JP2008514958A - テレセントリック光学素子を有するサイトメータ - Google Patents

Abstract

フロー・サイトメータの光源を移動させ、光学システムの軸上又は軸外で移動する際に、その光がフロー・セルに衝突するように、光源を位置決めする機構を提供する。検出器は、テレセントリック光学システムによって、目標に衝突する光が軸上又は軸外であっても、散乱光を同一位置で受光する。更に、検出器に最大限散乱光が衝突するように、光を位置決めする。検出器の出力信号はプロセッサに達し、プロセッサは、光源が軸上又は軸外で移動しても、連続して放出光が目標に衝突するように、放出光を移動させるための信号を光源に送る。光源を移動させる代わりに、光源のアレイを用いてもよい。光ビームを移動させるために、アレイにおける別の位置にある別の光を選択し、以前に選択した光源と置換することができる。

Description

本発明は、一般的には、フロー・サイトメータ(flow cytometer)に関する。更に特定すれば、本発明は、フロー・ストリームにおける微小粒子又は構成要素の光学的特性を、光を用いて検知するフロー・サイトメータに関する。

本発明は、２００２年８月２１日に出願され、"Optical Alignment Detection System"（光学的位置合わせ検出システム）と題する、Bernard Fritz et al.による米国特許第１０／２２５，３２５号（特許文献１）に関連がある。その内容は、ここで引用したことにより本願にも含まれるものとする。また、本発明は、２００２年１１月２６に出願され、"Portable Scattering and Fluorescence Cytometer"（可搬型散乱及び蛍光サイトメータ）と題する、Aravind Padmanabhan 等による米国特許出願第１０／３０４，７７３号（特許文献２）に関連がある。その内容は、ここで引用したことにより本願にも含まれるものとする。また、本発明は、２００３年４月１５日に発行され、"Optical Detection System for Flow Cytometry"（フロー・サイトメトリのための光学的検出システム）と題する、Cabuz et 等による米国特許第６，５４９，２７５号Ｂ１（特許文献３）、２００３年７月２２日に発行され、"Portable Flow Cytometer"（可搬型フロー・サイトメータ）と題する、Cabuz 等による米国特許第６，５９７，４３８号Ｂ１（特許文献４）、２００２年５月７日に発行され、"Fluid Driving System for Flow Cytometery"（フロー・サイトメトリのための流体駆動システム）と題する、Cabuz 等の米国特許第６，３８２，２２８号Ｂ１（特許文献５）、２００４年３月２日に発行され、"Optical Detection System for Flow Cytometry"（フロー・サイトメトリのための光学的検出システム）と題する、Cabuz等による米国特許第６，７００，１３０号Ｂ２（特許文献６）、及び２００１年６月５日に発行され、"Addressable Valve Arrays for Proportional Pressure or Flow Control"（比例圧力又は流量制御のためのアドレス可能なバルブ・アレイ）と題する、Ohnstein 等による米国特許第６，２４０，９４４号Ｂ１（特許文献７）に関連がある。これら全ての内容は、ここで引用したことにより本願にも含まれるものとする。以上に記した特許出願及び特許は、同一実体が所有する。「流体」という用語は、ここでは、主として気体及び流体を含む包括的な用語として用いることができる。

本発明は、光源を移動させ、光学システムの軸上又は軸外を移動する際に、その光が目標に衝突するように位置決めする機構ということができる。代表的な例として、テレセントリック光学システムによって、目標に衝突する光が軸上にあるか又は軸外にあるかには関係なく、検出器は同一位置で散乱光を受光することができる。更に、検出器に最大限散乱光が衝突するように、光を位置決めすることができる。出力をプロセッサに送り、プロセッサが光源に信号を送って、目標が軸上又は軸外で移動しても、連続的に目標に衝突するように、放出光を移動させることができる。移動光源に代わりに、光源のアレイを用いることもできる。光ビームを移動させるために、アレイにおける別の位置にある別の光を選択し、以前に選択した光源と置換することもできる。

