JP2009540270A - 磁性粒子を使用することと磁界を印加することを含む、1つ又は複数の材料の測定を実施するシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
1つ又は複数の材料の測定を実施するシステム及び方法が提供される。一システムは、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するよう構成される。別のシステムは、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成される。付加的なシステムは、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定するよう構成される。さらなるシステムは、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定するか、又は、それらのある組合せを行うよう構成される。
Description
本発明は、全体として、1つ又は複数の材料の測定を実施するシステム及び方法に関する。特に、本発明は、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定するか、又は、それらのある組合せを行うよう構成されたシステム及び方法に関する。
以下の説明及び例は、本章に包含されるため、従来技術であるとは認められない。
フロー・サイトメトリにおいて通常使用される機器は、蛍光色素、蛍光色素分子、又は蛍光タグが結合された内部的に着色された微小球(又は他の粒子)の1つ又は複数の特性を測定する(又は、「問い掛ける(interrogate)」)実行可能なシステムを提供する。微小球に結合した蛍光色素、蛍光色素分子、又は蛍光タグは、微小球の表面で起こった生物学的反応を指示し、及び/又は、生物学的反応にほぼ比例している。こうした機器の例は、Chandler他に対する米国特許第5,981,180号に記載され、本明細書で完全に述べられるかのように参照により組み込まれる。Luminex Corporation(テキサス州オースチン(Austin,Texas)所在)から市販されているLuminex100ラインの機器は、実質的に高い感度と特異性を達成することが可能なフロー・サイトメータである。
フロー・サイトメータは、通常、半導体レーザ、精密シリンジポンプ、光電子増倍管(PMT)、アバランシェ・フォトダイオードなどの、いくつかの比較的複雑でかつ高価なデバイスを含む。こうしたシステムの性能は実質的に高いが、機器のコストは、ある市場の場合、法外である。さらに、フロー・サイトメータは、物理的に大きく、重く、比較的脆く、通常、熟練の技術者が、設置箇所の近くにいて、フロー・サイトメータのアライメントを実施しなければならない。フロー・サイトメータは、また、比較的大容量のシース流体を利用して、粒子ストリームを比較的狭いコア内に流体力学的に収束させる。
電荷結合素子(CCD)検出器などの検出器を使用した撮像は、バイオテクノロジ用途で使用されるいくつかの現在入手可能な機器で使用される。市販のシステムの多くは、ターゲットの人(又は他の動物)細胞を撮像するよう構成される。こうしたシステムは、細胞又は細胞が属する部分集合のアイデンティティを決定するために、異なる波長の光を使用して画像を生成するのに利用されない。細胞の蛍光放出を測定するのにCCD検出器が使用される多様な用途の場合、細胞又は他の粒子の部分集合又はクラスは、波長構成などの蛍光放出の特性ではなく画像内の蛍光放出の絶対位置に基づく。
したがって、現在使用されているシステムより費用がかからないか、現在使用されているシステムより機械的に安定性が高いか、複雑さの低い光学構成を有し、それにより、システムの出荷及び設置が容易になるか、現在使用されているシステムより小型か、現在使用されているシステムより感度が高いか、現在使用されているシステムより取得時間が短くかつスループットが高いか、現在使用されているシステムより、シース流体などの消耗品の利用が少ないか、測定がそれについて実施される1つ又は複数の材料の最終洗浄を可能にするか、又は、それらのある組合せを行う、1つ又は複数の材料の測定を実施するシステム及び方法を開発することが望ましいであろう。
先に概説した問題は、本発明のシステム及び方法によって主に対処される。システムは、デバイスへサンプルを装填し、デバイスからサンプルを取り除き、及び、デバイス又はサンプルを清浄する流体ハンドリング・サブシステムを含む。光学サブシステムは、複数のLEDなどの照明構成と、1つ又は複数の撮像センサなどの収集構成を含む。最後に、固定化サブシステムを使用して、測定間隔中にサンプルを保持する。好ましい態様では、固定化サブシステムは磁石を含み、サンプルは磁気ビーズを含み、磁石は選択的に作動して、撮像中に磁気ビーズを固定することができる。別の態様では、撮像中の、サンプルに対する収集構成及び照明構成の位置が最適化される。
システム及び方法の種々の実施態様の以下の説明は、添付特許請求の範囲の主題をいずれの点でも制限すると考えられるべきではない。
一実施態様は、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するよう構成されたシステムに関する。このシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されるてもよい。別の実施態様は、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送する方法に関する。この方法では、1つ又は複数の材料を搬送することは、本明細書でさらに述べるように実施されてもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べる任意の他のステップ(複数可)を含んでもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べられるシステムの任意のシステムによって実施されてもよい。
さらなる実施態様は、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムに関する。このシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。さらなる実施態様は、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像する方法に関する。1つ又は複数の材料を撮像することは、本明細書でさらに述べるように実施されてもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べる任意の他のステップ(複数可)を含んでもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べられるシステムの任意のシステムによって実施されてもよい。
なお別の実施態様は、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定するよう構成されたシステムに関する。このシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。なお別の実施態様は、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定する方法に関する。1つ又は複数の材料を実質的に固定することは、本明細書でさらに述べるように実施されてもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べる任意の他のステップ(複数可)を含んでもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べられるシステムの任意のシステムによって実施されてもよい。
さらなる実施態様は、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定するか、又は、それらのある組合せを行うよう構成されたシステムに関する。このシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。別の実施態様は、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定するか、又は、それらのある組合せを行う方法に関する。1つ又は複数の材料を搬送すること、撮像すること、実質的に固定することは、本明細書でさらに述べるように実施されてもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べる任意の他のステップ(複数可)を含んでもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べられるシステムの任意のシステムによって実施されてもよい。
本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明を読むことによって、また、添付図面を参照することによって明らかになるであろう。
本発明は、種々の変更形態及び代替形態を受けるが、本発明の特定の実施形態は、図面において例として示され、また、本明細書で詳細に述べられるであろう。しかし、本発明に対する図面及び詳細な説明は、開示された特定の形態に本発明を限定することを意図されるのではなく、逆に、意図は、添付特許請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲内に入る全ての変更物、等価物、及び代替物を包含することであることが理解されるべきである。
一部の実施形態が、粒子、ビーズ、微小球に関して本明細書で述べられるが、本明細書で述べるシステム及び方法は全て、粒子、微小球、ポリスチレン・ビーズ、微小粒子、金ナノ粒子、量子ドット、ナノドット、ナノ粒子、ナノシェル、ビーズ、微小ビーズ、ラテックス粒子、ラテックス・ビーズ、蛍光ビーズ、蛍光粒子、着色粒子、着色ビーズ、組織、細胞、微生物、有機物、非有機物、又は、当技術分野で知られている任意の他の粒子的な物質と共に使用されることは理解できるであろう。粒子は、分子反応のための担体の役を果たす。適切な粒子の例は、本明細書で完全に述べられるかのように参照により組み込まれる、Fultonに対する米国特許第5,736,330号、Chandler等に対する第5,981,180号、Fultonに対する第6,057,107号、Chandler等に対する第6,268,222号、Chandler等に対する第6,449,562号、Chandler等に対する第6,514,295号、Chandler等に対する第6,524,793号、Chandlerに対する第6,528,165号に示される。本明細書で述べるシステム及び方法は、これらの特許に述べる粒子の任意の粒子と共に使用されてもよい。さらに、本明細書で述べる方法及びシステムの実施形態で使用するための粒子は、Luminex Corporation(テキサス州オースチン所在)などの製造業者から得られてもよい。「粒子(particles)」、「微小球(microspheres)」、及び「ビーズ(beads)」という用語は、本明細書で交換可能に使用される。
さらに、本明細書で述べるシステム及び方法に適合するタイプの粒子は、粒子の表面に付着した、又は、連結した蛍光色素を有する粒子を含む。蛍光色素又は蛍光粒子が、粒子の表面に直接結合して、分類蛍光(すなわち、粒子又は粒子が属する部分集合のアイデンティティを決定するために、測定され、使用される蛍光放出)を提供する、これらのタイプの粒子は、本明細書で完全に述べられるかのように参照により組み込まれる、Chandler等に対する米国特許第6,268,222号やChandler等に対する第6,649,414号に示される。本明細書で述べる方法及びシステムで使用されるタイプの粒子は、粒子のコア内に組み込まれる1つ又は複数の蛍光色素又は蛍光色素を有する粒子を含む。本明細書で述べる方法及びシステムで使用される粒子は、さらに、1つ又は複数の適切な光源に暴露されることによって、1つ又は複数の蛍光信号を、自分自身で、示すことになる粒子を含む。さらに、粒子は、励起されると、粒子が、複数の蛍光信号を示すように製造されてもよく、蛍光信号は、粒子のアイデンティティを決定するために、それぞれ、別々に、又は、組み合わせて使用されてもよい。
