WO2015012004A1 - 粒子分析装置及び粒子分析方法 - Google Patents

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Definitions

  • An optical detection method using flow cytometry is used to identify biologically relevant microparticles such as cells, microorganisms, and liposomes.
  • Flow cytometry irradiates particles that flow in a single line in a flow path with laser light of a specific wavelength, and detects fluorescence and scattered light emitted from each particle to detect one particle. It is an analysis method that identifies each one.
  • the particle analysis method includes a step of detecting a part of laser light emitted from a light source with a laser light detector, and detecting fluorescence or scattered light emitted from the particles irradiated with the laser light, or both. And a step of correcting the detection signals of the fluorescence and / or scattered light based on the detection result of the laser light detector by the signal processing unit.
  • the detection signal can be corrected in accordance with the output fluctuation of the laser light detector.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the particle analyzer of the present embodiment.
  • the particle analyzer according to this embodiment includes a light irradiation unit 1 that irradiates a laser beam 6 to a microparticle 3, and fluorescence 7 and scattered light 8 emitted from the microparticle 3 irradiated with the light.
  • a light detection unit 4 for detection and a signal processing unit 5 for processing a detection signal output from the light detection unit 4 are provided.
  • the light detection unit 4 detects fluorescence 7 and / or scattered light 8 emitted from the microparticles 3 irradiated with the laser light 6, for example, a fluorescence detector 41 and / or a scattered light detector 42.
  • a fluorescence detector 41 and / or a scattered light detector 42 Is provided.
  • a photomultiplier tube (PMT) or the like can be used for the fluorescence detector 41, and a photodiode or the like can be used for the scattered light detector 42.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of the particle analyzer of this modification.
  • the same components as those of the particle analyzer of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

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Abstract

 高周波重畳を行わずに、信頼性の高い検出データが得られる粒子分析装置及び粒子分析方法を提供する。 粒子分析装置を、流路内を通流する粒子にレーザ光を照射する光照射部と、レーザ光が照射された粒子から発せられた蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する光検出部と、光検出部から出力された蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を処理する信号処理部とを備えた構成とし、光照射部に、少なくとも、レーザを発生する光源と、光源から出射されたレーザ光の一部を検出するレーザ光検出器とを設け、信号処理部により、レーザ光検出器での検出結果に基づいて、蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を補正する。

