用于基于光谱测定粒子分析的粒子分析方法和设备技术

一种粒子分析方法和设备，包含流体样品(1)的基于光谱测定分析，包括以下步骤：利用光源装置(10)产生样品光束S和探测光束P，并用相位调制装置(20)定期改变所述样品光束和探测光束S、P的相对相位，用所述样品光束S照射所述流体样品(1)，用检测器装置(40)检测所述样品光束和探测光束S、P，以及，提供至少一个粒子(3)的光谱响应，其中，所述光源装置(10)包括至少一个宽带光源，其具有覆盖中红外MIR频率范围的发射光谱，以及，所述相位调制装置(20)以等于或小于照射所述至少一个粒子(3、4)的照射周期的扫描周期改变所述相对相位。周期的扫描周期改变所述相对相位。周期的扫描周期改变所述相对相位。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于基于光谱测定粒子分析的粒子分析方法和设备


[0001]本专利技术涉及一种粒子分析方法，包含对具有至少一个待分析粒子，特别是至少一个生物粒子(如生物细胞或其组分)的流动流体样品进行基于光谱测定分析。特别地，本专利技术涉及一种允许提供诊断相关信息的粒子分析方法。此外，本专利技术涉及一种用于对具有至少一个粒子的流动流体样品进行基于光谱测定分析的粒子分析设备。本专利技术可应用于生物学、医学(特别是医疗诊断学和治疗)和生物化学(特别是用于流式细胞术的快速红外光谱测量)领域。粒子分析设备可以用作粒子分类和/或检测设备，特别可用作细胞分类和/或检测设备。

技术介绍

[0002]本说明书参考下述现有技术对比文件来说明本专利技术的
技术介绍
：
[0003][1]US 9,835,552 B2；
[0004][2]EP 3 037 805 A1；
[0005][3]PCT/EP2017/056705(未在本说明书的优先权日公布)；
[0006][4]P.Bassan等人，《分析师》，135.2(2010)：268
‑
277；
[0007][5]M.J.Baker等人，《自然
‑
实验室指南》9.8(2014)：1771；
[0008][6]F.L.Martin等人，《自然
‑
实验室指南》5.11(2010)：1748；
[0009][7]B.Urbanek等人，《应用物理快报》，108.12(2016)：121101；
[0010][8]S.Hadjiloucas等人，《物理期刊：会议系列》，第183卷第1期IOP出版社，2009；
[0011][9]EP 3 023 756 A1；
[0012][10]A.Bartels等人，《科学仪器评论》，78，035107(2007)；
[0013][11]I.Coddington等人，《物理评论A》，82，043817(2010)；
[0014][12]L.Vaccari等人，《分析化学》，84.11(2012)：4768
‑
4775；
[0015][13]F.L.Martin等人，《自然
‑
实验室指南》，5.11(2010)：1748。
[0016]在现代分子生物学、实验医学或医疗诊断学中，研究人员在单粒子分辨率下对生物样品(如单个细胞、细胞聚集体、细胞组分或其它粒子)进行稳健且信息丰富的测量。通常，这些测量值可以基于光谱检测技术获得，用于研究样品与中红外(MIR)光谱范围内的光的相互作用。
