光学测量装置和设备及使用光学测量装置的微小粒子测量设备的制作方法

专利名称：光学测量装置和设备及使用光学测量装置的微小粒子测量设备的制作方法
技术领域：
此发明涉及光学测量装置、光学测量设备以及使用光学测量装 置的微小粒子测量设备。
背景技术：
过去，已知将诸如与活体有关的微小粒子(诸如，细胞、微生 物和核糖体)、乳胶粒子或凝胶粒子和诸如工业粒子的合成粒子的 孩丈小粒子的流体扩散导入到纟鼓流体通道中并光学测量导入到樣l流 体通道中的微小粒子以辨别微小粒子的装置。
这些装置中的 一个是粒子分析器，其根据合成粒子的大小和/ 或性质来辨别各种合成粒子。粒子分析器在氦等离子体中逐一激励 微小粒子，以发光来执行光语检测，从而执行微小粒子的元素成分、 粒子大小和粒子数目的测量。
另夕卜，对于与活体有关的微小粒子，例如，如在2006年8月 31日Hiromitsu NAKAUCHI， "Cellular Engineering Separate Volume,Experiment Protocol Series, Master Flow Cytometry," Shujunsh的第二 版中所披露，广泛使用的是使用流式细胞计或流动血细胞计数器的 光学测量。根据流式细胞计，使诸如细胞或微珠的微小粒子流到流 槽(flow cell)中的外壳流体的层流中心，并将测量光照射在光学 检测部分中的微小粒子上以检测从微小粒子产生的散射光或荧光，
^v而测量樣i小粒子的大小、结构等。
流式细胞计被配置为仅测量微小粒子的大小、结构等或被配置 为可以基于所测量的大小、结构等来分散期望的微小粒子。在这些 流式细胞计中，分散细胞的流式细胞计称为"细胞分类器"。市场 上的细月包分类器由Beckman Coulter有卩艮^>司、Becton、 Dickinson 和Company或DAKO S/A制造。 <吏用那些细月包分类器，可以4;M亍 每秒几十~十万细胞的高速测量和分散。
近年来，要求用于微小粒子的这些光学测量设备具有进一步增 强的测量处理速度和进一 步增强的测量精确度。尤其是对于上述的 细胞分类器，响应于再生医学的期望的提高，要求具有用于有效隔 离活体细胞中仅极少存在的干细胞的处理速度和测量精确度。
与本文所披露的发明有关，在日本专利公开第2007-46947号 (下文中称为专利文件1)的图7和8中示出了现有细胞分类器的 配置。该细胞分类器包括用于将用标有焚光的试剂涂色的细胞在流 槽中排列成行的流体或流动系统、以及用于照射多个激光束以检测
诸如散射光和焚光的检测目标光的光学系统。现有的流式细月包计的 光学系统被配置为使来自多个光源的多个测量光束汇集在形成单 一^f啟流体通道(参看专利文件1的图7)的流槽的不同位置。
同时，日本专利^^开Hei 7-24309号(下文中称为专利文件2) 披露了用于粒子分离的装置，其包括粒子沿移动的微流体通道和使 扫描光照射在该纟故流体通道上以通过照射施加对应于粒子类型的作用力来执行粒子分离的部件。虽然此装置具有用于将扫描光扫描 到流槽上的配置，但是此扫描光用于粒子的激光捕捉(参看专利文
件2的段0004等)。应了解，此装置同样具有用作孩史流体通道的流 槽的单个配置。
也已提出在玻璃或高分子材料的基板上形成精细微流体通道 并使诸如细胞的孩i小粒子在^"细〗效流体通道中的水流上流动来执 行流式细胞测量以分离期望的微小粒子的技术，这是一项利用微芯 片的#支术。例々口，在Anne Y. Fu等人的Nature Biotechnology的17 巻的 1999年 11月的 1109-1111 页的 "A microfabricated fluorescence-activated cell sorter" 或Anne Y. Fu等人的Analytical Chemistry的74巻的第11号的2002年6月1日的2451-2457页的 "An Integrated Microfabricated Cell Sorter"中4皮露了这项才支术。孩史 芯片形成T形微流体通道并通过改变外壳流体的流动方向(即，通 过微流体通道选择控制)使待分散的细胞与其他细胞彼此分离。

发明内容
考虑到增强上述用于微小粒子的光学测量设备的测量处理速 度和测量精确度的要求，需要纟是供一种实现优良测量处理速度和优 良测量精确度的光学测量装置和光学测量设备、以及包括该光学测 量设备的微小粒子测量设备。
根据本发明的一个实施例，提供了一种光学测量装置，包括彼 此平4于延伸的多个孩吏流体通道和用于沿孩i流体通道一皮并置的扫描 方向扫描多个测量光束的扫描部分，从而光学测量导入到孩t流体通 道中的^f效小粒子。优选地，扫描部分扫描测量光束，以〗更当扫描光束之一照射在 孩丈流体通道之一上时，其他测量光束不照射在任一个纟效流体通道 上。
此处实例中，光学测量装置优选地;陂配置为^f效流体通道以沿扫 描方向4皮此预定间隔关系排列，同时测量光束被以沿扫描方向彼此 间隔的方式照射和扫描，且其中，沿扫描方向的孩t流体通道的孩史流 体通道宽度由Wcha加e,表示，沿扫描方向的两个相邻测量光束之间的
距离中的最小距离D[min]和测量光束的斑点宽度W满足以下表达 式(1 ):
Wch匿i + W < D(min)…(1)
此处实例中，进一步优选地是，光学测量装置#:配置为，其中，
沿扫描方向的微流体通道之间的距离由dchanne,表示，测量光束的数 目N、,人测量光束所选的两个相邻测量光束之间沿扫描方向的最大
