DE2922643A1

DE2922643A1 - Vorrichtung zur zaehlung und klassifizierung von teilchen

Info

Publication number: DE2922643A1
Application number: DE19792922643
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr R Eisert
Original assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Current assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Priority date: 1979-06-02
Filing date: 1979-06-02
Publication date: 1980-12-11
Also published as: US4343551A; DE2922643C2

Description

GESELLSCHAFT FÜR STRAHLEN- UND Neuherberg, den 31.Mai 1979 UMWELTFORSCHUNG MBH, MÜNCHEN PLA 7922 Ga/str

Vorrichtung zur Zählung und Klassifizierung von Teilchen

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Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zählung und Klassifizierung von Teilchen, bei der eine Strömungsdüse die Teilchen hydrodynamisch fokussiert, wobei die Strömungsdüee in einer Kapillardüse endet, die einen Strömungsfaden mit kreisrundem Querschnitt und mit entlang einer Achse des .Strömungsfadens - ausgerichteten Teilchen erzeugt, und von einem Mantelrohr umgeben ist, durch welches eine Mantelströmung für den Strömungsfaden der Teilchen ausgebildet wird.

Die Zählung und Aufnahme der Größenverteilung von Zellen und Partikeln bei gleichzeitiger Aufschlüsselung nach bestimmten Zellqualitäten ist problematisch. So sieht ein unter der Bezeichnung Coulter-Prinzip bekanntes Verfahren vor, eine elektronische Messung des Zellvolumens über Widerstandsänderung einer Elektrolytflussigke.it beim Durchtritt der Zellen durch eine Öffnung in einer Trennwand vorzunehmen. Optische Durchflußverfahren versuchen entweder über Pluoreszenzmessungen mit einer Anfärbung der Partikel und Differenzierung nach Fluoreszenzintensitäten, eine Streulichtmessung mit einer Streuung einer kohärenten Lichtquelle an Partikeln oder über eine Messung der Absorption der Gesamtzelle auf Objektträgern dieses Problem zu lösen. Bei allen diesen optischen Verfahren ist jedoch das Meßvolumen größer als die zu messende Zelle bzw. Teilchen.

Bei der Messung nach dem Coulter-Prinzip ist der Meßwert abhängig von der Geometrie der Durchflußöffnung und von der Lage der Durchtrittsachse in der Durchflußöffnung. Es sind keine weiteren Aussagen über die Partikel möglich. Außerdem besteht die Gefahr der Verstopfung der Meßöffnung; der maximale Zelldurchmesser ist auf 5o % der Meßöffnung beschränkt. Das Ergebnis ist eine geringe Zählrate, die noch abhängig von der Teilchengröße ist.

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Die Fluoreszenzmessungen haben den Nachteil, daß der Meßwert abhängig von Färbungsprozessen ist, d.h. verschiedene Meßserien si,nd nicht direkt miteinander vergleichbar und Fluoreszenzfärbungen spezieller Zellqualitäten sind oft gar nicht herstellbar. Bei der Streulichtmessung sind zur Aufnahme einer Größenverteilung gleichzeitige Messungen in mehreren Raumwinkeln notwendig. Dies führt dazu, daß nur Größenverteilungen bis maximal ca Io pm aus Streudaten herleitbar sind. Bei diesen beiden Meßverfahren ist außerdem die optische Qualität des Suspensionsstrahls, die Teilchen liegen in Suspensionen vor, nicht optimal an den Brechungsindex angepaßt. Die Absorptionsmessungen gelingen bisher nur mit einem Meßfeld, das größer als der Zellquerschnitt ist. Die Zellen werden dabei auf Objektträger aufgebracht, was eine geringe Zähl- und Analysengeschwindigkeit nach sich zieht, da der Objektträger u.a. mechanisch bewegt werden muß.

