WO2010149770A1 - Microscopic detection of objects in a fluid flow - Google Patents

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WO2010149770A1
WO2010149770A1 PCT/EP2010/059065 EP2010059065W WO2010149770A1 WO 2010149770 A1 WO2010149770 A1 WO 2010149770A1 EP 2010059065 W EP2010059065 W EP 2010059065W WO 2010149770 A1 WO2010149770 A1 WO 2010149770A1
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WO
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channel
fluid
focal plane
objects
focal
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Application number
PCT/EP2010/059065
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Inventor
Christian Dietrich
Original Assignee
Carl Zeiss Ag
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Application filed by Carl Zeiss Ag filed Critical Carl Zeiss Ag
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/36Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/361Optical details, e.g. image relay to the camera or image sensor

Definitions

  • the invention relates to a microscope for the detection of objects in a fluid flow, comprising: a channel through which fluid containing the objects to be detected flows and an optical imaging device comprising a lens having a focal region and imaging objects located in the focal region, wherein the focal region lies around a focal plane lying in the channel.
  • the invention further relates to a method for the microscopic detection of objects in a fluid flow, wherein the fluid flow is guided in a channel, an optical imaging device is used which comprises a lens having a focal region, wherein the focal region lies around a focal plane, which in the channel, and objects located in the focal area are optically imaged.
  • the objects may be, for example, molecules, particles or cells.
  • Typical applications are cytometry, particle counting or protein extraction.
  • the prior art knows a variety of microscopes that are suitable or adapted for such applications.
  • a microfluidic system is combined with an imaging microscope that optically images objects that flow into a fluid stream that is passed through the microfluidic system.
  • a disadvantage of these optical images is that the channel wall, which lies in the optical imaging range, leads to aberrations.
  • the fluid flow-related movement of the objects also causes unrecoverable image blurring. This movement is also due to the fact that the channel must be significantly larger than the objects in order to avoid blocking the channel.
  • the invention is therefore the object of a microscope for the detection of objects in a fluid stream or a method for the microscopic detection of objects in a fluid flow in such a way that an improved image is achieved.
  • the invention solves this problem with a microscope of the type mentioned, in which the focal plane and the channel are aligned with each other so that the fluid flows to the focal plane.
  • the object is equally achieved by a method of the type mentioned, in which the focal plane is aligned with the channel so that the fluid flow to the focal plane or flows away.
  • the inventors recognized that significant problems of the prior art are caused by the fact that the flow direction is substantially along the focal plane. Now that the focal plane is aligned substantially perpendicular to the flow direction of the inflowing fluid, it is ensured that each object passes through the focal area and in particular the focal plane of the optical imaging device or the lens with one hundred percent certainty. At the same time, a parallel and simultaneous detection of several objects that simultaneously pass through the focal plane is possible. Movements of the objects through the fluid flow now proceed substantially along the optical axis of the objective. Since the resolution is lower in this direction, such movements are much weaker than when the movement is transverse to the optical axis, as is the case in the prior art. Thus, negative influences are significantly reduced by the fluid flow.
  • the inflow of the fluid to the focal plane causes the fluid to flow substantially along the optical axis of the objective through the focal region.
  • the orientation of the focal plane to the flow direction of the inflowing fluid automatically requires that the optical axis of the objective is substantially parallel to the direction of flow.
  • the terms “vertical” and “parallel” are not to be understood in the strict geometric sense. Rather, in the context of this invention, the focal plane is then substantially perpendicular to the direction of flow of the influent fluid or the optical axis of the lens then parallel to the flow direction of the influent fluid when the image area covered by the lens covers the cross section of the incoming fluid stream, and the image area microscopically a detector can be imaged.
  • an inflow of the fluid onto the focal plane at an oblique angle to the focal plane is thus also essentially perpendicular to the focal plane or essentially along the optical axis in the sense of this description.
  • the advantages according to the invention and in particular the complete detection of the objects entrained in the fluid stream are or is achieved in that the focal region covers the cross-section of the inflowing fluid.
  • the fluid to be examined is supplied through a tube that realizes a feed channel.
  • the optical arrangement of the lens and thus the focal plane to the channel is particularly simple if the channel comprises a feed channel through which the fluid flows, wherein the feed channel opens onto a cover glass over which the fluid runs laterally into at least one channel.
  • the focal plane is either in the supply duct or in front of the mouth. The fluid flow is thus deflected from the supply channel via the cover glass, and the focal plane is in front of or in the region of this deflection.
  • An increased resolution of the optical imaging device is usually associated with a field of view reduction.
  • an envelope flow channel can be provided through which an enveloping fluid flows, wherein the
  • Envelope flow channel surrounds the feed channel, also opens onto the cover glass and thus envelops the effluent from the feed channel fluid.
  • the sheath flow focuses the incoming fluid flow in the lateral direction so that the required imaging range, i. H. the image field is smaller, which corresponds to a high-resolution image. So especially small objects can be detected well. Further, this arrangement is advantageous because reflections on
  • Enveloping ensures that the fluid flows entirely through the focal plane, even if it is located in front of the mouth of and not in the inlet channel.
  • the optical imaging can take place both in transmitted light mode and in incident light mode.
  • incident light measurement the illumination in the area of the optical image is reflected in and applied through the objective.
  • TIRF coverslip total reflection
  • a lighting cannula can be arranged parallel to the supply channel, is introduced through the transmitted light illumination.
  • the illumination cannula can cause an annular illumination.
  • the illumination cannula can be between supply and Hüllstromkanal.
  • illumination systems which irradiate a light sheet for fluorescence excitation or dark field illumination in the focus area of the lens. This can be done in particular by the supply duct, which can be used as a light guide and generates a local and homogeneous illumination and excitation light field with appropriate mirroring and shaping at the end.
  • the optical imaging by means of the objective can be used for sorting objects when the channel branches into at least two branches after the passage of the fluid flow through the focal plane and furthermore a device is provided for selectively blocking at least one of the branches.
  • a device is provided for selectively blocking at least one of the branches.
  • the microscope according to the invention also allows a structure elucidation of the objects by mapping the objects in different rotational positions, if the channel has a
  • the feed channel opens onto a cover glass and this directs the fluid in the
  • the objective lies under the cover glass and its focal plane is located in the supply channel or in the region of the deflection of the fluid. Objects are then rotated relative to the imaging optics by the fluid flow deflection on the cover glass, so that they are imaged in different spatial positions.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a microscope for detecting objects in a fluid stream
  • FIG. 2 shows a modification of the microscope of FIG. 1, FIG.
  • 3a-d are schematic representations of images taken with the microscope of FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a further modification of the microscope of FIG. 1
  • FIG. 5 shows a further modification of the microscope of FIG. 1 with TIRF illumination
  • Fig. 6 is a plan view of a fluid channel of a further modification of the microscope of Figure 1 and
  • Fig. 7 is a sectional view of the microscope of Figure 6 along the line A-A.
  • FIG. 1 schematically shows a microscope for the detection of objects which are carried in a fluid flow.
  • the microscope includes an imaging assembly 1 that acquires images from a fluid stream flowing through a capillary system associated with the microscope.
  • the fluid flows in the direction of an arrow 2 through a channel 3, which comprises an inflow channel 3a and laterally leading away outflow channels 3b and 3c.
  • the inflow channel 3a passes through a tube sealingly inserted into a fluidic chip 5.
  • the inflow channel 3a formed by the tube 4 opens into an area above a cover glass 6 which is transparent to the imaging arrangement 1.
  • the along the arrow 2 through the Inflow channel 3a incoming fluid flows through the tube 4 and exits from this, whereupon it is discharged in the direction of the arrows 10 and 1 1 in the drainage channels 3b and 3c.
  • the imaging assembly 1 Relative to the direction of the arrow 2 under the coverslip 6 is the imaging assembly 1, which comprises an objective 7, which images an image on an image sensor 9 along an optical axis 8. To symbolize the imaged image area, a focus 12 of the objective 7 is shown in FIG. 1, which is located in a focal plane 14.
  • the focal plane 14 is still in the inlet channel 3 a, so that flows in the inflow channel 3 a through the tube 4 in the direction of arrow 2 inflowing fluid to the focal plane 4 and passes through it. If, due to the hydrodynamic conditions, it is ensured that the inflowing fluid flows through the focal plane 4, this can also be outside the inflow channel 3a.
  • the imaging arrangement 1 illuminates the fluid flowing out of the inlet channel 3 a in an incident light arrangement and images an image area lying in the focal plane 14 onto an image sensor 9.
