ITRM20070371A1 - LASER CITOMETER IN FLOW FOR THE SIMULTANEOUS SIZE OF SIZE REFERENCE INDEX ASPHERICITY AND FLUORESCENCE OF MICROSCOPIC PARTICLES IN LIQUID OR GASEOUS SUSPENSIONS - Google Patents

LASER CITOMETER IN FLOW FOR THE SIMULTANEOUS SIZE OF SIZE REFERENCE INDEX ASPHERICITY AND FLUORESCENCE OF MICROSCOPIC PARTICLES IN LIQUID OR GASEOUS SUSPENSIONS Download PDF

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ITRM20070371A1
ITRM20070371A1 ITRM20070371A ITRM20070371A1 IT RM20070371 A1 ITRM20070371 A1 IT RM20070371A1 IT RM20070371 A ITRM20070371 A IT RM20070371A IT RM20070371 A1 ITRM20070371 A1 IT RM20070371A1
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particles
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Luca Fiorani
Valeri Maltsev
Antonio Palucci
Konstantin Semyanov
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Enea Ente Per Le Nuova Tecnolo
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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: CITOMETRO LASER IN FLUSSO PER LA MISURA SIMULTANEA DI TAGLIA, INDICE DI RIFRAZIONE, ASFERICITÀ E FLUORESCENZA DI PARTICELLE MICROSCOPICHE IN SOSPENSIONI LIQUIDE 0 GASSOSE; Description of the industrial invention entitled: FLOW LASER CYTOMETER FOR THE SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF SIZE, REFRACTION INDEX, ASPHERICITY AND FLUORESCENCE OF MICROSCOPIC PARTICLES IN LIQUID OR GASEOUS SUSPENSIONS;

La presente invenzione riguarda sostanzialmente un apparato per la misura simultanea delle caratteristiche, fisiche di particelle microscopiche presenti in sospensioni liquide o gassose. The present invention substantially relates to an apparatus for the simultaneous measurement of the physical characteristics of microscopic particles present in liquid or gaseous suspensions.

Più specificamente, il trovato è relativo ad un citometro laser in flusso comprendente una sorgente di luce polarizzata circolarmente e una cella con un capillare. La sorgente irraggia il capillare in cui sono fatte fluire particelle microscopiche in sospensioni liquide o gassose. Ógni particella, a causa, dell'interazione con la radiazione di luce coerente, emette per diffusione e fluorescenza. More specifically, the invention relates to a laser flow cytometer comprising a source of circularly polarized light and a cell with a capillary. The source irradiates the capillary in which microscopic particles are made to flow in liquid or gaseous suspensions. Ó each particle, due to the interaction with the coherent light radiation, emits by diffusion and fluorescence.

Secondo l'invenzione, questa emissione è raccolta - simultaneamente - dai canali di rivelazione della luce non polarizzata diffusa in avanti, della luce polarizzata linearmente diffusa in avanti, della luce non polarizzata diffusa lateralmente in differenti bande spettrali. According to the invention, this emission is collected - simultaneously - by the detection channels of the non-polarized light diffused forward, of the linearly polarized light diffused forward, of the non-polarized light diffused laterally in different spectral bands.

In base alle misure di emissione effettuate in questi canali, un apposito software di acquisizione permette di determinare simultaneamente e in tempo reale: taglia, indice di rifrazione, depolarizzazione (asfericità) e fluorescenza di ogni particella. On the basis of the emission measurements carried out in these channels, a special acquisition software allows to determine simultaneously and in real time: size, refractive index, depolarization (asphericity) and fluorescence of each particle.

I test condotti con campioni acquosi di sfere di polistirolo, fluorescenti o non fluorescenti, e cellule di fitoplancton dimostrano che l'invenzione è capace di ricostruire taglia e indice di rifrazione con un'accuratezza dell'1% e che le misure di depolarizzazione e fluorescenza permettono di classificare particelle altrimenti indistinguibili. Tests conducted with aqueous samples of polystyrene spheres, fluorescent or non-fluorescent, and phytoplankton cells show that the invention is capable of reconstructing size and refractive index with an accuracy of 1% and that the measurements of depolarization and fluorescence allow to classify otherwise indistinguishable particles.

La misura simultanea di taglia e indice di rifrazione di particelle microscopiche con sistemi laser è basata sulla teoria di Mie che descrive la diffusione della luce da parte di sfere dielettriche [1] In generale, gli strumenti basati su questa tecnica prendono il nome di contatori laser di particelle [2] e citometri laser in flusso [3], a seconda che le particelle siano sospese in aria e acqua, rispettivamente. Il grande interesse per la classificazione rapida di particelle microscopiche in sospensioni liquide (fitoplancton marino, cellule sanguigne, ecc.) ha favorito l'ampia diffusione di sistemi commerciali basati sulla citometria laser in flusso (LFC). The simultaneous measurement of size and refractive index of microscopic particles with laser systems is based on Mie theory which describes the diffusion of light by dielectric spheres [1] In general, instruments based on this technique are called laser counters of particles [2] and laser flow cytometers [3], depending on whether the particles are suspended in air and water, respectively. The great interest in the rapid classification of microscopic particles in liquid suspensions (marine phytoplankton, blood cells, etc.) has favored the widespread diffusion of commercial systems based on laser flow cytometry (LFC).

Le ditte più affermate in questo campo sono: The most established companies in this field are:

■ Becton, Dickinson and Company [4], ■ Becton, Dickinson and Company [4],

• Beckman Coulter [5], • Beckman Coulter [5],

• Partec [6]. • Partec [6].

