RU2569053C2 - Scanning cytometer - Google Patents
Scanning cytometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2569053C2 RU2569053C2 RU2014109619/28A RU2014109619A RU2569053C2 RU 2569053 C2 RU2569053 C2 RU 2569053C2 RU 2014109619/28 A RU2014109619/28 A RU 2014109619/28A RU 2014109619 A RU2014109619 A RU 2014109619A RU 2569053 C2 RU2569053 C2 RU 2569053C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capillary
- signal
- amplitude
- biological objects
- objects
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к области сканирующих цитометров, использующих обнаружение флуоресценции от объектов, которые облучают интенсивным и модулированным светом. Устройство может быть использовано в медицине, контроле окружающей среды и объектов жизнеобеспечения, в космических исследованиях.The present invention relates to the field of scanning cytometers using fluorescence detection from objects that are irradiated with intense and modulated light. The device can be used in medicine, environmental control and life support facilities, in space research.
Уровень техникиState of the art
Одним из наиболее распространенных в настоящее время методов подсчета клеток является проточная цитометрия (ПЦ). К достоинствам ПЦ можно отнести возможность исследования в ходе одного анализа большого числа клеток (более 100000), высокую чувствительность, что позволяет выявлять бактериальные клетки в количестве 10-100 в 1 мл жидкости и обеспечивать высокую скорость подсчета.One of the most common cell counting methods currently used is flow cytometry (PC). The advantages of the PC include the possibility of studying a large number of cells (over 100,000) during one analysis, high sensitivity, which allows the detection of bacterial cells in an amount of 10-100 in 1 ml of liquid and ensuring a high counting rate.
Известны проточные цитометры для использования в медицинских и биологических применениях. Наиболее широко представлены цитометры, которые основаны на обнаружении флуоресценции от флуорохромов, связанных с объектами измерения.Flow cytometers are known for use in medical and biological applications. The most widely represented are cytometers, which are based on the detection of fluorescence from fluorochromes associated with measurement objects.
Одним из основных недостатков метода ПЦ является сложность и дороговизна его технической реализации. Аппарат для ПЦ включает в себя измерительную ячейку в виде капилляра сечением 100-300 мкм, специальной конструкции для обеспечения ламинарного потока жидкости, протекающей через ячейку, систему подачи пробы в аппарат, систему дозирования флуоресцентного красителя, насос для обеспечения постоянной скорости движения жидкости, систему промывки измерительного тракта, предотвращающую кросс-контаминацию - заражение измеряемых образцов предыдущими образцами, оптическую систему с лазером, приемником, фотоумножителем, оптическими фильтрами.One of the main disadvantages of the PC method is the complexity and high cost of its technical implementation. The apparatus for the PC includes a measuring cell in the form of a capillary with a cross section of 100-300 μm, a special design to ensure a laminar flow of fluid flowing through the cell, a system for supplying a sample to the apparatus, a dosing system for a fluorescent dye, a pump to ensure a constant speed of fluid movement, a washing system measuring path that prevents cross-contamination - infection of the measured samples with previous samples, an optical system with a laser, receiver, photomultiplier, optical filters.
В патенте США № US 5270548 описан проточный цитометр, использующий фазовый детектор для подсчета в потоке клеток, помеченных флуоресцентными красками с перекрывающимися спектрами излучения, но с различным временем жизни флуоресценции. Однако в силу конструкционных особенностей проточных цитометров в каждый момент времени источник света освещает область, в которой может находиться не более одной клетки, и фазовый детектор фиксирует сигнал от одной клетки [1].US Pat. No. 5,270,548 describes a flow cytometer using a phase detector to count in a stream of cells labeled with fluorescent inks with overlapping emission spectra but with different fluorescence lifetimes. However, due to the design features of flow cytometers, at each instant of time, the light source illuminates the region in which no more than one cell can be located, and the phase detector captures the signal from one cell [1].
В заявке на патент США № US 20130327957 описан проточный цитометр микроструйного типа. Прямоугольный канал внутри съемного полимерного прозрачного чипа освещается лазерным лучом. Относительное положение чипа и лазерного луча механически подстраивается для достижения лучшего соотношения сигнала к шуму. Цитометр имеет два приемника излучения, один из которых принимает шум, а другой принимает полезный сигнал флуоресценции [2].U.S. Patent Application No. US20130327957 describes a microjet type flow cytometer. The rectangular channel inside the removable polymer transparent chip is illuminated by a laser beam. The relative position of the chip and the laser beam is mechanically adjusted to achieve a better signal to noise ratio. The cytometer has two radiation detectors, one of which receives noise, and the other receives a useful fluorescence signal [2].
Известен патент США US 5009503, в котором для подсчета микроорганизмов используется микроскоп с моторизованным двухкоординатным столиком, на котором расположены цилиндрические стеклянные капилляры с агаризованной питательной средой с микробными клетками или колониями. Капилляры освещаются лазерным лучом, который точно направляется системой подвижных зеркал вдоль оси капилляра. При движении столика происходит автоматическая фокусировка объектива. Датчик или фотоумножитель последовательно регистрирует свет, отраженный от каждой клетки. Данная система отличается сложностью, дороговизной, невысокой скоростью сканирования, длительной и трудоемкой пробоподготовкой. Применение цилиндрического капилляра усложняет оптическую схему [3].Known US patent US 5009503, which uses a microscope with a motorized two-coordinate table for counting microorganisms, on which there are cylindrical glass capillaries with an agarized nutrient medium with microbial cells or colonies. The capillaries are illuminated by a laser beam that is precisely guided by a system of moving mirrors along the axis of the capillary. When the table moves, the lens automatically focuses. A sensor or photomultiplier sequentially detects the light reflected from each cell. This system is notable for its complexity, high cost, low scanning speed, long and laborious sample preparation. The use of a cylindrical capillary complicates the optical scheme [3].
