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JP2007046947A - フローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法 - Google Patents

フローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、遅延時間を設定することなく、複数の蛍光色素により標識された細胞粒子が複数のレーザ光源により励起されて生じた複数の蛍光を検出できるフローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の１つの態様によれば、互いに異なる波長を有する複数の励起光を、所定の周期および互いに異なる位相で照射する複数の光源と、複数の励起光を同一の入射光路上に導光し、染色された粒子に集光する導光部材とを備えたフローサイトメータが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、フローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法に関する。
バイオテクノロジの急速な発展に伴い、医学や生物学を含むさまざま分野で多数の細胞などを自動的に分析・分別するフローサイトメータおよびセルソータの需要がますます増大しつつある。フローサイトメータは、概略、生体（血液など）から採取された数多くの細胞粒子を蛍光標識試薬などで染色し、これらの細胞粒子をシースフロー内で一列に配列し、細胞粒子のそれぞれにレーザ光を照射して、細胞粒子から生じる散乱光（前方散乱光および側方散乱光）と蛍光色素に依存するさまざまな多色蛍光を測定することにより、細胞を同定するものである。また、同定するために収集された散乱光と蛍光に関する情報を電気的信号に変換し、サンプルから採取された大量の細胞粒子を統計的に評価することにより、生体の病変などの状態を診断することができる。さらにセルソータは、散乱光と蛍光に関する電気的信号を用いて、分取したい各細胞粒子を含む液滴を選択的に荷電し、この液滴が落下する経路上に直流電場を形成することにより、特定の細胞粒子を選択的に収集することができる。
以下、図７および図８を参照しながら、従来式のフローサイトメータを具体的に説明する。図７に示す従来式のフローサイトメータ１０１は、概略、蛍光標識試薬などで染色された細胞粒子をシースフロー内で一列に配列するための流体力学的要素と、各細胞粒子に波長の異なる複数のレーザ光を照射し、散乱光および蛍光を受光するための光学的要素とを備える。
流体力学的要素は、図７に示すように、サンプル懸濁液を貯蔵するためのサンプル懸濁液供給部１１０と、シース液を貯蔵・供給するためのシース液供給部１１２と、フローチャンバ１１４と、フローチャンバ１１４の下流に連結されたフローセル１１６とを有する。
フローチャンバ１１４は略円筒形状を有し、その中心軸に沿って懸濁液供給管１１８が配設されている。サンプル懸濁液供給部１１０およびシース液供給部１１２に貯蔵されたサンプル懸濁液およびシース液は、それぞれのエアポンプ１１１，１１３の圧力により、サンプル管１２０およびシース管１２２を介して懸濁液供給管１１８およびフローチャンバ１１４内に供給される。これにより、シース液がサンプル懸濁液を円筒状に包み込む鞘状のシースフロー（層流）が形成され、サンプル懸濁液に含まれる細胞粒子１０５をフローセル１１６内で一列に整列させることができる。
一方、光学的要素は、異なる波長を有する複数のレーザビーム（励起光）を連続的に照射する第１、第２および第３の光源１３０，１３２，１３４を備える。第１の光源１３０は、例えば、青色レーザビーム（ピーク波長：４８８ｎｍ，出力：２０ｍＷ）を照射するＤＰＳＳレーザ（Diode Pumped Solid State Laser：半導体レーザ励起固体レーザ）である。また、第２の光源１３４は、赤色レーザビーム（ピーク波長：６３５ｎｍ，出力：２０ｍＷ）を照射するダイオードレーザで、第３の光源１３６は、紫外レーザビーム（ピーク波長：３７５ｎｍ，出力：８ｍＷ）を照射するダイオードレーザである。