[0017]高灵敏度光谱检测技术的常见示例是傅里叶变换(FTIR)光谱测定法，其允许以高特异性收集MIR光谱，并且不需要用标记物质标记待分析粒子。在FTIR显微镜下，将FTIR光谱测定法与显微镜检查相结合，可获得单粒子分辨率。有利地，在单细胞水平上的宽带红外(IR)光谱测量原则上可以采用无标记的方式提供大部分所需信息。然而，传统的FTIR光谱测定法存在很大的缺点，其灵敏度和扫描速度均有限。在实际应用中，可以用FTIR显微镜，例如每秒对一个细胞，进行光谱分析。然而，如在高通量筛选方法中获得的那样，基本上大量的细胞都需要较高的测量速度。
[0018]传统的流式细胞术是以测量速度测量细胞特性和状态(表型)的一种广泛且有效
的技术。由于其高通量和多参数特性，该技术非常适用于细胞群体的研究以及稀有细胞(亚群)群体的鉴定。然而，流式细胞术是基于图像识别技术或使用靶向染料，主要是荧光团，应用于待分析粒子。图像识别技术不仅耗时，而且特异性有限。染料的使用和先前鉴定的分子标记的表征是流式细胞术的另一个固有局限。另外，因为样品必须在实际检查之前通过使用染料作为标记物进行处理，并且染料可能改变细胞的生物学行为，其还可能存在特定的缺点，从而不能用于进一步的研究。
[0019]传统的FTIR光谱测定法不能与高通量流式细胞术结合，因为FTIR光谱测定法在测量流动样品时速度太慢，且不够灵敏。此外，将宽带IR光谱学与流式细胞术系统中的高通量测量相结合时，需要具有足够高信噪比(SNR)的快速光谱采集。这在MIR区域(1000cm
‑1至3000cm
‑1)尤其成问题，其中强吸水性是一个问题，且目前无可用的具宽光谱范围的超灵敏快速光谱仪。
[0020]对比文件[1]中描述了一种克服这种限制的方法，以及将流式细胞术的优点与灵敏的非标记干涉光谱检测相结合的方法。粒子的干涉光谱测量利用分成两束的红外光束。只有一束红外光束通过包含样品的测量体进行定向。随后，光束被重新组合和检测。当测量体内没有粒子时，光束之间的相位差会产生相消干涉。对于测量体内的粒子，例如活细胞，能检测到由于粒子的MIR吸收或散射引起的变化。
[0021]然而，对比文件[1]的光谱检测存在下述缺点，导致了该技术的应用具有局限性。首先，红外光束由一个或多个量子级联激光器(QCL)产生，每个激光器均具有窄发射波长，与待分析粒子的一个光谱特征相匹配，如吸收峰。此外，光检测系统不适于测量遍历粒子的光谱响应。因此，光谱检测不允许收集MIR光谱或者甚至分子指纹，导致特异性有限，并且仅可检测已知的粒子。为了检测变化的细胞类型，必须重新调整装置，以匹配发射波长。对比文件[1]的技术未公开仅使用一个量子级联激光器时，如何实现样品的光谱分辨测量的方法。用适当数量的谱元素进行光谱分辨测量需要相应数量的量子级联激光器(在不同的波长下)，每个量子级联激光器与相关检测器组合。其次，除了减少测量的信息内容之外，如果将对比文件[1]的技术用于检测多个谱元素，则需要大量的量子级联激光器和相同数量的检测器，导致费用昂贵，且几何结构复杂庞大。
[0022]对比文件[3]中描述了进一步的高灵敏度干涉MIR光谱技术。然而，这些技术已经应用于静止样品，例如仅在试管中提供的样品，从而使用慢相位调制器便足以进行干涉检测。
[0023]专利技术目的
[0024]本专利技术的目的是专利技术一种改良型粒子分析方法和一种改良型粒子分析设备，对具有至少一个待分析粒子的流动流体样品进行基于光谱测定分析，且可避免传统技术的缺点。特别地，与传统技术相比，粒子分析的灵敏度、特异性和/或测量速度都有所提高。