Nella LFC, il flusso di particelle e il fascio laser sono ortogonali. Quando la particella attraversa il fascio, la radiazione è diffusa con una distribuzione angolare che dipende da taglia e indice di rifrazione. In generale, nei sistemi commerciali ci si limita a misurare la diffusione in avanti (FSC) e la diffusione laterale (SSC), senza ricavare la taglia e l'indice di rifrazione. Spesso, la fluorescenza delle particelle è rivelata in alcune bande spettrali. Tipicamente, la diffusione in avanti è associata alla taglia della particella [7], mentre la -diffusione laterale è dominata da effetti rifrattivi [8]. Sebbene si tratti di semplificazioni, questo approccio permette la classificazione rapida delle cellule in campo clinico, soprattutto se le cellule sono marcate con anticorpi monoclonali coniugati a coloranti fluorescenti. Per quanto riguarda le applicazioni della LFC al fitoplancton marino, segnaliamo i prodotti della CytoBuoy che fabbrica sistemi da laboratorio, per boe e sottomarini [9]. In LFC, the particle flux and laser beam are orthogonal. As the particle passes through the beam, the radiation is scattered with an angular distribution that depends on size and refractive index. In general, commercial systems are limited to measuring forward diffusion (FSC) and lateral diffusion (SSC), without obtaining the size and refractive index. Often, the fluorescence of the particles is revealed in some spectral bands. Typically, forward scattering is associated with the size of the particle [7], while lateral-scattering is dominated by refractive effects [8]. Although simplifications, this approach allows rapid classification of cells in the clinical field, especially if the cells are labeled with monoclonal antibodies conjugated to fluorescent dyes. As for the applications of LFC to marine phytoplankton, we point out the products of CytoBuoy which manufactures laboratory systems, for buoys and submarines [9].

E' importante osservare che, fino ad oggi, la misurazione di taglia e indice di rifrazione è sempre stata effettuata in modo separato e distinto dalla eventuale misurazione di polarizzazione (asfericità) e fluorescenza. Ciò significa che attualmente non è possibile rilevare tutti questi dati per una stessa particella perchè le suddette misure, fatte in tempi diversi, non consentono di rilevare i dati relativi ad una stessa particella. It is important to note that, up to now, the measurement of size and refractive index has always been carried out separately and distinctly from any measurement of polarization (asphericity) and fluorescence. This means that currently it is not possible to detect all these data for the same particle because the aforementioned measurements, made at different times, do not allow to detect the data relating to the same particle.

In altre parole, rilevando la diffusione separatamente rispetto alla fluorescenza, non è possibile associare - a posteriori - dette misurazioni alla particella a cui si riferiscono. In other words, by detecting the diffusion separately from the fluorescence, it is not possible to associate - a posteriori - these measurements to the particle to which they refer.

Ad esempio, nell'ambito della caratterizzazione delle cellule fitoplanctoniche, è opportuno notare che: For example, in the context of the characterization of phytoplankton cells, it should be noted that:

• le cellule fitoplanctoniche possono essere discriminate non solo mediante taglia e indice di rifrazione, ma anche in base a forma e pigmentazione, • phytoplankton cells can be discriminated not only by size and refractive index, but also by shape and pigmentation,

e forma e pigmentazione possono essere osservate, rispettivamente, grazie alla depolarizzazione della diffusione e all'emissione di fluorescenza . and shape and pigmentation can be observed, respectively, due to diffusion depolarization and fluorescence emission.

Scopo principale della presente invenzione è superare i limiti dei prodotti convenzionali fornendo un dispositivo in grado di combinare LIF, LFC e ottiche polarizzanti al fine di misurare simultaneamente taglia, indice di rifrazione, depolarizzazione o asfericità e fluorescenza di particelle microscopiche in sospensioni liquide o gassose. The main purpose of the present invention is to overcome the limitations of conventional products by providing a device capable of combining LIF, LFC and polarizing optics in order to simultaneously measure the size, refractive index, depolarization or asphericity and fluorescence of microscopic particles in liquid or gaseous suspensions.

Ciò è stato ottenuto, secondo il trovato, prevedendo di combinare insieme la citometria laser a scansione in flusso (LSFC) [15], capace di ricostruire taglia e indice di rifrazione, con opportuni mezzi per la misura della depolarizzazione o asfericità di particelle microscopiche. This has been achieved, according to the invention, by providing to combine together the laser flow scanning cytometry (LSFC) [15], capable of reconstructing the size and refractive index, with suitable means for measuring the depolarization or asphericity of microscopic particles.

Una migliore comprensione dell'invenzione si avrà con la seguente descrizione e con riferimento alle- figure che illustrano, a puro titolo esemplificativo e non già limitativo, una preferita forma di realizzazione. A better understanding of the invention will be obtained with the following description and with reference to the figures which illustrate, purely by way of non-limiting example, a preferred embodiment.

Nei disegni: In the drawings:

La figura 1 mostra il principio di funzionamento, di un citometro laser in flusso. Figure 1 shows the principle of operation of a laser flow cytometer.

La figura 2 è un esempio di dati ottenuti con un citometro laser in flusso: si noti come la fluorescenza della clorofilla permetta di distinguere il fitoplancton (nuvole di punti lungo la linea a 45°) dalle altre particelle (nuvola di punti orizzontale). Osservando colture note, è possibile attribuire le nuvole di punti a tipi di fitoplancton. Figure 2 is an example of data obtained with a laser flow cytometer: note how the fluorescence of chlorophyll allows to distinguish phytoplankton (point clouds along the 45 ° line) from other particles (horizontal point cloud). By observing known cultures, it is possible to attribute the point clouds to types of phytoplankton.

La figura 3 è uno schema di FACScan (Becton, Dickinson and Company). Figure 3 is a schematic of FACScan (Becton, Dickinson and Company).

La figura 4 è una foto dell'invenzione: i principali elementi sono indicati con la nomenclatura seguita in Tabella 1 che segue. Figure 4 is a photo of the invention: the main elements are indicated with the nomenclature followed in Table 1 below.

La figura 5A è uno schema ottico dell'invenzione: i tre specchi di rinvio (inseriti fra D e Q) e l'ulteriore specchio di rinvio (inserito fra M2 e li) sono ininfluenti e non sono stati indicati . Figure 5A is an optical diagram of the invention: the three deflection mirrors (inserted between D and Q) and the further deflection mirror (inserted between M2 and 11) are irrelevant and have not been indicated.