従来技術によるフローサイトメータによれば、第１、第２および第３の光源１３０，１３２，１３４からのレーザビームは、集光レンズ１３６などからなる導光部材を用いて、フローセル１１６の互いに異なる第１、第２および第３の集光位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に集光され、これらの集光位置は、集光位置Ｆ１，Ｆ２の間隔および集光位置Ｆ２，Ｆ３の間隔がシースフローの方向（Ｚ方向）において所定の距離ｄとなるように設計されている。
さらに、光学的要素は、図８に示すように、第１のレーザビーム１３０が細胞粒子１０５で散乱して生じた前方散乱光（ＦＳＣ：Forward Scattering Light）を検出する前方散乱光検出装置１５０と、各レーザビームが細胞粒子１０５で散乱して生じた側方散乱光（ＳＳＣ：Side Scattering Light）および青色レーザビームが細胞粒子１０５を励起して生じたさまざまな波長を有する複数の蛍光（ＦＬ：fluorescent light）を検出する第１の側方散乱光／蛍光検出装置１４０と、赤色レーザビームおよび紫外レーザビームが細胞粒子１０５を励起して生じたさまざまな波長を有する複数の蛍光を検出する第２および第３の蛍光検出装置１４２，１４４とを備える。
前方散乱光検出装置１５０は、図８に示すように、第１のレーザビーム１３０の前方散乱光を検出する光検出器１５２を有する。また、第１の側方散乱光／蛍光検出装置１４０は、複数のハーフミラー１５４、バンドパスフィルタ１５６、および光電子増倍管１５８を有する。同様に、第２および第３の蛍光検出装置１４２，１４４は、１つのハーフミラー１５４と、２つのバンドパスフィルタ１５６および光電子増倍管１５８を有する。なお、従来技術による第１の側方散乱光／蛍光検出装置１４０は、第１の光源（青色レーザ）１３０による側方散乱光および蛍光を検出し、同様に、第２および第３の蛍光検出装置１４２，１４４は、それぞれ第２の光源（赤色レーザ）１３２および第３の光源（紫外レーザ）１３４による蛍光を検出する。
このように、これまでのフローサイトメータによれば、連続発振する複数のレーザビームが間隔ｄを隔てた異なる集光位置に集光され、それぞれの集光位置で生じた散乱光および蛍光を独立して検出し、図示しない信号処理装置に出力する。
信号処理装置は、前方散乱光検出装置１５０、第１の側方散乱光／蛍光検出装置１４０、さらに第２および第３の蛍光検出装置１４２，１４４から出力されたアナログ信号を処理する。
上述のように、第１、第２および第３のレーザビームはフローセル１１６の間隔ｄを隔てた異なる集光位置に連続的に照射されるので、信号処理装置は、第１のレーザビームにより励起された蛍光を検出した時点から第３のレーザビームにより励起された蛍光を検出するまでの第１の遅延時間、および第２のレーザビームにより励起された蛍光を検出した時点から第３のレーザビームにより励起された蛍光を検出するまでの第２の遅延時間を算出し、第１および第２のレーザビームによる蛍光に関する信号を、それぞれ第１および第２の遅延時間だけＦＩＦＯメモリに格納した後に出力することにより、同一の細胞粒子を第１、第２および第３のレーザビームで励起して生じた蛍光に関する信号を同時に出力する。こうして、信号処理装置は１つの細胞粒子から生じる複数の蛍光および散乱光に関する信号を処理して、この細胞粒子１０５を同定する。
以上説明した従来式のフローサイトメータが３つの光源を備えるのに対し、特許文献１に記載のフローサイトメータが２つの光源を有する点を除き、基本的構成は同等であり、特許文献１に記載された内容は、参考にここに一体のものとして統合される。
特開２００４−１８４２１７号公報
しかしながら、上記遅延時間は、シースフローの流速（すなわち、サンプル懸濁液およびシース液に対するエアポンプの圧力）、環境温度または大気圧などに依存して変動し得るため、オペレータがこれを適正に設定・維持することは不可能であり、検出およびソートの精度を低下させていた。
また、複数の光源からフローセルの異なる集光位置に導光するための複数の導光部材が必要となり、光軸を調整することが極めて煩わしいものであった。
そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その１つの態様は、遅延時間を設定することなく、複数の蛍光色素により標識された細胞粒子が複数のレーザ光源により励起されて生じた複数の蛍光を検出できるフローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法を提供することを目的とする。
