JP2023526690A - フローサイトメータ及びそのレーザ光学アセンブリ - Google Patents

フローサイトメータ及びそのレーザ光学アセンブリ Download PDF

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Abstract

横電界(TE)レーザダイオード、フローセル、1/4波長板(QWP)、複数のレンズ、及び側方散乱光検出器を含む、血液分析器のフローサイトメータである。TEレーザダイオードは、光軸に沿ってレーザビームを出力するように構成され、約16度から約25度までの速軸半値全幅(FWHM)発散を有する。QWPは、TEレーザダイオードとフローセルとの間の光軸に沿って配置され、レーザビームを円偏光するように構成される。複数のレンズは、TEレーザダイオードとフローセルとの間に配置され、レーザビームをフローセルに収束させるように構成される。【選択図】図1

Description

関連出願への相互参照
本出願は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる、2020年6月17日に出願された米国特許仮出願第63/040,035号の利益及び優先権を主張するものである。
本開示は、フローサイトメトリに関し、より具体的には、例えば血液学又は血液分析器の、フローサイトメータ及びフローサイトメータ用のレーザ光学アセンブリに関する。
フローサイトメータは、通常、サンプルコアストリームで流れている粒子にレーザビームが照射され、粒子の屈折率、サイズ、形状、及び他の特性に応じてレーザ光が吸収及び散乱されるように、レーザビームが比較的細いサンプルコアストリームを通過することを必要とする。各粒子について、吸収及び散乱された光の強度が測定される。吸収及び散乱の測定値は、粒子のタイプ及び粒子の特徴を識別及び定量化するために用いられる。より最近では、粒子のタイプ及び/又は特徴を判定するために、飛行時間(TOF)測定がさらに又は代替的に用いられている。
フローサイトメータでは、コアストリームの流れに平行なビームの良質なガウス空間強度プロファイルを維持することが重要である。この場合、粒子がそのプロファイルを通過する際に、検出される散乱光もガウス強度プロファイルを一時的に有することになり、粒子がビームのガウス強度プロファイルに流入する際に、検出される散乱信号が増加し、ビームの空間強度の最大値で最大になり、次いで、粒子がビームのガウス強度プロファイルから流出する際に減少する。
プロファイル強度のローブ、例えば、ガウスピークのショルダ又はガウスピークの近くの比較的小さいピークは、大きい粒子がビームを通過するときに小さい粒子として誤認される可能性があるため望ましくない。ガウスピークの両側にある小さいピーク又はショルダを無視することでローブの影響を軽減することができるが、ローブと同時に発生する重要な情報が失われる可能性があるため、これは最適な方策ではない。
一部のフローサイトメータでの別の懸念は、一部の又はすべての粒子タイプで測定されるTOFを信頼できる粒子識別に使用できるようにガウス強度プロファイルの幅を設定することである。幅が大きすぎると、より小さい粒子の分解能が失われる。
本開示は、プロファイル強度のローブを排除する又はローブを小さい又は無視できる強度に例えばメインガウスピークの強度の多くとも7%に減らす、良好な飛行時間(TOF)機能を提供する、(レーザビームの光軸に対して)例えば30度以下の比較的低い前方角度、及び(レーザビームの光軸に対して)例えば50度乃至120度の比較的高い側方角度での散乱光の検出を可能にする、及び偏光解消散乱光と偏光散乱光との両方で前方散乱と側方散乱との両方に対して良好な感度を提供する、フローサイトメータ及びそのレーザ光学アセンブリを提供する。
本開示の上記の及び他の態様及び特徴を以下に詳述する。一貫性のある範囲で、本明細書で詳述する態様及び特徴のいずれも、そのような態様及び特徴が以下にまとめて記載されているか又は個別に記載されているかに関係なく、本明細書で詳述する他の態様及び特徴のいずれかと共に又はそれらなしに使用され得る。
本開示の態様に従って提供されるのは、横電界(TE)レーザダイオード、フローセル、1/4波長板(QWP)、複数のレンズ、及び側方散乱光検出器を含む、血液分析器のフローサイトメータである。TEレーザダイオードは、光軸に沿ってレーザビームを出力するように構成される。レーザビームは、約16度から約25度までの速軸半値全幅(FWHM)発散を有する。QWPは、TEレーザダイオードとフローセルとの間の光軸に沿って配置され、レーザビームが通過する際にレーザビームを円偏光するように構成される。複数のレンズは、TEレーザダイオードとフローセルとの間に配置される。レンズは、協働してレーザビームをフローセルに収束させる。側方散乱光検出器は、光軸に対して約50度から約120度までの角度でフローセルからの側方散乱光を検出するように構成される。
本開示の一態様では、少なくとも1つの前方散乱光検出器が設けられる。一部の態様では、少なくとも2つの前方散乱光検出器、例えば、1つ以上の高角度前方散乱光検出器(FSH)と、低角度前方散乱光検出器(FSL)が設けられる。加えて又は代替的に、消光センサが設けられ得る。少なくとも1つの前方散乱光検出器、例えば1つ以上のFSHは、光軸に対して約30度未満の角度でフローセルからの前方散乱光を検出するように構成され得る。このような態様では、少なくとも1つの前方散乱光検出器は、光軸に対して約11.5度から約15.5度までの角度でフローセルからの前方散乱光を検出するように構成され得る。加えて又は代替的に、少なくとも1つの前方散乱光検出器、例えばFSLは、光軸に対して約2.0度から約2.4度までの角度でフローセルからの前方散乱光を検出するように構成され得る。
