粒子分類システム用光検出器
【課題】本発明は、空間的なチャネルアレイからの高速スペクトルを収集するための光学システムを提供する。
【解決手段】空間的なチャネルアレイからの高速のスペクトルを収集するための光学システムは、モニタされるマイクロ流体チップ又はチャネルを通過する光ビームを生成するための光源、マイクロ流体チャネル中の粒子又はケミカルとの相互作用の後の光源から光を捉える１又は２以上のレンズ又は光ファイバー、１又は２以上の検出器を有している。検出器は光増幅エレメントを有しても良く、各光信号を検出して光信号を電気信号に変換する。電気信号は各々が光信号の強度を示し、分析のため各検出器から電子データ収集システムに通される。単数又は複数の光増幅エレメントは、フォトダイオード検出器のアレイに連結されたイメージ増幅器に基づくフォトチューブのアレイ、マルチアノードフォトチューブ、又はマルチチャネルプレートを備え得る。
【解決手段】空間的なチャネルアレイからの高速のスペクトルを収集するための光学システムは、モニタされるマイクロ流体チップ又はチャネルを通過する光ビームを生成するための光源、マイクロ流体チャネル中の粒子又はケミカルとの相互作用の後の光源から光を捉える１又は２以上のレンズ又は光ファイバー、１又は２以上の検出器を有している。検出器は光増幅エレメントを有しても良く、各光信号を検出して光信号を電気信号に変換する。電気信号は各々が光信号の強度を示し、分析のため各検出器から電子データ収集システムに通される。単数又は複数の光増幅エレメントは、フォトダイオード検出器のアレイに連結されたイメージ増幅器に基づくフォトチューブのアレイ、マルチアノードフォトチューブ、又はマルチチャネルプレートを備え得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００３年８月１４日に出願の米国特許出願第６０／４９５、３７４号明細書の米国での仮出願、２００４年８月９日に出願の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号明細書について優先権を主張し、その全体の内容は参照として組み入れられる。
本発明は、チャネルを介して粒子の流れをモニタリングするシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体システムのような、１又は２以上のチャネルを通って粒子を運ぶシステムにおいて、粒子をモニタリング、分析、又は検出するために、光学システムが用いられ得る。光学システムは、例えば、所定の特性に基づく１又は２以上のチャネルを通って流動する粒子の流れを分類する粒子分類システムにおいて、有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第００／０６９９６号明細書
【特許文献２】国際公開第０１／００２８４６号明細書
【特許文献３】特開平７−１６７７９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来型の検出システムは、顕著な障害を有している。例えば、従来の光学検出システムは、大きい領域に亘って拡がるときに粒子上の蛍光ラベルからの低い光レベルの信号を観察することが困難であるため、しばしば不正確であり、貧弱な結果を提供している。従前の光学システムは、検出すべき光信号が例えば１ミリ秒未満の短期間である場合にも、困難である。例えば、従来型のＣＣＤ（電荷結合素子）技術は、１ミリ秒より大きいフレームレートを有している。
【０００５】
マイクロチャネル検索用の従前のシステムは、約５００μｍ未満の領域での、単一のチャネル上の集束光、及び、同様に限定された領域から捕捉する光をも制限する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、空間的なチャネルアレイからの高速スペクトルを収集する（得る）ための光学システムを提供する。前記システムは、マイクロ流体粒子分析の検索、又は、１から２００ミリメータより大きい間隔のパラレルな流体チャネルアレイを有する分類チップの検索に使用するために設計される。チャネル中を流通する（運ばれる）前記粒子は、１秒当たり０．１から１０メーターの速度を有し、それ故、検出器で観察される信号は、サブミリ秒の期間であっても良く、１から１００メガヘルツのバンド幅の検出器及び電子機器を有する観察に要求され得る。
【０００７】
光学検出システムは、モニタされるマイクロ流体チップ又はチャネルを通過する光ビームを生成するための光源と、マイクロ流体チャネル中の粒子又はケミカル（化学物質）との相互作用の後の光源から光を捉える１又は２以上のレンズ又は光ファイバーと、１又は２以上の検出器を有している。前記検出器は、光増幅エレメントを有しても良く、各光信号を検出して光信号を電気信号に変換する。前記電気信号は、各々が光信号の強度を示し、分析のため、各検出器から電子データ収集システムに通される。単数又は複数の光増幅エレメントは、フォトダイオード検出器のアレイに連結されたイメージ増幅器に基づく、フォトチューブのアレイ、マルチアノードフォトチューブ、又はマルチチャネルプレートを備え得る。
【０００８】
前記光学システムは、コスト的に有効であり、減衰信号と、１又は２以上の散乱信号と、１又は２以上の蛍光信号とを、１又は２以上の粒子流通チャネルから一度に、全て低い光レベル及び高いバンド幅（＞１ＭＨｚ）で、同時に捉える。前記システムは、様々な条件の下で各粒子の有効かつ正確なモニタリングを提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】粒子の流れを運ぶための複数のチャネルを有するシステムを示し、実施に好適な本発明で示される実施の形態である。
【図２】本発明における光検出システムの概略図である。
【図３】マイクロチャネルに垂直な平面中の１つのマクロチャネルを貫通する断面図を示す。
【図４】本発明の光検出システムの概略図であり、蛍光検出器の部材の詳細を示す。
【図５】マイクロ流体システムの複数のチャネル中の粒子分析用に適した光検出システムを示す。
【図６Ａ】図２の光検出システム中で９０度又は消光角で光散乱検出用サブシステムの実施の形態を示す。
【図６Ｂ】図２の光検出システム中で９０度又は消光角で光散乱検出用サブシステムの実施の形態を示す。
【図６Ｃ】図２の光検出システム中で９０度又は消光角で光散乱検出用サブシステムの実施の形態を示す。
【図７】図２の光検出システムでの使用に好適なビーム整形光学系の概略図である。
【図８】本発明における光検出システムでの使用に好適なセグメント化されたミラーを示す。
【図９】図８のセグメント化されたミラーにおける溝の部分図である。
【図１０】対応するスポットの幅に基づくセグメント化されたミラーにおける溝に対する異なる配置を示すテーブルである。
【図１１】本発明で示される実施の形態の光検出システムでのセグメント化されたミラーを用いるビーム整形光学系の概略図である。
【図１２】本発明で示される実施の形態の光検出システムでの使用に好適なイメージ増強器を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、ここでの説明及び添付した図面から明らかになるであろう。ここで、同様の参照番号は、異なる図面を通して同一の部分を示している。
【００１１】
本発明は、チャネルのアレイを介して粒子の流れをモニタリングして検出するための光学システムを提供する。本発明は、示される実施の形態に関して下記で説明されるであろう。当業者は、本発明は多数の異なる応用及び具体例を企図することができ、本出願においてここで示される特定の具体例に特に限定されないことを理解するであろう。
【００１２】
図１は、本発明で示される実施の形態の実施に好適なマイクロ流体システム１０を示し、粒子又はセルといった物質を運ぶための複数のチャネルを備えている。示されたマイクロ流体システム１０は、基板１に配置されるマイクロチャネル３のような複数のチャネルを有する基板１を備えている。前記チャネルは、液体の試料上で任意の適した操作を処理するため、操作するため、及び／又は行うために、マイクロ流体システム１０を介して流体及び／又は粒子を輸送する。本明細書では、「マイクロ流体」の語は、マイクロスケールの寸法を有する少なくとも１つのチャネルを有する流体試料を操作するため、処理するため、放出するため、及び／又は分析するための、システム又は機器を指すものとする。本明細書で用いられる語「チャネル」は、液体や気体といった流体の移動可能な媒体中またはこれを介して形成される通路を指す。「マイクロチャネル」の語は、約１．０μｍから約５００μｍの範囲、好ましくは約２５μｍから約３５０μｍの範囲、最も好ましくは約５０μｍから約３００μｍの範囲で、断面寸法を有する好ましくはマイクロ流体システム又は機器中に形成されたチャネルを指す。当技術分野での通常の技術の１つにより、適切なチャネルの体積及び長さを決定することが可能であろう。前記範囲は、上述した値を上限又は下限値として含むものである。前記チャネルは、任意に選択された形又は配置を有することができ、例えば、直線又は非直線の構成及びＵ字状の構成を含む。マイクロ流体システム１０は、マイクロ流体システム１０を介して流体を輸送するための任意の好適な数のマイクロチャネル３を有し得る。
【００１３】
