DE3539922A1

DE3539922A1 - Verfahren zum betrieb eines mikroskopiergeraets

Info

Publication number: DE3539922A1
Application number: DE19853539922
Authority: DE
Inventors: Fred H. Northridge Calif. Deindoerfer
Original assignee: International Remote Imaging Systems Inc
Current assignee: Iris International Inc
Priority date: 1984-11-29
Filing date: 1985-11-11
Publication date: 1986-06-05
Also published as: GB2167880A; JPS61132841A; JPH0659782B2; GB2167880B; AU4906085A; AU563260B2; GB8529039D0; FR2573870A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Mikroskopiergeräts und bezieht sich insbesondere auf ein mikroskopisches Instrument mit einer Strömungszelle zum Analysieren von Teilchen in einer in der Zelle fließenden Fluidprobe.

Mikroskopiergeräte zum Analysieren von Teilchen, beispielsweise biologischen Partikeln sind allgemein bekannt. Es ist typisch, die Mikroskopiergeräte auf die Teilchen zu fokussieren, die sich entweder auf einem Objektträger befinden oder in einer in einer Strömungszelle fließenden Fluidprobe suspendiert sind. Der zuletzt genannte Fall ist allgemein bekannt. In US-PS

3 893 766 und RE 29 141 sowie US-PS 4 338 024 ist eine Art von Strömungszelle für ein Mikroskopiergerät offenbart, mit dem die darin fließenden Partikel analysiert werden können. In den beiden genannten Veröffentlichungen ist die Strömungszelle durch einen Einlaß und einen Auslaß sowie einen vom Einlaß zum Auslaß führenden Kanal gekennzeichnet. Der Kanal hat einen Abbildungsbereich, auf den das Mikroskopiergerät gerichtet ist. Die Dicke der Strömungszelle nimmt mit zunehmender Entfernung des Kanals vom Einlaß zum Abbildungsbereich ab. Gemäß US-PS

4 338 024 wird in die Strömungszelle auch ein umhüllendes Fluid eingeleitet, um die Fluidprobe vom Einlaß zum Auslaß zu führen. Gemäß US-PS 3 893 766 wird das umhüllende Fluid von einer Hüllfluidströmungseinrichtung gefördert, die eine Vielzahl von Röhrchen aufweist, welche sich in Richtung der Fluidströmung erstrecken und das Probenröhrchen umgeben. In keiner der genannten Veröffentlichungen sind jedoch die nötigen Parameter zum Betrieb des Mikroskopiergeräts im Zusammenhang mit den Abmessungen der Strömungszelle gelehrt oder vorgeschlagen.

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Mikroskopiergeräts. Das Mikroskopiergerät weist eine Mikroskopiereinrichtung zum Analysieren von Teilchen auf, die in einer Strömungszelle fließen. Die Strömungszelle hat einen Einlaß und einen Auslaß sowie einen vom Einlaß zum Auslaß führenden Kanal. Die Mikroskopiereinrichtung ist auf einen Abbildungsbereich zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Kanals gerichtet. Der Kanal zeichnet sich dadurch aus, daß seine Dicke zunächst

vom Einlaß zum Abbildungsbereich abnimmt, eine gleichbleibende Dicke erreicht und dann im Abbildungsbereich unverändert bleibt. Die Fluidprobe wird mit einem umhüllenden Fluid vom Einlaß zum Auslaß gefördert. Zu der Mikroskopiereinrichtung gehört auch eine auf den Abbildungsbereich fokussierte Optik. Zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gehört es, den Durchsatz des umhüllenden Fluids so zu wählen, daß im Abbildungsbereich eine planare, laminare Strömung erzeugt wird. Die Mikroskopiere inrichtung ist in Richtung parallel zur Dicke auf den Abbildungsbereich gerichtet. Die Arbeitsentfernung der Linse ist so gewählt, daß sie größer ist als die Hälfte der Dicke der Strömungszelle im Abbildungsbereich. Die Tiefenschärfe der Linse ist so gewählt, daß sie beträchtlich geringer ist als die Dicke der Strömungszelle im Abbildungsbereich. Es wird ein solcher Durchsatz der Fluidprobe aufrechterhalten, daß die Dicke der Fluidprobe im Abbildungsbereich geringer ist als die Tiefenschärfe der Linse.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung, an der das erfindungsgemäße Verfahren angewandt ist; Fig. 2 einen stark vergrößerten Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird; Fig. 4 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 im Schnitt gezeigt, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist. Zu der Vorrichtung 10 gehört eine Strömungszelle 12 mit einem Abbildungsbereich 14, auf den eine Mikroskopiereinrichtung 16 gerichtet ist. Die Mikroskopiereinrichtung 16 ist an einer Seite der Strömungszelle 12 angeordnet, während an der anderen Seite derselben eine Lichtquelle 18 zur Belichtung der Mikroskopiereinrichtung 16 vorgesehen ist. Die Strömungszelle 12 hat einen Einlaß 20, einen Auslaß 22 sowie einen vom Einlaß 20 zum Auslaß

