DE2543310C2 - Einrichtung zum Zählen und Klassifizieren von in einer Flüssigkeit suspendierten Teilchen - Google Patents
Einrichtung zum Zählen und Klassifizieren von in einer Flüssigkeit suspendierten TeilchenInfo
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Classifications
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Description
a) der Durchmesser des Laserstrahls (18) ist im Kreuzungsbereich gleich oder kleiner ais der
Durchmesser der der Länge nach ausgerichteten Teilchen,
b) der Detektor ist im Durchlicht zum Messen der Extinktion angeordnet,
c) die Auswerteschaltung ist für die Messung der Impulslängen, der Impulshöhen und der Impulsintegrale ausgebildet
Die Erfindun6 betrifft eine Einrichtung zum Zählen
und Klassifizieren von in einer Flf-sigkeit suspendierten
Teilchen, mit einem von der Suspension und einer ersten Mantelflüssigkeit durchflossenen, sich verjüngenden
Rohr zum hydrodynamischen Fokussieren der Suspen- »ion zu einem Suspensionsfaden, der nach Verlassen des
Rohres zusammen mit der ersten Mantelflüssigkeit und
einer beide umgebenden zweiten Mantelflüssigkeit in einem Mantelrohr zu einem Auslaß aus dem Mantelrohr
geführt wird, mit einem den Suspensionsfaden in einem
Bereich des Mantelrohres mit planparallelen Flächen kreuzenden Laserstrahl und mit einem an eiirj
Impulsauswerteschaltung angeschlossenen Detektor für die von den vereinzelten Teilchen ausgehende impulslormige
Strahlung. Diese Einrichtung ist aus Rev. Sei. Instrum.. Vol. 44, No. 9, 1973. S. 1301-1310
bekannt.
Die Zählung und Aufnahme der Größenverteilung »on Zellen und/oder Partikeln bei gleichzeitiger
Aufschlüsselung nach bestimmten Zellqualitäten ist problematisch. So sieht das o.g. Verfahren vor. eine
elektronische Messung des Zellvolumens über die Widerstandsänderung einer Elektrolytflüssigkeit beim
Durchtritt der Zellen durch eine Öffnung in einer Trennwand vorzunehmen. Zeilinhaltsstoffe werden mit
einem Fluoreszenzfarbstoff angefärbt und mit einem Laserstrahl angeregt, wobei die Anregung an einer
Stelle erfolgt, die nicht identisch mit der Coulter-Meßftelle
ist. Die Fluoreszenzintensität bildet dabei ein Maß für die Menge des Zeilinhaltsstoffes, an den der
Farbstoff gebunden ist Weitere jnfof mationen über das
Zellvolumen und über interne Strukturen werden aus dem Streulichtsignal Und dem Fluoreszenzintegral
gewönnen.
Bei der Messung nach dem Coüllef<Pfinzip ist der
Meßwert aber abhängig von der Geometrie der Durchflußöffnung und von der jeweiligen Lage der
Durchtrittsachsen der Zellen in der Durchflußöffnung. Außerdem besteht die Gefahr der Verstopfung der
Meßöffnung; der maximale Zelldurchmesser ist auf 50% der Meßöffnung beschränkt Das Impulsintegral des
Fluoreszenzimpulses ist zwar ein Maß für die Gesamtmenge des Zellinhaltsstoffes, an den der Farbstoff
gebunden ist, jedoch läßt sich hieraus die Zellänge nicht
ermitteln. Die Breite des Fluoreszenzimpulses wird dazu
ίο benutzt, zwischen Fluoreszenzimpulsen von F'nzelzellen
und solchen von zwei aneinanderhängenden zu unterscheiden, wobei die letzteren für die Auswertung
der Zellinhaltsstoffe elektronisch unterdrückt werden müssen. Die Achsenlängen des ellyptischen Laserfokus
betragen 180 und 9— ΙΟμπι, wodurch unter günstigen
Voraussetzungen das Mengenverhältnis von Zellkern zu Zellplasma festgestellt werden kann. Die Streulichtamplitude
ist in gewissen Grenzen proportional dem Coulter-Volumen. Die Zuführung der zweiten Mantelflüssigkeit
dient in erster Linie der Kompensation des Druckabfalls in der Coulteröffnung (s. Seite 1302, rechte
Spalte, Zeile 8).
Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, eine Einrichtung zu schaffen, mit der eine genaue
Zellenlängenbestimmung oder/und eine Messung der Zellinhaltsstoffkonzentration ermöglicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches beschrieben.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, mit Hilfe einer Extinktionsmessung im Durchflußverfahren mit
hydrodynamischer Fokussierung die Partikel bzw. Zellen den Brennpunkt eines Laserstrahls passieren zu
lassen, wobei dessen Durchmesser kleiner als die zu messende Zelle ist und die Zellen auf einem Strömungsfaden
einzeln derart aufgereiht werden können, daß die Hauptachse der Zellen den Brennpunkt des Laserstrahls
durchlaufen bzw. die Hauptachse der Zellen und die optische Achse des Laserstrahls sich schneiden. Als
besonderer Vorteil der Erfindung ist anzusehen, daß der maximale Zelldurchmesser sicn lediglich nach der
Öffnung der Strömungsdüse (bis übet 500 μπι möglich) richtet und der minimale auflösbare Zelldurchmesser
sich aus dem Durchmesser des Brennpunktes, der theoretisch 1 μιτι und realistisch 3 μτη beträgt, ergibt.
Bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit ist die Passagezeit der stets mit der Längsachse in Strömungsrichtung orientierten Zellen ein Maß für die Zellenlänge.
Auch ungefärbte Zellen zeigen wegen der Zellorganisation in Kompartimente mit verschiedenen Brechungsindizes
Verluste dis transmittierten Lichtes durch Streuung. Die Halbwertsbreite der Extinktionsimpulse
ist somit ein Maß für die Zellenlänge. Bei der Färbung spezieller Zellinhaltsstoffe ist die Höhe des Extinktionsinipulses
ein Maß für die Konzentration des angefärbten Stoffes in dem betrachteten Zellstreifen. Sind beide
Parameter Höhe und Breite des Extinktionsimpulses einer Zelleigenschaft direkt proportional, so lassen sich
erfindungsgemäß durch Auswertung der Integrale der Extinktionsimpulse Unterschiede noch klarer darstellen.
Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Größenanalyse auch von unbehandelten
Zellen und Partikeln, d, h, keine Anfärbung ist
notwendig, ermöglicht wird, da Meßwerte im allgemeinen durch den Färbungsprozeß wesentlich geändert
werden können. So kann sich z. B, eine Aggregation von Zellen lösen. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist nur
Vom riachgeschälteten Vielkänälanalysator der AUsWeN
teschaltung abhängig. Analysefaten von > als 2ÖÖ 000
Partikeln/secsind möglich.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig, I bis 7 näher
erläutert
Fig. 1 zeigt dabei eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung,
F i g. 2 eine optische Meßanordnung,
F i g. 3 die Signalverarbeitung,
F i g. 4 das Meßergebnis von Tetrahymena Pyriformis
ungefärbt,
F i g. 5 ein Ivfeßergebnis der Tetrahymena Pyriformis
angefärbt,
F i g. 6 ein Meßergebnis einer gemischten Population
yon Tetrahymena Pyriformis und die
F i g. 7 ein MeßergebDis von Blutzellen.
Es hat sich erwiesen, daß in einer laminaren Strömung eines hydrodynamisch fokussierten Systems verteilte
Zellen von nicht sphärischer Form in der Strömungsachse :.n Strömungsrichtung orientiert werden. So
werden Mammalian Erythrocytes in ellipsoidale Körper umgeformt Das Verhältnis der Elüpsoidachsen variiert
von 4 · 1 :1 bis 2 :1 :1 und hängt von der Zusammensetzung
des Suspensionsmediums ab. Wenn nun ein Strömungsfaden von senkrecht zur optischen Achse
orientierten Zellen erzeugt wird, die den Fokus eines Laserstrahls durchqueren, kann die Absorption in einem
scheibenförmigen Schnitt der Zelle nachgewiesen werden. Die Extinktion von Licht, die dem Lambertschen
Gesetz folgt, ist nicht alleine der Grund der Verluste des einfallenden Lichtstrahls. Zellbestandteile
streuen das Licht Diese sogenannten nichtspezifischen Verluste führen zu einem nachweisbaren Extinktionssignal
selbst wenn die Zelle nicht angefärbt ist.