本発明は、図１におけるマイクロ流体システムのような、マイクロ流体チップとともに使用するための光検出器を提供する。本発明における光検出器は、この領域におけるシステムに問い合わせを行うマイクロ流体システムにおける測定領域２中で実施され得る。本発明は、１又は２以上の検索領域２に亘る１から２００のチャネルからなる平行なチャネルアレイとともにマイクロ流体チップを測定可能な検出システムの構築を容易にする。前記領域２は、１から２５０ｍｍの物理的な範囲を有し、好ましくは１から１００ｍｍの範囲を有する。
【００１４】
光検出器は、チップ中に同時に複数のチャネルを介して流れをモニタしてもよい。光検出器又は光検出器のシステムは、通常の技術の１つで明らかな他の特性と同様に、サイズ、形状、蛍光強度光散乱、といった、１又は２以上の特性に対して、個々の粒子を検査することができる。例えば、示される実施の形態において、本発明の光検出器は、観察すべき粒子流れの１００を超えるチャネルを有する前記チップの比較的大きい領域（例えば、直径で約２０ミリメータから５０ミリメータの間のアクティブ領域）に亘って位置し得る。前記光検出器は、複数の又は全てのチャネルで一度に発生する低い光水準の信号を、コスト効率良く迅速に捉えることができる。当業者は、光学システムが粒子又はセルの分類システムでの使用に限定されず、１又は２以上のチャネルを介した流れをモニタするための粒子のような、基板を有する任意の好適なシステムで実施し得ることを理解するであろう。
【００１５】
図２は、本発明で示される実施の形態での光検出システム８の全体図を示し、図１のマイクロ流体システムにおいて実施され得る。当業者は、光検出システムが任意の好適なシステムで実施することができ、図１のマイクロ流体システムに制限されないということを理解するであろう。
【００１６】
光検出システム８は、マイクロ流体チップ１０中の粒子アレイ搬送チャネル３に配列されたピンホールのアレイとして示された、光マスク１３を通過する光ビーム１４を生成して整形するためのビーム整形光学系１２に接続され、レーザとして示された光源１１を備える。ピンホールに入った光は、次に、搬送チャネル３自体を貫通する。１又は２以上の関連するピンホールを経て各チャネルに入った光ビームが横断する粒子１８は、光信号を生成するチャネル３を介して搬送される（流通する）。光ビームが粒子に交差するときの光粒子分析、サイトメトリー、分類中で生成され得る光信号の実施例は、光減衰、角度依存の光散乱及び蛍光を含む。光減衰は、相互作用せずに粒子を通過する光の量を指す。角度依存の光散乱は、入射した光ビームから散乱又はそれぞれの角度（θ）で曲げられる光の一部を指す。蛍光は、粒子中の分子に吸収されてより長い波長で再放射された光である。
【００１７】
検出器光学系１５、１６、１７は、光源１１からチャネル３の反対側に位置しているが、チャネル中の粒子とともに光ビームの相互作用によって生成される光信号を捉えて観察する。光減衰検出器１５は、光源１１に正反対の方向に配置され、光減衰を検出するために入射光路１４に配列される。光散乱検出器１６は、入射光ベクトル及びこれが交差するマイクロ流体チャネルによって形成された平面中の入射光路１４に実質的に垂直に位置している。前記光散乱検出器は、入射光路１４に対して約９０度の角度で位置することが好ましい。他の角度用の光散乱検出器は、その角度の同一平面上に任意的に配置され得る。蛍光検出サブシステム１７は、蛍光からの光信号を捉える。蛍光検出サブシステム１７は、光エレメントを伴う大きな高開口レンズ（アパーチャレンズ）を有する。示されるように、蛍光検出サブシステムは、出来る限り多くの蛍光フォトンを捉えるためにマイクロ流体チップ１０の上方に配置され、検出器（図示せず）の上で撮像する。
【００１８】
光検出システム８は、チップ１０の検索領域２中で実施され得る。示された検索領域２は、２４のチャネル３を包含しているが、当業者は、任意の好適な数のチャネルが光検出システム８を用いて観察し得ることを認識するであろう。示される実施の形態において、検索領域２は、（各チャネル３に沿った）４ｍｍの長さで（複数のチャネルが横断する）約１０ｍｍの幅であるが、当業者は、本発明がこの範囲に限定されないことを認識するであろう。
【００１９】
レーザー１１からの光１４又は他の光源がチップ１０上に入射したとき、粒子が流れる狭い領域を通る光だけが粒子と相互作用して光信号を生成する。チャネル３の外側のチップ１０を通る光、又は、粒子を含まないチャネルの領域を通る光は、背景又はノイズにのみ寄与するものであり、信号には寄与しないため、迷光となり、最小化するべきである。観察される粒子を通らずにチップを通る光は、消費されたレーザーの光出力を表し、それ故コスト及び熱処理の理由から最小化すべきであることも考慮すべきである。ピンホールの層によって形成される光マスク１３及びビーム整形光学系１２のいずれも迷光を最小化するとともにレーザー出力を最小化する。
【００２０】
示されるように、光源１１は入射光をチャネル３に対して約４５度の角度で供する。この方法において、前方散乱／減衰は、チャネル３における反対側の同一方向に拡大する。示されるように、前方散乱１４ｂは、チャネル３から４５度の角度で拡がる。側方散乱１４ｃは、入射光から約９０度で拡がり、機械的自由度の円錐１７０の蛍光光学系を提供する。機械的自由度の円錐１７０は、前方散乱１４ｂ及び側方散乱１４ｃの間での検出器に対して９０度の見通しのよい眺め（視野）を提供する。
【００２１】
図３は、一対のマイクロチャネル３ａ、３ｂを有するマイクロ流体チップ１０の一部を通る断面の具体例の図を示す。前記断面図は、マイクロチャネル及びマスク１３のピンホール１３ａ、１３ｂを切断する平面中にある。入射光１４は、ピンホール層１３によって一部遮断され、各ピンホール１３ａ、１３ｂによって画定された集光ビーム１８に対して初期のビーム１４を狭める。前記集光ビーム１８は、従来型の円錐流れ（コーン流）における流れが許容される粒子１８を中に有する領域３１を照射するための各チャネルを交差する。多くの迷光がピンホール層１３によって遮断され、これはマイクロ流体チップから分離された部分であり、フォトリソグラフィ又はチップ作製における技術分野において既知の他の方法によって前記チップの表面上に作製され得る。
【００２２】
マイクロ流体システムは、粒子又はセルといった、物質が流れるためのチャネルを有する任意のシステムを備える。例えば、マイクロ流体システム１０は、米国特許出願第１０／１７９，４８８号明細書及び米国特許出願第１０／３２９，００８号明細書に記載されているような、粒子分類システムを備えていてもよい。これらの明細書はいずれも参照として本明細書に組み込まれている。他の好適なマイクロ流体システムは、米国特許出願第１０／０２８，８５２号明細書、米国特許出願第１０／０２７，４８４号明細書、米国特許出願第１０／０２７，５１６号明細書、米国特許出願第１０／６０７，２８７号明細書、に記載されている。これらは全て参照として本明細書に組み込まれている。
【００２３】
図４は、蛍光検出サブシステム１７の部材の詳細を示す図２の光検出システムの概略図を示す。蛍光検出サブシステム１７は、照射された粒子から放出されるフォトンを出来るだけ多く捉えるために構成されて配置された高開口数（低いＦ＃、Ｆナンバー）の収集レンズ４５を有する。レンズ４５は、市場で入手可能な５０ｍｍのオフザシェルフのＦ＃＝１のレンズ及びフォーカルレンズであっても良い。一例としては、Leica Noctiluxの５０ｍｍのＦ＃１レンズがある。より大きいレンズも利用でき、撮像する多層プレートに対して使用される。リトロー回折格子として示される分散エレメント４６は、第１の収集レンズ４５の上方に位置している。分散エレメント４６は、特定の光線の波長に関してある程度光を曲げる。示されたリトロー回折格子４６は、７３ｍｍの活性領域を有する７６．２ｍｍの直径である。リトロー回折格子４６は、単位ｍｍ当たり７２０の溝（グルーブ）を有し、５５０ｎｍでの４３．１度のブレーズ角（前記格子が位置する垂直方向からの角度）を有する。図４で５５０ｎｍの光が垂直方向から曲げられる角度であるリトロー角は、２３．３３度である。当業者は、特定の方法で光を曲げるための任意の好適な手段が本発明の教示に従って使用され得るということを認識するであろう。再生レンズ（レコンストラクションレンズ）４７は、回折格子４６からの一次のオーダーの回折光を捉えて撮像平面４８中に照射された粒子のイメージ中で回折光を再生するためにリトロー角に位置している。
【００２４】
ファイバーアレイ４９は、撮像平面４８から延長され、信号を分析するために検出器５０に信号を伝達する。前記検出器は、カメラ又は他の好適な機器であっても良い。
【００２５】
光路中にリトロー回折格子が存在することによって、マイクロチャネル３中の照射された粒子が、より短い波長のフォトンよりも大きい角度に傾いたより長い波長のフォトンとともに平面４８中に撮像され、これにより粒子が撮像平面に亘って拡がるスペクトルを有する。５００ｎｍから７００ｎｍの波長を有するフォトンは、レンズ４５、４７に対して用いられる５０ｍｍのフォーカルレンズに対して前記撮像平面４８中に約７８４１ミクロンに亘って拡がる。示される実施の形態は、単位ｎｍ波長に対して３９．２ミクロンのスペクトル解像度（分解能）を有する。
【００２６】
