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DE102011008788B3 - Arrangement for performing a single-sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy - Google Patents

Arrangement for performing a single-sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy Download PDF

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DE102011008788B3
DE102011008788B3 DE201110008788 DE102011008788A DE102011008788B3 DE 102011008788 B3 DE102011008788 B3 DE 102011008788B3 DE 201110008788 DE201110008788 DE 201110008788 DE 102011008788 A DE102011008788 A DE 102011008788A DE 102011008788 B3 DE102011008788 B3 DE 102011008788B3
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DE201110008788
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German (de)
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Prof. Dr. Popp Jürgen
Dr. Krafft Christoph
Sebastian Dochow
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Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
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Institut fur Photonische Technologien EV
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchführung einer Einzelprobenanalyse und -manipulation für die Raman-Mikrospektroskopie sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anordnung. Die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Durchführung einer Einzelprobenanalyse und -manipulation für die Raman-Mikrospektroskopie anzugeben, welche kein Mikroskop und nur einen Laser benötigt sowie gegenüber dem Stand der Technik geringere Leistungsdichten ermöglicht wird dadurch gelöst, dass die Anordnung ein planares Substrat (1) umfasst, in welchem ein Kanal (11) für den Transport von Proben und Kanäle (12), in denen optische Fasern (4; 6) liegen, eingebracht sind, wobei der Kanal (11) einen Einlass (111), welcher mit Mitteln (81) zur Probenzuführung verbunden ist, sowie einen Auslass (112), welcher mit Mitteln (9) zur Probenabführung verbunden ist, aufweist und in dem Kanal (11) zwischen dem Einlass (111) und dem Auslass (112) eine Laserfalle (5) angeordnet ist, in welche die Fasern (4; 6) optisch eingekoppelt sind. Dabei sind die optischen Fasern (4) mindestens zwei Anregungs- und Fangfasern (41) und die optischen Fasern (6) eine Vielzahl von Sammelfasern (61), welche zentrisch auf die Laserfalle (5) zulaufen, wobei eine Anregungs- und Fangfaser (41) aus einer einzelnen Faser gebildet ist, über die Anregungs- und Fangfasern (41) gleichzeitig Anregungs- und Fanglaserlicht in die Laserfalle (5) einkoppelbar ist, über die Sammelfasern (61) aus der Laserfalle (5) Streulicht auskoppelbar ist, durch die Mittel (81) Einzelproben generierbar sind, durch die Mittel (9) die Einzelproben sortierbar sind, und dabei die Sammelfasern (61) in ein Raman-Spektrometer (7) und die Anregungs- und Fangfasern (41) in einen Laser (2) mit Strahlteiler (3) münden, wobei durch den Laser (2) unfokussierte Laserstrahlen generierbar sind.The present invention relates to an arrangement for carrying out a single sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy as well as a method for operating such an arrangement. The object of the invention to provide an arrangement for carrying out a single sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy, which does not require a microscope and only a laser and enables lower power densities compared to the prior art, is achieved in that the arrangement has a planar substrate (1 ), in which a channel (11) for the transport of samples and channels (12) in which optical fibers (4; 6) are located are introduced, the channel (11) having an inlet (111) which is provided with means (81) is connected for sample supply, and an outlet (112) which is connected to means (9) for sample removal, and in the channel (11) between the inlet (111) and the outlet (112) a laser trap (5 ) is arranged, in which the fibers (4; 6) are optically coupled. The optical fibers (4) are at least two excitation and capture fibers (41) and the optical fibers (6) are a plurality of collection fibers (61) which run centrally towards the laser trap (5), with an excitation and capture fiber (41 ) is formed from a single fiber, via the excitation and capture fibers (41), excitation and capture laser light can be coupled into the laser trap (5) at the same time, via the collection fibers (61) scattered light can be coupled out of the laser trap (5) through the means (81) Individual samples can be generated by means of (9) the individual samples can be sorted, and the collecting fibers (61) in a Raman spectrometer (7) and the excitation and capture fibers (41) in a laser (2) with beam splitter (3) open out, whereby unfocused laser beams can be generated by the laser (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchführung einer Einzelprobenanalyse und -manipulation für die Raman-Mikrospektroskopie gemäß der Gattung der Patentansprüche, insbesondere auf Mikrochipbasis für Einzelpartikel, einzelne biologische Zellen oder einzelne Flüssigkeitkompartimente, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anordnung.The invention relates to an arrangement for carrying out a single-sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy according to the preamble of the claims, in particular microchip-based for individual particles, individual biological cells or individual liquid compartments, and a method for operating such an arrangement.

Der in der Raman-Spektroskopie genutzte Raman-Effekt (die inelastische Lichtstreuung) ist ein intrinsisch schwacher Prozess, welcher eine Messdauer im Bereich von mehreren Sekunden erfordert. Während dieser Zeit muss ein Einzelpartikel in Lösung im Anregungsbereich gehalten werden. Für die Durchführung der Raman-Mikrospektroskopie sind bereits verschiedene Anordnungen bekannt, die mit optischen Fallen arbeiten.The Raman effect (inelastic light scattering) used in Raman spectroscopy is an intrinsically weak process that requires a measurement duration in the range of several seconds. During this time, a single particle must be kept in solution in the excitation area. For the implementation of Raman microspectroscopy various arrangements are already known which operate with optical traps.