В международной заявке № WO 9702482 для подсчета клеток лейкоцитов, окрашенных флуоресцентным красителем, интерколярно присоединенным к ДНК или РНК, помещают подготовленную пробу в стеклянный или акриловый капилляр прямоугольного сечения с внутренним сечением 200-400 мкм на 1-3 мм и длиной, точно обеспечивающей необходимый объем пробы. Пробу освещают сфокусированным лазерным лучом, капилляр сканируют в двух направлениях и последовательно регистрируют с помощью фотоумножителя флуоресценцию от отдельных клеток [4].In the international application No. WO 9702482 for counting leukocyte cells stained with a fluorescent dye interlinked to DNA or RNA, the prepared sample is placed in a glass or acrylic capillary of rectangular cross section with an internal cross section of 200-400 μm by 1-3 mm and a length that precisely provides the necessary sample volume. The sample is illuminated with a focused laser beam, the capillary is scanned in two directions, and fluorescence from individual cells is successively recorded using a photomultiplier [4].
Недостатком описанного способа и устройства является сканирование капилляра в двух направлениях, а также необходимость его точного позиционирования по отношению к объективу. Эта конструктивная особенность, а также применение лазера удорожает устройство.The disadvantage of the described method and device is the scanning of the capillary in two directions, as well as the need for its accurate positioning in relation to the lens. This design feature, as well as the use of a laser, makes the device more expensive.
Известны разнообразные электронные схемы для регистрации флуоресцентного излучения, использующие амплитудный метод. Например, в проточном цитометре, описанном в патенте Японии № JPH 046440, свет от движущейся окрашенной частицы, попадающей в освещенную лазером область, регистрируется последовательно несколько раз, каждый раз в новой ячейке фотоприемника, выполненного в виде линейки ПЗС. Запись в ячейки тактируется с генератора. Суммарный заряд, накопленный в фотоприемнике, фиксируется как сигнал от одной клетки, причем специальная схема следит за тем, чтобы сигнал от разных клеток не смешивался [5].A variety of electronic circuits are known for detecting fluorescence radiation using the amplitude method. For example, in a flow cytometer described in Japanese Patent No. JPH 046440, light from a moving colored particle falling into the laser-illuminated region is detected several times in succession, each time in a new photodetector cell made in the form of a CCD line. Writing to cells is clocked from the generator. The total charge accumulated in the photodetector is recorded as a signal from one cell, and a special circuit ensures that the signal from different cells is not mixed [5].
Известен проточный цитометр, описанный в патенте США №8415627, который предназначен для анализа широкого круга объектов, таких как белки, клетки, ДНК, РНК или ферменты [6]. Устройство может одновременно работать на нескольких частотах возбуждающего сигнала и различать одновременно два или более различных биологических веществ. Схема возбуждения источника света, в качестве которого используется лазер, может иметь несколько источников излучения с разными частотами. Кроме того, схема управления лазером имеет три генератора, один из которых является тактовым, другой генератор определяет частоту модуляции, третий генератор генерирует опорный сигнал для определения времени релаксации флуоресценции. При этом сигнал модуляции и опорный сигнал синхронизированы друг с другом. Блок обработки сигналов извлекает информацию о фазовой задержке флуоресценции и принимает сигнал, который получают из бокового рассеянного света. При этом такую обработку ведут в разных каналах обработки сигналов на разных диапазонах волн. Для увеличения точности определения времени релаксации флуоресценции частота сигнала модуляции отличается от частоты опорного сигнала, и анализирующее устройство дополнительно содержит устройства преобразования вещественной и мнимой части сигнала, а анализ требует оцифровки этих данных и их хранения в анализирующем устройстве. Сложная схема преобразования сигналов вызвана задачей одновременной идентификации нескольких типов биологических объектов.Known flow cytometer described in US patent No. 8415627, which is designed to analyze a wide range of objects, such as proteins, cells, DNA, RNA or enzymes [6]. The device can simultaneously operate at several frequencies of the exciting signal and distinguish simultaneously two or more different biological substances. The excitation circuit of a light source, which is used as a laser, can have several radiation sources with different frequencies. In addition, the laser control circuit has three oscillators, one of which is a clock, the other oscillator determines the modulation frequency, and the third oscillator generates a reference signal to determine the fluorescence relaxation time. In this case, the modulation signal and the reference signal are synchronized with each other. The signal processing unit extracts information about the phase delay of fluorescence and receives a signal that is obtained from the side scattered light. Moreover, such processing is carried out in different signal processing channels on different wave ranges. To increase the accuracy of determining the fluorescence relaxation time, the frequency of the modulation signal differs from the frequency of the reference signal, and the analyzing device additionally contains devices for converting the real and imaginary parts of the signal, and the analysis requires digitization of these data and their storage in the analyzing device. A complex signal conversion scheme is caused by the task of simultaneously identifying several types of biological objects.
