JP2015519575A - 非ガウシアン一時信号により粒子を特性決定するための方法及びフローセル - Google Patents

Abstract

本開示はサンプル溶液内の粒子のフィールド特性決定に関する。より具体的には、本開示は集められた非ガウシアン一時信号によって粒子を特性決定するためのフローセル及び方法に関する。本発明のフローセル及び方法は、流路を有する励起ファイバーに基づく。励起ファイバーは、光源で発生した励起光を輸送するためのコアを有し、そのコアの一部を通る流路を画定する。励起ファイバーの流路は、サンプル溶液の流動を導く。励起ファイバー、流路及び集光ファイバーの特性は、非ガウシアン一時強度プロファイルを有する集められた光を発生させるように選択され、比率決定され、位置決定される。

Description

本開示は、フローサイトメトリーの背景における粒子特性決定の技術分野に関する。より具体的には、本開示は、非ガウシアン一時信号発生により粒子を特性決定するための方法及びフローセルに関する。

フローセルは、サンプル溶液中に懸濁した粒子の特性決定のための装置である。粒子の大きさは、一般に０．５から４０μｍの範囲である。粒子は１秒間に数個から数千個の粒子の範囲の典型的な計数率で１つずつ分析される。その構成に応じて、フローセルは存在、濃度、寸法、形状、生命活動（細胞の場合）、細胞の種類、構造的及び／または機能的情報などの粒子に関する様々な情報を推定することを可能とする。均一な溶液中の異なる種類の粒子を分類するためにフローセルを使用することも可能である。

異なる構成のフローセルを組み込むフローサイトメーターは、過去４０年に渡って開発されてきた。一般に、光ビームを放出する光源（すなわちレーザー）がフローセル内の流体の流動にフォーカスされる。流体は、フローセルのキャピラリーチューブ内を所定のレートで流れる。流体の流動内の粒子は、短時間の間光と交差し、それによって短い一時的な散乱光及び蛍光の急激な発生を形成する。光及び流体が交差する領域の近くまたは周囲に配置された集光光学系アセンブリは、粒子によって放出され及び／または散乱された光を集める。集められた光は、例えば様々な光学フィルターを含む検出サブアセンブリシステムによってスペクトル分離され、次いで検出器によって受信される。集められた光の光学信号パラメータは、検出器によって測定され、コンピュータシステム及び／または電子機器によって処理される。

４０年以上の間、ガウシアン光学パルスがフローサイトメトリーにおいて使用されてきた。ガウシアン光学パルスは、フローセル及びフローサイトメーターの設計制約、すなわち十分な検出感度のために必要な光学密度により決定される空間的に細いレーザービームの使用、本質的にガウシアン形状であり、粒子がビームを一定速度で通過する際にガウシアンパルスに変換される、レーザーの空間的ビーム分布、フローサイトメーターのスループットを向上させるための高いパルスレート発生、従って短いパルスの必要性、電気的ノイズに支配されるノイズ源、及びガウシアンパルスフィルタリングを実施するように最適化されたアナログ回路、これに続くアナログパルス検出器、アナログベースライントラッキング、ピーク検出器、ログ増幅器及びアナログサンプラーなどの結果である。

しかしながら、ガウシアン光学パルスは、溶液中の粒子の特性を引き出すために、重要なアナログ及びデジタル処理並びに信号処理リソースを必要とする。これらの必要なリソースは、フローサイトメーターをより複雑で高価なものとする。さらに、現在のフローセル及びフローサイトメーターは、ガウシアン信号発生に関する本質的な設計制約、すなわち通過する粒子の位置に対するレーザービームの正確な位置合わせによって制限され、これは位置合わせに失敗しがちであり、使用者に頻繁で面倒な位置合わせ手順を必要とする結果になる。従って、これらの欠点を軽減しまたは排除するための、非ガウシアン一時パルスにより溶液中の粒子を特性決定するための改善されたフローセル及び方法の必要性がある。

一態様によれば、本開示はサンプル溶液内の粒子を特性定するためのフローセルに関する。フローセルは、励起光を発生させる光源とともに使用されるように適合される。フローセルは、励起光を輸送するためのコアを有する励起ファイバーを含む。励起ファイバーは、そのコアに対して実質的に垂直であり横断する流路を画定する。流路は、サンプルの流動を受容するように適合される。フローセルはさらに、流路に近接して配置された少なくとも１つの集光ファイバーを含む。励起光が存在すると、少なくとも１つの集光ファイバーは、励起ファイバーの流路内を通過する粒子によって放出されまたは散乱された光を集める。励起ファイバー及び集光ファイバーの特性は、非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して選択され、比率決定され、位置決定される。より具体的には、いくつかの実施形態において、励起ファイバー及び集光ファイバーの特性は、粒子の大きさの範囲に関して、波長の範囲に関して、並びに／または粒子の大きさの範囲及び波長の範囲に関して非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して選択され、比率決定され、位置決定される。

他の態様において、本発明は、サンプル溶液内の粒子を特性決定するための方法に関する。本方法は、励起ファイバーのコア内を輸送される励起光を発生させる。溶液の流動は、励起ファイバーの流路内を導かれ、流路はそのコアに対して実質的に垂直であり、横断する。流路を通って流れ励起光と交差する粒子によって散乱または放出された光は、流路に近接する少なくとも１つの集光ファイバーによって集められる。励起ファイバー、その流路及び少なくとも１つの集光ファイバーの特性は、非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して選択され、比率決定され、位置決定される。より具体的には、いくつかの実施形態において、励起ファイバー及び又はその流路及び／または少なくとも１つの集光ファイバーは、粒子の大きさの範囲に関して、波長の範囲に関して、並びに／または粒子の大きさの範囲及び波長の範囲に関して非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を得ることができるように相対的に比率決定され、位置決定される。