So offenbart bspw. WO 2007/141539 A1 ein Mikrofluidsystem für die Raman-Mikrospektroskopie, welches eine Strahlungsquelle zum Anregen des Raman-Effekts an einen Partikel (s. g. Anregungsstrahlung) und Mittel zum optischen Einfangen des Partikels in einer optischen Falle umfasst, wobei diese Mittel den Partikel während des Raman-Prozesses in der optischen Falle fixieren. Die Mittel zur Ausbildung der optischen Falle bestehen dabei aus einer Doppelstrahlanordnung, in welcher Laserstrahlen zum Fixieren des Partikels (s. g. Fangstrahlung) verwendet werden. Die Anregungsstrahlung (mit einer Wellenlänge von 785 nun), welche durch eine Laserdiode erzeugt wird, ist dabei gegenüber der Fangstrahlung (mit einer Wellenlänge von 1070 nm), welche durch mindestens zwei Laserquellen erzeugt wird, in einem Winkel von 90° angeordnet (orthogonale Zweistrahlanordnung). Die Anregungsstrahlung wird dabei über ein Raman-Mikroskop auf die in der optischen Falle fixierte Probe fokussiert, welche sich in einem Kanal (Kapillare) befindet, die in einem planaren Glassubstrat verläuft.Thus, for example, discloses. WO 2007/141539 A1 a microfluidic system for Raman microspectroscopy, which comprises a radiation source for exciting the Raman effect on a particle (sg excitation radiation) and means for optically trapping the particle in an optical trap, which means the particles in the optical Raman process Fix the trap. The means for forming the optical trap consist of a double-beam arrangement in which laser beams are used to fix the particle (sg capture radiation). The excitation radiation (with a wavelength of 785 nm), which is generated by a laser diode, is at an angle of 90 ° relative to the capture radiation (with a wavelength of 1070 nm), which is generated by at least two laser sources (orthogonal two-beam arrangement ). The excitation radiation is focused via a Raman microscope on the fixed in the optical trap sample, which is located in a channel (capillary), which runs in a planar glass substrate.

Das durch die Anregung erzeugt Streulicht wird durch ein Mikroskopobjektiv senkrecht zur Fixierungsebene fokussiert und einem Mehrkanalspektrometer (Raman-Spektrometer) zugeführt. Der Nachteil dieser technischen Lösung gemäß WO 2007/141539 A1 besteht darin, dass mindestens zwei Laser und ein Raman-Mikroskop benötigt werden, was einen komplexen und teuren Aufbau des Systems zur Folge hat. Hinzu kommt, dass die Rarnan-Anregungsstrahlung auf den Einzelpartikel, bspw. eine biologische Zelle, fokussiert wird, was zu Strahlungsschäden durch die hohe Leistungsdichte im Fokus führen kann.The scattered light generated by the excitation is focused by a microscope objective perpendicular to the fixation plane and fed to a multi-channel spectrometer (Raman spectrometer). The disadvantage of this technical solution according to WO 2007/141539 A1 is that at least two lasers and a Raman microscope are needed, resulting in a complex and expensive construction of the system. In addition, the Rarnan excitation radiation is focused on the individual particles, for example a biological cell, which can lead to radiation damage due to the high power density in the focus.

Aus der Publikation „Dual beam fibre trap for Raman microspectroscopy of single cells (P. R. T. Jess, V. Garcés-Chávez, D. Smith, M. Mazilu, L. Paterson, A. Riches, C. S. Herrington, W. Sibbett and K. Dholakia; in Optic Express 2006; 14; 5779–5791) ist eine gegenüber WO 2007/141539 A1 ähnliche Anordnung für die Raman-Mikrospektroskopie bekannt, bei der die Anregungsstrahlung (mit einer Wellenlänge von 785 nm) gegenüber der Fangstrahlung (mit einer Wellenlänge von 1070 nm), ebenfalls in einem Winkel von 90° angeordnet (orthogonale Zweistrahlanordnung) ist. Auch bei dieser technischen Lösung wird die Anregungsstrahlung über ein Raman-Mikroskop auf die einer optischen Falle fixierte Probe fokussiert und das durch die Anregung erzeugt Streulicht durch ein Mikroskopobjektiv senkrecht zur Fixierungsebene fokussiert und einem Raman-Spektrometer zugeführt, so dass auch bei dieser Anordnung die für WO 2007/141539 A1 benannten Nachteile bestehen.From the publication "Dual beam fiber trap for Raman microspectroscopy of single cells" (PRT Jess, V. Garcés-Chávez, D. Smith, M. Mazilu, L. Paterson, A. Riches, CS Herrington, W. Sibbett and K. Dholakia ; in Optic Express 2006; 14; 5779-5791) is one opposite WO 2007/141539 A1 similar arrangement for Raman microspectroscopy is known, in which the excitation radiation (with a wavelength of 785 nm) to the capture radiation (with a wavelength of 1070 nm), also arranged at an angle of 90 ° (orthogonal two-beam arrangement). In this technical solution as well, the excitation radiation is focused on the sample fixed to an optical trap via a Raman microscope and the scattered light generated by the excitation is focused through a microscope objective perpendicular to the fixation plane and fed to a Raman spectrometer, so that even in this arrangement WO 2007/141539 A1 named disadvantages exist.