光検出システム８は、サイトメトリーの技術において既知の蛍光プローブ又は他の蛍光粒子マーカーに束縛された抗体（アンチボディ）で表示された粒子を観察するために用いることができる。例えば、励起光が４８８ｎｍの波長である場合、ＦＩＴＣ(フルオレセインイソチオシアン酸塩)、ＰＥ（Ｒ−フィコエリトリン）、ＡＰＣ（アロフィコシアニン）、及びＰｅｒＣＰ（ペリディニンクロロフィルプロテイン複合体）の蛍光プローブに束縛された抗体で表示された粒子を用いることができ、これらの蛍光プローブは、それぞれ、５３０ｎｍ、５７５ｎｍ、６３０ｎｍ及び６９５ｎｍで蛍光放射のピークを有する。ＦＩＴＣ、ＰＥ、及びＰｅｒＰＣは、（５５０ｎｍの位置が０であるのに対して）それぞれ７８４ミクロン、９８０ミクロン、３１３６ｎｍ、及び５６８４ミクロンの位置で撮像平面上に配置される。４００μｍのホールを有し該ホール中に直径４００ミクロンの光ファイバーを配置する不透明な平面により、約１０ｎｍの波長捕捉（キャプチャ）バンド幅の各ファイバー４９が付与される。所望の蛍光プローブにおけるピークの放射に対応する各位置にファイバー４９を配置することで、効果的かつコンパクトな多重カラー検出システムが提供される。撮像平面４８中に一端部を配置されるファイバー４９は、検出器に装着された他端部を有している。示される実施の形態では、ファイバーの第２の端部は、蛍光の光信号を増幅して電気信号に変換するために、シングルアノードに対応する位置で、フォトチューブのフォトカソードウィンドウ（例えば浜松コーポレーションのシングロアノードＨ６７８０−２０又は３２アノードＨ７２６０−２０フォトチューブ）に連結されている。イメージ増強器、アバランシェ・フォトダイオードアレイ、又は、光学系の分野で既知の技術といった他の光検出器の増幅も、光信号の検出及びその電気信号への変換に使用され得る。
【００２７】
図４において、照射されたチャネル中で粒子を探索する前記ファイバー４９は、マイクロ流体チップ中のチャネル平面である同一平面に配置される。前記システムが多重チャネルアレイ上で使用される場合、他のチャネルは、示されたチャネルの平面の正面又は示された平面の後に位置している。
【００２８】
図５は、マイクロ流体チップ中の多重チャネルを観察するために使用される光検出システム８０の透視図を示す。光検出システム８０もまた、大部分の入射光１４を遮断してマイクロ流体チップの６つのチャネルにおける各チャネル３の小さい検出領域２を照射するピンホールアレイ１３を備える。収集レンズの光コラム、リトロー回折格子及び再生レンズは、図４に示したものと同様であり、同一の実施の形態のレンズ及び回折格子の規格を有し得る。全体的に、レンズ及び回折格子のセットの部材のサイズは、検出領域（チャネルがピンホールを介して照射される領域）のサイズよりも大きいチップ上での視野を与えるのに十分である必要がある。撮像平面４８中において、６つのアレイ４９０を保持するプレート４８０が、各々４つのファイバーを備えて、位置している。４つの光ファイバー４９のそれぞれのアレイは、関連するチャネル３から放出された光スペクトルをサンプリングするために配置されている。アレイ中の各ファイバーは、１つの蛍光プローブのピーク放射位置に配置されている。高開口数のファイバー又はレンズドファイバーは、当業者に明らかであるようにここでは適切である。
【００２９】
図６Ａ−６Ｃは、９０度の角度での光散乱又は減衰を検出するためのサブシステムの実施の形態を示す。この実施の形態では、光励起カラム検出器リボン６３が、約５００ミクロンのチャネル間のスペースを有する多重チャネルチップ１０の上方に配置されている。光励起カラム検出器リボン６３は、図６Ｂの断面図で示されているが、リボン厚さ６３ｄより小さい深さで穴空けされた３００ミクロンの直径のホールを有し、チャネルスペースを有するホールを整列するために中央部に５００ミクロンの間隔を有する機械的部品である。高開口数のファイバー６５は、単位チャネル当たり１つのファイバーを有する、ファイバー６１のアレイを形成するために各ホール内に配置されている。ファイバーホール６３ｃより小さいが同心の円柱状のホールが各ホール中に空けられている。この円柱状のホールは、リボンコネクタ６３ｂを貫通し、光が前記円柱状のホールを通過して、より大きい直径のシャフト中に配置されているファイバー６５の中に入ることを可能にする。このサブシステムを作動させるために、入射光６８はピンホール及びチャネルに角度４０度近辺で交差して、リボンの位置で示されるように、前記光励起検出器リボン６３が入射光のベクトルに沿って（つまり、入射光に対して１８０度の角度で）直接搭載される。カラムネータの開口部は、ピンホールに交差する十分に円柱化された入射光の全ての光がファイバー中のカラムネータの端部で検出され得るように、ピンホールの開口部より大きくなければならない。カラムネータ自体は、他のチャネルからの任意の迷光を遮断するために十分な長さになるように選択される。例えば、１つの実施の形態においては、ピンホールの開口部は１５０ミクロンの直径であり、カラムネータは２５０ミクロンの直径であり、ファイバーは３００ミクロンの直径であり、及びコリメータは、２ｍｍのチャネル内に配置されるが、１ｍｍの長さである。ファイバーアレイ６１の遠端で、各ファイバーはフォトチューブ又は他の光検出器に装着される。光励起は、その検出器用のフォトダイオードを使用するためにしばしば十分な明るさである。
【００３０】
図６Ｃにおいて、第２リボン６６は、記載された第１のリボン６３と実質的に同一に構築されているが、セル又は粒子からの９０度の散乱又は側方散乱の信号を測定するのに好適な、入射光から９０度の位置に配置されている。当業者は、他の散乱パラメータを観察するために他の角度に同様のリボンが配置されていても良いことを認識するであろう。興味ある特定の角度は、励起通路中の直線上の光を得ることなく前方に位置する方向（入射からほぼ１８０度）に近接するような全体的に大部分が前方方向での光散乱である、いわゆる前方散乱である。
【００３１】
さらなる実施の形態において、光源１１は、コヒーレントサファイヤ４８８／２００レーザーであり、該レーザーは小さく、ガスレーザーチューブ放射から非常なノイズ又はノイズを生じずに、約２００ｍｗを生じる空冷の固体の機器である。あるいは、ＯＰＳＳ（光励起固体）レーザーが用いられ、該レーザーはモニタリングを行うために必要な全ての異なる励起波長をも生成可能である。当業者は、任意の好適な光源を用いることができることを認識するであろう。
【００３２】
図７は、本発明で示される実施の形態の光検出器での使用に好適なビーム整形光学系１２の一実施の形態における断面図である。光学図は、ｚ軸に沿った光伝搬の全体的な方向とともにｘ−ｚ平面中に描かれている。各点線は、前記ビームが整形光学系によってどのように操作されるかを示す光線のｘ−ｙプロファイルスケッチ１４’に導かれる。前記ビームは、ほぼ直径７００ミクロンのラウンドプロファイルで出力された単一のレーザー１１からローパス又はバンドパスフィルタ７４の後でフィルタされたビームの波長を通過する。そして、前記ビームは５ｍｍの焦点距離と２５０ｍｍの焦点距離を有する第１の対の視準レンズ７３を通過して、これにより実質的に長方形状のビームが生成される。そして、前記ビームは、ｙ軸で１４から１００ミクロンに鮮鋭化するために、焦点距離が１５０ｎｍの円筒形レンズを有する集束レンズ７１を通過する。集束レンズ７１の後のこの実施の形態における全体的なプロファイルは、１００ミクロン毎に３６ｍｍであり、５００ミクロン間隔で最大７０のピンホール／チャネルのピンホールアレイ１３を照射するために用いられ得る。ピンホールは、ｙ軸方向において約１００ミクロンより小さいため、ビームの制限によって光の浪費が防止される。中央部（センター）での５００ミクロン間隔のＮ個のピンホールチップにおいて、レーザー出力の消費を最小限にするために、ｘ軸に沿って５００ｘＮミクロンをわずかに超えて、ｙ軸に沿って（１００ミクロンをわずかに超える）２００ミクロンであることがビームにとって好ましい。そして、円柱化されて整形されたビームは、ピンホールアレイ１３に交差して、マッチする（合致する）チャネル３のアレイに交差するように間隔を有するＮピンホール整形ビーム７８になる。
【００３３】
図７のビーム整形の実施の形態は、この設計が高速（バンド幅＞１０ＭＨＺ）の励起、散乱、及び蛍光の同時観察を可能にすることを考慮すれば、迷光を最小限にして約１０％の出力効率を許容するのに非常に有効である。
【００３４】
図８は、本発明の光検出システムでの使用に好適な、溝付きの鏡に基づく反射型のビームスプリッター８０を示す。前記ビームスプリッター８０は、入射光ビームを複数のビームに分割するために、セグメント化されたミラー８３を備えている。円柱化された入射ビーム８２は、スプリッター８０に入り、入射ビームをより小さいビームのアレイ８４に分割するセグメント化されたミラー８３に対して入射の正しい角度（全体的に低い角度）を設定するために用いられる入射ミラー８１から反射される。上述の、より小さいビームのアレイ８４は、入射ビーム８２に平行な上方にも延在している。
【００３５】
前記セグメント化されたミラー８３は、反射溝の一様なアレイを備える。前記一様なアレイは、異方性のエッチングされたシリコンを有することが好ましい。あるいは、前記一様な溝のアレイは、光学仕上げをされた従来型の機械加工で作られている。他の実施の形態においては、前記一様な溝のアレイは、プラスチック材料で形成され、そして前記溝のアレイに対する反射膜で覆われている。
【００３６】