図１ａは、フロー・サイトメータの光学的レイアウトにおいて、光学的テレセントリック条件の使用に備えることができるデバイスの模式図である。この条件は、フロー・チャネル(flow channel)における照明条件が軸上光源のそれと同様になるように、光源１１が軸外領域点(off-axis field point)を使用することを可能にする。これは、フロー・チャネルからの散乱光を収集する１つ又は複数の検出器１２にも適用することができる。この条件は、移動する光源又は光源のアレイを用いて、フロー・チャネルを照明し、検出器において、軸上光源位置と同様の光学的条件を維持することを可能にする。光源を移動可能にすることにより、フローの活動の位置、特に、サイトメータのフロー・ストリーム(flow stream)における粒子を追跡しつつ、検出器１２に衝突する光を同じ位置に保持することが可能となる。

テレセントリック条件とは、光学システム１０の開口絞り２２がレンズ２１の焦点(focal point)即ちフォーカス(focus)及びレンズ２３の焦点に位置している場合である。光学システムを、フロー・サイトメータの光源１１側及び検出器１２側双方においてこの条件を満たさせることにより、軸外領域点に光学システムの同等物を可能とすることができる。

図１ａの光学システム１０は、光源１１及び検出器１２双方の区間(leg)に対してテレセントリック条件に合うような設定として示されている。軸上の光源１１に対する場合は、実線の光路３３である。点線１４及び破線１５の光路は、光源１１の軸外光ビームを示すことができる。軸上光源１１から軸外光源１１に移る際、フロー・チャネルにおける合焦スポットを横方向に変位させるが、コーン傾斜角及び方位は、軸上の場合と同じままである。検出器アレイ１２において、光源１１の任意の位置の光の、同じ散乱角度、実線、点線、又は破線の経路も、検出器１２上の同じ位置４１、４２、及び４３にマップすることができる。

実線の光路１３に沿った光は、アレイ１１の光源１７から軸上を発出し、コリメート・レンズ２１を通過して進む。光源１７からの光は、開口絞り２２を通過してレンズ２３上まで進むことができる。光源１７からの光ビームは、実線の光路１３に沿って、フロー・チャネル１６及び検出器１２において合焦することができる。光路１３に沿ったビームによる散乱光は、レンズ２４を通過して、検出器１２の箇所４４及び４５において、検出器アレイ１２上で合焦することができる。

サイトメータ・チャネル１６におけるコア・ストリームを、軸外にチャネル１６の位置２５までずらすと、照明を軸外の点線光路１４までずらすことができる。光源１８からの光は、光路１４に沿って、レンズ２１、開口２２及びレンズ２３を通過してチャネル１６まで進むことができる。光路１４からの光は、チャネル１６において散乱し、検出器１２の位置４４及び４５において検出器アレイ１２上で合焦することができる。

サイトメータ・チャネル１６におけるコア・ストリーム３８が、チャネル１６の位置２６にあると、光のフォーカスをチャネルの位置２６までずらすことができる。アレイ１１の光源１９からの光は、破線の光路１５に沿って、レンズ２１、開口２２及びレンズ２３を通過し、チャネル１６の位置２６まで進むことができる。位置２６からの散乱光は、光路１５に沿ってレンズ２４を通過し、位置４４及び４５において検出器アレイ１２上で合焦することができる。

システム１０の光学要素同士は、同じ焦点距離だけ離れている。例えば、レンズ２１は、光源即ちアレイ１１から焦点距離（ｆ_１）３１の位置にあり、開口絞り２２から焦点距離（ｆ_１）３２の位置にある。焦点距離３１及び３２は、各々、レンズ２１の焦点距離（ｆ_１）とすればよい。開口絞り２２及びチャネル１６それぞれからのレンズ２３の焦点距離３３及び３４は、各々、レンズ２３の焦点距離（ｆ_２）とすればよい。チャネル１６からのレンズ２４の距離３５及び３６は各々、レンズ２４からの焦点距離（ｆ_３）とすればよい。線４６は、光源及びチャネルにおける共役面１１及び１６を示す。線４７は、開口及び検出器それぞれにおける共役面２２及び１２を示す。