Aus der Publikation „Fiber probe based microfluidic raman spectroscopy (P. C. Ashok, G. P. Singh, K. M. Tan and K. Dholakia; in Optic Express 2010; 18; 7642–7649) ist bekannt, dass biologische, in einern mikrofluidischen Kanal eines Chips befindliche Zellen in Richtung des Kanals (d. h. in Fließrichtung der Zellen) über eine optische Faser mit einem Raman-Anregungslaser bestrahlt werden, wobei senkrecht dazu über eine weitere optische Faser das von den Zellen gestreute Licht gesammelt und an ein Raman-Spektrometer weitergeleitet wird.It is known from the publication "Fiber sample based microfluidic raman spectroscopy" (PC Ashok, GP Singh, KM Tan and K. Dholakia, in Optic Express 2010; 18; 7642-7649) that biological cells located in a microfluidic channel of a chip are in Direction of the channel (ie, in the flow direction of the cells) are irradiated via an optical fiber with a Raman excitation laser, wherein perpendicular to the collected light via a further optical fiber, the light scattered by the cells and forwarded to a Raman spectrometer.

Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass nur eine Vielzahl von Zellen einer Probe vermessen werden kann und eine Einzelzellanalyse und -manipulation (z. B. nachgeschaltete Zellsortierung) vermittels dieser Lösung nicht möglich ist.The disadvantage of this technical solution is that only a large number of cells of a sample can be measured and a single cell analysis and manipulation (eg downstream cell sorting) by means of this solution is not possible.

Darüber hinaus sind s. g. optische Pinzetten, bspw. aus der Publikation „An integrated optofluidic platform for Raman-activated cell sorting (A. Y. Lau, L P. Lee and J. W. Chan; in Lab Chip; 2008; 8; 1116–1120), bekannt. Der Nachteil bei der Verwendung dieser optischen Pinzetten für die herkömmliche Raman-Spektroskopie gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass das bzgl. der Offenbarung von WO 2007/141539 A1 bereits zuvor stehend erläuterte Problem der hohen Leistungsdichten bei Einzelzellen besteht, was zu Strahlungsschäden dieser führen kann.In addition, optical tweezers are known, for example, from the publication "An integrated optofluidic platform for Raman-activated cell sorting" (AY Lau, L P. Lee and JW Chan, in Lab Chip, 2008; 8; 1116-1120). The disadvantage of using these optical tweezers for the conventional Raman spectroscopy according to the prior art is that the disclosure of WO 2007/141539 A1 already discussed standing problem of high power densities in single cells, which can lead to radiation damage this.

Aus der Druckschrift von Dochow, S; Henkel, Th.; Kraft, C. und Popp, J: Manipulation und Identifikation von einzelnen Zellen mittels Mkrofluidik in Kombination mit optischen Fallen und Raman-Spektroskopie, in: Jahresbericht 2009 des IPhT, Jena, 2009, S. 34–35, ist eine Anordnung bekannt, die ein planares Substrat, in welchem ein Kanal für den Transport von Proben und Kanäle, in denen optische Fasern liegen, eingebracht sind, wobei der Kanal einen Einlass, welcher mit Mitteln zur Probenzuführung verbunden ist, sowie einen Auslass umfasst, welcher mit Mitteln zur Probenabführung verbunden ist, wobei durch dieses Einzelproben generierbar und sortierbar sind. Dabei ist um den Kanal zwischen dem Einlass und dem Auslass eine Laserfalle angeordnet, in welche die Fasern optisch eingekoppelt sind, wobei die optischen Fasern mindestens zwei Anregungs- und Fangfasern sind. Diese Anregungs- und Fangfasern münden in einen Laser mit Strahlteiler, so dass durch den Laser unfokussierte Laserstrahlen generierbar sind. Das aus dieser Anordnung ausgekoppelte Licht wird von einem Objektiv eines Mikroskops aufgefangen, wobei die numerische Appertur des Objektivs einen Einfluss auf die Ausbeute des Lichtes, welches dem Raman-Spektrometer zugefürt wird, ausübt.From the book by Dochow, S; Henkel, Th .; Kraft, C. and Popp, J: Manipulation and identification of individual cells by Mkrofluidik in combination with optical traps and Raman spectroscopy, in: 2009 Annual Report of the IPhT, Jena, 2009, pp. 34-35, an arrangement is known a planar substrate in which a channel for the transport of samples and channels, in which optical fibers lie, are introduced, wherein the channel an inlet, which is connected to means for sample introduction, as well as an outlet, which is connected to means for sample removal, by which individual samples can be generated and sorted. In this case, a laser trap is arranged around the channel between the inlet and the outlet, into which the fibers are optically coupled, wherein the optical fibers are at least two excitation and trapping fibers. These excitation and catching fibers lead into a laser with a beam splitter, so that unfocussed laser beams can be generated by the laser. The light coupled out of this arrangement is picked up by a lens of a microscope, the numerical aperture of the lens exerting an influence on the yield of the light supplied to the Raman spectrometer.

