JP7654195B1 - Particle Analyzers - Google Patents
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Abstract
【課題】フローサイトメーターに静止画像撮像機能を備えた粒子分析装置において、高速で流れる粒子を高品質で撮像できる粒子撮像方法を提供する。
【解決手段】LED21、レンズ系22とミラー23、フローセル4、対物レンズ24とデジタルカメラ25で撮像系を形成している、このLED21はインコヒーレントな物を用い、ナノ秒単位の発光時間でパルス発光させることにより高画質の画像を撮像する。
【選択図】図1
A particle imaging method capable of capturing high-quality images of particles flowing at high speeds in a particle analyzer equipped with a flow cytometer and a still image capturing function is provided.
[Solution] An imaging system is formed by an LED 21, a lens system 22 and a mirror 23, a flow cell 4, an objective lens 24 and a digital camera 25. This LED 21 is an incoherent LED, and high quality images are captured by emitting pulsed light with emission times in nanosecond units.
[Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、フローサイトメーターに粒子撮像機能を備えた粒子分析装置に関する。The present invention relates to a particle analysis device equipped with a particle imaging function in a flow cytometer.
フローサイトメーターは、粒子や細胞を含む試料溶液をシース液と共に細く絞ってフローセル内にシースフローを形成する。この試料溶液にレーザー光を照射し粒子や細胞から発する散乱光や蛍光を受光し解析する。このフローサイトメーターに粒子や細胞の透過像や蛍光像を撮像する機能を備える粒子分析装置に関するものである。In a flow cytometer, a sample solution containing particles or cells is narrowed together with a sheath liquid to form a sheath flow in a flow cell. This sample solution is irradiated with a laser light, and the scattered light and fluorescent light emitted from the particles or cells are received and analyzed. This is a particle analysis device that is equipped with a function to capture transmitted light and fluorescent images of particles and cells in this flow cytometer.
粒子を含む試料溶液をシース液と共に細く絞ってシースフローを形成する。
このシースフロー中の試料溶液流(サンプル流)にレーザー光を照射して粒子個々から発する散乱光や蛍光(緑色蛍光、赤色蛍光等)を解析する。解析される粒子は数百個から数十万個に及び、散乱光強度や緑色蛍光、赤色蛍光の粒度分布や散布図を描いてクラスター分類を行う。この技術をフローサイトメーターと言う。この技術は、血液中の血球や尿中の赤血球、白血球や上皮細胞等を計数、分析する臨床検査装置に応用されている。しかしながら、この技術は細胞凝集や濃度が低い粒子は判別が難しい。そこで、フローサイトメーターに粒子の静止画像を撮像する機能を備えた装置が望まれている。本発明は、フローサイトメーターに、レーザーを通過後に散乱光や蛍光の条件から特定の粒子に撮像用の光を照射して撮像する機能を備えた粒子分析装置で、安価で高画質の粒子分析装置を提供する。 The sample solution containing the particles is narrowed together with the sheath liquid to form a sheath flow.
A laser beam is irradiated onto the sample solution flow (sample flow) in the sheath flow, and the scattered light and fluorescence (green fluorescence, red fluorescence, etc.) emitted from each particle are analyzed. The particles to be analyzed range from several hundred to several hundred thousand, and cluster classification is performed by drawing particle size distributions and scatter diagrams of the scattered light intensity, green fluorescence, and red fluorescence. This technology is called a flow cytometer. This technology is applied to clinical testing devices that count and analyze blood cells in blood and red blood cells, white blood cells, epithelial cells, etc. in urine. However, this technology has difficulty in distinguishing between cell aggregates and particles with low concentrations. Therefore, a device equipped with a function of capturing still images of particles in a flow cytometer is desired. The present invention provides a particle analyzer that is inexpensive and has high image quality, and is equipped with a flow cytometer and a function of irradiating light for imaging on specific particles based on the conditions of scattered light and fluorescence after passing through a laser, and capturing an image.
フローサイトメーターは、微小な粒子の散乱光や蛍光を精度良く測定する為と分析容量を確保する為にサンプル流は細く、早く流す必要がある。実際にそのサンプル流は、毎秒数メートルから数十メートルで流れている。この高速で流れるサンプル流中の粒子、細胞を撮像する為に光源としてナノ秒単位の発光時間の光源が必要である。一般的にはパルスレーザーが用いられる。パルスレーザーは、発光時間が数ナノ秒から数十ナノ秒と短く高い光強度を持ち高速で流れる粒子や細胞の静止画像を捉えることができる。しかし、レーザー光はコヒーレント性(coherent、可干渉性)が高く干渉縞が生じ綺麗な画像が得られ難い。In order to accurately measure the scattered light and fluorescence of minute particles and to ensure the analytical capacity, the flow cytometer requires a thin and fast sample flow. In reality, the sample flow flows at a speed of several meters to several tens of meters per second. In order to capture images of particles and cells in this fast-flowing sample flow, a light source with an emission time in nanosecond units is required. Generally, a pulsed laser is used. A pulsed laser has a short emission time of several nanoseconds to several tens of nanoseconds, high light intensity, and can capture still images of particles and cells flowing at high speed. However, laser light is highly coherent, which causes interference fringes and makes it difficult to obtain a clean image.