また、本発明の別の態様は、シースフロー中に流送される細胞粒子に至る光軸を単一化して、光軸の調整を簡素化できるフローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法を提供することを目的とする。
本発明の１つの態様によれば、互いに異なる波長を有する複数の励起光を、所定の周期および互いに異なる位相で照射する複数の光源と、複数の励起光を同一の入射光路上に導光し、染色された粒子に集光する導光部材とを備えたフローサイトメータが提供される。
本発明の別の態様によれば、互いに異なる波長を有する複数の励起光を、所定の周期および互いに異なる位相で照射するステップと、複数の励起光を同一の入射光路上に導光し、染色された粒子に集光するステップとを有するフローサイトメトリ方法が提供される。
好適には、粒子は、入射光路と交差するシースフロー中を流れる。
また、このフローサイトメータは、複数の励起光のそれぞれが粒子を励起して生じた蛍光を検出し、蛍光信号を出力する複数の蛍光検出器と、蛍光信号を励起光の位相のそれぞれに同期して検出される複数の光信号要素に分離する同期分離回路とを備える。
好適には、蛍光検出器が光電子増倍管からなり、蛍光検出器の光電子増倍電圧を励起光の位相のそれぞれに呼応して変化させる。
択一的には、蛍光信号を電気的に増幅する増幅回路を備え、増幅回路の増幅電圧を励起光の位相のそれぞれに呼応して変化させる。
好適には、フローセルと複数の蛍光検出器のそれぞれとの間の出射光路上に配設され、所定の波長帯を有する蛍光を選択的に透過させる複数のバンドパスフィルタとを備える。
また、このフローサイトメータは、複数の励起光のそれぞれが粒子で散乱して生じた散乱光を検出し、散乱光信号を出力する散乱光検出器を備え、蛍光検出器のそれぞれは、散乱光信号が所定の閾値を超えた時点から所定の期間において蛍光を検出する。
択一的には、このフローサイトメータは、複数の励起光のそれぞれが粒子で散乱して生じた散乱光を検出し、散乱光信号を出力する散乱光検出器を備え、複数の蛍光検出器は、少なくとも１つのトリガ蛍光検出器を含み、蛍光検出器および散乱光検出器は、トリガ蛍光検出器で検出された蛍光信号が所定の閾値を超えた時点から所定の期間においてそれぞれ蛍光および散乱光を検出する。
さらに、このフローサイトメータは、複数の励起光のそれぞれが粒子で散乱して生じた前方散乱光を検出し、前方散乱光信号を出力する前方散乱光検出器と、フローセルと前方散乱光検出器との間の出射光路上に配設され、所定の波長帯を有する前方散乱光を選択的に透過させる前方散乱光バンドパスフィルタと、複数の励起光のそれぞれが粒子で散乱して生じた側方散乱光を検出し、側方散乱光信号を出力する側方散乱光検出器と、フローセルと側方散乱光検出器との間の出射光路上に配設され、所定の波長帯を有する側方散乱光を選択的に透過させる側方散乱光バンドパスフィルタとを備える。
好適には、複数の光源は、複数の励起光を所定の周期および互いに異なる位相でパルス発振する。
本発明の１つの態様に係るフローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法によれば、遅延時間を設定することなく、複数の蛍光色素により標識された細胞粒子を複数のレーザ光源により励起して得られた複数の蛍光を検出することができる。
また、本発明の別の態様に係るフローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法によれば、光軸の調整を格段に簡素化することができる。
以下、添付図面を参照して本発明に係るフローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法の実施形態を説明する。この説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「Ｘ方向」、「Ｙ方向」および「Ｚ方向」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。