Es ist daher bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen worden (DE-OS 25 43 31o), die optische Analyse von Zellen und Partikeln in einem in Luft befindlichen Flüssigkeitsstrahl zur Partikel- und Zelltrennung bzw. Anreicherung durchzuführen. Die Zellen und Partikel werden dabei mit Hilfe einer hydrodynamischen Fokussierung vereinzelt und entlang der zentralen Strömungsachse ausgerichtet. So orientiert, verlassen sie die Düse mit einem kreisrunden Querschnitt der Flüssigkeitssäule. Der in die Luft austretende Flüssigkeitsstrahl zerfällt nach kurzer Distanz in einzelne Flüssigkeitströpfchen, die einzelne Partikel bzw. Zellen enthalten. Ent- · sprechend der optischen Information, die von den Zellen bzw. Partikeln während des Durchgangs durch das Meßvolumen, das im ungestörten Bereich des Flüssigkeitsstrahles liegt, gewonnen worden ist, werden sie in verschiedene Richtungen abgelenkt und sortiert. Bei einer Variante dieses Systems liegt das Meßvolumen nicht im Bereich der stromauf liegenden strömungsfreien Küvette. Dabei ist es unerheblich, ob eine weitere Mantelflüs- sigkeit zur Kompensation des Druckabfalls eingesetzt wird. Bei allen experimentellen und kommerziellen Durchflußzytometriesortierern handelt es sich um Ausführungen, bei denen der Flüssigkeitsstrahl in Luft einen kreisrunden Querschnitt hat.

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Die optische Abbildung der sich im Flüssigkeitsstrahl befindlichen Zellen bzw. Partikeln ist durch die als Zylinderlinse wirkende Flüssigkeit in der Ebene senkrecht zur Flußrichtung jedoch verzerrt. Damit wird eine ebene Abbildung des Zentrums der Flüssigkeitssäule unmöglich. Weiterhin werden durch die Brechungsund Refiekfcjonseigenschaft des Übergangs vom optisch dichteren Medium (Flüssigkeit) zum optisch dünnerem Medium (Luft), die Polarisationseigenschaften des durch diese Grenzflächen hindurchlaufenden Lichtes verändert. Dieses scheint mit der Zunahme von polarisationsoptischen Untersuchungen an immunkompetenten Zellen von besonderer Bedeutung für die Zukunft zu sein. Die Analyse von Streulicht ist nur in der Richtung parallel zur Strömungsrichtung möglich.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nunmehr darin, diese o.g. Nachteile zu verhindern.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Merkmalen des Anspruchs 1 aufgezeigt. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in den Merkmalen des Anspruchs 2 beschrieben.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß aufgrund ebener Übergangsflächen zwischen verschiedenen Brechungsindices der Einsatz axialsymmetrischer Optiken füi. eine hochaufgelöste Abbildung möglich wird. Weiterhin bildet die Flüssigkeitssäule ihre eigenen "Fenster" aus, die keiner Verschmutzung unterliegen.

Der Einsatz von ebenen Flüssigkeitsluftgrenzflächen ermöglicht den Einsatz von axialsymmetrischen Optiken mit hoher numerischer Apertur. Dieses ist bei der Untersuchung von Absorptionen, Streulicht und Fluoreszenz von besonderem Vorteil. Die Polarisationseigenschaften von transmittiertem bzw. emittiertem Licht, werden bei dem senkrechten Durchgang durch ebene Flächen nicht verändert. Erstmals sind hochauflösende Abbildungen,evtl. auch holographische Analysen, der sich im Flüssigkeitsstrahl befindlichen Partikel prinzipiell möglich.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der schematischen Fig_v 1 und 2 näher beschrieben, wobei die Fig . 2 lediglich ein Detail der Fig . · zeigt.

In der vorgeschlagenen Strömungsdüsenkonfiguration (s.Fig 1), wird, wie bereits in der OS 25 43 31o beschrieben, ebenfalls eine konzentrische hydrodynamische Fokussierung und Vereinzelung der Zellen und Partikel auf einem Strömungsfaden 4 entlang einer Strömungsachse Io mit Hilfe eines Mantelstromes 11 durchgeführt, wobei die Zellen durch die Zuführung 14 (Verdünnungsflüssigkeit durch Öffnung 15) in die Strömungsdüse 13 gepreßt werden, die in eine Kapillardüse 2 mit Austrittsende 1 von kreisförmigen Querschnitt endet und der Mantelstrom 11 außerhalb der Strömungsdüse 13 in das Gehäuse 12 eingeführt wird. Der Mantelstrom 11 umgibt den Strömungsfaden 4 erst ab dem Austrittsende 1 der Kapillardüse 2.