Für den Fall, daß einige Bedingungen beachtet werden, ist die Halbwertsbreite der nachgewiesenen
Extinktionsimpulse proportional zur Länge der Zellen oder Teilchen. Diese Bedingungen sind, daß der
maximale Durchmesser des Lichtstrahls, durch den die Zellen hindurchtreten, zumindest etwas kleiner als die
minimale Breite der Zellen ist, daß die Geschwindigkeit des Teilchenstroms konstant gehalten wird während der
Meßperiode und daß die Abweichung der Zelle in der Ebene, welche senkrecht zur Strömungsrichtung steht,
nicht größer als ein halber Zellendurchmesser ist.
Die Messung der Zellenlänge kann mit der Messung der Extinktion über die Zellenlänge kombiniert werden,
so daß d.".s Integral des Extinktio isimpulses erhalten
wird. Zellenlängen von der gleichen Größenverteilung, aber mit unterschiedlicher Färbung, können auf diese
Art und Weise auch bestimmt werden. so
In der F i g. I ist nunmehr ein schematisches Strömungssystem dargestellt, mit welchem diese Messungen
arsführbar sind. Fs besteht aus einem Mantelrohr 1 mit einem erweiterten Teil 2 und einem Flachteil
3. Der Übergang zwischen den Teilen 2 und 3 erfolgt konisch. Innerhalt des Mantelrohres ist die Strömungsdüse 4 angeordnet, welche in einer Kapillardüse 5 enaet.
deren Spitze im Bereich zweier Öffnungen 6 und 7 im Flachteil 3 des Mantelrohres I steht. Die beiden
öffnungen 6 und 7 sind mit zwu Scheiben 8 verschlossen, welche zueinander parallel stehen und
plan sind. Sie liegen außerdem senkrecht übereinander, so daß ein Laserstrahl 9 durch die Scheiben 8
hindurchtreten kann.
Die Probe aus Zellen in Suspension enthält ein Probenbehälter 10, die über eine Leitung 11 und eine
Einströmdüse 12 in Jen Innenraum 13 der Strömungsdü* Se eingespritzt wird. Außerdem münden in den
Innenraum 13 der Strömungsdüse 4 zwei Düsen 14, über welche Wasser oder ein Puffer als Strömungsflüssigkeiten
zugesetzt werden.
Die Einströmdüse 12, die Kapillare 5 und die Abführleitung 15 aus dem Flachteil 3 des Mantelrohres 1
Hegen auf einer gemeinsamen Achse 16. Die Mantelflüssigkeit wird über die Zuführung 17 in den erweiterten
Teil 2 des Mantelrohres 2 eingeführt.
Die Probe 10 wird durch die Strömungsdüse 12 von einem Innendurchmesser von 0,4 mm in die Strömungsdüse 4 eingeführt und dort mittels der durch die
Zuleitungen 14 zugeführten Mantelflüssigkeit zu einer laminaren Strömung ausgebildet Wenn der Druck der
einströmenden Flüssigkeit etwas höher ist als der Eingangsdruck der Probenflüssigkeit,dann entsteht eine
nahezu horizontale Verjüngung des Strömungsfadens am Auslaß der Kapillare 5. Ein typischer Druckunterschied
liegt bei 5 bis 10 mm Wassersäule. Die hydrodynamische Fokussierung wird durch die besondere
Formgebung der Strömungsdüse mit Kapillare 5 erreicht.
Die über die Zuleitung 17 hinz.gefügte Mantelströmung
umgibt dieses erste Gemiscn ius Proben und Mantelflüssigkeit aus der Kapillare und erzeugt
innerhalb des Flachteiles 3 eine laminare Strömung. Außerdem wird dadurch eine Anpassung des optischen
Brechungsindex zwischen dem Probenfaden bzw. Strömungsfaden und dem optischen System erreicht.
