用于表征和量化微粒样本的图像细胞仪制造技术

本发明专利技术涉及表征和量化微粒样本的图像细胞仪。根据本发明专利技术，提供了用于捕获和分析样本在动量域中的图像细胞仪。该细胞仪设置有：光源，用于使用光束来照射样本；光学变换系统，其沿光束传播方向布置在样本之后以用于生成在空间平面中的傅里叶变换；光传感器阵列；以及空间选择滤波器，其相对于光学系统布置成使得将傅里叶变换成像在光传感器阵列上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学装置，更具体地涉及图像细胞仪。
技术介绍
当将光学技术应用于检测生物样本和致病样本中的微量微粒时，光学技术可以是非常有用的。更具体地，在大实验室和诊所中，光学显微技术也广泛地用于与荧光标记法结合以用于对微粒(细胞、微生物等)进行高分辨率成像。由于市售的荧光显微镜具有繁重复杂的组件并且由高成本的光学元件形成，所以市售的荧光显微镜是体积庞大且昂贵的。在过去的几年中，已经致力于寻找下述更紧凑且价格低廉的成像解决方案来满足市场需求：使用基于电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列的低成本成像技术。流式细胞测量术是众所周知的基于激光的荧光技术，近年来，该技术得到了显著的发展和创新。这个分析实验室技术可以快速地且非常容易地测量与单细胞和微粒有关的不同的参数。使用电荷耦合装置(CCD)的进展在下述方面具有大的潜力：通过使用较便宜——便宜高达两个数量级——的发光二极管来替换昂贵的激光光源并且使用较简单且更经济的接近度检测方案来替换精密的显微技术来降低价格。这些装置已知为图像细胞仪(I-CYT)并且可以通过在计算机屏幕上进行直接细胞成像而容易地被操作。与流式细胞测量术不同，I-CYT不是通过使用激光器逐个地照射细胞来工作，而是通过对单个图片中的数以千计的细胞进行成像和分析来工作。出于这些原因，I-CYT逐渐进入市场，这是因为I-CYT与传统的流式细胞测量术提供相似的特征和有益效果，但是却具有较低的成本。专利US 8,866,063和US 7,872,796公开了一种使用图像传感器的显微镜系统(这也同样适用于图像细胞仪)，该显微镜系统检测作为样本在空间域(已知为真实空间或坐标空间)中的复制品的图像。然而，检测空间域中的图像意味着在空间分辨率、视场(FOV)和景深(DOF)之间进行权衡。光学显微镜系统的分辨率受(光源的波长λ的阶数的)衍射极限的限制。
在US 7,872,796中，使用小透镜阵列来增大装置的DOF。然而，FOV仍然受系统中的显微镜物镜的限制；因此，使用US 7,872,796中所公开的装置可以潜在地实现λ/2分辨率，但是FOV减小。专利US 8,866,063描述了下述装置，该装置通过使用被配置成沿至少两个方向扫描样本的照明光源以及捕获多个扫描位置处的图像而具有提高的FOV。然而，DOF受限制并且所提出的增大FOV的解决方案意味着要进行冗长的计算以根据所捕获的多个图像来重建样本；其还需要繁重的机械调节来提供光源扫描。
技术实现思路
本专利技术在包含空间频率信息的平面中捕获和分析样本在空间频率域(也已知为动量域或傅里叶域)的图像。然后，可以通过傅里叶分析来重建真实(空间)图像。在下文中，将使用术语“频率”来替代“空间频率”。为此，本专利技术设置有：光源，用于使用光束来照射样本；光学变换系统，其沿光束传播方向被布置在样本之后以用于生成在空间平面中的傅里叶变换；光传感器阵列；以及空间选择滤波器，其相对于光学变换系统被布置使得将傅里叶变换成像在光传感器阵列上。假定通过频率域而非空间域中的数据来取回样本信息，则本专利技术能够：由于大FOV与DOF结合因此能够在单次捕获中对大体积(从1毫升至10毫升)进行分析；自动地且准确地估计微粒的浓度；以及鉴于尺寸和复杂性(吸收性)来区分种群。另外，使用所公开的系统，在选择合适的光传感器阵列的情况下，针对大视场而言，空间分辨率可以达到亚微米分辨率，而这不需要任何机械调节或复杂的计算。附图说明附有一组附图来完成描述并且提供对本专利技术的更好的理解。所述附图示出了本专利技术的优选实施方式，本专利技术的优选实施方式不应当理解为限制本专利技术的范围，而是仅作为可以如何实施本专利技术的示例。图1示出了本专利技术的一般实现。图2示出了使用光学透镜作为OTS的一个实施方式。图3示出了在本专利技术中用作空间选择滤波器的微型透镜阵列。图4示出了作为空间选择滤波器的吸收性聚合物掩模。图5示出了使用荧光滤波器的一个实施方式。图6示出了根据本专利技术的使用反射滤波器的荧光细胞仪的另一实施方式。图7示出了以某一角度布置光源以避免使用滤波器的一个实施方式。图8示出了使用双频带荧光带通滤波器的一个实施方式。图9示意性示出了数据如何被处理。图10示出了本专利技术中所使用的微型透镜阵列。