距离D(max)和测量光束的斑点宽度W满足以下表达式(2 ): D(max)x(N—1) + W<dchannd…(2)
可选地，光学测量装置可以被配置为微流体通道以沿扫描方向 彼此预定间隔的关系排列，同时测量光束^皮以沿扫描方向^皮此间隔 的方式照射和扫描，且其中，扫描方向的孩t流体通道之间的各个距 离中^皮分为沿扫描方向的预定尺寸的多个区，各个测量光束照射在 一个区中，且其中照射有一个测量光束中的一个区与其中照射有另 一个测量光束的另 一个区互不相同JU皮此不连续。
在光学测量装置中，测量光束的扫描可以被执行以便，当使一 个测量光束照射在一个樣i流体通道上时，其他测量光束不照射在任 一个^:流体通道上。孩史流体通道可以祐:;故置在可交4灸部〗牛上。
特别，根据本发明的另一个实施例，提供了一种包括可交换部 件和光学测量装置的光学测量设备，光学测量装置包括彼此平行延 伸的多个孩i流体通道和用于沿孩i流体通道纟皮并置的扫描方向扫描 多个测量光束的扫描部，从而光学测量导入到微流体通道中的微小
粒子，孩i流体通道以沿扫描方向;f皮此预定间隔关系排列同时测量光 束被以扫描方向彼此间隔的方式照射和扫描，微流体通道具有满足 以下表达式(3)的沿扫描方向的微流体通道宽度w:
w + Wspot < Dspot(min)…(3)
其中，Wsp。t是沿扫描方向的测量光束的斑点宽度，以及 Dsp。t(min)是沿扫描方向的两个测量光束之间的距离中的最小距离。
优选地，光学测量设备经配置以便，测量光束的数目由Nh表 示，以及沿扫描方向的两个相邻测量光束之间的距离中的最大距离 由D(max)表示，沿扫描方向的孩i流体通道之间的距离d满足以下表 达式(4):
DspotCmax) x (N入ex - 1) + Wspot < d…(4)
根据本发明的另 一个实施例，提供一种包括可交换部件和光学 测量装置的光学测量设备，光学测量装置包括彼此平行延伸的多个 孩史流体通道和用于沿孩i流体通道^皮并置的扫描方向扫描多个测量 光束的扫描部，从而光学测量导入到孩i流体通道中的微小粒子，微 流体通道被以沿扫描方向彼此预定间隔的关系排列，同时测量光束 被以沿扫描方向彼此间隔的方式照射和扫描，沿扫描方向的微流体 通道之间的各个距离被分为沿扫描方向的预定尺寸的多个区，各个测量光束照射一个区，同时，其中照射有一个测量光束的一个区与 照射有另 一个测量光束的另 一个区中互不相同且4皮此不连续。
在该光学扫描装置中，测量光束的扫描可以被执行以便，当一 个测量光束照射在一个纟效流体通道上时，其他测量光束不照射在任 一个孩t流体通道上。
根据本发明的另 一个实施例，提供了 一种包括光学测量装置的 微小粒子测量设备，光学测量装置包括彼此平行延伸的多个微流体 通道和用于沿孩t流体通道#皮并置的扫描方向扫描多个测量光束的 扫描部，从而光学测量导入到微流体通道中的微小粒子。
应注意，在以上给出的表达式(1 ) ~ (4)中，字母"W、 D、 N、 w、 d"表示变量，而具有下标的字母"wehannel、 dehannel、 Wsp。t、 Dsp。t、 NXex"表示任意常数。另外，大写字母"W、 D、 N、 Wsp。t、 Dsp。t、 NXex"表示限定了测量光束将要满足的条件的数值，而小写 字母"w、 d"表示限定了微流体通道将要满足的条件的数值字母。
同样应注意，"微小粒子测量设备"可以广泛用作用于光学测 量诸如与活体有关的樣i小粒子(诸如，细胞、微生物和核糖体)、 乳胶粒子或凝胶粒子和诸如工业粒子的合成粒子的微小粒子的装 置，包括如上文所述的粒子分析器、流动血细胞计数器和细胞分类 器。
总之，本发明提供了 一种实现优良测量处理速度和优良测量精 确度的光学测量装置和光学测量设备、以及包括该光学测量装置的 微小粒子测量设备。
乂人结合附图的以下描述和附加的斗又利要求将显而易见本发明 的以上和其#<目标、性质和优点，其中，相同的部件或元件用相同 的参考符号标示。


图l是示出了应用本发明实施例的光学测量装置中的^f鼓流体通
道的排列和测量光束的扫描方向的示意图2A和图2B是示出了在光学测量装置中的微流体通道的排 列距离和测量光束的照射距离的示意图3~图5是示出了在光学测量装置中的微流体通道的不适当 排列距离和测量光束的不适当照射距离的不同实例的示意图6和图7A~图7C是示出了在光学测量装置中的微流体通道 的排列距离和测量光束的照射距离的不同实例的示意图8A和图8B是示出了沿孩i流体通道流动方向的测量光束的 照射位置的示意图9是示出了应用本发明实施例的光学测量设备或基板的俯视 图；以及
图10是示出了在光学测量设备或基板上的微流体通道的排列 距离和测量光束的照射距离的示意图。
具体实施例方式
首先，参看图1,示出了应用本发明实施例的光学测量装置的 上#:流体通道的排列和测量光束的扫描方向。
光学测量装置包括微小粒子P可以导入其中的微流体通道11、 12、 13、 14和15。-微流体通道11 ~ 15以沿下文所述的测量光束的 扫描方向(由虚线箭头标志S指示)的预定距离排列，并且沿垂直于扫描方向的方向^皮此平^f亍延伸。应注意，图l示出了在测量光束
的照射区域R附近的光学测量装置的一部分上的樣i流体通道而省 略了微流体通道的其他部分的配置。另外，虽然图l示出了排列有 五个孩￡流体通道的配置，〗旦是纟鼓流体通道的lt目并不限于此，而是 可以为等于或大于2的任一任意数字。
