用于表征清澈和混浊介质中的颗粒的方法和设备技术

本发明专利技术提供了用于检测、识别、分类并表征流体样本中颗粒的方法和设备。提供了具有可旋转和／或可平移的样本容器的光学分析器，用于测量以极低浓度存在的荧光颗粒的浓度，并且用于基于大小、形状、扩散常数和／或成分表征荧光颗粒。提供了使用模式识别数据分析技术和多信道检测的扫描光学分析器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于表征清澈和混浊介质中的颗粒的方法和设备 相关申请的交叉引用根据U.S.C. 119(e)的规定，本申请要求以2005年1月31日提交的第 60/648,513号美国临时专利申请作为优先柏羞础，在此以与本文公开相一 致的程度通过引用的方式将其4^P内容纳入本说明书。关于联邦担〗^研究或开发的声明本专利技术是在由美国国家卫生研究院(NIH )提供的合同号为 PHS5P41-RR03155号的基金的i^支持下进行的。政府对本专利技术享有一定的 权利。
技术介绍
在过去的几十年中，光学分析方法已经成为有用并可广泛应用的分析工 具，用于检测和表征各种介质中的痕量组份。在光学分析方法中，电磁辐射 被提供到样本并与该样本的组份相互作用。入射电磁辐射和样本之间的相互 作用产生可被收集和检测的散射、透射和/或发射的电磁辐射。所检测的光 的强度、波长分布、极化状态、散射角度或这些属性的任何组合提供了关于 样本组份的组成、浓度、物理状态和/或化学环境的信息。已经证实的对表 征痕量组份尤其有用的光学分析方法包括吸收和发射光镨技术、Raman和 Mie散射分析方法、磁共振光镨方法以及多维光学频i普技术。的优点。第一，光学分析方法可应用于多种类型的生物系统和生物材料，因 为大多数生物学上有意义的分子(诸如肽、寡聚核苷酸和脂类或它们的聚集 体)会吸收、散射和/或影响在紫外、可见以及红外区域中的电磁辐射的极 化状态。第二，很多光学分析方法，特别是例如荧光标记或红外标签的采用 选择性光标记的技术的方法，提供了识别并表征生物材料的选择性的和灵敏 的方法。第三，光方法经常为非破坏性的表征方法，从而允许分析生物样本 的组份，而不明显影响其生物活性、成分或生理状态。第四，光学分析方法 可提供静态和流动系统中原位实时检测。最后，由于近来能够使用便宜和灵 敏的光电检测器，并且能够在电磁频谱的紫外线、可见和红外区域中的进行 稳定光源操作，从而使得使用光方法的高通量分析在商业和技术上都可以实 行。由于具有这些益处，光学分析方法已广泛用于对生物材料进行识别、分 类和分选。例如，已经证明光流式细胞术可以用于多种试验环境中，包括免疫学应用、DNA分析、功能性分析、细胞分选、细胞和非细胞颗粒的定量分 析以及临床诊断和治疗。在流式细胞术中，将含有细胞和/或非细胞目标颗 粒的悬浮液注射到较快流动的液体流中，其在颗粒周围提供鞘流，从而产生 层流。鞘流要比在^^p为流体动力聚焦(hydrodynamic focusing)的过禾呈中 的样本泵取得更快，它使堵塞程度最小化并精确地将颗粒的样本流聚集到小的分析体积中。颗粒的持续层流空间上分离了颗粒，以^更它们穿过iy企测区域，它们在该区域#^^征。在ib险测区域中，颗粒优选地一次一个与一个或 多个电磁辐射的入射波束(诸如具有选定的波长分布的激光)相互作用，从 而产生被检测为时间函数的散射的、透射的和/或发射的电磁辐射。通常用在常规的光流式细胞术系统中用于表征细胞材料的光学量度包括小角^ 送散射光强度用于表征细胞直径，以;SJE交散射光强度用于确定细胞中颗粒 结构的数量。荧光检测方法广泛用于常规光流式细胞术系统中，特别是与选择性荧光 标记技^M目结合，其中对于穿过光检测区域的每个颗粒，都同时检测对应于 多个波长分布的荧光强度。标记探针和荧光染料过剩、以及染色和插入剂有 助于各种细胞类型和细胞成分的检测。在一些方法中，使用荧光抗体来测量 细胞分析物的具体表面受体的密度，并且因此区别分化细胞类型的亚群。使 用结合光流式细胞术的荧光探针还可以常皿检测并量化细胞内成分，包括 细胞内总DM、 DM或mMA中的具体核苷酸序列、选择的肽和蛋白质以及游 离脂肪酸。因此，光流式细胞术技术使得可以基于大量，而区分个別的细胞，诸 如其在流体流中的位置、大小、颗粒结构的数量以及可检测标记的存在和丰 度。