  • This figure allows objects carried in the fluid, e.g. As particles, proteins, etc., on the image sensor 9.
  • the optical imaging arrangement 1 has along the optical axis 8 a focus area which lies around the focal plane 14 and is essentially limited by the depth of field of the imaging arrangement 1.
  • Figure 2 shows a modification of the microscope of Figure 1. Elements which correspond in their structure or function elements, which have already been explained with reference to Figure 1, carry in Figure 2 and in all other figures the same reference numerals, so that their repeated explanation is omitted ,
  • the flowing through the tube 4 in the direction of arrow 2 through the inlet channel 3a fluid is enveloped by a coaxially surrounding sheath 17, which is fed in the direction of an arrow 16 in a tube 4 coaxially surrounding sheath channel 15.
  • the sheath flow has the consequence that the fluid flowing through the inflow channel 3a is narrowed after the exit from the tube 4, that is focused.
  • the image field size required within the focal plane 14 is thus lower, so that a Mapping arrangement can be used with higher resolution, which also allows to capture comparatively smaller objects.
  • the focal plane 14 can now be outside the feed channel 3a, which is favorable from the viewpoint of reduced optical interference.
  • FIG. 2 further shows a construction in which a transmitted-light illumination takes place in that radiation of the light source 19 is coupled in laterally of the tube 4 via an optical fiber bundle 18.
  • This illumination occurs at the bottom of the tube 4, d. H. surrounding the fluid stream and causes transmitted light illumination of the image area to be imaged.
  • this type of lighting can also be used in the construction of Figure 1 or one of the later to be explained construction methods.
  • check valves 20 and 21 are arranged, which allow to block these channels.
  • check valves may also be used in the construction of FIG. 1 or another of the variants described here. They allow, after evaluation of the image detected by the image sensor 9, to selectively block the drainage channels 3b and 3c. Thereby, it can be ensured that predetermined objects reach their detection by means of the imaging arrangement 1 in a certain one of the drainage channels 3b and 3c by the other drainage channel is blocked when a predetermined object was found in the image.
  • FIGS. 3a-3d show various images that can be obtained, for example, with the imaging arrangement of FIG. 1 or FIG. 2 (or another of the embodiments described here).
  • Figure 26 Figure 3a was obtained in the plane 24 and does not allow further structural elucidation of the imaged object 27, which is to be illustrated by the dashed drawing of the object.
  • this signal is used as a trigger, since at a known flow rate, the time is fixed and can be calculated, which requires an object to get from the level 24 to the focal plane. With very short illumination times, an image of the objects is repeated without reducing or stopping the flow. Each shot provides an image that represents a different optical section through the triggering particle.
  • a simple area detector can also be used for the trigger, which is independent of image acquisition and image evaluation via the detector 9 and is positioned in a plane which is conjugate to the plane 24.
  • the separation of the light paths can be done analogous to reflected light illumination via a color or beam splitter.
  • this serves as a trigger for the sequential imaging in the focal plane 14.
  • a 3D image of the object can be taken very quickly, without the objective having a motorized z-axis. Drive to move.
  • the plurality of images (28, 29, 32) are taken at times when the object has been transported differently across the fluid flow. From time intervals and flow velocity follows the axial transport path.
  • the images 28, 30 and 32 can be joined together and a three-dimensional image of an object in the focus area is thereby generated.
  • An alternative is the procedure to bring the sample in the region of the focal plane 14 and to stop the flow. If no disturbing sedimentation then occurs, d. H. in the case of suitable samples, an image stack can then be recorded by moving the objective along the optical axis. If sedimentation is strong, it is necessary to wait until the sample has sedimented and then pick up the image stack.
  • FIG. 4 shows a further modification of the microscope of FIG. 1, in which, coaxially with the inflow channel 3 a, in which the fluid flows in the direction of the arrow 2, a return channel 3 b is formed, in which the fluid flows off in the direction of the arrow 10.
  • the inflow channel 3a opens above the cover glass 6, resulting in a deflection 37 (symbolized by a dashed arrow) of the fluid flow in the region of the focal plane 14 results.
  • Objects, e.g. B. particles that flow in the fluid flow are therefore rotated during the deflection, so that there is an image of the object in different rotational positions.
  • a corresponding reflux tube 35 is arranged parallel to the tube 4, which has a rectangular cross-section, for example, like the tube 4.
  • This cross-sectional shape is in principle for all channels, which are mentioned here in question.
  • FIG. 5 shows a refinement of the microscope of FIG. 1, in which the illumination from the light source 38 onto the cover glass 6 is radiated from the lower side at an angle 38 which lies below the total reflection angle.
  • This known per se TIRF illumination is in the embodiment of Figure 5 preferably (not necessarily) combined with the fact that the tube 4 protrudes at its mouth end 39 to the cover glass 6 so that only a narrow gap 40 remains, in the Magnitude of the propagation length of the evanescent field is. This ensures that all fluid flowing in the direction of arrow 2 is TIRF illuminated. This procedure can only be used for particles or molecules smaller than the penetration depth of the evanescent field (200 nm).
  • the flow is high if usual sample volumes of a few ⁇ l are to be analyzed in a reasonable time. If a 100% analysis of the sample flow is required, the sample flow must match the acquisition time of the sample Sensors (camera) are synchronized, with the dead times of the camera, the flow is stopped. This can be done either via check valves in discharge or inflow channels, or by appropriate control of the sample flow driving pumps.
  • FIG. 6 shows a modification of the fluid system for sorting predetermined objects in the fluid flow.
  • FIG. 6 is a plan view, that is to say seen in the direction of the arrow 2 of FIGS. 1, 2, 4 and 5.
  • the tube 4 Through the tube 4, the fluid flows to.
  • This tube 4, and thus the inflow channel 3a opens, as the figure 7, which shows a section along the line A-A of Figure 6, illustrates, substantially perpendicular to a Hüllstromkanal 41, in which a sheath flow along the arrow 16 flows.
  • the sheath flow entrains the fluid flowing through the inflow channel 3a.
  • the tube 4 is in an elastic sleeve 42 so that it can be displaced within the sleeve. Due to the position of the tube 4 is set whether the effluent through the drain channels 43 and 44 Höhlstrom entrains the supplied through the tube 4 fluid into the drain channel 43 or the drain channel 44.
  • the inflowing fluid flow can be sorted by displacing the tube 4 so that these all enter the same discharge channel, for example the discharge channel 43, in that each time a corresponding object is detected in the inflowing fluid, the tube 4 is set so that the sheath flow, which flows from the sheath flow channel 41, entrains the fluid flow from the inflow channel 3a into the outlet 43.
  • the tube 4 is displaced so that the enveloping flow from the sheath flow channel 41 directs the fluid flow supplied through the tube 4 to the outflow channel 44.

Abstract

A microscope for detecting objects in a fluid flow is described, which microscope has a channel (3) through which fluid containing the objects to be detected flows, and an optical imaging device (1) which comprises a lens (7) having a focal region (14) and images objects located in the focal region, wherein the focal region lies around a focal plane (14) which is located in the channel (3), wherein the focal plane (14) and the channel (3) are oriented with respect to one another in such a manner that the fluid flows towards the focal plane (14).

Description

Mikroskopische Detektion von Objekten in einem Fluidstrom Microscopic detection of objects in a fluid stream
Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikroskop zur Detektion von Objekten in einem Fluidstrom, das: einen Kanal, durch den Fluid enthaltend die zu detektierende Objekten strömt, und eine optische Abbildungseinrichtung aufweist , die ein einen Fokalbereich aufweisendes Objektiv umfaßt und im Fokalbereich befindliche Objekte abbildet, wobei der Fokalbereich um eine Fokalebene herum liegt, welche im Kanal liegt.The invention relates to a microscope for the detection of objects in a fluid flow, comprising: a channel through which fluid containing the objects to be detected flows and an optical imaging device comprising a lens having a focal region and imaging objects located in the focal region, wherein the focal region lies around a focal plane lying in the channel.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur mikroskopischen Detektion von Objekten in einem Fluidstrom, wobei der Fluidstrom in einem Kanal geführt wird, eine optische Abbildungseinrichtung verwendet wird, die ein einen Fokalbereich aufweisendes Objektiv umfaßt, wobei der Fokalbereich um eine Fokalebene herum liegt, welche im Kanal liegt, und im Fokalbereich befindliche Objekte optisch abgebildet werden.The invention further relates to a method for the microscopic detection of objects in a fluid flow, wherein the fluid flow is guided in a channel, an optical imaging device is used which comprises a lens having a focal region, wherein the focal region lies around a focal plane, which in the channel, and objects located in the focal area are optically imaged.
