DE2508523B2 - Verfahren zur Analyse von biologischen Zellen oder strukturierten Partikeln ähnlicher Größenordnung - Google Patents
Verfahren zur Analyse von biologischen Zellen oder strukturierten Partikeln ähnlicher GrößenordnungInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Analyse von biologischen Zellen oder Partikeln
ähnlicher Größenordnung durch Messung der Fluoreszenz-, Absorptions- oder Streulichtparameter, wobei die
Zellen bzw. die Partikel mit Hilfe ■ ines bandförmigen Trägers kontinuierlich durch eine Meßstelle hindurchgeführt
und in der Meßstelie durch Anwendung eines fokussierten Strahls beleuchtet werden. Auf diese Weise
lassen sich die morphologischen und cytochemischen Eigenschaften biologischer Zellen und ähnlich strukturierter
Partikel, wie Gelpartikel (z.B. Sepharose), feststellen.
Aus der DE-AS 12 36 254 ist eine Vorrichtung zuin Zählen von mikroskopisch kleinen Partikeln, z.B.
Blutkörperchen, bekannt, bei der die Probe in einem Dunkelfeld beleuchtet und mit einem photoelektrischen
Wandler abgetastet wird. Der Strahl wird auf dem Probenhalter fokussiert Er ist jedoch nicht kleiner als
das Objekt Eine solche Methode eignet sich nicht für die quantitative Fluoreszenz-Auflichtmikroskopie. Mit
dieser Vorrichtung können die Partikel lediglich gezählt so
aber nicht analysiert werden.
In der DE-OS 15 98 621 wird ein Verfahren zur Untersuchung von biologischen Zellen, die sich in einer
Suspensionslösung befinden, beschrieben. Dabei wird nur die Fluoreszenz bzw. die Absorption im Durchlicht
unter Verwendung von UV-Licht gemessen.
Ferner sind aus der DE-PS 21 52 510 und US-PS 35 49 263 Verfahren zum Nachweisen von Oberflächenfehlem
bzw. von Fremdkörpern, die mit pulverisiertem Material vermischt sind, bekannt Dabei wird das zu M
untersuchende Objekt durch eine nichtfokussierte Laserstrahlung abgetastet Die Abtastung erfolgt in der
DE-PS 21 52 510 durch ein rotierendes Prisma, wobei der Winkel des Laserstrahls ständig verändert wird.
Diese Verfahren bzw. Vorrichtungen können ebenfalls nicht für die Fluoreszenz-Auflichtmikroskopie verwendet
werden, da konstante Verhältnisse nicht vorliegen, sowie eine punktförmige und zeilenweise Abtastung
nicht möglich ist.
Die aus DE-OS 24 5$ 452 bekannte Vorrichtung wird
zur Untersuchung von Oberflächen durch vergleichende Messung bzw. zur Analyse einer Strahlung, die von der
Oberfläche reflektiert wird, herangezogen. Bei der Abtastung wird nur das Objekt bewegt, so daß sie nicht
punktförmig und zeilenweise erfolgt
Zur automatisierten Identifikation von Zellen mit
hoher Geschwindigkeit, d. h. mit Geschwindkeiten über
etwa 103 Zellen/min, werden bereits die zu analysierenden
Zellen auf einem bandförmigen Träger in einer Zellspur deponiert oder in Flüssigkeit hydrodynamisch
fokussiert und an einer Meßstelle vorbeigeführt In der Meßstelle, ζ. Β. im Meßfeld eines Mikroskopphotometers,
werden dann die Zellen beleuchtet und die Absorptions-, Fluoreszenz- oder Streulichtparameter
gemessen.
Um hohe Meßgeschwindigkeiten erreichen zu können, werden die Zellen kontinuierlich durch die
Meßstelie hindurchbewegt Das Meßfeld wird so eingestellt, daß es quer zur Lauf- bzw. Strömungsrichtung,
also lateral, etwas breiter ist als die Zellspur. In Laufrichtung, also longitudinal, wird entweder zur
integralen Meßwerterfassung die Meßfeldbreite der Zeligröße angepaßt oder zur eindimensionalen Abtastung
der Meßparameter nach dem »slit scan«-Verfahren ein im Vergleich zur Zelle schmales Meßfeld
eingestellt Bei kontinuierlicher und homogener Ausleuchtung lassen sich dann die Fluoreszenz- oder
Absorptionsparameter der Zellen messen und zur Analyse der Zellen auswerten.