図９は、このようなセグメント化されたミラーの設計を導く角度及び公式を示す。入射光８２は、ミラー中の各溝８３ａに部分的に留められており、この留められた部分は、より狭いビーム８４ａを作るために固定角度で反射される。第２の狭いビーム８４ｂは、隣接する溝８４ｂで形成される。各溝は、溝スペースＡで隔離されており、前記スプリッターは（一様な溝を想定して）一様なスポット幅のビーム、及び、マイクロ流体チップ中のピンホールとチャネルスペースとを合わせるように設計されるレーンスペースＬのビームを生成している。
【００３７】
図１０は、レーンスペースＬが５００ミクロンであり、溝（固定溝角度ｅ＝５４．７４である）がシリコン異方性エッチングで作製される図８のビームスプリッターの実施の形態におけるテーブルである。前記テーブルは、選択されたスポットサイズに対する好適なミラー構造を示す。例えば、１００ミクロンスポットサイズの場合は、１００ミクロン未満のピンホールに対して好適であるが、溝スペースＡ＝５７５ミクロン、溝傾斜角Ｇ＝２９．７度、及び入射角Ｉ＝２５度に対応する。
【００３８】
図１１は、光学検出システムでの使用に好適なビーム整形サブシステム１１２の実施の形態を描く。示されるビーム整形サブシステム１１２は、図７で説明されたビーム整形光学系１２に類似のビーム整形光学系１２を用いた後の最終ステージにおいて、図８に示したような、セグメント化されたミラー８０の使用に好適である。
【００３９】
他の実施の形態では、光学システム上に個々に搭載されるのではなく、各マイクロ流体チップ上に作製されるピンホールアレイ１３を備える。
【００４０】
図４及び図５の撮像平面中で使用されるファイバーアレイ用の検出器についての他の実施の形態では、前記平面中にイメージ増強器が配置され、発光体上に生成される光信号を読み出す前記イメージ増強器の後にファイバーが配置される。このような代換例は、全ての蛍光信号、及びポストイメージ増強器で光信号を電気信号に変換するためのフォトダイオードに対して１つの光増幅エレメント（イメージ増強器）のみを用いることでコストを低減し得る。
【００４１】
図１２は、標準的な浜松製のイメージ増強器２２０の図面を示すが、当業者は、この代換として任意の大きい領域の高い空間分解能を有する光増幅部材を使用し得ることを認識するであろう。前記イメージ増強器２２０は、信号をフォトダイオードアレイ又は他の好適な検出機器に渡す前に光学イメージを増幅するために用いられる。示されるように、前記イメージ増強器は、撮像信号に対する入力ウインドウ２２１、光を光電子に変換するフォトカソード２２２のような光感知電子エミッタ、電子増倍のためのＭＣＰ２２３、電子を光に変換する発光体スクリーン２２４、ファイバー光プレートとして示した出力ウインドウ２２５を備える。この示される実施の形態によれば、イメージ増強器は、２５ｍｍから４０ｍｍの浜松製のイメージ増強器を備え得るが、当業者は、任意の好適な機器が使用され得ることを認識するであろう。
【００４２】
ビーム成型サブシステム１２及び蛍光検出サブシステム１７の両方についての他の実施の形態は、蛍光検出システムの場合における迷光又は不要光を除去するため、又は、光源１１から放射される光から迷光又は不要光の波長成分を除去するため、ショートパスフィルタ、又は、ロングパスフィルタ、又は、波長バンドパスフィルタ、又は、バンド遮断フィルタ、を備える。
【００４３】
減衰又は散乱検出器１５、１６についての他の実施の形態では、これらの信号を標準化するために、独立したレーザー出力モニタを前記システムに追加する。この構成は、レーザー上のノイズがこれらの信号に対してゆがめられるように、これらの信号のいずれもがレーザー出力に直接比例するため、有用である。
【００４４】
検出器１５、１６及び１７とともに使用されるファイバーアレイについての他の実施の形態では、各ファイバーアレイをフォトダイオード又はアバランシェフォトダイオード又は他の光検出器アレイで置き換えている。当業者は、サンプルの光水準要求と、使用される特定のチップの具体例におけるフォームファクタ（波形率）とを合わせる他の検出器も可能であることを認識するであろう。
【００４５】
ビームスプリッターに対する他の実施の形態では、異方性エッチング結晶材料又は従来型の機械加工金属、又は、適切な光学研磨又は反射コーティングが続くプラスチック成型で作製される反射型の溝アレイを使用し得る。
【００４６】
この発明の全ての実施の形態において、ピンホールアレイは、全体的にマイクロ流体チャネルの間隔に合わせられる。反射型のビームスプリッターがビーム成型光学系で使用される場合、前記ピンホールとも合わせられなければならない。
【００４７】
最も単純な実施例では、一様に配列されたチャネル及び一様に配列されたピンホール及び分割ビーム（ビームスプリッティング）中に出来るだけ一様に配置された溝を用いるが、このことが本発明では必ずしも必要ではなく、同様の実施の形態は不規則な間隔又はチャネルパターンを用いて設計され得る。
【００４８】
蛍光検出サブシステムＡ７に対する他の実施の形態では、撮像平面（３−５）、（２−８）中のファイバーの前又は後にナローバンドパスフィルタを追加している。前記平面中の４００ミクロンのファイバーは、１０ｎｍのバンド幅を捉えうる。１０ｎｍ又は５ｎｍのバンドパスフィルタは、いくつかの場合に感度を向上してノイズを減少させるであろう。
【００４９】
本発明は、示された実施の形態に対して説明されてきた。一定の変形が、本発明の範囲から離れることなく、上述の構成で行われ得る。上述の説明に含まれ、又は、添付の図に示される全ての事柄は、例示的に解釈され、限定的な意味ではないことが意図されている。
【００５０】
特許請求の範囲は、ここで説明された本発明における全ての一般的及び特定の特色と、言語の問題として、それらの間に収まるように言及され得る、本発明の範囲の全ての記述をカバーするものであることも理解されるべきである。
【符号の説明】
【００５１】
１ 基板
２ 測定領域
３ マイクロチャネル
８ 光検出システム
１０ マイクロ流体システム
１１ 光源
１２ ビーム整形光学系
１３ 光マスク
１４ 光ビーム
１５ 検出器光学系
１６ 検出器光学系
１７ 検出器光学系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００３年８月１４日に出願の米国特許出願第６０／４９５、３７４号明細書の米国での仮出願、２００４年８月９日に出願の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号明細書について優先権を主張し、その全体の内容は参照として組み入れられる。
本発明は、チャネルを介して粒子の流れをモニタリングするシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体システムのような、１又は２以上のチャネルを通って粒子を運ぶシステムにおいて、粒子をモニタリング、分析、又は検出するために、光学システムが用いられ得る。光学システムは、例えば、所定の特性に基づく１又は２以上のチャネルを通って流動する粒子の流れを分類する粒子分類システムにおいて、有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第００／０６９９６号明細書
【特許文献２】国際公開第０１／００２８４６号明細書
【特許文献３】特開平７−１６７７９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来型の検出システムは、顕著な障害を有している。例えば、従来の光学検出システムは、大きい領域に亘って拡がるときに粒子上の蛍光ラベルからの低い光レベルの信号を観察することが困難であるため、しばしば不正確であり、貧弱な結果を提供している。従前の光学システムは、検出すべき光信号が例えば１ミリ秒未満の短期間である場合にも、困難である。例えば、従来型のＣＣＤ（電荷結合素子）技術は、１ミリ秒より大きいフレームレートを有している。
【０００５】
マイクロチャネル検索用の従前のシステムは、約５００μｍ未満の領域での、単一のチャネル上の集束光、及び、同様に限定された領域から捕捉する光をも制限する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、空間的なチャネルアレイからの高速スペクトルを収集する（得る）ための光学システムを提供する。前記システムは、マイクロ流体粒子分析の検索、又は、１から２００ミリメータより大きい間隔のパラレルな流体チャネルアレイを有する分類チップの検索に使用するために設計される。チャネル中を流通する（運ばれる）前記粒子は、１秒当たり０．１から１０メーターの速度を有し、それ故、検出器で観察される信号は、サブミリ秒の期間であっても良く、１から１００メガヘルツのバンド幅の検出器及び電子機器を有する観察に要求され得る。
【０００７】
光学検出システムは、モニタされるマイクロ流体チップ又はチャネルを通過する光ビームを生成するための光源と、マイクロ流体チャネル中の粒子又はケミカル（化学物質）との相互作用の後の光源から光を捉える１又は２以上のレンズ又は光ファイバーと、１又は２以上の検出器を有している。前記検出器は、光増幅エレメントを有しても良く、各光信号を検出して光信号を電気信号に変換する。前記電気信号は、各々が光信号の強度を示し、分析のため、各検出器から電子データ収集システムに通される。単数又は複数の光増幅エレメントは、フォトダイオード検出器のアレイに連結されたイメージ増幅器に基づく、フォトチューブのアレイ、マルチアノードフォトチューブ、又はマルチチャネルプレートを備え得る。
