JP2010521671A - 光学流体顕微鏡装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、2005年5月9日に出願された米国特許出願第11/125,718号の一部継続出願であって、米国特許出願第11/125,718号は、正規の出願であり、2004年7月23日に出願された第60/590,768号及び2004年6月4日に出願された第60/577,433号の米国仮特許出願に基づく優先権を主張する。本出願も正規の出願であり、2006年3月20日に出願された米国仮特許出願第60/783,920号の出願日の利益を主張する。これらの開示の全ては、全ての目的のため、その全体が参照により本明細書に援用される。
(A.光透過領域を用いた具体例)
本発明の1つの実施形態は、光学流体顕微鏡装置に関する。光学流体顕微鏡装置は、少なくとも流路の一部を定義する本体を備える。光透過領域は、その本体中に存在し、その本体は、流路の底面と一致する表面を有してもよい。照明光源は、光透過領域を通過し、光学検出器によって受け取られる光を提供する。光学検出器は、照明光源としてその表面の反対側に配置され、光透過領域とそれぞれ関連する個別の個々の光検出素子(例えば、画素)を有してもよい。光学流体顕微鏡装置は、従来型のマイクロ流体工学の光学システムよりも非常に小型である。
本発明の実施形態に係る光学流体顕微鏡装置は、任意の適切な方法で製造され得る。本発明の実施形態に係る光学流体顕微鏡装置を製造する具体的な方法は、図4(a)〜4(e)を参照に説明され得る。エッチング、積層、及びソフトリソグラフィを含むよく知られた工程の任意の適切な組み合わせが、本発明の実施形態に係る光学流体顕微鏡装置を製造するのに使用され得る。
上述したように、典型的な光学流体顕微鏡装置において、不透明な金層における孔部を通過する光の透過は、不透明な層の底部に直接存在する、リニアCCD又はフォトダイオードアレイといった検出器によって監視される。この配置は、光学流体顕微鏡装置を小型化し、巨大な光学装置から解放する。各孔部及び各孔部を通る光の透過は、単一のCCD画素又はフォトダイオードに一意的に位置づけられ得る。例えば、孔部間の間隔は、約13マイクロメートルの幅で存在し得るので、その間隔は、市販で購入可能な検出器における個別の光検出素子(例えば、DalsaトールピクセルセンサIL−C6−2048といったラインスキャンセンサ)の間隔と同一である。
で表され、式中、nhは孔部の数に等しく、wは路幅である。例えば、路幅が40μmである場合、流路全域に40個の孔部が存在すると、y方向の画素寸法は、1マイクロメートルであり得る。x(流れ)方向において、画素寸法は、方程式(2)によって定義されるように、光学測定ユニットの取得速度及び標的物の移動速度によって決定される(即ち、x方向における解像度は、標的物の移動速度u×画素取得時間Δtに等しい)。
例えば、標的物の流速が毎秒100マイクロメートルであり、検出器の読み取り速度が1KHzである場合、X方向における最大解像度は、約0.1マイクロメートルに等しいだろう。
Sh>λ、大きい孔部の制限−この条件では、実効透過域ATは、単純に孔部の物理的な断面部に等しい。
Sh<λ、小さい孔部の制限−この条件では、孔部は非常に薄いと仮定され、Bethe(Bethe HA,'Theory of diffraction by small holes',physics Review,66,163(1944))は、実効透過域がピンホール直径の6乗に比例することを示した。
この方程式は、De Abajoが報告したシミュレーションデータとよく一致する。しかしながら、光学流体顕微鏡装置の性能をよりよく評価する目的で、材料の有限な誘電率、ひいては光学的シミュレーションの回答を考慮に入れることが必要である。(フレーム率の逆数にも等しい)画素測定時間(dwell time)τの総透過光子数が、以下の式によって与えられる。
式中、hc/λは1つの単一光子が有するエネルギーであり、Iは照明強度であり、εはCCDカメラの量子効率である。
従って、マイクロメートルレベルでの解像度と30dBの感度とを有する対象物の画像化は、自然光照明の使用で容易に実施され得る。原理的に、サブ波長の解像度は、単に、所望の解像度限界で、y方向に、隣接する孔部の間隔をあけて配置することによって、光学流体顕微鏡装置において達成され得る。孔部は、数十マイクロメートルでx方向に分離されるので、それらの透過率への寄与は、CCDカメラ上では、互いを区別できるだろう。最先端のナノファブリケーション技術は、数十ナノメートル内の解像度でのエッチングパターンの形成を可能とする。100ナノメートルより低い解像度を有する光学流体顕微鏡装置が、作製され得る。
マイクロ及びナノスケールでは、流体の流れ及び微粒子の輸送は、様々な異なる技術を用いて達成され得、最も一般的なものは、従来の圧力駆動流、動電学的輸送、液滴駆動又は熱毛細管技術を介した不連続な液滴の移動を含む。
上述で説明され、図3に図示されるように、透過率の時間経過の全情報を用いて、画像化する標的物の幾何学的形状が、再構築され得る。画像化された生物学的標的物は、Carolina biological supplyによって提供されたクラミドモナスであった。クラミドモナスは、単細胞で、双鞭毛の緑藻である。それは、おおよそ円形の形状であり、約10〜20マイクロメートルの範囲の直径を有する。それは、充分に開発された技術によって形質転換され得る、非常に明確な遺伝情報を有するため、研究ツールとして一般的になっているいくつかの種を含む。これらの最初の実験において、図1に示されたものと同様のOFM構成が使用された。各孔部を介した透過率の変化は、Olympus IX−71倒立顕微鏡に装着された、8ビットSony XCD−X710ファイヤーワイヤー(登録商標)CCDカメラによって記録された。
光学流体顕微鏡装置に採用される画像化方法は、孔部アレイを横切る標的対象物の流れが、全軌跡の間、一直線状であり、ずれないことを示唆する。一直線の軌道からのずれはいずれも、処理された対象物の画像を変形させ得る。