本明細書で述べる実施形態は、「背景技術」という名称の先の章で述べた問題を克服しながら、フロー・サイトメトリの性能に実質的に匹敵する、又は、それより良好な性能を達成することが可能である。本明細書で述べる実施形態は、2つの広い層に基盤を持った撮像方法を使用したいくつかの構成を含む。蛍光検出又は収集の場合、フロー・サイトメトリで一般的に使用されるように、検出波長について、光電子増倍管(PMT)又はアバランシェ・フォトダイオード(APD)などの単一センサが使用される。しかし、特に好ましい実施形態は、1次元又は2次元電荷結合素子(CCD)又は蛍光検出用の別の適したアレイ検出器である。励起源は、発光ダイオード(LED)などの光源によって放出され、また、直接に、又は、光ファイバによって測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料に送出される光を使用して、広範囲の照明(すなわち、(測定デバイスの全撮像容積などの)測定デバイスの撮像容積の比較的大きな面積にわたって同時に供給される照明)を提供するよう構成される。あるいは、励起源は、測定デバイスの撮像容積内の比較的小さなスポットの照明を行うよう構成されてもよく、システムは、撮像容積にわたって比較的小さなスポットを走査するよう構成されてもよい。こうして、照明は、1つ又は複数のLED、1つ又は複数のレーザ、1つ又は複数の他の適した光源、又は、そのある組合せから生成される収束光の比較的「小さなフライイング・スポット(tiny flying spot)」として構成されてもよい。
本明細書で述べる実施形態は、また、1つ又は複数の材料の測定を実施する他のシステム及び方法に比べていくつかの利点を提供する。たとえば、本明細書で述べる実施形態は、他のシステム及び方法に比べて費用がかからないのが有利である。特に、本明細書で述べるいくつかの構成では、実施形態は、光子検出器として、PMTではなく比較的安価なCCDを、レーザの代わりに比較的単純なLEDを、流体を移動させるための精密シリンジポンプの代わりに比較的安価なポンプを、又は、それらの組合せを含む。従って、本明細書で述べる実施形態の総コストは、ほぼ一桁低減される。さらに、本明細書で述べる実施形態は、フロー・サイトメトリに通常使用されるものに比べて実質的に単純な光学構成であり、それにより、本明細書で述べる実施形態を実質的に機械的に安定にするため有利である。こうした機械的安定性は、本明細書で述べるシステムの実施形態は、標準的な出荷サービス(たとえば、UPSタイプのサービス)によって出荷できるようになる。さらに、こうした機械的安定性によって、本明細書で述べるシステムの実施形態を、技術的に情通したサービス要員又は、そうでないユーザによって設置することが可能になる。さらに、本明細書で述べる実施形態は、システムの実施形態が、実質的に小型(たとえば、考えられるところでは、ポケットカメラのサイズ)であるため有利である。
本明細書で述べる実施形態の別の利点は、レーザベース・フロー・サイトメータ・タイプ・システムを使用すると、一般的な数マイクロ秒よりずっと長い期間にわたって光子を積分する能力を、実施形態に与えることができる。したがって、本明細書で述べる実施形態は、現在使用されているシステム及び方法に比べて、少数の蛍光分子が表面上にある粒子、又は、その他の方法で表面上に結合された粒子を検出することが可能である。したがって、本明細書で述べる実施形態は、有利には、他の現在使用されているシステム及び方法に比べて高い感度を有する。さらに、本明細書で述べる実施形態は、現在使用されているシステムに比べて、実質的に短い測定取得時間したがって高いスループットを有する。たとえば、CCD/LED「フラッド照明(flood-illumination)」構成を使用するよう構成された実施形態では、サンプル測定値の取得は、粒子ごとに順次にではなく、粒子の全サンプル又は全集合が、2つ又は3つの画像又は「ピクチャ」内に測定されるため速い。別の例では、比較的高いスループットの解決策を望むユーザの場合、CCD/LEDベースシステムは、かなり安価なシステムを提供し、いくつかの事例では、並列に動作して、単一マイクロタイター・プレート又は他のサンプルを迅速に処理することができる。
本明細書で述べる実施形態のなお別の利点は、シース流体が、フロー・サイトメトリの場合と同様に粒子を流体力学的に収束させるのに使用されないことである。本明細書で述べる実施形態のなお別の利点は、測定に干渉することになる自由蛍光色素又は他の材料を、粒子を囲む液体から除去するために、測定が実施される1つ又は複数の材料の最終「洗浄」がシステム内で可能であり、それにより、測定デバイスによって(たとえば、測定デバイスの撮像センサによって)検出される背景光が低減されることである。
本明細書でさらに提供される実施形態の説明は、一般に、3つの小節に分割され、小節では、異なるシステムの実施形態が述べられる。たとえば、一小節は、本明細書で述べるシステムの実施形態に含まれる流体構成に関する。流体ハンドリング構成を使用して、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料(たとえば、ビーズや他の試薬又は1つ又は複数の反応が、ビーズ表面で起こることが許容された後のビーズ)が導入される、又は、搬送される。別の小節は、本明細書で述べるシステムの実施形態に含まれる光学構成に関する。一般に、異なる光学構成は、本明細書で照明モジュールや収集モジュールとして知られる、励起源と光子検出器の異なる組合せを含む。さらなる小節は、本明細書で述べるシステムの実施形態に含まれる、又は、それによって使用される粒子固定化構成及び粒子固定方法に関する。本明細書で述べるシステムは、撮像システムにおいて、好ましくは、測定間隔中に粒子が実質的に移動しないため、こうした粒子固定化構成を含む。先の3つの小節に述べるシステム構成の任意の組合せが、組み合わされて、最終撮像システムの実施形態が生成されてもよいことに留意されたい。
ここで図面を考えると、図は、一定比例尺に従って描かれないことが留意される。特に、図の要素の一部のスケールは、要素の特徴を強調するために、著しく誇張される。図は、同じ比例尺に従って描かれないことも留意される。同様に構成される、2つ以上の図に示される要素は、同じ参照数字を使用して指示される。
第1の好ましい実施形態
図1〜4は、第1の実施形態を説明する。この実施形態は、一般に、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するよう構成されたシステムに関する。先に述べたように、システムは、3つの主要なコンポーネント、すなわち、流体ハンドリング・サブシステム6、光学構成サブシステム8、粒子固定化サブシステム(図1には示さず)を有する。図1は、流体ハンドリング・サブシステムの機能コンポーネントを示し、一方、図2は、光学サブシステムの機能コンポーネントを示す。
図1〜4は、第1の実施形態を説明する。この実施形態は、一般に、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するよう構成されたシステムに関する。先に述べたように、システムは、3つの主要なコンポーネント、すなわち、流体ハンドリング・サブシステム6、光学構成サブシステム8、粒子固定化サブシステム(図1には示さず)を有する。図1は、流体ハンドリング・サブシステムの機能コンポーネントを示し、一方、図2は、光学サブシステムの機能コンポーネントを示す。
図1の流体ハンドリング・サブシステムでは、サンプルは、サンプル貯蔵ベッセル12から測定デバイスの撮像容積10内に搬送される。撮像容積は、当技術分野で知られている任意の適した構成を有してもよい撮像チャンバ10として構成されてもよい。貯蔵ベッセル12は、マイクロタイター・プレート又は当技術分野で知られている任意の他の適したサンプル容器として構成されてもよい。
システムは、また、貯蔵リザーバ内に流体を引き込み、後で、貯蔵リザーバからチャンバ10の撮像容積内に流体を吐出するよう構成された2方向ポンプ14を含む。ポンプ14は、当技術分野で知られている任意の適した構成を有してもよい。本明細書でさらに述べるように、粒子が暴露時間中に実質的に固定されるため、高価なシリンジポンプから得られるような無脈動流は、本明細書で述べるシステムの実施形態について必要とされない。十分なリザーバは、ポンプ14とサンプル弁18との間のある長さの配管16から形成される。こうしたリザーバは、一般に、「サンプル・ループ(sample loop)」と呼ばれる。配管は、任意の適した構成を有してもよい。サンプル弁18の機能は、貯蔵ベッセル12(たとえば、マイクロタイター・プレート)から吸引するときにサンプル・プローブ15をリザーバ(サンプル・ループ16)に接続すること、及び、分注するときにリザーバを撮像チャンバ10に接続することである。サンプル弁18は、当技術分野で知られている任意の適した弁を含んでもよい。
洗浄弁20は、貯蔵リザーバのポンプ端に設けられて、貯蔵ベッセル12からのフレッシュな水(又は、他の適した試薬)を、撮像チャンバ10の撮像容積に流すようにする。洗浄弁20は、当技術分野で知られている任意の適した弁を含む。代替の実施形態では、サンプル弁及び洗浄弁を、組み合わせて単一弁(図示せず)とすることができる。ポンプ14は、また、撮像容積10内の1つ又は複数の材料や任意の他の流体を廃棄ベッセル24に搬送するよう構成されてもよい。廃棄ベッセル24は、当技術分野で知られている任意の適した構成とされている。
サンプルを撮像チャンバ10内に装填する流体ハンドリング・サブシステム6を動作させる2つの主要なモード、すなわち、サンプル洗浄有りの装填プロシジャとサンプル洗浄無しの装填プロシジャが存在する。図1及び2を参照すると、サンプル洗浄無しの装填プロシジャは、一般に、以下のように起こる。
システムの清浄
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から3へのムーバ
5)磁石262を後へ移動させる(撮像チャンバ10から離して)
6)チャンバ10を通してドライブ溶液を押し込んで、チャンバ10を清浄する
7)サンプル弁18、位置1から2へ
8)プローブ15を通してドライブ溶液を押し込んで、プローブを清浄する
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から3へのムーバ
5)磁石262を後へ移動させる(撮像チャンバ10から離して)
6)チャンバ10を通してドライブ溶液を押し込んで、チャンバ10を清浄する
7)サンプル弁18、位置1から2へ
8)プローブ15を通してドライブ溶液を押し込んで、プローブを清浄する
サンプルの装填
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から2へ
5)サンプル・ウェル12内にプローブ15を下げる
6)サンプルをサンプル・ループ16内に装填する
7)プローブ15を上げ、サンプル弁18に空気が入り、かつ、全サンプルがサンプル・ループ16内に入るまで吸う
8)サンプル弁18、位置1から3へ
9)磁石262を前へ移動させる(撮像チャンバ10の方に)
10)サンプル・ループ16から、磁気ビーズを取り込む撮像チャンバ10内にサンプルを押し込む
11)サンプルが固定された状態で画像を撮影する
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から2へ
5)サンプル・ウェル12内にプローブ15を下げる
6)サンプルをサンプル・ループ16内に装填する
7)プローブ15を上げ、サンプル弁18に空気が入り、かつ、全サンプルがサンプル・ループ16内に入るまで吸う
8)サンプル弁18、位置1から3へ
9)磁石262を前へ移動させる(撮像チャンバ10の方に)
10)サンプル・ループ16から、磁気ビーズを取り込む撮像チャンバ10内にサンプルを押し込む
11)サンプルが固定された状態で画像を撮影する
システムの清浄
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から3へ
5)磁石262を後へ移動させる(撮像チャンバ10から離して)
6)チャンバ10を通してドライブ溶液を押し込んで、チャンバ10を清浄する
7)サンプル弁18、位置1から2へ
8)プローブ15を通してドライブ溶液を押し込んで、プローブを清浄する
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から3へ
5)磁石262を後へ移動させる(撮像チャンバ10から離して)
6)チャンバ10を通してドライブ溶液を押し込んで、チャンバ10を清浄する
7)サンプル弁18、位置1から2へ
8)プローブ15を通してドライブ溶液を押し込んで、プローブを清浄する
サンプル洗浄有りの装填プロシジャは、一般に、以下のように起こる。
システムの清浄
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、1から3へ
5)磁石262を後へ移動させる(撮像チャンバ10から離して)
6)チャンバ10を通してドライブ溶液を押し込んで、チャンバ10を清浄する
7)サンプル弁18、位置1から2へ