Существует потребность разработки более простых переносных компактных цитометров для задач быстрого обнаружения одного из разных типов биологических объектов в окружающей среде или в местах нахождения людей, например местах общего пользования (больницы, метро, спортивные сооружения, магазины и т.д.). Для этой цели более эффективно могут быть использованы портативные цитометры с малым токопотреблением, простотой подготовки пробы, малыми габаритами и весом и с возможностью передачи данных через сеть интернета или мобильную связь с базами данных, в которые включают результаты сканирования множества удаленных друг от друга объектов, с тем, чтобы определить степень заражения водоемов, или воздуха, или жилых и других помещений. Малые габариты и вес, простота и прочность конструкции и применение капилляра в приборе позволяют использовать его в биологических исследованиях в условиях космоса. Для создания малогабаритных сканирующих цитометров крайне необходимо использовать новые технические решения, позволяющие повысить точность и воспроизводимость измерений.There is a need to develop simpler portable compact cytometers for the tasks of quickly detecting one of different types of biological objects in the environment or in places where people are located, such as public places (hospitals, metro, sports facilities, shops, etc.). For this purpose, portable cytometers with low current consumption, simplicity of sample preparation, small dimensions and weight and with the ability to transfer data via the Internet or mobile communications with databases, which include the results of scanning multiple objects from each other, can be used more effectively. in order to determine the degree of infection of water bodies, or air, or residential and other premises. Small dimensions and weight, simplicity and structural strength and the use of a capillary in the device allow it to be used in biological research in space. To create small-sized scanning cytometers, it is imperative to use new technical solutions to improve the accuracy and reproducibility of measurements.
Технической задачей данного изобретения является расширение арсенала цитометров с высокой точностью, малыми габаритами, высокой мобильностью и простотой получения результатов для получения большого массива данных в исследуемом регионе.The technical task of this invention is to expand the arsenal of cytometers with high accuracy, small dimensions, high mobility and ease of obtaining results to obtain a large data array in the study region.
Другой технической задачей является увеличение соотношения сигнал/шум, что приводит к увеличению динамического диапазона и разрешающей способности устройства.Another technical problem is to increase the signal-to-noise ratio, which leads to an increase in the dynamic range and resolution of the device.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Одним из аспектов изобретения является способ подсчета биологических объектов в пробе, который содержит: предварительный отбор образцов с биологическими объектами, смешение с флуоресцентным красителем и инкубацию, освещение рабочей зоны с исследуемым объектом для формирования флуоресцентного свечения исследуемых объектов, разделение световых потоков, их детектирование, обработку и анализ количества обнаруженных биологических частиц. При этом раствор с биологическими объектами помещают в прямоугольный капилляр, выполненный с возможностью отражения сигнала флуоресценции от верхней поверхности прямоугольного капилляра. Дополнительный сбор сигнала флуоресценции обеспечивают с помощью параболического отражателя, в фокусе которого устанавливают исследуемую зону капилляра. Смену исследуемых зон с биологическими объектами осуществляют за счет перемещения капилляра вдоль его оси. Детектируемый световой поток разделяют по длине волны и направляют на первый и второй фотоумножители, выходные сигналы которых пропорциональны падающему световому потоку и сигналу флуоресценции. Сигналы поступают на амплитудный и фазовый преобразователи для одновременной обработки и последующего перемножения массивов данных, полученных с амплитудного и фазового преобразователей сигналов. Данные предварительно собирают, оцифровывают и помещают в память микропроцессора, при этом перед запуском основного алгоритма обработки проводят калибровку, при которой распознают сигнал от единичных биологических объектов и фиксируют интервал, на котором происходит регистрация единичных объектов, а число объектов определяют как сумму сигналов на интервале.One of the aspects of the invention is a method for counting biological objects in a sample, which comprises: preliminary selection of samples with biological objects, mixing with a fluorescent dye and incubation, illumination of the working area with the studied object to form a fluorescent glow of the studied objects, separation of light fluxes, their detection, processing and analysis of the number of detected biological particles. The solution with biological objects is placed in a rectangular capillary configured to reflect the fluorescence signal from the upper surface of the rectangular capillary. An additional collection of the fluorescence signal is provided using a parabolic reflector, in the focus of which the studied area of the capillary is set. The change of the studied zones with biological objects is carried out by moving the capillary along its axis. The detected light flux is separated by the wavelength and sent to the first and second photomultipliers, the output signals of which are proportional to the incident light flux and the fluorescence signal. The signals are fed to the amplitude and phase converters for the simultaneous processing and subsequent multiplication of the data arrays obtained from the amplitude and phase signal converters. The data are pre-collected, digitized and stored in the microprocessor memory, while before starting the main processing algorithm, a calibration is carried out at which the signal from individual biological objects is recognized and the interval is recorded at which individual objects are recorded, and the number of objects is determined as the sum of signals in the interval.