本開示の別の態様では、コアストリームの中心に頂点がある状態での、レーザビームの重心に対する側方散乱光検出角度は、強い側方散乱信号を提供するべく78度を中心とする。散乱強度は、例えば、光軸に対して約67度乃至約89度の範囲を定める円形レンズ開口を通して検出可能である。約78度で最大開口幅となり得る。加えて又は代替的に、フローセルからの側方散乱光強度は、光軸に対して約50度から約120度までの角度範囲で側方散乱光検出器によって検出され得る。これは、例えば、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第6,618,143号に詳述されているように、集光レンズ又は集束レンズなしに高開口数の検出器を使用することによって達成され得る。
本開示のさらに別の態様では、QWPは、QWPへのレーザビームの入射重心角が約7度以下になるようにTEレーザダイオードに対して配置される。
本開示のまた別の態様では、QWPの複屈折軸は、レーザビームを右回り又は左回りに円偏光するべく、レーザビームの偏光軸に対して光軸を中心として±45度回転する。
本開示のさらにまた別の態様では、複数のレンズは、レーザダイオードとQWPの間に配置されるコリメートレンズ、及び、QWPとフローセルとの間に配置される対物レンズを含む。このような態様では、複数のレンズは、コリメートレンズと対物レンズの間に配置される正の円筒レンズ及び負の円筒レンズをさらに含み得る。
本開示の別の態様では、レーザビームは、フローセルのコアストリームで、コアストリームの流れの方向に平行な方向に約6.7μmから約9μmまでのビームウエスト1/e直径及び/又はフローセルの流れの方向に垂直な方向に約140μmから約210μmまでのビーム1/e直径を画定する。
本開示の別の態様では、TEレーザダイオードは、少なくとも10mWのパワーを出力するように構成される。加えて又は代替的に、TEレーザダイオードは、少なくとも20mWのパワーを出力するように構成される。
本開示に従って提供される網赤血球及び顆粒球を検出する方法は、網赤血球又は顆粒球のうちの少なくとも1つを有する血液サンプルを、シース流体とともにフローセルに流すことと、横電界(TE)レーザダイオードから、約16度から約25度までの速軸半値全幅(FWHM)発散を有するレーザビームを光軸に沿って放出することと、TEレーザダイオードとフローセルとの間の光軸に沿って配置された1/4波長板(QWP)にレーザビームを通過させて、そこを通過する際にレーザビームを円偏光することと、TEレーザダイオードとフローセルとの間に配置された複数のレンズにレーザビームを通過させて、レーザビームをフローセルに収束させることと、光軸に対して約50度から約120度までの角度でフローセルからの側方散乱光を検出することとを含む。
本開示の一態様では、方法は、光軸に対して約30度未満の角度でフローセルからの前方散乱光を検出することをさらに含む。このような態様では、フローセルからの前方散乱光は、光軸に対して約11.5度から約15.5度までの角度で検出され得る。上記の角度で検出するために、少なくとも1つの前方散乱光検出器、例えば1つ以上の高角度前方散乱光検出器(FSH)が使用され得る。代替的に又は加えて、より低い角度で、例えば光軸に対して約2.0度から約2.4度までの角度で散乱された光を検出するために、低角度前方散乱光検出器(FSL)が設けられ得る。加えて又は代替的に、消光センサが設けられ得る。
本開示の別の態様では、レーザビームの重心に対する側方散乱光検出角度は、強い側方散乱信号を提供するべく78度を中心とする。散乱強度は、一部の態様では、光軸に対して約67度乃至約89度の範囲を定める円形レンズ開口を通して検出可能である。加えて又は代替的に、フローセルからの側方散乱光強度は、光軸に対して約50度から約120度までの角度範囲で側方散乱光検出器によって検出される。これは、例えば、集光レンズ又は集束レンズなしに高開口数の検出器を使用することによって達成され得る。
本開示のまた別の態様では、QWPを通過するレーザビームは、約7度以下のQWPへのレーザビームの入射重心角を画定する。
本開示のさらに別の態様では、QWPを通過するレーザビームは、QWPによって右回り又は左回りに円偏光される。
本開示のさらにまた別の態様では、複数のレンズは、レーザビームがQWPの前にコリメートレンズを通過するように配置されたコリメートレンズを含む。このような態様では、複数のレンズは、レーザビームがQWPの後に対物レンズを通過するように配置された対物レンズをさらに含み得る。
本開示の別の態様では、レーザビームは、フローセルで、流れに平行な方向に約6.7μm乃至約9μmのビームウエスト1/e直径及び/又は流れに垂直な方向に約140μm乃至約210μmのビーム1/e直径を画定する。
本開示のまた別の態様では、レーザビームを放出するためのTEレーザダイオードのパワー出力は、少なくとも10mWであり、他の態様では少なくとも20mWである。
ここで開示されるフローサイトメータ及びそのレーザ光学アセンブリの様々な態様及び特徴は、同様の参照番号が類似の又は同一の要素を識別する図面を参照して本明細書で説明される。
本開示に従って提供されるフローサイトメータの、レーザ光学系、フローセル、及びセンサを備えるモジュールの斜視図である。 図1のモジュールの縦断面図である。 図1のモジュールのレーザ光学アセンブリの斜視部分断面図である。 選択された対物レンズ焦点距離でのビーム発散と集束ビーム直径1/eウエストとの間の関係性を例解する表である。 特定の焦点距離及び有効開口径を有する選択されたコリメートレンズについてのレンズの有効開口でのビーム発散と相対ビーム強度との間の関係性を例解する表である。