光アレイ１１は、複数の光源１７、１８及び１９を有し、これらは、チャネル１６におけるコア・ストリームの位置に応じて、一度に１つずつオンになる。チャネル１６に衝突する光ビームの位置の調節精度を高めるには、アレイにおける光源を増やしてもよい。アレイ１１は二次元とするとよい。

その代わりに、検出器アレイ１１は、１つの光源、例えば、光源１７を有してもよい。光源１７は、アレイ構造全域にわたってｘ及び／又はｙ方向に移動し、チャネル１６に衝突する光の場所を調節する。光源は、機構３７のようなステッパ・モータによってアレイ全域に横方向に一定の刻み幅で移動させ(increment)、チャネル１６において光が衝突する場所を横方向に移動させるようにするとよい。

光路１３、１４及び１５に沿った光ビームは、チャネル１６における粒子によって散乱し、検出器１２の部分４４及び４５に達することができる。検出器１２は、部分４４及び４５、ならびに位置４１、４２及び４３において検出した光を電気信号に変換することができ、これらをプロセッサ１０に送ることができる。プロセッサ１０は、電気信号を処理して、チャネル１６におけるフロー・ストリーム３８の粒子に関する情報を得ることができる。

図１ｂは、光路１３、１４及び１５にそれぞれ沿った、光源１７、１８及び１９からの光を、光円錐を除いて、示す。円錐５１、５２、５３で示すように、チャネル１６における粒子によって光ビームを散乱させることができる。散乱光は、検出器１２上の場所４８及び４９に衝突することができる。

図２は、光源１１の制御のためのコンピュータ／プロセッサ２０を備えた光学システム１０を示す図である。制御の一形式では、光源アレイ１１から１つの光源を選択し、サイトメータのチャネル１６における光の衝突位置を判定する。別の形式では、光源を有し、これを移動させて、コア・ストリームが光学システム１０及びチャネル１６の軸２８（図２の紙面に対して垂直）から外れていても、コア・ストリーム３８と一直線状に光ビームを衝突させる。ステッパ・モータ３７は、コア・ストリーム３８と一直線状のままとなっているように、光源、例えば、光源１７を左右に移動させることができる。

光センサをコア・ストリーム３８と一直線状にすると、コア・ストリーム３８内の粒子に衝突する光ビームを、粒子によって散乱させることができる。検出器１２は、線形アレイ又は環状検出器アレイのような、散乱光検出器及び直接光検出器とすることができる。検出器１２は、散乱光の種々の角度及び非散乱光に対して、独立した検出器部分を有するとよい。環状アレイは、テレセントリック・システムに対して種々の部分による３６０度の検出を行うことができる。検出器１２は、検出器に衝突する散乱光を表す電気信号を供給することができる。アセンブリ１１の光源からの光ビームがコア・ストリーム３８の粒子に衝突していない場合、検出器１２が検出する散乱光は殆どなく、この検出器からの電気信号は殆どない可能性があるが、非散乱光がある。検出器１２は、順方向角度光散乱（ＦＡＬＳ：forward-angle light scatter）、小角度光散乱（ＳＡＬＳ：small-angle light scatter）、及び大角度光散乱（ＬＡＬＳ：large-angle light scatter）を検出することができる。

検出器１２からの電気信号はコンピュータ／プロセッサ２０に達することができる。コンピュータ／プロセッサ２０は、信号を光源アレイ１１に送り、光ビームがチャネル１１内において衝突している位置をずらすために、別の光源の選択、又は単一光源の移動を指示する。位置を突き止め、検出器１２の出力において最大信号が得られるように、光ビームを移動させることができる。これは、光ビームが検出器１２において最大散乱信号を発生していることを意味すると考えればよい。コンピュータ２０は、アレイ１１の異なる光源を選択する、又は光源を移動させることによって、チャネル１６における光ビームの位置即ち場所を変化させる信号を送り、検出器１２からコンピュータ２０に最大散乱信号を追求することができる(seek out)。実際には、コンピュータ２０から光源１１までには、チャネル１６において散乱する光源からの光ビーム、散乱光の電気的表現をコンピュータに供給する検出器１２から成るフィードバック・ループがある。コンピュータ２０は、散乱信号を最大にするように、光源１１に信号を送ることができる。散乱信号は、軸上であるか否かには係わらず、コア・ストリーム３８上に光ビームを合焦し続けるのに資する。