特許文献1は、パルスレーザー光のコヒーレンス性を低下させて粒子を撮像する発明がある。この発明の実施例では光ファイバーを利用した方法で、パルスレーザー光を光ファイバーに通すことによりコヒーレンス性を低下し干渉縞の発生を低くする。しかしながら、この発明はレーザー光を光ファイバーに精度良く入射すること必要である。更に光ファイバーから出射した光を成形して均一に照明する必要があり画像が暗くなってしまう欠点がある。又、レーザー光は単色であるのでカラー撮像する為には複数のレーザーと光ファイバーが必要である。 Patent Document 1 discloses an invention for imaging particles by reducing the coherence of pulsed laser light. In an embodiment of this invention, an optical fiber is used to reduce the coherence by passing the pulsed laser light through the optical fiber, thereby reducing the occurrence of interference fringes. However, this invention requires that the laser light be precisely incident on the optical fiber. Furthermore, the light emitted from the optical fiber must be shaped to illuminate uniformly, which has the disadvantage that the image becomes dark. In addition, since laser light is monochromatic, multiple lasers and optical fibers are required to capture color images.
特許文献2は、パルスレーザーの代わりにキセノンフラッシュランプ等のインコヒーレント(incoherent、非干渉性)の光源で撮像する。比較的に発光時間が長い光源を利用する、その工夫としてカメラの前に高速で応答の出来るゲート機能付きイメージインテンシファイヤ(Image Intensifier)を入れて、露光時間を短く、画像を明るくして、干渉縞の無い鮮明な静止画像を得る発明がある。これは、イメージインテンシファイヤが高価であり、カラーで撮像する為には光を分岐して複数のイメージインテンシファイヤとカメラを設けることが示されていて複雑で高価である。In Patent Document 2 , an incoherent light source such as a xenon flash lamp is used instead of a pulse laser to capture an image. A light source with a relatively long light emission time is used, and as a device for this, an image intensifier with a gate function that can respond quickly is placed in front of the camera to shorten the exposure time, brighten the image, and obtain a clear still image without interference fringes. However, the image intensifier is expensive, and in order to capture an image in color, it is shown that multiple image intensifiers and cameras are installed by branching the light, which is complicated and expensive.
他に、非特許文献1は、動く物体を撮像する目的で開発されたTDIカメラ(Time Delay Integration Camera)を用いる商品がある。これは、フローセルを流れる試料溶液に連続発振するレーザー光を照射し粒子がレーザー光を横切りながら発する散乱光、蛍光を対物レンズで受光してTDIカメラの受光センサー上に結像して静止画像データを作成することが出来る。更に、画像解析して粒子の散乱光強度や蛍光強度を算出して二次元のスキャッタグラムが作成される。しかしながら、TDIカメラが高価であることや分光に用いるフィルターが複雑で高価である。 In addition, Non-Patent Document 1 discloses a product that uses a TDI camera (Time Delay Integration Camera) developed for the purpose of imaging moving objects. This can create still image data by irradiating a sample solution flowing through a flow cell with a continuous wave laser light, receiving the scattered light and fluorescence emitted by particles as they cross the laser light with an objective lens, and forming an image on the light receiving sensor of the TDI camera. Furthermore, the image is analyzed to calculate the scattered light intensity and fluorescent intensity of the particles, and a two-dimensional scattergram is created. However, the TDI camera is expensive, and the filters used for spectroscopy are complex and expensive.
更に、特許文献3と特許文献4は、フローサイトメーターで測定後に流速を遅くして撮像する発明がある。この方法は、流速を遅くして撮像するのでフラッシュランプで撮像ができる。しかし、発光時間がマイクロ秒単位のキセノンフラッシュランプで撮像できるまで十分に流速を落とす必要があり、フローセルの流路が大きく、長くなりこととフローセル保持具が複雑になる。 Furthermore, Patent Documents 3 and 4 disclose inventions in which the flow rate is slowed down after measurement with a flow cytometer to capture images. This method allows images to be captured using a flash lamp because the flow rate is slowed down to capture images. However, it is necessary to slow down the flow rate sufficiently to capture images using a xenon flash lamp, which has a light emission time in the order of microseconds, which means that the flow path of the flow cell becomes large and long, and the flow cell holder becomes complicated.
本発明は、シースフローのサンプル流にレーザー光を照射し細胞や粒子からの散乱光や蛍光を集光、解析するフローサイトメーターに、解析後の結果から特定条件の細胞・粒子を選択的に撮像する粒子分析装置に関するものである。本発明は、撮像する光源としてインコヒーレントなLEDを用いる。更にLEDのパルス発光時間は、半値幅は10~100nsecであること特徴としている。The present invention relates to a flow cytometer that irradiates a sample flow of a sheath flow with a laser light and collects and analyzes scattered light and fluorescence from cells and particles, and a particle analyzer that selectively images cells and particles that meet specific conditions based on the results of the analysis. The present invention uses an incoherent LED as the light source for imaging. Furthermore, the pulse emission time of the LED is characterized by a half-width of 10 to 100 nsec.