このフローセル及び方法の前述の及びその他の特徴は、添付した図面を参照することによって単に例として与えられたその例示的な実施形態の以下の非限定的な説明を読むことによってより明らかになるであろう。

本開示の実施形態は、単に例として、添付の図面を参照して説明される。

ｙ−ｚ平面におけるフローセルの概略図である。 ｘ−ｚ平面における本発明の励起ファイバーの概略図である。 正方形の流路の概略図である。 サンプル溶液の流動が導かれる本発明の励起ファイバーの概略図である。 例示的な装置のｙ−ｚ平面における本発明のフローセルの概略図である。 散乱されたまたは粒子からの蛍光によって放出された光を示す光学経路の軌跡に重ねられた本発明のフローセルの一部の部分概略図である。 散乱されたまたは粒子からの蛍光によって放出された光を示す光学経路の軌跡に重ねられた本発明のフローセルの一部の部分概略図である。 ａ＜２Ｒである励起ファイバーの流路の中心（ｙ＝０）に流れる粒子に関して集められた光を表すグラフである。 ａ＝２Ｒである励起ファイバーの流路の中心（ｙ＝０）に流れる粒子に関して集められた光を表すグラフである。 散乱されたまたは粒子からの蛍光によって放出された光を示す光学経路の軌跡に重ねられた、２つの集光ファイバーを有する本発明のフローセルの部分概略図である。 フィルターされていない集光された光（台形一時強度プロファイル）及び４次の５ＫＨｚフィルターされた集光された光（円形）のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の方法の概略図である。

以下の用語は、本開示を通して以下のように使用され、以下のように解釈されることを意味する。

フローセルとは、サンプル溶液中の懸濁状態の粒子を特性決定するための装置であり、この装置は光の伝搬、光の散乱及び／または蛍光の原理に従う。

光の散乱とは、粒子、屈折率の違い、界面などの、光が伝搬する媒体の摂動と相互作用した後にその経路から具体的な波長の光がそれることによる物理プロセスである。

蛍光とは、媒体または粒子によって入射光が吸収された後に放出される光のことであり、放出される光の波長は入射光（より高いエネルギー）の波長よりも長い（より低いエネルギー）。

励起領域とは、励起光とサンプル溶液の交差する部分である。

衝撃信号またはパルスとは、検出された光の強度の時間依存性である。

光ファイバーとは、そのコアの中を光を伝搬させ導波する実質的に透明な媒体である。

コアとは、光がその伝搬において最も局在化される光ファイバーの中心部である。

クラッドとは、光ファイバーの縁部区域である。

励起ファイバーとは、光源から励起領域に励起光を輸送する光ファイバーである。

サンプル溶液とは、懸濁された粒子を含む流体である。

信号処理システムとは、集められた光学信号パラメータから少なくとも１つの粒子特性を抽出するための電子機器及び／またはプロセッサ及び／またはソフトウェアのアセンブリである。

集光ファイバーとは、励起領域内の粒子によって散乱されまたは放出された光を集光するための、励起領域の近傍に配置された光ファイバーである。

集光窓とは、粒子によって散乱されまたは放出された光を集光するための、励起領域に面する集光ファイバーの端面である。

非ガウシアン一時信号とは、立ち上がり時間、下降時間、及び任意選択的にその間の平坦部を有する衝撃信号である。非ガウシアン一時信号の例は、限定するものではないが、対称又は非対称台形一時信号、三角形一時信号及び準正方形一時信号を含む。

本明細書は、サンプル溶液内の粒子を特性決定するためのフローセル及び方法を開示する。より具体的には、本発明のフローセル及び方法は、非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるために設計される。本発明はまた、例えば本発明のフローセルを使用するフローサイトメーター、およびサンプル溶液内の粒子を特性決定するために非ガウシアン一時信号を検出し処理するように適合されたフローサイトメーターなどの装置に関する。

フローセル
一態様において、本発明はフローセルに関する。本発明のフローセルは、励起光を発生させる光源に接続されるように適合される。フローセルは、励起光を輸送するためのコアを有する励起ファイバーを含む。励起ファイバーは、その長さの一部に渡ってそのコアを横断する流路を画定する。流路は、その中に懸濁された粒子を含むサンプル溶液の流動を導くような大きさである。フローセルはさらに、励起光による励起のために、流路を通って流れる粒子によって散乱されまたは放出された光を集めるための少なくとも１つの集光ファイバーを含む。フローセルの少なくとも１つの集光ファイバーは、必要であれば集光光学系に接続され、最終的には集められた光を電気的信号に変換するための光学検出システムに接続されるように適合される。励起ファイバー、励起ファイバーの流路及び少なくとも１つの集光ファイバーの特性は、非ガウシアン一時強度プロファイルを有する集められた光を得ることができるように、互いに対して選択され、比率決定され、位置決定される。本発明のフローセルの具体的な実施形態において、励起ファイバー、励起ファイバーの流路及び少なくとも１つの集光ファイバーの特性は、粒子の大きさの範囲もしくは波長の範囲、または粒子の大きさの範囲と波長の範囲の両方に関して非ガウシアン一時強度プロファイルを有する集められた光を得ることができるように、互いに関して選択され、比率決定され、位置決定される。