Die Druckschrift von Neugebauer, U.; Dochow, S.; Kraft, O. und Popp, J: Chip-basierte spektroskopische Diagnostik zur Identifizierung zirkulierender Tumorzellen, In: Photonik, 2011, Vol. 1; S. 17 offenbart neue Mikrofluidik-Systeme zur schnellen Diagnose und effizienten Theraphieüberwachung von Krebserkrankungen vermittels Raman-Spektroskopie, wobei eine Mikromanipulation und Sortierung einzelner Zellen auf dem Chip erfolgt und das aus dem Chip ausgekoppelte Licht von einem Objektiv eines Mikroskops aufgefangen und an das Raman-Spektrometer weitergeleitet wird. Die Mikromanipulation erfolgt dabei mit einem Raman-Anregungslaser, der als optische Pinzette dient, um die zu untersuchende Zelle während der Raman- spektroskopischen Messung im Fokus zu halten. Die Zellsortierung erfolgt in einer quadratischen Kapillare im Chip, wobei das Fangen der Zellen getrennt von den Raman-Messungen erfolgt. Dazu üben die Fanglaser eine größere Kraft auf die Zellen aus, als die Anregungslaser.The publication by Neugebauer, U .; Dochow, S .; Kraft, O. and Popp, J: Chip-based Spectroscopic Diagnosis for the Identification of Circulating Tumor Cells, In: Photonik, 2011, Vol. 1; P. 17 discloses novel microfluidic systems for the rapid diagnosis and efficient therapy of cancer cancers by means of Raman spectroscopy, in which micro-manipulation and sorting of individual cells takes place on the chip and the light coupled out of the chip is picked up by a microscope objective and transmitted to the Raman. Spectrometer is forwarded. The micromanipulation is carried out with a Raman excitation laser, which serves as optical tweezers to keep the cell to be examined in focus during the Raman spectroscopic measurement. The cell sorting takes place in a square capillary in the chip, wherein the capture of the cells takes place separately from the Raman measurements. For this purpose, the capture lasers exert a greater force on the cells than the excitation laser.

Der Nachteil der zuvor stehenden Anordnung und der zuvor stehenden Methode besteht darin, dass ein Mikroskop erforderlich ist, mindestens zwei Laser benötigt werden und die Ausbeute des vermittels der Raman-Spektroskopie zu untersuchenden Lichtes von der numerischen Appertur des Mikroskopobjektivs abhängig ist.The disadvantage of the above arrangement and the previous method is that a microscope is required, at least two lasers are needed and the yield of the light to be examined by Raman spectroscopy depends on the numerical aperture of the microscope objective.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Durchführung einer Einzelprobenanalyse und -manipulation für die Raman-Mikrospektroskopie, insbesondere auf Mikrochipbasis für Einzelpartikel, einzelne biologische Zellen oder einzelne Flüssigkeitkompartimente anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere kein Mikroskop und nur einen Laser benötigt sowie gegenüber dem Stand der Technik geringere Leistungsdichten ermöglicht.The invention is therefore based on the object of specifying an arrangement for carrying out a single-sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy, in particular microchip-based for individual particles, individual biological cells or individual liquid compartments, which avoids the disadvantages of the prior art, in particular no microscope and requires only one laser and allows lower power densities compared to the prior art.

Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, dass die Anordnung eine Manipulation (bspw. adressbare Sortierung der Einzelpobe) nach der Raman- spektrometrischen Vermessung ermöglicht.Furthermore, the object of the invention is that the arrangement allows manipulation (for example addressable sorting of the single-pobe) according to the Raman spectrometric measurement.

Darüber hinaus besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anordnung zur Durchführung einer Einzelprobenanalyse und -manipulation für die Raman-Mikrospektroskopie bereitzustellen.In addition, the object of the invention is to provide a method for operating such an arrangement for performing a single-sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß dem 1. Patentanspruch und ein Verfahren zum Betreiben dieser Anordnung gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an arrangement according to the first claim and a method for operating this arrangement according to claim 7. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Gemäß der Erfindung umfasst die Anordnung zur Durchführung von Einzelprobenanalysen und -manipulationen für die Raman-Mikrospektroskopie ein planares Substrat, in welchem ein Kanal für den Transport von Proben und Kanäle, in denen optische Fasern liegen, wobei um den Kanal für die Einzelproben eine Laserfalle angeordnet ist.According to the invention, the arrangement for carrying out single-sample analyzes and manipulations for Raman microspectroscopy comprises a planar substrate in which a channel for the transport of samples and channels in which optical fibers are located, wherein a laser trap is arranged around the channel for the individual samples is.

Der fluidische Kanal für die Einzelproben verfingt über einen Einlass, welcher mit Mitteln zur Probenzuführung verbunden ist, sowie über einen Auslass, welcher mit Mitteln zur Probenabführung verbunden ist.The fluidic channel for the discrete samples has an inlet connected to sample delivery means and an outlet connected to sample removal means.

Die Laserfalle, in welche die optischen Fasern optisch eingekoppelt sind, ist dabei zwischen dem Einlass und dem Auslass positioniert.The laser trap, in which the optical fibers are optically coupled, is thereby positioned between the inlet and the outlet.

Die optischen Fasern sind dabei mindestens zwei Anregungs- und Fangfasern, wobei durch jede dieser Fasern gleichzeitig sowohl Raman-Anregungs- als auch Fanglaserlicht leitbar ist. Über diese Anregungs- und Fangfasern ist gleichzeitig sowohl Raman-Anregungs- und Fanglaserlicht in die Laserfalle einkoppelbar.The optical fibers are at least two excitation and trapping fibers, whereby both Raman excitation and trapping laser light can be conducted simultaneously through each of these fibers. At the same time both Raman excitation and capture laser light can be coupled into the laser trap via these excitation and capture fibers.

Darüber hinaus umfassen die optischen Fasern auch eine Vielzahl von Sammelfasern, welche zentrisch auf die Laserfalle zulaufen. Über diese Sammelfasern ist Streulicht aus der Laserfalle auskoppelbar.In addition, the optical fibers also include a plurality of collection fibers which converge towards the laser trap. Scattering light can be coupled out of the laser trap via these collecting fibers.

