住检测器22，以消除来自光束的光以及其散射/反射。这使检测器22的有用的孔径26变窄或受到限制。不能完全地消除散射，从而导致背景信号噪声。
在比如图2中所示的某些其它现有技术的布置中，检测器122a、122b检测沿着行进方向发射的光。根据Muriella等人的专利(比如美国专利第5,475,487号，其通过引用并入本文中)以及van den Engh等人的专利(比如美国公开第2014/0320861号，其通过引用并入本文中)，为了保有检测器122a、122b的整个孔径126a、126b，检测器122a、122b可以沿着液体射流的轴线放置(比如放置在激光/射流交叉位置的上方和下方)。在这种情况下，所收集的光通过液体射流内部的内部反射到达检测器。很少使用这种方法。
图1和图2的上述布置已经是存在约五十(50)年的大多数技术的标准。正交布置便于光学设计。在所有部件均沿着正交路径运动时，最容易设计、制造以及调节使光学部件运动和对准的机构(例如，将光束(多个光束)聚焦的透镜、将检测器聚焦至测量领域上的机构、以及其它调节机构)。
发明内容
尽管常规的流式细胞术具有许多优点，但是对于正交光学几何结构而言存在至少一个大的缺点。在现有技术中，激光被样品流散射。由于两者为正交的，所以散射位于围绕流体流的平面中。在现有技术中，同一平面还具有检测器和其它光路径。如果未进行任何测量，则散射光将进入检测器。由于散射明显比颗粒所产生的信号更亮，所以检测器将被蒙蔽。因此，具有正交光学几何结构的所有仪器需要遮盖散射光的散射条以及阻挡不期望颜色的滤光器。设计和调节散射条或遮罩是精细的技术并且极大地影响散射信号的质量。当使用多个激光束时，这尤其成问题。对散射遮罩的较差的调节导致众多实验室的非常不同的数据。另外，来自样品流的散射的光被引导至周围，并且可能从测量区域逃出，从而使技术人员暴露至散射的激光。
由于这些原因，常规的流式细胞术需要改进以克服现有技术的上述和其它缺陷。本公开技术解决并且修正了现有技术的上述和其它问题。
在一个实施例中，本公开技术涉及一种流式细胞仪，所述流式细胞仪包括光源，所述光源构造成沿着第一轴线发射至少一个光束。所述流式细胞仪还可以包括通道，所述通道构造成允许携带颗粒的液体穿过其中。所述通道限定第二轴线或者至少沿着第二轴线延伸。所述第二轴线可以相对于所述第一轴线以大于0°且小于90°的角度延伸。所述流式细胞仪还可以包括至少一个检测器，所述至少一个检测器构造成至少观察所述光束和液体相交的点。
在另一个实施例中，本公开技术涉及一种流式细胞仪，所述流式细胞仪包括光源，所述光源构造成沿着第一轴线发射至少一个光束。所述流式细胞仪还可以包括通道，所述通道构造成允许携带颗粒的液体穿过其中。所述通道限定第二轴线或至少沿着第二轴线延伸。所述流式细胞仪还可以包括至少一个检测器，所述至少一个检测器构造成至少观察所述光束和液体相交的点。可选地，不使用遮挡条或散射条，以使得所述至少一个检测器的整个孔径暴露至少一个光束。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及对本公开技术的以下具体实施方式，其中相同的数字始终表示相同的元件。为了示例说明本公开技术，在附图中示出各种示例说明性实施例。然而，应当理解的是，本公开技术不限于所示的精确的布置和手段。在附图中：
图1为现有技术中的一种布置的示意图；
图2为现有技术中的另一种布置的示意图；
图3为根据本公开技术的一个实施例的布置的示意图；
图4为根据本公开技术的另一个实施例的布置的示意图；以及
图5为根据本公开技术的实施例的一个系统或装置的至少一部分的图像。
具体实施方式
