用于光学检测流体样品中的纳米粒子的方法和设备技术

根据一个方面，本发明专利技术涉及用于通过透射以光学检测在流体样品中运动的纳米粒子的设备(100)，包括：光源(10)，用于发射用于照射样品的空间非相干光束；包括显微镜物镜(31)的成像光学系统(30)；二维光学检测器(40)，其包括通过成像光学系统(30)与显微镜物镜的物焦平面共轭的检测平面(41)，并且允许获取样品的分析体积的一系列图像，每个图像通过入射到样品上的照射光束和在不到1毫秒的预设时间段内由分析体积中存在的每个纳米粒子散射的光束之间的光学干涉产生；图像处理装置(50)，图像处理装置(50)允许取得一系列所述图像的平均值，并且从每个图像中减去该平均值，从而针对分析体积中的每个纳米粒子确定散射光束的振幅。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光学检测流体样品中的纳米粒子的方法和设备
本专利技术涉及用于光学检测流体样品(例如液体样品或空气)中的纳米粒子的方法和设备，通常用于30nm至200nm的纳米粒子。该方法更具体地用于检测存在于水生环境中的游离病毒，特别是用于对海水或河水中的病毒的计数和表征。
技术介绍
病毒是尺寸通常在30nm和200nm之间的纳米物体。它们通常特定针对一定的宿主细胞，因此它们为一个物种(甚至是该物种的变种或菌株)所特有。仅自1989年以来，得益于挪威团队的工作(见K.J.等，“Enumerationandbiomassestimationofplanktonicbacteriaandvirusesbytransmissionelectronmicroscopy”，Appl.Environ.Microbiol.(1990)56：352-356)，我们已经意识到各种水生环境中病毒的丰富程度。已在湖泊、河流、冰层或海洋的沉积层深度中，有时甚至在云层中测出高浓度的病毒，这表明它们在生物圈的功能中起着重要作用。得益于各种机制，例如破坏优势物种以有益于更多稀有物种或将病毒基因转移到宿主，病毒保持了水生生态系统的生物多样性并促进了遗传混合。因此，为了更好地理解病毒与宿主之间的关系，对不同水生生态系统中的病毒进行表征并估计它们的分布至关重要。根据水生生态系统、季节甚至采样深度，游离病毒的浓度通常在每毫升106至109个粒子之间。有许多已知的方法用于对水生培养基中的病毒进行表征和计数。例如，我们知道透射电子显微镜(或TEM)，其允许我们以非常好的精度对病毒进行计数并对其形态进行表征。然而，这种破坏性技术需要庞大而昂贵的设备。在对水生环境中的病毒表征的光学技术中，我们知道荧光显微镜，其在用荧光标记物将核酸染色后，使得可以对游离病毒进行计数(参见例如，Bettarel等,“AcomparisonofMethodsforCountingVirusesinAquaticSystems”,ApplEnvironMicrobiol,66:2283–2289(2000)。然而，这种技术需要对标记物进行固定的阶段，这被证明对于分子生化分析的后期阶段是麻烦的。由于病毒表现得像电介质纳米粒子，其折射率在可见光谱中接近1.5，与水的折射率(1.33)明显不同，同样也已知如何检测它们的存在并通过确定这些纳米粒子在入射电磁场中引起的扰动来潜在对它们进行表征。因此，已经描述了基于由于病毒粒子悬浮引起的光散射的方法(参见例如WMBalch等,“LightscatteringbyViralSuspensions”,LimnolOceanogr,45:492–498(2000))。然而，这些方法由于检测灵敏度差而仅限于对病毒的均质溶液的分析，并且它们仅能够确定给定尺寸和形状的病毒浓度；因此，它们不适合于识别多样性病毒，而在自然环境中通常是多样性病毒。为了提高灵敏度，已将干涉测量方法用于检测液体环境中的病毒。因此，Mitra等人的文章(“Real-timeOpticalDetectionofSingleHumanandBacterialVirusesBasedonDark-fieldInterferometry”,BiosensBioelectron.2012January15；31(1):499–504)描述了一种用于观察纳米流体导管中的一个接一个地运动的纳米粒子干涉检测方法。被入射激光束照射的纳米粒子所散射的低光强度被高强度的基准光束放大。此外，结构化照明消除了由导管接口上的寄生反射(在黑色背景上的检测)引起的噪声。然而，除了使用相干光源(激光)之外，这种技术还需要复杂的纳米流体布局。本专利技术提出了一种用于检测在诸如水的流体中运动的纳米粒子的干涉技术，其以空间上不相干的照射来操作，避免了对激光的需求。此外，所描述的技术不需要针对被检查的流体的特定布局。然而，本说明书中描述的技术具有非常好的灵敏度，并且可以检测直径小至几十纳米的纳米粒子。