Erfindungswesentlich dabei ist, dass eine optische Faser als eine Anregungs- und Fangfaser ausgebildet ist, die gleichzeitig das Anregungslaserlicht und das Fanglaserlicht transportiert, wobei unfokussiertes Laserlicht einer Wellenlange von 785 nm in die optische Faser eingespeist wird. Im Rahnen der Erfindung liegt jedoch auch, dass andere Wellenlängen, wie bspw. 633 nm oder 1064 nm verwendet werden können.It is essential to the invention that an optical fiber is designed as an excitation and trapping fiber which simultaneously transports the excitation laser light and the trapping laser light, wherein unfocused laser light of a wavelength of 785 nm is fed into the optical fiber. However, it is also within the scope of the invention that other wavelengths, such as 633 nm or 1064 nm, may be used.

Alternativ dazu besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass in eine optische Faser gleichzeitig Laserlicht mit einer Wellenlänge von 785 nm und 1070 nm eingespeist wird. Im Rahmen der Erfindung liegt jedoch auch, dass andere Wellenlängen, wie bspw. 633 mit oder 1064 nm verwendet werden können. Alternatively, however, there is also the possibility that laser light having a wavelength of 785 nm and 1070 nm is simultaneously fed into an optical fiber. However, it is also within the scope of the invention that other wavelengths, such as, for example, 633 nm or 1064 nm, can be used.

Dabei münden die Sammelfasern in ein Raman-Spektrometer und die Anregungs- und Fangfasern in einen einzigen Laser mit Strahlteiler münden, wobei durch den Laser unfokussierte Laserstrahlen generierbar sind.The collecting fibers open into a Raman spectrometer and the excitation and trapping fibers open into a single laser with a beam splitter, it being possible to generate unfocussed laser beams by the laser.

Gemäß der Erfindung sind Mittel zur Erzeugung von Einzelproben (Vorrichtungen zur Vereinzelung von Partikeln, biologischen Zellen oder Flüssigkeitstropfen) vorgesehen, die mit dem Einlass des fluidischen Kanals verbunden sind, wobei ein Generator (bspw. eine Spritzenpumpe) einen Fluidstrom durch den Kanal erzeugt, welcher die einzelnen Partikeln, biologischen Zellen oder Flüssigkeitstropfen in sich trägt.According to the invention, means are provided for producing individual samples (means for separating particles, biological cells or drops of liquid) connected to the inlet of the fluidic channel, wherein a generator (for example a syringe pump) generates a fluid flow through the channel the individual particles, biological cells or drops of liquid carries in itself.

Am Auslass dieses Kanals sind gemäß der Erfindung Mittel zur Sortierung der Einzelproben, welche nach der Raman- spektoskopischen Vermessung erfolgt (bspw. in Form eines Übergangs des Kanals in eine Vielzahl verästelter Kanäle in Kapillarform, welche in Einzelgefäße münden können) vorgesehen.According to the invention, at the outlet of this channel are means for sorting the individual samples, which is carried out according to the Raman spectroscopic measurement (for example in the form of a passage of the channel into a multiplicity of branched channels in capillary form, which can open into individual vessels).

Besonders vorteilhaft ist das Substrat als Chip aus Quarzglas und der Kanal als Kapillare ausgeführt, wobei die nichtfluidischen Kanäle als Führungen für die optischen Fasern ausgeführt sind.Particularly advantageously, the substrate is designed as a chip made of quartz glass and the channel as a capillary, wherein the non-fluidic channels are designed as guides for the optical fibers.

Dabei sind zwei Anregungs- und Fangfasern zu dem fluidischen Kanal jeweils in einem Winkel von 90° angeordnet.In this case, two excitation and catching fibers are arranged to the fluidic channel in each case at an angle of 90 °.

Beim bestimmungsgemäßen Betreiben der erfindungsgemäßen Anordnung wird in die Anregungs- und Fangfasern (d. h. Anregungs- und Fangstrahlung wird durch eine Faser geleitet) Laserlicht eines Lasers über einen Strahlenteiler (mit einer Wellenlänge von 785 nm oder mit Wellenlängen von 785 nm und 1070 nm) eingekoppelt.When the inventive arrangement is operated as intended, laser light from a laser is coupled into the excitation and capture fibers (i.e., excitation and capture radiation through a fiber) via a beam splitter (having a wavelength of 785 nm or wavelengths of 785 nm and 1070 nm).