尽管在本文中通过示例和实施例的方式描述了系统、装置以及方法，但是本领域中的技术人员应当认识到的是，本公开技术不限于所描述的实施例或附图。相反，本公开技术涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同形式以及替代形式。本文中所公开的任何一个实施例的特征可以被省略或结合至另一个实施例中。
本文中所使用的任何标题仅被用于组织目的，并且不意味着限制说明书或权利要求的范围。当在本文中使用时，单词“可以”以宽松的意义(亦即，意味着有可能)而不是以强制性的意义(亦即，意味着必须)而被使用。除非在本文中被具体地阐述，否则术语“一”、“一个”以及“该”不限于一个元件而是应当被理解为意味着“至少一个”。术语词汇包含上面提到的单词、其派生词以及类似引入的单词。
在一个实施例中，本公开技术涉及一种仪器，其中激光束以一角度轰击样品流。例如，所述角度可以可选地为从正交平面P测量的第一角度α(比如大约或正好30°)、或者从流动轴线A2测量的第二角度θ(比如大约或正好60°)。可选地，第二角度θ相对于流动轴线可以在30°-75°的范围内、或者为37°或34°。可选地，第一角度α可以处于互补的范围内或为互补值。
在某些情况下，为60°的第二角度θ是最佳的但是不是必需的，因为它提供本文中所描述的优点中的大部分并且相对容易构造。从物理学的角度来看，为34°的第二角度θ是最佳的但是不是必需的，因为存在激光和射流的完美的光学耦合，并且可以通过将入射光的偏振方向调节成处于射流表面的平面中而消除所有反射。如果样品流被包含于玻璃通道中，则为34°的第二角度θ是最佳的但是不是必需的。如果样品流为空气射流中的液体，则为37°的第二角度θ是最佳的但是不是必需的。
可选地，所述系统可以利用圆柱形的束收集器来捕获直射激光以及被流散射的光。在一个实施例中，由于通过将激光光学器件放置于正交交叉平面上方而产生的增加的间隔，可以将多个检测器放置于例如围绕照射点的环中。这样的系统可以被容易地调节和优化，并且不需要散射条，从而大大地提高检测器的有效数值孔径。另外，由于所生成或引起的低背景散射光，本公开技术在小的、暗淡的颗粒上提供极好的信噪比测量，而在现有技术的流式细胞仪上很难测量所述小的、暗淡的颗粒。可选地，两个相对的检测器可以沿着共同的轴线面向彼此(例如，参见图4)。
本公开技术的离轴照射具有许多优点。例如，首先，来自流的散射以圆锥形形状被向下引导并且可以被收集于圆柱形光阱中。将光逃出并且遮蔽操作员的风险最小化。其次，由于将光带至测量点的光学部件处于正交平面之外，所以存在用于检测器的更大的空间。在传统的仪器中，所述平面挤满部件并且仅可能存在两个检测器通道。当照射光学器件处于检测平面上方时，4个或者甚至5个检测器(其包括在正交几何结构中不可能存在的反向散射检测器)变得可能。第三，激光束的入射角更接近临界角(在所述临界角处不存在来自液体表面的散射)。非正交布置具有比正交布置更少的表面散射。第四，由于散射光被包含于向下的锥体中并且可以被捕捉于圆柱形的束收集器中，所以在检测器的平面中不存在散射光。在许多情况下，不需要散射遮罩或激光阻挡滤光器。因此，为信号检测选择适当的色带(chromatic band)的问题变得更容易。另外，使用多个检测器使得能够在多个检测器组件上分布不同的检测颜色。在某些现有技术的系统中，必须设计复杂的滤光器组以将单个检测器通道用于多种颜色，但是本公开技术的一个实施例的非正交设计可以使用多个检测器，每个检测器被专门化以用于受限的颜色范围中。
