[发明专利]用于三维衍射成像的流式细胞仪系统及方法

说明书

相关申请 

本专利申请要求其优先权自2008年6月12日递交的，序号为61/060,993的美国临时专利申请计算，该申请公布的全部内容都包括在本专利申请之内。 

技术领域

本发明涉及流式细胞仪系统，特别是涉及可测量衍射图像信号与三维结构参数的流式细胞仪系统。 

背景技术

在生命科学研究中流式细胞仪系统可用来对包含大量生物细胞和粒子的群落进行定量分析。考虑用一束光(通常为单波长)照射经过流体力学聚焦的一流体。该流体一般包括作为载体的鞘流与包含许多粒子的样品流。这种流体一般可使单个粒子流过照射光束。多个传感器可用来收集发自被照射粒子位置的信号。例如，可将一个传感器置于靠近照射光束的位置测量前向散射光和将一个或多个传感器置于与照射光束垂直的方向测量侧向散射光。被照射的粒子可含荧光分子，用一个或多个荧光传感器可测量粒子所产生的荧光信号。每个流过照射光束的悬浮粒子都会产生散射光，其内的荧光分子则可能会产生频率小于照射光频率的荧光信号。散射光与荧光均可被测量并分析。 

通过流式细胞仪测量到的信号可用来确定所测粒子的物理与化学结构特征。例如，前向散射光可与粒子体积相关联，侧向散射光则可与粒子形状与内部结构特征相关联。使用高速传感器可快速测量散射光和/或荧光信号并据此对包含许多细胞的群落进行快速数据分析。例如，细胞群落可在一由荧光信号，前向散射光信号和/或侧向散射光信号定义的多维特征空间内分类。 

近年来，利用如电荷耦合器件(CCD)相机测量明场、暗场和荧光图像数据的图像流式细胞仪已经出现。这种图像流式细胞仪利用光学显微镜技术测量被照射粒子的二维图像，分析速度可达每秒一千个细胞。但是这种技术依赖于传统的明场或荧光显微镜方法，所获取的图像为粒子三维结构以非相干方式的二维投影复制图(第三维被压缩至“景深”之内)。这种二维图像因其不包括三维信息，尽管可用各种模式识别算法分析，但以现有的模式识别算法进行自动分析还是非常复杂，需要大量人工介入操作，非常困难。在粒子静止条件下共聚焦成像技术可用于在第三维方向上获取许多幅景深非常小的非衍射二维图像，然后叠加重建三维结构。但这种技术一般需要许多幅图像，因而不能应用于粒子流动速度较快的图像流式细胞仪。此外，现有的流式细胞仪中粒子的流速较高，信号的信噪比较低，这些特点会限制可从散射光和/或荧光信号中提取的信息量。 

发明内容

本发明的实现方法可为一种流式细胞仪系统其中包括由外层鞘流与内层样品流组成的可形成流体力学聚焦的流体控制器件。一个可照射位于内层样品流中单个粒子的相干光源。一个可用来探测被相干光源照射激发的粒子所产生的弹性散射光的空间分布的传感器。一个可用来从弹性散射光的空间分布提取该粒子的三维结构形态参数的分析模块。本发明的某些实现方法包括传感器可用来获得记录相干弹性散射光空间分布的衍射图像数据。 

在另外一些实现方法中，用一个非相干光源照射粒子并用一个传感器测量被非相干 光源激发的粒子产生的包括明场，暗场和荧光信号的非相干图像数据。系统的分析模块可设计用来结合衍射图像与非相干图像数据分析位于样品流的粒子。 

在另外一些实现方法中，可设计使用分析模块分析弹性散射光的相干分布对粒子进行分类。可设计使用分析模块分析衍射图像数据并提取粒子结构的体积信息，例如一个生物细胞内的细胞质体积和/或细胞核体积和/或线粒体体积。 

在另外一些实现方法中，流体控制器件设计用来形成为层流状的流相干。流体控制器件可包括一流动室，其材料的折射率与层流中的鞘流的折射率非常接近。流动室至少有一边面形状为平面或接近平面。 

在另外一些实现方法中，传感器设计用来探测在某一角度范围内的散射光，其中心角度与自相干光源入照的光传播方向呈某一角度，如90度。 

在另外一些实现方法中，可根据包括计算获得的衍射图像数据和/或实验确定的细胞结构的数据库分析提取三维结构参数。 

根据本发明更进一步的一些实现方法，通过流式细胞仪分析粒子并决定其三维结构参数的方法包括由外层鞘流与内层样品流组成的可形成流体力学聚焦的流体。位于内层样品流的粒子由一相干光源照射。测量相干光源激发下的粒子所产生的弹性散射光并从中提取粒子的三维结构参数。