例如，微小粒子P的扩散溶剂可以从试样保留部分10提供， 并经分布以导入到孩么流体通道11 ~ 15中。响应测量目标的微小粒 子P,适当地将气体或液体溶剂用作扩散溶剂。
当将溶剂导入到^f效流体通道11~15中时，通过流动系统(未 示出)将微小粒子P逐一排列到各个微流体通道中。流动系统包括 用于将含有微小粒子P的扩散溶剂通常作为层流向前运送的喷嘴和 用于仅将溶剂作为层流向前运送的另一个喷嘴。两个喷嘴合作以在 溶剂层流或外壳流动的中心形成微小粒子P的层流。另夕卜，当向前 运送微小粒子P的扩散溶剂时，在喷嘴之间施加小压力差，以便微 小粒子P逐一排列在层流中。因此，微小粒子P逐一排列并馈入到 每一个孩吏流体通道11 - 15的中心。
乂人孩i流体通道的上游端(即，乂人图1中的上端)沿箭头标志Fi 所指示的方向馈入逐一排列在各个微流体通道11~15中的微小粒 子P。因此，在微小粒子P通过测量光照射区域R之后，其沿箭头 标志F2所指示的方向^t入到图1中的下侧的下游侧。
测量光束21、 22和23用于微小粒子P的光学测量。测量光束 21 ~ 23照射在排列于测量光照射区域R中的^f敬流体通道11 ~ 15中 的微小粒子P上。因此，测量光束21 ~ 23沿虚线箭头标志S所指 示的方向^f皮扫描以照射在排列于^t流体通道11 ~ 15中的^l小粒子P 上。应注意，虽然图1示出了三个光束用于照射的配置，但是只要满足下文中给出的表达式(2),那么测量光束的数目就不受限制， 且可以4吏用等于或大于2的测量光束的任何凄t目。
可以通过由才金测器(未示出)才企测诸如通过测量光束的照射乂人 微小粒子P产生的散射光和荧光的检测目标光来执行微小粒子P的 光学测量。因此，在4艮据本发明实施例的光学测量装置中，测量光 束经扫描以便，当一个测量光束照射在一个微流体通道上时，其他 测量光束中的任一个都不会照射在其他孩史流体通道上。例如，在图 1中，当测量光束21照射在孩支流体通道12上时，测量光束22和 23不照射在任一个孩i流体通道上。这可以通过沿测量光束的扫描方 向以并置关系的预定距离排列微流体通道并以预定距离照射和扫 描测量光束来实现。以下，参看图2A~5来描述纟效流体通道的排列 距离和测量光束的照射距离的特定实例。
图2A和2B示出应用本发明实施例的光学测量装置中的^f鼓流 体通道的排列距离和测量光束的照射距离。另一方面，图3~5示 出了对于才艮据本发明实施例的光学测量装置而言不适当的樣i流体 通道的排列距离和测量光束的照射距离。
图2A和2B以;汶大比例示出了图1中所示的樣i流体通道11 ~ 13的测量光照射区域R和测量光束21 ~ 23。」微流体通道11 ~ 13具 有沿测量光束的扫描方向(由图2A和2B中的虚线箭头标志S指 示)的微流体通道宽度wchannel,且微流体通道11~13中的相邻通 道(即，樣t流体通道11和12以及樣么流体通道12和13 )彼此间隔
开微流体通道距离或地带宽度dchanne,。另外，测量光束21 23具有
沿其扫描方向的斑点宽度W，且测量光束21 ~ 23中的相邻光束(即， 测量光束21和22以及测量光束22和23 )彼此间隔开照射距离D。
现在，关于才艮据本实施例的光学测量装置中的孩t流体通道的排 列距离和测量光束的照射距离，描述测量光束的斑点宽度W和照射距离D两个变量或参数所要满足的条件，其中，微流体通道宽度
和微流体通道距离dchannel是任意常数。
首先，斑点宽度W和照射距离D需要满足以下表达式(1): wchannel + W < D(min)…(1)
其中，D(min)表示选自测量光束21 ~ 23的两个相邻测量光束 之间的沿扫描方向的最小距离，即，测量光束21与22之间的距离 或测量光束22与23之间的距离。在图2A和2B中，测量光束21 与22之间的距离是照射距离D(min)。
具体地，照射距离D(min)被设定为大于微流体通道宽度Wehanne,
与斑点宽度w的和。换句话说，测量光束需要以;波此间隔大于微
流体通道宽度Wcha皿e,与斑点宽度W的和的距离的关系照射。因此，
如图2A中所示，测量光束21照射在樣i流体通道12上，防止测量 光束22同时照射在微流体通道12上。
图3示出了照射距离D(min)小于微流体通道宽度Wch^e,与斑点 宽度W的和的用于比專交的可选配置。此处实例中，由于测量光束 21与22之间的照射距离D(min)小且可能不满足以上给出的表达式 (1)，所以当测量光束21照射在微流体通道12上时，测量光束22 同时照射在樣史流体通道12上。因此，不能实现"当一个测量光束 照射在一个樣i流体通道上时，其他测量光束不照射在任一个微流体 通道上"的配置。
斑点宽度W和照射距离D同样满足以下表达式(2): D(max) x (N — 1) + W < dchannel . ■ (2)其中，N是测量光束的数目。在图2A和2B中，示出了三个 测量光束21~23，且因此N=3。同时，D(max)表示选自测量光束 21-23的两个相邻测量光束之间的沿扫描方向S的最大3巨离，即， 测量光束21与22之间的距离或测量光束22与23之间的距离。在 图2A和2B中，测量光束22与23之间的距离是照射距离D(max)。