図1及び2に移ると、本開示は、概して参照番号10で識別される、レーザ光学系、フローセル、及びセンサを備えるモジュールを含む、例えば血液学又は血液分析器の、フローサイトメータを提供する。モジュール10は、一般に、取り付けプラットフォーム100、取り付けプラットフォーム100に固定されたレーザ光学アセンブリ200、取り付けプラットフォーム100に固定され、レーザ光学アセンブリ200に対して動作可能に配置されたフローセルアセンブリ300、及び取り付けプラットフォーム100に固定され、前方散乱光と側方散乱光との両方を検出するべくレーザ光学アセンブリ200及びフローセルアセンブリ300に対して動作可能に配置されたセンサアセンブリ400を含む。本明細書で明示的に詳述されない又は矛盾しないモジュール10のさらなる特徴は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる2019年3月28日に出願された「FLOW CYTOMETER, LASER OPTICS ASSEMBLY THEREOF,AND METHODS OF ASSEMBLING THE SAME」と題する米国特許出願公開第2019/0302391号で見ることができる。
図示していないが、フローサイトメータは、モジュール10に加えて、例えば、フローサイトメータの動作可能な内部コンポーネントを取り囲む外側ハウジング、モジュール10を制御し、モジュール10から受信したテスト結果を処理するように構成された電子モジュール、テストするサンプルを受け入れるように構成されたサンプル受け入れモジュール、サンプル及びシース流体をフローセルアセンブリ300に送り込むように構成されたポンプモジュール、テスト後のサンプル及びシース流体の安全な収集を可能にするように構成された廃液モジュール、及びユーザから入力情報を受信する及びユーザに情報を表示するためのユーザインターフェースモジュールを含み得る。代替的に又は加えて、本開示のフローサイトメータのモジュール10と共に用いられる任意の他の適切なモジュール、コンポーネント、及び/又は特徴も企図される。
上述のように、モジュール10の取り付けプラットフォーム100は、例えばボルト及び/又は任意の他の適切な締結構造体を使用して、レーザ光学アセンブリ200、フローセルアセンブリ300、及びセンサアセンブリ400をその上に取り付けることで、これらのアセンブリ200~400の相互の及び取り付けプラットフォーム100との相対位置を維持することを可能にする。
レーザ光学アセンブリ200を以下にさらに詳しく説明する。
引き続き図1及び2を参照すると、フローセルアセンブリ300は、サンプル流体をノズル320に及びシース流体を入力部310に送達するためのハウジング330によって画定されるノズル320に結合された入力部310と、ノズル320からサンプル流体及びシース流体を受け取るためにノズル320の下流に接続されたフローセル340と、テスト後のサンプル流体及びシース流体を適切な収集リザーバに誘導するためにフローセル340の下流に配置された出力部350を含む。フローセルアセンブリ300のハウジング330は、取り付けプラットフォーム100に画定された孔120内に着座し、フローセル340とレーザ光学アセンブリ200の円筒対物レンズ296との間の規定された距離を維持するべく、複数のボルトを使用して又は任意の他の適切な様態で取り付けプラットフォーム100に固定される。
センサアセンブリ400は、前方散乱光サブアセンブリ410と、側方散乱光サブアセンブリ420を含む。前方散乱光サブアセンブリ410は、ボード412と、消光センサ、前方散乱光低角度(FSL)センサ、及び1つ以上の前方散乱光高角度(FSH)センサ、例えば2つのFSHセンサを含むセンサアレイ414とを含む。モジュール10、より詳細には、以下で詳述するそのレーザ光学アセンブリ200の構成により、前方散乱光サブアセンブリ410のセンサアレイ414は、レーザビームの光軸に対して比較的低い角度、例えば約30度以下でフローセル340からの前方散乱光を検出することができる。一部の実施形態では、前方散乱光は、1つ以上のFSHセンサを使用してレーザビームの光軸に対して約11.5度乃至約15.5度の範囲、FSLセンサを使用して約2.0度乃至約2.4度の範囲の角度で検出される。FSLセンサでの前方散乱強度は、血球のサイズにほぼ比例する。
側方散乱光サブアセンブリ420は、レンズマウント422と、レンズマウント422内に支持されるレンズ424と、側方散乱光センサアレイ(図示せず)を含む。モジュール10、より詳細には、同じく以下で詳述するそのレーザ光学アセンブリ200の構成により、側方散乱光サブアセンブリ420の側方散乱光センサアレイ(図示せず)は、一部の実施形態ではレーザビームの光軸に対して約50度から約120度まで、他の実施形態ではレーザビームの光軸に対して約65度から約91度までの角度でフローセル340からの側方散乱光を検出することができる。側方散乱光に対する最大感度は、光軸に対して約78度であり得る。さらなる又は代替的な実施形態では、散乱強度は、光軸に対して約67度乃至89度の角度範囲を定める円形レンズ開口を通じて検出可能である。約78度で最大開口幅となり、これにより、同じ開口が同じ距離に配置されるが90度などのより高角度で最大幅となる場合よりも、側方散乱光に対する感度が高くなる。側方散乱強度は、血球の屈折率及び内部の複雑さにほぼ比例する。
図1~3を参照すると、レーザ光学アセンブリ200は、クランプサブアセンブリ210、コリメーションサブアセンブリ230、及び複数のレンズサブアセンブリ270、280、290を含む。クランプサブアセンブリ210は、レーザ光学アセンブリ200を取り付けプラットフォーム100にしっかりとボルトで固定できるように孔が画定された少なくとも一対の脚214を両側部に沿って画定する、ベースプレート212を含む。ベースプレート212はさらに、脚214の間でベースプレート212に沿って延びる概して円筒形のバレル218を画定する。バレル218は、バレル218の長さに沿って位置合わせされた第1のチャンバ219、第2のチャンバ221、第3のチャンバ223、及び第4のチャンバ225を画定する。チャンバ219、221、223、及び225は、コリメーションサブアセンブリ230及びレンズサブアセンブリ270、280、290をそれぞれ内部に受け入れるように構成される。クランプサブアセンブリ210はさらに、コリメーションサブアセンブリ230及びレンズサブアセンブリ270、280、290をチャンバ219、221、223、及び225内にそれぞれ取り囲む及び互いに対して固定するべく、ベースプレート212にボルトでしっかりと固定されるように構成された、カバープレート220、222、224、226を含む。