8)プローブ15を通してドライブ溶液を押し込んで、プローブを清浄する
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、1から3へ
5)磁石262を後へ移動させる(撮像チャンバ10から離して)
6)チャンバ10を通してドライブ溶液を押し込んで、チャンバ10を清浄する
7)サンプル弁18、位置1から2へ
8)プローブ15を通してドライブ溶液を押し込んで、プローブを清浄する
清浄溶液の事前装填
1)ポンプ弁20を位置bにする
2)洗浄溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、1から3へ
5)チャンバを通して洗浄溶液を押し込む
6)サンプル弁18、位置1から2へ
7)プローブ15を通して洗浄溶液を押し込む(サンプル・ループ16及びプローブ15が、洗浄溶液を事前装填される)
1)ポンプ弁20を位置bにする
2)洗浄溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、1から3へ
5)チャンバを通して洗浄溶液を押し込む
6)サンプル弁18、位置1から2へ
7)プローブ15を通して洗浄溶液を押し込む(サンプル・ループ16及びプローブ15が、洗浄溶液を事前装填される)
サンプルの装填
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から2へ
5)ウェル12内にプローブ15を下げる
6)サンプルをサンプル・ループ16内に装填する
7)プローブ15を上げ、サンプル弁18に空気が入り、かつ、全サンプルがサンプル・ループ16内に入るまで吸う
8)サンプル弁18、位置1から3へ
9)磁石262を前へ移動させる(撮像チャンバ10の方に)
10)サンプル・ループ16から、磁気ビーズを取り込む撮像チャンバ10内にサンプルを押し込む
11)磁気ビーズの取り込みが終わったサンプルの後に、サンプル・ループ16内に洗浄溶液を押し込んで、ビーズを「洗浄する」
12)サンプルが固定された状態で画像を撮影する
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から2へ
5)ウェル12内にプローブ15を下げる
6)サンプルをサンプル・ループ16内に装填する
7)プローブ15を上げ、サンプル弁18に空気が入り、かつ、全サンプルがサンプル・ループ16内に入るまで吸う
8)サンプル弁18、位置1から3へ
9)磁石262を前へ移動させる(撮像チャンバ10の方に)
10)サンプル・ループ16から、磁気ビーズを取り込む撮像チャンバ10内にサンプルを押し込む
11)磁気ビーズの取り込みが終わったサンプルの後に、サンプル・ループ16内に洗浄溶液を押し込んで、ビーズを「洗浄する」
12)サンプルが固定された状態で画像を撮影する
システムの清浄
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から3へ
5)磁石262を後へ移動させる(撮像チャンバ10から離して)
6)チャンバ10を通してドライブ溶液を押し込んで、チャンバ10を清浄する
7)サンプル弁18、位置1から2へ
8)プローブ15を通してドライブ溶液を押し込んで、プローブを清浄する
1)ポンプ弁20を位置aにする
2)ドライブ溶液を装填する
3)ポンプ弁20を位置cにする
4)サンプル弁18、位置1から3へ
5)磁石262を後へ移動させる(撮像チャンバ10から離して)
6)チャンバ10を通してドライブ溶液を押し込んで、チャンバ10を清浄する
7)サンプル弁18、位置1から2へ
8)プローブ15を通してドライブ溶液を押し込んで、プローブを清浄する
サンプルが「洗浄される」第2の装填プロシジャを使用する利点は、ビーズの表面に結合していない蛍光色素を周囲の溶液から除去することである。処理の便利さのために、一部のアッセイは、この最終洗浄工程を実施しない。この最終洗浄工程は、外因性蛍光色素分子の励起をもたらし、ビーズからのアッセイ反応が測定されるときに「背景」信号を生じる。こうして、これらの洗浄無しアッセイは、洗浄式アッセイに比べて不良の検出限界を有する。
フロー・サイトメトリと違って、本発明のシステムは、本来、ビーズを囲み、自由蛍光色素を洗浄する流体を無しとする能力を与える。これが可能である理由は、ビーズが、(磁石がチャンバの裏側に接触させられると)基板に磁気的に付着し、チャンバ内に新しい「フレッシュな」流体が注入され、それにより、蛍光色素含有液体が押し出される場合でも、ビーズが移動しないからである。
図2を考えると、光学サブシステム8が、大まかに示される。このサブシステム8は、システムの光学系の反対の撮像チャンバ10の側に配置された磁気要素262を含む。磁気要素262は、永久磁石又は適した磁界を発生するのに使用される電磁石などの、当技術分野で知られている任意の適した磁気要素である。こうして、磁鉄鉱を埋め込まれた着色された粒子、たとえば、ビーズは、チャンバの側の磁気要素262によって生成された磁界を使用して、粒子が、撮像チャンバ10内で(たとえば、チャンバの底部で)実質的に固定される。磁気要素262は、図2において撮像チャンバ10に隣接するように示されるが、(磁気要素262が、システムの撮像チャンバの光学要素に対する反対側で、撮像チャンバ10に接触する(又は、結合する)図8も参照されたい)磁気要素は、図21に示すように、撮像チャンバ10から選択的に離間されてもよい。磁気要素262は、さらに、上述したように構成されてもよい。さらに、図2、8、21は、撮像チャンバに近接して1つの磁気要素を示すが、システムは、2つ以上の磁気要素を含んでもよく、磁気要素はそれぞれ、撮像チャンバに対してシステムの光学系の反対の側に近接して配置されることが理解できるであろう。
測定デバイスによる信号取得後、(たとえば、ソレノイドを使用して、永久磁石を移動させることによって、又は、スイッチによって電磁石をオン/オフすることによって)磁界が取り除かれ、粒子は、次のサンプルからの新しい粒子がチャンバ10内に提供される間に、撮像チャンバ10を出る。本明細書に述べる実施形態の任意の実施形態を使用して、撮像チャンバ10内の粒子を取り除いてもよく、また、粒子が、撮像チャンバ内に導入されてもよい。図2に示すシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
最も単純な撮像チャンバ10の設計は、磁気要素に近接した撮像チャンバの側の比較的平滑な内面であって、それにより、磁石262がビーズを下に引くときに、ビーズが、この内面にわたってランダムに分散する、比較的平滑な内面を有する撮像チャンバである。しかし、撮像チャンバ10は、また、本明細書でより詳細に述べるように、磁界が印加されると、特定のスポットにビーズを「保持する」ように設計されてもよい。
図3及び4は、図1及び2で述べた機能コンポーネントを組み込む本発明による測定デバイスがどのように見えるかについての描写である。
大雑把に言えば、図1〜4の測定デバイスを動作させる方法は、サンプルを生成するために、関心分析物をビード集団にさらすことを含み、サンプルは、図1に示すサンプル・ベッセル12内に貯蔵される。サンプルは、たとえば、上述したサンプル・ハンドリング・ステップを使用して撮像チャンバ10内に装填される。サンプルは、磁石262の選択的な動作によって撮像チャンバ10内に固定される。任意選択で、固定されたサンプルは、洗浄されて、外因性蛍光微粒子を除去することができる。サンプルがチャンバ10内で固定された状態で、照明モジュール(LED44、46)が、動作して、サンプルを励起する。撮像センサ72(CCD)が画像を取り込み、その画像が処理される(本明細書で完全に述べられるかのように参照により組み込まれる、たとえば、Rothによる、2005年9月21日に出願された「Methods and Systems for Image Data Processing」という名称の米国特許出願第60/719,010号を参照されたい)。磁石262がサンプルを放出し、デバイスが清浄される。
LED44、46、チャンバ10、磁石262に対する撮像センサ72の位置は、本発明に従ってビーズを撮像するために最適化される。ビーズは、独特の特性を有する。すなわち、ビーズ内の色素とビーズ上のレポータ分子は、光子を吸収すると共に、好ましい方向が全く無い状態で(全ての角度にわたって均一に)光子を再放出する。LED44、46による照明及び撮像センサ(CCD72)の位置は、撮像センサの視野(FOV)内で任意のビーズ(CCD72によって見られるビーズ)の「角度空間」を最適化するように選択される。磁石262がチャンバ10の裏側にあるため、照明及び撮像システムについて利用可能な角度空間は、磁石の上の半球である。これは、図26に示され、「収集域」310は、撮像センサ72によって収集される立体角であり、「照明角度空間」312は、照明モジュールが占めることができる空間である。照明光学(図2のLED44、46)による、この照明角度空間312にわたるカバリジが大きければ大きいほど、撮像中に、ビーズに与えられるパワーが大きい。同様に、照明角度空間312にわたる収集角度(開口数)が大きければ大きいほど、撮像レンズ52(図2)は、より多くの束を、収集し、撮像センサ72(CCD検出器)に送出することができる。撮像センサに割り当てられた角度と照明システムに割り当てられた角度との間で均衡がとられなければならない。
低コスト製造性のために、開口数に対する撮像レンズ52の実用的限界は、拡大率4について約0.3である。高い拡大率に対して、撮像レンズ52の開口数を、同じコスト指針を維持しながら、増加することができる。レンズ52のコストに影響を及ぼす他の因子は、視野及び波長帯の広さである。0.3の開口数は、ほぼ35°全角である。
照明モジュール、たとえば、LED44、46を配置に対して、制限は、LEDの輝度と励起フィルタ47のコストである。LEDのエテンデュは(etendue)、視野(FOV)にわたって最大LED束を提供するのに、ビーズ角度空間のどれだけが必要とされるかを指示する。エテンデュは、信号源の立体角に信号源の面積を乗じた値であり、放出束の幾何学特性を規定する。FOVが比較的大きい場合、必要とされる角度空間が小さく、したがって、よい多くのLEDが使用される。しかし、より多くのLEDは、システムにコストを付加するであろう。やはり、性能に対するコストの均衡が求められなければならない。
図2と27を比較すると、第1の実施形態は、図27に示すように、レンズ、フィルタ、1つ又は複数のLED44/46からなる照明モジュールを含む。図27に示すように、各LED44には、2つの通常の屈折レンズ314を備えるレンズ・システムが連結される。レンズ314を使用して、できる限り多くの光がLED44から収集され、光がフィルタ316を通して擬似コリメートされる。1つの通常屈折レンズ314を使用することができるが、収集角度が著しく小さく、したがって、不十分な照明システムで、2つ以上のレンズ314を選択することになる。
本来、フレネル・レンズの溝のエッジにおいて散乱が存在するため、通常の屈折レンズ314は、フィルタ316の前で使用される。散乱光は、非最適角度でフィルタ316を通過し、画像において帯域外背景を増加させる。これは、背景雑音の増加をもたらすことになる。フレネル・レンズ318は、フィルタ316の後に使用されて、光をチャンバ10に再収束させる。像平面において均一性を保証するために、ある程度のボケが必要である場合がある。フレネル・レンズ318は、コストと物理的大きさのために使用される。フレネル・レンズ318は比較的薄い。図27の照明モジュール内の主要なコストコンポーネントは励起フィルタ316である。成形プラスチック屈折レンズ314とフレネル・レンズ318は低コストである。LED44も安価である。
輝度の保存は、最大効率を達成するために、光学システム内でエテンデュが維持されなければならないことを指示する。エテンデュ(空気中)=Aωであり、式中、Aは面積であり、ωは立体角である。小区分は、画像サイズが、撮像用光学系の拡大率と共に、図27の照明モジュールの視野を指示することである。輝度の式を使用して、照明モジュールに必要とされる角度空間を、光学系のFOVから計算することができる。この角度空間は、FOVに対して最大束(パワー)を与えるのに必要なLEDの最小数を求めることを可能にする。より多くのLEDは、FOVのパワーを増加しない。照明システムと撮像システムによって利用される角度空間を最適化することは、輝度の式を適用することによって達成される。しかし、図2〜4のシステムでは、コスト及び性能などの、他のトレードオフも行われなければならない。