具体地，照射距离D(max)与测量光束的数目减1的乘积加上斑 点宽度W的和被设为小于微流体通道距离dchannel。换句话说，测量 光束需要以包括于微流体通道距离或地带宽度dchannel中的所有测量 光束的照射位置的;f皮此间隔关系来照射。因此，可以实现如图2A 中所示当照射测量光束21时防止测量光束23同时照射在《鼓流体通 道12上的配置。
为了比较，图4和5中示出了照射距离D(max)与测量光束的数 目减1的乘积加上斑点宽度W的和大于孩i流体通道距离dehannel的可 选配置。首先参看图4，在所示配置中，照射距离D(max)大到不能 满足以上给出的表达式(2),且因此，当测量光束21照射在微流 体通道12上时，测量光束23同时照射在^f效流体通道11上。另一 方面，在图5中，测量光束的数目(N:4)大到不能满足表达式(2), 且因此，当测量光束21照射在孩t流体通道12上时，测量光束24 同时照射在孩i流体通道ll上。因此，在图4和5中，不能实现"当 一个测量光束照射在一个樣t流体通道上时，其他测量光束不能照射 在^f壬一个樣史流体通道上"的配置。
然而，此处实例中，在该光学测量装置的配置中，可以将樣史流
体通道宽度Weh^e,和微流体通道距离dchan^设为任意值，如果响应 微流体通道宽度 和微流体通道距离deh^e,的数值，测量光束
的斑点宽度W和照射距离D ^皮形成为满足以上给出的表达式(1 ) 和(2 ),那么可能仅一个测量光束正常照射在仅一个微流体通道上。应注意，下文中将参看图10来描述将由樣i流体通道的樣i流体
通道宽度 和微流体通道距离dch^e,满足的条件，其中，测量
光束的斑点宽度W和照射距离D被设为任意值。
可以用以下方式来定义图2A和2B中所示的微流体通道的排 列距离和测量光束的照射距离。
图6示出了应用本发明实施例的光学测量装置中的微流体通道 的排列距离和测量光束的照射距离。应注意，图6中未示出孩t小粒 子P。类似情况同样应用于图7。
具体地，图6以放大比例示出了图1中的^f效流体通道11~13 的测量光照射区域R和测量光束21 ~ 23。樣史流体通道11 ~ 13具有 沿测量光束的扫描方向(由图6中的虚线箭头标志S指示)的微流 体通道宽度wchannel，且微流体通道11-13中的相邻通道(即，微 流体通道11和12以及孩t流体通道12和13 );波此间隔开樣史流体通 道距离dchannel。另外，测量光束21 23具有沿其扫描方向的斑点宽 度W。
将各个微流体通道距离或地带宽度dchannel分为具有沿扫描方向 S的预定宽度的多个区。具体地，将地带宽度dch^e,分为具有等于 微流体通道宽度wchannel的图6中的区宽度B的区(1 ) ~ ( 7 )。
如图6中所示，测量光束21 ~23照射在区(1) ~ (7)中的 一些不同区上。另外，上面照射有测量光束的区不;f皮此连续。
具体地，测量光束23照射在区(1 )上；测量光束22照射在 区(4)上；以及测量光束21照射在区(6)上。在图6中，上面 照射有测量光束的各个区的数目由下划线指示。应注意，虽然在图6中所示出的测量光束的斑点宽度W等于带宽B,但是只要其不超 过带宽B就可以对其4壬意i殳定。
另外，上面照射有测量光束的区(1)、 (4)和(6)完全互不 相同且4皮此不连续。此处，这些区4皮此不连续满足区的编号(1 )、 (4)和(6);波此不连续。
通过上述配置，樣支流体通道11~13 ^皮配置成"当一个测量光 束照射在一个孩i流体通道上时，其他测量光束不照射在任一个孩史流 体通道上"。
具体地，由于测量光束21与测量光束22之间的距离和测量光 束22与测量光束23之间的距离至少大于一个区宽度，所以不会出 3见测量光束21和测量光束22同时照射在相同孩i流体通道上或测量 光束22和测量光束23同时照射在相同孩i流体通道上的情况(参看 图3)。
另外，例如，如图4中所示，由于测量光束21-23以包括于 微流体通道距离或地带宽度dchannel中的彼此间隔关系来照射，所以 不会出现当测量光束21照射在微流体通道12上时，测量光束23 照射在孩i流体通道11上的情况。
当然，如果满足测量光束照射在区(1) ~ (7)中^皮此不连续 的不同区中的条fh那么i口图7A中所示，可以;改置四个以上的测 量光束。另外，可以4壬意i殳定沿樣i流体通道流动方向(参看图7B 中的箭头标志)的测量光束的照射位置。将在下文中参看图8来详 纟田4苗&。
同样，可以采用测量光束照射在微流体通道之间的多个不同位 置上(即，地带上)的不同配置。参看图7,将每个地带分为具有等于微流体通道宽度Weha皿e,的 区宽度(参看参考字符B)并具有应用于其的区编号(1 ) ~ (7)
的区。此处实例中，测量光束24照射在^f鼓流体通道ll与^f效流体通 道12之间的区i或中的区(l)上，即，；也带1上。测量光束23和 测量光束22照射在樣i流体通道12与微流体通道13之间的区(5 ) 和区(7)上，即，地带2上。另夕卜，测量光束21照射在孩丈流体通 道n与微流体通道n+l之间的区域中的区3上，即，地带n上。在 图7C中，上面照射有测量光束的每个区的^t目用下划线指示。
测量光束照射在区编号彼此不连续的不同区(1)、 (3)、 (5) 和(7)上。
因此，同样，当测量光束照射在多个不同微流体通道之间的部 分上(即，地带上)时，与其中测量光束照射在孩史流体通道之间的 相同位置上的情况类似，微流体通道可以被配置成"当一个测量光 束照射在一个樣i流体通道上时，其他测量光束不照射在任一个孩t流 体通道上"。