LEDは連続光で発光させるか、発熱により故障や色調が変わるのを抑える目的で、数ミリから数百ミリ秒の発光時間でパルス発光させるのが一般的である。その為、フローサイトメーターで流れる細胞の撮像に用いられていない。LEDs are generally used to emit continuous light or pulse light with durations ranging from a few milliseconds to a few hundred milliseconds to prevent malfunctions or color changes due to heat generation, and therefore are not used to image cells flowing through a flow cytometer.
本発明の撮像の光源に用いるLEDは、コンデンサーに数百ボルトで蓄積した電気をスイッチングトランジスターでLEDに瞬間的に流すことで大きな光強度と短いナノ秒単位の発光時間が得られる。このようにして、電荷をコンデンサーに充電し瞬間的に流すことで大きな光強度と短い発光時間が得られ、LEDを壊すことなく安定な光源として使用できる(非特許文献2)。The LED used as the light source for imaging in the present invention can obtain high light intensity and a short emission time in nanosecond units by instantaneously passing electricity stored in a capacitor at several hundred volts to the LED using a switching transistor. In this way, high light intensity and short emission time can be obtained by charging a capacitor and instantaneously passing an electric charge, and the LED can be used as a stable light source without being damaged (Non-Patent Document 2).
今仮に、毎秒5m(メートル)で流れる試料流中の直径7μm(マイクロメートル)の例えば赤血球を発光時間1.0μsec(マイクロ秒)のキセノンフラッシュランプで撮像すると、発光時間中に5μm(マイクロメートル)の画像の振れを発生して7μm(マイクロメートル)の赤血球は綺麗な静止画像が得られない。しかし、LEDを発光時間80nsec(ナノ秒)以下でパルス発光させると画像の振れは僅か0.4μm(マイクロメートル)以下で綺麗な静止画像が撮像できる。ここでの画像の振れは、発光時間内に粒子が移動する距離Lで、発光時間t×粒子速度s=移動距離Lで計算できる。Now, for example, if a red blood cell with a diameter of 7 μm (micrometers) in a sample flow flowing at 5 m (meters) per second is imaged using a xenon flash lamp with an emission time of 1.0 μsec (microseconds), a clear still image of the 7 μm (micrometers) red blood cell will not be obtained because the image will vibrate by 5 μm (micrometers) during the emission time. However, if the LED is pulsed with an emission time of 80 nsec (nanoseconds) or less, a clear still image can be captured with only a vibration of 0.4 μm (micrometers). The image vibration here is the distance L that the particle moves during the emission time, and can be calculated as emission time t x particle speed s = moving distance L.
ここでは、LEDのパルス発光の発光時間は、パルス発光波形(時間と強度)のピーク値の半値幅の2倍と定義して計算する。よって、発光時間80nsecは、半値幅が40nsecとなる。Here, the light emission time of the LED pulse emission is defined and calculated as twice the half-width of the peak value of the pulse emission waveform (time and intensity). Therefore, a light emission time of 80 nsec results in a half-width of 40 nsec.
撮像に用いるLED光源の発光時間は、短いほど振れが少なく綺麗な画像が得られる。しかしながら、発光時間が短くなると電荷を蓄えるコンデンサーの容量が小さく、発光強度も弱くなり撮像できる画像も暗くなる。そこで、比較的に早い流速毎秒20mでも振れ0.4μmとなる20nsec(半値幅10nsec)をパルス発光時間の下限値とした。更に、上限の200nsec(半値幅100nsec)は販売されているキセノンフラッシュランプの下限領域である。発光時間が、半値幅が100nsecを超える場合はキセノンフラッシュランプを用いれば良い。The shorter the light emission time of the LED light source used for imaging, the less vibration and the clearer the image obtained. However, as the light emission time becomes shorter, the capacity of the capacitor that stores the electric charge becomes smaller, the light emission intensity becomes weaker, and the image that can be captured becomes darker. Therefore, the lower limit of the pulse light emission time is set to 20 nsec (half width 10 nsec), which results in a vibration of 0.4 μm even at a relatively fast flow rate of 20 m per second. Furthermore, the upper limit of 200 nsec (half width 100 nsec) is the lower limit range of commercially available xenon flash lamps. If the light emission time exceeds the half width of 100 nsec, a xenon flash lamp may be used.
本発明において、フローサイトメーター用のレーザー光源の光軸と撮像用の光源の光軸を垂直にすることによって、それぞれの光源のレンズ系や対物のレンズ系を近くに配置することが出来てフローセルの流路を短くできる。In the present invention, by making the optical axis of the laser light source for the flow cytometer and the optical axis of the light source for imaging perpendicular to each other, the lens systems of each light source and the objective lens system can be arranged close to each other, thereby shortening the flow path of the flow cell.