La figura 5B mostra schematicamente il percorso ottico del fascio laser e della luce diffusa dalle particelle che si riflette sullo specchio sferico sul fondo della cuvette. Figure 5B schematically shows the optical path of the laser beam and of the light scattered by the particles reflecting on the spherical mirror at the bottom of the cuvette.

La figura 6 mostra l'interfaccia del programma di acquisizione e analisi. Le tracce 1, 2 e 3 rappresentano i segnali relativi a "indicatrix", "trigger" e fluorescenza (il secondo è stato invertito per comodità di visione). Figure 6 shows the interface of the acquisition and analysis program. Tracks 1, 2 and 3 represent the signals relating to "indicatrix", "trigger" and fluorescence (the second has been inverted for viewing convenience).

Le figure 7A e 7B sono, rispettivamente, immagini di Chlamydomonas reinhardtii ottenute al microscopio elettronico a scansione e al microscopio ottico ottenute. Figures 7A and 7B are, respectively, images of Chlamydomonas reinhardtii obtained under the scanning electron microscope and under the optical microscope obtained.

Le figure 8A-8D sono istogrammi rispettivamnente relativi a: taglia, indice di rifrazione, fluoresceinza e depolarizzazione ottenuti analizzando un campione di Chlamydomonas reinhardtii mescolato Con sfere di polistirolo fluorescenti e non fluorescenti, aventi-diametro 6 pm. Figures 8A-8D are histograms respectively relating to: size, refractive index, fluoresceinza and depolarization obtained by analyzing a sample of Chlamydomonas reinhardtii mixed with fluorescent and non-fluorescent polystyrene spheres, having a diameter of 6 pm.

La figura 9 è uno "Scatter plot" a due dimensioni (taglia e depolarizzazione) analizzando un campione di Chlamydomonas reinhardtii mescolato con sferette di polistirolo fluorescenti, aventi diametro 6 μπι. Figure 9 is a two-dimensional "Scatter plot" (size and depolarization) analyzing a sample of Chlamydomonas reinhardtii mixed with fluorescent polystyrene beads, having a diameter of 6 μπι.

La figura 10 è uno "Scatter plot"; a tre dimensioni (taglia, depolarizzazione e fluorescenza) ottenuto analizzando un campione di Chlamydomonas reinhardtii mescolato con sferette di polistirolo fluorescenti e non fluorescenti, aventi diametro 6 pm (i punti più piccoli sono le proiezioni sui piani). Figure 10 is a "Scatter plot"; three-dimensional (size, depolarization and fluorescence) obtained by analyzing a sample of Chlamydomonas reinhardtii mixed with fluorescent and non-fluorescent polystyrene spheres, having a diameter of 6 pm (the smallest points are the projections on the planes).

La figura 11 è uno "Scatter plot" a tre dimensioni (taglia, fluorescenza a 530 nm e fluorescenza a 680 nm) ottenuto analizzando un campione preparato mescolando sfere di polistirolo fluorescenti nel verde e non fluorescenti, aventi diametro 2 μπι, con sfere di polistirolo fluorescenti nel rosso e non fluorescenti, aventi diametro 6 μιη. Figure 11 is a three-dimensional "Scatter plot" (size, fluorescence at 530 nm and fluorescence at 680 nm) obtained by analyzing a sample prepared by mixing green fluorescent and non-fluorescent polystyrene spheres, having a diameter of 2 μπι, with polystyrene spheres fluorescent in red and non-fluorescent, having a diameter of 6 μιη.

Il principio di funzionamento della LFC è illustrato in Fig. 1, un esempio di dati è fornito in Fig. 2 e un diffuso strumento commerciale è mostrato in Fig. 3. The principle of operation of the LFC is illustrated in Fig. 1, an example of data is provided in Fig. 2 and a popular commercial tool is shown in Fig. 3.

Tipicamente, la LFC permette di acquisire simultaneamente 5 parametri: diffusione in avanti, diffusione laterale e fluorescenza in 3 bande spettrali. La velocità di conteggio può superare 10 mila particelle al minuto. Tra i vantaggi della LFC ricordiamo la facilità di preparazione del campione, l'assenza di trattamento chimico e là possibilità di effettuare misure in situ. Typically, LFC allows to simultaneously acquire 5 parameters: forward diffusion, lateral diffusion and fluorescence in 3 spectral bands. The counting rate can exceed 10,000 particles per minute. The advantages of LFC include the ease of sample preparation, the absence of chemical treatment and the possibility of carrying out measurements in situ.

Secondo il trovato, si prevede un apparato comprendente: According to the invention, an apparatus is provided comprising:

— mezzi per illuminare le particelle da analizzare --con una luce laser polarizzata circolarmente; — un rilevatore a diffusione in avanti atto a misurare simultaneamente la luce non polarizzata e polarizzata. linearmente diffusa dalle particelle in un ampio intervallo dell'angolo polare, tipicamente tra 5° e 100°, dove i fasci non polarizzato e polarizzato sono perpendicolari; - means for illuminating the particles to be analyzed - with a circularly polarized laser light; - a forward scattering detector adapted to simultaneously measure non-polarized and polarized light. linearly diffused by the particles in a wide range of the polar angle, typically between 5 ° and 100 °, where the non-polarized and polarized beams are perpendicular;

— un rilevatóre à diffusione laterale atto a misurare simultaneamente la luce non polarizzata diffusa dalle particelle nella direzione laterale e la fluorescenza delle particelle in differenti bande spettrali; - a lateral scattering detector adapted to simultaneously measure the non-polarized light scattered by the particles in the lateral direction and the fluorescence of the particles in different spectral bands;

— un apposito software di acquisizione ed elaborazione atto a- fornire in tempo reale taglia, indice di rifrazione e un parametro di depolarizzazione delle particelle, sulla base di dette misure di luce non polarizzata e polarizzata rilevate dal rilevatore a diffusione in avanti; - a specific acquisition and processing software able to - provide in real time the size, refractive index and a particle depolarization parameter, on the basis of said measurements of non-polarized and polarized light detected by the forward diffusion detector;