ここで、フローセル１５を概略的に示す図１を参照する。フローセル１５は、粒子９を導くためにそのコアを通して横断する流路４を画定する励起ファイバー１を含む。励起ファイバーはさらに、光源と反対側の、反射性材料６を含む端部を有してもよい。フローセルはさらに、少なくとも１つの集光ファイバー１３を含む。集光ファイバー１３は、励起ファイバーの隣であって、流路４に隣接して配置される。図１に示された実施形態において、２つの集光ファイバー１３及び１３’が、励起ファイバーの流路４の側部上に直径方向に対向して配置されている様子が示されている。より多くの集光ファイバー１３が、実装形態、所望の精度及び処理能力に応じて使用可能である。集光ファイバーを対称的に配置することの主な利点は、励起ファイバーの流路内の特定の経路上の粒子により散乱されまたは放出された信号の依存性を軽減することである。

フローセル１５は、装置内に予め挿入されたモジュールとして実装可能である。代替的に、励起ファイバー１及び集光ファイバー１３が、モジュール内に手で挿入し及び取り外すための取り外し可能なフローセルカートリッジとして実装されうる。取り外し可能なフローセルを提供することは、フローサイトメーターの保守を容易にし、多用途性を向上し、信頼性を改善する。フローセル１５は、様々な形態及び寸法を有することができる。

励起ファイバー
ｘ−ｚ平面における本発明の励起ファイバーの概略図を示す図２及び正方形の流路の概略図である図３をここで参照する。

励起ファイバー１は、典型的にはクラッド３によって取り囲まれたコア２を含む光ファイバーである。光源によって発生した励起光は、励起ファイバー１によって輸送される。輸送の間に、励起光は励起ファイバー１のコア２の中で集中される。励起ファイバーはマルチモードファイバーである。励起ファイバーは、ファイバー光学工業でよく知られたいかなる種類の材料からなるものであってもよい。励起ファイバー１は、コアに対して横断し、コアを通り、長さの一部分を通る流路４を画定する。流路４は、その中に懸濁した状態の粒子を含むサンプル溶液を受容する。流路４は、単純化の目的のために図２には示されていないが、キャピラリーチューブまたは微小流動システムのようないかなる既知の方法によってサンプル溶液を受容してもよい。流路４は、励起ファイバー１を通してサンプル溶液を一方の側部から他方の側部へ導く。流路４は、サンプル溶液及びその中の粒子を、その交差部、すなわち励起領域において受容し、効果的に照射するような形状である。

流路４は、例えばレーザー微細加工技術などのファイバー光学工業において知られたいかなる技術によって実現されてもよい。流路４は、様々な形状（円形、長方形、正方形または不規則）の一定の区域を画定してもよく、わずかに不規則な区域または励起ファイバー１を通して変化する区域を画定してもよい。流路４は、その中のサンプル溶液の導入を容易にするために、わずかにテーパー形状の外観プロファイルを有してもよい。

例えば鏡、反射性表面、金属または誘電体コーティングなどの反射性媒体６は、一度サンプル溶液を通過した励起光を反射するように、光源とは反対側の励起ファイバー３の端部に取り付けられてもよく、それによって励起領域内に存在する励起光を増大させる。

ここで図１から４を参照する。図４はサンプル溶液が流路４内に導かれる励起ファイバー１の概略図である。この特定の例において、キャピラリーチューブ７は、励起ファイバー１の流路４内にサンプル溶液を導入するために使用される。当業者であれば、流路４の形状及び大きさ並びにキャピラリーチューブの外観の整合が、流路４内にサンプル溶液を輸送するために必要とされることは理解するであろう。他のキャピラリーチューブ（図示されない）がさらに、励起ファイバーの流路を通過したサンプル溶液を集めるために、流路の他端に提供されてもよい。

流路４は、励起ファイバー１を通してサンプル溶液の流動を導く。サンプル溶液８は、粒子９が懸濁状態にある流体であってよい。例えば、サンプル溶液は、血液細胞を含む血液からなることができる。信号処理アルゴリズムは、２つ以上の粒子９が同時に流路４内にあるときに流路４内を通過する個々の粒子９を区別するために使用されうる。励起領域内に一度にただ１つの粒子が入る統計的確率を最大化するように、ポアソン則を用いてサンプル溶液内で懸濁状態にある粒子の濃度の事象を画定することもまた可能である。

フローサイトメーター
例示的な装置、フローサイトメーター内の本発明のフローセルの概略図である図５をここで参照する。フローサイトメーターは、単に例として使用され、本発明のフローセルは、例えば細胞計数機などの様々なその他の種類の装置に使用可能であり、実装可能である。

そのため、本発明のフローセルは、光源１０に光学的に接続される。光源１０は、励起ファイバーの先端に直接または結合機構（図示されない）によって接続される。当技術分野で知られるいかなる結合手段、例えばバルクレンズ、ファイバー光学結合コネクタまたは機械的若しくは融合スプライシングも使用されうる。

光源１０は、励起ファイバー１によって輸送される励起光を発生させる。使用可能な光源の例は、レーザー及び発光ダイオードを含み、典型的には、例えば４０５、４７３、４８８、５３２、５６０、６３８ｎｍなどの様々な波長のレーザーを含む。

図５の概略図において、フローセルは、励起ファイバー１及び直径方向に対向する励起ファイバーの流路４に隣接する２つの集光ファイバー１３、１３’を含む。励起ファイバー１３、１３’は、励起光の存在下において流路を通過して流れる粒子によって放出され、または散乱された光を集める。

励起領域は、励起光（反射表面が使用される場合には反射光を含む）及び励起ファイバーの流路内のサンプル溶液が出会う交差部に対応する。励起光は励起領域を照射する。サンプル溶液は流路を通して流れるため、励起光の一部は粒子と相互作用する。励起光は、粒子との相互作用によって散乱する。蛍光色素分子が、例えば細胞のラべリングのためにサンプル溶液内に使用されると、励起可能な蛍光色素分子との励起光の相互作用は、励起光とは異なる波長での蛍光色素分子による蛍光の形態で放出された光となる。