本発明に用いるフローセルのサンプルの流路は、散乱光や蛍光を集光、解析する領域は一辺が100から数百ミクロンの四角い穴が空いていて、この領域から下流側に数ミリから数十ミリ離れた位置から四角い穴の一方向に徐々に広がり持つ物を採用すれば、層流を保ったまま流すと粒子を含む試料溶液は横に広がり薄くなって流れる。このフローセルを用いると試料中の粒子の焦点位置が安定し綺麗な像が撮像できる。The sample flow path of the flow cell used in the present invention has a square hole with one side measuring 100 to several hundred microns in the area where scattered light and fluorescence are collected and analyzed, and if a flow cell that gradually expands in one direction from a position several millimeters to several tens of millimeters downstream from this area is used, the sample solution containing particles will expand laterally and become thinner as it flows while maintaining laminar flow. Using this flow cell, the focal position of the particles in the sample is stable, allowing for clear images to be taken.
本発明において、フローサイトメーターの側方散乱光、蛍光を受光する対物レンズと撮像を行う対物レンズに同じ物を用いる様に配置する。そうすると、粒子分析装置の光学検出部を簡素化できる。In the present invention, the objective lens for receiving side scattered light and fluorescent light of the flow cytometer and the objective lens for imaging are the same, which simplifies the optical detection section of the particle analyzer.
本発明において、撮像する光源としてナノ秒単位でパルス発光するLEDを用いると以下の効果が得られる。
(1)LEDは、インコヒーレントな光を発して干渉縞の少ない画像を撮像することが出来る。
(2)表面実装型のLEDを用いると狭い面積に複数個並べて発光させることが出来て、輝度強度を増すことが出来る。
(3)粒子像は、モノクロ画像やカラー画像を容易に撮像することが可能である。モノクロ画像は、LEDは単色LEDを採用しモノクロカメラを採用する。
カラー画像は、LEDに白色LEDかRGBの3色のLEDを用いて、カラーカメラを採用する。更に、照明系を落射照明系を採用すれば透過画像と同時に蛍光画像も撮像できる
(4)LEDは小型であるので、撮像用の照明系を小型化でき、フローサイトメーター用のレーザー光源の光軸と撮像用の光源の光軸を垂直に配置することができ、それぞれの光源のレンズ系や対物のレンズ系を近くに配置することが出来てフローセルの流路を短くできて光学検出部を小型化とコストを抑えることが出来る。 In the present invention, the following effects can be obtained by using an LED that emits pulsed light in nanosecond units as the light source for imaging.
(1) LEDs emit incoherent light and can capture images with fewer interference fringes.
(2) By using surface-mounted LEDs, multiple LEDs can be arranged in a small area and made to emit light, thereby increasing the luminance intensity.
(3) Particle images can be easily captured as monochrome or color images. For monochrome images, a monochromatic LED is used and a monochrome camera is adopted.
For color images, a color camera is used, using white LEDs or three-color LEDs (RGB). Furthermore, if an epi-illumination system is used for the illumination system, a fluorescent image can be captured at the same time as a transmitted image. (4) Because LEDs are small, the illumination system for imaging can be made small, and the optical axis of the laser light source for the flow cytometer and the optical axis of the light source for imaging can be arranged perpendicularly, and the lens systems of each light source and the objective lens system can be arranged close to each other, shortening the flow path of the flow cell, making it possible to make the optical detection unit smaller and reduce costs.
〔実施形態1〕
本発明の実施形態について、図1~図5に基づいて説明すると以下のとおりである。 [Embodiment 1]
The following describes an embodiment of the present invention with reference to FIGS. 1 to 5. FIG.
図1は粒子分析装置の光学検出部100、信号処理装置31とマイクロコンピュータ33で構成され、各信号と画像データの流れを示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing the flow of signals and image data, which is composed of an optical detection unit 100, a signal processing unit 31, and a microcomputer 33 of a particle analyzer.
この粒子分析装置の光学検出部100には、フローサイトメーター(粒子検出部)、撮像系(撮像部)と流体部で構成している。粒子検出部は、フローセル4と、半導体レーザー1と、レーザー光を絞るコンデンサーレンズ2と、前方散乱光を集光する集光レンズ5と前方散乱光を受光するホトダイオード6と、側方散乱光と蛍光を集光する対物レンズ11と、側方散乱光と蛍光を分光するダイロイックフィルター12、13、14と、側方散乱光と蛍光を受光する受光素子15、16、17で構成されている。撮像部は、光源のLED21と、照明系22と、ミラー23と、フローセル4と、撮像用の対物レンズ24と、デジタルカメラ25で構成されている。流体部は、試料ノズル3と、図中では省略しているが試料溶液36とシース液35を流す流体系も含まれる。The optical detection section 100 of this particle analyzer is composed of a flow cytometer (particle detection section), an imaging system (imaging section), and a fluid section. The particle detection section is composed of a flow cell 4, a semiconductor laser 1, a condenser lens 2 for focusing the laser light, a condenser lens 5 for collecting forward scattered light, a photodiode 6 for receiving the forward scattered light, an objective lens 11 for collecting side scattered light and fluorescence, dichroic filters 12, 13, and 14 for dispersing the side scattered light and fluorescence, and light receiving elements 15, 16, and 17 for receiving the side scattered light and fluorescence. The imaging section is composed of an LED 21 as a light source, an illumination system 22, a mirror 23, the flow cell 4, an objective lens 24 for imaging, and a digital camera 25. The fluid section includes a sample nozzle 3 and a fluid system for flowing a sample solution 36 and a sheath liquid 35, although they are omitted in the figure.