Die mikroskopische Detektion von Objekten in einem Fluidstrom ist in vielen Anwendungen erforderlich. Bei den Objekten kann es sich beispielsweise um Moleküle, Partikel oder Zellen handeln. Typische Anwendungen sind die Zytometrie, die Partikelzählung oder die Proteinextraktion.Microscopic detection of objects in a fluid stream is required in many applications. The objects may be, for example, molecules, particles or cells. Typical applications are cytometry, particle counting or protein extraction.
Der Stand der Technik kennt eine Vielzahl von Mikroskopen, die für solche Anwendungen geeignet oder angepaßt sind. Exemplarisch wird auf die US 6432630 oder die US 7214298 verwiesen, bei denen ein Mikrofluidsystem mit einem abbildenden Mikroskop kombiniert ist, das Objekte, die in einen Fluidstrom, welcher durch das Mikrofluidsystem geführt wird, optisch abbildet. Nachteilig bei diesen optischen Abbildungen ist es, daß die Kanalwand, die im optischen Abbildungsbereich liegt, zu Abbildungsfehlern führt. Auch verursacht die fluidstrombedingte Bewegung der Objekte eine nicht behebbare Bildunschärfe. Diese Bewegung ist auch dadurch bedingt, daß der Kanal signifikant größer sein muß als die Objekte, um eine Blockierung des Kanals zu vermeiden. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Mikroskop zur Detektion von Objekten in einem Fluidstrom bzw. ein Verfahren zur mikroskopischen Detektion von Objekten in einem Fluidstrom so auszugestalten, daß eine verbesserte Abbildung erreicht ist.The prior art knows a variety of microscopes that are suitable or adapted for such applications. For example, reference may be made to US 6432630 or US 7214298, in which a microfluidic system is combined with an imaging microscope that optically images objects that flow into a fluid stream that is passed through the microfluidic system. A disadvantage of these optical images is that the channel wall, which lies in the optical imaging range, leads to aberrations. The fluid flow-related movement of the objects also causes unrecoverable image blurring. This movement is also due to the fact that the channel must be significantly larger than the objects in order to avoid blocking the channel. The invention is therefore the object of a microscope for the detection of objects in a fluid stream or a method for the microscopic detection of objects in a fluid flow in such a way that an improved image is achieved.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Mikroskop der eingangs genannten Art, bei dem die Fokalebene und der Kanal so zueinander ausgerichtet sind, daß das Fluid auf die Fokalebene zuströmt.The invention solves this problem with a microscope of the type mentioned, in which the focal plane and the channel are aligned with each other so that the fluid flows to the focal plane.
Die Aufgabe wird gleichermaßen mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Fokalebene so zum Kanal ausgerichtet wird, daß der Fluidstrom auf die Fokalebene zu- oder wegströmt.The object is equally achieved by a method of the type mentioned, in which the focal plane is aligned with the channel so that the fluid flow to the focal plane or flows away.
Die Erfinder erkannten, daß wesentliche Probleme des Standes der Technik dadurch verursacht sind, daß die Flußrichtung im wesentlichen längs der Fokalebene verläuft. Nachdem nun die Fokalebene im wesentlichen senkrecht zur Flußrichtung des zuströmenden Fluides ausgerichtet ist, ist sichergestellt, daß jedes Objekt mit hundertprozentiger Sicherheit den Fokalbereich und insbesondere die Fokalebene der optischen Abbildungseinrichtung bzw. deren Objektiv durchläuft. Zugleich ist eine parallele und simultane Detektion mehrerer Objekte, die gleichzeitig die Fokalebene durchlaufen, möglich. Bewegungen der Objekte durch den Fluidstrom verlaufen nun im wesentlichen längs der optischen Achse des Objektives. Da die Auflösung in dieser Richtung geringer ist, wirken sich solche Bewegungen deutlich schwächer aus, als wenn die Bewegung quer zur optischen Achse verliefe, wie dies im Stand der Technik der Fall ist. Somit sind negative Beeinflussungen durch den Fluidstrom deutlich gemindert.The inventors recognized that significant problems of the prior art are caused by the fact that the flow direction is substantially along the focal plane. Now that the focal plane is aligned substantially perpendicular to the flow direction of the inflowing fluid, it is ensured that each object passes through the focal area and in particular the focal plane of the optical imaging device or the lens with one hundred percent certainty. At the same time, a parallel and simultaneous detection of several objects that simultaneously pass through the focal plane is possible. Movements of the objects through the fluid flow now proceed substantially along the optical axis of the objective. Since the resolution is lower in this direction, such movements are much weaker than when the movement is transverse to the optical axis, as is the case in the prior art. Thus, negative influences are significantly reduced by the fluid flow.
Das Zufließen des Fluides auf die Fokalebene bewirkt, daß das Fluid im wesentlichen längs der optischen Achse des Objektivs durch den Fokalbereich strömt.The inflow of the fluid to the focal plane causes the fluid to flow substantially along the optical axis of the objective through the focal region.
Die Ausrichtung der Fokalebene zur Flußrichtung des zuströmenden Fluides bedingt automatisch, das die optische Achse des Objektives im wesentlichen parallel zur Flußrichtung liegt. Die Begriffe „senkrecht" bzw. „parallel" sind dabei nicht im strikten geometrischen Sinne zu verstehen. Vielmehr ist im Sinne dieser Erfindung die Fokalebene dann im wesentlichen senkrecht zur Flußrichtung des zufließenden Fluides bzw. die optische Achse des Objektivs dann parallel zur Flußrichtung des zufließenden Fluides, wenn der vom Objektiv erfaßte Bildbereich den Querschnitt des zufließenden Fluidstromes überdeckt, und der Bildbereich mikroskopisch auf einen Detektor abgebildet werden kann. Je nach Größe des Bildbereiches, den die Abbildungseinrichtung abbildet, ist damit auch ein Zufluß des Fluides auf die Fokalebene unter einem schrägen Winkel zur Fokalebene im wesentlichen senkrecht zur Fokalebene bzw. im wesentlichen längs der optischen Achse im Sinne dieser Beschreibung. Die erfindungsgemäßen Vorteile und insbesondere die vollständige Detektion der im Fluidstrom mitgeführten Objekte werden bzw. wird dadurch erreicht, daß der Fokalbereich den Querschnitt des zuströmenden Fluides überdeckt.The orientation of the focal plane to the flow direction of the inflowing fluid automatically requires that the optical axis of the objective is substantially parallel to the direction of flow. The terms "vertical" and "parallel" are not to be understood in the strict geometric sense. Rather, in the context of this invention, the focal plane is then substantially perpendicular to the direction of flow of the influent fluid or the optical axis of the lens then parallel to the flow direction of the influent fluid when the image area covered by the lens covers the cross section of the incoming fluid stream, and the image area microscopically a detector can be imaged. Depending on the size of the image area which the imaging device images, an inflow of the fluid onto the focal plane at an oblique angle to the focal plane is thus also essentially perpendicular to the focal plane or essentially along the optical axis in the sense of this description. The advantages according to the invention and in particular the complete detection of the objects entrained in the fluid stream are or is achieved in that the focal region covers the cross-section of the inflowing fluid.
Durch die erfindungsgemäße Ausrichtung von Fokalebene bzw. Fokalbereich zur Flußrichtung des zuströmenden Fluides und damit automatisch zum Kanal, durch den der Fluidstrom läuft, mindert Störungen durch die Kanalwände, da diese nun entlang der vergleichsweise höher aufgelösten Achsen der optischen Abbildung orientiert sind. Sie können in der Abbildung folglich leicht erkannt werden und stellen anders als im Stand der Technik keine Quelle für Artefakte dar.Due to the alignment according to the invention of the focal plane or focal region to the flow direction of the inflowing fluid and thus automatically to the channel through which the fluid flow passes, disturbances due to the channel walls are reduced since they are now oriented along the comparatively higher resolution axes of the optical imaging. They can therefore be easily recognized in the figure and, unlike the prior art, are not a source of artifacts.
Unter einem Mikroskop wird hier jede geeignet vergrößernd abbildende Vorrichtung verstanden, insbesondere ein sogenannter Reader.Under a microscope is here any suitable magnifying imaging device understood, in particular a so-called reader.