技术实现思路

[0025]这些目的相应地分别通过包括独立权利要求的特征的粒子分析方法和粒子分析设备予以解决。本专利技术的优选实施例和应用源于从属权利要求。
[0026]根据本专利技术的第一总体方面，上述目的通过粒子分析方法予以解决，其中包括鞘液和至少一个待分析粒子的流体样品进行光谱研究，以提供至少一个粒子的光谱响应。鞘
液包括例如水或细胞培养液。流体样品包括例如粒子的水悬浮液、包含生物细胞或血清的悬浮液。
[0027]样品光束和探测光束由公用光源装置产生。样品光束和探测光束最初产生的光场为相干光场。用样品光束照射流体样品，而流体样品通过样品光束的光路流入至少一个样品通道，如流通式试管。测量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种粒子分析方法，包括流体样品(1)的基于光谱测定分析，所述流体样品(1)包括鞘液(2)和至少一个待分析粒子(3、4)，包括以下步骤：
‑
利用光源装置(10)产生样品光束(S、S1、S2)和探测光束(P)，并用相位调制装置(20)定期改变所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)的相对相位，
‑
用所述样品光束(S、S1、S2)照射所述流体样品(1)，而所述流体样品(1)通过所述样品光束(S、S1、S2)的光路流入至少一个样品通道(31、32)，以使所述至少一个粒子(3、4)被照射预定的照射周期，
‑
用检测器装置(40)检测所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)，以及
‑
根据所述检测器装置(40)的输出，提供所述至少一个粒子(3、4)的光谱响应，其特征在于，
‑
所述光源装置(10)包括至少一个宽带源，其具有覆盖中红外(MIR)频率范围的发射光谱，以及
‑
所述相位调制装置(20)以等于或小于照射所述至少一个粒子(3、4)的照射周期的扫描周期来改变所述相对相位。2.根据权利要求1所述的粒子分析方法，其中
‑
所述至少一个粒子(3、4)的粒子特性基于所述至少一个粒子(3、4)的所述光谱响应而确定。3.根据权利要求1或2所述的粒子分析方法，其中
‑
所述检测器装置(40)配置成用于通过电光取样对所述样品光束(S、S1、S2)进行场分辨检测。4.根据权利要求3所述的粒子分析方法，其中
‑
所述光源装置(10)包括与MIR生成装置(12)耦合的激光源(11)，
‑
所述激光源(11)的输出被分成包括所述MIR生成装置(12)和所述样品通道(31、32)的第一干涉仪臂(A1)、和包括所述相位调制装置(20)的第二干涉仪臂(A2)，
‑
用所述激光源(11)和所述MIR生成装置(12)产生所述样品光束(S、S1、S2)，并在所述第一干涉仪臂(A1)中照射所述样品，
‑
用所述激光源(11)产生所述探测光束(P)，并沿所述第二干涉仪臂(A2)定向，
‑
用所述第二干涉仪臂(A2)中的所述相位调制装置(20)控制所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)之间的所述相对相位，以及
‑
在所述样品光束(S、S1、S2)与所述样品(1)相互作用之后，将所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)重新组合，用于所述样品光束(S、S1、S2)的所述场分辨检测。5.根据权利要求4所述的粒子分析方法，其中
‑
所述相位调制装置(20)包括声光延迟线(21)或机械相位调制器(22)，尤其是超声波发生器。6.根据权利要求3所述的粒子分析方法，其中
‑
所述光源装置(10)包括第一脉冲激光源(13)和第二脉冲激光源(14)，
‑
所述相位调制装置(20)包括与所述第一和第二脉冲激光源(13、14)耦合的重复率控制装置(23)，
‑
用所述第一脉冲激光源(13)产生所述样品光束(S、S1、S2)，
‑
用所述第二脉冲激光源(14)产生所述探测光束(P)，
‑
用所述重复率控制装置(23)控制所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)之间的所述相对相位，以及
‑
在所述样品光束(S、S1、S2)与所述样品相互作用之后，将所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)重新组合，用于所述样品光束(S、S1、S2)的所述场分辨检测。7.根据权利要求6所述的粒子分析方法，其中
‑
所述第一脉冲激光源(13)与产生所述样品光束(S、S1、S2)的MIR生成装置(12)耦合。8.根据权利要求6或7所述的粒子分析方法，其中
‑
所述重复率控制装置(23)进一步控制所述第一和第二脉冲激光源(13、14)的载波包络偏移相位。9.根据权利要求1所述的粒子分析方法，其中
‑
所述检测器装置(40)配置成用于在所述MIR频率范围内对所述样品光束(S、S1、S2)进行多外差检测。10.根据权利要求9所述的粒子分析方法，其中
‑
所述光源装置(10)包括与MIR生成装置(12)耦合的激光源(11)，
‑
所述激光源(11)或所述MIR生成装置(12)的输出被分成包括所述样品通道(31、32)的第一干涉仪臂(A1)、和包括所述相位调制装置(20)的第二干涉仪臂(A2)，
‑
用所述激光源(11)和所述MIR生成装置(12)产生所述样品光束(S、S1、S2)，并在所述第一干涉仪臂(A1)中照射所述样品(1)，
‑
用所述激光源(11)或所述MIR生成装置(12)产生所述探测光束(P)，并沿所述第二干涉仪臂(A2)定向，
‑
用所述第二干涉仪臂(A2)中的所述相位调制装置(20)控制所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)之间的所述相对相位，以及
‑
在所述样品光束(S、S1、S2)与所述样品相互作用之后，将所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)重新组合，用于在所述MIR频率范围内对所述样品光束(S、S1、S2)进行所述多外差检测。11.根据权利要求9所述的粒子分析方法，其中
‑
所述光源装置(10)包括多个MIR激光器，
‑
所述MIR激光器的输出被分成包含所述样品通道(31、32)的第一干涉仪臂(A1)、和包含所述相位调制装置(20)的第二干涉仪臂(A2)，
‑
用所述MIR激光器产生所述样品光束(S、S1、S2)，并在所述第一干涉仪臂(A1)中照射所述样品，
‑
用所述MIR激光器产生所述探测光束(P)，并沿所述第二干涉仪臂(A2)定向，
‑