粒子を含む試料溶液36は、予め希釈や染色されている。試料溶液としては、大きさの異なる複数種類の細胞を含む生体試料であればよく、例えば、尿、血液、体腔液、子宮頸部組織等であってもよい。又は、人工の粒子であっても良い。The sample solution 36 containing particles is diluted or stained in advance. The sample solution may be a biological sample containing a plurality of types of cells of different sizes, such as urine, blood, body cavity fluid, cervical tissue, etc., or may be artificial particles.
試料溶液36は、フローセル4内に試料ノズル3から吐出されると同時にシース液35で流体的に細く絞られてシースフローを形成する。細く流れる試料溶液流(サンプル流)36に半導体レーザー1から発したレーザー光をコンデンサーレンズ2で絞って照射する。この半導体レーザー1は、連続発振しており波長405nm(ナノメートル)、488nmや633nmを用いる。これらの波長は、波長488nmはアルゴンイオンレーザーと同じで、波長633nmはHeNeレーザーと同じでフローサイトメーターでは最も多く使われている。このレーザー光をサンプル流中の細胞や粒子が通過する際に前方散乱光、側方散乱光や蛍光を発生する。レーザー光と同じ方向に発生した散乱光は前方散乱光と呼ばれ粒子の大きさ情報を反映する。側方散乱光は、レーザー光の垂直方向に発生した光で細胞内の核や顆粒などの内部情報を反映する。蛍光は、細胞内の染色度合を反映しレーザー光の迷光が少ない側方で受光する。The sample solution 36 is discharged from the sample nozzle 3 into the flow cell 4, and at the same time, the sheath liquid 35 narrows the flow of the sample solution 36 to form a sheath flow. The thin flow of the sample solution (sample flow) 36 is irradiated with a laser beam emitted from a semiconductor laser 1, which is narrowed by a condenser lens 2. The semiconductor laser 1 oscillates continuously and uses wavelengths of 405 nm (nanometers), 488 nm, or 633 nm. The wavelength of 488 nm is the same as that of an argon ion laser, and the wavelength of 633 nm is the same as that of a HeNe laser, and is the most commonly used wavelength in flow cytometers. When cells or particles in the sample flow pass through this laser beam, forward scattered light, side scattered light, and fluorescence are generated. The scattered light generated in the same direction as the laser beam is called forward scattered light and reflects the size information of the particles. The side scattered light is generated in the perpendicular direction of the laser beam and reflects the internal information of the nucleus, granules, etc. in the cell. The fluorescence reflects the degree of staining in the cell and is received on the side where there is less stray light of the laser beam.
前方散乱光は、集光レンズ5で集光してホトダイオード6で受光して電気信号41に変換されて信号処理装置31に送られる。又、レーザー光と垂直方向に発生した側方散乱光と蛍光は、対物レンズ11で集光されダイクロイックフィルター12、13、14で側方散乱光、緑蛍光や赤蛍光等に分光されて受光素子15、16、17で受光して電気信号に変換されて信号処理装置31に送られる。尚、受光素子15、16、17は、感度が高い光電子増倍管(ホトマル)やアバランシェホトダイオードを用いる。The forward scattered light is collected by the collecting lens 5, received by the photodiode 6, converted into an electric signal 41, and sent to the signal processing device 31. The side scattered light and fluorescence generated in a direction perpendicular to the laser light are collected by the objective lens 11, dispersed into side scattered light, green fluorescence, red fluorescence, etc. by the dichroic filters 12, 13, and 14, received by the light receiving elements 15, 16, and 17, converted into an electric signal, and sent to the signal processing device 31. The light receiving elements 15, 16, and 17 use highly sensitive photomultiplier tubes or avalanche photodiodes.
信号処理装置31に送られた前方散乱光信号41、側方散乱・蛍光信号42は、予め設定された基準に基づいて撮像するか否か判断される。撮像と判定された粒子は、撮像領域に達するとLEDの電源回路のトリガー信号入力端子115へLED発光トリガー信号43を送りパルス発光させると同時にデジタルカメラ25で撮像する。このデジタルカメラ25は、CCDカメラ又はCMOSカメラを用いる。撮像枚数を増やしたい場合は、フレームレートが高いCMOSカメラを用いる。又、シャッターは任意のタイミングで撮像できるグローバルシャッターのデジタルカメラ25を用いる。LED21で発したパルス光を粒子に均一に照明する為に照明系22で照明を行う。The forward scattered light signal 41 and side scattered light/fluorescence signal 42 sent to the signal processing device 31 are judged as to whether or not to image the particle based on a preset criterion. When a particle judged to be imaged reaches the imaging area, an LED light emission trigger signal 43 is sent to the trigger signal input terminal 115 of the LED power supply circuit to cause pulsed light emission, and at the same time, the particle is imaged by the digital camera 25. This digital camera 25 is a CCD camera or a CMOS camera. If it is desired to increase the number of images captured, a CMOS camera with a high frame rate is used. Furthermore, the digital camera 25 is of a global shutter type that can capture images at any timing. Illumination is performed by the illumination system 22 so that the particles are uniformly illuminated with the pulsed light emitted by the LED 21.