図５において、垂直方向の矢印は散乱された光に対応し、蛍光色素分子が存在する場合には流路内を流れる粒子の照射によって発生した光にも対応する。当業者であれば、散乱光及び放出光は、必ずしも垂直方向の矢印に従わず、散乱された光及び放出された光の一部のみが、図５に示された垂直線に沿って移動することを理解するであろう。そのため、垂直線は絶対的な方向よりむしろ興味のある一般的な方向として解釈されるべきである。

装置の必要性に応じて、集光ファイバー１３、１３’はさらに、例えばフィルター及び／またはアナログ構成要素などの集光光学系１４、１４’に接続されてもよい。集光光学系１４、１４’は、放出された光から散乱された光を分離する光学フィルターを含んでもよい。集光光学系１４、１４’は１つのまたは別個の光学検出システム１６に接続される。光学検出システム１６は、使用される場合には集光光学系から、集光光学系が使用されない場合には集光ファイバー１３、１３’から直接、集められた光を受容する。光学検出システム１６は、集められた光を対応する電気信号に変換する。電気信号はその後、信号処理システム１７に提供され、後述するように粒子の特性を決定する。

２つの光学検出システム１６、１６’が図５に示されているが、本発明のフローサイトメーターは、このような実装例に限定されない。例えば、光学検出システム１６の１つが複数の集光光学系１４、１４’に、または複数の集光ファイバー１３、１３’に直接、接続されることが可能である。

散乱された光及び放出された光
散乱された光、または代替的に蛍光色素分子が使用される場合には放出された光を示すグラフである、図６Ａ及び６Ｂをここで参照する。単純化の目的のために、ただ１つの粒子だけが示されるが、本発明のフローセル及び方法は、複数の粒子を連続して特性決定するように適合される。参照の目的のために、粒子９は、ｘ軸に沿って左から右に移動し、励起光はｚ軸にあり、そのためグラフに対して垂直である。本節では、すなわち包括的に段落［００４４］から［００５０］では、散乱された光の参照だけが単純化の目的のために議論される。しかしながら、この議論は、粒子９に付着された蛍光色素分子から放出される光についても本質的に一般的であり、同様に適用する。

励起光が半径ｒの粒子９と相互作用すると、励起光は粒子によって散乱される。粒子によって散乱された光は、流路４内をそのまま進み続け、励起ファイバー１の部分を横断的に横切る。励起ファイバー１の部分は、一般に流路４内のサンプル溶液と励起ファイバー１との間の屈折率の差によりその経路をそらす。散乱された光は励起ファイバー１を出て励起領域１と集光ファイバー１３との間の領域１８に入り、集光ファイバー１３に入る前に別の屈折率の違いの存在によりさらにそらされうる。集光ファイバー１３の入り口において、集光ファイバーに入り、集光ファイバーによって導波されることが可能な散乱光は、集光ファイバーの数値的開口（すなわち許容最大円錐）によって画定される最大直径値ａを有する円を形成し、その一方２Ｒは集光ファイバー１３の幾何学的直径に対応する。集光ファイバーに結合された粒子９によって散乱された光の量は、そのため直径ａと２Ｒの２つの円の重畳する交差部として記述可能である。

ここで図６Ａ、６Ｂ、７及び８を参照し、図７及び８は、２つの異なる大きさの粒子９に関して、流路４内の粒子９の移動に関する、図６Ａ、６Ｂの集光ファイバー１３によって集められた光の概念的なグラフの図である。

図７において、集光ファイバー１３は、２Ｒの直径値を有し、２Ｒはａよりも大きい。粒子９のｘ軸に沿った運動によって、粒子９によって散乱される光は集光ファイバー１３において集められる。粒子９の集光ファイバー１３に対する相対的な運動は、時間ｔ_ａからｔ_ｊに関して図７の上部及び下部に示されている。ｔ_ａからｔ_ｊの各瞬間に関して、小さな円ａが集光ファイバーによって導波されることができる散乱光に対応し、その一方大きな円は２Ｒとして特定される集光ファイバーの幾何学的直径に対応する。

流路４内の粒子９のｘ軸に沿った運動において、集められた光は集光ファイバー１３内で次第に増大する。従って瞬間ｔ_ａにおいて、集められた光は存在しない。瞬間ｔ_ｂにおいて、許容される散乱光の円錐は、集光ファイバー１３の端面に重なって始まる。ｔ_ｃにおいて、集光ファイバーによって集められた光は、粒子９が流路内を動くにつれて増大する。ｔ_ｄにおいて、集められた光は最大強度に到達する。粒子が集光ファイバーの端面の他の先端に到達するまで、散乱された光の領域が集光ファイバーの領域をアンダーフィルするため、粒子が流路を横切ってその運動を続ける間、集められる光の最大強度は維持される。次いで集められた光の強度は、瞬間ｔ_ｇからｔ_ｉまで次第に低下し、最小値に到達し、それ以上集められることはない。

図８は、図７と同様のグラフであり、集光ファイバー１３は２Ｒの直径を有し、２Ｒはａに等しい。図８において、集められた光はｔ_ｄでピークとなるが、領域ａと２Ｒとは特定の位置のみでしか重ならないため、平坦部を形成することができない。