Die die Strömungsdüse 2,13 ummantelnde Mantelflüssigkeit 11 fließt in gleicher Richtung (Achse "Lo)₁ nimmt den aus Flüssigkeit und Suspensionen gebildeten Strahl 4 auf und transportiert diesen weiter. Bereits an dieser Stelle 1 des Strömungssystems sind die Partikel bzw. Zellen /Wie für die Messung benötigt, vereinzelt und ausgerichtet. Die Strömungskammer 12 in der die Mantelflüssigkeit 11 und der Zentralstrahl 4 nun verlaufen, verjüngt sich weiter stromabwärts noch einmal, jedoch nicht zu einem runden, sondern zu einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt. Nach einer kurzen Laufzeit in dieser einen quadratischen oder rechteckigen Flüssigkeitsquerschnitt erzwingenden. Düse 3 tritt der quadratische oder rechteckige Flüssigkeitsstrahl 5 in Luft aus. In Luft behält der Flüssigkeitsstrahl 5 auf einer Länge von ca. 15 mm seine z.B. quadratische Form bei, bevor er in einen angenähert runden Querschnitt übergeht und dort in Tröpfchen zerfällt. Innerhalb des Bereiches mit annähernd quadratischem Flüssigkeisquerschnitt ist die Oberfläche 7 der gebildeten Flüssigkeitsflächen von ausgezeichneter optischer Qualität.

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Ein senkrecht durch z.B. die Fläche 7 hindurchtretendorLaserstrahl 6 zeigt keinerlei Verzerrungen. Die forcierte Bildung von gleichmäßigen Tröpfchen gelingt ähnlich wie bei herkömmlichen zylinderischen Flüssigkeitsquerschnitten. Die transmittierende oder emittierende Strahlung 9 wird von einem Detektor 8 aufgenommen und in bekannter Weise ausgewertet.

Die Detailfigur 2 zeigt das Austrittsende 1 der Kapillardüse 2 mit dem von dieser Probe 14 und der Verdünnungslösung bzw. der Puffer 15)gebildeten Teilchenstrahl 4 von kreisförmigem Querschnitt entlang der Achse Io im Gehäuse 12. Konzentrisch zu dieser Achse Io ist die weitere Strömungsdüse 3 am Gehäuse angeordnet. Sie steht mit ihrer Öffnung von kreisförmigem Querschnitt vor dem Austrittsende 1 und fängt sowohl den Strömungsfaden als auch die Mantelflüssigkeit 11 ein. Der kreisförmige Querschnitt dieser Düse 3 geht stetig in den quadratischen oder rechteckigen Querschnitt über, so daß der aus ihr austretende Strömungsfaden 5 quadratischen oder rechteckigen Querschnitt erhält.

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Leerseite

Claims

GESELLSCHAFT FÜR STRAHLEN- UND Neuherberg, den 31.Mai 1979 UMWELTFORSCHUNG MBH, MÜNCHEN PLA 7922 Ga/str

Patentansprüche:

( l.\Vorrichtung zur Zählung und Klassifizierung von Teilchen, bei ^—' der eine Strömungsdüse die Teilchen hydrodynamisch fokussiert, wobei die Strömungsdüse in einer Kapillardüse endet, die einen Strömungsfaden mit kreisrundem Querschnitt und mit entlang einer Achse des Strömungsfadens ausgerichteten Teilchen erzeugt, und von einem Mantelrohr umgeben ist, durch welches eine Mantelströmung für den Strömungsfaden der Teilchen ausgebildet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß ^im Breien des Austrittsende (1) der Kapillardüse (2)eine weitere Strömungsdüse (3) angeordnet ist, die einen quadratischen oder rechteckigen Austrittsquerschnitt aufweist und den in sie eintretenden Strömungsfaden (4) von kreisförmigen Querschnitt in einen Strömungsfaden (5) von quadratischem oder rechteckigen Querschnitt umformt, daß ein zur Messung dienender Laserstrahl (6) den aus der weiteren Strömungsdüse (3) austretenden Strömungsfaden (5) senkrecht zu einer seiner Begrenzungsflächen (7) durchstrahlt, und daß ein Detektor (8) die transmittierte und/ oder emittierte Strahlung (9) aus dem Strömungsfaden (5) aufnimmt .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Strömungsdüse (3) konzentrisch zur Strömungsachse (lo) des Strömungsfadens (4) ausgerichtet ist, daß diese Strömungsdüse (3) von dem Strömungsfaden (4) und der Mantelströmung (11) durchquert wird, und daß die weitere Strömungsdüse (3) stetig von einem runden Öffnungsquerschnitt auf den quadratischen oder rechteckigen Querschnitt übergeht.

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