Die einzelnen Bestandteile der Anordnung, wie bspw. Laser, Strahlteiler, Pumpe, Raman-Spektrometer sind Signal- leitend mit einen Computer verbunden, so dass eine Steuerung und Regelung der Bestandteile sowie eine Datenerfassung (insbesondere der Raman-Spektren) erfolgen kann.The individual components of the arrangement, such as. Lasers, beam splitters, pump, Raman spectrometers are signal-conducting connected to a computer, so that control and regulation of the components and data acquisition (in particular the Raman spectra) can be done.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung einer Einzelprobenanalyse und -manipulation für die Raman-Mikrospektroskopie sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass kein Raman-Mikroskop erforderlich ist, nur ein Laser benötigt wird und dass einzelne Partikel, einzelne biologische Zellen oder einzelne Flüssigkeitstropfen (bspw. wässriges System in einem öligen System für den seriellen Fluss von Einzelzellen oder -tropfen) Raman- spektroskopisch vermessen und anschließend sortiert werden können, wobei gegenüber dem Stand der Technik geringere Leistungsdichten für den Raman-Effekt erforderlich sind. Die erfindungsgemäße reduzierte Leistungsdichte, die insbesondere bei biologischen Zellen das Risiko von Strahlenschäden wesentlich verringert, wird dadurch erreicht, dass gegenüber dem Stand der Technik nicht mit fokussiertem sondern mit unfokussiertem Laserlicht in der Laserfalle gearbeitet wird. Dadurch wird im Gegensatz zum Stand der Technik auch das gesamte Einzelpartikel-, Einzellzell- oder Einzelflüssigkeitstropfenvolumen durch die Anregungsstrahlung ausgeleuchtet, was eine höhere Spezifität der Raman-Klassifizierung ermöglicht, da nicht nur das Anregungsvolumen des fokussierten Laserstrahls verwendet wird. (Gemäß WO 2007/141539 A1 kann nur ein Signal aus dem Fokus kommen, welcher im Verhältnis zum Partikel, der Zelle oder dem Tropfen klein ist.) Durch den erfindungsgemäßen Einsatz divergierender Laserstrahlen wird die gesamte Partikel, die gesamte Zelle oder der gesamte Tropfen ausgeleuchtet, wodurch man ein Streusignal des gesamten Partikels, der gesamte Zelle oder des gesamte Tropfens gemäß der Erfindung mit einer Vielzahl von Sammelfasern detektieren kann. (Dadurch ist es bei biologischen Zellen bspw. möglich, laterale Schwankungen in der Konzentration des Zytoplasmas sowie dessen zellspezifische Verteilung außer Acht zu lassen, was eine Zellidentifikation wesentlich genauer macht.) Durch die Vielzahl von Sammelfasern, welche um das Anregungsvolumen positioniert sind, ist für die erfindungsgemäße Anordnung gegenüber dem Stand der Technik kein Mikroskop/Objektiv erforderlich, was die Anschaffungskosten der Anordnung enorm senkt.The advantage of the inventive arrangement for carrying out a single sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy and the inventive method is that no Raman microscope is required, only one laser is needed and that individual particles, individual biological cells or individual liquid drops (eg aqueous system in an oily system for the serial flow of single cells or droplets) can be measured by Raman spectroscopy and then sorted, whereby lower power densities for the Raman effect are required compared to the prior art. The reduced power density according to the invention, which substantially reduces the risk of radiation damage, especially in the case of biological cells, is achieved by working not with focused but with unfocussed laser light in the laser trap compared with the prior art. As a result, in contrast to the prior art, the entire single particle, single cell or single liquid drop volume is illuminated by the excitation radiation, which allows a higher specificity of the Raman classification, since not only the excitation volume of the focused laser beam is used. (According to WO 2007/141539 A1 Only one signal can come out of focus, which is small in relation to the particle, the cell or the droplet.) Through the use of divergent laser beams according to the invention, the entire particle, the entire cell or the entire droplet is illuminated, resulting in a scattered signal of the entire Particles, the entire cell or the entire drop according to the invention with a plurality of collection fibers can detect. (This makes it possible, for example, for biological cells to disregard lateral fluctuations in the concentration of the cytoplasm and its cell-specific distribution, which makes cell identification much more accurate.) The plurality of collection fibers positioned around the excitation volume is for the arrangement of the invention over the prior art no microscope / lens required, which greatly reduces the cost of the arrangement.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Vielzahl von Sammelfasern wird auch gegenüber dem Stand der Technik der Raumwinkel für das aufzunehmende Streulicht vergrößert, so dass eine Vergrößerung des gesammelten Streusignals erfolgt, so dass auch das Signal- zu Rausch-Verhältnis entscheidend verbessert wird.As a result of the use according to the invention of a large number of collection fibers, the solid angle for the scattered light to be recorded is also increased compared with the prior art, so that an increase of the collected scattering signal takes place, so that the signal-to-noise ratio is decisively improved.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Laserfalle und die Raman- spektroskopischen Messungen durch eine zur Raman-Spektroskopie geeigneten Laser (bspw. mit einer Wellenlänge von 758 nm oder 633 nm) generiert werden können, wodurch die Absorption durch die Einzelprobe gegenüber dem Stand der Technik (Fanglaser mit 1070 nm) verringert wird.A further advantage is that the laser trap and the Raman spectroscopic measurements can be generated by a laser suitable for Raman spectroscopy (for example with a wavelength of 758 nm or 633 nm), whereby the absorption by the individual sample compared to the state of the art Technology (capture laser with 1070 nm) is reduced.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand des Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert. Dabei zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to the embodiment and the figure. Showing:

1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung einer Einzelprobenanalyse und -manipulation für die Raman-Mikrospektroskopie sowie 1 : A schematic representation of an inventive arrangement for performing a single sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy and

2: eine schematische Detaildarstellung eines Substrats gemäß 1. 2 : a schematic detail of a substrate according to 1 ,

Die in 1 und teilweise im Ausschnitt in 2 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung einer Einzelprobenanalyse und -manipulation für die Raman-Mikrospektroskopie umfasst ein planares Substrat (1), bspw. einen Chip, in welchem ein Kanal (11) für den Transport von Proben und Kanäle (12), in denen optische Fasern (4; 6) liegen, eingebracht sind, wobei der Kanal (11) einen Einlass (111), welcher mit Mitteln (81) zur Probenzuführung verbunden ist, sowie einen Auslass (112), welcher mit Mitteln (9) zur Probenabführung verbunden ist, aufweist und in dem Kanal (11) zwischen dem Einlass (111) und dem Auslass (112) eine Laserfalle (5) angeordnet ist, in welche die Fasern (4; 6) optisch eingekoppelt sind.In the 1 and partly in clipping in 2 The inventive arrangement for carrying out single-sample analysis and manipulation for Raman microspectroscopy comprises a planar substrate ( 1 ), for example a chip in which a channel ( 11 ) for the transport of samples and channels ( 12 ), in which optical fibers ( 4 ; 6 ) are introduced, wherein the channel ( 11 ) an inlet ( 111 ), which with funds ( 81 ) is connected to the sample supply, and an outlet ( 112 ), which with funds ( 9 ) is connected to the sample discharge, and in the channel ( 11 ) between the inlet ( 111 ) and the outlet ( 112 ) a laser trap ( 5 ) into which the fibers ( 4 ; 6 ) are optically coupled.