К другому аспекту изобретения относится устройство для измерения количества биологических объектов в пробе. Устройство содержит: узел формирования светового потока, в который входит источник света и оптические элементы для формирования узкого светового потока, узел крепления капилляра с исследуемым объектом, узел детектирования, электронный узел преобразования сигналов, микропроцессор, дисплей, модулятор. При этом узел крепления капилляра содержит параболический отражатель, снабженный прямоугольным вырезом, в который устанавливают прямоугольный капилляр с исследуемым образцом, с возможностью перемещения рабочих зон капилляра относительно светового потока с помощью шагового двигателя. Верхняя поверхность капилляра имеет зеркальное покрытие, отражающее сигнал флуоресценции на вход узла детектирования. Узел детектирования содержит оптическую часть, в которую входят первый и второй светоделители, полосовые оптические фильтры, первый и второй фотоумножители, выходы которых подключены ко входам электронного узла. Электронный узел содержит амплитудный и фазовый преобразователи и первый и второй АЦП, при этом входы амплитудного и фазового преобразователей подключены к выходам первого и второго фотоумножителей, выходы преобразователей подключены ко входам первого и второго АЦП, выходы которых подключены к микропроцессору. Микропроцессор обеспечивает возможность обработки массива данных, управление модулятором и вывод данных на дисплей.Another aspect of the invention relates to a device for measuring the number of biological objects in a sample. The device comprises: a light flux forming unit, which includes a light source and optical elements for forming a narrow light flux, a capillary attachment unit with an object to be studied, a detection unit, an electronic signal conversion unit, a microprocessor, a display, a modulator. At the same time, the capillary attachment unit contains a parabolic reflector equipped with a rectangular cutout, into which a rectangular capillary with a test sample is mounted, with the possibility of moving the working zones of the capillary relative to the light flux using a stepper motor. The upper surface of the capillary has a mirror coating that reflects the fluorescence signal at the input of the detection unit. The detection unit contains an optical part, which includes the first and second beam splitters, band-pass optical filters, the first and second photomultipliers, the outputs of which are connected to the inputs of the electronic node. The electronic unit contains amplitude and phase converters and the first and second ADCs, while the inputs of the amplitude and phase converters are connected to the outputs of the first and second photomultipliers, the outputs of the converters are connected to the inputs of the first and second ADCs, the outputs of which are connected to the microprocessor. The microprocessor provides the ability to process the data array, control the modulator and display data.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1. Структурная схема формирования светового потока и его передачи на узел крепления капилляра.Figure 1. Structural diagram of the formation of the light flux and its transmission to the capillary mount.
Фиг.2. Вид сечения параболического отражателя и капилляра.Figure 2. Section view of a parabolic reflector and capillary.
Фиг.3. Структурная схема, поясняющая разделение светового потока.Figure 3. Structural diagram explaining the separation of the light flux.
Фиг.4. Структурная схема электронного узла и его связь с микропроцессором, дисплеем, модулятором и узлом перемещения капилляра.Figure 4. The block diagram of the electronic unit and its connection with the microprocessor, display, modulator and capillary movement unit.
Описание изобретенияDescription of the invention
В рассматриваемом способе обнаружения биологических объектов, таких как микроорганизмы, клетки, вирусы, белки, ферменты, РНК, ДНК, точность измерения количества объектов повышают за счет синергетического воздействия аппаратных и программных решений. При этом на аппаратном уровне используют капилляры с возможностью усиления сигнала флуоресценции не менее чем в 1,5-2 раза. На программном уровне осуществляют обработку сигналов от амплитудного и фазового преобразователей и увеличивают отношение сигнал/шум за счет перемножения массивов данных, полученных с амплитудного и фазового преобразователей, предварительно собранных, оцифрованных и помещенных в память микропроцессора.In the considered method of detecting biological objects, such as microorganisms, cells, viruses, proteins, enzymes, RNA, DNA, the accuracy of measuring the number of objects is increased due to the synergistic effect of hardware and software solutions. At the same time, capillaries are used at the hardware level with the possibility of amplifying the fluorescence signal by at least 1.5-2 times. At the software level, the signals from the amplitude and phase converters are processed and the signal-to-noise ratio is increased by multiplying the data arrays obtained from the amplitude and phase converters previously collected, digitized, and stored in the microprocessor memory.
Этапы способа включают в себя следующие стадии. Предварительно отбирают биологический образец, например, содержащий микробные клетки, в пробирку и после добавления флуоресцентного красителя перемешивают и инкубируют раствор. Отбирают часть инкубационного раствора в капилляр, который выполнен с возможностью отражения флуоресцентного сигнала, и устанавливают его на узел перемещения с возможностью последовательного освещения рабочих зон капилляра. Для освещения капилляра формируют узкий световой луч, для чего световой поток от источника света фокусируют коллиматорной линзой в параллельный пучок и пропускают через многослойный полосовой оптический фильтр. Далее с помощью щелевой диафрагмы формируют узкий луч, падающий на капилляр с образцом, вызывая флуоресцентное свечение окрашенных красителем клеток. При этом флуоресцентное излучение собирают на входном окне второго фотоумножителя, при этом флуоресцентный сигнал формируется за счет синергетического действия отражающей поверхности размещенной на верхней стороне поверхности прямоугольного капилляра и отражающей поверхности параболического зеркала.The steps of the method include the following steps. A biological sample, for example, containing microbial cells, is preliminarily taken into a test tube and, after the addition of a fluorescent dye, the solution is mixed and incubated. A part of the incubation solution is taken into the capillary, which is configured to reflect the fluorescent signal, and set it on the displacement unit with the possibility of sequential illumination of the working areas of the capillary. To illuminate the capillary, a narrow light beam is formed, for which the light flux from the light source is focused by a collimator lens into a parallel beam and passed through a multilayer band-pass optical filter. Then, using a slit diaphragm, a narrow beam is formed, incident on the capillary with the sample, causing a fluorescent glow of dye-stained cells. In this case, fluorescence radiation is collected at the input window of the second photomultiplier, while the fluorescence signal is formed due to the synergistic action of the reflecting surface located on the upper side of the surface of the rectangular capillary and the reflecting surface of the parabolic mirror.