22 führenden Kanal 24, der durch den Abbildungsbereich 14. führt. Durch die Strömungszelle 12 wird eine Fluidprobe geleitet, die hier interessierende Teilchen enthält, beispielsweise Blut oder Urin, und die durch den Einlaß 20 eintritt und dann durch den Kanal 24 zum Auslaß 22 geführt wird. Der Strömungszelle 12 werden außerdem umhüllende Fluide durch Fluideinlässe 26 und 28 zugeführt. Die Fluideinlässe 26 und 28 sind jeweils an einer Seite des Einlasses 2 0 und stromaufwärts von demselben angeordnet. Die Entfernung vom Einlaß 20, an dem die Fluidprobe in den Kanal 24 eintritt, bis zum Abbildungsbereich 14 ist mit L bezeichnet. Der Kanal 24 ist dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dicke und eine Breite hat, die mit zunehmender Entfernung des Kanals 24 vom Einlaß 20 bis zu einer Verengung 21 wesentlich abnimmt. Von der Verengung 21 bis zum Auslaß 22 bleibt die Dicke der Strömungszelle unverändert, während die Breite zunimmt. Die Querschnittsfläche der Strömungszelle nimmt vom Einlaß 20 zur Verengung 21 ab. Danach nimmt die Querschnittsfläche zu.

Zu der Mikroskopiereinrichtung 16 gehört eine Linse 30, die in Fig. 2 gezeigt ist.

Fig. 2 ist ein stark vergrößerter Querschnitt durch einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Strömungszelle 12. Der in Fig. 2 dargestellte Teil der Strömungszelle 12 ist der Teil in der Nähe des Abbildungsbereichs 14. Die Linse 30 ist auf den Abbildungsbereich 14 fokussiert und zeichnet sich durch eine Arbeitsentfernung W, sowie eine Tiefenschärfe F, aus. Die Dicke der Strömungszelle 12 im Abbildungsbereich 14 ist mit D bezeichnet. Die Fluidprobe hat im Abbildungsbereich 14 eine mit t bezeichnete Dicke.

Das Verfahren gemäß der Erfindung sieht vor, die Fluidprobe in die Strömung des umhüllenden Fluids einzulassen. Das Fluid (bestehend aus Fluidprobe und umhüllendem Fluid), wird durch die Verengung 21 geleitet, die einen rechteckigen Querschnitt hat, dessen Breite ein Vielfaches seiner Dicke ist. Im Abbildungsbereich 14 wird das Fluid in einer planaren Strömung gehalten.

Die Breite ist typischerweise 0,813 mm und die Dicke 0,050 mm. Der Durchsatz an Fluid ist so gewählt, daß eine laminare Strömung entsteht. Wie in ÜS-PS 3 893 766 angegeben, kann eine laminare Strömung mit Hilfe der Hüllfluidströmungseinrichtung aufrechterhalten werden, die eine Vielzahl von Röhrchen aufweist, welche sich durch die Mitte der Leitung in Richtung der Strömung erstrecken und das Probenröhrchen umgeben. Aufgabe der Röhrchen ist es, eine Turbulenz zu vermeiden, so daß das in die Strömungszelle eintretende Fluid "kollimiert" ist und nicht turbulent ist. Mit dem Eintritt in die Strömungszelle nimmt die Fluidprobe eine laminare Fluidströmung an. Eine laminare Strömung läßt sich ohne Röhrchen erzielen, wenn Fluid mit geringer Geschwindigkeit in eine ziemlich lange Leitung eingeführt wird, ehe es in die Strömungszelle 12 eintritt. Die Geschwindigkeit des umhüllenden Fluids in der Strömungszelle liegt im Abbildungsbereich 14 typischerweise im Bereich von 0,7 χ 10 mm/s bis 2,7 χ 10 mm/s. Sobald eine laminare Strömung hergestellt ist, hat die Strömung des umhüllenden Fluids ein Geschwindigkeitsprofil. Die Mikroskopiereinrichtung 16 ist vorzugsweise an der Stelle oder nach der Stelle angeordnet, an der das umhüllende Fluid ein im wesentlichen gleichbleibendes Geschwindigkeitsprofil erreicht hat, welches die Form einer Parabel hat. Die Entfernung L ist folglich typischerweise 12,7 mm.