ここで、２つの集光ファイバーを有する本発明のフローセルの、粒子から散乱された光を示す光学経路の軌跡に重ねられた部分概略図である図９を参照する。半径ｒの粒子９（その中心がｘ座標にある）がｘ方向に沿って流路４内を流れ、流路４内で中心から外れる（ｙ≠０）。中心から外れた粒子によって散乱された光は、異なる直径の集光ファイバー１３、１３’において集められた光の円錐を作り出す。そのため、粒子に最も近い集光ファイバにおいて集められた光の直径は、粒子から遠い方の集光ファイバーにおいて集められた光の直径よりも小さな半径である（ａ≠ｂ）。

集められた非ガウシアン一時光−１つの集光ファイバー
非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるために、励起ファイバー、流路及び集光ファイバーの相対的な光学特性、比率及び位置は、詳細に注意深く考慮されなければならない。励起ファイバー、流路及び集光ファイバーの間の相対的な光学特性、比率及び位置の有望な決定は、以下の方程式を必要とする。

スネルの法則は以下の数式を確立する。

ここで、θ_ｃは集光ファイバーの内部全反射の臨界角であり、
θ_ｍａｘは集光ファイバーに入る光の最大許容角度であり、

ｎ_１は集光ファイバーコアの屈折率であり、
ｎ_２は集光ファイバークラッドの屈折率であり、
ｎ_０は集光ファイバーと励起ファイバーとの間の媒質の屈折率であり、
ｎ_ｆは励起ファイバーコアの屈折率であり、
ｎ_ｔは励起ファイバー流路内のサンプル溶液の屈折率であり、
εは２つ以上の集光ファイバーが使用されるときの集光ファイバーの相対的な位置決定誤差である。

そのため、以下の方程式が、数式（１）および（２）を用いて直接的な対称性を考慮して得られる。

厚さｄの励起ファイバークラッド及び半径Ｒの集光ファイバーと励起ファイバーとの間の距離ｇを通して、半径ｔ、長さ２Ｌの開口に対して位置ｙで、ｘ軸に沿って動く半径ｒの粒子に関して集められた散乱光／放出光の収集形態を定性的に決定するために、図６Ｂに示された点ｌ_１からｌ_４の位置を計算することが可能である。

粒子は照射される開口内になければならないので、光を等方的に放出する蛍光色素分子の場合には、以下の条件が各点に対して適用されなければならない。

^ｌ１ｌ_１の条件に対して、

ｌ_２に対応する散乱光及び／または放出光は、内部全反射によって、励起ファイバーの上面（または下面）によって集光ファイバーに導かれうる。そのため、

条件^ｌ１ｌ_２ ^ｌ２において、

ｌ_２に対応する散乱光及び／または放出光は、内部全反射によって、励起ファイバーの上面（または下面）によって集光ファイバーに導かれうる。そのため、

条件ｌ_３ ^ｌ３において、

ｌ_３ ^ｌ３に対応する散乱光及び／または放出光は、内部全反射によって、励起ファイバーの上面（または下面）によって集光ファイバーに導かれうる。そのため、

条件ｌ_４ ^ｌ４において、

ｌ_４に対応する散乱光及び／または放出光は、内部全反射によって、励起ファイバーの上面（または下面）によって集光ファイバーに導かれうる。そのため、

強度の方式
集光ファイバーは、４つの点がその直径の外側にあるときには、いかなる散乱光も放出光も集光しない。すなわち、（Ｌ−ε）に中心を合わせた集光ファイバーに関して、

この方程式は次のように書き換えられる。

散乱光または放出光の集光の始まり（図７においてｔ_ｂとして表される）に対応する位置ｘ_１ ^ｘ１は、次のように表される。

散乱光または放出光の集光の終了（図７のｔ_ｉに対応する）に対応する位置ｘ_４ ^ｘ４は、以下のように画定される。

集められた散乱光または放出光の最大強度は、４つの点が集光ファイバーの端面内にあるときであり、（Ｌ−ε）に中心がある集光ファイバーに関して、以下で表される。

この方程式は次のように書き換えられる。

従って、最大強度の平坦部の始まり（図７ではｔ_ｄとして表される）に対応する位置ｘ’_４ ^ｘ’４は、以下によって表される。

最大強度の平坦部の終了（図７ではｔ_ｇとして表される）に対応する値ｘ’_１ ^ｘ’１は、以下で表されうる。

集められた、粒子によって散乱された光または放出された光の全体の長さγ_{ｔｏｔａｌ}は、最大強度の平坦部の長さγ_{ｐｌａｔｅａｕ}とともに、以下によって得られうる。

集められた、粒子によって散乱された光または放出された光の全体の長さγ_{ｔｏｔａｌ}は、最大強度の平坦部の長さγ_{ｐｌａｔｅａｕ}とともに、励起ファイバーの開口を通って循環するサンプル溶液及び粒子の流速を用いて継続時間に変換されうる。そのため、集められた光の継続時間τ_{ｔｏｔａｌ}及び最大強度の平坦部の継続時間τ_{ｐｌａｔｅａｕ}は、サンプル溶液及び粒子の流速ｖ_ｆｌｕｘ ^{ｖｆｌｕｘ}の関数として以下のように表される。

である場合は、三角形の一次プロファイルを有する集められた散乱光または放出光に対応し、プラトーのないブランコ形状の限定的な場合を表す。

集められた非ガウシアン一時光−２つの対向する集光ファイバー
前述の数学的方程式は、１つの集光ファイバーに関する。２つの直径方向に対向する集光ファイバーが、１つの光学検出システムと共に使用される場合、光学検出システムは、図９に示されるように、２つの集光ファイバーによって集められた光の合計を検出する。従って、前述の方程式は第１の集光ファイバーに適用し、第２の集光ファイバーに関する方程式は、数式（３）で（ｔ−ｙ）を（ｙ）で置換することによって得られ、同一の方程式を使用しうる。従って以下の数式（３ａ）は第１の集光ファイバーに適用できる方程式に対応し、（３ｂ）は第２の集光ファイバーに関する等価な方程式に対応する。