Параллельный пучок света на выходе параболического зеркала фокусируют коллиматорными линзами в параллельный пучок света и подают через светоделители на два фотоумножителя. При этом свет, попадающий на первый фотоумножитель, предварительно пропускают через селективный светоделитель, выполненный в виде плоского зеркала, и далее свет проходит через полосовой оптический фильтр, пропускающий только световой поток от источника света и не пропускающий флуоресцентное свечение, что вызывает появление на выходе первого фотоумножителя сигнала амплитуды, пропорционального световому потоку (далее опорный сигнал). Дополнительно используют второй светоделитель и второй оптический фильтр, пропускающий только флуоресцентное свечение на вход второго фотоумножителя, с выхода которого снимают полезный сигнал о флуоресценции биологических объектов.A parallel light beam at the output of a parabolic mirror is focused by collimator lenses into a parallel light beam and fed through two beam splitters to two photomultipliers. In this case, the light incident on the first photomultiplier is preliminarily transmitted through a selective beam splitter made in the form of a flat mirror, and then the light passes through a band-pass optical filter that transmits only the light flux from the light source and does not pass the fluorescent glow, which causes the appearance of the first photomultiplier amplitude signal proportional to the luminous flux (hereinafter reference signal). Additionally, a second beam splitter and a second optical filter are used, passing only the fluorescence to the input of the second photomultiplier, from the output of which a useful signal about the fluorescence of biological objects is removed.
Полезный сигнал и опорный сигнал с выходов фотоумножителей подают на входы амплитудного и фазового преобразователей сигналов и через аналого-цифровые преобразователи данные поступают в память микропроцессора, в котором на программном уровне осуществляют обработку сигналов от амплитудного и фазового преобразователей. При этом увеличивают отношение сигнал/шум за счет перемножения массивов данных, полученных с амплитудного и фазового преобразователей.The useful signal and the reference signal from the outputs of the photomultipliers are fed to the inputs of the amplitude and phase signal converters and, through analog-to-digital converters, the data are transferred to the microprocessor memory, in which the signals from the amplitude and phase converters are processed at the software level. At the same time, the signal-to-noise ratio is increased due to the multiplication of data arrays obtained from the amplitude and phase converters.
Устройство для измерения количества биологических объектов в пробе, выполненное для реализации способа, содержит:A device for measuring the number of biological objects in a sample, made to implement the method, contains:
узел формирования светового потока, в который входит: источник света 1, коллиматорная линза 2, первый полосовой оптический фильтр 3, щелевая диафрагма 4, цилиндрическая линза 5;a light flux forming unit, which includes: a light source 1, a collimator lens 2, a first band-pass optical filter 3, a slit diaphragm 4, a cylindrical lens 5;
узел крепления капилляра 26, который содержит: параболический отражатель 7, снабженный прямоугольным вырезом 8, в который устанавливают капилляр 6 с образцом, предметный столик 21 для перемещения капилляра 6 с помощью шагового двигателя 22;a
узел детектирования, который содержит: оптическую часть, в которую входят первый и второй светоделители, выполненные в виде плоских зеркал 10 и 13, полосовые оптические фильтры 11 и 14, первый и второй фотоумножители 9 и 12;detection unit, which contains: the optical part, which includes the first and second beam splitters, made in the form of
электронный узел, который содержит: амплитудный 15 и фазовый 16 каналы, первый и второй АЦП 17 и 18, микропроцессор 19, дисплей 20, модулятор 23.an electronic node that contains:
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
В пробирку с объемом не менее 100 мкл, содержащую микробные клетки в количестве от 101 до 108 в мл, добавляют флуоресцентный краситель, например SYTO 9 фирмы Invitrogen, присоединяемый к нуклеиновым кислотам. Смесь перемешивают вручную или в мешалке и инкубируют в течение 1-30 мин при температуре от 15 до 25°C, затем отбирают часть образца жидкости с красителем в капилляр в количестве 20-200 мкл для последующего сканирования капилляра с отобранным образцом. Для сканирования формируют узкий световой поток и регистрируют интенсивность флуоресцентного свечения и подсчитывают по формуле количество микробных клеток.In a test tube with a volume of at least 100 μl containing microbial cells in an amount of 10 1 to 10 8 per ml, a fluorescent dye, for example,
Для формирования светового потока используют свет источника от лампы, светодиода или лазера с длиной волны от 200 до 780 нм. Световой поток фокусируют коллиматорной линзой 2 в параллельный пучок диаметром 1-3 мм, и далее световой поток пропускают через оптический фильтр 3, затем с помощью щелевой диафрагмы 4 шириной 5-20 мкм формируют узкий луч, который затем дополнительно фокусируется для компенсации дифракционного расширения луча цилиндрической линзой 5 с фокусным расстоянием от 1 до 3 мм.To form the luminous flux, the source light from a lamp, LED or laser with a wavelength of 200 to 780 nm is used. The luminous flux is focused by a collimator lens 2 into a parallel beam with a diameter of 1-3 mm, and then the luminous flux is passed through an optical filter 3, then a narrow beam is formed using a slit diaphragm 4 with a width of 5-20 μm, which is then further focused to compensate for the diffraction expansion of the cylindrical beam lens 5 with a focal length of 1 to 3 mm.