特に図2及び3を参照すると、コリメーションサブアセンブリ230は、支持ディスク232、支持ハブ234、インサート236、及びばね座金237を含み、これらは、互いに動作可能に係合し、コリメーションサブアセンブリ230のコリメートレンズ238を、コリメーションサブアセンブリ230のレーザダイオード240に対して定位置に保持するように構成される。
レーザダイオード240は、横電界(TE)レーザダイオードであり、したがって、放出されたレーザ光の偏光軸は、速軸又はより発散する軸に垂直である。速軸又はより発散する軸は、一部の実施形態では約16度から約25度まで、他の実施形態では約20度から約23度まで、さらに他の実施形態では約21度から約22度までの半値全幅(FWHM)発散を有する。
横磁界(TM)レーザダイオードは通常、より大きな速軸発散を有するので、TMレーザダイオードの代わりに、横電界(TE)レーザダイオードが用いられることに注目される。これらのより大きな発散はいくつかの問題を引き起こす可能性がある。第1に、ビームクリッピングの可能性が高くなり、その結果、ローブがより大きくなる。また、2つの他のトレードオフが存在する、すなわち、より焦点距離が大きい対物レンズが必要になるため、レーザモジュールがより長くなり、温度変化の影響を受けにくくすることが難しくなる、又は、例えばより大きな白血球の場合に、光軸に沿った実際の又は見かけのコアストリームシフトの影響を受けない範囲がより小さくなることと、飛行時間に対する感度が低くなることとの両方を受け入れなければならない。
しかしながら、TEレーザダイオードを補償なしに使用すると、偏光側方散乱検出に対する感度が下がるという欠点がある。偏光側方散乱に対する良好な感度は、網赤血球及び顆粒球の識別に特に関連する。以下で詳述するようにレーザ光学アセンブリ200の他の構成特徴とともに1/4波長板277を使用することにより、TEレーザダイオード240のこの欠点は、同じく以下で詳述するようにモジュール10が偏光側方散乱光に対する良好な感度をもたらすように補償される。
レーザダイオード240は、一部の実施形態では少なくとも約10mW、他の実施形態では少なくとも約20mW、さらに他の実施形態では少なくとも約40mWのパワーを有する。10mWから40mWまで又は20mWから40mWまでのパワーも企図される。レーザダイオード240は、電力及び制御電子回路(図示せず)への接続を可能にする適切な電気コネクタを有する。レーザダイオード240は、一部の実施形態では約630~665nmの範囲内、他の実施形態では約635~650nmの範囲内の波長を有する赤色光を放出するように構成することができ、さらに他の実施形態では、レーザダイオード240は約640nmの公称波長を有する。レーザダイオード240は、一部の実施形態では、USHIO OPTO SEMICONDUCTORS, INC.,Tokyo,Japanから入手可能なHL6363MG-Aレーザダイオードである。
引き続き図2及び3を参照すると、レーザダイオード240は、支持ディスク232内に固定されるように構成される。支持ディスク232は、支持ハブ234に固定される、例えばボルトで固定されるように構成され、支持ハブ234は、インサート236をねじ込み係合で受け入れる。コリメートレンズ238が、支持ハブ234内に配置され、支持ディスク232と支持ハブ234との間、及び、インサート236と支持ハブ234との間の係合により、インサート236と支持ディスク232との間の固定位置に保持される。ばね座金237が、インサート236と支持ディスク232との間に配置され、それらの間の張力を維持し、したがって、様々な固定されるコンポーネント間の遊びをなくす。
コリメーションサブアセンブリ230の様々なコンポーネントの上記に詳述した係合により、レーザダイオード240から放出されたビームが支持ハブ234と同軸方向に良好にコリメートされる及び指向するように、コリメートレンズ238とレーザダイオード240の互いに対する水平方向、垂直方向、及び軸方向の位置合わせが固定される。コリメーションサブアセンブリ230は、コリメーションサブアセンブリ230の支持ハブ234をクランプサブアセンブリ210のベースプレート212のバレル218の第1のチャンバ219内に着座させ、カバープレート220を支持ハブ234の周りに配置し、支持ハブ234のいずれかの側部でカバープレート220をベースプレート212と例えばボルトで係合させることで、クランプサブアセンブリ210上に組み立てられる。
図2及び3をさらに参照すると、上述のように、レーザ光学アセンブリ200は、3つのレンズサブアセンブリ270、280、290を含む。各レンズサブアセンブリ270、280、290は、その中にそれぞれのレンズ276、286、296を固定して保持するように構成されたレンズポケット274、284、294をそれぞれ画定するレンズクレードル272、282、292をそれぞれ含む。
レンズサブアセンブリ270のレンズクレードル272は、その中に1/4波長板(QWP)277を固定して保持するさらなるレンズポケット275をさらに含む。さらなるレンズポケット275は、図2に示すようにレンズクレードル272内に画定された拡大端開口部278を介してアクセス可能であり、ポケット275へのQWP277の縦方向の挿入を可能にする及び/又は図3に示すようにレンズクレードル272内に画定されたスロット279を介してポケット275へのQWP277の横方向の挿入を可能にする。QWP277をポケット275内に着座させるための他の構成も企図される。さらなるレンズポケット275の代替として、QWP277は、レンズ276と一緒にレンズポケット274内に取り付けられてもよい。QWP277は、コリメートレンズ238とは反対側のレンズ276の側部に配置されてもよく、又はレンズ276のコリメートレンズ側に配置されてもよい。別の代替として、QWP277は、コリメーションサブアセンブリ230内に配置され、コリメートレンズ238の、レンズ276の方の側部(したがって、レーザダイオード240とは反対側)に存在してもよい。上記の構成のいずれにおいても、レーザ光学アセンブリ200は、QWP277へのレーザビームの入射重心角が約7度以下になるように構成され得る。