Die optischen Fasern (4) sind mindestens zwei Anregungs- und Fangfasern (41) und die optischen Fasern (6) sind eine Vielzahl von Sammelfasern (61), welche zentrisch auf die Laserfalle (5) zulaufen, wobei eine Anregungs- und Fangfaser (41) aus einer einzelnen Faser gebildet ist. Über die Anregungs- und Fangfasern (41) ist gleichzeitig Anregungs- und Fanglaserlicht in die Laserfalle (5) einkoppelbar.The optical fibers ( 4 ) are at least two excitation and capture fibers ( 41 ) and the optical fibers ( 6 ) are a plurality of collection fibers ( 61 ), which are centered on the laser trap ( 5 ), with an excitation and trapping fiber ( 41 ) is formed of a single fiber. About the excitation and trapping fibers ( 41 ) is simultaneously excitation and capture laser light in the laser trap ( 5 ) einkoppelbar.

Über die Sammelfasern (61) ist aus der Laserfalle (5) Streulicht auskoppelbar.About the collection fibers ( 61 ) is from the laser trap ( 5 ) Scattered light can be coupled out.

Durch die Mittel (81) in Form einer Vorrichtung zur Vereinzelung von Partikeln, biologischen Zellen oder Flüssigkeitstropfen, bspw. eine mikrofluiduische Fokussierung, sind Einzelproben erzeugbar und vermittels eines Generators (8) als Einzelproben durch den Kanal (11) transportierbar.By the means ( 81 ) in the form of a device for separating particles, biological cells or liquid drops, for example a microfluidic focusing, individual samples can be produced and by means of a generator ( 8th ) as individual samples through the channel ( 11 ) transportable.

Durch die Mittel (9), bspw. eine Verzweigung des Kanals (11) in mehrere Kapillaren, welche in nicht dargestellte Einzelgefäße münden können, sind die Einzelproben sortierbar.By the means ( 9 ), for example, a branch of the channel ( 11 ) into a plurality of capillaries, which can open into individual vessels, not shown, the individual samples are sortable.

Die Sammelfasern (61) münden in ein Raman-Spektrometer (7) und die Anregungs- und Fangfasern (41) münden in einen Laser (2) mit Strahlteiler (3), wobei durch den Laser (2) unfokussierte Laserstrahlen generierbar sind.The collection fibers ( 61 ) flow into a Raman spectrometer ( 7 ) and the excitation and trapping fibers ( 41 ) enter a laser ( 2 ) with beam splitter ( 3 ), whereby by the laser ( 2 ) unfocused laser beams can be generated.

Das Substrat (1) ist in diesem Beispiel als Chip aus Quarzglas und der Kanal (11) als Kapillare ausgeführt.The substrate ( 1 ) is in this example as a fused silica chip and the channel ( 11 ) performed as a capillary.

Die Kanäle (12) sind als Führungen für die optischen Fasern (4; 6) ausgeführt, wobei zwei Anregungs- und Fangfasern (41) zu dem Kanal (11) jeweils in einem Winkel von 90° angeordnet sind, wobei in die Anregungs- und Fangfasern (41) Laserlicht mit einer Wellenlänge von 785 nm oder mit Wellenlängen von 785 nm und 1070 nm eingekoppelt wird.The channels ( 12 ) are used as guides for the optical fibers ( 4 ; 6 ), wherein two excitation and trapping fibers ( 41 ) to the channel ( 11 ) are each arranged at an angle of 90 °, wherein the excitation and trapping fibers ( 41 ) Laser light with a wavelength of 785 nm or with wavelengths of 785 nm and 1070 nm is coupled.

Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All features described in the description, the exemplary embodiments and the following claims may be essential to the invention both individually and in any combination with one another.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
planares Substratplanar substrate
1111
Kanal für ProbenführungSampling channel
111111
Einlassinlet
111111
Auslassoutlet
1212
Kanäle für optische FasernChannels for optical fibers
22
Laserlaser
33
Strahlteilerbeamsplitter
44
optische Faseroptical fiber
4141
FangfasernFang fibers
55
Laserfallelaser trap
66
optische Faseroptical fiber
6161
Sammelfaserncollecting fibers
77
Raman-SpektrometerRaman spectrometer
88th
Generator für ProbenbewegungGenerator for sample movement
8181
Mittel zur ProbenzuführungMeans for sample delivery
99
Mittel zur ProbenabführungMeans for sample removal

Claims (8)