【０００８】
前記光学システムは、コスト的に有効であり、減衰信号と、１又は２以上の散乱信号と、１又は２以上の蛍光信号とを、１又は２以上の粒子流通チャネルから一度に、全て低い光レベル及び高いバンド幅（＞１ＭＨｚ）で、同時に捉える。前記システムは、様々な条件の下で各粒子の有効かつ正確なモニタリングを提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】粒子の流れを運ぶための複数のチャネルを有するシステムを示し、実施に好適な本発明で示される実施の形態である。
【図２】本発明における光検出システムの概略図である。
【図３】マイクロチャネルに垂直な平面中の１つのマクロチャネルを貫通する断面図を示す。
【図４】本発明の光検出システムの概略図であり、蛍光検出器の部材の詳細を示す。
【図５】マイクロ流体システムの複数のチャネル中の粒子分析用に適した光検出システムを示す。
【図６Ａ】図２の光検出システム中で９０度又は消光角で光散乱検出用サブシステムの実施の形態を示す。
【図６Ｂ】図２の光検出システム中で９０度又は消光角で光散乱検出用サブシステムの実施の形態を示す。
【図６Ｃ】図２の光検出システム中で９０度又は消光角で光散乱検出用サブシステムの実施の形態を示す。
【図７】図２の光検出システムでの使用に好適なビーム整形光学系の概略図である。
【図８】本発明における光検出システムでの使用に好適なセグメント化されたミラーを示す。
【図９】図８のセグメント化されたミラーにおける溝の部分図である。
【図１０】対応するスポットの幅に基づくセグメント化されたミラーにおける溝に対する異なる配置を示すテーブルである。
【図１１】本発明で示される実施の形態の光検出システムでのセグメント化されたミラーを用いるビーム整形光学系の概略図である。
【図１２】本発明で示される実施の形態の光検出システムでの使用に好適なイメージ増強器を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、ここでの説明及び添付した図面から明らかになるであろう。ここで、同様の参照番号は、異なる図面を通して同一の部分を示している。
【００１１】
本発明は、チャネルのアレイを介して粒子の流れをモニタリングして検出するための光学システムを提供する。本発明は、示される実施の形態に関して下記で説明されるであろう。当業者は、本発明は多数の異なる応用及び具体例を企図することができ、本出願においてここで示される特定の具体例に特に限定されないことを理解するであろう。
【００１２】
図１は、本発明で示される実施の形態の実施に好適なマイクロ流体システム１０を示し、粒子又はセルといった物質を運ぶための複数のチャネルを備えている。示されたマイクロ流体システム１０は、基板１に配置されるマイクロチャネル３のような複数のチャネルを有する基板１を備えている。前記チャネルは、液体の試料上で任意の適した操作を処理するため、操作するため、及び／又は行うために、マイクロ流体システム１０を介して流体及び／又は粒子を輸送する。本明細書では、「マイクロ流体」の語は、マイクロスケールの寸法を有する少なくとも１つのチャネルを有する流体試料を操作するため、処理するため、放出するため、及び／又は分析するための、システム又は機器を指すものとする。本明細書で用いられる語「チャネル」は、液体や気体といった流体の移動可能な媒体中またはこれを介して形成される通路を指す。「マイクロチャネル」の語は、約１．０μｍから約５００μｍの範囲、好ましくは約２５μｍから約３５０μｍの範囲、最も好ましくは約５０μｍから約３００μｍの範囲で、断面寸法を有する好ましくはマイクロ流体システム又は機器中に形成されたチャネルを指す。当技術分野での通常の技術の１つにより、適切なチャネルの体積及び長さを決定することが可能であろう。前記範囲は、上述した値を上限又は下限値として含むものである。前記チャネルは、任意に選択された形又は配置を有することができ、例えば、直線又は非直線の構成及びＵ字状の構成を含む。マイクロ流体システム１０は、マイクロ流体システム１０を介して流体を輸送するための任意の好適な数のマイクロチャネル３を有し得る。
【００１３】
本発明は、図１におけるマイクロ流体システムのような、マイクロ流体チップとともに使用するための光検出器を提供する。本発明における光検出器は、この領域におけるシステムに問い合わせを行うマイクロ流体システムにおける測定領域２中で実施され得る。本発明は、１又は２以上の検索領域２に亘る１から２００のチャネルからなる平行なチャネルアレイとともにマイクロ流体チップを測定可能な検出システムの構築を容易にする。前記領域２は、１から２５０ｍｍの物理的な範囲を有し、好ましくは１から１００ｍｍの範囲を有する。
【００１４】
光検出器は、チップ中に同時に複数のチャネルを介して流れをモニタしてもよい。光検出器又は光検出器のシステムは、通常の技術の１つで明らかな他の特性と同様に、サイズ、形状、蛍光強度光散乱、といった、１又は２以上の特性に対して、個々の粒子を検査することができる。例えば、示される実施の形態において、本発明の光検出器は、観察すべき粒子流れの１００を超えるチャネルを有する前記チップの比較的大きい領域（例えば、直径で約２０ミリメータから５０ミリメータの間のアクティブ領域）に亘って位置し得る。前記光検出器は、複数の又は全てのチャネルで一度に発生する低い光水準の信号を、コスト効率良く迅速に捉えることができる。当業者は、光学システムが粒子又はセルの分類システムでの使用に限定されず、１又は２以上のチャネルを介した流れをモニタするための粒子のような、基板を有する任意の好適なシステムで実施し得ることを理解するであろう。
【００１５】
図２は、本発明で示される実施の形態での光検出システム８の全体図を示し、図１のマイクロ流体システムにおいて実施され得る。当業者は、光検出システムが任意の好適なシステムで実施することができ、図１のマイクロ流体システムに制限されないということを理解するであろう。
【００１６】
光検出システム８は、マイクロ流体チップ１０中の粒子アレイ搬送チャネル３に配列されたピンホールのアレイとして示された、光マスク１３を通過する光ビーム１４を生成して整形するためのビーム整形光学系１２に接続され、レーザとして示された光源１１を備える。ピンホールに入った光は、次に、搬送チャネル３自体を貫通する。１又は２以上の関連するピンホールを経て各チャネルに入った光ビームが横断する粒子１８は、光信号を生成するチャネル３を介して搬送される（流通する）。光ビームが粒子に交差するときの光粒子分析、サイトメトリー、分類中で生成され得る光信号の実施例は、光減衰、角度依存の光散乱及び蛍光を含む。光減衰は、相互作用せずに粒子を通過する光の量を指す。角度依存の光散乱は、入射した光ビームから散乱又はそれぞれの角度（θ）で曲げられる光の一部を指す。蛍光は、粒子中の分子に吸収されてより長い波長で再放射された光である。
【００１７】
検出器光学系１５、１６、１７は、光源１１からチャネル３の反対側に位置しているが、チャネル中の粒子とともに光ビームの相互作用によって生成される光信号を捉えて観察する。光減衰検出器１５は、光源１１に正反対の方向に配置され、光減衰を検出するために入射光路１４に配列される。光散乱検出器１６は、入射光ベクトル及びこれが交差するマイクロ流体チャネルによって形成された平面中の入射光路１４に実質的に垂直に位置している。前記光散乱検出器は、入射光路１４に対して約９０度の角度で位置することが好ましい。他の角度用の光散乱検出器は、その角度の同一平面上に任意的に配置され得る。蛍光検出サブシステム１７は、蛍光からの光信号を捉える。蛍光検出サブシステム１７は、光エレメントを伴う大きな高開口レンズ（アパーチャレンズ）を有する。示されるように、蛍光検出サブシステムは、出来る限り多くの蛍光フォトンを捉えるためにマイクロ流体チップ１０の上方に配置され、検出器（図示せず）の上で撮像する。
【００１８】
光検出システム８は、チップ１０の検索領域２中で実施され得る。示された検索領域２は、２４のチャネル３を包含しているが、当業者は、任意の好適な数のチャネルが光検出システム８を用いて観察し得ることを認識するであろう。示される実施の形態において、検索領域２は、（各チャネル３に沿った）４ｍｍの長さで（複数のチャネルが横断する）約１０ｍｍの幅であるが、当業者は、本発明がこの範囲に限定されないことを認識するであろう。
【００１９】
レーザー１１からの光１４又は他の光源がチップ１０上に入射したとき、粒子が流れる狭い領域を通る光だけが粒子と相互作用して光信号を生成する。チャネル３の外側のチップ１０を通る光、又は、粒子を含まないチャネルの領域を通る光は、背景又はノイズにのみ寄与するものであり、信号には寄与しないため、迷光となり、最小化するべきである。観察される粒子を通らずにチップを通る光は、消費されたレーザーの光出力を表し、それ故コスト及び熱処理の理由から最小化すべきであることも考慮すべきである。ピンホールの層によって形成される光マスク１３及びビーム整形光学系１２のいずれも迷光を最小化するとともにレーザー出力を最小化する。
【００２０】