図2〜4に示す第1の実施形態は、図2に示すチャンバ10の撮像容積内でビーズを実質的に固定するよう構成されている。磁気要素262は、システムの光学系(照明モジュール及び収集モジュール)の反対の撮像チャンバ10の側に配置される。磁気要素262は、永久磁石又は適した磁界を発生するのに使用されることができる電磁石などの、当技術分野で知られている任意の適した磁気要素を含む。こうして、磁鉄鉱を埋め込まれた着色された粒子は、チャンバの裏側の磁気要素262によって生成された磁界を使用して、ビーズが、撮像チャンバ10内で(たとえば、チャンバの底部で)実質的に固定されることができるように使用されてもよい。磁気要素262は、図2において撮像チャンバ10に隣接するように示されるが、システムの撮像チャンバの光学要素に対する反対側で、撮像チャンバ10に接触して(又は、結合して)、あるいは、撮像チャンバ10から離間してもよい。
測定デバイスによる信号取得後、(たとえば、ソレノイドを使用して、永久磁石を移動させることによって、又は、スイッチによって電磁石をオン/オフすることによって)磁界が取り除かれ、粒子は、撮像チャンバ10を出、一方、次のサンプルからの新しいビーズが、チャンバ10内に供給される。本明細書に述べる実施形態の任意の実施形態を使用して、撮像チャンバ10内のビーズが取り除かれ、また、ビーズが、撮像チャンバ内に導入されてもよい。
図2の撮像チャンバ10の設計では、磁気要素262に近接した撮像チャンバ10の側の比較的平滑な内面であって、それにより、磁石がビーズを下に引くときに、ビーズが、この内面にわたってランダムに分散する比較的平滑な内面を有する。しかし、撮像チャンバ10は、また、本明細書のさらなる実施形態で述べるように、磁界が印加されると、特定のスポットにビーズを「保持する」ように設計されてもよい。
さらなる実施形態
本発明によるこうしたシステムの別の実施形態は図5に示される。この実施形態では、サンプルは、貯蔵ベッセル12から測定デバイス(図5では示さず)の撮像容積10内に搬送される。撮像容積は、当技術分野で知られている任意の適した構成を有してもよい撮像チャンバとして構成される。貯蔵ベッセル12は、マイクロタイター・プレート又は当技術分野で知られている任意の他の適したサンプル容器として構成される。
本発明によるこうしたシステムの別の実施形態は図5に示される。この実施形態では、サンプルは、貯蔵ベッセル12から測定デバイス(図5では示さず)の撮像容積10内に搬送される。撮像容積は、当技術分野で知られている任意の適した構成を有してもよい撮像チャンバとして構成される。貯蔵ベッセル12は、マイクロタイター・プレート又は当技術分野で知られている任意の他の適したサンプル容器として構成される。
システムは、また、貯蔵リザーバ内に流体を引き込み、後で、貯蔵リザーバから撮像容積内に流体を吐出するよう構成された単一の2方向ポンプ14を含む。ポンプ14は、当技術分野で知られている任意の適した構成を有してもよい。本明細書でさらに述べるように、粒子が暴露時間中に実質的に固定されるため、高価なシリンジポンプから得られるような無脈動流は、本明細書で述べるシステムの実施形態について必要とされない。十分なリザーバは、ポンプ14とサンプル弁18との間のある長さの配管16から形成されている。こうしたリザーバは、一般に、「サンプル・ループ」と呼ばれる。配管は、任意の適した構成を有している。サンプル弁18の機能は、貯蔵ベッセル12(たとえば、マイクロタイター・プレート)から吸引するときにサンプル・プローブ(図示せず)をリザーバに接続すること、及び、分注するときにリザーバを撮像チャンバに接続することである。サンプル弁18は、当技術分野で知られている任意の適した弁を含んでもよい。
洗浄弁20は、貯蔵リザーバのポンプ端で利用され、貯蔵ベッセル22からのフレッシュな水(又は、他の適した試薬)を、撮像容積に流すことを可能にする。洗浄弁20は、当技術分野で知られている任意の適した弁を含んでもよい。サンプル弁と洗浄弁は、組み合わされて単一弁(図示せず)とされてもよいことに留意されたい。ポンプ14は、また、撮像容積10内の1つ又は複数の材料及び任意の他の流体を廃棄ベッセル24に搬送するよう構成されてもよい。廃棄ベッセル24は、当技術分野で知られている任意の適した構成を有してもよい。図5に示す実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するよう構成されたシステムの別の実施形態は、図6に示される。この構成では、システムは、貯蔵リザーバ12(たとえば、サンプル・プローブ)から撮像容積10内に液体を直接引き込み、その後、廃棄ベッセル24に出すよう構成されたポンプ26を含む。ポンプ26は、蠕動ポンプなどの、当技術分野で知られている任意の適した構成を含んでもよい。撮像容積10、貯蔵ベッセル12、廃棄ベッセル24は、上述したように構成されてもよい。貯蔵ベッセル12、22(たとえば、マイクロタイター・プレート又は別の適したサンプル容器)と、撮像容積10との間の任意選択の弁28は、サンプルが撮像容積に搬送されるかどうか、又は、洗浄流体が撮像容積に搬送されるかどうか(たとえば、洗浄機能が実施される場合)に応じて位置を変えるよう構成される。弁28は、当技術分野で知られている任意の適した弁でよい。さらに、貯蔵ベッセル22は、上述したように構成されてもよい。
図6に示す実施形態は、図5に示す実施形態に比べて有利である。それは、この実施形態が、一時的なリザーバのコストを節約し、1つ少ない弁を含み、一方向だけに流体を移動させるよう構成されたポンプを利用するからである。図5に示す実施形態に対する図6に示す実施形態の欠点は、図6に示す実施形態が、洗浄流体でサンプル・プローブを清浄することができないことである。清浄をしないと、サンプルからサンプルへの「キャリー・オーバ」の増加をもたらす。図6に示す実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するよう構成されたシステムのさらなる実施形態は、図7に示される。この実施形態は、図6に示す実施形態のサンプル/洗浄弁28が、2つの弁30、32に置き換えられることを除いて、図6に示す実施形態の構成に類似の構成を有する。弁30、32は、当技術分野で知られている任意の適した弁でよい。たとえば、弁30、32は、貯蔵ベッセル12、22からの流体が、それぞれ、撮像容積10内に搬送されることを、別々に、また、同時に可能にするよう構成されたオープン/クローズ・タイプ弁でよい。貯蔵ベッセル12、22と撮像容積10は、本明細書で述べるように構成されてもよい。
こうして別個の洗浄経路とサンプル経路(すなわち、貯蔵ベッセル12から撮像容積10への1つの経路と貯蔵ベッセル22から撮像容積10への別の分離経路)を設けることは、図6に示す実施形態の態様の全てを達成し、また、サンプルが撮像容積10内に搬送されるときに、洗浄流体及び/又は1つ又は複数の試薬を、測定されるべき1つ又は複数の材料(すなわち、サンプル溶液)に混合する能力を付加することを可能にする。1つ又は複数の材料が撮像容積に搬送されるときに、洗浄流体及び/又は1つ又は複数の試薬を、1つ又は複数の材料(たとえば、サンプル)に混合する能力を付加することは、撮像容積内で粒子が遠く離れて(たとえば、撮像チャンバの床から遠く離れて)分散するようサンプルを希釈するために実施され、それにより、粒子のよりよい統計的分離が可能になり、各粒子のより正確な測定がもたらされる。図7に示す実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
別の実施形態は、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送する方法に関する。1つ又は複数の材料を搬送することは、本明細書でさらに述べるように実施されてもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べる任意の他のステップ(複数可)を含んでもよい。たとえば、方法は、1つ又は複数の材料が撮像容積に搬送されるときに、洗浄流体及び/又は1つ又は複数の試薬を、1つ又は複数の材料に混合することを含んでもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べるシステムの任意のシステムによって(たとえば、図5〜7に示す実施形態によって)実施されてもよい。
図8〜9は、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムの一実施形態を示す。このシステムの実施形態は、検出器34、36、38を含む。検出器34、36、38は、CCDカメラ又は当技術分野で知られている任意の他の適した撮像デバイスであってよい。検出器はそれぞれ、同じ構成を有してもよく、又は、異なる構成を有してもよい。検出器はそれぞれ、異なる波長又は波長帯域の光(たとえば、撮像チャンバ42によって形成された撮像容積内の粒子40から蛍光発光した光)を検出するよう構成されてもよい。さらに、検出器はそれぞれ、撮像チャンバ10内の粒子40(たとえば、撮像チャンバ42の底部に載置される粒子)の画像を生成する、又は、「蛍光ピクチャを取り込む」ように構成されてもよい。撮像チャンバ10は、当技術分野で知られている任意の他の適した構成を有してもよい。
システムは、また、異なる波長又は異なる波長帯域を有する光を放出するよう構成された光源44、46を含む(たとえば、光源の1つは赤色光を放出するよう構成され、他の光源は緑色光を放出するよう構成されてもよい)。光源44、46によって放出された光は、たとえば、可視波長スペクトルの任意の部分の光を含む。光源44、46は、LED又は当技術分野で知られている任意の他の適した光源を含む。光源44、46は、撮像チャンバ42の周囲に配列される。さらに、光源は、各光源が、異なる方向で、撮像チャンバ10内の粒子40に光を向けるように撮像チャンバの上に配列される。
システムは、また、それぞれ、光源44、46に結合したフィルタ48、50を含む。フィルタ48、50は、バンドパス・フィルタ又は当技術分野で知られている任意の他の適したスペクトル・フィルタであってもよい。こうして、システムは、光源44、46ならびにフィルタ48、50を使用して、異なる波長又は異なる波長帯域の光によって粒子を順次照明する。たとえば、赤色光を使用して、粒子の内部にある種別色素(図示せず)を励起し、緑色光を使用して、粒子の表面に結合されたレポータ分子(図示せず)を励起してもよい。種別照明は、レポータ測定中は暗い(すなわち、上記例では、赤色光は粒子に向けられないが、緑色光は粒子に向けられる)ため、システムの分析物測定感度は、帯域光以外からのクロストークによって減少しないであろう。
システムは、また、照明「リング」の中心(又は、ほぼ中心)に配置された単一レンズ52を含む。レンズ52は、当技術分野で知られている任意の適した屈折光学要素を含んでもよい。レンズ52は、1つ又は複数のダイクロイック・フィルタ、1つ又は複数の光学バンドパス・フィルタを含む1つ又は複数の光学要素を介して、粒子から散乱した、及び/又は、粒子が蛍光発光した光を1つ又は複数のモノクロCCD検出器(複数可)(たとえば、検出器34、36、38)上に結像するよう構成される。たとえば、レンズ52を出る光は、当技術分野で知られている任意の適したダイクロイック光学要素を含むダイクロイック・フィルタ54に向けられる。ダイクロイック・フィルタ54は、1つの波長又は波長帯域の光を反射し、他の波長又は波長帯域の光を透過させるよう構成される。ダイクロイック・フィルタ54によって反射された光は、バンドパス・フィルタ又は他の適したスペクトル・フィルタであってよいフィルタ56に向けられる。フィルタ56を出る光は、検出器34に向けられる。
ダイクロイック・フィルタ54によって透過された光は、当技術分野で知られている任意の適したダイクロイック光学要素を含むダイクロイック・フィルタ58に向けられる。ダイクロイック・フィルタ58は、1つの波長又は波長帯域の光を反射し、他の波長又は波長帯域の光を透過させるよう構成されている。ダイクロイック・フィルタ58によって透過された光は、バンドパス・フィルタ又は他の適したスペクトル・フィルタであるフィルタ60に向けられる。フィルタ60を出る光は、検出器36に向けられる。ダイクロイック・フィルタ58によって反射された光は、バンドパス・フィルタ又は他の適したスペクトル・フィルタであるフィルタ62に向けられる。フィルタ62を出る光は、検出器38に向けられる。
さらに、図9に示すシステムは2つの光源を含むが、システムは、任意の適した数の光源を含んでもよいことが理解できるであろう。たとえば、図8に示すように、システムは、レンズ52の周囲の周りに配列された4つの光源(たとえば、光源44,45、46、47)を含んでもよい。光源44、45、46、47は、本明細書に述べる光源のうちの任意の光源である。こうして、光源44,45、46、47は、レンズ52を囲む照明「リング」となるように構成されることもある。