— un apposito software di acquisizione ed elaborazione atto a fornire in tempo reale l'istante di passaggio della particella in un punto noto e parametri di fluorescenza delle particelle, sulla base delle misure di luce non —polarizzata e fluorescenza rilevate dal rivelatore a diffusione laterale; - a suitable acquisition and processing software able to provide in real time the instant of passage of the particle in a known point and the fluorescence parameters of the particles, on the basis of the measurements of non-polarized light and fluorescence detected by the lateral diffusion detector;

dette misurazioni e/o calcoli di taglia, indice di rifrazione, depolarizzazione o asfericità e fluorescenza essendo effettuate simultaneamente. Nelle sperimentazioni è stato usato un laser a diodo D con rapporto di polarizzazione elevato (100:1). Tale sorgente, inoltre, è caratterizzata da potenza grande e lunghezza d'onda corta, permettendo al sistema di avere buona sensibilità e di rivelare particelle sub-micrometriche (fino a circa metà della lunghezza d'onda). said measurements and / or calculations of size, refractive index, depolarization or asphericity and fluorescence being carried out simultaneously. In the experiments, a D diode laser with a high polarization ratio (100: 1) was used. Moreover, this source is characterized by large power and short wavelength, allowing the system to have good sensitivity and to detect sub-micrometric particles (up to about half of the wavelength).

Eventualmente, è possibile aumentare il rapporto di polarizzazione inserendo nel fascio un polarizzatore come ad esempio un Glan-Taylor Thorlabs GT10 (diametro "clear aperture": 10 mm, rapporto di estinzione: 100,000:1). Il fascio 1 polarizzato linearmente, dopo essere stato rinviato da tre specchi per compattare il sistema, attraversa una lamina a quarto d'onda Q, uscendo polarizzato circolarmente. Successivamente, dopo essere stato focalizzato da una prima lente Li e aver attraversato uno specchio forato M2, il fascio 1 incide coassialmente su un flusso di particelle 2 in sospensione liquida che attraversa il capillare (diametro: 254 pm) di una cuvette C. Nella zona di interazione (lunghezza inferiore a 5 mm) il fascio ha sezione trasversale piccola (diametro attorno a 30 p FWHM) e quindi il flusso di energia radiante è elevato. La luce 3 diffusa dalla particella 2 è riflessa verso lo specchio forato M2da uno specchio sferico 4 che costituisce il fondo della cuvette C. La radiazione riflessa dallo specchio forato M2, dopo essere stata rinviata da un apposito specchio (non mostrato) per compattare il sistema, è divisa in due parti da un "beam splitter" B non polarizzante. La parte trasmessa è rivelata da un primo fotomoltiplicatore PMi, dopo aver attraversato un polarizzatore P, quella riflessa è rivelata così comiè da un secondo fotomoltiplicatore PM2. Il "beam splitter" B, il polarizzatore P e detti fotomoltiplicatori PMi e PM2sono montati su un blocco di alluminio che permette il passaggio solo alla luce proveniente dallo specchio forato M2. Un primo diaframma regolabile li effettua il filtraggio spaziale del fascio in ingresso. Optionally, it is possible to increase the polarization ratio by inserting a polarizer such as a Glan-Taylor Thorlabs GT10 into the beam ("clear aperture" diameter: 10 mm, extinction ratio: 100,000: 1). The linearly polarized beam 1, after being reflected by three mirrors to compact the system, passes through a quarter-wave plate Q, exiting circularly polarized. Subsequently, after being focused by a first Li lens and passing through a perforated mirror M2, the beam 1 coaxially affects a flow of particles 2 in liquid suspension that crosses the capillary (diameter: 254 pm) of a cuvette C. In the zone of interaction (length less than 5 mm) the beam has a small cross section (diameter around 30 p FWHM) and therefore the flow of radiant energy is high. The light 3 diffused by the particle 2 is reflected towards the perforated mirror M2 by a spherical mirror 4 which forms the bottom of the cuvette C. The radiation reflected by the perforated mirror M2, after having been returned by a special mirror (not shown) to compact the system , is divided into two parts by a non-polarizing beam splitter B. The transmitted part is detected by a first photomultiplier PMi, after passing through a polarizer P, the reflected part is revealed as it is by a second photomultiplier PM2. The "beam splitter" B, the polarizer P and said photomultipliers PMi and PM2 are mounted on an aluminum block that allows only the light coming from the perforated mirror M2 to pass through. A first adjustable diaphragm carries out the spatial filtering of the incoming beam.

:Con riferimento alla figura 5B, è interessante notare che essendo osservata la radiazione collimata dallo specchio sferico 4, per ogni posizione della particella 2 lungo il capillare, viene rivelata solo la .luce 3 proveniente da un angolo polare di diffusione ben definito. Quindi, ricostruendo la posizione in base al tempo di acquisizione del segnale, grazie alla misura della velocità della particella 2 e dell'istante del suo passaggio in un: punto noto, è possibile determinare l'intensità della diffusione in funzione dell'angolo polare ("indicatrix") in un ampio intervallo (come detto precedentemente: tipicamente tra 5° e 100°). Infine, la taglia e l'indice di rifrazione della particella vengono ricostruiti a partire dall' "indicatrix" mediante un metodo di inversione [20] della teoria di Mie. L'istante di passaggio della particella 2 in un punto noto è misurato, come vedremo, osservando la diffusione laterale. La velocità della particella 2 è una funzióne, calibrata in precedenza, delle pressioni nel circuito idrodinamico, selezionate dall'operatore . With reference to Figure 5B, it is interesting to note that since the radiation collimated by the spherical mirror 4 is observed, for each position of the particle 2 along the capillary, only the light 3 coming from a well-defined polar angle of diffusion is detected. Therefore, by reconstructing the position based on the acquisition time of the signal, thanks to the measurement of the speed of particle 2 and the instant of its passage in a known point, it is possible to determine the intensity of the diffusion as a function of the polar angle ( "indicatrix") in a wide range (as mentioned above: typically between 5 ° and 100 °). Finally, the size and refractive index of the particle are reconstructed starting from the "indicatrix" by means of an inversion method [20] of the Mie theory. The instant of passage of the particle 2 in a known point is measured, as we will see, by observing the lateral diffusion. The velocity of the particle 2 is a function, previously calibrated, of the pressures in the hydrodynamic circuit, selected by the operator.