Der Innendurchmesser des Endes der Kapillare 5 beträgt z. B. 0,3 mm, was zu einem Probenstrahldurchmesser
von 4 μπι führt. Damit wird der minimalste
Durchmesser für den korrekten Fokus des Laserstrahls 9 vorgegeben. Die Begrenzung des maximalen Durchmessers
der Zellen wird durch den Innendurchmesser der Kapillarrohre 5 gegeben. Bei Änderung des
Glasdurchmessers können auch größere Zellen verwendet werden. Der Strömungsfaden 18 entlang der Achse
16, bestehend aus Probenteilchen und Mantelflüssigkeit, ist über eine Distanz von einigen Millimetern stabil. Die
Achse des Laserstrahls 9. sowohl die des einfallenden als auch transmittierten, steht senkrecht auf der Achse 16.
Die optische Anordnung zur Durchführung der Messungen ist in F i g. 2 schematisch dargestellt. Zwei
Strahlenteiler werden benutzt, um die optische Kontrolle einer korrekten Strahlenjustierung des Laserstrahls
21 eines He-Ne-Lasers 22 von 1 mW durchführen zu können. Die Korrekturlinse 23 dient zur Adjustierung
des Laserfokus in die Bildebene des Mikroskops 24. Das Mikroskop verwendet ein Objektiv 23 mit einer
40fachen Vergrößerung.
Der gesplittete Laserstrahl 26 trifft durch das Okular 27 auf das Auge 21?· eines Beobachters. Zum Schütze des
Auges ist zwischen dem Okular 27 und dem Strahlenteiler 19 eine Filteranordnung 36 angeordnet, welche aus
sintr !Combination dreier Laserfilter mit Absorptionsmaxima
bei 6328 A besteht. Der mit dieser optischen Anordnung resultierende minimalste Durchmesser des
das Mikroskop 24 verlassenden fokussierten Laserstrahls 9 ist kleiner als 1 μηι. Der Laserstrahl 9 ist hierbei
auf die Achsö 16 fokussie/t, die die Achse des schematisch dargestellten Mantelrohres 1 mit Strömungsdüse
4 und Kapillarrohr 5 ist.
Der das Mantelrohr 1 bzw. dessen plane Öffnungsscheiben 8 verlassende Laserstrahl 29 dringt durch die
Linse 30 Und trifft als paralleler Strahl auf den Strahlungsteiler 20. Um Fehler bei der Streulichtmessung
auszuschließen, wii'd nur ein Kegel mit dem Öffnungswinkel von 2° des Laserlichts 29 nachgewiesen.
Um dies zu bewerkstelligen, durchtritt er eine bikonkave Linse 31 mit den Brennweiten von —12,5 mm
und eine Irisblende 32. Der durch die Irisblende 32 hindurchgetretene Teil wird wiederum mit der Linse 33
parallel gemacht und durchtritt ein Interferenzfilter 34, das es erlaubt, die Messungen in beleuchteten Räumen
vorzunehmen. Anschließend trifft der Laserstrahl 29 auf den Fototransistor 35, der mit einer nicht näher
dargestellten Kompensationseinheit mit einer Zeitkonstante von 0,2 μ5εο Verbunden ist.
Die Beleuchtungslampe 36, sowie die Korrekturlinse 37 dienen zur Beleuchtung der Objektebene und zu
Justierzwecken.
In der F i g. 3 ist ein schematisches Diagramm für die Signalverarbeitung dargestellt. Auf dem Schirm 38 z. B.
eines Oszillographen mit Intensitäts- und Zeitachse ist ein tpyisches Extinktionssignal dargestellt, welches
durch die Extinktion des Laserlichtes durch die Teilchen entsteht. Drei einfache Analogcomputer 39, 40 und 41
einen Mehrkanalanalysator 42 von ebenfalls bekannter Bauart Dieser stellt die Verteilung der gewünschten
Parameter dar.
Jeder Analogcomputer 39 bis 41 liefert einen Impuls konstanten Aussehens aus der Impulshöhe, aus der
Impulsbreite und dem Impulsintegral, wie es schematisch dargestellt ist. Die Impulshöhe kann dabei
proportional entweder zur Impulshöhe, zur Impulsbreite oder zum Impulsintegral gemacht werden. Auch eine
impulsumformung für die Impulshöhe muß vorgenommen werden bei Impulsen mit langen Halbwertsbreiten
und verschiedenem Aussehen. Dies sind Erfordernisse des Mehrkanalanaiysators 42.