２つの集光ファイバーに関して異なる値ｄ、ｇ及びＮＡに関して一般化する。

そのため、以下の方程式が第１及び第２の集光ファイバーに関して得られうる。

第１及び第２の集光ファイバーに関する方程式は、粒子が流路内で完全に中心にないとき及び／または第１及び第２の集光ファイバーが異なるパラメータを有し及び／または完全に位置合わせされていないときに、１つの粒子に関して散乱されまたは放出され、第１及び第２の集光ファイバーによって集められた光が異なるということを示している。従って、集められた光を単純に加えることは可能ではなく、２つの集光ファイバーに関して相対的な位置情報を含む代数分析が必要である。

結合された集められた光の長さは、以下で表される。

結合された集められた光の平坦部の継続時間は、そのため以下で表される。

遷移領域の分析
遷移領域は、集められた光の強度が、光の強度が比較的一定になる平坦部を除いて、増大または低下する区間に対応する。

第１の近似において、粒子はランバート的である、すなわち一定の発光（Ｗ／ｍ^２・ｓｒ）を有すると考えられる。集光ファイバーの集光窓及び発光粒子と集光ファイバーとの間の距離を考えると、放出される光の角度依存性は比較的小さくなるであろう。例えば、

の角度依存性に関して、Ｂにおける強度のｌ_１において９５％の強度が得られる。遷移領域における信号強度の計算において、本明細書は、半径（ｌ_１−ｘ）、中心ｘ^ｘの円の、（ｘ＝Ｌ−ε）に位置する半径Ｒの円との交差部のみを考えることに限定される。第１の集光ファイバー内の規格化された強度Ｉ^{（１）Ｉ（１）}は、半径（ｌ_１−ｘ）の円の規格化された全表面に渡る交差部の面積の比によって得られる。

ここで、

同様の規格化は、第２の集光ファイバーに関しても行うことができ、そのため検出された光の全強度Ｉ^{（１＋２）}は以下の通り得られる。

前述の方程式（１から３９）の組は、交差領域内を通過する粒子によって非ガウシアンパルスを発生させるための、励起ファイバー、流路及び集光ファイバーの光学特性、比率及び位置の間の相対的な関係を規定する。

本発明のフローセルは、先行技術のフローセルと比較して多くの利点を提供する。
・本発明のフローセルの構成は、ノイズ源を最小化しつつ信号強度を最大化する光学パラメータを使用する。励起、流路及び集光ファイバーのパラメータが、先行技術のフローセル、例えば米国特許第７８３５５９９号明細書に記載のように、前述の方程式に従って選択されず、制約なく残される場合、完全に任意の一次プロファイルが発生することとなるであろう。これらの一次プロファイルは、ガウシアンまたはガウシアン状であり、従って数値的に処理することが困難であり、または粒子の特性を得ることができない。そのため、本発明のフローセルを使用することは、分析される粒子の特性を抽出するのに必要なハードウェアおよびソフトウェアの要求を単純化することにより、堅牢性を向上し製造コストを低下することができるのに加えて、先行技術のフローセルに対して優れた性能を提供する。
・非ガウシアン一時強度プロファイルの光を発生させ集光するために、互いに対して選択され、比率決定され、位置決定された励起ファイバー及び集光ファイバーの特性を有することは、それに対して必要とする処理がより少なくなることにより、光学集光システムの設計に対して利点をさらに提供する。例えば、集められる光がフローセルの構成によって本質的に強くローパスフィルタリングされるので、ローパスフィルターを取り除くことができる。
・集められた非ガウシアン一時光はさらに、品質の結果に単にトランスインピーダンス増幅器補償を提供することにより、光学検出システムの設計をより単純化することができる。
・上述の方程式に従って、励起ファイバー、流路及び集光ファイバーの特性、比率及び位置決定を互いに対して相対的に選択することにより、単に非ガウシアン一時強度プロファイルの衝撃信号を発生させ、信号処理を単純化することが可能になるだけでなく、発生した非ガウシアン一時強度プロファイルの衝撃信号を特性決定される粒子の関数として最適化することも可能となる。

前述の方程式に従って最適化された本発明のフローセルの集光ファイバーによって集められた光の予備的なシミュレーションは、粒子に関して集められた光がバックグラウンドレベルから平坦部までの遷移領域とともに平坦部を有することを示した。

非ガウシアン一時衝撃信号の処理及び分析
方程式１から３９に従って、励起ファイバー、流路及び集光ファイバーの特性、幾何形状及び位置を互いに対して適切に注意深く選択することにより、非ガウシアン一時強度プロファイルの光が発生し、集光ファイバーで集められることができることが実験的に示された。フローセル内で結果的に生じる衝撃信号は先行技術で知られるようなガウシアンではなく、線形的な上昇、平坦な頂部及び線形的な下降であって、上昇／頂部及び下降／頂部の比が約１：２である、時間に対して台形状であった。ここで、台形衝撃信号によって表されるフィルターされていない集められた光及び円形の衝撃信号によって表される４次５ＫＨｚのフィルターされた集められた光のシミュレーション結果を表す図１０を参照する。