レンズ276は、正の円筒レンズとして構成され、レンズサブアセンブリ270の一部として、ベースプレート212のバレル218の第2のチャンバ221内に配置されるように構成され、したがって、正の円筒レンズ276は、第2のチャンバ221内でコリメートレンズ238の最も近くに配置されるように第2のカバープレート222を介して固定される。第2のカバープレート222はまた、コリメートレンズ238に対して正の円筒レンズ276の反対側で、ベースプレート212のバレル218の第2のチャンバ221内に(又は上記の位置などの任意の他の適切な位置に)QWP277を固定する。
QWP277は、例解されている構成では、ベースプレート212のバレル218の第2のチャンバ221内に配置され、第2のチャンバ221内で正の円筒レンズ276とともに第2のカバープレート222を介して固定される複屈折QWPである。QWP277は、その複屈折軸がレーザビームの(TE)偏光軸に対してレーザビーム軸を中心として±45度回転するように配向される。QWP277は、レーザビームが、QWP277の平坦で平行な面を垂直に横切り、画定された遅軸に平行に偏光され、遅軸に垂直な画定された速軸に平行に偏光されたビームよりも約1/4波長遅くプレートを横断することを可能にし、したがって、ビームの円偏光をもたらす。QWP277の遅軸及び速軸の位置に応じて、QWP277から出る光ビームは、右回り又は左回りに円偏光される。右回り又は左回りの偏光のいずれかを用いることができる。
一部の構成では、QWP277とレンズ276は、例えばQWP277がレンズ276の平坦面に結合される状態で一緒に結合され、レーザビームの(TE)偏光軸に対するQWP277の複屈折軸の上記に詳述した配向を維持するように配置される。この構成では、QWP277の複屈折軸は、レンズ276の円柱軸に対して約±45度に設定される。QWP277とレンズ276の位置合わせは、QWPの遅軸及び速軸が正の平凸円筒レンズ276の湾曲軸に対して±45度に配向されることを保証する測定値及び/又は基準を使用することで達成及び維持することができる。
レンズ286は、負の円筒レンズとして構成され、レンズサブアセンブリ280の一部として、ベースプレート212のバレル218の第3のチャンバ223内に配置されるように構成され、したがって、負の円筒レンズ286は、第3のチャンバ223内でコリメーションサブアセンブリ230に対してその対向する側部で正の円筒レンズ276に次いで配置されるように第3のカバープレート224を介して固定される。レンズ296は、円筒対物レンズとして構成され、レンズサブアセンブリ290の一部として、ベースプレート212のバレル218の第4のチャンバ225内に配置されるように構成され、したがって、円筒対物レンズ296は、第4のチャンバ225内で正の円筒レンズ276に対してその対向する側部で負の円筒レンズ286に次いで配置されるように第4のカバープレート226を介して固定される。
組み立て中に、コリメーションサブアセンブリ230が設置されると、レンズサブアセンブリ290が、チャンバ225に挿入され、回転方向に調整され、レンズ296とコリメートレンズ238の焦点距離の合計にほぼ等しいコリメートレンズ238からの距離にレンズサブアセンブリ290が設置されるように圧迫下でレンズサブアセンブリ290をベースプレート212に対して定位置に固定するべく、カバープレート226を介して固定される。レンズサブアセンブリ290の設置中に、コアストリームがフローセル340を通って流れる方向に平行な方向に、ビームウエスト1/e直径が最小になり、約6.7μm乃至約9μmの範囲内にあることを保証するべく検証が行われる。
レンズサブアセンブリ290の組み立て及び検証後に、レンズサブアセンブリ270が、チャンバ221に挿入され、回転方向に調整され、圧迫下でレンズサブアセンブリ270をベースプレート212に対して定位置に固定するべく、カバープレート222を介して固定される。レンズサブアセンブリ270の正の円筒レンズ276は、その屈折力軸が円筒対物レンズ296の屈折力軸に垂直になるように回転方向に位置合わせされ、これはコアストリームの流れの方向に平行に約6.7μm乃至約9μmのビームウエスト1/e直径が維持されることを再度確認することで検証される。QWP277は、上述のように、その複屈折軸がレーザビームの(TE)偏光軸に対してレーザビーム軸を中心として±45度回転するように位置合わせされる。これは、レンズ276の位置合わせとは別に達成されても又はそれと一緒に達成されてもよい。レンズ276とQWP277がチャンバ221に設置される前に互いに対して固定される構成では、それらの相対配向は、一緒に互いに位置合わせして上記の位置合わせを達成できるように選択される。QWP277に対するレンズ276の適切な配向は、2つのコンポーネントが一緒に結合されるときに達成され得る。このような状況では、QWPを適切に配向するのに前述のレンズ276の位置合わせで十分である。
次に、レンズサブアセンブリ280が、チャンバ223に挿入され、回転方向に及び/又は軸方向に調整され、負の円筒レンズ286の屈折力軸が円筒対物レンズ296の屈折力軸に垂直になり、正の円筒レンズ276の屈折力軸に平行になるように、圧迫下でレンズサブアセンブリ280をベースプレート212に対して定位置に固定するべく、カバープレート224を介して固定される。これは、コアストリームの流れの方向に平行に約6.7μm乃至約9μmのビームウエスト1/e直径が維持されることを再度確認することで検証される。負の円筒レンズ286の軸方向の間隔は、一部の実施形態ではコアストリームがフローセル340を通って流れる方向に垂直な方向に約140μm乃至約210μmのビーム1/e幅を達成するべく調整される。1つの組み立て方法を上記で詳述したが、同様の又は異なる順序の他の適切な組み立て方法も企図される。