以此方式，由于测量目标的微小粒子被导入到多个微流体通道 中且测量光束经扫描以执行导入到微流体通道中的微小粒子的光 学测量，所以当与其中测量光束照射在单个孩i流体通道的固定点上 以执行测量的现有光学测量装置相比较时，使用应用本实施例的光 学才全测i殳备可以在4豆时间周期中完成测量过禾呈。
另外，由于测量光束始终^f又照射在一个孩i流体通道上，所以从 多个微流体通道中的孩t小粒子同时产生检测目标光并且可以实现 高测量4青确度。
具体地，另外，如果当一个测量光束照射在一个孩t流体通道上 时某个其他测量光束照射在某个微流体通道上，那么从多个微流体通道中的微小粒子产生检测目标光，从而导致出现检测目标光的干 扰或交扰。此交扰引起测量精确度的降低，且为了消除此，需要为
不同孩么流体通道单独^是供才全测器以i更能独立才企测/人;微流体通道中 的微小粒子产生的检测目标光。
相反，在本实施例的光学测量装置中，由于一个测量光束始终 仅照射在一个微流体通道上，所以不会出现检测目标光的交扰，并 且可以获得高测量4青确度。另夕卜，由于4全测目标光始终/人一个孩吏流 体通道产生，所以可以通过单个4全测器来4企测4企测目标光，且因此， 可以大大简化光学系统的配置。
另外，在本实施例的光学测量装置中，如图1、 2A和2B中所
示，测量光束优选地以沿微流体通道中微小粒子p的馈入方向(参
见图1中的箭头标志F:和F2)的4皮此方文置关系来扫描。将参看图 8A和8B来描述。
图8A和8B示出了沿微流体通道馈入方向的测量光束的照射 位置。在图8A和8B中，实线箭头标志指示《效流体通道々贵入方向， 而虚线箭头标志指示测量光束的扫描方向。图8A和8B示出了测量 光束21照射在微流体通道12中的微小粒子P上的状态。
在图8A中所i兌明的状态下，随后用测量光束22来测量用测量 光束21测量后的孩i小粒子P。此处实例中，在孩史流体通道12中以 预定速度馈入微小粒子P，且因此微小粒子P沿图8A中实线箭头 标志所指示的方向移动。
此处，如果测量光束21 23另外排列在沿扫描方向(即，沿 图8B中虚线箭头所指示的方向)的线性线路上，以执行扫描，那 么需要在与测量光束21执行测量的位置相同的位置用测量光束22 来执行测量。更具体地，在图8B中，需要扫描《效流体通道12上的测量光束 22以在樣i小粒子P馈入距离1之前用测量光束22执行测量。因此， 视微小粒子P的馈入速度而言，存在可能不能用测量光束22成功 执行测量的可能性。
同才羊，当4吏用测量光束23和四个以上的测量光束时，类似i也 需要在微小粒子P馈入距离1之前扫描微流体通道12上的每个测 量光束，且视微小粒子P的馈入速度而言，存在可能不能用所有测 量光束成功^U于测量的可能性。
相反，在图8A中，由于测量光束21-23以沿微流体通道馈入 方向的;f皮此》文置关系扫描，所以可以在/人用测量光束21测量的微: 流体通道12的下游上执行用测量光束22测量。具体地，如果在微 小粒子P々贵入距离L ( L>1 )之前在孩t流体通道12上扫描测量光束 22，那么可以执行用测量光束22来测量微小粒子P。此处，由于可 以将距离L设为大于距离1，所以使用本实施例的配置，可以以较 高精确度来执行用测量光束22的测量。
另外，同样当^f吏用测量光束23和四个以上的测量光束时，类 似地可以在微流体通道12的另一个下游侧上执4亍测量，且可以高 精确度地才丸4于所有测量光束的测量。
在应用本实施例的光学测量装置中，每个孩i流体通道具有用于 导入微小粒子的 一个入口和用于导入和控制溶剂层流或外壳流动 的另一个入口中的至少一个。樣t流体通道的可选形状可以为矩形、 圆形、椭圓形等。《鼓流体通道由可以通过其传输测量光束并相对于 测量光束而言呈现相对小的波长色散和相对小的光学误差的诸如 石英的材料或诸如PP、 PC、 COP或PDMS的塑料材料形成。微流 体通道的内表面形成为可以4呆持所形成层流的处理表面。另外，可以将樣"危体通道置于固定状态或者可以;汶置在卞者如下文中所述的 基板A的可交换部件上。
微小粒子P包括与活体有关的微小粒子(诸如，细胞、微生物、 活体高分子物质)、乳胶粒子或凝胶粒子、诸如工业粒子的合成粒 子。细胞包括诸如血型细胞的动物细胞和植物细胞。孩t生物包括诸 如大肠杆菌的细菌、诸如烟草花叶病毒的病毒、诸如酵母真菌的真 菌。活体高分子物质包括染色体、核糖体、线粒体和细胞器。例如， 工业粒子可以由有机或无机高分子材料、金属等形成。有机高分子 材冲+包括聚苯乙烯、苯乙烯二乙烯基苯和聚曱基丙烯酸曱酯。无枳j 高分子材料包括玻璃、硅石和》兹性材料。金属包括金胶体和铝。尽 管以上纟是及的这些孩i小粒子通常具有5求形形状，^f旦是其还可以具有 非球面形状，且其大小、质量等也同样不受特殊限制。
另夕卜，根据测量目标的微小粒子p的类型和测量的目标，测量 光束可以具有选自多种波形的波形。同样可以从诸如气体激光器 (诸如氩激光器和氦激光器)、半导体激光器(LD)、发光二极管 (LED)等的已知光源适当选择性地^f吏用光源。
例如，为了测量微小粒子P的基本成分的目标，选择性地使用 波长与个别成分的吸收波长相对应的测量光束。另一方面，当将要 测量标记有多个荧光染料的微小粒子的荧光时，使用波长与个别焚 光染一牛的激励波长相对应的测量光束。例如，如果将波长405 nm、 473 nm和658 nm分别用于图1中固定测量光束21、 22和23，那 么可以使用个别具有这些波长作为其激励波长的三个不同焚光染 料来执行微小粒子P的辨别。