In vielen Anwendungen wird das zu untersuchende Fluid durch ein Röhrchen, das einen Zuleitungskanal realisiert, zugeführt. Die optische Anordnung des Objektivs und damit der Fokalebene zum Kanal ist dann besonders einfach, wenn der Kanal einen Zuleitungskanal umfaßt, durch den das Fluid strömt, wobei der Zuleitungskanal auf ein Deckglas mündet, über das das Fluid seitlich in mindestens einen Kanal abläuft. Bezogen auf die Fluidströmung im Zuleitungskanal unter dem Deckglas liegt das Objektiv, wobei die Fokalebene entweder im Zuleitungskanal oder vor dessen Mündung liegt. Der Fluidstrom wird also vom Zuleitungskanal über das Deckglas umgelenkt, und die Fokalebene liegt vor oder im Bereich dieser Umlenkung.In many applications, the fluid to be examined is supplied through a tube that realizes a feed channel. The optical arrangement of the lens and thus the focal plane to the channel is particularly simple if the channel comprises a feed channel through which the fluid flows, wherein the feed channel opens onto a cover glass over which the fluid runs laterally into at least one channel. Based on the fluid flow in the supply duct under the cover glass is the lens, the focal plane is either in the supply duct or in front of the mouth. The fluid flow is thus deflected from the supply channel via the cover glass, and the focal plane is in front of or in the region of this deflection.
Eine erhöhte Auflösung der optischen Abbildungseinrichtung geht üblicherweise mit einer Bildfeldverkleinerung einher. Für eine besonders hochauflösende Abbildung ist es deshalb zweckmäßig, den Fluidstrom auf einen möglichst geringen Querschnitt einzuengen. Hierfür kann ein Hüllstromkanal vorgesehen werden, durch den ein Hüllfluid strömt, wobei derAn increased resolution of the optical imaging device is usually associated with a field of view reduction. For a particularly high-resolution imaging, it is therefore expedient to narrow the fluid flow to the smallest possible cross-section. For this purpose, an envelope flow channel can be provided through which an enveloping fluid flows, wherein the
Hüllstromkanal den Zuleitungskanal umgibt, ebenfalls auf das Deckglas mündet und so das vom Zuleitungskanal ausströmende Fluid einhüllt. Der Hüllstrom fokussiert den zufließenden Fluidstrom in lateraler Richtung, so daß der erforderliche Abbildungsbereich, d. h. das Bildfeld kleiner ist, was einer hochauflösenden Abbildung entgegen kommt. So können besonders kleine Objekte gut erfaßt werden. Weiter ist diese Anordnung vorteilhaft, da Reflexionen amEnvelope flow channel surrounds the feed channel, also opens onto the cover glass and thus envelops the effluent from the feed channel fluid. The sheath flow focuses the incoming fluid flow in the lateral direction so that the required imaging range, i. H. the image field is smaller, which corresponds to a high-resolution image. So especially small objects can be detected well. Further, this arrangement is advantageous because reflections on
Ende des Zuleitungskanals nicht mehr in der Bildebene liegen. Die Alternative, eineEnd of the supply duct no longer lie in the image plane. The alternative, one
Bildfeldverkleinerung über eine Verkleinerung des Durchmessers des Zuführkanals umzusetzen, birgt die Gefahr der Probenverstopfung. Zudem ist durch den fokussiertenReducing the field of view by reducing the diameter of the feed channel involves the risk of sample clogging. Moreover, by the focused
Hüllstrom gewährleistet, daß das Fluid gänzlich durch die Fokusebene strömt, auch wenn diese vor der Mündung des und nicht im Zuflußkanal angeordnet ist. - A -Enveloping ensures that the fluid flows entirely through the focal plane, even if it is located in front of the mouth of and not in the inlet channel. - A -
Die optische Abbildung kann sowohl in Durchlichtbetrieb als auch in Auflichtbetrieb erfolgen. Für eine Auflichtmessung wird die Beleuchtung im Bereich der optischen Abbildung eingespiegelt und durch das Objektiv aufgebracht. Zur selektiven Anregung einer sehr dünnen Grenzschicht am Deckglas kann Totalreflexion (TIRF) eingesetzt werden, die mit Objektiven mit ausreichender Apertur umgesetzt wird. Für eine Durchlichtabbildung kann parallel zum Zuleitungskanal eine Beleuchtungskanüle angeordnet werden, durch die Durchlichtbeleuchtung eingebracht wird. Bei einem zylindrischen Zuleitungskanal, beispielweise in Form eines Röhrchens, kann die Beleuchtungskanüle eine ringförmige Beleuchtung bewirken. Bei der Verwendung eines koaxialen Hüllstromkanals kann die Beleuchtungskanüle zwischen Zuleitungs- und Hüllstromkanal liegen. Weitere Beleuchtungssysteme sind möglich, die ein Lichtblatt zur Fluoreszenzanregung oder Dunkelfeldbeleuchtung in den Fokusbereich des Objektivs einstrahlen. Dieses kann insbesondere durch den Zuleitungskanal erfolgen, der als Lichtleiter genutzt werden kann und bei entsprechender Verspiegelung und Formung am Ende ein lokales und homogenes Beleuchtungs- und Anregungslichtfeld erzeugt.The optical imaging can take place both in transmitted light mode and in incident light mode. For incident light measurement, the illumination in the area of the optical image is reflected in and applied through the objective. For selective excitation of a very thin boundary layer on the coverslip total reflection (TIRF) can be used, which is implemented with lenses with sufficient aperture. For a transmitted light image, a lighting cannula can be arranged parallel to the supply channel, is introduced through the transmitted light illumination. In a cylindrical supply channel, for example in the form of a tube, the illumination cannula can cause an annular illumination. When using a coaxial Hüllstromkanals the illumination cannula can be between supply and Hüllstromkanal. Other illumination systems are possible which irradiate a light sheet for fluorescence excitation or dark field illumination in the focus area of the lens. This can be done in particular by the supply duct, which can be used as a light guide and generates a local and homogeneous illumination and excitation light field with appropriate mirroring and shaping at the end.
Die optische Abbildung mittels des Objektivs kann zum Sortieren von Objekten verwendet werden, wenn der Kanal sich nach dem Durchtritt des Fluidstromes durch die Fokalebene in mindestens zwei Zweige verzweigt und weiter eine Einrichtung zur selektiven Blockierung mindestens eines der Zweige vorgesehen ist. Durch Betätigung dieser Einrichtung in Abhängigkeit vom Abbildungsergebnis, d. h. der Detektion vorbestimmter Objekte, kann so dafür gesorgt werden, daß die vorbestimmten Objekte in einen der beiden Zweige geleitet werden.The optical imaging by means of the objective can be used for sorting objects when the channel branches into at least two branches after the passage of the fluid flow through the focal plane and furthermore a device is provided for selectively blocking at least one of the branches. By operating this device depending on the image result, d. H. the detection of predetermined objects, can be made so that the predetermined objects are passed into one of the two branches.
Das erfindungsgemäße Mikroskop erlaubt auch eine Strukturaufklärung der Objekte durch eine Abbildung der Objekte in unterschiedlichen Drehstellungen, wenn der Kanal einenThe microscope according to the invention also allows a structure elucidation of the objects by mapping the objects in different rotational positions, if the channel has a
Zuleitungskanal und einen parallel dazu verlaufenden Rückleitungskanal umfaßt, durch die dasSupply passage and a return passage extending parallel thereto, through which the
Fluid strömt. Der Zuleitungskanal mündet auf ein Deckglas und dieses lenkt das Fluid in denFluid flows. The feed channel opens onto a cover glass and this directs the fluid in the
Rückleitungskanal um. Das Objektiv liegt unter dem Deckglas seine Fokalebene befindet sich im Zuleitungskanal oder im Bereich der Umlenkung des Fluides. Objekte werden dann gegenüber der Abbildungsoptik durch die Fluidstromumlenkung am Deckglas gedreht, so daß sie in verschiedenen räumlichen Lagen abgebildet werden.Return channel around. The objective lies under the cover glass and its focal plane is located in the supply channel or in the region of the deflection of the fluid. Objects are then rotated relative to the imaging optics by the fluid flow deflection on the cover glass, so that they are imaged in different spatial positions.