用所述第二干涉仪臂(A2)中的所述相位调制装置(20)控制所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)之间的所述相对相位，以及
‑
在所述样品光束(S、S1、S2)与所述样品相互作用之后，将所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)重新组合，用于在所述MIR频率范围内对所述样品光束(S、S1、S2)进行所述多外差检测。12.根据权利要求10或11所述的粒子分析方法，其中
‑
所述相位调制装置(20)包括声光延迟线(21)或机械相位调制器(22)，尤其是超声波发生器。13.根据权利要求9所述的粒子分析方法，其中
‑
所述光源装置(10)包括与第一MIR生成装置(15)耦合的第一脉冲激光源(13)和与第二MIR生成装置(16)耦合的第二脉冲激光源(14)、或多个MIR激光器，
‑
所述相位调制装置(20)包括重复率和载波包络偏移相位控制装置(23)，所述重复率和载波包络偏移相位控制装置(23)与所述第一和第二脉冲激光源(13、14)或多个MIR激光器相耦合，
‑
用所述第一MIR生成装置(15)产生所述样品光束(S、S1、S2)，
‑
用所述第二MIR生成装置(16)产生所述探测光束(P)，
‑
用所述重复率和载波包络偏移相位控制装置(23)控制所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)之间的所述相对相位和载波包络偏移相位，以及
‑
在所述样品光束(S、S1、S2)与所述样品相互作用之后，将所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)重新组合，用于在所述MIR频率范围内对所述样品光束(S、S1、S2)进行所述多外差检测。14.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，进一步包括参比测量，其中
‑
用所述样品光束(S、S1、S2)照射所述流体样品(1)的步骤包括，在无任何粒子的情况下对所述鞘液(2)照射所述预定的照射周期，
‑
用所述检测器装置(40)检测所述样品光束和探测光束(S、S1、S2、P)，以及
‑
基于所述检测器装置(40)的输出，提供所述鞘液(2)的光谱参考响应。15.根据权利要求14所述的粒子分析方法，其中
‑
所述参比测量在沿着所述样品通道(31)彼此分开的两个照射位置(P1、P2)处进行，从而粒子可以位于所述两个照射位置(P1、P2)中的至多一个位置。16.根据权利要求15所述的粒子分析方法，其中
‑
所述照射位置(P1、P2)之间的间隔等于所述待分析粒子(3、4)直径的1倍到2倍，或所述照射位置(P1、P2)被所述样品光束的光束直径所分隔。17.根据权利要求14所述的粒子分析方法，其中
‑
所述参比测量在包含于不同样品通道(31、32)中的两个照射位置(P3、P4)处进行。18.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，进一步包括在多个样品通道(31、32)中的并行测量，包括
‑
使所述流体样品(1)流经第一样品通道(31)和至少一个另外的样品通道(32)，和
‑
用所述样品光束(S1、S2)通过所述样品光束(S1、S2)的分离样品光束路径来照射所述流体样品(1)，从而在所述第一样品通道(31)中对第一粒子(3)照射预定的照射周期，在所述至少一个另外的样品通道(32)中对至少一个另外的粒子(4)照射预定的照射周期，
‑
用所述检测器装置(40)检测所述第一和至少一个另外的样品通道(31、32)的所述样品光束和探测光束(S1、S2、P)，
‑
基于所述检测器装置(40)的输出，提供所述粒子(3、4)的第一光谱响应和至少一个另外的光谱响应，和
‑
基于所述第一和至少一个另外的粒子(3、4)的所述第一和至少一个另外的光谱响应，
确定所述第一和至少一个另外的粒子(3、4)的粒子特性。19.根据权利要求18所述的粒子分析方法，包括
‑
在所述粒子(3、4)的所述第一光谱响应和第二光谱响应之间提供差分光谱响应。20.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，其中
‑
在100cm
‑1至4000cm
‑1的频率范围内，所述至少一个宽带源的所述发射光谱覆盖至少30cm
‑1的频率间隔，尤其至少100cm
‑1。21.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，其中
‑
照射所述样品的所述至少一个样品光束(S、S1、S2)具有等于或大于0.1mW的输出功率，特别是等于或大于1mW的输出功率。22.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，其中
‑
所述至少一个宽带源稳定运行，且在不加热所述粒子(3、4)的情况下，以连续运行模式对所述流体样品(1)进行研究。23.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，其中
‑
所述粒子(3、4)的横截面尺寸小于100μm。24.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，其中
‑
所述流体样品(1)包含生物样品，所述至少一个粒子(3、4)包括至少一个生物细胞、细胞群或细胞组分。25.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，进一步包括下述步骤
‑
流体样品和粒子处理，包括控制所述流体样品(1)流经所述样品通道(31、32)的时间、所述流体样品(1)流经所述样品通道(31、32)的流速以及所述流体样品(1)中粒子(3、4)的密度中的至少一项。26.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，其中
‑
所述流体样品(1)的流速的范围为0.1mm/s至100mm/s。27.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，包括下述步骤
‑
收集诊断相关信息。28.根据前述权利要求中一项所述的粒子分析方法，其中所述至少一个粒子的所述粒子特性包括以下至少一种
‑
所述粒子(3、4)的化学成分，
‑
所述粒子(3、4)的物理状态，
‑
在生物有机体循环中生物细胞的细胞类型，尤其是健康细胞、肿瘤细胞和干细胞中的至少一种。29...

【专利技术属性】
技术研发人员：费伦茨，
申请(专利权)人：路德维希马克西米利安慕尼黑大学，
类型：发明
国别省市：