示されるように、光源１１は入射光をチャネル３に対して約４５度の角度で供する。この方法において、前方散乱／減衰は、チャネル３における反対側の同一方向に拡大する。示されるように、前方散乱１４ｂは、チャネル３から４５度の角度で拡がる。側方散乱１４ｃは、入射光から約９０度で拡がり、機械的自由度の円錐１７０の蛍光光学系を提供する。機械的自由度の円錐１７０は、前方散乱１４ｂ及び側方散乱１４ｃの間での検出器に対して９０度の見通しのよい眺め（視野）を提供する。
【００２１】
図３は、一対のマイクロチャネル３ａ、３ｂを有するマイクロ流体チップ１０の一部を通る断面の具体例の図を示す。前記断面図は、マイクロチャネル及びマスク１３のピンホール１３ａ、１３ｂを切断する平面中にある。入射光１４は、ピンホール層１３によって一部遮断され、各ピンホール１３ａ、１３ｂによって画定された集光ビーム１８に対して初期のビーム１４を狭める。前記集光ビーム１８は、従来型の円錐流れ（コーン流）における流れが許容される粒子１８を中に有する領域３１を照射するための各チャネルを交差する。多くの迷光がピンホール層１３によって遮断され、これはマイクロ流体チップから分離された部分であり、フォトリソグラフィ又はチップ作製における技術分野において既知の他の方法によって前記チップの表面上に作製され得る。
【００２２】
マイクロ流体システムは、粒子又はセルといった、物質が流れるためのチャネルを有する任意のシステムを備える。例えば、マイクロ流体システム１０は、米国特許出願第１０／１７９，４８８号明細書及び米国特許出願第１０／３２９，００８号明細書に記載されているような、粒子分類システムを備えていてもよい。これらの明細書はいずれも参照として本明細書に組み込まれている。他の好適なマイクロ流体システムは、米国特許出願第１０／０２８，８５２号明細書、米国特許出願第１０／０２７，４８４号明細書、米国特許出願第１０／０２７，５１６号明細書、米国特許出願第１０／６０７，２８７号明細書、に記載されている。これらは全て参照として本明細書に組み込まれている。
【００２３】
図４は、蛍光検出サブシステム１７の部材の詳細を示す図２の光検出システムの概略図を示す。蛍光検出サブシステム１７は、照射された粒子から放出されるフォトンを出来るだけ多く捉えるために構成されて配置された高開口数（低いＦ＃、Ｆナンバー）の収集レンズ４５を有する。レンズ４５は、市場で入手可能な５０ｍｍのオフザシェルフのＦ＃＝１のレンズ及びフォーカルレンズであっても良い。一例としては、Leica Noctiluxの５０ｍｍのＦ＃１レンズがある。より大きいレンズも利用でき、撮像する多層プレートに対して使用される。リトロー回折格子として示される分散エレメント４６は、第１の収集レンズ４５の上方に位置している。分散エレメント４６は、特定の光線の波長に関してある程度光を曲げる。示されたリトロー回折格子４６は、７３ｍｍの活性領域を有する７６．２ｍｍの直径である。リトロー回折格子４６は、単位ｍｍ当たり７２０の溝（グルーブ）を有し、５５０ｎｍでの４３．１度のブレーズ角（前記格子が位置する垂直方向からの角度）を有する。図４で５５０ｎｍの光が垂直方向から曲げられる角度であるリトロー角は、２３．３３度である。当業者は、特定の方法で光を曲げるための任意の好適な手段が本発明の教示に従って使用され得るということを認識するであろう。再生レンズ（レコンストラクションレンズ）４７は、回折格子４６からの一次のオーダーの回折光を捉えて撮像平面４８中に照射された粒子のイメージ中で回折光を再生するためにリトロー角に位置している。
【００２４】
ファイバーアレイ４９は、撮像平面４８から延長され、信号を分析するために検出器５０に信号を伝達する。前記検出器は、カメラ又は他の好適な機器であっても良い。
【００２５】
光路中にリトロー回折格子が存在することによって、マイクロチャネル３中の照射された粒子が、より短い波長のフォトンよりも大きい角度に傾いたより長い波長のフォトンとともに平面４８中に撮像され、これにより粒子が撮像平面に亘って拡がるスペクトルを有する。５００ｎｍから７００ｎｍの波長を有するフォトンは、レンズ４５、４７に対して用いられる５０ｍｍのフォーカルレンズに対して前記撮像平面４８中に約７８４１ミクロンに亘って拡がる。示される実施の形態は、単位ｎｍ波長に対して３９．２ミクロンのスペクトル解像度（分解能）を有する。
【００２６】
光検出システム８は、サイトメトリーの技術において既知の蛍光プローブ又は他の蛍光粒子マーカーに束縛された抗体（アンチボディ）で表示された粒子を観察するために用いることができる。例えば、励起光が４８８ｎｍの波長である場合、ＦＩＴＣ(フルオレセインイソチオシアン酸塩)、ＰＥ（Ｒ−フィコエリトリン）、ＡＰＣ（アロフィコシアニン）、及びＰｅｒＣＰ（ペリディニンクロロフィルプロテイン複合体）の蛍光プローブに束縛された抗体で表示された粒子を用いることができ、これらの蛍光プローブは、それぞれ、５３０ｎｍ、５７５ｎｍ、６３０ｎｍ及び６９５ｎｍで蛍光放射のピークを有する。ＦＩＴＣ、ＰＥ、及びＰｅｒＰＣは、（５５０ｎｍの位置が０であるのに対して）それぞれ７８４ミクロン、９８０ミクロン、３１３６ｎｍ、及び５６８４ミクロンの位置で撮像平面上に配置される。４００μｍのホールを有し該ホール中に直径４００ミクロンの光ファイバーを配置する不透明な平面により、約１０ｎｍの波長捕捉（キャプチャ）バンド幅の各ファイバー４９が付与される。所望の蛍光プローブにおけるピークの放射に対応する各位置にファイバー４９を配置することで、効果的かつコンパクトな多重カラー検出システムが提供される。撮像平面４８中に一端部を配置されるファイバー４９は、検出器に装着された他端部を有している。示される実施の形態では、ファイバーの第２の端部は、蛍光の光信号を増幅して電気信号に変換するために、シングルアノードに対応する位置で、フォトチューブのフォトカソードウィンドウ（例えば浜松コーポレーションのシングロアノードＨ６７８０−２０又は３２アノードＨ７２６０−２０フォトチューブ）に連結されている。イメージ増強器、アバランシェ・フォトダイオードアレイ、又は、光学系の分野で既知の技術といった他の光検出器の増幅も、光信号の検出及びその電気信号への変換に使用され得る。
【００２７】
図４において、照射されたチャネル中で粒子を探索する前記ファイバー４９は、マイクロ流体チップ中のチャネル平面である同一平面に配置される。前記システムが多重チャネルアレイ上で使用される場合、他のチャネルは、示されたチャネルの平面の正面又は示された平面の後に位置している。
【００２８】
図５は、マイクロ流体チップ中の多重チャネルを観察するために使用される光検出システム８０の透視図を示す。光検出システム８０もまた、大部分の入射光１４を遮断してマイクロ流体チップの６つのチャネルにおける各チャネル３の小さい検出領域２を照射するピンホールアレイ１３を備える。収集レンズの光コラム、リトロー回折格子及び再生レンズは、図４に示したものと同様であり、同一の実施の形態のレンズ及び回折格子の規格を有し得る。全体的に、レンズ及び回折格子のセットの部材のサイズは、検出領域（チャネルがピンホールを介して照射される領域）のサイズよりも大きいチップ上での視野を与えるのに十分である必要がある。撮像平面４８中において、６つのアレイ４９０を保持するプレート４８０が、各々４つのファイバーを備えて、位置している。４つの光ファイバー４９のそれぞれのアレイは、関連するチャネル３から放出された光スペクトルをサンプリングするために配置されている。アレイ中の各ファイバーは、１つの蛍光プローブのピーク放射位置に配置されている。高開口数のファイバー又はレンズドファイバーは、当業者に明らかであるようにここでは適切である。
【００２９】
図６Ａ−６Ｃは、９０度の角度での光散乱又は減衰を検出するためのサブシステムの実施の形態を示す。この実施の形態では、光励起カラム検出器リボン６３が、約５００ミクロンのチャネル間のスペースを有する多重チャネルチップ１０の上方に配置されている。光励起カラム検出器リボン６３は、図６Ｂの断面図で示されているが、リボン厚さ６３ｄより小さい深さで穴空けされた３００ミクロンの直径のホールを有し、チャネルスペースを有するホールを整列するために中央部に５００ミクロンの間隔を有する機械的部品である。高開口数のファイバー６５は、単位チャネル当たり１つのファイバーを有する、ファイバー６１のアレイを形成するために各ホール内に配置されている。ファイバーホール６３ｃより小さいが同心の円柱状のホールが各ホール中に空けられている。この円柱状のホールは、リボンコネクタ６３ｂを貫通し、光が前記円柱状のホールを通過して、より大きい直径のシャフト中に配置されているファイバー６５の中に入ることを可能にする。このサブシステムを作動させるために、入射光６８はピンホール及びチャネルに角度４０度近辺で交差して、リボンの位置で示されるように、前記光励起検出器リボン６３が入射光のベクトルに沿って（つまり、入射光に対して１８０度の角度で）直接搭載される。カラムネータの開口部は、ピンホールに交差する十分に円柱化された入射光の全ての光がファイバー中のカラムネータの端部で検出され得るように、ピンホールの開口部より大きくなければならない。カラムネータ自体は、他のチャネルからの任意の迷光を遮断するために十分な長さになるように選択される。例えば、１つの実施の形態においては、ピンホールの開口部は１５０ミクロンの直径であり、カラムネータは２５０ミクロンの直径であり、ファイバーは３００ミクロンの直径であり、及びコリメータは、２ｍｍのチャネル内に配置されるが、１ｍｍの長さである。ファイバーアレイ６１の遠端で、各ファイバーはフォトチューブ又は他の光検出器に装着される。光励起は、その検出器用のフォトダイオードを使用するためにしばしば十分な明るさである。