モノクロ画像を撮像する場合は、LED21は単色LEDを用い、デジタルカメラ25はモノクロカメラを用いると安価で画質が高い。モノクロ画像が、画質が高いのは、色収差の影響が少なく画素分解能が高い為である。カラー画像を撮像する場合は、LED21は白色LEDを用いるか赤色、緑色、青色の3個のLEDを用いる、デジタルカメラ25はカラーカメラを用いる。When capturing a monochrome image, it is inexpensive and has high image quality if a single-color LED is used for the LED 21 and a monochrome camera is used for the digital camera 25. The reason why monochrome images have high image quality is that they are less affected by chromatic aberration and have high pixel resolution. When capturing a color image, a white LED or three LEDs of red, green, and blue are used for the LED 21 and a color camera is used for the digital camera 25.
図2は、光源LED21を含む電源回路を示す。LED21は可視光や赤外光で高出力用を用いる。高電圧直流電源113から電気抵抗112を通じてコンデンサー111にパルス駆動用電荷を充電する。その後、LED発光トリガー信号43をトリガー信号入力端子115へ入力によりスイッチングトランジスター114が導通状態となり、これを通してコンデンサー111に蓄えられた電荷が放電する。この放電によりLED21をナノ秒単位の発光時間で高輝度にパルス発光させることができる。2 shows a power supply circuit including a light source LED 21. The LED 21 is used for high output with visible light or infrared light. A pulse drive charge is charged in a capacitor 111 from a high voltage DC power supply 113 through an electrical resistor 112. Then, an LED light emission trigger signal 43 is input to a trigger signal input terminal 115, which causes a switching transistor 114 to become conductive, through which the charge stored in the capacitor 111 is discharged. This discharge allows the LED 21 to emit high-luminance pulsed light with a light emission time measured in nanoseconds.
図3は、光源であるLED21と照明系22を含む照明装置の構造図である。照明装置は、ケーラー照明を構成している。ケーラー照明は、顕微鏡の照明として用いられる方式で均一な照明が出来る。構成は、LED21、コレクターレンズ52、フィルター53、視野絞り54、窓レンズ55,開口絞り56とコンデンサーレンズ57である。照明強度は開口絞り56の絞り径で調整可能であり、粒子に照射する面積は視野絞り54で調整可能である。更に、照明する波長帯を変更するのはフィルター53で変えることが可能である。波長帯を変えるとは、カラー画像では色合いを変えることを意味する。この図では、LED21は説明の為に一般的に知らで示している砲丸型で描いているが表面実装型を用いても良い。又、輝度を高くする為に表面実装型を複数個用いる場合もある。FIG. 3 is a structural diagram of an illumination device including a light source LED 21 and an illumination system 22. The illumination device constitutes a Kohler illumination. Kohler illumination is a method used for illumination of a microscope, and can provide uniform illumination. The configuration is an LED 21, a collector lens 52, a filter 53, a field stop 54, a window lens 55, an aperture stop 56, and a condenser lens 57. The illumination intensity can be adjusted by the aperture diameter of the aperture stop 56, and the area irradiated on the particle can be adjusted by the field stop 54. Furthermore, the wavelength band to be illuminated can be changed by the filter 53. Changing the wavelength band means changing the color in a color image. In this figure, the LED 21 is drawn in the commonly known shot-put type for the purpose of explanation, but a surface-mount type may also be used. In addition, multiple surface-mount types may be used to increase the brightness.
この発明では、照明装置は性能の高いケーラー照明で説明している。しかし、コストダウンの為に図4に示す様にLED21とレンズ51で構成されるものでも良い。LED21で発した光は、レンズ51で平行光にされ粒子に照射される。In this invention, the illumination device is explained as a high-performance Kohler illumination. However, to reduce costs, it may be composed of an LED 21 and a lens 51 as shown in Fig. 4. The light emitted by the LED 21 is collimated by the lens 51 and irradiated onto the particles.
LED発光トリガー信号46をONもしくはプルアップするタイミングとデジタルカメラ25を露光状態にするタイミングの制御について、図5に基づいて説明する。粒子検出部から得られる前方散乱光信号41や側方散乱・蛍光信号42から、粒子がフローセル4のレーザー光を通過したことを前方散乱光か側方散乱・蛍光光の粒子信号の終わり44を検知し、時間Tm1の間に撮像すると判断されデジタルカメラ25にカメラシャッタートリガー信号46が送られてデジタルカメラは露光状態となる。次に、上記半導体レーザー光1に対して、下流方向(図中では上側)の位置にある撮像部領域に粒子が到達するとLED発光トリガー信号43を送り、LED21を発光させる。パルス発光時間は半値幅10~100ナノ秒以下で発光し粒子像をデジタルカメラのセンサー上に結像する。撮像された画像データは、マイクロコンピュータ33に送られて保存、画像処理が行われる。The control of the timing of turning on or pulling up the LED light emission trigger signal 46 and the timing of putting the digital camera 25 into an exposure state will be described with reference to FIG. 5. From the forward scattered light signal 41 and the side scattered/fluorescent light signal 42 obtained from the particle detection unit, the end 44 of the particle signal of the forward scattered light or the side scattered/fluorescent light is detected, and it is determined that an image is to be captured during the time Tm1, and a camera shutter trigger signal 46 is sent to the digital camera 25, causing the digital camera to be in an exposure state. Next, when a particle reaches the imaging area located downstream (upper side in the figure) with respect to the semiconductor laser light 1, an LED light emission trigger signal 43 is sent to cause the LED 21 to emit light. The pulse emission time is 10 to 100 nanoseconds or less with a half-width, and a particle image is formed on the sensor of the digital camera. The captured image data is sent to the microcomputer 33, where it is stored and image processed.