図8〜9に示すシステムは、異なる波長又は波長帯域で、粒子から散乱した、及び/又は、粒子が蛍光発光した光を撮像するよう構成された3つの検出器を含むが、システムが2つ以上の検出器を含んでもよいことが理解できるであろう。たとえば、システムは、種別チャネル(複数可)とレポータ・チャネル(複数可)を同時に測定するのに使用される2つ以上のCCD検出器(及び、任意選択で、固定フィルタ)を含んでもよく、それにより、付加的なハードウェア・コストと共に測定についての高いスループットを提供する。
したがって、図8〜9に示すシステムは、いくつかの関心波長で、粒子40の蛍光放出を表す複数の又は一連の画像を生成するよう構成される。さらに、システムは、粒子の蛍光放出を表す複数の又は一連のデジタル画像をプロセッサ(すなわち、処理エンジン)に供給するよう構成されてもよい。システムは、プロセッサ(図示せず)を含んでもよく、又は、含まなくてもよい。プロセッサは、検出器34、36、38から画像データを取得する(たとえば、受け取る)よう構成されてもよい。たとえば、プロセッサは、当技術分野で知られている任意の適した方法で(たとえば、それぞれが検出器の1つをプロセッサに結合させる伝送媒体(図示せず)によって、それぞれが検出器の1つとプロセッサとの間で結合した、アナログ−デジタル変換器などの1つ又は複数の電子コンポーネント(図示せず)によって、などで)検出器34、36、38に結合してもよい。
好ましくは、プロセッサは、これらの画像を処理し、解析して、粒子の種別と粒子の表面上で起こった反応に関する情報などの、粒子40の1つ又は複数の特性を求めるよう構成される。1つ又は複数の特性は、各波長、各粒子についての蛍光の大きさの記載と共に、データ・アレイなどの任意の適した形式でプロセッサによって出力されてもよい。具体的には、プロセッサは、画像を処理し、解析する方法の1つ又は複数のステップを実施するよう構成されてもよい。図8〜9に示すようなシステムによって生成された画像を処理し、解析する方法の例は、本明細書で完全に述べられるかのように参照により組み込まれる、Rothによる2005年9月21日に出願された「Methods and Systems for Image Data Processing」という名称の米国特許出願第60/719,010号に示されている。本明細書で述べるシステムは、さらに、本特許出願で述べられるように構成されてもよい。さらに、本明細書で述べる方法は、本特許出願で述べられる方法(複数可)の任意の方法の任意のステップ(複数可)を含んでもよい。
プロセッサは、典型的なパーソナル・コンピュータ、メインフレーム・コンピュータ・システム、ワークステーションなどに一般的に含まれるようなプロセッサであってよい。一般に、「コンピュータ・システム」という用語は、メモリ媒体からの命令を実行する1つ又は複数のプロセッサを有する任意のデバイスを包含するように幅広く定義される。プロセッサは、任意の他の適切な機能ハードウェアを使用して実装されてもよい。たとえば、プロセッサは、ファームウェア内に固定プログラムを有するデジタル信号プロセッサ(DSP)、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)、又は、超高速集積回路(VHSIC)ハードウェア記述言語(VHDL)などの高レベル・プログラミング言語で「書かれた」シーケンシャル・ロジックを使用した他のプログラマブル・ロジック・デバイス(PLD)を含んでもよい。別の例では、先に参照した特許出願に記載されるコンピュータで実施される方法の1つ又は複数のステップを実施するための、プロセッサ上で実行可能なプログラム命令(図示せず)は、所望に応じて、適切なC++のセクションを備えたC#、ActiveXコントロール、Java(登録商標)Beans、Microsoft Foundation Classes(「MFC」)、あるいは、他の技術又は方法などの高レベル言語でコーディングされてもよい。プログラム命令は、とりわけ、プロシジャ・ベース技法、コンポーネント・ベース技法、及び/又は、オブジェクト指向技法を含む種々の方法の任意の方法で実装されてもよい。
先に参照した特許出願に記載されるような方法を実装するプログラム命令は、キャリア媒体(図示せず)を通じて伝送され、又は、キャリア媒体上に記憶される。キャリア媒体は、ワイヤ、ケーブル、又は、無線伝送リンクなどの伝送媒体である。キャリア媒体は、また、読み出し専用メモリ、ランダム・アクセス・メモリ、磁気ディスク又は光ディスク、あるいは、磁気テープなどの記憶媒体でよい。
別の実施形態は、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像する方法に関する。1つ又は複数の材料を撮像することは、本明細書でさらに述べるように実施されてもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べる任意の他のステップ(複数可)を含んでもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べるシステムの任意のシステムによって実施されてもよい。
測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムの別の実施形態は、図10に示される。このシステムの実施形態は、図8〜9に関して先に述べたように構成される撮像チャンバ42、光源44、46、フィルタ48、50、レンズ52を含む。しかし、この実施形態では、システムは、フィルタ66、68、70を含む基板64を含む。フィルタ66、68、70は、バンドパス・フィルタ又は当技術分野で知られている任意の他の適したスペクトル・フィルタを含んでもよい。基板64は、当技術分野で知られている任意の適切な基板を含む。基板64は、レンズ52を出る光の光学経路内で、基板したがってフィルタの位置を変更するよう構成された1つ又は複数のデバイスに結合されてもよい。たとえば、1つ又は複数のデバイスは、基板を回転させることによって、基板の位置を変更するよう構成される。したがって、基板及び基板内のフィルタは、円形の回転フィルタ「ホイール」として構成される。しかし、1つ又は複数のデバイスは、当技術分野で知られている任意の他の方法で基板の位置を変更するよう構成されてもよい。
フィルタ66、68、70はそれぞれ、異なる波長又は異なる波長帯域の光を透過させるよう構成される。したがって、粒子40の画像が検出器72によって形成される波長又は波長帯域は、レンズ52を出る光の光学経路内での、基板の位置したがってフィルタの位置に応じて変わる。こうして、粒子を撮像し、基板したがってフィルタの位置を変更し、それぞれの関心波長又は関心波長帯域の画像が検出器72によって取得されるまで、撮像と変更のステップを繰り返すことによって、粒子の複数の画像が順次形成される。さらに、3つのフィルタが、図10の基板64内に示されるが、基板は、任意の適した数のフィルタを含んでもよいことが理解できるであろう。さらに、システムは、任意の他の適した構成で配列された2つ以上のこうしたフィルタを含むため、システムは、当技術分野で知られている任意の他の方法で、レンズ52を出る光の光学経路内にあるフィルタを変更することができる。検出器72は、CCDアレイなどの本明細書で述べた検出器の任意の検出器を含んでもよい。
したがって、図10に示すシステムの実施形態は、関心波長又は関心波長帯域(たとえば、種別チャネル1(cl1)、種別チャネル1(cl2)、レポータ・チャネル1(rp1)など)に固有の光学フィルタが円形「フィルタ・ホイール」上に配列された単一検出器(たとえば、単一CCD検出器)を使用するようシステムが構成され、費用効果的な解決策を提供するため有利である。しかし、このシステムは、非同時の順次暴露が複数の画像を形成するのに使用されるため、図8〜9に示すシステムより遅い(すなわち、スループットが低い)。図10に示すシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムのさらなる実施形態が図11に示されている。この実施形態では、システムは、図8〜10に示すシステムのほぼ2倍の撮像面積を有し、かつ、単一検出器、及び、先にさらに述べたように、光学経路に出入りすることができる複数のフィルタを使用するよう構成されている。特に、図11に示すシステムは、本明細書で述べた光源の任意の光源を含む第1組の光源74、76を含む。光源74、76は、本明細書で述べたように構成されてもよい撮像チャンバ42のほぼ同じエリアに、両方の光源が光を向けるよう構成される。システムは、また、本明細書で述べた光源の任意の光源を含む第2組の光源78、80を含む。光源78、80は、光源74、76が光を向ける撮像チャンバのエリアから離間した撮像チャンバ42のほぼ同じエリアに、両方の光源が光を向けるよう構成される。
図11に示すシステムは、また、レンズ82を含む。レンズ82は、光源74、76が光を向ける撮像チャンバのエリアから光を収集するよう構成される。レンズ82によって収集された光は、粒子又は粒子に結合した材料(複数可)から出る蛍光及び/又は散乱光を含む。レンズ82は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。システムは、光源78、80が光を向ける撮像チャンバのエリアから光を収集するよう構成されたレンズ84を含む。レンズ84によって収集された光は、粒子又は粒子に結合した材料(複数可)から出る蛍光及び/又は散乱光を含む。レンズ84は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。レンズ82、84は、同じように又は異なるように構成されてもよい。
レンズ82によって収集された光は、ミラーなどの当技術分野で知られている任意の適した反射光学要素である反射光学要素86に向けられる。反射光学要素86の位置は、相対的に固定されてもよい。レンズ84によって収集された光は、ミラーなどの当技術分野で知られている任意の適した反射光学要素である反射光学要素88に向けられる。反射光学要素88の位置は、相対的に固定されてもよい。反射光学要素86、88は、共に、ミラーなどの当技術分野で知られている任意の適した反射光学要素を含む反射光学要素90に光を向けるよう構成される。反射光学要素90は、矢印92で示すように、反射光学要素の位置を変更するよう構成された1つ又は複数のデバイス(図示せず)に結合されている。1つ又は複数のデバイスは、当技術分野で知られている任意の適したデバイス(複数可)を含んでもよい。こうして、反射光学要素90は、「フリップ・ミラー(flip mirror)」として構成され、ミラーの位置は、撮像チャンバのどのエリアが撮像されるかに応じて変更される。
特に、反射光学要素90の位置に応じて、反射光学要素86又は反射光学要素88からの光が基板94に向けられる。基板94は、基板64に関して先に述べたように構成されてもよい。特に、基板94は、2つ以上のフィルタ(図11には示さず)を含み、反射光学要素90に対する基板したがって2つ以上のフィルタの位置は、画像が形成される波長又は波長帯域に応じて変更される。2つ以上のフィルタによって透過された光は、CCD検出器又は本明細書で述べる任意の他の検出器を含んでもよい検出器96に向けられる。
したがって、図11に示すシステムは、この構成が、撮像面積を2倍にし、また、単一検出器(たとえば、単一CCD)及び回転ホイール上の複数のバンドパス・フィルタを使用するため有利である。上述したように、反射光学要素90(たとえば、ミラー)は、連続暴露中に、レンズ82から検出器96に蛍光を誘導する位置とレンズ84から検出器96に蛍光を誘導する位置との間で切り換わる。したがって、図11に示す光学システムの別の利点は、図4〜6に示すシステムの撮像チャンバ内に送られる粒子の数と比較して、2倍の粒子が、撮像チャンバ内に一度に送られ、それにより、弁などを切り換えるのに必要な時間が節約されることである。図11に示すシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムのさらなる実施形態が図12に示される。システムのこの実施形態は、この実施形態が、2つの別個の撮像チャンバ内に分離された粒子を撮像するよう構成されることを除いて、図11に示すシステムに類似する。特に、光源74、76は、撮像チャンバ100内の粒子98に光を向けるよう構成され、レンズ82は、撮像チャンバ100内の粒子98から光を収集するよう構成される。光源78、80は、撮像チャンバ104内の粒子102に光を向けるよう構成され、レンズ84は、撮像チャンバ104内の粒子102から光を収集するよう構成される。撮像チャンバ100、104は、本明細書に述べるように構成されてもよい。さらに、撮像チャンバ100、104は、同じように又は異なるように構成されてもよい。有利には、システムは、また、粒子が撮像チャンバの一方に装填されている間に、システムが、他の撮像チャンバにおいて粒子から散乱した光、及び/又は、粒子が蛍光発光した光を撮像することができ、それにより、取得時間を節約するよう構成される。図12に示すシステムの実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムの別の実施形態は、図13に示される。このシステムは、本明細書で述べた光源の任意の光源を含む光源106、108を含む。光源106、108は、当技術分野で知られている任意の適した屈折光学要素を含む屈折光学要素110に光を向けるよう構成される。屈折光学要素110を出る光は、屈折光学要素110から屈折光学要素114へ光を反射するよう構成されたダイクロイック光学要素112に向けられる。ダイクロイック光学要素112は、二色性ミラーなどの当技術分野で知られている任意の適したダイクロイック光学要素を含む。屈折光学要素114は、レンズなどの当技術分野で知られている任意の適した屈折光学要素を含む。屈折光学要素114は、本明細書で述べるように構成される撮像チャンバ42内に位置する粒子40に、ダイクロイック光学要素112からの光を向けるよう構成される。