このため、集められる非ガウシアン一時光は粒子に関して多くの情報を提供する。集められた非ガウシアン一時光に含まれる情報をより良好に抽出することができるように、台形一時パルス成形、台形キャリアパルストレイン成形及びフィルタリングの技術が用いられる。台形成形は、アナログ回路を用いて単純に実施でき、合理的に必要な信号帯域を制限しつつ精度のよい測定を行うために使用できる平坦な頂部の区画を提供し、それによってノイズを低減する。台形キャリア衝撃信号トレイン成形は、ガウシアン信号に関して使用されるコサイン成形に近いが、実施はより単純である。

フローセル及びフローサイトメトリーに関して、台形及び／または三角形の集められた光は先行技術のフローセル及びフローサイトメーターの集められたガウシアン状の光と比較して非常に興味深い特性を提供する。ガウシアン信号処理は、時間領域においてその本質的な複雑さから、ほとんどの場合デジタル的になされる。ガウシアン信号から抽出される特性の分解能及び／または精度を向上させるためには、得られる信号の強度、領域及び幅を決定するために、アナログ衝撃信号が多数回サンプリングされてデジタルフィルターを適用する。当技術分野で知られるように、所定の信号に対する理想的なフィルターは、信号自体と同一の周波数応答を正確に有するフィルター、すなわち整合フィルターである。デジタル信号処理において、整合フィルタリングは同一の理想的な形状を有するフィルターカーネルによって対象の信号の畳み込みを実施することによって得られる。従って、Ｎ回サンプリングされた衝撃信号に関して、フィルターカーネルは、処理されるべき新しい信号ごとにＮ回の乗算及び可算を必要とする。さらに、高さ、面積及び幅の値の決定に関して最良の可能な精度を得るために、衝撃信号サンプルに渡って非線形フィッティングが特性決定する情報を引き出すために必要とされる。これらの考慮全ては、リソースを多量消費する信号処理動作を表す。例えば、選択されたアルゴリズムがガウシアンパルスごとに６４サンプルを使用する場合、信号処理は６４サンプルごとに１２８回の動作、すなわち全部で８１９２回の動作を必要とする。再帰的近似フィルタを使用することは、この複雑さを低減することができるが、強度、幅及び面積などの正確なパルスパラメータ決定のためのパルスフィッティングは依然として多量の処理を必要とする。

集められた非ガウシアン一時光に関して、衝撃信号の頂部は連続するサンプルごとに１回の可算及び１回の減算を必要とする移動合計フィルターを単純に使用することによってフィルターされうる。例えば、非ガウシアン一時衝撃信号の頂部が衝撃信号幅の５０％を表す場合、計算の必要性は、劇的に減少可能、すなわち因子２に削減可能である。上と同じサンプルに関して、非ガウシアンパルスサンプリングは、６４サンプルごとに２回の動作、すなわち全部で１２８回の動作のみを必要とし、すなわち信号処理リソースにおいて少なくとも６４倍の減少となる。ガウシアンパルスに加えて、及びガウシアンパルスとは対照的に、例えば台形衝撃信号などの非ガウシアンパルスの強度、幅及び面積の決定は、これが単純な平均化技法及び線形フィッティングによるものであるため、自明である。

集積された微小流動システムを有するカートリッジ
他の実施形態において、励起ファイバー、流路及び集光ファイバーの異なる特定の幾何形状及び組み合わせをそれぞれ有する取り外し可能なフローセルカートリッジのセットが提供可能である。カートリッジは、１回使用の使い捨てデバイス、または再利用可能な構成要素のいずれかとして提供可能であり、様々な粒子を含むサンプル溶液のいくつかの種類を連続的にまたは同時に特性決定するために使用可能である。フローセルカートリッジのそれぞれは、多数のサンプル溶液の特性決定のための汎用かつ多用途測定デバイスとして単に使用可能であり、または専用の組立体との関連で測定前に特定の溶液サンプルを準備するために使用される埋め込み型微小流動システム及び試薬と組み合わせて用いられることも可能である。代替的に、単一のカートリッジがその中に多数の低いセルを提供することが可能であり、その全てが同一または非同一であることができ、連続的にまたは並列に使用可能である。上述の実施形態の全ては、単一の読み込み装置上で、必要な処理を低減しつつ、改善された精度及び／またはスループットを有する非常に多様な試験に適合する手段を提供する。

方法
本方法を例示的に順番に表す図１１をここで参照する。まず、フローセル内の励起領域が光で照射される。励起領域が照射されているときに、特性決定される粒子を含むサンプル溶液の流動が、励起ファイバーの流路内に提供され、流路を流される。次いで、粒子によって非ガウシアン一時衝撃信号の形で散乱され及び／または放出された光が集められる。本方法はさらに、非ガウシアン一時衝撃信号に対してフィルタリング及び微分動作を実施し、粒子の特性決定を完了する段階を含む。

さらに、本方法は、抽出された粒子の特性の精度を向上させるために、フローセルカートリッジを、異なる特性の組を有する他のものに変更する柔軟性を与える。集められた光の非ガウシアン一時強度プロファイルは特定のフローセル特性に依存するため、異なるカートリッジで同一のサンプル溶液を試験することで、信号処理の必要性を低減しつつ粒子特性決定の精度を顕著に向上させることができる。

従って、異なる特性を有するフローセルを使用することにより、集められた光の非ガウシアン一時強度プロファイルを最適化することができ、最良の結果を得るフローセルを選択することができる。この特徴によって、粒子の特性決定においてより高い精度を得ることができ、先行技術において説明されるフローセルにおいて実現困難な、際立った特徴となる。当業者であれば、本発明のフローセル、カートリッジおよび方法の説明は単に例示的なものであり、いかなる限定も意図していないことが分かるであろう。他の実施形態は、それ自体が本開示の利点を有することを当業者に容易に示唆するであろう。