由于这种能力，经常使用光流式细胞仪来产生生物样本中的颗粒幹沐的 诊断性图镨。例如，流式细胞术已经有效地用于在治疗HIV感染期间测量免 疫细胞的下降或维持，并且在癌症患者的诊断和预后过程中用于确定肿瘤细 胞的出现或消失。尽管光流式细胞术对于识别和表征生物样本的成分是一种很有效并且 多功能的技术，但是它具有很多重要的P艮制和缺陷。第一，关于所分析颗粒 的大小，常规光流式细胞仪的动态范围很窄。由于该限制，常常需要多个不 同的流式细胞仪来研究包括不同大小的细胞分布的生物系统。第二，流式细 胞仪的正常运转要求在用于分析的样本中没有细胞团或其它碎片，因为这些 可以阻塞或有害地影响流动细胞的层流条件。因此，样本和鞘流体需要仔细 过滤以防止流阻塞。不以有害方式影响流动条件而又有效地执行必要的过滤 常常是很麻烦的。第三，常规的流式细胞仪包括复杂的装置，这需要受过高 度训练的操作人员以便正确操作。流式细胞仪的对准和校准并不是简单的任 务，并且需要经常执行以获得精确和很好分离开的光学分类。第四，流式细 胞仪的正常运转需要经常清洁流动细胞和冲刷并消毒管道，以防止形成生物 被膜和污染。当使用这些方法来表征包含微生物的样本的时候，清洁和消毒 就特别重要。第五，调查研究的样本在很多流式细胞仪系统中的分析之后就 消失了，因此样本不能用于使用补充技术的进一步分析。i^分析仅仅在几 分钟内可用的样本或m^获取的样本的时候就十分不利。最后，除了其便携 性的明显限制"卜，即^^不能够细胞分类的市售流式细胞仪系统的成本也 相当高，这已经妨碍了这种技术在大的研究和临床机构之外的广泛使用。由上述内容可以发现，4^支术领域当前需要光学方法和设备，用于识别 和表征生物样本中以极少数量存在的样本成分，特别是痕量的样本成分。需 要在被分析颗粒的大小分布、成分和物理状态方面具有大动态范围的光学分 析方法和设备。另外，需要与常规光流式细胞4^目比不太容易形成生物净 和污染物的光学分析方法和设备，并且其不需要对用于分析的样^ii行麻烦 的预过滤。最后，需凓硬宜、简单并且便携式的光学分析设备用于分析生物 样本，其可以由没有经过充Wll练的技术人员操作。
技术实现思路
本专利技术提供了 一种用于分析样本颗粒，特别是以低丰度存在的荧光颗粒 的光学方法、设备和设备组件。本专利技术提供了扫描共焦显微镜设备以及分析 方法，用于检测、测量透明介质、散射介质和/或不透光介质中的分类颗粒 的浓度，所述分类颗粒包括细胞、微生物、生物学上有意义的分子及其聚集 体和复合体。本专利技术的方法和设备能够利用短(例如，少于约1分钟)样本 扫描周期对具有较宽的尺寸范围的颗粒进行检测、识别和分类。本专利技术的目 的是提供光学分析设备和分析方法，所述设备和方法能够检测样本中以极低 浓度(例如阿托摩尔或更低的浓度)存在的颗粒并且能根据物理、化学和/ 或光学特征将其精确分类。本专利技术的另一个目的是提供不需要样本过滤并且 在分析期间不导致样本丟失或降解的光学分析系统和方法。本专利技术的又一个 目的是提供可以由没有经过充分训练的技术人员操作的机械简单、机械可 靠、便宜并且十^f更携的光学分析设备。在一个方面，本专利技术提供了用于分析样本中存在的诸如荧光颗粒的颗粒 的光学分析器以及方法。在本专利技术的这个方面的一个实施方案中，光学分析器包括用于容纳包含颗粒的样本的至少部分透明的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于分析样本中颗粒的设备，所述设备包括：至少部分透明的容器，用于容纳包含所述颗粒的所述样本；光源，用于产生提供给所述样本的激发光，从而使得至少部分所述颗粒产生荧光；用于收集来自位于所述容器内的观察体积的荧光的装置；用于移动所述容器的装置，从而使至少部分所述颗粒传输穿过所述观察体积；以及与所述用于收集荧光的装置光通信的光电检测器，用于接收来自所述观察体积的至少部分所述荧光并测量其强度，从而产生所述荧光的时间曲线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：E格拉顿，G莫托尔西，A塔哈里，
申请(专利权)人：伊利诺伊大学评议会，
类型：发明
国别省市：US[美国]