Eine weitere Strukturaufklärung ist möglich, wenn die Objekte innerhalb des Fokusbereiches in der Fokusebene mehrfach in unterschiedlichen axialen Lagen optisch abgebildet werden. Man erhält dann für jede Abbildung eine Darstellung des Objektes in einem anderen optischen Schnitt durch das Objekt. Diese Schnittbilder können dann zu einer 3D-Abbildung des Objektes zusammengefügt werden. Das Prinzip eines Hüllstromes kann gegenüber dem bereits erwähnten, koaxial zum Zuleitungsstrom verlaufenden Hüllstrom abgewandelt werden, wenn der Zuleitungskanal über das Deckglas in einen querlaufenden Hüllstromkanal mündet, so daß der Hüllstrom das vom Zuleitungskanal ausströmende Fluid zu mindestens einem Abflußkanal mitführt. Verwendet man zwei Abflußkanäle und lagert den Zuleitungskanal in einer elastischen Manschette derart, daß durch Verschiebung des Zuleitungskanals einstellbar ist, in welchen der Abflußkanäle der Hüllstrom das vom Zuleitungskanal ausströmende Fluid mitführt, kann eine Sortierung von Objekten erfolgen, indem die Verschiebung des Zuleitungskanals abhängig vom Bildungsergebnis vorgenommen wird.Further structure elucidation is possible if the objects within the focus area in the focal plane are optically imaged several times in different axial positions. One then obtains a representation of the object in a different optical section through the object for each image. These sectional images can then be combined to form a 3D image of the object. The principle of an enveloping current can be modified compared with the already mentioned, coaxial with the supply current enveloping current when the supply channel opens through the coverslip in a transverse Hüllstromkanal, so that the enveloping current carries the fluid flowing from the supply channel to at least one outflow channel. If two outflow channels are used and the supply channel is stored in an elastic sleeve in such a way that it can be adjusted by displacing the supply channel, in which the outflow channels the enveloping fluid entrains the fluid flowing out from the supply channel, objects can be sorted by the displacement of the supply channel depending on the formation result is made.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:
Fig. 1 Eine schematische Schnittdarstellung eines Mikroskops zur Detektion von Objekten in einem Fluidstrom,1 is a schematic sectional view of a microscope for detecting objects in a fluid stream,
Fig. 2 eine Abwandlung des Mikroskops der Figur 1 ,FIG. 2 shows a modification of the microscope of FIG. 1, FIG.
Fig. 3a-d Schemadarstellungen von Bildern, die mit dem Mikroskop der Figur 1 aufgenommen wurden,3a-d are schematic representations of images taken with the microscope of FIG. 1;
Fig. 4 eine weitere Abwandlung des Mikroskops der Figur 1 , Fig. 5 eine weitere Abwandlung des Mikroskops der Figur 1 mit TIRF-Beleuchtung,4 shows a further modification of the microscope of FIG. 1, FIG. 5 shows a further modification of the microscope of FIG. 1 with TIRF illumination,
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Fluidkanal einer weiteren Abwandlung des Mikroskops der Figur 1 undFig. 6 is a plan view of a fluid channel of a further modification of the microscope of Figure 1 and
Fig. 7 eine Schnittdarstellung des Mikroskops der Figur 6 entlang der Linie A-A.Fig. 7 is a sectional view of the microscope of Figure 6 along the line A-A.
Figur 1 zeigt schematisch ein Mikroskop zur Detektion von Objekten, die in einem Fluidstrom mitgeführt werden. Das Mikroskop umfaßt eine Abbildungsanordnung 1 die Bilder aus einem Fluidstrom gewinnt, welcher durch ein zum Mikroskop gehörendes Kapillarsystem fließt. In diesem Kapillarsystem strömt das Fluid in Richtung eines Pfeiles 2 durch einen Kanal 3, der einen Zuflußkanal 3a sowie seitlich davon wegführende Abflußkanäle 3b und 3c umfaßt. Der Zuflußkanal 3a läuft durch ein Röhrchen, das dichtend in einen Fluidik-Chip 5 eingesetzt ist. Der vom Röhrchen 4 gebildete Zuflußkanal 3a mündet in einen Bereich oberhalb eines Deckglases 6, das für die Abbildungsanordnung 1 transparent ist. Das längs des Pfeiles 2 durch den Zuflußkanal 3a zuströmende Fluid fließt durch das Röhrchen 4 und tritt aus diesem aus, woraufhin es in Richtung der Pfeile 10 und 1 1 in den Abflußkanälen 3b und 3c abgeführt wird.FIG. 1 schematically shows a microscope for the detection of objects which are carried in a fluid flow. The microscope includes an imaging assembly 1 that acquires images from a fluid stream flowing through a capillary system associated with the microscope. In this capillary system, the fluid flows in the direction of an arrow 2 through a channel 3, which comprises an inflow channel 3a and laterally leading away outflow channels 3b and 3c. The inflow channel 3a passes through a tube sealingly inserted into a fluidic chip 5. The inflow channel 3a formed by the tube 4 opens into an area above a cover glass 6 which is transparent to the imaging arrangement 1. The along the arrow 2 through the Inflow channel 3a incoming fluid flows through the tube 4 and exits from this, whereupon it is discharged in the direction of the arrows 10 and 1 1 in the drainage channels 3b and 3c.
In Figur 2 ist der Einfachheit halber von der optischen Abbildungsanordnung 1 nur die Fokusebene 14 gezeigt. Gleiches gilt für die nachfolgenden Figuren 4, 5 und 7.For the sake of simplicity, only the focal plane 14 of the optical imaging arrangement 1 is shown in FIG. The same applies to the following figures 4, 5 and 7.
Bezogen auf die Richtung des Pfeiles 2 unter dem Deckglas 6 liegt die Abbildungsanordnung 1 , die ein Objektiv 7 umfaßt, welches längs einer optischen Achse 8 ein Bild auf einem Bildsensor 9 abbildet. Zur Symbolisierung des abgebildeten Bildbereiches ist in Figur 1 ein Fokus 12 des Objektives 7 eingezeichnet, der in einer Fokusebene 14 liegt. Die Fokusebene 14 befindet sich noch im Zuflußkanal 3a, so daß im Zuflußkanal 3a durch das Röhrchen 4 in Richtung des Pfeiles 2 zuströmendes Fluid auf die Fokusebene 4 zufließt und durch diese hindurch tritt. Wenn aufgrund der hydrodynamischen Gegebenheiten sichergestellt ist, daß das zuströmende Fluid durch die Fokusebene 4 strömt, kann diese auch außerhalb des Zuflußkanals 3a liegen.Relative to the direction of the arrow 2 under the coverslip 6 is the imaging assembly 1, which comprises an objective 7, which images an image on an image sensor 9 along an optical axis 8. To symbolize the imaged image area, a focus 12 of the objective 7 is shown in FIG. 1, which is located in a focal plane 14. The focal plane 14 is still in the inlet channel 3 a, so that flows in the inflow channel 3 a through the tube 4 in the direction of arrow 2 inflowing fluid to the focal plane 4 and passes through it. If, due to the hydrodynamic conditions, it is ensured that the inflowing fluid flows through the focal plane 4, this can also be outside the inflow channel 3a.
Die Abbildungsanordnung 1 beleuchtet mittels eines Strahlteilers 25 und einer Lichtquelle 19 das aus dem Zuflußkanal 3a ausströmende Fluid in einer Auflichtanordnung und bildet einen in der Fokusebene 14 liegenden Bildbereich auf einen Bildsensor 9 ab. Diese Abbildung erlaubt es, im Fluid mitgeführte Objekte, z. B. Partikel, Proteine etc., auf dem Bildsensor 9 abzubilden.By means of a beam splitter 25 and a light source 19, the imaging arrangement 1 illuminates the fluid flowing out of the inlet channel 3 a in an incident light arrangement and images an image area lying in the focal plane 14 onto an image sensor 9. This figure allows objects carried in the fluid, e.g. As particles, proteins, etc., on the image sensor 9.
Die optische Abbildungsanordnung 1 hat längs der optischen Achse 8 einen Fokusbereich, der um die Fokusebene 14 herum liegt und im wesentlichen durch die Tiefenschärfe der Abbildungsanordnung 1 begrenzt ist.The optical imaging arrangement 1 has along the optical axis 8 a focus area which lies around the focal plane 14 and is essentially limited by the depth of field of the imaging arrangement 1.
Die weiter in Figur 1 ein gezeichneten Ebenen 22 bis 24 werden für eine besondere Betriebsweise des Mikroskops verwendet und später anhand der Figur 3 erläutert.The further drawn in Figure 1 a planes 22 to 24 are used for a special operation of the microscope and explained later with reference to FIG 3.