本開示は、非限定的かつその例示的な実施形態として上述されたが、これらの実施形態は本開示の思想及び本質から逸脱することなく、添付された特許請求の範囲内で任意に改良されうる。

１ 励起ファイバー
２ コア
３ クラッド
４ 流路
６ 反射性材料
７ キャピラリーチューブ
８ サンプル溶液
９ 粒子
１０ 光源
１３、１３’ 集光ファイバー
１４、１４’ 集光光学系
１５ フローセル
１６、１６’ 光学検出システム
１７ 信号処理システム

Claims (21)

1. サンプル溶液内の粒子を特性決定するためのフローセルであって、前記フローセルが、
   励起光を輸送するためのコアを有し、前記コアに対して横断する流路であって、前記流路を通して前記サンプル溶液の流動を導くための流路を画定する、励起ファイバーと、
   前記流路に隣接し、前記流路を通って流れ、前記励起光によって励起された前記粒子によって散乱されまたは放出された光を集める、少なくとも１つの集光ファイバーと、を含み、
   前記励起ファイバー、前記流路及び前記少なくとも１つの集光ファイバーの特性が、非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、フローセル。
2. 前記励起ファイバー、前記流路及び前記少なくとも１つの集光ファイバーの特性が、粒子の大きさの範囲に関して非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、請求項１に記載のフローセル。
3. 前記励起ファイバー、前記流路及び前記少なくとも１つの集光ファイバーの特性が、波長の範囲に関して非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、請求項１に記載のフローセル。
4. 前記励起ファイバー、前記流路及び前記少なくとも１つの集光ファイバーの特性が、粒子の大きさ及び波長の範囲に関して非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、請求項１に記載のフローセル。
5. 前記励起ファイバー、前記流路及び前記少なくとも１つの集光ファイバーの特性が、粒子の大きさ及び波長の範囲に関して台形または三角形の一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、請求項１に記載のフローセル。
6. 前記励起ファイバー及び前記少なくとも１つの集光ファイバーが、取り外し可能なフローセルカートリッジとして実装される、請求項１に記載のフローセル。
7. 前記励起ファイバーの各側部に直径方向に配置された２つの集光ファイバーを含む、請求項１に記載のフローセル。
8. 前記励起ファイバー及び前記２つの集光ファイバーが、光源及び検出システムに結合されるように、取り外し可能なフローセルカートリッジとして実装される、請求項７に記載のフローセル。
9. 前記励起ファイバーがさらに、光源に対して反対側の端部に反射表面を含む、請求項１に記載のフローセル。
10. 前記励起ファイバー及び前記２つの集光ファイバーが、取り外し可能なフローセルカートリッジとして実装され、前記励起ファイバーがさらに、光源に対して反対側の端部に反射表面を含む、請求項７に記載のフローセル。
11. 前記励起ファイバーが、正方形または長方形の断面を有する、請求項１に記載のフローセル。
12. 前記励起ファイバーが、ガラス、プラスチックまたは任意の実質的に透明な導波材料からなる、請求項１に記載のフローセル。
13. サンプル溶液内の粒子を特性決定する方法であって、前記方法が、
    励起ファイバーの流路内に、粒子を含むサンプル溶液の流動を提供する段階と、
    前記粒子を照射するために、前記励起ファイバー内に励起光を提供する段階と、
    前記照射された粒子によって散乱され及び／または放出される光の非ガウシアン一時パルスを集める段階と、
    前記粒子の少なくとも１つの特性を決定するために、集められた前記非ガウシアン一時光パルスをフィルタし、検出する段階と、を含み、
    前記励起ファイバー、前記流路及び集光ファイバーの特性が、非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、方法。
14. 前記励起ファイバー、前記流路及び前記集光ファイバーの特性が、粒子の大きさの範囲に関して非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記励起ファイバー、前記流路及び前記集光ファイバーの特性が、波長の範囲に関して非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、請求項１３に記載の方法。
16. 前記励起ファイバー、前記流路及び前記集光ファイバーの特性が、粒子の大きさ及び波長の範囲に関して非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、請求項１３に記載の方法。
17. 前記励起ファイバー、前記流路及び前記集光ファイバーの特性が、粒子の大きさ及び波長の範囲に関して台形または三角形の一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、請求項１３に記載の方法。
18. 前記集める段階が、前記励起ファイバーの各側部に直径方向に配置され、励起領域に面する２つの集光ファイバーによって実施される、請求項１３に記載の方法。
19. 前記励起ファイバー、前記流路及び前記１つまたは複数の集光ファイバーが、取り外し可能なフローセルカートリッジとして実装される、請求項１３に記載の方法。
20. サンプル溶液内の粒子を特性決定するフローサイトメーターであって、前記フローサイトメーターが、
    励起光を発生させるための光源と、
    励起ファイバーと少なくとも１つの集光ファイバーとを含むフローセルであって、前記励起ファイバーが前記励起光を輸送するためのコアを有し、前記励起ファイバーが、前記サンプル溶液の流動を通して導くための、前記励起ファイバーに対して横断する流路を画定し、前記集光ファイバーが前記流路に近接して配置される、フローセルと、を含み、
    前記励起ファイバー、前記流路及び前記集光ファイバーの特性が、非ガウシアン一時強度プロファイルの集められた光を発生させるように、互いに対して相対的に選択され、比率決定され、位置決定される、フローサイトメーター。
21. 光学検出システム及び、前記集められた光のサンプルに対してフィルター及び微分処理を実施するための信号処理デバイスをさらに含む、請求項２０に記載のフローサイトメーター。

Images