Description

粒子分析装置及び粒子分析方法
 本技術は、粒子を光学的に検出する粒子分析装置及び粒子分析方法に関する。より詳しくは、光照射された粒子から発せられた蛍光や散乱光を検出する粒子分析装置及び粒子分析方法において検出精度を向上させる技術に関する。
 細胞、微生物及びリポソームなどの生体関連微小粒子の識別には、フローサイトメトリー(フローサイトメーター)を用いた光学的検出方法が利用されている。フローサイトメトリーは、流路内を1列になって通流する粒子に特定波長のレーザ光を照射し、各粒子から発せられた蛍光や散乱光を検出することで、複数の粒子を1個ずつ識別する分析手法である。
 一方、フローサイトメトリーでは、流路や粒子からの戻り光などの影響で、レーザの発振波長が数10μsオーダーで変動し、これによりレーザから出力される光量に変化が生じ、これがノイズとして検出される。このようなノイズは、一般に、「モードポップノイズ」と言われ、検出データのばらつきや信頼性低下の原因となる。
 フローサイトメトリーには、温度などの影響によるレーザ出力レベルの変動を防止するために、レーザ出力調整系(Auto Power Control:APC)が設けられている。しかしながら、APCによるフィードバック制御は、数msオーダーで行われており、数10μsオーダーで発生するモードポップノイズに対応することはできない。
 従来、モードポップノイズを低減し、レーザ出力を安定化させる方法として、高周波重畳の使用が提案されている(特許文献1参照)。例えば、特許文献1に記載の試料分析装置では、レーザダイオードに供給される直流電流に高周波成分を重畳させる高周波重畳回路を設け、レーザダイオードに供給された直流電流の大きさに応じて、直流電流に重畳される高周波の振幅を制御している。
特開2009-53020号公報
 しかしながら、高周波重畳を用いたレーザ出力安定化技術は、効果を高めるためには、レーザを高速点滅させる必要があり、その結果、ピーク出力が高くなって、最大出力定格が高いレーザの使用や、平均出力の低減などが必要となる。また、その場合、高周波重畳の振幅が大きくなるため、不要輻射も増加する。
 そこで、本開示は、高周波重畳を用いなくとも、信頼性の高い検出データを得ることが可能な粒子分析装置及び粒子分析方法を提供することを主目的とする。
 本開示に係る粒子分析装置は、流路内を通流する粒子にレーザ光を照射する光照射部と、前記レーザ光が照射された粒子から発せられた蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する光検出部と、前記光検出部から出力された蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を処理する信号処理部と、を有し、前記光照射部は、少なくとも、レーザを発生する光源と、前記光源から出射されたレーザ光の一部を検出するレーザ光検出器と、を備え、前記信号処理部は、前記レーザ光検出器での検出結果に基づいて、前記蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を補正する構成のものである。
 前記信号処理部は、前記レーザ光検出器の出力変動に応じて、前記検出信号を補正する構成とすることができる。
 その場合、前記信号処理部は、前記光検出部からの出力電圧に、前記レーザ光検出器の出力変動の大きさに応じて設定される値(Gain)を乗じることにより前記検出信号を補正する構成としてもよい。
 一方、前記光照射部には、前記レーザ光の一部を前記レーザ光検出器に向けて反射するビームスプリッターが設けられていてもよい。
 また、前記光照射部には、前記レーザ光検出器での検出結果に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の出力を調整する光源駆動制御部を設けることもできる。
 本開示に係る粒子分析方法は、光源から出射したレーザ光の一部をレーザ光検出器で検出する工程と、前記レーザ光が照射された粒子から発せられた蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する工程と、信号処理部により、前記レーザ光検出器での検出結果に基づいて、前記蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を補正する工程と、を有する。
 前記検出信号を補正する工程では、前記レーザ光検出器の出力変動に応じて、前記検出信号を補正することができる。
 その場合、前記検出信号を補正する工程において、前記蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する工程で得た出力電圧に、前記レーザ光検出器の出力変動の大きさに応じて設定される値(Gain)を乗じることにより前記検出信号を補正してもよい。
 本開示によれば、高周波重畳を用いずに、信頼性の高い検出データを得ることができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本開示の第1の実施形態の粒子分析装置の構成を模式的に示す図である。 Aはレーザ光検出器の出力変動を示す図であり、Bは従来の粒子分析装置の光検出部からの出力信号を示す図である。 Aはレーザ光検出器の出力変動を示す図であり、Bは本実施形態の粒子分析装置の光検出部からの出力信号を示す図である。 本開示の第1の実施形態の変形例の粒子分析装置の構成を模式的に示す図である。
 以下、本開示を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す各実施形態に限定されるものではない。また、説明は、以下の順序で行う。
 
 1.第1の実施形態
 (レーザ光検出器での検出結果に基づいて検出信号を補正する粒子分析装置の例)
 2.第1の実施形態の変形例
 (レーザ光検出器が光源駆動制御部に設けられている粒子分析装置の例)
 