粒子40から出る蛍光及び/又は散乱光は、屈折光学要素114によって収集され、屈折光学要素114は、蛍光及び/又は散乱光をダイクロイック光学要素112に向ける。ダイクロイック光学要素112は、蛍光及び/又は散乱光を透過させるよう構成される。したがって、図13に示すシステムは、波長に基づいて励起光と放出光を分離するよう構成されたダイクロイック光学要素112(たとえば、二色性ミラー)を介して、屈折光学要素114(たとえば、撮像対物レンズ)を通して粒子を照明するよう構成される。システムのこうした構成は、システムの視野にわたってより均一な照明を提供するため有利である。
ダイクロイック光学要素112によって透過された光は、複数のフィルタ(図13には示さず)を含む基板116に向けられる。基板116と複数のフィルタは、明細書で述べるように構成されてもよい。基板116を出る光は、レンズなどの当技術分野で知られている任意の適した屈折光学要素を含む任意選択の屈折光学要素118に向けられる。任意選択の屈折光学要素118、又は、屈折光学要素118がシステムに含まれない場合、基板116を出る光は、本明細書で述べる検出器の任意の検出器を含む検出器120に向けられる。図13に示すシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムのさらなる実施形態(図示せず)は、光を放出するよう構成された光源を含み、システムは、撮像容積にわたってその光を走査するよう構成される。たとえば、システムは、光が撮像チャンバ全体を走査するように、光源からの光の方向を変更するよう構成された光学要素を含む。こうしたシステムでは、光源及び/又は撮像チャンバは、実質的に静止してもよく、又は、静止しなくてもよい。あるいは、システムは、光が撮像チャンバ全体を走査するように、撮像チャンバが実質的に静止している間に、光源(及び光源に関連する光学要素(複数可能))の位置を変更するよう構成される。別の代替形態では、システムは、光が撮像チャンバ全体を走査するように、光源(及び光源に関連する光学要素(複数可能))が実質的に静止している間に、撮像チャンバの位置を変更するよう構成されてもよい。さらなる代替態様では、システムは、光が撮像チャンバ全体を走査するように、光源(及び光源に関連する光学要素(複数可能))及び撮像チャンバの位置を変更するよう構成される。システムは、当技術分野で知られている任意の方法で光源(及び光源に関連する光学要素(複数可能))の位置及び/又は撮像チャンバの位置を変更するよう構成されてもよい。
一部のこうした実施形態では、光源はレーザを含み、レーザは当技術分野で知られている任意の適したレーザを含む。さらに、システムは、単一検出器及び複数の光学フィルタを含み、システムは、画像が形成される波長又は波長帯域に応じて、検出器の前に光学フィルタの1つを配置するよう構成されてもよい。こうして、異なる光学フィルタが検出器の前に配置されながら、粒子から散乱した、及び/又は、粒子が蛍光発光した光の異なる画像が、異なる波長又は波長帯域で形成される。検出器は、本明細書で述べる検出器の任意の検出器を含む。さらに、光学フィルタは、本明細書で述べる光学フィルタの任意の光学フィルタを含む。さらに、システムは、本明細書で述べるように、検出器の前に光学フィルタの1つを配置するよう構成されてもよい。したがって、この構成は、走査型レーザ(複数可)、及び、光学フィルタが関心波長又は関心波長帯域(cl1、cl2、種別チャネル3(cl3)、rp1など)に固有である単一検出器を使用してもよい。
したがって、ビーズの全フィールドを照明する代わりに、レーザ(複数可)が像平面にわたってビーズより直径が小さいスポットを走査し、それにより、各粒子を別々に照明するように、システムが構成されてもよい。2次元CCDアレイを含む構成に対するこの実施形態の利点は、任意の時間に測定される光が、(ビーズが十分遠く離れていると仮定すると)単一ビードに起因するものとして保証されることである。対照的に、図4〜6に示すフラデッド・フィールド・システム(すなわち、フラッド照明システム)では、検出器(たとえば、CCD)の各ピクセル・エレメントによって検出される光は、各ピクセル・エレメントによって撮像されることを意図されたエリア以外のビーズからの一部の寄与を含む。システムのこの実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムのさらなる実施形態(図示せず)は、光を放出するよう構成された光源を含み、システムは、撮像容積にわたってその光を走査するよう構成される。システムは、本明細書で述べるように、撮像容積にわたって光を走査するよう構成されてもよい。上述したシステムの実施形態と同様に、この構成は、走査型レーザ(複数可)を使用してもよい。したがって、ビーズの全フィールドを同時に照明する代わりに、レーザ(複数可)は、像平面にわたってスポットを走査し、各粒子を別々に照明する。しかし、上述したシステムの実施形態と違って、システムは、1つ又は複数のPMT検出器(複数可)及び関心波長帯域(cl1、cl2、cl3、rp1など)に固有の複数の光学フィルタを含む。光学フィルタは、上述した1つ又は複数のPMT検出器(複数可)の前に配置される。システムに含まれるPMTの数が、画像が取得される波長又は波長帯域の数より少ない場合、PMTの1つ又は複数についてのフィルタは、本明細書で述べるように(たとえば、円形フィルタ・ホイール上に)配列され、所望のフィルタは、走査が開始する前に、回転して視野内に入る。システムのこの実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムのさらなる実施形態が図14に示される。図14に示すシステムは、図14が、図13のシステムの屈折光学要素114と異なる屈折光学要素及び図13のシステムと異なる撮像チャンバを含むことを除いて、図3に関して先に述べたように構成される。特に、図14に示すシステムは、撮像チャンバ124に結合された屈折光学要素122を含む。たとえば、屈折光学要素122は、撮像チャンバ124に形成された開口内に配置され、それにより、屈折光学要素122の表面と撮像チャンバ124の表面は、粒子40に近接して、実質的に同じ平面に位置する。さらに、互いに接触する屈折光学要素122の表面と撮像チャンバ124の表面は、何らかの方法で結合させてもよい。屈折光学要素122と撮像チャンバ124は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図14に示すシステムの実施形態は、撮像チャンバに埋め込まれて、最大開口数、したがって、サンプルからの最大光収集を可能にするレンズを、この構成が使用するため有利である。先にさらに述べたように、粒子は、励起波長と放出波長を分離するダイクロイック光学要素112(二色性ミラー)を介して屈折光学要素122(たとえば、撮像対物レンズ)を通して照明される。図14に示すシステムの実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムのさらなる実施形態は、図15に示される。このシステムでは、撮像チャンバ126は、導波路撮像チャンバとして構成される。導波路撮像チャンバは、本明細書で述べるように構成されてもよい。図15に示すように、システムは、光源128、130を含む。光源128、130は、本明細書で述べる光源の任意の光源を含む。光源128、130は、上述した実施形態の構成の場合と同様の撮像チャンバ126の上部表面とは対照的に、撮像チャンバ126の側面に光を向けるよう構成される。一部の実施形態では、システムは、それぞれ、光源128、130と撮像チャンバとの間に配置されたフィルタ132、134を含む。フィルタ132、134は、バンドパス・フィルタ又は当技術分野で知られている任意の他の適したフィルタを含む。
システムは、また、レンズ52と、フィルタ66、68、70を含む基板64と、検出器72とを含み、それぞれは、図10に関して上述したように構成される。しかし、図10に示すシステムと違って、図15に示すシステムは、粒子40を照明するための導波路撮像チャンバ設計を使用する。この照明構成は、図15のシステム内のレンズ52が、比較的短い作動距離を有し、同時に、図10のシステム内のレンズ52より開口数を大きくする。こうしたレンズは、ビーズからより多くの光を収集することになり、それにより、暴露時間が減少する。この照明構成は、また、レンズによって収集される光源からの入射光の量を制限してもよい。図15に示すシステムの実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図16〜17は、本明細書で述べた、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムの実施形態に含まれる照明サブシステムの種々の実施形態を示す。特に、図16〜17に示す照明サブシステムは、考えられるいくつかの方法で導波路撮像チャンバに結合した光源(たとえば、LED)を含む。たとえば、照明サブシステム136は、ランバートLEDを含む光源138を含む。照明サブシステムは、また、光源138からの光を導波路撮像チャンバ144に収束させるよう構成された、反射光学要素140と屈折光学要素142を含む。反射光学要素140は、当技術分野で知られている任意の適した反射光学要素を含む。屈折光学要素142は、収束レンズなどの、当技術分野で知られている任意の適した屈折光学要素を含む。照明サブシステムは、また、励起フィルタとして使用されるフィルタ146を含み、本明細書で述べる、又は、当技術分野で知られている任意の適したフィルタを含んでもよい。こうして、照明サブシステム136は、反射光学要素及び/又は屈折光学要素(たとえば、レンズ)を使用して、光(たとえば、ランバートLED光)を取得し、光を、励起フィルタ又は導波路撮像チャンバの側面に収束させる。この照明サブシステムの実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図16に示す照明サブシステム148は、ランバートLEDを含む光源150を含む。この照明サブシステムでは、光源150は、光源の表面が、導波路撮像チャンバ152又はフィルタ154(このフィルタが照明サブシステムに含まれる場合)に接触するように、導波路撮像チャンバ152に結合している(たとえば、直接結合する)。フィルタ154は、励起フィルタとして使用され、また、本明細書で述べる、又は、当技術分野で知られている任意の適したフィルタを含んでもよい。一部の実施形態では、屈折率整合流体及び/又はエポキシ156を使用して、光源150を導波路撮像チャンバ152又はフィルタ154に結合させる。屈折率整合流体及び/又はエポキシ156は、当技術分野で知られている任意の適した流体及び/又はエポキシを含む。屈折率整合流体及び/又はエポキシを使用して、光源から導波路内への光結合を改善してもよい。照明サブシステムの実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図17に示す照明サブシステム158は、面発光LEDである光源160を含む。また、照明サブシステム158は、光源160からの光を導波路撮像チャンバ166に収束させるよう構成された、反射光学要素162と屈折光学要素164を含む。反射光学要素162は、当技術分野で知られている任意の適した反射光学要素を含む。屈折光学要素164は、収束レンズなどの、当技術分野で知られている任意の適した屈折光学要素を含んでもよい。