Se le particelle 2 sono sferiche, i segnali e I∑rrispettivamente in uscita dai suddetti fotomoltiplicatori PMi e PM2, sono uguali (a meno di un fattore costante, legato alla differente efficienza dei rispettivi canali di rivelazione, che può essere reso uguale a 1 aggiustando il guadagno dei fotomoltiplicatori). If the particles 2 are spherical, the signals and I∑r respectively in output from the aforementioned photomultipliers PMi and PM2, are equal (except for a constant factor, linked to the different efficiency of the respective detection channels, which can be made equal to 1 by adjusting the gain of photomultipliers).

-i3e, invece, le particelle non sono sferiche, la depolarizzazione: -i3e, on the other hand, the particles are not spherical, the depolarization:

è non nulla. it is not nothing.

Quindi, la misura della depolarizzazione consente di discriminare le particelle sferiche: ciò è particolarmente utile per classificare le cellule f itoplanctoniche. . Therefore, the measurement of depolarization allows to discriminate spherical particles: this is particularly useful for classifying phytoplankton cells. .

Con riferimento allo schema ottico di figura 5A, la parte del trovato :relativa alla determinazione della taglia e dell'<'>indice di rifrazione della particella ("indicatrix"), nonché della forma della particella (polarizzazione) comprende: With reference to the optical diagram of Figure 5A, the part of the invention: relating to the determination of the size and the refractive index of the particle ("indicatrix"), as well as of the shape of the particle (polarization) comprises:

— un laser a diodo (405 nm) D - a diode laser (405 nm) D.

— una lamina a quarto d'onda Q - a quarter-wave plate Q

— una lènte di:focalizzazione Li - a lènte of: focus Li

— una cuvette C - a cuvette C

— uno specchio forato M2- a perforated M2 mirror

— un diaframma a iride li - an iris diaphragm li

— un "beam-splitter" non polarizzante B — un polarizzatore P - a non-polarizing "beam-splitter" B - a polarizer P

— due fotomoltiplicatori PMi e PM2- two photomultipliers PMi and PM2

Secondo una caratteristica peculiare dell'invenzione, il dispositivo è atto a rilevare contemporaneamente anche la radiazione laterale mediante un obiettivo microscopico. According to a peculiar characteristic of the invention, the device is able to simultaneously detect also the lateral radiation by means of a microscopic objective.

Con riferimento allo schema ottico di figura 5A, la parte del trovato relativa alla determinazione dei pigmenti della particella (fluorescenza), nonché a rilevare il passaggio della particella in un punto noto ("trigger") comprende: With reference to the optical scheme of Figure 5A, the part of the invention relating to determining the pigments of the particle (fluorescence), as well as detecting the passage of the particle in a known point ("trigger") comprises:

— lente di collimazione L2- L2 collimating lens

— specchio dicroico M4- dichroic mirror M4

— diaframma a iride I2- iris diaphragm I2

— specchio dicroico M5- dichroic mirror M5

— filtro interierenziale (680 nm) Fi - interierential filter (680 nm) Fi

— fotomoltiplicatore PM3- PM3 photomultiplier

— filtro interferenziale (530 nm) F2- interference filter (530 nm) F2

— fotomoltiplicatore PM4- PM4 photomultiplier

— diaframma a iride I3- iris diaphragm I3

— filtro interferenziale (405 nm) F3- interference filter (405 nm) F3

— fotomoltiplicatore PM5- PM5 photomultiplier

La luce è separata in tre zone spettrali mediante due specchi dicroici. La riflessione di un primo specchio dicroico M4indirizza la diffusione laterale ad un quinto fotomoltiplicatore PM5che misura l'istante di passaggio della particella in un punto noto e fornisce il "trigger" della misura. Il quinto fotomoltiplicatore PM5è montato su un blocco di alluminio che permette il passaggio solo alla luce proveniente dalla particella 2. Un terzo diaframma regolabile I3ed un terzo filtro interferenziale F3effettuano, rispettivamente, i filtraggi spaziale e spettrale del fascio in ingresso. The light is separated into three spectral zones by two dichroic mirrors. The reflection of a first dichroic mirror M4 directs the lateral diffusion to a fifth photomultiplier PM5 which measures the instant of passage of the particle in a known point and provides the "trigger" of the measurement. The fifth photomultiplier PM5 is mounted on an aluminum block which allows only the light coming from particle 2 to pass. A third adjustable diaphragm I3 and a third interference filter F3 carry out, respectively, the spatial and spectral filtering of the incoming beam.

Un secondo specchio dicroico M5: A second dichroic mirror M5:

e riflette la radiazione verde ad un quarto fotomoltiplicatore PM4che misura la fluorescenza della particella attorno a 530 nm, dopo il filtraggio spettrale effettuato da un secondo filtro interferenziale F2, and reflects the green radiation to a fourth photomultiplier PM4 which measures the fluorescence of the particle around 530 nm, after the spectral filtering carried out by a second interference filter F2,

• trasmette la radiazione rossa ad un terzo fotomoltiplicatore PM3che misura la fluorescenza della particella 2 attorno a 680 nm, dopo il filtraggio spettrale effettuato da un primo filtro interferenziale Fi. • transmits the red radiation to a third photomultiplier PM3 which measures the fluorescence of particle 2 around 680 nm, after the spectral filtering carried out by a first interferential filter Fi.