使用置于从不同波长的每个光源发出的测量光束的光路上的 多角镜、电流镜、声光元件、电光元件等以固定周期执行测量光束的扫描。用于每个测量光束的照射系统被用作远心光学系统以便测 量光束的斑点宽度可以固定在对应孩i流体通道上的成〗象平面上。
如本文以上所描述，在应用本发明的光学测量装置中，可以将 每个微流体通道置于可交换部件上，且对应光学测量部件而言，可
以适当地采用在本文以上提及的Anne Y. Fu等人的非专利文件中披 露的光学测量部件，其中，在玻璃或高分子材料的基板上形成非常 小的微流体通道。当使用刚刚提及的基板时，可以解决由流动细胞 的重复使用产生并且出现在现有光学测量装置中的杂质或污染物 的混合问题。
图9示出了基板形式的光学测量设备的实例。
参看图9,在基板A上形成其中可以导入微小粒子的十个微流 体通道。参考数字11指示一个孩i流体通道中。以下，描述樣i流体 通道ll的配置。然而，其他樣i流体通道也具有类似配置。应注意， 微流体通道的数目并不受特殊限制，而是可以任意设为等于或者大 于2的任何数目。
将图9中未示出的微小粒子P的扩散溶剂从试样导入部101导 入到^f鼓流体通道11中。在^f鼓流体通道11的一端上i殳置溶剂导入部 31,并将/人溶剂导入部31导入的溶剂々贵入到纟鼓流体通道11的溶剂 馈入路径32和33且溶剂在汇合部111结合从试样导入部101导入 的微小粒子P的扩散溶剂。因此，从溶剂馈入路径32和33结合的 溶剂用作外壳流动且用以将孩支小粒子P逐一排列在孩i流体通道11 中的中心。应注意，例如，从图1中所示的试样保存部IO投入微 小粒子P的扩散溶剂，并将其转移到^f效流体通道的试样导入部101 (同样参看图1中的箭头标志F。。将逐一排列在微流体通道11中的微小粒子P馈入到测量光照
射区域R中，其中，4吏用沿图9中的虚线箭头标志S所指示的方向 扫描的测量光束来测量微小粒子P。当微流体通道的排列距离和测 量光束的照射距离为诸如本文以上参看图2A~5所述的距离时，描 述基板上的微流体通道的微流体通道宽度w和微流体通道距离d两 个变量或参数所要满足的条件，其中，注意基板A侧所要满足的条 件，将测量光束的斑点宽度W一和照射距离Dsp。t设为任意值。
图10示出了应用本实施例的光学测量设备或基板中的微流体 通道的排列距离和测量光束的照射距离。
图10以》文大尺寸示出了图9中所示的测量光照射区域R。在 图10中，示出了三个樣i流体通道11 ~ 13作为4戈表并与图2A ~图5 中类似i也4吏用三个测量光束。
参看图10，虚线箭头标志S所指示的沿测量光束21-23的扫 描方向的其斑点宽度由Wsp。t表示，且测量光束中的相邻光束之间 (即，测量光束21与22之间或测量光束22与23之间)的照射距 离由Dsp。t表示。另外，沿虚线箭头标志S的微流体通道11 ~ 13的 宽度由w表示，且微流体通道中的相邻通道之间(即，微流体通道 11与12之间或微流体通道12与13之间)的距离(即，地带宽度) 由d表示。
首先，微流体通道的微流体通道宽度w满足以下表达式(3): w + Wspot < Dsp。t(min)…(3)
其中，Dsp。t(min)是选自测量光束21~23的两个相邻测量光束 之间的沿扫描方向的距离中的最小距离，即，测量光束21与22之间的距离和测量光束22与23之间的距离中的最小距离。在图10 中，测量光束21与22之间的距离是照射距离Dsp。t(min)。
具体地，斑点宽度w ^皮:没为与斑点宽度Wsp。t的和小于 Dsp。t(min)。换句话说，微流体通道需要以小于斑点宽度Wsp。t与照 射距离Dsp。t(min)的差的距离来彼此间隔的关系形成。
另外，微流体通道距离d满足以下表达式(4): Dspot(max) x (NXex — 1) + Wspot < d…(4)
其中，N是测量光束的数目。在图10中，示出了三个测量光 束21~23，因此N二3。同时，Dsp。t(max)表示选自测量光束21-23 的两个相邻测量光束之间的沿扫描方向S的最大距离，即，测量光 束21与22之间的距离或测量光束22与23之间的距离。在图10 中，测量光束22与23之间的距离是照射距离Dspot(max)。
具体地，孩i流体通道距离d净皮设为大于照射距离Dsp。t(max)与 测量光束的数目减1的乘积加上斑点宽度W叩w的和。换句话说， 需要以包括于微流体通道距离或地带宽度d中的所有测量光束的照 射位置的4皮此间隔关系形成孩i流体通道。
此处，虽然并未特别设定微流体通道距离d的上限值，但是根 据照射距离Dsp。t(max)和测量光束的斑点宽度Wsp。t的量值以及其自 身基板的量值，将微流体通道距离d设为适当值。更具体地，图9 中所示的基^反A的大小为约70 mm长x约30 mm宽，且在沿基才反 A的每个方向的约6 mm的区域中设置每个微流体通道。在图9中， 所示的微流体通道相对于整个基4反而言4交大。因此，正常，i定的樹: 流体通道距离d的量值为约350 jam ~ 500 (am,且最大不超过1 mm。然而，在此实例中，在测量光束的配置中，可以将测量光束的