先に参照により本明細書に組み込まれた米国特許出願公開第2019/0302391号は、ビーム1/e幅を、コアストリームの流れとレーザビームの光軸との両方に垂直な方向に約200μm(又は約190μmから約210μmまで)に設定することを詳述している。この幅は、コアストリームが実際に又は見かけ上、ビーム幅を測定する方向と同じ方向に沿って約±15μmの範囲内でシフトすることを許容し、その結果、レーザビームがコアストリームの中心にある場合に比べて、散乱信号の劣化は約5%以下になる。この構成は、少なくともフローセルに実質的に欠陥がない場合に有利である。より具体的には、この構成は、少なくともコアストリームの流れに垂直なフローセルのプロファイルが長方形であり、散乱光検出器への光を屈折及び/又は散乱させることがあるエクストルージョン、ピット、バルク欠陥などが実質的にない場合に有利である。
フローセルの欠陥の影響を軽減するために、コアストリームの流れとレーザビームの光軸との両方に垂直な方向のビーム1/e幅を、一部の態様では約140μmから約160μmまで、他の態様では約145μmから約155μmまで、さらに他の態様では約150μmに減らすことができる。約150μmのビーム幅は、約200μmのビーム幅と比べて、フローセルの側壁でのビーム強度を、例えば約5xのオーダーで減少させる。約150μm(又は上記の範囲内)のビーム幅は、小さい粒子の検出に干渉する可能性がある、フローセルの縁及び/又は側壁からの断続的な散乱又は屈折を最小にする又はなくす。しかし、ビーム幅が減少すると実際の又は見かけのコアストリームシフトに対する敏感さが増加し、5%の最大信号減少での水平方向の実際の又は見かけのコアストリームシフト範囲が±12μmに低下するというトレードオフがある。±15μmでは、信号減少は8%に増加すると予想される。
フローセルの構成及び精度、テストするサンプル、結果処理アルゴリズム、システム全体の構成、及び/又は他の因子に応じて、上記のトレードオフを考慮して、コアストリームの流れとレーザビームの光軸との両方に垂直な方向のビーム1/e幅は、約140μmから約210μmまで、又はより具体的には上記の範囲のいずれか又は任意の他の適切な範囲内であり得る。例えば、フローセルが欠陥なしに正確に形成された場合、140μm乃至約210μmの範囲のビーム幅は、フローセルの縁及び/又は側壁からの散乱又は屈折をもたらさない。しかしながら、フローセルの内部の角に丸み、フィレット、又は他の不規則な特徴が加わる又は形成されると、より広いビーム幅からの散乱又は屈折が実質的に増加する可能性がある。この迷光を軽減するために、上記で詳述したように、例えば約140μmから約160μm又は約150μmまでのより細いビーム幅を用いることができる。
モジュール10の動作に関して、概して図1~3を参照すると、レーザダイオード240は、光軸に沿ってレーザビームを生成する。レーザダイオード240から放出されたレーザビームは、コリメートレンズ238、正の円筒レンズ276、QWP277、負の円筒レンズ286、及び円筒対物レンズ296を通り、フローセル340内のコアストリームの中心に入射するレーザビームが、フローセルの流れの方向に平行な方向に約6.7μm乃至約9μmの第1のビームウエスト1/e直径及びフローセルの流れの方向に垂直な方向に約140μm乃至約210μmの第2のビーム1/e直径(又は上記で詳述したような他の適切な範囲)を画定するようにフローセル340に投射される。
フローセル340のコアストリーム内の粒子に入射したレーザビームは、前方へ前方散乱光サブアセンブリ410に及び側方へ側方散乱光サブアセンブリ420に散乱される。上述のように、フローセル340からの前方散乱光は、例えば約30度以下の角度で、又はより詳細には(FSHセンサで)約11.5度乃至約15.5度及び/又は(FSLセンサで)約2.0度乃至約2.4度の範囲の角度で検出される。消光センサが、(粒子による吸光又は粒子からの散乱のために)失われた光量に比例する応答を提供する。同じく上述のように、側方散乱光は、一部の実施形態では約50度から約120度まで、又はより詳細には約65度から約91度までの角度で、及び/又は光軸に対して約67度乃至約89度の範囲を定める円形レンズ開口を通して検出可能な散乱強度で検出される。側方散乱光に対する最大感度は約78度であり得る。
さらに、TEレーザダイオード240とQWP277の存在により、例えば、染色された網赤血球及び有核白血球中の染色されていない(又は染色された)核酸物質に存在するような散乱発色団での可能性のある電気双極子遷移と相互作用するように全範囲の直線偏光が保証される。これらの双極子の一部は、偏光保存散乱の場合であっても、実質的な垂直偏光(コアストリームの流れの方向に平行)を有することになる。これらの双極子から、測定可能な側方散乱強度を得ることができる。
完全偏光散乱は、散乱ビームにおいて入射レーザビームの偏光を維持するフローセル340からの散乱である。他方では、完全偏光解消散乱は、散乱ビームの偏光がランダムであるフローセル340からの散乱である。完全偏光解消側方散乱の検出を可能にするために、フローセル340を照射するレーザビームの偏光は重要ではなく、側方散乱信号は入力偏光に関係なく同じである。しかしながら、部分偏光散乱又は完全偏光散乱を検出するには、測定可能な垂直偏光強度を有する側方散乱強度のみを検出することができるため、散乱偏光の実質的な成分はフローセル340を通る流れの方向に平行であることが重要である。