以上、少なくとも１つの例示的実施形態に関して、本発明の説明を行ったが、本明細書を熟読すれば、多くの変形や修正が当業者には明白となろう。したがって、添付した特許請求の範囲は、従来技術に鑑み、このような変形及び修正全てを含むように、できるだけ広義に解釈するものとする。

付随する光学素子と共に、サイトメータ又は同様の機構のチャネルのためのビーム位置調節器を示す図である。 付随する光学素子と共に、サイトメータ又は同様の機構のチャネルのためのビーム位置調節器を示す図である。 ビームによって照明すべきチャネルと関連付けて、コンピュータと共にビーム調節器を示す別の図である。

Claims (43)

1. 照明装置であって、
   光源と、
   前記光源と目標との間に少なくとも部分的に位置する、軸を有する光学システムと、
   前記目標に近接して前記軸上に位置する検出器と、
   を備えており、
   前記目標は、軸上又は軸外で移動可能であり、
   前記光源は、前記目標を軸上又は軸外で照明するために移動可能な光ビームを供給可能であり、
   前記光ビームからの光は、前記光源が軸上にあるときに、前記検出器上の第１位置にマップすることができ、
   前記光ビームからの光は、前記光源が軸外にあるときに、前記検出器上の第２位置にマップすることができ、
   前記第２位置は前記第１位置と同等である
   ことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１記載の照明装置において、前記光学システムは、
   前記光源と前記目標との間にある第１レンズと、
   前記第１レンズと前記目標との間に位置する開口と、
   を備えている
   ことを特徴とする照明装置。
3. 請求項２記載の装置において、前記光学システムは更に、前記開口と前記目標との間に位置する第２レンズを備えていることを特徴とする照明装置。
4. 請求項３記載の照明装置において、前記光学システムは更に、前記目標と前記検出器との間に位置する第３レンズを備えていることを特徴とする照明装置。
5. 請求項４記載の照明装置において、
   前記光源は、実質的に、前記第１レンズの焦点に位置し、
   前記開口は、実質的に、前記第１レンズの焦点及び前記第２レンズの焦点に位置し、
   前記目標は、実質的に、前記第２レンズの焦点及び前記第３レンズの焦点に位置し、
   前記検出器は、実質的に、前記第３レンズの焦点に位置する
   ことを特徴とする照明装置。
6. 請求項１記載の装置において、前記検出器の第１位置及び第２位置上にマップされた光の少なくとも一部は、前記目標によって散乱された光であることを特徴とする照明装置。
7. 請求項１記載の照明装置であって、更に、
   前記光源に結合され、前記光源を種々の位置に移動させて前記光ビームを移動させる機構と、
   前記検出器及び前記機構に接続されているプロセッサと、
   を備えていることを特徴とする照明装置。
8. 請求項７記載の照明装置において、前記プロセッサを経由した前記検出器からの信号により、前記検出器に最大限の光を当てるように、前記光源の種々の位置から選択すべき位置を示すよう構成されていることを特徴とする照明装置。
9. 請求項１記載の照明装置において、前記光源は、前記光ビームを移動するために個々に選択可能な複数の光のアレイであることを特徴とする照明装置。
10. 請求項９記載の照明装置であって、更に、前記検出器及び前記機構に接続されているプロセッサを備えていることを特徴とする照明装置。
11. 請求項１０記載の装置において、前記プロセッサを経由した前記検出器からの信号により、前記検出器に最大限光を当てるように、前記光源の種々の位置から選択すべき位置を示すよう構成されていることを特徴とする照明装置。
12. テレセントリック光源位置アライナ・システムであって、
    種々の位置に移動可能であり、チャネルに近接して位置する光源と、
    前記チャネルを有する検出器であって、該チャネルが当該検出器と前記光源との間に位置する検出器と、
    前記光源及び前記検出器に接続されているプロセッサと、