图11示出了本专利技术中所使用的吸收性聚合物掩模。图12示出了根据图3的证明是扩大的装置FOV的实施方式的原始捕获。图13示出了不管样本至OTS的距离如何而均从样本取回相同的数据，从而提供大的装置DOF能力(≈1毫米)。图14示出了通过处理使用图3的实施方式捕获的两种不同的微生物的样本体积而获取的图。图15示出了通过处理具有使用图3的实施方式捕获的混合种群的微生物的水样本而获取的图。图16示出了通过处理图14的使用与FITC结合的抗E.coli抗体标记并且使用图5的实施方式捕获的水样本而获取的图。具体实施方式本专利技术如下那样进行。由光源照射样本。针对给定的样本体积而言，所述体积与光源的相互作用导致发射宽频带的频率。发射处理是不相干的，因此，强度相加并且不引起干涉效应。样本被布置在光学变换系统(OTS)之前并且接近光学变换系统。因为OTS使得能够取回通过样本体积与光束之间的相互作用而生成的光束的傅里叶变换，所以OTS是关键部件。可能的OTS的示例为透镜、曲率半径等于透镜的焦距的二倍的曲面镜或者针孔。最后，在OTS之后适于实现与样本相互作用的光束的傅里叶变换的距离处布置空间选择滤波器。通过使用空间选择滤波器的子结构进行采样入射光束沿XY平面被分割成多个区域，从而创建一组子图像。换言之，
频率信息选择性地包括在子图像中。空间采样包括由空间选择滤波器产生并且由对应的光传感器检测的子图像。传感器阵列被定位在空间选择滤波器之后并且接近于空间选择滤波器。所得到的图像是所有的子图像的组合，每个子图像包括在与样本体积相互作用之后的光束的傅里叶变换的一部分。对所得到的这些子图像的强度分布的测量意味着了解样本能量频谱的知识。OTS的优选实施方式是汇聚透镜。如将要阐述的那样，这样的透镜实质上进行二维傅里叶变换。假定下述一般几何结构：由振幅A的正常入射的平面波照射被定位在透镜之前的样本。由tA来表示样本的振幅透射率。在这种情况下，离开样本并且入射在透镜上的光束可以描述为：UL(x,y)＝A·tA(x,y)由于镜片而造成的透镜对入射光束的作用可以由下式描述：tl(x,y)＝exp[-j·(k/2·f)·(x2+y2)]因此，透镜之后的振幅分布成为：UL’(x,y)＝UL(x,y)·exp[-j·(k/2·f)·(x2+y2)]使用菲涅尔衍射公式，可以找到距透镜为距离z处的分布Uf(u,v)。Uf(u,v)＝{exp[j·(k/(2·z))·(u2+v2)]·(1/(j·λ·z))·∫∫UL(x,y)·exp[-j·(k/2·f)·(x2+y2)]·exp[j·(k/(2·z))·(x2+y2)]·exp[-j·(2π/(λ·z))·(x·u+y·v)]dxdy因此，场分布Uf(u,v)与由具有平方律相位因子的透镜孔径对向的入射场的二维傅里叶变换成比例，并且光在坐标(u,v)处的振幅和相位与输入光谱在频率(u/(λf),v/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于表征和量化微粒样本的图像细胞仪，包括：光源，用于生成输入光束，所述输入光束被引导朝向所述样本以使得在所述光束经过所述样本之后生成真实空间中的光信号；光学变换系统，其布置在所述样本之后以用于生成所述光信号在空间频率域中的傅里叶变换；空间选择滤波器，其布置在所述光学变换系统的多个焦点处，其中，所述焦点是来自所述样本上的点的光线汇聚的点；以及光传感器阵列，其布置在所述焦点处以用于检测所成像的傅里叶变换。

【技术特征摘要】
2015.04.23 EP 15164853.21.一种用于表征和量化微粒样本的图像细胞仪，包括：光源，用于生成输入光束，所述输入光束被引导朝向所述样本以使得在所述光束经过所述样本之后生成真实空间中的光信号；光学变换系统，其布置在所述样本之后以用于生成所述光信号在空间频率域中的傅里叶变换；空间选择滤波器，其布置在所述光学变换系统的多个焦点处，其中，所述焦点是来自所述样本上的点的光线汇聚的点；以及光传感器阵列，其布置在所述焦点处以用于检测所成像的傅里叶变换。2.根据权利要求1所述的细胞仪，其中，所述光学变换系统是光学透镜、曲面镜或针孔。3.根据权利要求1或2所述的细胞仪，其中，所述空间选择滤波器是微型透镜的阵列。4.根据权利要求3所述的细胞仪，其中，所述微型透镜是直径小于1毫米优选地10微米的小透镜，以在支承基板上形成二维阵列。5.根据权利要求1或2所述的细胞仪，其中，所述空间选择滤波器是吸收性聚合物掩模。6.根据权利要求5所述的细胞仪，其中，所述吸收性聚合物掩模具有深度小于1毫...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦莱里奥·普鲁内里，马克·霍夫雷，朱安·米格尔·佩雷斯罗萨斯，
申请(专利权)人：光子科学研究所基金会，加泰罗尼亚高等研究院，
类型：发明
国别省市：西班牙;ES