【００３０】
図６Ｃにおいて、第２リボン６６は、記載された第１のリボン６３と実質的に同一に構築されているが、セル又は粒子からの９０度の散乱又は側方散乱の信号を測定するのに好適な、入射光から９０度の位置に配置されている。当業者は、他の散乱パラメータを観察するために他の角度に同様のリボンが配置されていても良いことを認識するであろう。興味ある特定の角度は、励起通路中の直線上の光を得ることなく前方に位置する方向（入射からほぼ１８０度）に近接するような全体的に大部分が前方方向での光散乱である、いわゆる前方散乱である。
【００３１】
さらなる実施の形態において、光源１１は、コヒーレントサファイヤ４８８／２００レーザーであり、該レーザーは小さく、ガスレーザーチューブ放射から非常なノイズ又はノイズを生じずに、約２００ｍｗを生じる空冷の固体の機器である。あるいは、ＯＰＳＳ（光励起固体）レーザーが用いられ、該レーザーはモニタリングを行うために必要な全ての異なる励起波長をも生成可能である。当業者は、任意の好適な光源を用いることができることを認識するであろう。
【００３２】
図７は、本発明で示される実施の形態の光検出器での使用に好適なビーム整形光学系１２の一実施の形態における断面図である。光学図は、ｚ軸に沿った光伝搬の全体的な方向とともにｘ−ｚ平面中に描かれている。各点線は、前記ビームが整形光学系によってどのように操作されるかを示す光線のｘ−ｙプロファイルスケッチ１４’に導かれる。前記ビームは、ほぼ直径７００ミクロンのラウンドプロファイルで出力された単一のレーザー１１からローパス又はバンドパスフィルタ７４の後でフィルタされたビームの波長を通過する。そして、前記ビームは５ｍｍの焦点距離と２５０ｍｍの焦点距離を有する第１の対の視準レンズ７３を通過して、これにより実質的に長方形状のビームが生成される。そして、前記ビームは、ｙ軸で１４から１００ミクロンに鮮鋭化するために、焦点距離が１５０ｎｍの円筒形レンズを有する集束レンズ７１を通過する。集束レンズ７１の後のこの実施の形態における全体的なプロファイルは、１００ミクロン毎に３６ｍｍであり、５００ミクロン間隔で最大７０のピンホール／チャネルのピンホールアレイ１３を照射するために用いられ得る。ピンホールは、ｙ軸方向において約１００ミクロンより小さいため、ビームの制限によって光の浪費が防止される。中央部（センター）での５００ミクロン間隔のＮ個のピンホールチップにおいて、レーザー出力の消費を最小限にするために、ｘ軸に沿って５００ｘＮミクロンをわずかに超えて、ｙ軸に沿って（１００ミクロンをわずかに超える）２００ミクロンであることがビームにとって好ましい。そして、円柱化されて整形されたビームは、ピンホールアレイ１３に交差して、マッチする（合致する）チャネル３のアレイに交差するように間隔を有するＮピンホール整形ビーム７８になる。
【００３３】
図７のビーム整形の実施の形態は、この設計が高速（バンド幅＞１０ＭＨＺ）の励起、散乱、及び蛍光の同時観察を可能にすることを考慮すれば、迷光を最小限にして約１０％の出力効率を許容するのに非常に有効である。
【００３４】
図８は、本発明の光検出システムでの使用に好適な、溝付きの鏡に基づく反射型のビームスプリッター８０を示す。前記ビームスプリッター８０は、入射光ビームを複数のビームに分割するために、セグメント化されたミラー８３を備えている。円柱化された入射ビーム８２は、スプリッター８０に入り、入射ビームをより小さいビームのアレイ８４に分割するセグメント化されたミラー８３に対して入射の正しい角度（全体的に低い角度）を設定するために用いられる入射ミラー８１から反射される。上述の、より小さいビームのアレイ８４は、入射ビーム８２に平行な上方にも延在している。
【００３５】
前記セグメント化されたミラー８３は、反射溝の一様なアレイを備える。前記一様なアレイは、異方性のエッチングされたシリコンを有することが好ましい。あるいは、前記一様な溝のアレイは、光学仕上げをされた従来型の機械加工で作られている。他の実施の形態においては、前記一様な溝のアレイは、プラスチック材料で形成され、そして前記溝のアレイに対する反射膜で覆われている。
【００３６】
図９は、このようなセグメント化されたミラーの設計を導く角度及び公式を示す。入射光８２は、ミラー中の各溝８３ａに部分的に留められており、この留められた部分は、より狭いビーム８４ａを作るために固定角度で反射される。第２の狭いビーム８４ｂは、隣接する溝８４ｂで形成される。各溝は、溝スペースＡで隔離されており、前記スプリッターは（一様な溝を想定して）一様なスポット幅のビーム、及び、マイクロ流体チップ中のピンホールとチャネルスペースとを合わせるように設計されるレーンスペースＬのビームを生成している。
【００３７】
図１０は、レーンスペースＬが５００ミクロンであり、溝（固定溝角度ｅ＝５４．７４である）がシリコン異方性エッチングで作製される図８のビームスプリッターの実施の形態におけるテーブルである。前記テーブルは、選択されたスポットサイズに対する好適なミラー構造を示す。例えば、１００ミクロンスポットサイズの場合は、１００ミクロン未満のピンホールに対して好適であるが、溝スペースＡ＝５７５ミクロン、溝傾斜角Ｇ＝２９．７度、及び入射角Ｉ＝２５度に対応する。
【００３８】
図１１は、光学検出システムでの使用に好適なビーム整形サブシステム１１２の実施の形態を描く。示されるビーム整形サブシステム１１２は、図７で説明されたビーム整形光学系１２に類似のビーム整形光学系１２を用いた後の最終ステージにおいて、図８に示したような、セグメント化されたミラー８０の使用に好適である。
【００３９】
他の実施の形態では、光学システム上に個々に搭載されるのではなく、各マイクロ流体チップ上に作製されるピンホールアレイ１３を備える。
【００４０】
図４及び図５の撮像平面中で使用されるファイバーアレイ用の検出器についての他の実施の形態では、前記平面中にイメージ増強器が配置され、発光体上に生成される光信号を読み出す前記イメージ増強器の後にファイバーが配置される。このような代換例は、全ての蛍光信号、及びポストイメージ増強器で光信号を電気信号に変換するためのフォトダイオードに対して１つの光増幅エレメント（イメージ増強器）のみを用いることでコストを低減し得る。
【００４１】
図１２は、標準的な浜松製のイメージ増強器２２０の図面を示すが、当業者は、この代換として任意の大きい領域の高い空間分解能を有する光増幅部材を使用し得ることを認識するであろう。前記イメージ増強器２２０は、信号をフォトダイオードアレイ又は他の好適な検出機器に渡す前に光学イメージを増幅するために用いられる。示されるように、前記イメージ増強器は、撮像信号に対する入力ウインドウ２２１、光を光電子に変換するフォトカソード２２２のような光感知電子エミッタ、電子増倍のためのＭＣＰ２２３、電子を光に変換する発光体スクリーン２２４、ファイバー光プレートとして示した出力ウインドウ２２５を備える。この示される実施の形態によれば、イメージ増強器は、２５ｍｍから４０ｍｍの浜松製のイメージ増強器を備え得るが、当業者は、任意の好適な機器が使用され得ることを認識するであろう。
【００４２】
ビーム成型サブシステム１２及び蛍光検出サブシステム１７の両方についての他の実施の形態は、蛍光検出システムの場合における迷光又は不要光を除去するため、又は、光源１１から放射される光から迷光又は不要光の波長成分を除去するため、ショートパスフィルタ、又は、ロングパスフィルタ、又は、波長バンドパスフィルタ、又は、バンド遮断フィルタ、を備える。
【００４３】
減衰又は散乱検出器１５、１６についての他の実施の形態では、これらの信号を標準化するために、独立したレーザー出力モニタを前記システムに追加する。この構成は、レーザー上のノイズがこれらの信号に対してゆがめられるように、これらの信号のいずれもがレーザー出力に直接比例するため、有用である。
【００４４】
検出器１５、１６及び１７とともに使用されるファイバーアレイについての他の実施の形態では、各ファイバーアレイをフォトダイオード又はアバランシェフォトダイオード又は他の光検出器アレイで置き換えている。当業者は、サンプルの光水準要求と、使用される特定のチップの具体例におけるフォームファクタ（波形率）とを合わせる他の検出器も可能であることを認識するであろう。
【００４５】
ビームスプリッターに対する他の実施の形態では、異方性エッチング結晶材料又は従来型の機械加工金属、又は、適切な光学研磨又は反射コーティングが続くプラスチック成型で作製される反射型の溝アレイを使用し得る。
【００４６】
この発明の全ての実施の形態において、ピンホールアレイは、全体的にマイクロ流体チャネルの間隔に合わせられる。反射型のビームスプリッターがビーム成型光学系で使用される場合、前記ピンホールとも合わせられなければならない。
【００４７】
最も単純な実施例では、一様に配列されたチャネル及び一様に配列されたピンホール及び分割ビーム（ビームスプリッティング）中に出来るだけ一様に配置された溝を用いるが、このことが本発明では必ずしも必要ではなく、同様の実施の形態は不規則な間隔又はチャネルパターンを用いて設計され得る。