I fotomoltiplicatóri e i filtri interferenziali ora descritti sono montati su un blocco di alluminio che permette il passaggio solo alla luce proveniente dalla particella 2. Un secondo diaframma regolabile I2effettua il filtraggio spaziale del fascio in ingresso. Una foto dell'<’>invenzione è mostrata in Fig. 4. Gli elementi ottici sonò descritti in Tabella 1. The photomultipliers and interference filters just described are mounted on an aluminum block which allows only the light coming from particle 2 to pass. A second adjustable diaphragm I2 performs spatial filtering of the incoming beam. A photo of the invention is shown in Fig. 4. The optical elements are described in Table 1.

I segnali rivelati dai fotomoltiplicatori sono amplificati dagli amplificatori "transìmpedance" indicati in Tab. 1, digitalizzati da un convertitore analogico digitale ADLINK DAQ-2010 (4 canali, 14 bit, 2 MS/s) e, finalmente, memorizzati e analizzati su un personal computer industriale. L'interfaccia grafica del programma di acquisizione e analisi sviluppato dagli inventori (FastSFC) è mostrata in Fig. 6. Una volta inserito il campione (tipicamente qualche migliaio di particelle), il sistema lo analizza in pochi minuti fornendo - per ogni particella - i dati relativi a: taglia, indice di rifrazione, depolarizzazione (o asfericità) e fluorescenza. The signals detected by the photomultipliers are amplified by the "transìmpedance" amplifiers indicated in Tab. 1, digitized by an ADLINK DAQ-2010 analog digital converter (4 channels, 14 bit, 2 MS / s) and, finally, stored and analyzed on a personal industrial computer. The graphic interface of the acquisition and analysis program developed by the inventors (FastSFC) is shown in Fig. 6. Once the sample has been inserted (typically a few thousand particles), the system analyzes it in a few minutes providing - for each particle - the data relating to: size, refractive index, depolarization (or asphericity) and fluorescence.

Verrà ora illustrato il funzionamento del trovato descrivendo la misura di un campione di Chlamydomonas reinhardtii, un'alga verde eucariote unicellulare, lunga circa 10 pm, che si muove servendosi di due flagelli, lunghi circa 10 pm (Fig. 7A E 7B). Tale cellula offre un test ideale per l'invenzione avendo forma ellittica e contenendo clorofilla-a che implicano, rispettivamente, depolarizzazione non nulla e fluorescenza attorno à 680 nm. I risultati del test, illustrati in Figg. 8A-8D e Tab. 2, sono stati ottenuti con un campione di Chlamydomonas reinhardtii (che chiameremo semplicemente "chlamydomonas") mescolato con sfere di polistirolo fluorescenti e non fluorescenti, aventi diametro 6 pm, (indicate come "6 pm F" e "6 pm NF", rispettivamente). The operation of the invention will now be illustrated by describing the measurement of a sample of Chlamydomonas reinhardtii, a unicellular green eukaryotic alga, about 10 pm long, which moves using two flagella, about 10 pm long (Fig. 7A and 7B). This cell offers an ideal test for the invention having an elliptical shape and containing chlorophyll-a which imply, respectively, non-zero depolarization and fluorescence around 680 nm. The test results, illustrated in Figs. 8A-8D and Tab. 2, were obtained with a sample of Chlamydomonas reinhardtii (which we will simply call "chlamydomonas") mixed with fluorescent and non-fluorescent polystyrene spheres, having a diameter of 6 pm, (indicated as "6 pm F" and " 6 pm NF ", respectively).

Prima- di tutto, osserviamo che l'invenzione misura correttamente la taglia e l'indice di rifrazione delle sfere. Infatti, i valori attesi: 6.0 μπι e 1.61 - 1.62 .[19], rispettivamente, sono compatibili con i valori misurati: 6.07±0.27 pm. e 1.62910.022, rispettivamente (ottenuti mediando i risultati di 6 pm F e 6 pm NF), corrispondenti a errori relativi dell'1% in entrambi i casi. Inoltre, come ci attendiamo, tutte le sfere hanno depolarizzazione nulla e la fluorescenza è diversa da zero solo per 6 pm F. First of all, we observe that the invention correctly measures the size and refractive index of spheres. In fact, the expected values: 6.0 μπι and 1.61 - 1.62. [19], respectively, are compatible with the measured values: 6.07 ± 0.27 pm. and 1.62910.022, respectively (obtained by averaging the results of 6 pm F and 6 pm NF), corresponding to relative errors of 1% in both cases. Also, as we would expect, all spheres have zero depolarization and the fluorescence is nonzero only for 6 pm F.

Per quanto riguarda la classificazione delle:particelle, notiamo che, a causa della grande variabilità naturale,nella taglia delle cellule (visibile al microscòpio), il relativo istogramma è piuttosto largo ed è impossibile distinguerle dalle sfere. Anche per l'indice di rifrazione vale un discorso analogo: pur essendo significativamente diversi i valori per cellule e sfere, esiste una sovrapposizione non trascurabile negli istogrammi: una cellula può essere scambiata per una sfera e viceversa. La situazione migliora se si osserva la fluorescenza: le sfere non fluorescenti sono completamente risolte. Sfortunatamente, ci può essere ancata confusione tra sfere fluorescenti e cellule. Finalmente, se si tiene conto della depolarizzazione,, è praticamente impossibile scambiare cellule e sfere. As far as the classification of the particles is concerned, we note that, due to the great natural variability, in the size of the cells (visible in the microscope), the relative histogram is quite large and it is impossible to distinguish them from the spheres. The same applies to the refractive index: although the values for cells and spheres are significantly different, there is a non-negligible overlap in the histograms: a cell can be mistaken for a sphere and vice versa. The situation improves if fluorescence is observed: the non-fluorescent spheres are completely resolved. Unfortunately, there can be some confusion between fluorescent spheres and cells. Finally, if depolarization is taken into account, it is practically impossible to exchange cells and spheres.