Узкий луч света падает на прямоугольный капилляр с образцом 6, выполненный из кварцевого или силикатного стекла с высотой отверстия от 1 мм до 1,5 мм и шириной от 0,5 мм до 1 мм, длиной 30-150 мм и толщиной стенки от 0,1 мм до 1 мм. Световой поток источника вызывает свечение окрашенных флуоресцентным красителем биологических частиц или клеток, находящихся в образце. Капилляр находится в фокусе параболического отражателя 7 с прямоугольным вырезом 8, предназначенным для установки капилляра внутри отражателя.A narrow beam of light falls on a rectangular capillary with
Для увеличения количества собираемого света флуоресценции верхняя стенка капилляра имеет зеркальное покрытие 25, например, в виде пленки алюминия, нанесенного методом вакуумного напыления.To increase the amount of fluorescence light collected, the upper wall of the capillary has a
Параллельный пучок света на выходе параболического отражателя диаметром 7-20 мм фокусируется коллиматорными линзами 27 в параллельный пучок света диаметром 1-5 мм на входных окнах двух фотоумножителей.A parallel light beam at the output of a parabolic reflector with a diameter of 7-20 mm is focused by
Свет, попадающий на первый фотоумножитель 9, предварительно пропускается через селективный светоделитель в виде плоского зеркала 10, расположенного под углом 45 градусов к направлению луча, и полосовой оптический фильтр 11, пропускающий только свечение источника в диапазоне от 200 до 780 нм и не пропускающий флуоресцентное свечение, и вызывает появление на выходе первого фотоумножителя опорного сигнала.The light incident on the
Свет, попадающий на второй фотоумножитель 12, предварительно пропускается через два светоделителя, выполненных в виде плоских зеркал 10 и 13, и полосовой оптический фильтр 14, пропускающий только флуоресцентное свечение в диапазоне от 390 до 810 нм и не пропускающий свет источника, вызывает появление на выходе второго фотоумножителя полезного сигнала флуоресценции.The light incident on the
Опорный и полезный сигналы с выходов первого и второго фотоумножителей 9 и 12 подаются на входы электронного узла.The reference and useful signals from the outputs of the first and
Повышение разрешающей способности позволяет уменьшить вероятность ошибки при подсчете клеток, например, при одновременной регистрации в диапазоне от 1 до 10 клеток. Для реализации технической задачи электронная схема устройства имеет амплитудный 15 и фазовый 16 преобразователи сигналов.Increasing the resolution allows to reduce the likelihood of errors in cell counting, for example, while registering in the range from 1 to 10 cells. To implement the technical task, the electronic circuit of the device has an
На входы амплитудного преобразователя поступают сигналы с выходов первого и второго фотоумножителей 9 и 12. Амплитудный преобразователь формирует сигнал, пропорциональный отношению полезного сигнала флуоресценции и опорного сигнала.The inputs of the amplitude converter receive signals from the outputs of the first and
Фазовый преобразователь формирует сигнал, пропорциональный разности фаз модулированных сигналов флуоресценции и опорного сигнала.The phase converter generates a signal proportional to the phase difference of the modulated fluorescence signals and the reference signal.
Работа фазового преобразователя происходит следующим образом [7]. На вход подаются опорный и полезный сигналы с выходов первого и второго фотоумножителей 9 и 12, которые перемножаются, и затем результирующий сигнал пропускается через низкочастотный фильтр. На выходе детектора остается постоянная составляющая, пропорциональная фазовому сдвигу входных сигналов. При синусоидальной форме опорного и полезного сигналов работу фазового детектора можно проиллюстрировать следующим образом:The operation of the phase Converter occurs as follows [7]. The reference and useful signals from the outputs of the first and
Видно, что выходной сигнал фазового детектора не зависит от частоты модуляции опорного сигнала. При отсутствии сдвига фазы между опорным и полезным сигналом выходной сигнал равен 0. При наличии сдвига фаз между сигналами на входе детектора выходной сигнал имеет постоянное значение, пропорциональное этому сдвигу.It can be seen that the output signal of the phase detector is independent of the modulation frequency of the reference signal. If there is no phase shift between the reference and the useful signal, the output signal is 0. If there is a phase shift between the signals at the detector input, the output signal has a constant value proportional to this shift.
Однако выходной сигнал зависит еще и от амплитуды опорного сигнала, что приводит к усилению шума на выходе фазового детектора. Например, случайное увеличение напряжения на источнике света приведет к увеличению опорного и полезного сигналов, так как при этом увеличивается яркость источника света и освещенность окрашенных клеток, что в свою очередь вызывает увеличение флуоресцентного свечения клеток. Амплитуды опорного и полезного сигналов увеличатся и мультипликативно увеличат выходной сигнал фазового детектора.However, the output signal also depends on the amplitude of the reference signal, which leads to increased noise at the output of the phase detector. For example, a random increase in voltage at the light source will lead to an increase in the reference and useful signals, since this increases the brightness of the light source and the illumination of stained cells, which in turn causes an increase in the fluorescence of the cells. The amplitudes of the reference and useful signals will increase and multiplicatively increase the output signal of the phase detector.