Da bei diesen bekannten Verfahren der integrale Wert bei den Absorptionsmessungen kein quantitatives
Maß für die Zellinhaltsstoffe liefert bleibt die integrale Meßwerterfassung praktisch auf Fluoreszenzparameter
beschränkt Beim »slit scan« kann mit Absorptionsmessungen z. B. zwar die Zellänge in Laufrichtung gemessen
werden, es fehlt aber, z. B. für eine Größenbestimmung,
der quantitative Wert quer zur Laufrichtung. Durch Messung der Fluoreszenzparameter ist bei Anwendung
des »slit scan«-Verfahrens eine bedingte Zuordnung cytochemischer zu morphologischen Eigenschaften
möglich.
Ein wesentlicher Nachteil der beschriebenen bekannten Verfahren besteht darin, daß entweder nur ein
integraler Meßwert pro Zelle ermittelt wird oder daß die Zelle nur in Laufrichtung, also eindimensional (mit
Hilfe des »slit scj>n«-Verfahrens) abgetastet werden
kann. Außerdem läßt sich bei Fluoreszenzparameter-Messungen nur ein Teil des in der Meßstelle
aufgewandten Anregungslichtes ausnutzen. Unvermeidliche Inhomogenitäten des A.iregungslichtes im Meßfeld
beeinflussen ebenfalls die Meßwerte nachteilig. Schließlich wird auch durch Störfluoreszenz und
Streulicht aus dem gesamten Meßfeld das Signal-Rausch-Verhältnis entscheidend verschlechtert.
Um einige der vorgenannten Nachteile zu beseitigen, ist es auch bereits bekannt die Zellen auf einem
Objektträger zu deponieren und meanderförmig an der Meßstelle vorbeizuführen, indem z. B. der Mikroskoptisch
meanderförmig bewegt wird. Die notwendigen Start- und Stoppzeiten bei einer mechanischen Führung
dieser Art begrenzen jedoch die Auswertgeschwindigkeit auf Werte von ca. 100 Zellen/min.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die zuvor erläuterten Nachteile zu überwinden und ein
Verfahren zur schnellen und außerdem genaueren Analyse von biologischen Zellen und vergleichbaren
Partikeln zu entwickeln. Das Verfahren sollte sowohl
mit Fluoreszenzauflicht als auch im Durchlicht und in Verbindung mit Absorptions-mikroskopischen Meßverfahren
anwendbar sein.
Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Aufgabe mit s
dem im beigefügten Anspruch 1 beschriebenen Verfahren in technisch sehr fortschrittlicher Weise gelöst
werden kann.
Erfindungsgerr.äB wird nämlich als fokussierter Strahl
ein fokussierter Laserstrahl verwendet, dessen einzelne Lichtpunkte kleiner sind als die Abmessungen des zu
analysierenden Objekts und der Lichtstrahl des Lasers gepulst und in der Objektebene senkrecht zu der
Bewegungsrichtung des Trägers über die gesamte Breite des Meßfeldes hin- und herbewegt 1 s
Dadurch läßt sich z. B. bei einer Analysengeschwindigkeit
von über 5 χ 1(P Zellen oder Partikeln pro Minute eine Auflösung von mindestens 1 μπι in lateraler
und longitudinaler Richtung erzielen. Auf diese Weise
können bei der Analyse biologischer Zellen in weniger als einer Millisekunde deren morphologische, cytochemische
und andere Parameter, wie beispielsweise die Größe des Zellkerns und des Plasmas, gemessen
werden.
Das Pulsen des Laserstrahls läßt sich z. B. durch Verwendung eines gepulsten Lasers oder auch durch
Anwendung einer Kerr-Zelle oder dergleichen im Lichtstrahl eines kontinuierlich emittierenden Lasers
verwirklichen. Die Ablenkgeschwindigkeit des Laserlichtstrahls quer zur Bewegungsrichtung des Trägers
sollte groß gegenüber der Transportgeschwindigkeit der zu analysierenden Objekte gewählt werden, wobei
der jeweilige Wert des Geschwindigkeitsverhältnisses von dem geforderten Auflösungsvermögen der strukturellen
Zuordnung der Meßparameter abhängig ist
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden
Erläuterung sowie aus der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor.
In der Zeichnung befinden sich die zu analysierenden
biologischen Zellen 1 in der Zellspur 2 eines bandförmigen Trägers 3.