    を備えていることを特徴とするテレセントリック光源位置アライナ・システム。
13. 請求項１２記載のシステムにおいて、
    前記光源は、当該光源から前記チャネルを通過する光路を有し、
    前記光路は、前記チャネルから前記検出器上の特定の位置までである
    ことを特徴とするシステム。
14. 請求項１３記載のシステムにおいて、前記光源の種々の位置に対して、前記種々の位置の各々における前記光源からの光路は、前記検出器上の前記特定の位置までであることを特徴とするシステム。
15. 請求項１２記載のシステムにおいて、
    前記光源は光を発出し、
    前記光は前記チャネルに衝突し、
    前記光の一部は散乱光となり、
    前記検出器は前記散乱光を検出する
    ことを特徴とするシステム。
16. 請求項１５記載のシステムにおいて、
    散乱光の量は、サイトメータのチャネル内におけるコア・ストリームと前記入射光との位置合わせに応じて変動し、
    前記光源の位置が変動すると、前記入射光の前記コア・ストリームとの位置合わせが変動する
    ことを特徴とするシステム。
17. 請求項１６記載のシステムにおいて、前記光源の位置が変動しても、前記光源からの光が前記検出器上で衝突する場所は変動しないことを特徴とするシステム。
18. 請求項１６記載のシステムにおいて、
    前記検出器は、散乱光を電気信号に変換し、
    前記電気信号は前記プロセッサに達し、
    前記プロセッサは、前記検出器からの電気信号を最適化するように前記光源の位置を調節するために、前記光源に信号を送る
    要項制されていることを特徴とするシステム。
19. 請求項１８記載のシステムにおいて、前記光源から前記検出器上への光は、一定を維持する円錐角と方位とを有することを特徴とするシステム。
20. 光ビームの位置合わせシステムであって、
    チャネルに近接する検出器と、
    前記チャネルに対して位置合わせ調節器を有する光源と、
    を備えており、
    前記位置合わせ調節器が、前記光源の前記検出器に対する投射に影響を及ぼすことなく、前記チャネル内の可動目標上に前記光源を投射する
    ことを特徴とする光ビームの位置合わせシステム。
21. 請求項２０記載のシステムにおいて、前記位置合わせ調節器は、前記チャネル内の可動目標上、及び前記検出器上の一貫した場所に前記光源を合焦させる光学的構造を備えていることを特徴とするシステム。
22. 請求項２１記載のシステムにおいて、前記光源からの前記検出器上への光は、一定を維持する円錐角と方位とを有することを特徴とするシステム。
23. 請求項２１記載のシステムにおいて、
    前記検出器は、プロセッサに接続されており、
    前記プロセッサは、前記位置合わせ調節器に接続されている
    ことを特徴とするシステム。
24. 請求項２３記載のシステムにおいて、
    前記光源からの光は、前記目標に衝突可能であり、
    前記目標は、当該目標に衝突可能な光を散乱させることができ、
    前記検出器は、前記散乱光を第１電気信号に変換することができ、
    前記プロセッサは、前記第１電気信号の振幅を測定し、前記チャネルにおける可動目標上に前記光源を投射するために、前記位置合わせ調節器に第２信号を送ることができる
    ことを特徴とするシステム。
25. 請求項２４記載のシステムにおいて、前記検出器からの第１電気信号の振幅が、前記目標に対する前記光源の投射量を示すことを特徴とするシステム。
26. 請求項２５記載のシステムにおいて、前記第１電気信号の振幅が大きい程、前記光源の投射が前記目標に接近し、
    前記第１電気信号の振幅が小さい程、前記光源の投射が前記目標から遠ざかる
    よう構成されていることを特徴とするシステム。
27. 請求項２６記載のシステムにおいて、前記目標は、サイトメータのチャネル内におけるコア・ストリーム内にあることを特徴とするシステム。
28. 請求項２７記載のシステムにおいて、前記コア・ストリームは、前記チャネル内において変化し得る場所を有することを特徴とするシステム。