Figur 2 zeigt eine Abwandlung des Mikroskops der Figur 1. Elemente die hinsichtlich ihrer Struktur oder Funktion Elementen entsprechen, welche bereits anhand der Figur 1 erläutert wurden, tragen in Figur 2 sowie in allen weiteren Figuren dieselben Bezugszeichen, so daß auf ihre nochmalige Erläuterung verzichtet wird.Figure 2 shows a modification of the microscope of Figure 1. Elements which correspond in their structure or function elements, which have already been explained with reference to Figure 1, carry in Figure 2 and in all other figures the same reference numerals, so that their repeated explanation is omitted ,
In der Bauweise der Figur 2 wird das durch das Röhrchen 4 in Richtung des Pfeiles 2 durch den Zuflußkanal 3a zuströmende Fluid durch einen koaxial umgebenden Hüllstrom 17 eingehüllt, der in Richtung eines Pfeiles 16 in einen das Röhrchen 4 koaxial umgebenden Hüllkanal 15 eingespeist wird. Der Hüllstrom hat zur Folge, daß das durch den Zuflußkanal 3a strömende Fluid nach dem Austritt aus dem Röhrchen 4 eingeengt, also fokussiert wird. Die innerhalb der Fokusebene 14 erforderliche Bildfeldgröße ist damit geringer, so daß eine Abbildungsanordnung mit höherer Auflösung verwendet werden kann, die es auch erlaubt, vergleichsweise kleinere Objekte zu erfassen. Auch kann nun die Fokusebene 14 außerhalb des Zuflußkanals 3a liegen, was unter dem Gesichtspunkt reduzierter optischer Störungen günstig ist.In the construction of Figure 2, the flowing through the tube 4 in the direction of arrow 2 through the inlet channel 3a fluid is enveloped by a coaxially surrounding sheath 17, which is fed in the direction of an arrow 16 in a tube 4 coaxially surrounding sheath channel 15. The sheath flow has the consequence that the fluid flowing through the inflow channel 3a is narrowed after the exit from the tube 4, that is focused. The image field size required within the focal plane 14 is thus lower, so that a Mapping arrangement can be used with higher resolution, which also allows to capture comparatively smaller objects. Also, the focal plane 14 can now be outside the feed channel 3a, which is favorable from the viewpoint of reduced optical interference.
Die Figur 2 zeigt weiter eine Bauweise, bei der eine Durchlichtbeleuchtung erfolgt, indem seitlich des Röhrchens 4 über ein Lichtleitfaserbündel 18 Strahlung der Lichtquelle 19 eingekoppelt wird. Diese Beleuchtung tritt an der Unterseite des Röhrchens 4, d. h. den Fluidstrom umgebend aus und bewirkt eine Durchlichtbeleuchtung des abzubildenden Bildbereiches. Natürlich kann diese Art der Beleuchtung auch bei der Bauweise der Figur 1 oder einer der noch später zu erläuternden Bauweisen zur Anwendung kommen.FIG. 2 further shows a construction in which a transmitted-light illumination takes place in that radiation of the light source 19 is coupled in laterally of the tube 4 via an optical fiber bundle 18. This illumination occurs at the bottom of the tube 4, d. H. surrounding the fluid stream and causes transmitted light illumination of the image area to be imaged. Of course, this type of lighting can also be used in the construction of Figure 1 or one of the later to be explained construction methods.
Weiter ist in Figur 2 eingezeichnet, daß in den Abflußkanälen 3b und 3c Sperrventile 20 bzw. 21 angeordnet sind, die es erlauben, diese Kanäle zu blockieren. Solche Sperrventile können natürlich auch in der Bauweise der Figur 1 oder einer anderen der hier beschriebenen Varianten zur Anwendung kommen. Sie erlauben es nach Auswertung des Bildes, das vom Bildsensor 9 erfaßt wird, die Abflußkanäle 3b und 3c selektiv zu sperren. Dadurch kann dafür gesorgt werden, daß vorbestimmte Objekte nach ihrer Erkennung mittels der Abbildungsanordnung 1 in einen bestimmten der Abflußkanäle 3b bzw. 3c gelangen, indem der jeweils andere Abflußkanal blockiert wird, wenn ein vorbestimmtes Objekt im Bild gefunden wurde.Further, it is shown in Figure 2 that in the drain channels 3b and 3c check valves 20 and 21 are arranged, which allow to block these channels. Of course, such check valves may also be used in the construction of FIG. 1 or another of the variants described here. They allow, after evaluation of the image detected by the image sensor 9, to selectively block the drainage channels 3b and 3c. Thereby, it can be ensured that predetermined objects reach their detection by means of the imaging arrangement 1 in a certain one of the drainage channels 3b and 3c by the other drainage channel is blocked when a predetermined object was found in the image.
Die Figuren 3a-3d zeigen verschiedene Bilder, die beispielsweise mit der Abbildungsanordnung der Figur 1 oder der Figur 2 (oder einer anderen der hier beschriebenen Ausführungsformen) gewonnen werden kann. Bild 26 Figur 3a wurde in der Ebene 24 gewonnen und erlaubt keine weitere Strukturaufklärung des abgebildeten Objektes 27, was durch die gestrichelte Zeichnung des Objektes verdeutlicht werden soll. Allerdings wird dieses Signal als Trigger genutzt, da bei bekannter Flußgeschwindigkeit die Zeit festliegt und berechenbar ist, die ein Objekt benötigt, um von der Ebene 24 bis zur Fokusebene zu gelangen. Mit sehr kurzen Beleuchtungszeiten erfolgt nun wiederholt eine Abbildung der Objekte, ohne den Fluß zu mindern oder zu stoppen. Jede Aufnahme liefert ein Bild, das einen anderen optischen Schnitt durch das den Trigger auslösende Teilchen darstellt. Falls hohe Durchsatzraten angestrebt werden, kann zum Trigger auch ein einfacher Flächendetektor verwendet werden, der unabhängig von Bildaufnahme und Bildauswertung über den Detektor 9 ist und in einer Ebene positioniert wird, die konjugiert zur Ebene 24 liegt. Die Trennung der Lichtwege kann analog zur Auflichtbeleuchtung über einen Färb- oder Strahlteiler erfolgen. Sobald in der Ebene 24 ein Objekt gefunden wird, dient dies als Trigger für die sequentielle Bildgebung in der Fokusebene 14. Mit diesem Modus kann sehr schnell eine 3D-Aufnahme des Objektes erfolgen, ohne das Objektiv mit einem motorisierten z- Trieb bewegen zu müssen. Die mehreren Bilder (28, 29, 32) werden zu Zeitpunkten aufgenommen, zu denen das Objekt über den Fluidfluß unterschiedlich weit transportiert wurde. Aus Zeitabständen und Strömungsgeschwindigkeit folgt der axiale Transportweg.FIGS. 3a-3d show various images that can be obtained, for example, with the imaging arrangement of FIG. 1 or FIG. 2 (or another of the embodiments described here). Figure 26 Figure 3a was obtained in the plane 24 and does not allow further structural elucidation of the imaged object 27, which is to be illustrated by the dashed drawing of the object. However, this signal is used as a trigger, since at a known flow rate, the time is fixed and can be calculated, which requires an object to get from the level 24 to the focal plane. With very short illumination times, an image of the objects is repeated without reducing or stopping the flow. Each shot provides an image that represents a different optical section through the triggering particle. If high throughput rates are desired, a simple area detector can also be used for the trigger, which is independent of image acquisition and image evaluation via the detector 9 and is positioned in a plane which is conjugate to the plane 24. The separation of the light paths can be done analogous to reflected light illumination via a color or beam splitter. As soon as an object is found in the plane 24, this serves as a trigger for the sequential imaging in the focal plane 14. With this mode, a 3D image of the object can be taken very quickly, without the objective having a motorized z-axis. Drive to move. The plurality of images (28, 29, 32) are taken at times when the object has been transported differently across the fluid flow. From time intervals and flow velocity follows the axial transport path.
Somit lassen sich die Bilder 28, 30 und 32 zusammenfügen und eine dreidimensionale Abbildung eines Objektes im Fokusbereich wird dadurch erzeugt. Eine Alternative stellt das Vorgehen dar, die Probe in den Bereich der Fokusebene 14 zu bringen und den Fluß zu stoppen. Falls dann keine störende Sedimentation auftritt, d. h. bei geeigneten Proben, kann dann über ein Verfahren des Objektivs entlang der optischen Achse ein Bildstapel aufgenommen werden. Falls Sedimentation stark ist, ist abzuwarten, bis die Probe sedimentiert ist, um dann den Bildstapel aufzunehmen.Thus, the images 28, 30 and 32 can be joined together and a three-dimensional image of an object in the focus area is thereby generated. An alternative is the procedure to bring the sample in the region of the focal plane 14 and to stop the flow. If no disturbing sedimentation then occurs, d. H. in the case of suitable samples, an image stack can then be recorded by moving the objective along the optical axis. If sedimentation is strong, it is necessary to wait until the sample has sedimented and then pick up the image stack.