TEレーザダイオード240は、フローセル340を通る流れの方向に垂直に偏光されたレーザ光の横波を放出する。しかしながら、QWP277が存在しない場合にTEレーザダイオード240が生成することになる、フローセル340を通る流れの方向に垂直に偏光された入力ビームの偏光を保持する側方散乱強度は、完全偏光散乱を検出することはできないことを意味するゼロでなければならない。したがって、フローセル340を通る流れの方向に平行な偏光成分をTEレーザダイオード240から生じるレーザビームに導入するためにQWP277が使用される。したがって、部分又は完全偏光側方散乱強度を測定することができる。部分又は完全偏光側方散乱信号の大きさは、所与の放射照度で、より大きなビーム放射照度、例えばパワー、及び/又は例えばQWP277によって提供されるような偏光のより大きな平行成分を提供することで増加する。
図4を参照すると、選択された対物レンズ焦点距離におけるビーム発散と集束ビーム直径1/eウエストとの間の関係性が表形式で示されている。集束ビーム直径1/eウエスト、(マイクロメートルにおける)ωは、パラメータ:λ=0.64μm(赤色レーザダイオード)、M=1.3(レーザダイオード光学系の典型的な値)、θFWHM=度におけるビーム発散FWHMの見出し行からラジアンに変換された半値全幅(FWHM)ビーム発散、fcoll=コリメートレンズの焦点距離、及びfobj=対物レンズの焦点距離、を使用する以下の式によって求められる。
Figure 2023526690000002
係数0.85は、FWHMを(1/2最大ビーム強度の代わりに)1/e最大ビーム強度での半値幅に変換する。図4に示す表について、コリメートレンズの焦点距離は5.5mmと仮定され、これはコリメートレンズ238(図2及び3)の焦点距離であり得る。しかしながら、表のエントリは、用いられる焦点距離5.5mmと所望の異なる焦点距離との比を表のエントリに乗算することで、コリメートレンズの様々な焦点距離に合わせて変更することができる。同様に、様々な対物レンズ焦点距離について、所与の列での表のエントリに、所望の異なる焦点距離と表の見出し値、例えば、第4の列で提供される37mm、との比を乗算することができる。所望のビーム幅範囲を提供することに関連する発散は、フローセルを通る流れの方向に平行な発散である。
引き続き図4を参照すると、表は、低いビームFWHM発散、例えば約10度未満では、好ましい対物レンズ焦点距離に対してビームが望ましくないほど広くなることを示している。このような場合、より小さい血球の飛行時間の正確な測定は、不可能ではないにしても損なわれる。同様に、ビームの発散が大きくなると、コアストリームシフトに対する過敏性を回避するのに十分なだけ大きい直径のビームウエストを提供するのに必要な対物レンズ焦点距離が大きくなる。図4の表中の陰影なしのセルは、適切なパラメータセット、例えばビーム発散と対物レンズ焦点距離、したがって、レーザ光学アセンブリ200(図1~3)での実装に適したレンズ及びレーザダイオード構成を示すが、同じことを実現する他の適切なパラメータ及びコンポーネントも企図される。
図5を参照すると、図4のようなθFWHMに対するコリメートレンズの制限有効開口での相対(仮定した中央ビーム強度最大値に対する)ビーム強度が、ビーム発散、開口径、及びコリメートレンズの焦点距離の関数として例解されている。エントリは以下の式によって決定される:
Figure 2023526690000003

ここで、開口径は、変数aで示され、係数1.7は、FWHMを1/e最大ビーム強度での全幅に変換する。
列挙されたfcoll及び開口径値について、いくつかのレンズ(例えば、米国フロリダ州オーランドのLightPathから入手可能なレンズ)のクリッピング強度が考慮される。ビームのクリッピングを回避するために、レンズは、比較的大きい開口数を有するように選択される。図5に示すように、ビームが高度に発散する場合、標準的な比較的高い開口数のレンズでさえもレーザビームをクリップする。このクリッピングは、(コアストリームに収束されるビーム断面に小さいローブが現れ始めるという点で)約25度を超えるFWHM発散で顕著になる。30度を超えるとクリッピングはより一層深刻になり、それに応じてローブの強度が一般に増加する。
図5の表中の陰影なしのセルは、適切なパラメータセット、例えば、ビーム発散、開口径、及びコリメートレンズの焦点距離、したがって、レーザ光学アセンブリ200(図1~3)での実装に適したレンズ及びレーザダイオード構成を示すが、同じことを実現する他の適切なパラメータ及びコンポーネントも企図される。図4及び5の適切なパラメータセット(例えば陰影なしのセル)を合わせて考慮すると、プロファイル強度のローブをなくす又はローブを小さい又は無視できる強度に例えばメインガウスピークの強度の多くとも7%に減らす、良好なTOF機能を提供する、比較的低い前方角度及び比較的高い側方角度での散乱光の検出を可能にする、及び偏光解消散乱光と偏光散乱光との両方について前方散乱と側方散乱との両方に対して良好な感度を提供する、レーザ光学アセンブリ200(図1~3)のための適切なレンズ及びレーザダイオード構成を達成することができる。
本明細書でのどの特定の数値への言及も、当技術分野で一般に受け入れられている材料及び製造公差及び/又は当技術分野で一般に受け入れられている測定機器の誤差範囲を考慮に入れた値の範囲を包含することが理解される。
上記から、及び種々の図面を参照すると、本開示の範囲から逸脱することなく本開示に特定の修正を加えることもできることが当業者には分かるであろう。本開示のいくつかの実施形態が図面に示されているが、本開示は当技術分野で許容される範囲内で広く、本明細書も同様に読まれることを意図しているため、本開示はそれに限定されることを意図していない。したがって、上記の説明は、限定するものとして解釈されるべきではなく、特定の実施形態の単なる例示として解釈されるべきである。当業者は、本明細書に付属の請求項の範囲及び精神内で他の修正を思いつくであろう。

Claims (28)

  1. 血液分析器のフローサイトメータであって、
    約16度から約25度までの速軸半値全幅(FWHM)発散を有するレーザビームを光軸に沿って出力するように構成された横電界(TE)レーザダイオードと、
    フローセルと、
    TEレーザダイオードとフローセルとの間の光軸に沿って配置された1/4波長板(QWP)であって、前記QWPは、レーザビームが通過する際にレーザビームを円偏光するように構成される、QWPと、