Questi risultati sono ancora più evidenti negli "scatter plot" a due e tre dimensioni di Fig. 9 e 10, rispettivamente, e dimostrano quanto è utile la misura della depolarizzazione per 1'accurata classificazione delle particelle microscopiche: senza di essa, sarebbe stato impossibile distinguere totalmente cellule e sfere. These results are even more evident in the two and three dimensional "scatter plots" of Fig. 9 and 10, respectively, and demonstrate how useful the measurement of depolarization is for the accurate classification of microscopic particles: without it, it would have been impossible. totally distinguish cells and spheres.

Per esemplificare l'utilità dell'osservazione della fluorescènza in due bande spettrali, è stato misurato un campione preparato mescolando sfere di polistirolo fluorescenti nel verde e non fluorescenti, aventi diametro 2 pm (indicate come "2 pm F" e "2 pm NF", rispettivamente), con sfere di polistirolo fluorescenti nel rosso e non fluorescenti, aventi diametro 6 pm (indicate come "6 pm F" e "6 pm NF", rispettivamente). Lo "scatter plot" a tre dimensioni di Fig. 11 dimostra che CLASS risolve i quattro tipi di particelle in nuvole di punti ben distinte. To exemplify the usefulness of observing fluorescence in two spectral bands, a sample prepared by mixing green fluorescent and non-fluorescent polystyrene spheres, having a diameter of 2 pm (indicated as "2 pm F" and "2 pm NF", was measured. , respectively), with red fluorescent and non-fluorescent polystyrene spheres, having a diameter of 6 pm (indicated as "6 pm F" and "6 pm NF", respectively). The three-dimensional "scatter plot" of Fig. 11 demonstrates that CLASS resolves the four types of particles into distinct point clouds.

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Claims (17)