〔実施形態2〕
本発明の実施形態2について、図6~図10に基づいて説明する。 [Embodiment 2]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図5に示す様に、実施形態1のフローセル4の代わりにフローセル8を採用する。図7~10にフローセル8の図面を示す。フローセル8は、セル部9とチャンバー部10で構成されている。セル部9とチャンバー部10の内面は、シースフローが乱れなく形成されるようにスムーズに接合されている。散乱光や蛍光を集光、解析するフローサイトメーター系は一辺が百ミクロンから数百ミクロンの四角い穴が開いていて、レーザー照射位置から下流側に数ミリから数十ミリ離れた位置から穴は一方向に徐々に広がり持つ物を採用すれば、層流を保ったまま流すと粒子を含む試料溶液は横に広がり薄くなって流れる。このことにより、試料中の粒子の焦点位置が安定し綺麗な像が撮像できる。As shown in FIG. 5, a flow cell 8 is used instead of the flow cell 4 of the first embodiment. The diagrams of the flow cell 8 are shown in FIGS. 7 to 10. The flow cell 8 is composed of a cell part 9 and a chamber part 10. The inner surfaces of the cell part 9 and the chamber part 10 are smoothly joined so that the sheath flow is formed without disturbance. A flow cytometer system that collects and analyzes scattered light and fluorescence has a square hole with a side of 100 to several hundred microns, and if a hole that gradually spreads in one direction from a position several millimeters to several tens of millimeters downstream from the laser irradiation position is used, the sample solution containing particles will spread laterally and become thinner as it flows while maintaining laminar flow. This stabilizes the focal position of the particles in the sample, allowing a clear image to be captured.
〔実施形態3〕
本発明の実施形態3について、図11と図13に基づいて説明する。 [Embodiment 3]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図11に示す様に、粒子の透過像を撮像する実施形態1に蛍光画像を撮像する機能を加えた物である。蛍光画像を撮像する為に照明方法は、迷光の少ない落射照明を形成している。光源のLED21は、図12に示す様に蛍光を発生させる励起光として優位な青色の波長帯の物を用いる。LED21から発した照明光(励起光)は、ミラー23とダイクロイックミラーと対物レンズ63を通ってフローセル4を流れる試料溶液36に照射される。粒子から発した蛍光は、再び対物レンズ63で集光し、とダイクロイックミラー61で蛍光の波長帯のみが反射されてデジタルカメラ26のCMOSセンサー上に結像して蛍光画像が撮像される。図13は、ダイクロイックミラー61の透過特性を示す。このグラフで、透過率が500nm付近の長波長側から低下して代わりに反射率が増加する。ここに用いるLED21やダイクロイックミラー61の分光特性は、一例で限定するものではない。As shown in FIG. 11, the embodiment 1 for capturing a transmission image of a particle is added with a function of capturing a fluorescence image. The illumination method for capturing a fluorescence image forms an epi-illumination method with little stray light. The LED 21 of the light source uses a blue wavelength band that is dominant as an excitation light for generating fluorescence, as shown in FIG. 12. The illumination light (excitation light) emitted from the LED 21 passes through the mirror 23, the dichroic mirror, and the objective lens 63 and is irradiated onto the sample solution 36 flowing through the flow cell 4. The fluorescence emitted from the particle is again collected by the objective lens 63, and only the wavelength band of the fluorescence is reflected by the dichroic mirror 61, and an image is formed on the CMOS sensor of the digital camera 26 to capture the fluorescence image. FIG. 13 shows the transmission characteristics of the dichroic mirror 61. In this graph, the transmittance decreases from the long wavelength side near 500 nm, and instead the reflectance increases. The spectral characteristics of the LED 21 and the dichroic mirror 61 used here are only examples and are not limited to these.
〔実施形態4〕
本発明の実施形態4について、図1と図14~図17に基づいて説明する。 [Embodiment 4]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. 14 to FIG.
実施形態1と異なる点は、実施形態1(図1)の側方散乱光と蛍光を集光する集光レンズ5と画像を捉える対物レンズ11が一つになって図14に示される対物レンズ63となっている。The difference from the first embodiment is that the condenser lens 5 for condensing the side scattered light and the fluorescent light and the objective lens 11 for capturing an image in the first embodiment (FIG. 1) are integrated into an objective lens 63 shown in FIG.