照明サブシステムは、また、励起フィルタとして使用されるフィルタ168を含み、本明細書で述べる、又は、当技術分野で知られている任意の適したフィルタを含んでもよい。こうして、照明サブシステム158は、反射光学要素及び/又は屈折光学要素(たとえば、レンズ)を使用して、光(たとえば、エッジ発光LED光)を取得し、光を、励起フィルタ又は導波路撮像チャンバの側面に収束させる。この照明サブシステムの実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図17に示す照明サブシステム170は、面発光LEDである光源172を含む。光源172は、導波路撮像チャンバ176内に形成されたスルーホール174内に配設される。したがって、この照明サブシステムは、導波路撮像チャンバ内のスルーホールを使用して、光源(たとえば、エッジ発光LED)を導波路撮像チャンバに結合している。照明サブシステムは、励起フィルタとして使用され、本明細書で述べる、又は、当技術分野で知られている任意の適したフィルタを含むフィルタ178、180を含んでもよい。この照明サブシステムの実施形態は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図18〜19は、本明細書で述べた、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムの実施形態に含まれる照明サブシステムの種々の実施形態を示す。これらの照明サブシステムでは、導波路撮像チャンバは、複数の光源(たとえば、LED)に結合される。図18〜19は、図16〜17に述べる導波路結合を使用したこれらの設計の一部のトップ・ダウン視図を示す。たとえば、図18に示す照明サブシステム182は、ランバートLED又はエッジ発光LEDである光源184を含む。フィルタ186は、各光源と導波路撮像チャンバ188との間に配設される。フィルタ186は、本明細書で述べる、又は、当技術分野で知られているフィルタの任意のフィルタを含んでもよい。照明サブシステム182は、六角形状導波路撮像チャンバの周りに配列された6つの光源を含むように示され、上述したエッジ結合を用いた六角形設計を有するよう構成される。しかし、導波路撮像チャンバの形状は、単純な長方形からより複雑な三角形、五角形、六角形などに変更されて、より多くの光源を組み込むことができる。この照明サブシステムは、1つの色の光を放出するよう構成された3つの光源と別の色(すなわち、各波長又は波長帯域)の光を放出するよう構成された3つの光源を、導波路撮像チャンバに結合できるため有利である。こうした照明サブシステム構成は、サンプルに向けられる光の強度を増加させ、実質的に均一な照明を提供する。照明サブシステム182は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図18に示す照明サブシステム190は、ランバートLED又はエッジ発光LEDである光源192を含む。フィルタ194は、各光源と導波路撮像チャンバ196との間に配設されている。フィルタ194は、本明細書で述べる、又は、当技術分野で知られているフィルタの任意のフィルタを含んでもよい。照明サブシステムは、また、光源192からの光をフィルタ194又は導波路撮像チャンバ196の表面(フィルタが照明サブシステムに含まれない場合)に収束させるよう構成される反射光学要素及び/又は屈折光学要素198を含んでもよい。反射光学要素及び/又は屈折光学要素は、当技術分野で知られている任意の適した光学要素(複数可)を含んでもよい。ビード・チャンバ200は、導波路撮像チャンバ196内に配設される。ビード・チャンバ200は、任意の適した構成を有してもよい。
照明サブシステム190は、六角形状導波路撮像チャンバの周りに配列された6つの光源を含むように示され、上述したエッジ結合を用いた六角形設計を有するよう構成されている。さらに、照明サブシステム190は、六角形状導波路撮像チャンバ内の3つの交差長方形202を横切って光源からの光をビード・チャンバ200に向けて、光(たとえば、LED光)をビード・チャンバに対してよりよく限定するよう構成される。しかし、導波路撮像チャンバの形状は、単純な長方形からより複雑な三角形、五角形、六角形などに変更され、より多くの光源を組み込むことができる。この照明サブシステムは、また、1つの色の光を放出するよう構成された3つの光源と別の色(すなわち、各波長又は波長帯域)の光を放出するよう構成された3つの光源を、導波路撮像チャンバに結合させることができるため有利である。こうした照明サブシステム構成は、サンプルに向けられる光の強度を増加させ、実質的に均一な照明を提供する。照明サブシステム190は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図19に示す照明サブシステム204は、エッジ発光LEDである光源206を含む。光源206は、導波路撮像チャンバ210内に形成されたスルーホール208内に配設される。フィルタ212は、各光源と導波路撮像チャンバ210との間に配設されてもよい。フィルタ212は、本明細書で述べる、又は、当技術分野で知られているフィルタの任意のフィルタを含む。照明サブシステム204は、六角形状導波路撮像チャンバの周りに配列された6つの光源を含むように示され、上述したエッジ発光LEDなどの光源のスルーホール結合を用いた六角形設計を有するよう構成される。しかし、導波路撮像チャンバの形状は、単純な長方形からより複雑な三角形、五角形、六角形などに変更されて、より多くの光源を組み込むことができる。この照明サブシステムは、1つの色の光を放出するよう構成された3つの光源及び別の色(すなわち、各波長又は波長帯域)の光を放出するよう構成された3つの光源を、導波路撮像チャンバに結合させることができるため有利である。こうした照明サブシステム構成は、サンプルに向けられる光の強度を増加させ、実質的に均一な照明を提供する。照明サブシステム204は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図19に示す照明サブシステム214は、エッジ発光LEDである光源216を含む。光源216は、導波路撮像チャンバ220内に形成されたスルーホール218内に配設される。フィルタ222は、各光源と導波路撮像チャンバ220との間に配設されてもよい。フィルタ222は、本明細書で述べる、又は、当技術分野で知られているフィルタの任意のフィルタを含む。ビード・チャンバ224は、導波路撮像チャンバ220内に配設される。ビード・チャンバ224は、任意の適した構成を有している。照明サブシステム214は、六角形状導波路撮像チャンバの周りに配列された6つの光源を含むように示され、上述したエッジ結合を用いた六角形設計を有するよう構成される。さらに、照明サブシステム214は、六角形状導波路撮像チャンバ内の3つの交差長方形226を横切って光源からの光をビード・チャンバ224に向けて、光(たとえば、LED光)をビード・チャンバに対してよりよく限定するよう構成される。しかし、導波路撮像チャンバの形状は、単純な長方形からより複雑な三角形、五角形、六角形などに変更されて、より多くの光源を組み込むことができる。この照明サブシステムは、また、1つの色の光を放出するよう構成された3つの光源と別の色(すなわち、各波長又は波長帯域)の光を放出するよう構成された3つの光源を、導波路撮像チャンバに結合させることができるため有利である。こうした照明サブシステム構成は、サンプルに向けられる光の強度を増加させ、実質的に均一な照明を提供する。照明サブシステム214は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
図20は、本明細書で述べる、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムの実施形態に含まれる照明サブシステムの種々の実施形態を示す。図20に示す実施形態では、導波路撮像チャンバは、各光子が、ビード・チャンバによって1回以上のパスを形成するよう構成される。たとえば、照明サブシステム228は、本明細書で述べる光源の任意の光源を含む光源230を含む。光源230は、光源230によって放出された光がリング導波路撮像チャンバ232に入るように、リング導波路撮像チャンバ232に結合される。リング導波路撮像チャンバ設計を使用することによって、1回目のパスでビーズによって吸収されない光子は、リングの周りを移動し、サンプルに再び戻る。こうした導波路撮像チャンバ構成は、ビーズに関する光の強度を著しく増加させる。さらに、こうした導波路撮像チャンバ構成は、短い暴露時間及び少数の光源の使用を可能にする。照明サブシステム228は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
照明サブシステム228に含まれる基本的なリング導波路撮像チャンバは、長円形手法に拡張されて、1つ又は複数のビード・チャンバ領域の挿入を可能にする。たとえば、図20に示すように、照明サブシステム234は、本明細書で述べる光源の任意の光源を含む光源236を含む。光源236は、光源236によって放出された光が導波路撮像チャンバ238に入るように、長円形導波路撮像チャンバ238に結合される。照明サブシステム228は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
複数の光源が同様に長円形導波路撮像チャンバに結合されて、2つ以上の励起源からの光が、導波路撮像チャンバに結合されることが可能になる。たとえば、図20に示すように、照明サブシステム240は、本明細書で述べる光源の任意の光源を含む光源242、244を含む。光源242、244は、光源242、244によって放出された光が導波路撮像チャンバ246に異なる位置で入るように、導波路撮像チャンバ内の異なる位置で長円形導波路246に結合される。図20にさらに示すように、導波路撮像チャンバ246は、測定中にビーズが配設されるビード・チャンバ248を含むため、ビーズは、導波路撮像チャンバに結合された光源242、244からの光によって照明される。照明サブシステム240は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
長円形導波路撮像チャンバは、また、三角形、正方形、五角形、六角形などに似た他の形状に拡張可能である。たとえば、図20に示すように、照明サブシステム250は、本明細書で述べる光源の任意の光源を含む光源252、254、256、258を含む。光源252、254、256、258は、光源252、254、256、258によって放出された光が導波路撮像チャンバ260に異なる位置で入るように、導波路撮像チャンバ内の異なる位置で正方形導波路撮像チャンバ260に結合される。照明サブシステム250は、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定するよう構成されたシステムの一実施形態は、図21に示される。システムのこの実施形態は、図10に示す、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するよう構成されたシステムを含む。さらに、このシステムは、システムの光学系の反対の撮像チャンバ10の側に配置された磁気要素262を含む。磁気要素262は、永久磁石又は適した磁界を発生させるのに使用される電磁石などの、当技術分野で知られている任意の適した磁気要素を含む。こうして、チャンバの裏側の磁気要素262によって生成された磁界を使用して、粒子が撮像チャンバ10内で(たとえば、チャンバの底部で)実質的に固定されるように、本明細書で述べる実施形態において、磁鉄鉱を埋め込まれた着色された粒子が使用される。磁気要素262は、図21において撮像チャンバ10から離間して示されるが、図8に示すように、磁気要素264は、システムの撮像チャンバの光学要素に対する反対側で、撮像チャンバ10に接触してもよい(又は、結合してもよい)。磁気要素264は、さらに、上述したように構成されてもよい。さらに、図8及び図21は、撮像チャンバに近接して配置された1つの磁気要素を示すが、システムは、2つ以上の磁気要素を含んでもよく、磁気要素はそれぞれ、システムの光学系の反対の撮像チャンバの側に近接して配置されることが理解できるであろう。
測定デバイスによる信号取得後、(たとえば、ソレノイドを使用して、永久磁石を移動させることによって、又は、スイッチによって電磁石をオン/オフすることによって)磁界が取り除かれ、粒子は、次のサンプルからの新しい粒子がチャンバ内に供給される間に、撮像チャンバを出てる。本明細書に述べる実施形態の任意の実施形態を使用して、撮像チャンバ内の粒子が取り除かれ、また、粒子は、撮像チャンバ内に導入されてもよい。図21に示すシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