Sobald die Entfernung vom Einlaß bis zum Abbildungsbereich festgelegt ist, wird die äußere Dicke D im Abbildungsbereich 14 der Strömungszelle 12 festgelegt. Dann muß die Arbeitsentfernung Wj der Linse 30 größer gewählt werden als der Abstand von der Abbildungsebene zur Außenseite der Strömungszelle 12 im Abbildungsbereich 14.

Nach dem Festlegen der Arbeitsentfernung W., der Linse 30 und der äußeren Dicke D im Abbildungsbereich 14 wird die Tiefenschärfe F_d der Linse 30 so gewählt, daß sie viel kleiner ist als die äußere Dicke D.

Die Dicke T der Fluidprobe im Abbildungsbereich 14 muß mit der Tiefenschärfe F, der Linse 30 vergleichbar oder kleiner sein als diese. Die Dicke T der Pluidprobe im Abbildungsbereich 14 wird durch die Strömungsdurchsätze der Fluidprobe und des umhüllenden Fluids bestimmt. Die Strömungsdurchsätze der Fluidprobe und des umhüllenden Fluids sind einstellbar, wodurch die Dicke T der Fluidprobe im Abbildungsbereich 14 variierbar ist. Wie schon erwähnt, ist natürlich der Strömungsdurchsatz des umhüllenden Fluids beschränkt, um eine laminare Strömung zu erzeugen.

Falls die Dicke T der Fluidprobe im Abbildungsbereich 14 größer ist als die Tiefenschärfe F, der Linse 30, kann das Verfahren gemäß der Erfindung doch immer noch angewandt werden, indem die Durchsätze der Fluidprobe und des umhüllenden Fluids so geändert werden, daß die in der Fluidprobe enthaltenen, interessierenden Teilchen in der Mitte der Fluidprobenströmung fliessen, wo sie sich innerhalb der Tiefenschärfe der Linse 30 befinden.

Um schließlich die in der Fluidprobe enthaltenen Teilchen zu betrachten, ist als Lichtquelle 18 eine Stroboskoplampe vorgesehen. Die Dauer der Blitze der Lichtquelle 18 muß so kurz sein, daß die Abbildung der Fluidprobe "eingefroren" wird. Die Dauer des Blitzes der Lichtquelle, die zum Einfrieren einer Abbildung nötig ist, wird selbstverständlich durch den Strömungsdurchsatz der Fluidprobe bestimmt. Sobald jedoch der Strömungsdurchsatz der Fluidprobe festgelegt ist, wie vorstehend erläutert, liegt auch die Mindestdauer des Stroboskoplichts fest.

Es soll nun ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Eine Strömungszelle 12 hat folgende Abmessungen: 0,4 cm (Breite) mal 0,005 cm (Tiefe, innere Abmessung) im Abbildungsbereich. Die Länge beträgt 3,81 cm. Die Entfernung L vom Einlaß 20 bis zum Abbildungsbereich 14 ist größer als das Fünffache der inneren Dicke d der Strömungszelle im Abbildungsbereich Die Entfernung L beträgt vorzugsweise 1,27 cm. Im Abbildungsbereich 14 hat die Strömungszelle 12 eine äußere Dicke D von

_ Q —

0,7 cm oder weniger. Vorzugsweise liegt die Dicke D im Größenordnungsbereich von 0,157 cm. Das Mikroskopiergerät ist in Richtung parallel zur Dicke D im Abbildungsbereich 14 ausgerichtet. Die Arbeitsentfernung W, der Linse 30 beträgt 0,137 cm, was mehr als die Hälfte der Dicke D im Abbildungsbereich ist. Die Tiefenschärfe F, der Linse 30 wird zwischen 0,6 und

4,5 μπι gewählt, was erheblich weniger ist als die Dicke D der Strömungszelle 12 im Abbildungsbereich 14 . Die Optik 30 ist typischerweise eine von der American Optical Manufacturing Corporation hergestellte, die eine Tiefenschärfe von _+ 1,1 μια