<1.第1の実施形態>
[装置の全体構成]
 先ず、本開示の第1の実施形態の粒子分析装置について、流路内を通流する微小粒子を検出する場合を例にして説明する。図1は本実施形態の粒子分析装置の構成を模式的に示す図である。図1に示すように、本実施形態の粒子分析装置は、微小粒子3にレーザ光6を照射する光照射部1と、光照射された微小粒子3から発せられた蛍光7や散乱光8を検出する光検出部4と、光検出部4から出力された検出信号を処理する信号処理部5を備えている。
[光照射部1]
 光照射部1には、レーザ光6を発生するレーザ11、レーザ光6を微小粒子3に向けて集光するレンズ14が設けられている。また、光照射部1には、レーザ光6を検出するレーザ光検出器12が設けられており、レーザ11から出射されたレーザ光6の一部が、例えばビームスプリッター13などによって反射されて、レーザ光検出器12に入射する構成となっている。ここで、レーザ光検出器12は、数10μsオーダーで発生するレーザ光6の出力変動を検出可能なものであればよく、フォトダイオードなどを使用することができる。
[マイクロチップ2]
 マイクロチップ2には、微小粒子3が通流可能な流路21が設けられており、流路21内に、例えば検出対象の微小粒子3を含むサンプル液が導入される。このマイクロチップ2は、ガラスや各種プラスチック(PP,PC,COP、PDMSなど)により形成することができる。マイクロチップ2の材質は、特に限定されるものではないが、光照射部1から照射されるレーザ光6に対して透過性を有し、光学誤差が少ない材質とすることが望ましい。
 マイクロチップ2の成形は、ガラス製基板のウェットエッチングやドライエッチングによって、またプラスチック製基板のナノインプリントや射出成型、機械加工によって行うことができる。そして、流路21などを成形した基板を、同じ材質又は異なる材質の基板で封止することでマイクロチップ2を形成することができる。
[微小粒子3]
 本実施形態の粒子分析装置で検出される「微小粒子3」には、細胞、微生物及びリボゾームなどの生体関連微小粒子、又はラテックス粒子、ゲル粒子及び工業用粒子などの合成粒子などが広く含まれる。
 生体関連微小粒子には、各種細胞を構成する染色体、リボゾーム、ミトコンドリア、オルガネラ(細胞小器官)などが含まれる。また、細胞には、植物細胞、動物細胞及び血球系細胞などが含まれる。更に、微生物には、大腸菌などの細菌類、タバコモザイクウイルスなどのウイルス類、イースト菌などの菌類などが含まれる。この生体関連微小粒子には、核酸や蛋白質、これらの複合体などの生体関連高分子も包含され得るものとする。
 工業用粒子としては、有機高分子材料、無機材料又は金属材料などで形成されたものが挙げられる。有機高分子材料としては、ポリスチレン、スチレン・ジビニルベンゼン、ポリメチルメタクリレートなどを使用することができる。また、無機材料としては、ガラス、シリカ及び磁性材料などを使用することができる。金属材料としては、例えば金コロイド及びアルミニウムなどを使用することができる。なお、これら微小粒子の形状は、一般には球形であるが、非球形であってもよく、また大きさや質量なども特に限定されない。
[光検出部4]
 光検出部4は、レーザ光6が照射された微小粒子3から発せられる蛍光7若しくは散乱光8又はその両方を検出するものであり、例えば蛍光検出器41若しくは散乱光検出器42又はその両方が設けられている。ここで、蛍光検出器41には光電子増倍管(Photomultiplier Tube:PMT)などを使用することができ、散乱光検出器42にはフォトダイオードなどを使用することができる。
 また、光検出部4は、ダイクロイックミラー44により、微小粒子3から発せられ、光検出部4に入射した光から蛍光7及び散乱光8を分離し、それぞれ蛍光検出器41及び散乱光検出器42に入射させる構成とすることができる。その際使用するダイクロイックミラー44としては、例えば蛍光7を透過し、散乱光8を反射するものを使用することができる。
 更に、光検出部4には、励起光であるレーザ光6などの蛍光7及び散乱光8以外の光成分(0次光9)を遮断する0次光除去部材43が設けられていてもよい。この0次光除去部材43としては、マスクや特定光を選択的に遮断する光学フィルタなどを使用することができるが、これらに限定されるものではなく、0次光9を遮断可能な光学部材であればよい。また、0次光除去部材43を配置する位置も特に限定されるものではなく、蛍光検出器41及び散乱光検出器42の手前であればよい。
[信号処理部5]
 信号処理部5は、レーザ光検出器12での検出結果に基づいて、蛍光7若しくは散乱光8又はその両方の検出信号を補正するものであり、検出される光に対応して蛍光信号処理部5aや散乱光信号処理部5bなどを備えている。前述したように、高周波重畳を行わない場合、戻り光10によりレーザ11の出力にレベル変動が生じ、波形が乱れることがある。この乱れは、微小粒子3からの蛍光7や散乱光8に由来する信号にも影響を与える。
 そこで、本実施形態の粒子分析装置では、レーザ光検出器12の出力変動に応じて、蛍光信号処理部5aにおいて蛍光7の検出信号を補正すると共に、散乱光信号処理部5bにおいて散乱光8の検出信号を補正する。ここで、各検出信号の補正方法は、特に限定されるものではないが、例えば、光検出部4からの出力電圧に、レーザ光検出器12の出力変動の大きさに応じて設定される値(Gain)を乗じることにより蛍光7や散乱光8検出信号を補正することができる。
 また、Gainは、例えば、下記数式1に示すように、任意の時間の出力電圧を基準電圧Vstdを、この時間以降の出力電圧Voutで割った値とすることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
[動作]
 次に、本実施形態の粒子分析装置の動作、即ち、本実施形態の粒子分析装置を使用して微小粒子3を分析する方法について説明する。本実施形態の粒子分析装置では、マイクロチップ2に設けられた流路21内に、例えば検出対象の微小粒子3を含むサンプル液を導入する。そして、レーザ11から出射したレーザ光6をレンズ14などで集光して、マイクロチップ2の流路21内を通流する微小粒子3に照射する。
 このとき、ビームスプリッター13などにより、レーザ11から出射されるレーザ光6の一部を分離し、レーザ光検出器12に入射させる。レーザ光検出器12は、分離されたレーザ光6の強度を検出し、その結果を信号処理部5に出力する。
 また、レーザ光6が照射された微小粒子3から発せられ、光検出部4に入射した光は、0次光除去部材43により0次光が除去された後、ダイクロイックミラー44により、蛍光7と散乱光8とに分離され、それぞれ個別に検出される。具体的には、ダイクロイックミラー44を透過した蛍光7は蛍光検出器41で検出され、ダイクロイックミラー44で反射された散乱光8は、散乱光検出器42で検出される。
 蛍光検出器41及び散乱光検出器42での検出結果は、信号処理部5に出力される。具体的には、蛍光検出器41の検出信号は、信号処理部5の蛍光信号処理部5aに出力され、散乱光検出器42の検出信号は、信号処理部5の散乱光信号処理部5bに出力される。図2Aはレーザ光検出器の出力変動を示す図であり、図2Bは従来の粒子分析装置の光検出部からの出力信号を示す図である。図3Aはレーザ光検出器の出力変動を示す図であり、図3Bは本実施形態の粒子分析装置の光検出部からの出力信号を示す図である。