最も単純な撮像チャンバの設計は、磁気要素に近接した撮像チャンバの側の比較的平滑な内面であって、それにより、磁石がビーズを下に引くときに、ビーズが、この内面にわたってランダムに分散する、比較的平滑な内面を有する撮像チャンバである。しかし、撮像チャンバは、また、磁界が印加されると、特定のスポットにビーズを「保持する」ように設計されてもよい。たとえば、図22に示す撮像チャンバの内面266は、エッチングされた凹所268の正方形パターンが内部に形成されているため、上述したように、磁界の印加によって、ビード270は、エッチングされた凹所のうちの1つの凹所内に配設される。したがって、エッチングされた凹所268は、磁界が印加されるときに、ビーズを分離するのを助ける。さらに、「エッチングされた」凹所は、エッチング・プロセス又は当技術分野で知られる任意の他の適したプロセスによって形成される。さらに、エッチングされた凹所の構成及び配置は、たとえば、ビーズのサイズ及びビーズ間の選択された間隔に応じて変わってもよい。
別の例では、図23に示す撮像チャンバの内面272は、エッチングされた凹所274の三角形パターンを有するため、上述したように、磁界の印加によって、ビード276は、エッチングされた凹所のうちの1つの凹所内に配設される。したがって、エッチングされた凹所274は、磁界が印加されるときに、ビーズを分離するのを助ける。さらに、「エッチングされた」凹所は、エッチング・プロセス又は当技術分野で知られる任意の他の適したプロセスによって形成されてもよい。さらに、エッチングされた凹所の構成と配置は、たとえば、ビーズのサイズと、ビーズ間の選択された間隔とに応じて変わる。それぞれ、図22、23に示されるエッチングされた凹所268、274は、ビーズが、2次元の凹所によって閉じ込められるという意味で2次元であるが、これらの凹所は、トレンチ、又は、1次元だけでビーズを閉じ込めるよう構成された任意の他の適した凹所によって置き換え可能である。
図24に示すように、窪んだ領域278の底部276は、窪んだ領域278の底部276と、撮像チャンバの一方の外側壁を形成する基板280との間に開口が存在しないという意味で閉止される。窪んだ領域278は、上述した窪んだ領域の任意の窪んだ領域を含む。図20にさらに示すように、撮像チャンバの側284に磁界が印加されると、ビード282は窪んだ領域278に閉じ込められる。図24に示す閉止型の窪んだ領域は、単純な設計であるが、図25に示すように、窪んだ領域286は、窪んだ領域を形成する構造290の底部と、撮像チャンバの外側壁を形成する基板292との間に開口288を持った状態で形成される。開口288は、洗浄流体がビーズを窪んだ領域から押し出すことができないように、ビーズ(たとえば、ビード294)の背後から洗浄流体が流れるのを可能にするよう構成されてもよい。
なお別の実施形態は、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定する方法に関する。1つ又は複数の材料を実質的に固定することは、本明細書でさらに述べるように実施されてもよい。たとえば、測定デバイスの撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定することは、測定デバイスの撮像容積を形成する撮像チャンバの一方の側に磁界を印加することを含む。さらに、この方法は、本明細書で述べる任意の他のステップ(複数可)を含んでもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べるシステムの任意のシステムによって実施されてもよい。
1つ又は複数の材料を搬送する、及び/又は、1つ又は複数の材料を撮像するよう構成された本明細書で述べるシステムの実施形態は、本明細書で述べる実施形態に従って1つ又は複数の材料を実質的に固定するよう構成されても、又は、されなくてもよい。たとえば、撮像容積内での粒子の固定は、また、上述した磁気引力、真空フィルタ基板、又は、当技術分野で知られている任意の他の適切な方法を使用して実施されてもよい。撮像のために微小球を配置する方法及びシステムの例は、本明細書で完全に述べられるかのように参照により組み込まれる、2005年11月9日に出願されたPempsellに対する米国特許出願第11/270,786号に示される。粒子固定方法によらず、粒子は、好ましくは、実質的に固定されるため、数秒の長さである、検出器積分期間の間、粒子は、認知できるほどに移動しない。
本明細書で述べるシステムの実施形態の2つ以上は、組み合わされて、単一の実施形態になることができるため、単一の実施形態が、2つ以上の実施形態の利点の全てを提供する。たとえば、さらなる実施形態は、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定するか、又は、それらのある組合せを行うよう構成されたシステムに関する。システムは、本明細書で述べるように1つ又は複数の材料を搬送するか、本明細書で述べるように1つ又は複数の材料を撮像するか、本明細書で述べるように1つ又は複数の材料を実質的に固定するか、又は、それらのある組合せを行うよう構成されてもよい。このシステムは、さらに、本明細書で述べるように構成されてもよい。
それに応じて、別の実施形態は、1つ又は複数の貯蔵ベッセルから測定デバイスの撮像容積に1つ又は複数の材料を搬送するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を撮像するか、撮像容積内の1つ又は複数の材料を実質的に固定するか、又は、それらのある組合せを行う方法に関する。1つ又は複数の材料を搬送すること、撮像すること、実質的に固定することは、本明細書でさらに述べるように実施されてもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べる任意の他のステップ(複数可)を含んでもよい。さらに、この方法は、本明細書で述べられるシステムの任意のシステムによって実施されてもよい。
本明細書で述べる測定は、一般に、複数の検出波長における粒子の蛍光放出の大きさを表す数値などの、粒子の1つ又は複数の特性を求めるために、粒子の1つ又は複数の画像を解析するための画像処理を含む。数値の1つ又は複数を使用して、粒子が属する多様な部分集合を表すトークンID、及び/又は、粒子の表面に結合した分析物の存在及び/又は量を表すレポータ値を求めることなどの、粒子の1つ又は複数の特性についての後続の処理は、本明細書で完全に述べられるかのように参照により組み込まれる、Fultonに対する米国特許第5,736,330号、Chandler等に対する第5,981,180号、Chandler等に対する第6,449,562号、Chandler等に対する第6,524,793号、Chandlerに対する第6,592,822号、及びChandler等に対する第6,939,720号に記載される方法に従って実施可能である。一例では、Chandler等に対する米国特許第5,981,180号に記載される技法は、単一サンプル内の複数の分析物の解析のために粒子が複数の部分集合に種別される多重化方式において、本明細書で述べる蛍光測定と共に使用されてもよい。
本発明が、1つ又は複数の材料の測定を実施するシステム及び方法を提供することであることが、本開示の利益を受ける当業者に理解されるであろう。本発明の種々の態様のさらなる修正形態や代替の実施形態は、本説明を考慮して当業者に明らかになるであろう。それに応じて、本説明は、例証的であるに過ぎないと考えられるべきであり、また、本発明を実施する一般的な方法を当業者に教示するためのものである。本明細書で示し、述べる本発明の形態は、現在のところ好ましい実施形態であると考えられるべきであることが理解できるであろう。要素及び材料は、本明細書で示され、述べられるものと置き換えられてもよく、部品及びプロセスは逆にされてもよく、本発明のいくつかの特徴は、別々に利用されてもよい。これら全ては、本発明の説明の利益を受けた後に当業者に明らかになることになる。添付特許請求の範囲に述べる本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に述べる要素において変更が行われてもよい。
Claims (23)
- サンプルを形成する1つ又は複数の分析物に接触する複数の磁気応答性粒子を使用してバイオアッセイを実施する方法であって、
流体ストリーム内の前記サンプルをリザーバに運搬すること、
撮像面内で分散した実質的に単層の粒子アレイを形成するために、前記流体ストリーム内の前記サンプルを撮像チャンバ内に装填すること、
前記撮像チャンバ内の前記粒子アレイに対する磁界の印加によって、前記撮像面内の前記粒子アレイを固定すること、
前記撮像面に対して鋭角で配置された光源を使用して前記粒子アレイを照明すること、
前記撮像面からの光子を収集するために配置された光感応性検出器を使用して、前記粒子アレイの前記照明から画像を収集すること
を含む方法。 - 前記光源は、前記粒子アレイも周囲に配置され、かつ、前記粒子アレイから離間した1つ又は複数のLEDを備える請求項1に記載の方法。
- 前記光感応性検出器は、1次元(1D)アレイ検出器と2次元(2D)アレイ検出器を備える群から選択された1つ又は複数のアレイ検出器を備える請求項1に記載の方法。
- 前記粒子は、蛍光標識した磁気応答性ビーズの集団を含む請求項1に記載の方法。
- 前記蛍光標識した磁気応答性ビーズの集団は2つ以上のビーズの部分集合を含み、前記2つ以上のビーズの部分集合は、前記ビーズの部分集合を識別するために、照明によって、異なる蛍光信号を示す請求項4に記載の方法。
- 前記粒子アレイに対する前記光源及び前記光感応性検出器の位置は、輝度を最適化する請求項1に記載の方法。
- 照明する前に前記固定された粒子を清浄することをさらに含む請求項1に記載の方法。
- サンプルを形成するために、1つ又は複数の分析物が複数の磁気応答性粒子に暴露されるバイオアッセイを実施するシステムであって、
前記サンプルを保持するサンプル容器と、
前記容器から前記サンプルの一部分を流体運搬するためのリザーバと、
前記リザーバから前記部分を受け取るよう構成された撮像チャンバと、
前記部分を、前記撮像チャンバの撮像面内で、実質的に単層の粒子アレイで固定するために選択可能な磁石と、
前記粒子アレイの周囲で、かつ、前記粒子アレイから離間して配置された照明源と、
照明されると前記粒子アレイを撮像するように配置された光感応性検出器と
を備えるシステム。 - 前記照明源は、前記粒子アレイの収集側においてリングに配列された複数のLEDを備える請求項8に記載のシステム。
- 前記光感応性検出器は、前記粒子アレイの面に垂直で、かつ、前記リングの中心に配列される請求項9に記載のシステム。
- 前記光感応性検出器は、前記粒子アレイの面に平行に配列される請求項9に記載のシステム。
- 前記照明源及び前記光感応性検出器は、それぞれ、1つ又は複数のレンズ及びフィルタを備える請求項9に記載のシステム。
- 照明する前に、前記粒子アレイを清浄して、好ましくない蛍光微粒子を除去する流体チャンバをさらに備える請求項8に記載のシステム。
- 前記撮像チャンバは、前記粒子アレイを前記撮像チャンバにおいて単層で保持するのを補助するように配設された複数の凹所を備える請求項8に記載のシステム。
- 前記複数の凹所は、前記撮像チャンバの内面内か、又は、それに近接して形成された凹所パターンを備える請求項14に記載のシステム。
- 前記凹所パターンは、1次元(1D)凹所パターン又は2次元(2D)凹所パターンを備える請求項15に記載のシステム。
- 前記凹所パターンは、正方形凹所パターンを備える請求項15に記載のシステム。
- 前記凹所パターンは、三角形凹所パターンを備える請求項15に記載のシステム。
- 前記複数の凹所は、前記撮像チャンバの内面から離間して、流体チャンバからの流体が、前記凹所内に保持された前記粒子アレイを洗浄することを可能にする請求項15に記載のシステム。
- 前記照明源及び前記光感応性検出器は、前記撮像チャンバの一方の側に配置され、前記磁石は、前記撮像チャンバの反対側に配置される請求項8に記載のシステム。
- 前記磁石は、前記撮像チャンバの前記反対側に隣接して配置される請求項20に記載のシステム。
- 前記磁石は、前記撮像チャンバの前記反対側から選択的に離間する請求項20に記載のシステム。
- 前記撮像チャンバの前記反対側に配置された1つ又は複数のさらなる磁石をさらに備える請求項20に記載のシステム。
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