RIVENDICAZIONI:. 1. Apparato per la misura simultanea di taglia, indice di rifrazione, asfericità e fluorescenza di particelle microscopiche in sospensioni liquide o gassose, caratterizzato dal fatto che comprende, in combinazione: mezzi per la citometria laser a scansione in flusso (LSFC) atti a ricostruire taglia e indice di rifrazione delle particelle, ed opportuni mezzi per la misura della depolarizzazione o asfericità di particelle microscopiche, nonché della loro fluorescenza e/o pigmentazione . CLAIMS :. 1. Apparatus for the simultaneous measurement of size, refractive index, asphericity and fluorescence of microscopic particles in liquid or gaseous suspensions, characterized in that it comprises, in combination: means for flow scanning laser cytometry (LSFC) suitable for reconstructing size and refractive index of the particles, and suitable means for measuring the depolarization or asphericity of microscopic particles, as well as their fluorescence and / or pigmentation. 2. Apparato secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che comprende: — mezzi per illuminare le particelle;da analizzare con una luce laser polarizzata circ1olarmente; — un rilevatore a diffusione in avanti atto a misurare simultaneamente la luce non polarizzata e polarizzata linearmente diffusa dalle particelle in un ampio intervallo dell'angolo polare, tipicamente tra 5° e 100°, dove i fasci non polarizzato e polarizzato sono perpendicolari; — un rilevatore a diffusione laterale atto a misurare simultaneamente la luce non polarizzata diffusa dalle particelle nella direzione laterale e la fluorescenza delle particelle in differenti bande spettrali; - un apposito software di acquisizione ed elaborazione atto a fornire in tempo reale taglia, indice di rifrazione e un parametro di depolarizzazione delle particelle, sulla base di dette misure di luce non polarizzata e polarizzata rilevate dal rilevatore a diffusione in avanti;. — un apposito software di acquisizione ed elaborazione atto a fornire in tempo reale l'istante di passaggio della particella in un punto noto e parametri di fluorescenza delle particelle, sulla base delle misure di luce non polarizzata e fluorescenza rilevate dal rivelatore della diffusione laterale; dette misurazioni e/o calcoli di taglia, indice di rifrazione, depolarizzazione o asfericità e fluorescenza essendo effettuate simultaneamente. 2. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that it comprises: - means for illuminating the particles, to be analyzed with a circularly polarized laser light; - a forward scattering detector capable of simultaneously measuring the non-polarized and linearly polarized light scattered by the particles in a wide range of the polar angle, typically between 5 ° and 100 °, where the non-polarized and polarized beams are perpendicular; - a lateral scattering detector able to simultaneously measure the non-polarized light scattered by the particles in the lateral direction and the fluorescence of the particles in different spectral bands; - a specific acquisition and processing software able to provide in real time the size, refractive index and a depolarization parameter of the particles, on the basis of said measurements of non-polarized and polarized light detected by the forward scattering detector; - a suitable acquisition and processing software able to provide in real time the instant of passage of the particle in a known point and the fluorescence parameters of the particles, on the basis of the measurements of non-polarized light and fluorescence detected by the lateral diffusion detector; said measurements and / or calculations of size, refractive index, depolarization or asphericity and fluorescence being carried out simultaneously. 3. Apparato secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per illuminare le particelle (2) comprendono un laser a diodo (D) con rapporto di polarizzazione elevato (ad esempio 100:1). 3. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that said means for illuminating the particles (2) comprise a diode laser (D) with a high polarization ratio (for example 100: 1). 4. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per la determinazione della taglia e dell'indice di rifrazione della particella ("indicatrix"), nonché della forma della particella (polarizzazione), comprendono : - un laser a diodo (405 rati) (D); - una lamina a quarto d'onda (Q); - una lente di focalizzazione (Li); - una cuvette (C); - uno specchio forato (M2); - un diaframma a iride (li); - un "beam-splitter" non polarizzante (B); - un polarizzatore (P); - due fotomoltiplicatori (PMi e PM2). 4. Apparatus according to claim 1, characterized in that said means for determining the size and refractive index of the particle ("indicatrix"), as well as the shape of the particle (polarization), comprise: - a diode laser (405 rati) (D); - a quarter-wave sheet (Q); - a focusing lens (Li); - a cuvette (C); - a perforated mirror (M2); - an iris diaphragm (li); - a non-polarizing "beam-splitter" (B); - a polarizer (P); - two photomultipliers (PMi and PM2). 5. Apparato secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il "beam splitter" (B), il polarizzatore (P) e detti fotomoltiplicatori (PM<'>i e PM2) sono montati su un blocco di alluminio che permette il passaggio solo alia luce proveniente dallo specchio forato (M2). 5. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that the "beam splitter" (B), the polarizer (P) and said photomultipliers (PM <'> i and PM2) are mounted on an aluminum block which allows the passage only to the light coming from the perforated mirror (M2). 6. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi per la determinazione della pigmentazione della particella (fluorescenza) e per la rilevazione del passaggio della particella in un punto noto ("trigger") comprendono: -lente di collimazione (L2); - specchio dicroico (M4) ; - diaframma a iride (I2) ; - specchio dicroico (M5) ; - filtro interferenziale (680 nm) (Fi) ; - fotomoltiplicatore ( PM3) ; - filtro interferenziale (530 nm) (F2) ; - fotomoltiplicatore (PM4) ; - diaframma a iride (I3) ; - filtro interferenziale (405 nm) (F3) ; - fotomoltiplicatore (PM5) . 6. Apparatus according to claim 1, characterized in that said means for determining the pigmentation of the particle (fluorescence) and for detecting the passage of the particle in a known point ("trigger") comprise: - collimation lens (L2); - dichroic mirror (M4); - iris diaphragm (I2); - dichroic mirror (M5); - interference filter (680 nm) (Fi); - photomultiplier (PM3); - interference filter (530 nm) (F2); - photomultiplier (PM4); - iris diaphragm (I3); - interference filter (405 nm) (F3); - photomultiplier (PM5). 7. Apparato secondo; la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti fotomoltiplicatori e detti filtri interferenziali sono montati su un blocco di alluminio che permette il passaggio sólo alla luce proveniente dalla particella (2). 7. Second apparatus; the preceding claim, characterized in that said photomultipliers and said interference filters are mounted on an aluminum block which allows only the light coming from the particle (2) to pass through. 8. Apparato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto rilevatore a diffusione laterale comprende un obiettivo microscopico. 8. Apparatus according to claim 2, characterized in that said lateral diffusion detector comprises a microscopic objective. 9. Apparato secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che è atto a separare la luce in tre zone spettrali mediante due specchi dicroici (M« e M5). 9. Apparatus according to claim 6, characterized in that it is adapted to separate the light into three spectral zones by means of two dichroic mirrors (M «and M5). 10. Apparato secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che un primo specchio, dicroico (M4) è atto a riflettere la diffusione laterale verso un quinto fotomoltiplicatore (PM5) atto a misurare l'istante di passaggio della particella in un punto noto ed a fornire il "trigger" della misura; detto quinto fotomoltiplicatore (PM5) essendo montato su un blocco di alluminio che permette il passaggio solo alla luce proveniente dalla particella (2). 10. Apparatus according to claim 6, characterized in that a first dichroic mirror (M4) is able to reflect the lateral diffusion towards a fifth photomultiplier (PM5) able to measure the instant of passage of the particle in a known point and to provide the "trigger" of the measure; said fifth photomultiplier (PM5) being mounted on an aluminum block which allows only the light coming from the particle (2) to pass. 11. Apparato secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che un terzo diaframma regolabile (I3) ed un terzo filtro interferenziale (F3) sono atti ad effettuare, rispettivamente,, i filtraggi spaziale e spettrale del fascio in ingresso 11. Apparatus according to claim 6, characterized by the fact that a third adjustable diaphragm (I3) and a third interference filter (F3) are adapted to carry out, respectively, the spatial and spectral filtering of the incoming beam 12. Apparato secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che un secondo specchio dicroico (M5) è atto a: • riflettere la radiazione verde ad un quarto fotomoltiplicatore (PM4) atto a misurare la fluorescenza della particella attorno a 530 nm, dopo il filtraggio spettrale effettuato da un secondo filtro interierenziale (F2), • trasmettere la radiazione rossa ad un terzo fotomoltiplicatore (PM3) atto a misurare la fluorescenza della particella (2) attorno a 680 rati, dopo il filtraggio spettrale effettuato da un primo filtro interferenziale (Fi). 12. Apparatus according to claim 6, characterized in that a second dichroic mirror (M5) is adapted to: • reflect the green radiation to a fourth photomultiplier (PM4) able to measure the fluorescence of the particle around 530 nm, after the spectral filtering carried out by a second interierential filter (F2), • transmit the red radiation to a third photomultiplier (PM3) suitable for measuring the fluorescence of the particle (2) around 680 rati, after the spectral filtering carried out by a first interferential filter (Fi). 13. Apparato secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che un secondo diaframma regolabile. (I2) è atto ad effettuare il filtraggio spaziale del fascio in ingresso. 13. Apparatus according to claim 6, characterized in that a second adjustable diaphragm. (I2) is adapted to effect the spatial filtering of the incoming beam. 14. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che tra il laser (D) e la lente di focalizzazione (Li) è previsto un polarizzatore laser; detto polarizzatore laser essendo atto ad incrementare il rapporto di polarizzazione del fascio laser. 14. Apparatus according to claim 4, characterized in that a laser polarizer is provided between the laser (D) and the focusing lens (Li); said laser polarizer being adapted to increase the polarization ratio of the laser beam. 15. Apparato secondò la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che prevede una lamina a quarto d'onda per ruotare la polarizzazione del fascio laser. 15. Apparatus according to claim 1, characterized in that it provides a quarter-wave sheet for rotating the polarization of the laser beam. 16. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto polarizzatore (P) è un polarizzatore di Glan-Thompson. 16. Apparatus according to claim 4, characterized in that said polarizer (P) is a Glan-Thompson polarizer. 17. Apparato secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto polarizzatore laser è un polarizzatore di Glan-Taylor.17. Apparatus according to claim 14, characterized in that said laser polarizer is a Glan-Taylor polarizer.
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