 図2A及び図2Bに示すように、レーザ出力変動に応じた補正を行わない従来の粒子分析装置では、レーザ11の出力変動の影響によりピーク値にばらつきが生じる(図2Bの破線で囲んでいる部分参照。)。これに対して、本実施形態の粒子分析装置は、レーザ光検出器12の出力に基づいて設定されたGainを用いて検出信号を補正しているため、図3A及び図3Bに示すように、信号のばらつきが抑えられ、信頼性の高い検出データを得ることができる(図3Bの破線で囲んでいる部分参照。)。
 以上詳述したように、本実施形態の粒子分析装置では、レーザ11の出力変動を検出し、その検出結果に基づいて検出信号を補正しているため、高周波重畳を用いなくても、精度よく蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出することができる。このように、本実施形態の粒子分析装置は、高周波重畳を用いなくても、信頼性の高い検出データが得られるため、最大定格が低いレーザを使用することが可能となり、不要輻射の対策も不要となる。
 なお、図1ではマイクロチップを用いて測定を行う構成を示しているが、本開示はこれに限定されるものではなく、フローセルを用いた構成など、レーザの出力変動によりモードホップノイズなどの問題が生じる装置全般に有効である。また、図1には、蛍光及び散乱光の両方を検出し、補正する装置を示しているが、本開示はこれに限定されるものではなく、いずれか一方のみを検出し補正する系としてもよい。
<2.第1の実施の形態の変形例>
 次に、本開示の第1の実施形態の変形例に係る粒子分析装置について説明する。図4は本変形例の粒子分析装置の構成を模式的に示す図である。なお、図4では、前述した第1の実施形態の粒子分析装置の構成要素と同じものには、同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
 図4に示すように、本変形例の粒子分析装置には、光照射部1にレーザ11の出力調整を行う光源駆動制御部17が設けられており、そのフィードバック制御用のレーザ光検出器15の検出結果を、検出信号の補正に用いる。本変形例の粒子分析装置の光源駆動制御部17には、レーザ11、ビームスプリッター13、レーザ光検出器15及びレーザ出力調整部16などが設けられており、レーザ11から出力されたレーザ光6の一部を、ビームスプリッター13で反射し、レーザ光検出器15で検出する。
 そして、本変形例の粒子分析装置では、レーザ光検出器15での検出結果に基づいて、レーザ出力調整部16がレーザ11の出力を調整する。これにより、温度などの影響によるレーザ出力レベルの変動を防止することができる。このフィードバック制御は、通常数msオーダーで実施される。
 また、本変形例の粒子分析装置では、レーザ光検出器15での検出結果を信号処理部5に出力し、その検出結果に基づいて蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を補正する。この補正は、例えばデータ処理ごとに行う。
 このように、検出信号の補正に、光源駆動制御部17に設けられたレーザ光検出器15の検出結果(出力変動)を用いることにより、別途補正用の検出器を設ける必要がなくなる。その結果、装置や部品などを追加しなくても、蛍光や散乱光の検出性能を向上させることができ、信頼性の高い検出データを取得することができる。なお、本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述した第1の実施形態と同様である。
 また、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
(1)
 流路内を通流する粒子にレーザ光を照射する光照射部と、
 前記レーザ光が照射された粒子から発せられた蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する光検出部と、
 前記光検出部から出力された蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を処理する信号処理部と、
を有し、
 前記光照射部は、少なくとも、
  レーザを発生する光源と、
  前記光源から出射されたレーザ光の一部を検出するレーザ光検出器と、
を備え、
 前記信号処理部は、前記レーザ光検出器での検出結果に基づいて、前記蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を補正する粒子分析装置。
(2)
 前記信号処理部は、前記レーザ光検出器の出力変動に応じて、前記検出信号を補正する(1)に記載の粒子分析装置。
(3)
 前記信号処理部は、前記光検出部からの出力電圧に、前記レーザ光検出器の出力変動の大きさに応じて設定される値(Gain)を乗じることにより前記検出信号を補正する(1)又は(2)に記載の粒子分析装置。
(4)
 前記光照射部には、前記レーザ光の一部を前記レーザ光検出器に向けて反射するビームスプリッターが設けられている(1)~(3)のいずれかに記載の粒子分析装置。
(5)
 前記光照射部には、前記レーザ光検出器での検出結果に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の出力を調整する光源駆動制御部が設けられている(1)~(4)のいずれかに記載の粒子分析装置。
(6)
 光源から出射したレーザ光の一部をレーザ光検出器で検出する工程と、
 前記レーザ光が照射された粒子から発せられた蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する工程と、
 信号処理部により、前記レーザ光検出器での検出結果に基づいて、前記蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を補正する工程と、
を有する粒子分析方法。
(7)
 前記検出信号を補正する工程は、前記レーザ光検出器の出力変動に応じて、前記検出信号を補正する(6)に記載の粒子分析方法。
(8)
 前記検出信号を補正する工程は、前記蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する工程で得た出力電圧に、前記レーザ光検出器の出力変動の大きさに応じて設定される値(Gain)を乗じることにより前記検出信号を補正する(6)又は(7)に記載の粒子分析方法。
 1 光照射部
 2 マイクロチップ
 3 微小粒子
 4 光検出部
 5 信号処理部
 5a 蛍光信号処理部
 5b 散乱光信号処理部
 6 レーザ光
 7 蛍光
 8 散乱光
 9 0次光
 10 戻り光
 11 レーザ
 12、15 レーザ光検出器
 13 ビームスプリッター
 14 レンズ
 16 レーザ出力調整部
 17 光源駆動制御部
 21 流路
 41 蛍光検出器
 42 散乱光検出器
 43 0次光除去部材
 44 ダイクロイックミラー