斑点宽度Wsp。t和照射距离Dsp。t设为任意值，根据斑点宽度Wsp。t和 照射距离Dsp。t的值，将基板的微流体通道宽度w和微流体通道距 离d设为满足本文以上给出的表达式(3)和(4)，从而与本文以 上参看图2A至5所描述的类似，〗又一个测量光束正常照射在仅一 个樣i流体通道上。
另外，可以采用与本文以上参看图6所描述的状况类似的配置， 测量光束21~23照射在多个区中的一些不同区上，其中，每个微 流体通道距离被划分以具有沿扫描方向S的预定宽度且这些区4皮此 不连续。此时，微流体通道可以被配置成"当一个测量光束照射在 一个樣i流体通道上时，其他测量光束不照射在^f壬一个樣i流体通道 上"。
以此方式，由于测量目标的微小粒子被导入到多个微流体通道 中且测量光束经扫描以执行导入到微流体通道中的微小粒子的光 学测量，所以与上面i殳置单个孩i流体通道同时测量光束照射在单个 微流体通道的固定点上以执行测量的现有基板相比，使用应用本实 施例的光学才企测装置可以在短时间周期中完成测量过程。
另外，由于测量光束始终^又照射在一个孩i流体通道上，所以不 会出现检测目标的交扰。因此，可以实现高测量精确度，且检观'J目 标光可以由单个4企测器来4企测。
基4反A由可以通过其传，叙测量光束并相乂十于测量光束而言呈 现相对小的波长色散和相对小的光学误差的诸如玻璃的材料或诸 如PP、 PC、 COP或PDMS的塑剩-材泮午形成。当基4反A的材泮牛为诚: 璃时，通过湿腐蚀或千腐蚀来转移微流体通道。另一方面，当基板 A的材料为塑料材料时，通过毫微压痕或模压来在基板上形成微流体通道。用使用了与基板材料相同的材料的罩来密封上面形成有微 流体通道的基板的微流体通道。
现在，以下以排列基板A的状况作为实例，参看图9来描述由 光学测量装置和排列有光学测量装置的微小粒子测量设备进行的 测量光束的扫描方法和;险测目标光的4企测方法。
可以根据上述测量目标的微小粒子P和测量的目标来适当且选 择性地使用测量光束和光源以及扫描系统。此处，描述了微小粒子 测量设备，其中，将具有波长405 nm、 473 nm和658 nm的激光二 极管(LD )用作光源并扫描来自光源的这些光测量光学以根据个别 具有波长作为其激励波长的三个不同荧光染料来辨别微小粒子P。 应注意，；险测目标光不限于荧光，而是可以为i者如用于测量目标孩t 小粒子的大小测量的向前散射光、用于测量结构的向侧散射光、通 过瑞利散射或米氏散射的散射光等。另外，荧光可以为连贯荧光和 不连贯荧光中的任一个。
适当采用使用多个以下所述焚光染料的微小粒子P的以下所述 的辨别，其中，使用常见的流动血细胞计数器来辨别标记有荧光染 料的细胞或活体高分子。这个辨别还用于辨别含有荧光染料的微: 珠。
首先，将逐一排列在微流体通道11中的微小粒子P馈入到测 量光照射区域R中，其中，沿图9中的虚线箭头标志S所指示的方 向扫描的波长405 nm、 473 nm和658 nm的测量光束^L照射。因此， 如果^f鼓小粒子P标记有激励波长为一个上述特定波长中的荧光染 料，那么从微小粒子P发出荧光(即，检测目标光)。此处，由于 微小粒子P标记有三个不同荧光染料，所以基于是否从每个荧光染 料发出光，通过三个不同测量光束的照射产生的荧光呈现2x2x2=8图案。可以通过分析从微小粒子P产生的荧光图案来辨别微小 粒子P。
例如，通过4册格来散射在照射测量光束时,人激励波长为405 nm、 473 nm和658 nm的焚光染津牛中的任一个产生的荧光，随后4吏 用多通道光电倍增管(PMT)来斥企测每个波长的焚光。PMT》文大4壬 何波长的检测光并将其转换为电信号，并将电信号输出到设置在该 装置中的数据分析部。
因此，由于基板A的微流体通道和测量光束被配置成满足本文 以上给出的表达式(l) ~ (4),所以多角镜所扫描的测量光束中 的一个始终照射在微流体通道中的仅一个上。因此，仅从一个樣丈流 体通道产生荧光，且不从任何其他孩t流体通道同时产生焚光。因此， 即使使用单个检测器来检测荧光，也不会出现交扰，并且可以获得 高测量精确度。另外，当使用单个检测器来形成该装置时，可以简 化光学测量装置和微小粒子测量设备的结构。
在使用应用本实施例的微小粒子测量设备的情况下，可以基于 微小粒子P的荧光图案来分散指示预定荧光图案的群体或组群。
在测量光照射区域R的测量之后，将微小粒子P从图9中的试 样排出部41排出到孩先流体通道11的外部。此时，测量光照射区域 R与试样排出部41之间所设置的分散部42从微小粒子P中分散出 预期组群。
i殳置在装置中的凄史据分析部乂人PMT接收电信号的输出以辨别 每个微小粒子P的荧光图案，并将与指示预定荧光图案的微小粒子 P有关的分散信号输出到分散部42。分散部42基于分散信号来分 散馈入到指示预定焚光图案的微流体通道11中的微小粒子P的那 些组群。例如，可以基于以上提及的Anne Y. Fu等人的非专利文件中披 露的已知技术来形成分散部42，或者可以使用日本专利公开第 2004-85323号中4皮露的超声波产生元件或日本专利开第 2006-220423号(参见权利要求IO)中披露的胶电极。根据使用胶 电极的方法，通过将预定电流提供给由含有电解液的凝胶形成并且 在微流体通道的相对侧上放置成彼此相对关系并且沿溶剂的馈入 方向呈彼此间隔关系的两个胶电极，改变了将馈入微小粒子P的微 流体通道，从而分散出预期组群。