【００４８】
蛍光検出サブシステムＡ７に対する他の実施の形態では、撮像平面（３−５）、（２−８）中のファイバーの前又は後にナローバンドパスフィルタを追加している。前記平面中の４００ミクロンのファイバーは、１０ｎｍのバンド幅を捉えうる。１０ｎｍ又は５ｎｍのバンドパスフィルタは、いくつかの場合に感度を向上してノイズを減少させるであろう。
【００４９】
本発明は、示された実施の形態に対して説明されてきた。一定の変形が、本発明の範囲から離れることなく、上述の構成で行われ得る。上述の説明に含まれ、又は、添付の図に示される全ての事柄は、例示的に解釈され、限定的な意味ではないことが意図されている。
【００５０】
特許請求の範囲は、ここで説明された本発明における全ての一般的及び特定の特色と、言語の問題として、それらの間に収まるように言及され得る、本発明の範囲の全ての記述をカバーするものであることも理解されるべきである。
【符号の説明】
【００５１】
１ 基板
２ 測定領域
３ マイクロチャネル
８ 光検出システム
１０ マイクロ流体システム
１１ 光源
１２ ビーム整形光学系
１３ 光マスク
１４ 光ビーム
１５ 検出器光学系
１６ 検出器光学系
１７ 検出器光学系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型のビームスプリッターを用いて制御された間隔で、単一の入射ビームをより小さいビームアレイ中に整形するためのシステムであって、
一様な反射溝のアレイと；
選択された角度で入射ビームへの反射溝のアレイを提示するためのポジショナーと、
を備える、システム。
【請求項２】
粒子を通すマイクロ流体チャネルアレイを有するマイクロ流体システムを検索するための光学検出システムであって、
光ビームを生成するための光源と；
前記光ビームを複数の派生光ビームに分割するための反射型のビームスプリッターを有する一組のビーム整形光学系と；
前記マイクロ流体システムのマイクロ流体チャネルに合わせられるピンホールアレイと、を備え、
前記ビーム整形光学系が、前記ピンホールの１つを介して、それぞれの前記複数の派生光ビームに向けられている、光学検出システム。
【請求項３】
粒子又は分子が流通するチャネルを有するマイクロ流体システムを観察するための光学検出システムであって、
光ビームを生成するための光源と；
前記光ビームを集光するための一組のビーム整形光学系と；
マイクロ流体システムのチャネルと連通するピンホールと；
前記マイクロ流体システム中の複数のチャネルを同時に検索して、光増幅エレメントとしてイメージ増強器を用いるための、高開口数の蛍光検出器と；を備える、光学検出システム。
【請求項４】
粒子又は分子が流通するチャネルを有するマイクロ流体システムを観察するための光学検出システムであって、
スポットでのみ開口しているマスクを介して空間的に延長された前記スポットのアレイを照射する１又は２以上のレーザーと；
前記空間的に延長されたスポットアレイ全体からの光を一度に捉えるように配置された第１の高開口数レンズと；
前記第１レンズからの光を受けて屈曲させるスペクトル分離エレメントと；
前記スペクトル分離エレメントによって屈曲した光を捉えて、この捉えた光を第２ピンホールアレイ上に撮像するための第２高開口数レンズと；
前記第２ピンホールアレイを通過する光を検出して増幅するための、前記第２ピンホールアレイの後のイメージ増強器と；
前記イメージ増強器からの光を捉えて変換するためのフォトダイオード検出器のアレイと；を備える、光学検出システム。
【請求項５】
フォトダイオードからの電気的出力を収集するフォトダイオード検出器に連結された電子データ収集システムをさらに備える、請求項４に記載の光学検出システム。
【請求項６】
前記スポットのアレイと前記イメージ増強器との間に配置されたレーザーバンド遮断フィルタをさらに備える、請求項４に記載の光学検出システム。
【請求項７】
前記検出器は、空間的に延長された複数のスポットからの１ミリ秒未満の期間の低強度の光学スペクトルを増幅でき、前記スペクトルを電気信号に変換できる、請求項４に記載の光学検出システム。
【請求項８】
モニタされる対象を通過する光ビームを生成するための光源と；
前記光源からの光を捉えるためのレンズと；
光信号を検出して前記光信号を電気信号に変換するための、光増幅エレメントを有する、検出器と；を備える光学システム。
【請求項９】
前記光増幅エレメントは、フォトチューブアレイを有する、請求項８に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記光増幅エレメントは、フォトダイオード検出器のアレイに連結されたイメージ増強器に基づくマルチチャネルプレートを備える、請求項８に記載の光学システム。
【請求項１】
反射型のビームスプリッターを用いて制御された間隔で、単一の入射ビームをより小さいビームアレイ中に整形するためのシステムであって、
一様な反射溝のアレイと；
選択された角度で入射ビームへの反射溝のアレイを提示するためのポジショナーと、
を備える、システム。
【請求項２】
粒子を通すマイクロ流体チャネルアレイを有するマイクロ流体システムを検索するための光学検出システムであって、
光ビームを生成するための光源と；
前記光ビームを複数の派生光ビームに分割するための反射型のビームスプリッターを有する一組のビーム整形光学系と；
前記マイクロ流体システムのマイクロ流体チャネルに合わせられるピンホールアレイと、を備え、
前記ビーム整形光学系が、前記ピンホールの１つを介して、それぞれの前記複数の派生光ビームに向けられている、光学検出システム。
【請求項３】
粒子又は分子が流通するチャネルを有するマイクロ流体システムを観察するための光学検出システムであって、
光ビームを生成するための光源と；
前記光ビームを集光するための一組のビーム整形光学系と；
マイクロ流体システムのチャネルと連通するピンホールと；
前記マイクロ流体システム中の複数のチャネルを同時に検索して、光増幅エレメントとしてイメージ増強器を用いるための、高開口数の蛍光検出器と；を備える、光学検出システム。
【請求項４】
粒子又は分子が流通するチャネルを有するマイクロ流体システムを観察するための光学検出システムであって、
スポットでのみ開口しているマスクを介して空間的に延長された前記スポットのアレイを照射する１又は２以上のレーザーと；
前記空間的に延長されたスポットアレイ全体からの光を一度に捉えるように配置された第１の高開口数レンズと；
前記第１レンズからの光を受けて屈曲させるスペクトル分離エレメントと；
前記スペクトル分離エレメントによって屈曲した光を捉えて、この捉えた光を第２ピンホールアレイ上に撮像するための第２高開口数レンズと；
前記第２ピンホールアレイを通過する光を検出して増幅するための、前記第２ピンホールアレイの後のイメージ増強器と；
前記イメージ増強器からの光を捉えて変換するためのフォトダイオード検出器のアレイと；を備える、光学検出システム。
【請求項５】
フォトダイオードからの電気的出力を収集するフォトダイオード検出器に連結された電子データ収集システムをさらに備える、請求項４に記載の光学検出システム。
【請求項６】
前記スポットのアレイと前記イメージ増強器との間に配置されたレーザーバンド遮断フィルタをさらに備える、請求項４に記載の光学検出システム。
【請求項７】
前記検出器は、空間的に延長された複数のスポットからの１ミリ秒未満の期間の低強度の光学スペクトルを増幅でき、前記スペクトルを電気信号に変換できる、請求項４に記載の光学検出システム。
【請求項８】
モニタされる対象を通過する光ビームを生成するための光源と；
前記光源からの光を捉えるためのレンズと；
光信号を検出して前記光信号を電気信号に変換するための、光増幅エレメントを有する、検出器と；を備える光学システム。
【請求項９】
前記光増幅エレメントは、フォトチューブアレイを有する、請求項８に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記光増幅エレメントは、フォトダイオード検出器のアレイに連結されたイメージ増強器に基づくマルチチャネルプレートを備える、請求項８に記載の光学システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−２８２０４９（Ｐ２００９−２８２０４９Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０２４５７（Ｐ２００９−２０２４５７）
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【分割の表示】特願２００６−５２３４３０（Ｐ２００６−５２３４３０）の分割
【原出願日】平成１６年８月１６日（２００４．８．１６）
【出願人】（５０１０６３５０８）サイトノーム インコーポレーテッド (5)
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【分割の表示】特願２００６−５２３４３０（Ｐ２００６−５２３４３０）の分割
【原出願日】平成１６年８月１６日（２００４．８．１６）
【出願人】（５０１０６３５０８）サイトノーム インコーポレーテッド (5)
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