Anordnung zur Durchführung von Einzelprobenanalysen und -manipulationen für die Raman-Mikrospektroskopie umfassend ein planares Substrat (1), in welchem ein Kanal (11) für den Transport von Proben und Kanäle (12), in denen optische Fasern (4; 6) liegen, eingebracht sind, wobei der Kanal (11) einen Einlass (111), welcher mit ersten Mitteln (81) zur Probenzuführung verbunden ist, sowie einen Auslass (112), welcher mit zweiten Mitteln (9) zur Probenabführung verbunden ist, und durch die ersten Mittel (81) Einzelproben generierbar sowie durch die zweiten Mittel (9) die Einzelproben sortierbar sind, aufweist und um den Kanal (11) zwischen dem Einlass (111) und dem Auslass (112) eine Laserfalle (5) angeordnet ist, in welche die Fasern (4; 6) optisch eingekoppelt sind, wobei die optischen Fasern (4) mindestens zwei Anregungs- und Fangfasern (41) sind, wobei die Anregungs- und Fangfasern (41) in einen Laser (2) mit Strahlteiler (3) münden, so dass durch den Laser (2) unfokussierte Laserstrahlen generierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern (6) eine Vielzahl von Sammelfasern (61) sind, welche zentrisch auf die Laserfalle (5) zulaufen, und die Anregungs- und Fangfaser (41) aus einer einzelnen Faser gebildet ist, so dass über die Anregungs- und Fangfasern (41) gleichzeitig Anregungs- und Fanglaserlicht in die Laserfalle (5) einkoppelbar ist, wobei über die Sammelfasern (61) aus der Laserfalle (5) Streulicht auskoppelbar ist, und die Sammelfasern (61) in ein Raman-Spektrometer (7) münden.Arrangement for carrying out single-sample analyzes and manipulations for Raman microspectroscopy comprising a planar substrate ( 1 ), in which a channel ( 11 ) for the transport of samples and channels ( 12 ), in which optical fibers ( 4 ; 6 ) are introduced, wherein the channel ( 11 ) an inlet ( 111 ), which by first means ( 81 ) is connected to the sample supply, and an outlet ( 112 ), which with second means ( 9 ) is connected to the sample discharge and by the first means ( 81 ) Individual samples can be generated and by the second means ( 9 ) the individual samples are sortable, and around the channel ( 11 ) between the inlet ( 111 ) and the outlet ( 112 ) a laser trap ( 5 ) into which the fibers ( 4 ; 6 ) are optically coupled, wherein the optical fibers ( 4 ) at least two excitation and trapping fibers ( 41 ), the excitation and trapping fibers ( 41 ) into a laser ( 2 ) with beam splitter ( 3 ), so that through the laser ( 2 ) are generated unfocussed laser beams, characterized in that the optical fibers ( 6 ) a plurality of collection fibers ( 61 ) which are centered on the laser trap ( 5 ) and the excitation and trapping fiber ( 41 ) is formed of a single fiber, so that via the excitation and trapping fibers ( 41 ) simultaneously excitation and capture laser light in the laser trap ( 5 ) can be coupled, whereby over the collecting fibers ( 61 ) from the laser trap ( 5 ) Scattered light can be coupled out, and the collecting fibers ( 61 ) into a Raman spectrometer ( 7 ). Anordnung zur Durchführung von Einzelprobenanalysen und -manipulationen für die Raman-Mikrospektroskopie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Substrat (1) als Chip aus Quarzglas und der Kanal (11) als Kapillare ausgeführt ist.Arrangement for carrying out single-sample analyzes and manipulations for Raman microspectroscopy according to claim 1, characterized in that substrate ( 1 ) as a fused silica chip and the channel ( 11 ) is designed as a capillary. Anordnung zur Durchführung von Einzelprobenanalysen und -manipulationen für die Raman-Mikrospektroskopie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12) als Führungen für die optischen Fasern (4; 6) ausgeführt sind.Arrangement for carrying out single-sample analyzes and manipulations for Raman microspectroscopy according to claim 1, characterized in that the channels ( 12 ) as guides for the optical fibers ( 4 ; 6 ) are executed. Anordnung zur Durchführung von Einzelprobenanalysen und -manipulationen für die Raman-Mikrospektroskopie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Anregungs- und Fangfasern (41) zu dem Kanal (11) jeweils in einem Winkel von 90° angeordnet sind.Arrangement for carrying out single-sample analyzes and manipulations for Raman microspectroscopy according to claim 1, characterized in that two excitation and trapping fibers ( 41 ) to the channel ( 11 ) are each arranged at an angle of 90 °. Anordnung zur Durchführung von Einzelprobenanalysen und -manipulationen für die Raman-Mikrospektroskopie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (81) Vorrichtungen zur Vereinzelung von Partikeln, biologischen Zellen oder Flüssigkeitstropfen sind, durch die vermittels eines Generators (8) die Proben transportierbar sind.Arrangement for carrying out single sample analyzes and manipulations for Raman microspectroscopy according to claim 1, characterized in that the first means ( 81 ) Devices for separating particles, biological cells or drops of liquid, by means of a generator ( 8th ) the samples are transportable. Anordnung zur Durchführung von Einzelprobenanalysen und -manipulationen für die Raman-Mikrospektroskopie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (9) durch verzweigte Kapillaren ausgebildet sind, welche in Einzelgefäße münden.Arrangement for carrying out single sample analyzes and manipulations for Raman microspectroscopy according to claim 1, characterized in that the first means ( 9 ) are formed by branched capillaries, which open into individual vessels. Verfahren zum Betreiben einer Anordnung gemäß einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, bei dem in die Anregungs- und Fangfasern (41) Laserlicht mit einer Wellenlänge von 785 nm oder mit Wellenlängen von 785 nm und 1070 nm eingekoppelt wird.Method for operating an arrangement according to one or more of the preceding claims, in which the excitation and trapping fibers ( 41 ) Laser light with a wavelength of 785 nm or with wavelengths of 785 nm and 1070 nm is coupled. Verfahren zum Betreiben einer Anordnung gemäß einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Bewegung der Proben durch einen Generator (8) erzeugt wird.Method for operating an arrangement according to one or more of the preceding claims, in which the movement of the samples by a generator ( 8th ) is produced.
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