如上所述，在应用本实施例的光学测量装置和樣i小粒子测量设 备中，与上面设置有单个^f鼓流体通道同时测量光束照射在单个^f鼓流 体通道的固定点上以执行测量或分散的现有基板相比，通过将测量 目标的微小粒子导入到多个孩i流体通道中以执行测量或分散，可以 在短时间周期中完成测量过程。
可以将根据本发明实施例的光学测量装置用于诸如与活体有 关的微小粒子(诸如，细胞、微生物和核糖体)、乳胶粒子或凝胶 粒子和诸如工业粒子的合成粒子的樣i小粒子的光学测量。
另外，可以将光学测量设备和微d、粒子测量设备用作流式细胞 计或粒子分析器。
本领域的技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以有 多种修改、组合、再组合和改进，均应包含在随附权利要求或等同 物的范围之内。
权利要求
1. 一种光学测量装置，包括多个微流体通道，彼此平行地延伸；以及扫描装置，用于沿所述微流体通道被并置的扫描方向扫描多个测量光束，从而光学测量导入到所述微流体通道中的微小粒子。
2. 根据权利要求1所述的光学测量装置，其中，所述扫描装置扫 描所述测量光束，以<更当所述测量光束之一照射在所述《效流体 通道之一上时，其他测量光束不照射在4壬一个所述孩吏流体通道 上。
3. 根据权利要求2所述的光学测量装置，其中，所述微流体通道 以沿所述扫描方向;f皮此预定间隔的关系排列，同时所述测量光 束被以沿所述扫描方向;f皮此间隔的方式照射和扫描，且其中， 沿所述扫描方向的所述孩么流体通道的孩i流体通道宽度由表示，沿所述扫描方向的两个相邻测量光束之间的距离中的最小距离D[min]和所述测量光束的斑点宽度W满足以下 表达式(1 ):wchannei + W < D(min)…(1)。
4. 根据权利要求3所述的光学测量装置，其中，沿所述扫描方向的所述微流体通道之间的距离由cU^e,表示，所述测量光束的数目N、从所述测量光束中所选的两个相邻测量光束之间沿所 述扫描方向的最大距离D(max)和所述测量光束的所述斑点宽 度W满足以下表达式(2):D(max)x(N—1) + W<dchannel…(2)。
5. 才艮据权利要求2所述的光学测量装置，其中，所述樣i流体通道 以沿所述扫描方向4皮此预定间隔的关系排列，同时所述测量光 束4皮以沿所述扫描方向4皮此间隔的方式照射和扫描，且其中， 所述扫描方向的所述微流体通道之间的各个距离被分为沿所 述扫描方向的预定尺寸的多个区，每个所述测量光束照射在一 个所述区中，且其中照射有一个所述测量光束的一个所述区与 其中照射有另一个所述测量光束的另一个所述区互不相同且 ;f皮jHi不连续。
6. 根据权利要求1所述的光学测量装置，其中，所述微流体通道 被置于可交换部件上。
7. —种微小粒子测量设备，包括光学测量装置，包括;波此平行延伸的多个孩i流体通道和 用于沿所述孩i流体通道纟皮并置的扫描方向扫描多个测量光束、 乂人而光学测量导入到所述孩i流体通道中的樣i小粒子的扫描装 置。
8. —种光学测量i殳备，包4舌可交4灸部件；以及光学测量装置，包括彼此平行延伸的多个微流体通道和 用于沿所述樣史流体通道^皮并置的扫描方向扫描多个测量光束、 从而光学测量导入到所述微流体通道中的微小粒子的扫描装 置；所述孩t流体通道以沿所述扫描方向4皮at匕预定间隔的关系排列，同时所述测量光束^皮以沿所述扫描方向;f皮此间隔的方式照射和扫描；所述孩t流体通道具有满足以下表达式(3)的沿所述扫描 方向的微流体通道宽度w:<formula>formula see original document page 4</formula>…(3)其中，Wsp。t是沿所述扫描方向的所述测量光束的斑点宽 度，以及Dsp。t(min)是沿所述扫描方向的两个所述测量光束之 间的距离中的最小距离。
9. 根据权利要求8所述的光学测量i殳备，其中，所述测量光束的 数目由Nj^表示，以及沿所述扫描方向的两个相邻测量光束 之间的距离中的最大距离由D(max)表示，沿所述扫描方向的 所述微流体通道之间的距离d满足以下表达式(4 ):<formula>formula see original document page 4</formula>…(4)。
10. —种光学测量i殳备，包4舌可交4灸部^f牛；以及光学测量装置，包括;波此平行延伸的多个孩么流体通道和 用于沿所述孩i流体通道4皮并置扫描方向扫描多个测量光束、乂人 而光学测量导入到所述微流体通道中的微小粒子的扫描装置；所述纟殷流体通道以沿所述扫描方向4皮此预定间隔的关系 排列，同时所述测量光束^^以沿所述扫描方向^f皮此间隔的方式 照射和扫描；沿所述扫描方向的所述微流体通道之间的各个距离被分 为沿所述扫描方向的预定尺寸的多个区，每个所述测量光束照 射在一个所述区中，同时，其中照射有一个所述测量光束的一 个所述区与其中照射有另一个所述测量册^:的另一个所述区 互不相同JU皮此不连续。
全文摘要
本发明披露了一种光学测量装置和设备以及使用光学测量装置的微小粒子测量设备，该光学测量装置包括彼此平行延伸的多个微流体通道；以及用于沿微流体通道被并置的扫描方向扫描多个测量光束的扫描装置，从而光学测量导入到所述微流体通道中的微小粒子。
文档编号G01N15/00GK101413866SQ20081017050
公开日2009年4月22日 申请日期2008年10月17日 优先权日2007年10月18日
发明者今西慎悟, 古木基裕, 篠田昌孝 申请人:索尼株式会社