Das Strömungssystem nach der Fig. 1 und die Analogcomputer nach F i g. 3 erlauben Impulsraten von
mehr als 200 000/sec. Diese Impulsrate wird nur durch die Umsetzrate und die Speicherkapazität des Mehrkanalanaiysators
42 begrenzt
Das System ist für Messungen von z. B. Tetrahymena Pyriformis, rote Blutkörperchen und Blutaggregationen
verwendbar. Die Größe z. B. der Tetrahymena wird mit der Proteinmasse in den Zellen in Beziehung gesetzt.
Daher ist eine Beziehung zwischen dem Proteingehalt aus der Länge der ellipsoidal geformten Teilchen
feststellbar.
In der Fig.4 ist ein Meßergebnis einer Zellgrößen-
In der Fig.4 ist ein Meßergebnis einer Zellgrößen-
Ί verteilung der ungefärbten Tetrahymena Pyriformis L
dargestellt. Aufgetragen ist die Kanalnummer NO des Mehrkanalanialysators 42 über die Teilchenzahl N. Die
Kurve 43 zeigt eine Verteilung mit der Größe der Teilchen von 40 μΐη und die Kurve 44 eine mit der
ίο Größe von 80 μηι.
In Fig. 5 ist wiederum die Größenverteilung der Tetrahymena Pyriformis L mit der Größe von 40 um
(Kurve 45) und der Größe von 70 u.m (Kurve 46)
dargestellt. Jedoch sind die Teilchen mit Naphtol-blauschwarz
angefärbt
Ein Vergleich der Information aus der Teilchengröße und einer kombinierten Information aus dem Integral
der Extinktionsimpulse ist in Fig.6 dargestellt. Auch
hier ist wieder die Kanalnummer NO über der Tsüchsnzsh! N aufgetragen, wjp b?r?i<s festgestellt
führt ein höherer Proteingehalt in den Zellen bzw. Teilchen zu höheren Extinktionswerten der gefärbten
Zellen bzw. Teilchen. Eine Mischung von zwei verschiedenen Zellpopulationen, weiche schwer in zwei
Klassen zur Messung ihrer Zellängen aufgeteilt werden können, sind dahingegen leicht separierbar, wenn die
Verteilung der Integralwerte der Extinktionsimpulse betrachtet wird. Die Kurve 47 zeigt die Verteilung der
Impu'sweiten und die Kurve 48 die Verteilung des
3ö Impulsintegrals. Wie feststellbar sind jeweils zwei
Maxima vorhanden.
Das System kann für Routinekontrollen der Größenverteilungen
von Blutteilcher; verwendet werden. Es kann sich dabei um frisches Blut oder Blutkonserven
handeln. Bei dieser Anwendung ist es nicht von Vorteil, wenn eine Färbung der Blutzellen erfolgt, da dieses zu
einer Agglutiination der Blutzellen führen kann und damit die Größenverteilung beeinflußt Eine derartige
Verteilung ist in der Fig.7 mittels der Kurve 49 dargestellt Die ersten beiden Maxima 50 und 51
beziehen sich dabei auf Teilchen der Größe von 7 μηι
und 15 μιη.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Einrichtung zum Zählen und Klassifizieren von in einer Flüssigkeit suspendierten Teilchen, mit einem von der Suspension und einer ersten Mantelflüssigkeit durchflossenen, sich verjüngenden Rohr zum hydrodynamischen Fokussieren der Suspension zu einem Suspensionsfaden, der nach Verlassen des Rohres zusammen mit der ersten Mantelflüssigkeit und einer beide umgebenden zweiten Mantelflüssigkeit in einem Mantelrohr zu einem Auslaß aus dem Mantelrohr geführt wird, mit einem den Suspensionsfaden in einem Bereich des Mantelrohres mit planparallelen Flächen kreuzenden Laserstrahl und mit einem an eine Impulsauswerteschaltung angeschlossenen Detektor für die von den vereinzelten Teilchen ausgehende impulsförmige Strahlung, g e kennzeichnet durch folgende Merkmale:
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