式中、kBはボルツマン定数であり、Tはシステム温度である。室温の水中に漂う直径10マイクロメートルの対象物は、約10ミリ秒の時間の間に一次元において平均29ナノメートルのずれを受けるだろう。回転方向に作動させるブラウン運動も存在する。しかしながら、回転の相対的な程度及びその解像度への影響は、並進ブラウン運動のずれ効果と比較して小さい。
本発明のある実施形態は、対象物を画像化するのに光透過領域と蛍光とを使用する。これらの実施形態の背景として、厚い不透明又は半透明構造の層における孔部は、ゼロモード伝搬のためのカットオフ波長よりも短い波長の光のみを効果的に透過するだろう。より長い波長の光は、充分には透過しない。実効透過域の関数として、この透過作用の近似方程式は、以下の式によって与えられる。
式中、λは波長であり、dは導電層の厚みであり、shは孔部の直径である。この方程式は上述される。充分に厚い導電層にとって、λがsh/0.586を越える場合、透過率は、急激に落ちる。「d」が大きい場合、透過率曲線は、階段関数のように見えるだろう。
本発明の実施形態に係る光学流体顕微鏡装置を用いるシステムの概略図が、図9(a)〜9(c)に示される。先に説明した光学流体顕微鏡装置はいずれも、図9(a)〜9(c)に図示されるようなシステムにおいて使用され得る。
従来型の光学顕微鏡において、最大達成解像度は、レイリーの基準によって定義されるように、理論的には、λ/2に制限され、ここで、λは、含まれる光の光学波長である。(上述した孔部に基づく方法は、λ/2の制限より高い解像度を許容するだろう。)近視野顕微鏡、量子もつれ光子(entangled photon)顕微鏡、誘導放出制御(STED)顕微鏡、及び構造化照明顕微鏡といった、新しい技術の使用によって、この制限は、ある程度、克服可能である。しかしながら、計算コスト、システムの複雑さ、及び光強度の必要量が、所望の解像度に応じて指数的に上昇する。
図16は、更に他の光学流体顕微鏡装置の実施形態を示す。この実施形態において、基板22は、個別の量子ドット又はナノ粒子の、角度のついた直線状のアレイが埋め込まれる。量子ドット88の間の水平方向の分離、間隔u112、は、充分に大きく配置されるので、その配置が、CCDカメラ又は他の画像化装置上で画像化される際に、2つの異なるドットを互いに分離することが可能である。1対1の画像化を実施する場合、間隔uは、CCDカメラの画素寸法と等しい又はそれより大きくてもよい。間隔v110は、この顕微鏡の解像度を設定し、そのため、出来る限り小さくてよい。理想的には、それは、包含されるナノ粒子の寸法に等しい。
Claims (20)
- 表面を有する流路を備える本体と、
該本体中の、異なる寸法を有する光透過領域と、
該光透過領域を通る照明を提供するために適用される照明光源と、
該光透過領域を通る、該照明光源からの光を受け取るために適用される光学検出器と、
から構成される光学流体顕微鏡装置。 - 前記表面は流路の底部である、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記光透過領域は孔部であり、前記異なる寸法は異なる直径である、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記光学検出器は、電荷結合素子から構成される、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記光学検出器は、複数の別個の光検出素子を含み、該光検出素子は、それぞれ前記光透過領域に対応する、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記流路は、約1マイクロメートルより小さい幅を備える底部を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記光透過領域が、光学的に透明な材料から構成される、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記孔部のアレイが、前記表面の第1の側面から、前記表面の第2の側面まで延在する、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記光透過領域のアレイが、光透過領域の第1のアレイであり、前記光学装置が、光透過領域の第2のアレイを備え、該光透過領域の第2のアレイが、参照ポイントを形成する、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記表面が、底壁の一部であり、光学検出器が該底壁に取り付けられる、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記光透過領域のアレイが、斜めの直線を形成する、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記照明光源が、白色光を提供する、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 前記本体が、高分子材料から構成される、ことを特徴とする請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置。
- 請求項1に記載の光学流体顕微鏡装置を用いる方法であって、
前記流路を通して、対象物を包含する流体を流す工程を備える、ことを特徴とする方法。 - 前記光透過領域が、円形放射状の断面形状を有する、ことを特徴とする請求項14に記載の方法。
- 前記光透過領域が、孔部から構成される、ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記光透過領域が、孔部中に高い屈折率の材料を有する孔部である、ことを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記対象物が細胞である、ことを特徴とする請求項14に記載の方法。
- 前記光透過領域を通過する光を用いて、透過スペクトルを検出する工程を更に備える、請求項14に記載の方法。
- 前記透過スペクトルを用いて、前記対象物の形状を決定する工程を更に備える、請求項19に記載の方法。
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