図１〜図６を参照しながら、本発明に係るフローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法の実施形態について以下に説明する。図１に示すフローサイトメータ１は、概略、蛍光標識試薬などで染色された細胞粒子をシースフロー内で一列に配列するための流体力学的フロー機構２と、各細胞粒子に波長の異なる複数のレーザ光を照射し、散乱光および蛍光を受光するための光学的機構３と、光学的機構３から出力された散乱光および蛍光に関する電気信号を制御・処理するための信号処理装置４とを備える。
まず、流体力学的フロー機構２について説明する。
流体力学的フロー機構２は、図１に示すように、分析すべき細胞粒子５を含むサンプル懸濁液を貯蔵・供給するためのサンプル懸濁液供給部１０と、シース液を貯蔵・供給するためのシース液供給部１２と、フローチャンバ１４と、フローチャンバ１４の下流に連結されたフローセル１６とを有する。分析すべき細胞粒子５は、例えば、蛍光染料や蛍光ラベルモノクロナール抗体などの蛍光標識試薬で蛍光標識されている。
なお本実施形態では、フローセルを採用したフローサイトメータを用いて以下説明するが、択一的には、詳細図示しないが、本発明は、ジェット・イン・エア方式のフローサイトメータにも等しく適用される。
蛍光標識試薬は、これに限定するものではないが、例えば、青色励起光で励起されて黄緑色蛍光を発するＦＩＴＣ（Fluoresein）、同様に青色励起光で励起されて黄緑色の蛍光を発光するＰＥ（R-phycoerythrin）およびそのタンデム蛍光試薬であるＰＥ−Ｃｙ５（赤色蛍光），ＰＥ−Ｃｙ７（赤外蛍光）、橙色励起光で励起されて赤色の蛍光を発するＡＰＣ（Allophycocyanin）およびそのタンデム蛍光試薬であるＡＰＣ−Ｃｙ５（赤外蛍光）、紫外励起光で励起されて蛍光発光するＨｏ（Hoechest 33342）−Blue（青色蛍光）およびＨｏ−Red（赤色蛍光）などが一般的に用いられている。
フローチャンバ１４は略円筒形状を有し、その中心軸に沿って懸濁液供給管１８が配設されている。サンプル懸濁液供給部１０およびシース液供給部１２に貯蔵されたサンプル懸濁液およびシース液は、それぞれのエアポンプ１１，１３の圧力により、サンプル管２０およびシース管２２を介して懸濁液供給管１８およびフローチャンバ１４内に供給される。これにより、シース液がサンプル懸濁液を円筒状に包み込む鞘状のシースフロー（層流）が形成される。このとき、サンプル懸濁液供給部１０の圧力をシース液供給部１２の圧力より若干低く設定することにより、流体力学的な絞り込みが生じ、シース液に包まれたサンプル懸濁液の流径が非常に細くなり、サンプル懸濁液に含まれる細胞粒子５をフローセル１６内で一列に整列させることができる（１つ１つの細胞粒子５をフローセル１６内で実質的に等間隔に配列することができる）。
フローセル１６は最下部にオリフィス２４を有し、フローセル１６を通過した細胞粒子５を含むシースフローがオリフィス２４からジェット噴射される。噴射されたシースフローは、図示しないピエゾ圧電素子などの振動装置からの振動を加えられると、それぞれの細胞粒子５を収容する液滴２６が形成される。
また、特定の細胞粒子５を含む液滴２６を分取するとき（セルソータに適用する場合）、液滴２６が形成されるブレイク・オフ・ポイントの直前で、分取したい細胞粒子５を含むシースフローを荷電する荷電部（図示せず）が配設される。さらに、所定電圧（例えば、６０００Ｖの直流電圧）が印加された一対の偏向板２８ａ，２８ｂが設けられ、荷電された液滴２６は、これらの偏向板２８ａ，２８ｂの間を通過するときに直流電場から力を受けて偏向し、分取される。
次に、光学的機構３について説明する。
図１に示す光学的機構３は、フローセル１６内で整列した細胞粒子５に異なる波長の複数のレーザビーム（励起光）を照射する第１、第２および第３の光源３０，３２，３４を有する。第１、第２および第３の光源３０，３２，３４は、任意の光源であって、本発明を限定するものではないが、レーザビームなどのコヒーレント光を生成することが好ましい。一例として、第１の光源３０は、青色レーザビーム（ピーク波長：４８８ｎｍ，出力：２０ｍＷ）を照射するＤＰＳＳレーザ（Diode Pumped Solid State Laser：半導体レーザ励起固体レーザ）であってもよい。第２の光源３２は、赤色レーザビーム（ピーク波長：６３５ｎｍ，出力：２０ｍＷ）を照射するダイオードレーザで、同様に、第３の光源３４は、紫外レーザビーム（ピーク波長：３７５ｎｍ，出力：８ｍＷ）を照射するダイオードレーザであってもよい。