Schließlich werden die Strömungsdurchsätze des umhüllenden Fluids und der Fluidprobe so eingestellt, daß die Dicke T der Fluidprobe im Abbildungsbereich 14 geringer ist als die Tiefenschärfe F, der Linse 30 oder mit dieser vergleichbar. Typische Verhältnisse der Strönungsdurchsätze der Fluidprobe und des umhüllenden Fluids liegen im Bereich von 1:2 bis 1:50. Vorzugsweise betragen die Strömungsdurchsätze 0,0036 ml/s bzw. 0,050 ml/s bei einem Gesamtfluiddurchsatz von 0,054 ml/s. Das Licht von der Stroboskoplampe 12 liegt bei einer Dauer von 2 Mikrosekunden, 60 mal pro Sekunde.

Mit der Erfindung wird ein Verfahren offenbart, um die optimalen Betriebsparameter der auf den Abbildungsbereich einer von einer Fluidprobe durchströmten Strömungszelle gerichteten Mikroskopiereinrichtung festzulegen.

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Claims

Verfahren zum Betrieb eines Mikroskopiergeräts Priorität: 29. November 1984 - U.S.A. - Serial No. 676 I90 Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Mikroskopiergeräts mit einer Mikroskopiereinrichtung zum Analysieren von Teilchen in einer Fluidprobe, die mit einem umhüllenden Fluid in einer Strömungszelle fließt, welche einen Einlaß und einen Auslaß sowie einen vom Einlaß zum Auslaß führenden Kanal mit einem Abbildungsbereich aufweist, auf den die Mikroskopiereinrichtung gerichtet ist, sowie mit einer Einrichtung zum Verteilen der Fluidprobe und des umhüllenden Fluids in einer im wesentlichen planaren Strömung vom Einlaß zum Abbildungsbereich, wobei die planare Strömung eine Breite und eine Dicke hat und das umhüllende Fluid und die Fluidprobe vom Einlaß zum Auslaß gefördert wird und die Mikroskopiereinrichtung eine Optik zum Fokussieren auf den Abbildungsbereich hat,
dadurch gekennzeichnet , daß

- der Strömungsdurchsatz des umhüllenden Fluids so gewählt wird,daß eine planare , laminare Strömung im Abbildungsbereich erzeugt wird,

- die Mikroskopiereinrichtung im Abbildungsbereich in Richtung parallel zu der Dicke ausgerichtet wird,

- die Arbeitsentfernung der Optik so gewählt wird, daß sie größer ist als die Entfernung von der Abbildungsebene zur Aussenseite der Strömungszelle im Abbildungsbereich,

- die Tiefenschärfe der Optik so gewählt wird, daß sie viel kleiner ist als die Dicke der Strömungszelle im Abbildungsbereich, und

- der Strömungsdurchsatz der Fluidprobe und des umhüllenden Fluids so aufrechterhalten wird, daß die Teilchen der Fluidprobe im Abbildungsbereich innerhalb der Tiefenschärfe der Linse fließen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Fluidprobe in die Strömung des umhüllenden Fluids eingeleitet wird, und daß das umhüllende Fluid mit der Fluidprobe durch eine Verengung geleitet wird, die eine rechteckige Querschnittsgestalt hat, deren Breite wesentlich größer ist als die Dicke.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Mikroskopiereinrichtung in einer Entfernung an derjenigen Stelle angeordnet wird, an der das umhüllende Fluid ein im wesentlichen konstantes Geschwindigkeitsprofil erreicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß das Profil die Gestalt einer Parabel hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der Fluidprobe im Abbildungsbereich mit der Tiefenschärfe der Linse vergleichbar oder geringer ist als diese.

6. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Dicke der Strömungszelle im Abbildungsbereich 0,7 cm oder weniger beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Optik eine Tiefenschärfe von 0,6 und 4,5 μΐη hat.

ο

8. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die Entfernung vom Abbildungsbereich zum Einlaß größer ist als das Fünffache der inneren Dicke der Strömungszelle.

9. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis des Strömungsdurchsatzes der Fluidprobe zum umhüllenden Fluid im Bereich von 1:2 bis 1:50 liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Fluidprobe im Abbildungsbereich einem Stroboskoplicht von solcher Dauer ausgesetzt wird, daß die Abbildung der Fluidprobe "eingefroren wird".

11. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet , daß der Strömungsdurchsatz der Fluidprobe ca. 0,0036 ml/s beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet , daß das Stroboskoplicht ca. 60 mal pro Sekunde mit einer Blitzdauer von 2 Mikrosekunden betrieben wird.