Наличие амплитудного преобразователя, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный отношению опорного и полезного сигналов, позволяет скомпенсировать шум в опорном канале. Для этого в алгоритме работы прибора предусмотрена операция перемножения массивов данных с амплитудного и фазового каналов, предварительно собранных, оцифрованных и помещенных в память микропроцессора. Из формул видно, что при этом не только исчезает зависимость выходного сигнала от опорного сигнала, но и квадратично увеличивается его зависимость от амплитуды полезного сигнала. Все это приводит к увеличению соотношения сигнал/шум и разрешению детектора, что позволяет более точно подсчитывать количество одновременно детектируемых клеток:The presence of an amplitude converter, at the output of which a signal is generated proportional to the ratio of the reference and useful signals, allows you to compensate for noise in the reference channel. To do this, the operation algorithm of the device provides for the operation of multiplying data arrays from the amplitude and phase channels previously collected, digitized and stored in the microprocessor's memory. It can be seen from the formulas that in this case, not only does the dependence of the output signal on the reference signal disappear, but its dependence on the amplitude of the useful signal also quadratically increases. All this leads to an increase in the signal-to-noise ratio and the resolution of the detector, which allows more accurate calculation of the number of simultaneously detected cells:
Свет от источника 1 имеет амплитудную модуляцию, которую обеспечивает модулятор 23, под управлением микропроцессора 19. Частота модуляции составляет от 3 до 30 МГц. Коэффициент модуляции от 0,1 до 0,7. Флуоресцентное свечение при этом также приобретает амплитудную модуляцию. Флуоресцентное свечение возникает не сразу после попадания на флуорохром света, а с некоторым запаздыванием (для SYTO 9 запаздывание составляет около 6 нс), поэтому фаза сигнала регистрации отстает от фазы сигнала засветки. Таким образом, появление флуоресценции приводит к изменению сигналов на выходах амплитудного и фазового преобразователей.The light from the source 1 has amplitude modulation, which is provided by the
Сигналы амплитудного и фазового преобразователя цифруются с помощью двух АЦП 17 и 18 и поступают на входы микропроцессора 19. Результаты обработки массива данных отображаются на дисплее 20.The signals of the amplitude and phase converter are digitized using two
Капилляр с исследуемым образцом закрепляют на однокоординатном столике 21, который приводится в движение шаговым двигателем 22. Таким образом, осуществляется поступательное движение капилляра с шагом 0,5-5 мкм перед щелевой диафрагмой 4, в результате которого луч от источника последовательно сканирует всю рабочую зону капилляра 6.The capillary with the test sample is fixed on a single-coordinate table 21, which is driven by a
Определение количества клеток производится по следующему алгоритму.The determination of the number of cells is performed according to the following algorithm.
Координатный стол устанавливается в крайнее положение, затем осуществляется поступательное движение стола с выбранным шагом и количеством шагов (n), причем на каждом шаге (i) происходит измерение флуоресценции, при этом в память микропроцессора записывается и . После полного прохождения капилляра в памяти микропроцессора формируются одномерные массивы сигналов и длиной k. Затем происходит поэлементное перемножение этих массивов и формируется массив Uвых. По данным этого массива осуществляется калибровка, которая заключается в распознавании сигналов от единичных клеток. При этом фиксируется интервал, на котором происходит регистрация единичной клетки (от j до j+m), и определяется сумма сигналов на этом интервале (e).The coordinate table is set to the extreme position, then the translational movement of the table is carried out with the selected step and number of steps (n), and at each step (i), fluorescence is measured, while the microprocessor is recorded in the memory and . After complete passage of the capillary, one-dimensional arrays of signals are formed in the microprocessor memory and length k. Then there is an elementwise multiplication of these arrays and an array of U out is formed . According to the data of this array, calibration is carried out, which consists in the recognition of signals from single cells. In this case, the interval at which a single cell is registered (from j to j + m) is fixed, and the sum of the signals in this interval (e) is determined.
Калибровка проходит успешно, если образец содержит не более 104-105 КОЕ/мл. Если калибровка выполнена успешно, то определяется количество клеток по следующей формуле:Calibration is successful if the sample contains no more than 10 4 -10 5 CFU / ml. If the calibration is successful, then the number of cells is determined by the following formula:
Если же образец содержит большую концентрацию клеток, прибор определяет необходимую степень разведения образца и выводит соответствующее сообщение об этом, после чего образец необходимо разбавить соответствующее число раз и запустить прибор еще раз с разбавленным образцом.If the sample contains a large concentration of cells, the device determines the required degree of dilution of the sample and displays the appropriate message about it, after which the sample must be diluted the appropriate number of times and run the device again with the diluted sample.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Сканирующий цитометр прост в обслуживании, имеет малые габариты и вес.The scanning cytometer is easy to maintain, has small dimensions and weight.
ЛитератураLiterature
1. STEINKAMP JOHN A. Phase-sensitive flow cytometer. US patent № US 5270548 (1993-12-14).1. STEINKAMP JOHN A. Phase-sensitive flow cytometer. US patent No. US 5270548 (1993-12-14).
2. AYLIFFE HAROLD E. FLUORESCENCE FLOW CYTOMETRY US patent applic. № US 2013327957 (2013-12-12).2. AYLIFFE HAROLD E. FLUORESCENCE FLOW CYTOMETRY US patent applic. No. US 2013327957 (2013-12-12).
3. MURPHY JR MARTIN J, STUBBS JACK B. Automated capillary scanning system. US 5009503 (1991-04-23).3. MURPHY JR MARTIN J, STUBBS JACK B. Automated capillary scanning system. US 5009503 (1991-04-23).
4. WOO SAM L BAER THOMAS M. VOLUMETRIC CELL QUANTIFICATION METHOD AND SYSTEM, PCT appl № WO9702482 (1997-01-23).4. WOO SAM L BAER THOMAS M. VOLUMETRIC CELL QUANTIFICATION METHOD AND SYSTEM, PCT appl No. WO9702482 (1997-01-23).
6. YAMAZAKIISAO, OKI HIROSHI PARTICLE ANALYZER. JP Patent № JPH 046440 (1992-01-10).6. YAMAZAKIISAO, OKI HIROSHI PARTICLE ANALYZER. JP Patent No. JPH 046440 (1992-01-10).