29. 位置合わせのための装置であって、
    方向を有する光ビームを供給する手段と、
    前記光ビームの方向を調節する手段と、
    目標を提供する手段と、
    前記目標によって散乱される光の量を測定する手段と、
    を備えており、
    前記目標によって散乱させる光の量を増大させるように、前記光ビームの方向を調節する
    よう構成されていることを特徴とする装置。
30. 請求項２９記載の装置において、
    前記目標によって散乱される前記光は、前記目標によって散乱される光の量を測定する前記手段の第１位置にマップされており、
    前記光ビームの方向を調節するときに、前記目標によって散乱される光が、前記目標によって散乱される光の量を測定する前記手段の第１位置にマップされたままとなるようにした
    ことを特徴とする装置。
31. 請求項３０記載の装置において、前記目標は、サイトメータのフロー・チャネル内にあるコア・ストリームであることを特徴とする装置。
32. サイトメータのフロー・チャネルにおけるコア・ストリームと光ビームを位置合わせする方法であって、
    光ビームを前記フロー・チャネルに向けて出射するステップと、
    前記フロー・チャネル内において前記コア・ストリームによって散乱される光の量を測定するステップと、
    前記フロー・ストリームによって散乱される光の量を変化させるために、前記コア・ストリームに向かう前記光ビームの方向を調節するステップと、
    からなることを特徴とする方法。
33. 請求項３２記載の方法において、前記フロー・ストリームによって散乱される光の量を最大にするように、前記コア・ストリームに向かう前記光ビームの方向を調節することを特徴とする方法。
34. 請求項３３記載の方法において、前記コア・ストリームに対する光源の位置を変化させることによって、前記光ビームの方向を調節することを特徴とする方法。
35. 請求項３４記載の方法において、前記光源からの光は、前記コア・ストリーム上において、同一を維持する円錐角及び方位を有することを特徴とする方法。
36. 請求項３５記載の方法において、
    前記光源は複数の光を備えており、
    前記光源の位置変化は、前記複数の光から光を選択することによって実行される
    ことを特徴とする方法。
37. 請求項３６記載の方法において、前記コア・ストリームによって散乱される光の量を測定するステップは、検出器によって行われることを特徴とする方法。
38. 請求項３７記載の方法において、前記光源の位置変化を行うときに、前記散乱光を前記検出器上の同じ位置に連続的にマップすることを特徴とする方法。
39. テレセントリック装置であって、
    種々の位置を有する光源と、
    目標を有する検出器であって、前記目標が前記光源と当該検出器との間に位置する、検出器と、
    前記光源と前記検出器との間に位置する光学的構成と、
    を備えており、
    前記光学的構成は、前記光源の種々の位置に対して、前記光源からの光を前記検出器上の同じ衝撃位置に維持するよう構成されている
    ことを特徴とするテレセントリック装置。
40. 請求項３９記載の装置において、前記光源の種々の位置から、前記目標に前記光ビームを最大に衝突させる位置を選択することを特徴とする装置。
41. 請求項４０記載の装置であって、更に、
    前記検出器及び前記光源に接続されているプロセッサ
    を備えており、
    前記プロセッサを経由する前記検出器からの信号が、前記目標に前記光ビームを最大に衝突させるために、前記光源の種々の位置から選択すべき位置を示す
    ことを特徴とする装置。
42. 請求項４１記載の装置において、前記目標は、フロー・チャネル内におけるコア・ストリームであることを特徴とする装置。
43. 請求項４２記載の装置において、前記フロー・チャネルはサイトメータであることを特徴とする装置。

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