実施形態を実現する為の条件を図14で説明する。散乱光や蛍光の受光に迷光とならない様に図9中のLED64の発光波長は、図15のグラフに示す様に波長700nm以上でピークを持つ。次に、ダイクロイックミラー62は図16のグラフに示す様に波長700nm付近から透過率が低下してLED64の光のみを反射する。更に、デジタルカメラ25の入射窓(フィルター)と対物レンズ63は波長800nm付近まで透過率が高い物を用いる。The conditions for realizing the embodiment are explained with reference to Fig. 14. The emission wavelength of the LED 64 in Fig. 9 has a peak at a wavelength of 700 nm or more as shown in the graph of Fig. 15 so that scattered light and fluorescent light do not become stray light when received. Next, the transmittance of the dichroic mirror 62 decreases from a wavelength of about 700 nm as shown in the graph of Fig. 16, and reflects only the light of the LED 64. Furthermore, the entrance window (filter) and objective lens 63 of the digital camera 25 have a high transmittance up to a wavelength of about 800 nm.
図17は、フローサル4を流れる試料溶液流36中の細胞がレーザー光を通過した直後の模式図である。対物レンズ63の視野(点線)が図12に示す様に十分に広いものを採用すれば、散乱光・蛍光を受光する集光レンズと撮像する対物レンズを一体化できる。Fig. 17 is a schematic diagram of cells in the sample solution flow 36 flowing through the flow sul 4 immediately after passing through the laser light. If an objective lens 63 with a sufficiently wide field of view (dotted line) is adopted as shown in Fig. 12, the condenser lens that receives the scattered light and fluorescent light and the objective lens that captures the image can be integrated.
1:半導体レーザー、2:コンデンサーレンズ、3:試料ノズル、4:フローセル、5:集光レンズ、6:ホトダイオード、8:フローセル、9:セル部、10:チャンバー部、11:対物レンズ、12、13、14:ダイクロイックフィルター、15、16、17:受光素子、21:LED、22:照明系、23:ミラー、24:対物レンズ、25:デジタルカメラ、26:デジタルカメラ、31:信号処理装置、32:表示部、33:マイクロコンピュータ、35:シース液、36:試料溶液流(サンプル流)、41:前方散乱光信号、42:側方散乱・蛍光信号、43:LED発光トリガー信号、44:粒子信号の終わり、46:カメラシャッタートリガー信号、51:レンズ、52:コレクターレンズ、53:フィルター、54:視野絞り、55:窓レンズ、56:開口絞り、57:コンデンサーレンズ、61:ダイクロイックミラー、62:ダイクロイックミラー、63:対物レンズ、64:LED、100:光学検出部、111:コンデンサー、112:電気抵抗、113:高電圧直流電源、114:スイッチングトランジスター、115:トリガー信号入力端子。1: semiconductor laser, 2: condenser lens, 3: sample nozzle, 4: flow cell, 5: condensing lens, 6: photodiode, 8: flow cell, 9: cell section, 10: chamber section, 11: objective lens, 12, 13, 14: dichroic filter, 15, 16, 17: light receiving element, 21: LED, 22: illumination system, 23: mirror, 24: objective lens, 25: digital camera, 26: digital camera, 31: signal processing device, 32: display section, 33: microcomputer, 35: sheath liquid, 36: sample solution flow (sample flow), 41: forward scattered light signal , 42: side scattering/fluorescence signal, 43: LED light emission trigger signal, 44: end of particle signal, 46: camera shutter trigger signal, 51: lens, 52: collector lens, 53: filter, 54: field stop, 55: window lens, 56: aperture stop, 57: condenser lens, 61: dichroic mirror, 62: dichroic mirror, 63: objective lens, 64: LED, 100: optical detection unit, 111: capacitor, 112: electrical resistance, 113: high voltage DC power supply, 114: switching transistor, 115: trigger signal input terminal.
Claims (5)
フローセル内を流れる被検粒子にレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、
被検粒子から発する散乱光や蛍光を受光する光検出器と、
を備えた粒子検出部と、
前記光検出器で受光した光の強度や時間の特性に基づいて撮像の可否を判断する信号処理装置と、
前記粒子検出部の下流側に撮像すると判断された被検粒子の静止画像を光源としてLEDを発光時間の半値幅が10~100ナノ秒以下でパルス発光させてデジタルカメラで撮像する撮像手段と、
撮像された被検粒子像の画像処理を行う画像処理手段を備える、粒子分析装置。 a fluid means for forming a sheath flow in a flow cell together with a sample liquid containing test particles and a sheath liquid;
a laser light irradiation means for irradiating a test particle flowing through the flow cell with a laser light;
a photodetector that receives scattered light and fluorescent light emitted from the test particle;
A particle detection unit comprising:
a signal processing device that determines whether or not imaging is possible based on the intensity and time characteristics of the light received by the photodetector;
an imaging means for imaging a still image of the test particle determined to be imaged downstream of the particle detection unit with a digital camera by using an LED as a light source to emit pulsed light with a half-value width of 10 to 100 nanoseconds or less ;
A particle analyzer comprising an image processing unit for processing an image of a captured test particle.
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