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术涉及一种用于通过透射以光学检测在流体样品中运动的纳米粒子的设备，包括：-光源，用于发射用于照射样品的空间非相干光束；-包括显微镜物镜的成像光学系统；-二维光学检测器，所述二维光学检测器包括通过所述成像光学系统与所述显微镜物镜的物焦平面共轭的检测平面，并且允许获取所述样品的分析体积的一系列图像，每个图像通过入射到所述样品上的所述照射光束和在不到1毫秒的预设时间段内由所述分析体积中的每个纳米粒子散射的光束之间的光学干涉产生；-图像处理装置，所述图像处理装置允许取得所述一系列图像的平均值，并且从每个图像中减去所述平均值，从而针对所述分析体积中的每个纳米粒子确定所述散射光束的振幅。检测设备用于检测纳米粒子，即直径小于几百纳米的粒子，更具体地，直径在30nm和200nm之间的纳米粒子。如此描述的设备，非常容易实现并且无需将样品以特定形式放置，使得，由于当纳米粒子被“冻结”时在很短的时间内，通过由光源发射的信号和由每个纳米粒子散射的信号之间的干涉所得到的散射信号的放大，可以检测直径小至几十纳米的纳米粒子。在入射照明光束和由每个纳米粒子散射的光束之间直接产生的干涉不需要基准波和照射样品以用于形成干涉的波之间的初始物理分离，例如使用分隔器的干涉仪。通过空间不相干光束的照射使得可以将空间相干性限制于“体素”(voxel)的水平，“体素”的截面与显微镜物镜的数值孔径成反比。因此，干涉只能在纳米粒子所在的体素内部进行；因此干涉在几乎同心的球面波之间发生。根据一个或多个样品实施方式，所述光源是脉冲源，使得能够顺序地发射所述预设时间段的光脉冲，并且所述设备还包括将所述二维光学检测器和所述脉冲光源同步以获取所述一系列图像的装置。所使用的二维检测器可以是以100Hz操作的标准相机。或者，可以使用连续的光源和高速摄像机，通常具有每秒多于几千个图像的频率。光源是空间不相干的光源，例如LED，并且能够避免在检测区域中可能产生寄生背景的任何斑点效应。根据一个或多个样品实施方式，所使用的显微镜物镜具有大于或等于1的数值孔径，从而增加由每个纳米粒子散射的光信号的强度，并且使得能够检测较小直径的纳米粒子。根据第二方面，本专利技术涉及一种用于通过透射以光学检测在流体样品中运动的纳米粒子的方法，包括：-发射空间不相干的光束以照射样品；-通过包括显微镜物镜的成像光学系统，在二维光学检测器的检测平面上，形成位于所述显微镜物镜的物焦平面附近的所述样品的分析体积的图像；-通过所述二维检测器获取所述样品的分析体积的一系列图像，在不到1毫秒的预设时间段内，每个图像通过入射到所述样品上的所述照射光束和由所述分析体积中的每个纳米粒子散射的光束之间的光学干涉产生；-处理图像以取得所述一系列图像的平均值，并从每个图像中减去所述平均值，从而针对所述分析体积中的每个纳米粒子确定所述散射光束的振幅。根据一个或多个样品实施方式，光束的发射是所述预设时间段的光脉冲的顺序发射，图像的获取与光脉冲的发射同步。根据一个或多个样品实施方式，该方法还包括从以这种方式处理的所述一系列图像的开始确定所述纳米粒子的轨迹。附图说明在熟读以下附图所示的说明书时，将明白本专利技术的其它优点和特征：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于通过透射以光学检测在流体样品中运动的纳米粒子的设备(100)，包括：‑光源(10)，用于发射用于照射样品的空间非相干光束；‑包括显微镜物镜(31)的成像光学系统(30)；‑二维光学检测器(40)，所述二维光学检测器(40)包括通过所述成像光学系统(30)与所述显微镜物镜的物焦平面共轭的检测平面(41)，并且允许获取所述样品的分析体积的一系列图像，每个图像通过入射到所述样品上的所述照射光束和在不到1毫秒的预设时间段内由所述分析体积中的每个纳米粒子散射的光束之间的光学干涉产生；‑图像处理装置(50)，所述图像处理装置(50)允许取得所述一系列图像的平均值，并且从每个图像中减去所述平均值，从而针对所述分析体积中的每个纳米粒子确定所述散射光束的振幅。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.09 FR 14596901.一种用于通过透射以光学检测在流体样品中运动的纳米粒子的设备(100)，包括：-光源(10)，用于发射用于照射样品的空间非相干光束；-包括显微镜物镜(31)的成像光学系统(30)；-二维光学检测器(40)，所述二维光学检测器(40)包括通过所述成像光学系统(30)与所述显微镜物镜的物焦平面共轭的检测平面(41)，并且允许获取所述样品的分析体积的一系列图像，每个图像通过入射到所述样品上的所述照射光束和在不到1毫秒的预设时间段内由所述分析体积中的每个纳米粒子散射的光束之间的光学干涉产生；-图像处理装置(50)，所述图像处理装置(50)允许取得所述一系列图像的平均值，并且从每个图像中减去所述平均值，从而针对所述分析体积中的每个纳米粒子确定所述散射光束的振幅。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源是脉冲源，使得能够顺序地发射所述预设时间段的光脉冲，并且所述设备还包括将所述二维光学检测器和所述脉冲光源同步以获取所述一系列图像的装...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·C·博卡拉，M·博卡拉，
申请(专利权)人：巴黎城市物理化工高等学院，
类型：发明
国别省市：法国,FR