    TEレーザダイオードとフローセルとの間に配置された複数のレンズであって、前記複数のレンズは、協働してレーザビームをフローセルに収束させる、レンズと、
    光軸に対して約50度乃至約120度の角度でフローセルからの側方散乱光を検出するように構成された側方散乱光検出器と、
    を備える、フローサイトメータ。
  2. 光軸に対して約30度未満の角度でフローセルからの前方散乱光を検出するように構成された少なくとも1つの前方散乱光検出器をさらに備える、請求項1に記載のフローサイトメータ。
  3. 前記少なくとも1つの前方散乱光検出器は、光軸に対して約11.5度乃至約15.5度の角度でフローセルからの前方散乱光を検出するように構成される、請求項2に記載のフローサイトメータ。
  4. 前記少なくとも1つの前方散乱光検出器は、光軸に対して約2.0度から約2.4度までの角度でフローセルからの前方散乱光を検出するように構成される、請求項2に記載のフローサイトメータ。
  5. 前記フローセルから検出される側方散乱光強度は、光軸に対して約67度から約89度までの角度で側方散乱光検出器によって検出される、請求項1に記載のフローサイトメータ。
  6. 前記側方散乱光検出器は、光軸に対して約78度を中心とする、請求項1に記載のフローサイトメータ。
  7. 前記QWPは、前記QWPへのレーザビームの入射重心角が約7度以下になるようにTEレーザダイオードに対して配置される、請求項1に記載のフローサイトメータ。
  8. 前記QWPの複屈折軸は、レーザビームを右回り又は左回りに円偏光するべく、レーザビームの偏光軸に対して光軸を中心として±45度回転する、請求項1に記載のフローサイトメータ。
  9. 前記複数のレンズは、レーザダイオードとQWPの間に配置されるコリメートレンズ、及び、QWPとフローセルとの間に配置される対物レンズを含む、請求項1に記載のフローサイトメータ。
  10. 前記複数のレンズは、コリメートレンズと対物レンズの間に配置される正の円筒レンズ及び負の円筒レンズをさらに含む、請求項9に記載のフローサイトメータ。
  11. 前記レーザビームは、フローセル内のコアストリームで、コアストリームの流れの方向に平行な方向に約6.7μm乃至約9μmのビームウエスト1/e直径を画定する、請求項1に記載のフローサイトメータ。
  12. 前記レーザビームは、フローセル内のコアストリームで、コアストリームの流れの方向に垂直な方向に約140μm乃至約210μmのビーム1/e直径を画定する、請求項11に記載のフローサイトメータ。
  13. 前記TEレーザダイオードは、少なくとも10mWのパワーを出力するように構成される、請求項1に記載のフローサイトメータ。
  14. 前記TEレーザダイオードは、少なくとも20mWのパワーを出力するように構成される、請求項1に記載のフローサイトメータ。
  15. 網赤血球及び顆粒球を検出する方法であって、
    網赤血球又は顆粒球のうちの少なくとも1つを有する血液サンプルを、シース流体とともにフローセルに流すことと、
    横電界(TE)レーザダイオードから、レーザビームを光軸に沿って放出することであって、前記レーザビームは、約16度から約25度までの速軸半値全幅(FWHM)発散を有することと、
    前記TEレーザダイオードと前記フローセルとの間の光軸に沿って配置された1/4波長板(QWP)に前記レーザビームを通過させて、そこを通過する際に前記レーザビームを円偏光することと、
    前記TEレーザダイオードと前記フローセルとの間に配置された複数のレンズに前記レーザビームを通過させて、前記レーザビームを前記フローセルに収束させることと、
    光軸に対して約50度乃至約120度の角度でフローセルからの側方散乱光を検出することと、
    を含む、方法。
  16. 光軸に対して少なくとも約30度未満の角度でフローセルからの散乱光を検出することをさらに含む、請求項15に記載の方法。
  17. フローセルからの散乱光は、光軸に対して少なくとも約11.5度乃至約15.5度の角度で検出される、請求項16に記載の方法。
  18. フローセルからの散乱光は、光軸に対して少なくとも約2.0度乃至約2.4度の角度で検出される、請求項16に記載の方法。
  19. 前記フローセルから検出される側方散乱光強度は、光軸に対して約67度から約89度までの角度で検出される、請求項15に記載の方法。
  20. 前記側方散乱光強度に対する最大感度は、光軸に対して約78度に設定される、請求項15に記載の方法。
  21. 前記QWPは、前記QWPへのレーザビームの入射重心角が約7度以下になるようにTEレーザダイオードに対して配置される、請求項15に記載の方法。
  22. 前記QWPを通過するレーザビームは、前記QWPによって右回り又は左回りに円偏光される、請求項15に記載の方法。
  23. 前記複数のレンズはコリメートレンズを含み、レーザビームはQWPの前にコリメートレンズを通過する、請求項15に記載の方法。
  24. 前記複数のレンズは対物レンズをさらに含み、レーザビームはQWPの後に対物レンズを通過する、請求項23に記載の方法。
  25. 前記レーザビームは、フローセルのコアストリームで、流れに平行な方向に約6.7μm乃至約9μmのビームウエスト1/e直径を画定する、請求項15に記載の方法。
  26. 前記レーザビームは、フローセルのコアストリームで、流れに垂直な方向に約140μm乃至約210μmのビーム1/e直径を画定する、請求項25に記載の方法。
  27. 前記レーザビームを放出するためのTEレーザダイオードのパワー出力は、少なくとも10mWである、請求項15に記載の方法。
  28. 前記レーザビームを放出するためのTEレーザダイオードのパワー出力は、少なくとも20mWである、請求項15に記載の方法。
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