Claims (8)

  1.  流路内を通流する粒子にレーザ光を照射する光照射部と、
     前記レーザ光が照射された粒子から発せられた蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する光検出部と、
     前記光検出部から出力された蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を処理する信号処理部と、
    を有し、
     前記光照射部は、少なくとも、
      レーザを発生する光源と、
      前記光源から出射されたレーザ光の一部を検出するレーザ光検出器と、
    を備え、
     前記信号処理部は、前記レーザ光検出器での検出結果に基づいて、前記蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を補正する粒子分析装置。
  2.  前記信号処理部は、前記レーザ光検出器の出力変動に応じて、前記検出信号を補正する請求項1に記載の粒子分析装置。
  3.  前記信号処理部は、前記光検出部からの出力電圧に、前記レーザ光検出器の出力変動の大きさに応じて設定される値(Gain)を乗じることにより前記検出信号を補正する請求項2に記載の粒子分析装置。
  4.  前記光照射部には、前記レーザ光の一部を前記レーザ光検出器に向けて反射するビームスプリッターが設けられている請求項1に記載の粒子分析装置。
  5.  前記光照射部には、前記レーザ光検出器での検出結果に基づいて、前記光源から出射されるレーザ光の出力を調整する光源駆動制御部が設けられている請求項1に記載の粒子分析装置。
  6.  光源から出射したレーザ光の一部をレーザ光検出器で検出する工程と、
     前記レーザ光が照射された粒子から発せられた蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する工程と、
     信号処理部により、前記レーザ光検出器での検出結果に基づいて、前記蛍光若しくは散乱光又はその両方の検出信号を補正する工程と、
    を有する粒子分析方法。
  7.  前記検出信号を補正する工程は、前記レーザ光検出器の出力変動に応じて、前記検出信号を補正する請求項6に記載の粒子分析方法。
  8.  前記検出信号を補正する工程は、前記蛍光若しくは散乱光又はその両方を検出する工程で得た出力電圧に、前記レーザ光検出器の出力変動の大きさに応じて設定される値(Gain)を乗じることにより前記検出信号を補正する請求項7に記載の粒子分析方法。
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