An der Meßstelle, d.h. in dem in der Zeichnung gestrichelten Meßfeld 4, wird das zu analysierende
Objekt, hier eine Zelle 1, beleuchtet und — je nach Ausführungsart der Erfindung — die Fluoreszenz, die
Absorption oder Streulichtparameter gemessen.
Als Lichtquelle, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, wird erfindungsgemäß ein kontinuierlich emittierender
oder ein gepulster Laser verwendet, der in der 5u Objektebene, in der sich die Zellspur 2 oder ein
hydrodynamisch fokussierter Zellstrom befindet, auf einer Fläche <
1 μπι Durchmesser fokussiert wird. In
dem Strahlengang des Lasers befindet sich ein Schwingspiegel oder ein anderer Laserstrahlablenker,
und zwar mit derartiger Ausbildung, daß der Laserfleck in der Objektebene quer zu der durch den Pfeil 5
angedeuteten Laufrichtung der Zellen 1 mit einer Amplitude, die der Zellstrich- bzw. der Zellstrombreite
entspricht, hin- und herschwingt; die bei der seitlichen Laserbewegung entstehenden Lichtpulse sind durch die
winzigen Kreise 4' in der Zeichnung symbolisch dargestellt
Nach diesem Verfahren bzw. mit der beschriebenen Anordnung lassen sich bei einer Zellrate von mehr als
103 Zellen/min, morphologische und cytochemische
Parameter gleichzeitig mit einer lateral und longitudinal erreichbaren Auflösung von mindestens 1 μπι messen.
Außerdem ergibt sich dabei nur ein minimales Fading der Fluoreszenzsignale, da die Meßzeiten kleiner als
100 μ* sind. Zellkoinzidenzen beeinflussen die Meßgenauigkeit
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht,
da auch nebeneinanderliegende Zellen ausgewertet werden können.
Ferner ist von Bedeutung, daß bei Verwendung eines gepulsteT Laserstrahls eine direkte Digitalisierung der
Meßsignale ermöglicht wird.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird die Leuchtdichte optimal genutzt da das gesamte Anregungslicht
in dem Meßpunkt fokussiert ist Außerdem wird durch dieses Fokussieren ein störender Einfluß von
Inhomogenitäten des Anregungsstrahls ausgeschaltet
Da der Meßpunkt kleiner ist als das zu analysierende Objekt entsteht nur eine minimale Störfluoreszenz.
Bei einer Auflichtanregung erfolgt die Ablenkung des Laserstrahls am zweckmäßigsten am dichromatischen
Teilerspiegel, während bei einer Durchlichtmessung die Ablenkung am Umlenkspiegel erfolgen sollte. Die
Ablenkung des Laserstrahls kann aber auch mit herkömmlichen Mitteln außerhalb des Mikroskops
durchgeführt werden.
D-2 Geschwindigkeit der einzelnen biologischen
Zellen bzw. der zu analysierenden Partikel und die Ablenkfrequenz des Laserlichtstrahls werden so aufeinander
abgestimmt, daß eine genügend hohe Zeilenzahl pro Partikel erreicht wird. Zur Ablenkung des
Laserstrahls für niedrige Frequenzen (bis etwa 10 kHz) eignen sich mechanische oder elektromechanische
Antriebssysteme. Für höhere Frequenzen werden z. B. Ultraschall- und HF-Schwingkristalle, wie Biegeschwinger
bevorzugt.
Claims (2)
1. Verfahren zur Analyse von biologischen Zellen oder strukturierten Partikeln in ähnlicher Größenordnung
durch Messung der Fluoreszenz-, Absorptions- oder Streuiichtparameter, wobei die Zellen
oder Partikel mit Hilfe eines bandförmigen Trägers kontinuierlich durch eine Meßstelle hindurch geführt
und in der Meßstelle durch Anwendung eines fokussierten Strahls beleuchtet werden, dadurch
gekennzeichnet, daS als fokussierter Strahl ein fokussierter Laserstrahl verwendet wird, dessen
einzelne Lichtpunkte kleiner sind als die Abmessungen des zu analysierenden Objektes (1), und daß der
Lichtstrahl des Lasers gepulst und in der Objektebene senkrecht zu der Bewegungsrichtung (Pfeil 5) des
Trägers (3) über die gesamte Breite des Meßfeldes (4) hin- und herbewegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
da!) entsprechend dem geforderten Auflösungsvermögen der strukturellen Zuordnung der
Meßparameter die Ablenkgeschwindigkeit des Laserlichtstrahls groß gegenüber der Transportgeschwindigkeit
der zu analysierenden Objekte (1) gewählt wird.
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