6. DOI KYOUJI, NAKADA SHIGEYUKI FLUORESCENCE DETECTION DEVICE USING INTENSITY-MODULATED LASER LIGHT AND FLUORESCENCE DETECTION METHOD. US Patent №8415627 (2013-04-09).6. DOI KYOUJI, NAKADA SHIGEYUKI FLUORESCENCE DETECTION DEVICE USING INTENSITY-MODULATED LASER LIGHT AND FLUORESCENCE DETECTION METHOD. US Patent No. 8415627 (2013-04-09).
7. I.N. Sinitsyn, P.V. Gorbunov THE EXPERIENCE IN THE DEVELOPING SUBOPTIMAL ALGORITHM OF ANALYSIS, MODELING AND INTERPRETING SIGNALS IN OUTER SCANNING ANALYZER OF MICROORGANISMS. The 11th International Conference on Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies (PRIA-11-2013). Samara, September 23-28, 2013. Conference Proceedings (Vol.I-II), Volume II, Samara: IPSI RAS, 2013. 410 p. (377-786 pp.).7. I.N. Sinitsyn, P.V. Gorbunov THE EXPERIENCE IN THE DEVELOPING SUBOPTIMAL ALGORITHM OF ANALYSIS, MODELING AND INTERPRETING SIGNALS IN OUTER SCANNING ANALYZER OF MICROORGANISMS. The 11th International Conference on Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies (PRIA-11-2013). Samara, September 23-28, 2013. Conference Proceedings (Vol.I-II), Volume II, Samara: IPSI RAS, 2013.410 p. (377-786 pp.).
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014109619/28A RU2569053C2 (en) | 2014-03-13 | 2014-03-13 | Scanning cytometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014109619/28A RU2569053C2 (en) | 2014-03-13 | 2014-03-13 | Scanning cytometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014109619A RU2014109619A (en) | 2015-09-20 |
RU2569053C2 true RU2569053C2 (en) | 2015-11-20 |
Family
ID=54147536
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014109619/28A RU2569053C2 (en) | 2014-03-13 | 2014-03-13 | Scanning cytometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2569053C2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2182329C2 (en) * | 2000-03-24 | 2002-05-10 | Институт аналитического приборостроения РАН | Fluorometry detector |
WO2011085465A1 (en) * | 2010-01-18 | 2011-07-21 | Institut National D'optique | Flow cytometry analysis across optical fiber |
US8415627B2 (en) * | 2008-09-19 | 2013-04-09 | Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd. | Fluorescence detection device using intensity-modulated laser light and fluorescence detection method |
-
2014
- 2014-03-13 RU RU2014109619/28A patent/RU2569053C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2182329C2 (en) * | 2000-03-24 | 2002-05-10 | Институт аналитического приборостроения РАН | Fluorometry detector |
US8415627B2 (en) * | 2008-09-19 | 2013-04-09 | Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd. | Fluorescence detection device using intensity-modulated laser light and fluorescence detection method |
WO2011085465A1 (en) * | 2010-01-18 | 2011-07-21 | Institut National D'optique | Flow cytometry analysis across optical fiber |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014109619A (en) | 2015-09-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11946851B2 (en) | Parallel flow cytometer using radiofrequency multiplexing | |
US9304122B2 (en) | Microfluidic-based flow analyzer | |
US20140339446A1 (en) | Scanning image flow cytometer | |
JPH04337446A (en) | Method and device for measuring fine grain and constant quantity method | |
EP0426829A1 (en) | High sensitivity fluorescent single particle and single molecule detection apparatus and method. | |
CN108426886B (en) | Method and system for detecting and identifying circulating tumor cells | |
CN103913444A (en) | Single-photon fluorescence excitation multi-channel quantitative determination device and detection method based on blue light optical tweezers | |
CN111208114A (en) | Detection method and device for surface enhanced Raman scattering/fluorescence combined SPR sensing | |
CN101865843A (en) | Device and method for detecting multi-component biomarkers | |
CN108463714A (en) | The emission lifetime measurement method and equipment of average life span for measuring excited electronic state | |
JP3984132B2 (en) | Fluorescence spectrometer | |
CN212321444U (en) | Detection device combining surface enhanced Raman scattering with SPR sensing | |
US20060134775A1 (en) | Systems, illumination subsystems, and methods for increasing fluorescence emitted by a fluorophore | |
KR101835815B1 (en) | Apparatus and method for measuring fluorescence lifetime | |
CN105388131A (en) | Fluorescence detection instrument and system based on micro-fluidic chip | |
EP3001183B1 (en) | Detection of analytes using nanoparticles as light scattering enhancers | |
CN108802008A (en) | A kind of method and apparatus detecting tumour cell in blood using stimlated Raman spectrum | |
RU2569053C2 (en) | Scanning cytometer | |
US20190353578A1 (en) | Quantum flow cytometer | |
CN207816824U (en) | Antigen detection device based on upper conversion nano particle marker and linear light source excitation | |
CN1349093A (en) | Multifunctional molecular radar | |
CN116519645A (en) | Single molecule detection circuit and detection method | |
RU133932U1 (en) | DEVICE FOR READING LUMINESCENT SIGNALS FROM THE BIOCHIP SURFACE | |
CN208872669U (en) | A kind of device using tumour cell in stimlated Raman spectrum detection blood | |
Yu et al. | Up-converting phosphor technology-based biosensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160314 |