现在详细参考各个附图，其中相似的参考数字始终指的是相似的部件，图3示出本公开技术的、总体上标示为210的流式细胞仪的至少一部分的一个实施例。流式细胞仪210可以包括被构造成沿着第一轴线A1发射至少一个光束214(例如，激光束)的光源212(其比如但不限于是激光器)以及被构造成允许携带一个或多个颗粒220的流体218(比如液体或气体)穿过其中的通道216。通道216限定流动轴线或第二轴线A2，或者所述通道沿着流动轴线或第二轴线A2延伸。流体218可以为射流，或者可以被包含于例如形成通道216的玻璃毛细管内。流式细胞仪210可以包括：具有整个孔径或完全暴露的孔径226的至少一个检测器222；锥体228(可选地大约或正好为60度)；以及束收集器230。可选地，束收集器230可以为圆柱形的。
第一轴线A1相对于第二轴线A2延伸的第二角度θ大于零度且小于90°。可选地，第二角度θ在20°-75°之间，可选地在34°-70°之间，并且可选地为30°。至少一个聚焦透镜232可以在光源212与通道216之间(例如，与光源212和通道216间隔开)定位于第一轴线A1中。当然，第二角度θ可以被计算为90°减去第一角度α。
当激发激光束被以第一角度a或第二角度θ提升或定位于激光/射流交叉位置的正交平面P上方或远离所述正交平面时，出射束和散射束包含于锥体228内并且可以被束收集器230交叉。检测器222现在可以利用其整个孔径226。完全地消除散射光和背景噪声。无需遮挡条或散射条。
图4示出本公开技术的另一个实施例。在图4中，由比图3的参考数字大一百(100)的参考数字来区分图3的实施例与图4的实施例之间的相似的或相同的结构。仅为了方便和简洁起见，在这里可以省略对图3的实施例与图4的实施例之间的某些相似点的描述。
如图4中所示，当激发激光束被充分地提升于通过激光/射流交叉位置的正交平面上方时，所述平面没有光学部件，并且可以围绕交叉点放置另外的检测器322a、322b。多个检测器的使用容许以不同的角度收集信号并且简化了用于特定色带的滤光器方案的设计。该布置还容许反向散射检测。在当前的实施例中，可以围绕交叉点以可选择的角度放置多达六个检测器。这些检测器中的每个均可以具有暴露至光束314或可用于光束314的整个孔径326a、326b。现有技术的仪器最多具有仅仅两个正交检测器。
图5示出本公开技术的另一个实施例的图像。在图5中由比图4的参考数字大一百(100)的参考数字来区分图4的实施例与图5的实施例之间的相似的或相同的结构。仅为了方便和简洁而非限制性的目的，对图4的实施例与图5的实施例之间的某些相似点的描述在这里被省略。
图5示出从喷嘴或通道416发出的流体418。
以下示例性实施例进一步描述本公开技术的可选的方面，并且为本具体实施方式的一部分。尽管这些示例性实施例在技术上并非本申请的权利要求，但是这些示例性实施例以大致上类似于权利要求的格式来阐述(每项带有后跟字母A的数字标记)。以下示例性实施例以从属关系彼此称为“实施例”而非“权利要求”。
1A.一种流式细胞仪，其包括：
沿着第一轴线延伸的光路径；以及
沿着第二轴线延伸的流体流动路径，
其中所述第一轴线相对于所述第二轴线以大于0°且小于90°的角度延伸。
2A.根据实施例1A的流式细胞仪，其进一步包括：
至少一个检测器，所述至少一个检测器被构造成观察至少光束和液体相交的点。
3A.根据实施例1A或2A的流式细胞仪，其中，所述角度介于20°-75°之间。
1B.一种消除对部分地遮住流式细胞术系统的检测器的需求的方法，所述方法包括：
将光束布置成相对于其中携带颗粒的流体流动路径以大于0°且小于90°的角度延伸。
2B.根据实施例1B的方法，其中，所述角度介于20°-75°之间。
3B.根据实施例2B的方法，其中，所述角度介于34°-70°之间。
4B.根据实施例3B的方法，其中，所述角度为大约60°。
5B.根据实施例3B的方法，其中，所述角度为大约37°。