Figur 4 zeigt eine weitere Abwandlung des Mikroskops der Figur 1 , bei dem koaxial zum Zuflußkanal 3a, in dem das Fluid in Richtung des Pfeiles 2 zuströmt, ein Rückflußkanal 3b gebildet ist, in dem das Fluid in Richtung des Pfeiles 10 abfließt. Der Zuflußkanal 3a mündet oberhalb des Deckglases 6, wodurch sich eine Umlenkung 37 (symbolisiert durch einen gestrichelten Pfeil) des Fluidstromes im Bereich der Fokusebene 14 ergibt. Objekte, z. B. Partikel, die im Fluidstrom zufließen werden deshalb bei der Umlenkung gedreht, so daß sich eine Abbildung des Objektes in unterschiedlichen Drehlagen ergibt.FIG. 4 shows a further modification of the microscope of FIG. 1, in which, coaxially with the inflow channel 3 a, in which the fluid flows in the direction of the arrow 2, a return channel 3 b is formed, in which the fluid flows off in the direction of the arrow 10. The inflow channel 3a opens above the cover glass 6, resulting in a deflection 37 (symbolized by a dashed arrow) of the fluid flow in the region of the focal plane 14 results. Objects, e.g. B. particles that flow in the fluid flow are therefore rotated during the deflection, so that there is an image of the object in different rotational positions.
Zur Realisierung des Zuflußkanals 3a sowie des Rückflußkanals 3b ist parallel zum Röhrchen 4 ein entsprechendes Rückflußröhrchen 35 angeordnet, das beispielsweise wie das Röhrchen 4 einen rechteckigen Querschnitt hat. Diese Querschnittsform kommt grundsätzlich für alle Kanäle, die hier erwähnt werden, in Frage.For the realization of the inflow channel 3a and the return channel 3b, a corresponding reflux tube 35 is arranged parallel to the tube 4, which has a rectangular cross-section, for example, like the tube 4. This cross-sectional shape is in principle for all channels, which are mentioned here in question.
Figur 5 zeigt eine Weiterbildung des Mikroskops der Figur 1 , bei dem die Beleuchtung von der Lichtquelle 38 auf das Deckglas 6 von der Unterseite her mit einem Winkel 38 eingestrahlt wird, der unterhalb des Totalreflexionswinkels liegt. Somit kann lediglich ein evaneszentes Feld die Beleuchtung der Substanzen in den zufließenden Fluidstrom bewirken. Diese an und für sich bekannte TIRF-Beleuchtung wird in der Ausführungsform der Figur 5 vorzugsweise (nicht zwingend) damit kombiniert, daß das Röhrchen 4 an seinem Mündungsende 39 derart an das Deckglas 6 ragt, daß nur ein schmaler Spalt 40 verbleibt, der in der Größenordnung der Ausbreitungslänge des evaneszenten Feldes ist. Dadurch ist sicher gestellt, daß sämtliches Fluid, das in Richtung des Pfeiles 2 zufließt, TIRF-beleuchtet ist. Dieses Vorgehen ist nur einsetzbar für Partikel bzw. Moleküle, die kleiner sind als die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes (200 nm). Bei dem kleinen verbleibenden Spalt ist der Fluß hoch, falls übliche Probenvolumen von wenigen μl in einer vertretbaren Zeit zu analysieren sind. Falls eine 100 % Analyse des Probenflusses erforderlich ist, muß der Probenfluß mit der Aufnahmezeit des Sensors (Kamera) synchronisiert werden, wobei zu Totzeiten der Kamera der Fluß gestoppt wird. Dies kann entweder über Sperrventile in Abfluß- oder Zuflußkanälen erfolgen, oder durch entsprechende Steuerung von den Probenfluß treibenden Pumpen.FIG. 5 shows a refinement of the microscope of FIG. 1, in which the illumination from the light source 38 onto the cover glass 6 is radiated from the lower side at an angle 38 which lies below the total reflection angle. Thus, only an evanescent field can cause the illumination of the substances in the incoming fluid flow. This known per se TIRF illumination is in the embodiment of Figure 5 preferably (not necessarily) combined with the fact that the tube 4 protrudes at its mouth end 39 to the cover glass 6 so that only a narrow gap 40 remains, in the Magnitude of the propagation length of the evanescent field is. This ensures that all fluid flowing in the direction of arrow 2 is TIRF illuminated. This procedure can only be used for particles or molecules smaller than the penetration depth of the evanescent field (200 nm). For the small remaining gap, the flow is high if usual sample volumes of a few μl are to be analyzed in a reasonable time. If a 100% analysis of the sample flow is required, the sample flow must match the acquisition time of the sample Sensors (camera) are synchronized, with the dead times of the camera, the flow is stopped. This can be done either via check valves in discharge or inflow channels, or by appropriate control of the sample flow driving pumps.
Figur 6 zeigt eine Abwandlung des Fluidsystems zur Sortierung vorbestimmter Objekte im Fluidstrom. Im Gegensatz zu den bisherigen Abbildungen ist Figur 6 eine Draufsicht, also in der Richtung des Pfeiles 2 der Figuren 1 , 2, 4 und 5 gesehen. Durch das Röhrchen 4 fließt das Fluid zu. Dieses Röhrchen 4 und damit der Zuflußkanal 3a mündet, wie die Figur 7, welche einen Schnitt entlang der Linie A-A der Figur 6 zeigt, veranschaulicht, im wesentlichen rechtwinklig zu einem Hüllstromkanal 41 , in dem ein Hüllstrom längs des Pfeiles 16 fließt. Der Hüllstrom nimmt das durch den Zuflußkanal 3a fließende Fluid mit. Das Röhrchen 4 befindet sich in einer elastischen Manschette 42, so daß es innerhalb der Manschette verschoben werden kann. Durch die Lage des Röhrchens 4 ist eingestellt, ob der durch die Abflußkanäle 43 und 44 abfließende Höhlstrom das durch das Röhrchen 4 zugeführte Fluid in den Abflußkanal 43 oder den Abflußkanal 44 mitnimmt.FIG. 6 shows a modification of the fluid system for sorting predetermined objects in the fluid flow. In contrast to the previous figures, FIG. 6 is a plan view, that is to say seen in the direction of the arrow 2 of FIGS. 1, 2, 4 and 5. Through the tube 4, the fluid flows to. This tube 4, and thus the inflow channel 3a opens, as the figure 7, which shows a section along the line A-A of Figure 6, illustrates, substantially perpendicular to a Hüllstromkanal 41, in which a sheath flow along the arrow 16 flows. The sheath flow entrains the fluid flowing through the inflow channel 3a. The tube 4 is in an elastic sleeve 42 so that it can be displaced within the sleeve. Due to the position of the tube 4 is set whether the effluent through the drain channels 43 and 44 Höhlstrom entrains the supplied through the tube 4 fluid into the drain channel 43 or the drain channel 44.
Beobachtet man nun mittels der (in Figur 7 nicht dargestellten) optischen Anordnung 1 durch das Deckglas 6 hindurch den zufließenden Fluidstrom kann durch Verschiebung des Röhrchens 4 eine Sortierung vorbestimmter Objekte derart erfolgen, daß diese alle in denselben Abflußkanal, beispielsweise den Abflußkanal 43, gelangen, indem jedesmal, wenn ein entsprechendes Objekt im zufließenden Fluid entdeckt wird, das Röhrchen 4 so gestellt wird, daß der Hüllstrom, welcher aus dem Hüllstromkanal 41 zufließt, den Fluidstrom aus dem Zuflußkanal 3a in den Ausgang 43 mitnimmt. Solange kein vorbestimmtes Objekt mit der optischen Abbildungsanordnung 1 detektiert wurde, wird das Röhrchen 4 hingegen so verschoben, daß der Hüllstrom aus dem Hüllstromkanal 41 den durch das Röhrchen 4 zugeführten Fluidstrom zum Abflußkanal 44 leitet. If now by means of the optical arrangement 1 (not shown in FIG. 7) through the cover glass 6, the inflowing fluid flow can be sorted by displacing the tube 4 so that these all enter the same discharge channel, for example the discharge channel 43, in that each time a corresponding object is detected in the inflowing fluid, the tube 4 is set so that the sheath flow, which flows from the sheath flow channel 41, entrains the fluid flow from the inflow channel 3a into the outlet 43. On the other hand, as long as no predetermined object has been detected with the optical imaging arrangement 1, the tube 4 is displaced so that the enveloping flow from the sheath flow channel 41 directs the fluid flow supplied through the tube 4 to the outflow channel 44.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikroskop zur Detektion von Objekten in einem Fluidstrom, das aufweist: - einen Kanal (3), durch den Fluid enthaltend die zu detektierende Objekten strömt, und eine optische Abbildungseinrichtung (1 ), die eine einen Fokalbereich aufweisende Optik (7) umfaßt und im Fokalbereich befindliche Objekte abbildet, wobei der Fokalbereich um eine Fokalebene (14) herum liegt, welche im Kanal (3) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß, - die Fokalebene und der Kanal so zueinander ausgerichtet sind, daß das Fluid auf die Fokalebene zu- oder von dieser wegströmt.1. A microscope for the detection of objects in a fluid stream, comprising: - a channel (3), through which fluid flows containing the objects to be detected, and an optical imaging device (1), which comprises a Fokalbereich having optics (7) and in the focal region, the focal region lying around a focal plane (14) which lies in the channel (3), characterized in that, - the focal plane and the channel are aligned with one another such that the fluid is directed towards the focal plane or away from it.