1C.一种构造成以消除对部分地遮住流式细胞仪的检测器的需求的系统，所述系统包括：
沿着第一轴线延伸的光路径；以及
沿着第二轴线延伸的流体流动路径，
其中所述第一轴线相对于所述第二轴线以大于0°且小于90°的角度延伸。
2C.根据实施例1C的系统，其中，所述角度介于20°-75°之间。
3C.根据实施例2C的系统，其中，所述角度介于34°-70°之间。
4C.根据实施例3C的系统，其中，所述角度为大约60°。
5C.根据实施例3C的系统，其中，所述角度为大约37°。
6C.根据实施例1C至5C中的任一项的系统，进一步包括：
至少一个检测器，所述至少一个检测器构造成至少观察所述光路径和所述流体流动路径相交的点。
尽管已经详细且参考本公开技术的具体示例描述了本公开技术，但是对于本领域中的技术人员而言显而易见的是，在不脱离其精神和范围的情况下，可以在其中进行各种改变和修改。因此，应当理解的是，本公开技术不限于所公开的特定实施例，而是旨在涵盖本公开技术的由所附权利要求所限定的精神和范围内的修改。

Claims (17)

1.一种流式细胞仪，包括：
光源，所述光源构造成沿着第一轴线发射至少一个光束；
通道，所述通道构造成允许携带颗粒的液体穿过其中，所述通道沿着第二轴线延伸，所述第二轴线相对于所述第一轴线以大于0°且小于90°的角度延伸；以及
至少一个检测器，所述至少一个检测器构造成至少观察光束和液体相交的点。
2.根据权利要求1所述的流式细胞仪，其中，所述至少一个检测器包括：
至少两个间隔开的检测器。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的流式细胞仪，其中，所述角度介于20°-75°之间。
4.根据权利要求3所述的流式细胞仪，其中，所述角度介于34°-70°之间。
5.根据权利要求4所述的流式细胞仪，其中，所述角度为大约60°。
6.根据权利要求4所述的流式细胞仪，其中，所述角度为大约37°。
7.根据权利要求1所述的流式细胞仪，其中，所述光源为至少一个激光器。
8.根据权利要求1所述的流式细胞仪，其中，不使用遮挡条或散射条。
9.根据权利要求1所述的流式细胞仪，其中，所述至少一个检测器的整个孔径暴露至所述至少一个光束。
10.根据权利要求1所述的流式细胞仪，其中，所述至少一个检测器包括六个检测器。
11.根据权利要求1所述的流式细胞仪，进一步包括至少一个聚焦透镜，所述至少一个聚焦透镜在所述光源与所述通道之间定位于所述第一轴线中。
12.根据权利要求1所述的流式细胞仪，进一步包括至少一个束收集器和至少一个锥体，所述至少一个束收集器和所述至少一个锥体中的每个构造成接收来自所述至少一个光束的至少一个出射束和至少一个散射束中的至少一些。
13.根据权利要求1所述的流式细胞仪，进一步包括至少一个束收集器。
14.一种流式细胞仪，包括：
光源，所述光源构造成沿着第一轴线发射至少一个光束；
通道，所述通道构造成允许携带颗粒的液体穿过其中，所述通道沿着第二轴线延伸；以及
至少一个检测器，所述至少一个检测器构造成至少观察光束和液体相交的点，
其中不使用遮挡条或散射条，以使得所述至少一个检测器的整个孔径暴露至所述至少一个光束。
15.根据权利要求14所述的流式细胞仪，其中，所述第二轴线相对于所述第一轴线以大于22度且小于70度的角度延伸。
16.根据权利要求15所述的流式细胞仪，其中，所述至少一个检测器包括两个间隔开的检测器。
17.根据权利要求16所述的流式细胞仪，其中，所述角度介于34°-70°之间。
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