2. Mikroskop nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (3) einen Zuleitungskanal (3a) umfaßt, durch den das Fluid strömt, wobei der Zuleitungskanal (3a) auf ein Deckglas (6) mündet, über das das Fluid seitlich in mindestens einen Abflußkanal (3b) abläuft und unter dem die Optik (7) liegt, und wobei die Fokalebene (14) im Zuleitungskanal (3a) oder im Bereich von dessen Mündung liegt.2. A microscope according to claim 1, characterized in that the channel (3) comprises a feed channel (3 a) through which the fluid flows, wherein the feed channel (3 a) on a cover glass (6) opens, via which the fluid laterally in at least a drainage channel (3b) runs and under which the optics (7) is located, and wherein the focal plane (14) in the supply channel (3a) or in the region of its mouth.
3. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hüllstromkanal (17) vorgesehen ist, durch den ein Hüllfluid strömt, wobei der Hüllstromkanal (17) den3. A microscope according to claim 2, characterized in that a Hüllstromkanal (17) is provided, through which flows an enveloping fluid, wherein the Hüllstromkanal (17) the
Zuleitungskanal (3a) umschließt, ebenfalls auf das Deckglas (6) mündet und so das vom Zuleitungskanal (3a) ausströmende Fluid einhüllt.Supply channel (3a) encloses, also on the cover glass (6) opens and thus envelops the fluid flowing from the supply channel (3a).
4. Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchlichtabbildung zwischen Zuleitungskanal (3a) und Hüllstromkanal (15) eine Beleuchtungskanüle (18) angeordnet ist.4. A microscope according to claim 3, characterized in that for the transmitted light image between the feed channel (3 a) and the envelope flow channel (15), a lighting cannula (18) is arranged.
5. Mikroskop nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (3) einen Zuleitungskanal (3a) und einen parallel dazu verlaufenden Rückleitungskanal (3b) umfaßt, durch die das Fluid strömt, wobei der Zuleitungskanal (3a) auf ein Deckglas (6) mündet und dieses das Fluid in den Rückleitungskanal (3b) umlenkt und wobei das Objektiv (7) unter dem Deckglas (6) liegt und die Fokalebene im Zuleitungskanal (3a) oder im Bereich der Umlenkung (37) des Fluids liegt.5. A microscope according to claim 1, characterized in that the channel (3) comprises a feed channel (3a) and a return passage extending parallel thereto (3b), through which the fluid flows, wherein the feed channel (3a) on a cover glass (6) flows and this deflects the fluid into the return duct (3b) and wherein the objective (7) lies under the cover glass (6) and the focal plane lies in the supply duct (3a) or in the area of the deflection (37) of the fluid.
6. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (3) sich nach dem Durchtritt des Fluidstromes durch die Fokalebene (14) in mindestens zwei Zweige (3b, 3c) verzweigt und daß eine Einrichtung (20, 21 ) zur selektiven Blockierung mindestens eines der Zweige (3b, 3c) oder eine den Fluidstrom treibende Pumpe zum Ein- und Ausschalten des Flusses vorgesehen ist6. Microscope according to one of the above claims, characterized in that the channel (3) branches after the passage of the fluid flow through the focal plane (14) in at least two branches (3b, 3c) and that means (20, 21) for selective blocking of at least one of the branches (3b, 3c) or a pump driving the fluid flow is provided for switching the flow on and off
7. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hüllstromkanal (41 ) vorgesehen ist, durch den ein Hüllfluid strömt, wobei der Zuleitungskanal (3a) über dem Deckglas (6) in den Hüllstromkanal (41 ) mündet, wobei der Hüllstrom das vom Zuleitungskanal (3a) ausströmende Fluid zu mindestens einem Abflußkanal (43, 44) mitführt.7. A microscope according to claim 2, characterized in that an Hüllstromkanal (41) is provided, through which a Hüllfluid flows, wherein the feed channel (3a) above the cover glass (6) in the Hüllstromkanal (41) opens, wherein the enveloping current from the Supply passage (3a) outflowing fluid to at least one outflow channel (43, 44) entits.
8. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllstromkanal (40) sich über dem Deckglas (6) in zwei Abflußkanäle (3b, 3c) verzweigt und der Zuleitungskanal (3a) in einer elastischen Manschette (42) gelagert ist, in der der Zuleitungskanal (3a) verschiebbar ist, wobei die Verschiebelage einstellt, in welchen der Abflußkanäle (42, 43) der Hüllstrom das vom Zuleitungskanal (3a) ausströmende Fluid mitführt.8. A microscope according to claim 2, characterized in that the Hüllstromkanal (40) branches over the coverslip (6) in two outflow channels (3 b, 3 c) and the supply channel (3 a) in an elastic sleeve (42) is mounted in the the supply channel (3a) is displaceable, wherein the displacement position adjusts, in which the outflow channels (42, 43) of the enveloping current carries the fluid flowing from the supply channel (3a).
9. Mikroskop nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtungsvorrichtung (19) vorgesehen ist, die durch das Deckglas (6) eine TIRF- Beleuchtung bewirkt.9. A microscope according to any one of claims 2 to 8, characterized in that a lighting device (19) is provided, which causes a TIRF illumination through the cover glass (6).
10. Verfahren zur mikroskopischen Detektion von Objekten in einem Fluidstrom, wobei der Fluidstrom in einem Kanal (3) geführt wird, eine optische Abbildungseinrichtung (1 ) verwendet wird, die eine einen Fokalbereich aufweisende Optik (7) umfaßt, wobei der Fokalbereich um eine Fokalebene (14) herum liegt, welche im Kanal (3) liegt, und im Fokalbereich befindliche Objekte optisch abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokalebene (14) so zum Kanal (3) ausgerichtet wird, daß der Fluidstrom auf die Fokalebene (14) zu- oder von dieser wegströmt.10. A method for the microscopic detection of objects in a fluid stream, wherein the fluid flow is guided in a channel (3), an optical imaging device (1) is used which comprises a focal area having optics (7), wherein the focal area about a focal plane (14) which lies in the channel (3) and objects in the focal region are optically imaged, characterized in that the focal plane (14) is aligned with the channel (3) so that the fluid flow onto the focal plane (14) flows to or from this.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Abbildung zur Detektion vorbestimmter Objekte ausgewertet wird und der Fluidstrom nach Durchtritt durch den Fokalbereich in zwei Abflußströme (3b, 3b; 42, 43) geteilt wird, wobei die Teilung abhängig von der Auswertung vorgenommen wird, um die vorbestimmten Objekte zu sortieren.11. The method according to claim 10, characterized in that the optical image for the detection of predetermined objects is evaluated and the fluid flow after passing through dividing the focal area into two effluent streams (3b, 3b, 42, 43), the division being made dependent on the evaluation to sort the predetermined objects.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der im Fluidstrom transportierten Objekte innerhalb des Fokusbereichs mehrfach hintereinander optisch abgebildet wird und Ergebnisse (26, 28, 20, 32) der mehreren optischen Abbildungen zu einer 3D-Abbildung des Objekts zusammengefügt werden. 12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that at least one of the objects transported in the fluid stream is optically imaged multiple times within the focus area and results (26, 28, 20, 32) of the plurality of optical images to a 3D image of the object be joined together.
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