本発明に係る実施形態によれば、光源３０，３２，３４は変調器（図示せず）を内蔵し、この変調器は、後述のクロックパルス発生回路６２（図５参照）から出力されるクロックパルス信号に基づいて、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、所定の発振周波数（例えば、ｆ＝１００ＭＨｚ）で各レーザビームをパルス発振（パルス変調）させることができるこのとき、各光源３０，３２，３４から出力される各レーザビームの出力パルス波形は、互いに重なり合わないように制御される。すなわち、第１、第２および第３の光源３０，３２，３４は、同一の周期で異なる第１、第２および第３の位相δ１，δ２，δ３を有するようにレーザビーム（励起光）をパルス発振させることができる。なお、発振周波数を、例えば１００ＭＨｚに設定したとき、各レーザビームのパルス幅は０．０１μ秒以下となる。
さらに、光源３０，３２，３４に内蔵される変調器は、任意のものを用いることができ、例えば、ＤＰＳＳレーザ光源３０に関しては、アメリカ合衆国メリーランド州のボルチモア市にあるブリムローズ株式会社（Brimrose Corporation）から市販されている音響光学的変調器（型番ＴＥＭ−８５−１０）などが好適に用いられ、赤色および紫外レーザ光源３２，３４のダイオードレーザに対しては、汎用半導体変調器を用いて、各レーザビームをパルス駆動することができる。
なお、モード同期型レーザ光源を用いてレーザパルスを形成すると、レーザビームのピーク強度を実質的に増大させることができ、検出感度を向上させることができる。
第１、第２および第３の光源３０，３２，３４からパルス発振させたレーザビームは、図１および図３に示すように、導光部材３６を用いて同一光路上に導光し、フローセル１６上の同一の照射位置に照射される。導光部材３６を構成する部品は、例えば、光ファイバ３７、ビームエキスパンダ３８、ハーフミラー３９、および集光レンズ４０などを含み、導光部材３６のこれらの構成部品の全体または一部をＸ、ＹおよびＺ方向に移動させて、光源３０，３２，３４からのレーザビームを正確に同一光路上に導光させることができる。
また光学的機構３は、図１および図３に示すように、好適な実施形態では、青色レーザビームが細胞粒子５で散乱して生じた前方散乱光（ＦＳＣ：Forward Scattering Light）を検出する前方散乱光検出装置４２と、各レーザビームが細胞粒子５で散乱して生じた側方散乱光（ＳＳＣ：Side Scattering Light）および各レーザビームが細胞粒子５を励起して生じたさまざまな波長を有する複数の蛍光（ＦＬ：fluorescent light）を検出する側方散乱光／蛍光検出装置５０とを備える。
前方散乱光検出装置４２は、青色レーザビームを選択的に透過させるバンドパスフィルタ（図示せず、例えば、４８８±５ｎｍの選択波長）を有し、青色レーザビームが細胞粒子５で散乱して生じた前方散乱光を検出するものである。一方、側方散乱光／蛍光検出装置５０は、レーザビームの波長と同じ３つの波長を有する側方散乱光と、各光源からのレーザビームの波長とは異なるさまざまな波長を有する蛍光を検出するものである。
ここで図２〜図６を参照しながら、前方散乱光検出装置４２、側方散乱光／蛍光検出装置５０、および信号処理装置４についてさらに詳細に説明する。
前方散乱光検出装置４２は、集光レンズ４４を介してフローセル１６からの前方散乱光（ＦＳＣ）を検出する光検出器ＰＤを有し（図３）、上述のように、青色レーザビームを選択的に透過させるバンドパスフィルタ（図示せず）を介して、青色レーザビームが細胞粒子５で散乱して生じた青色前方散乱光だけを検出する。こうして、前方散乱光検出装置４２は、青色前方散乱パルス光の強度に応じて電圧が変化する電気的な前方散乱光パルス信号を信号処理装置４に出力する。
このとき、光検出器ＰＤは、フローセル１６中をＺ方向に移動する単一の細胞粒子５が青色レーザビームを散乱して生じる前方散乱光を検出するため、光検出器ＰＤから出力される前方散乱光パルス信号の強度は、図４に示すように時間的に増減する。そして、前方散乱光パルス信号が検出される期間Ｔ、すなわち細胞粒子５が青色レーザビームにより照射されている期間Ｔは、フローセル１６中を移動する細胞粒子５の大きさおよびシースフローの流速（エアーポンプ１１の圧力）に依存する。例えば、エアポンプ１１の圧力が約３０ｐｓｉで、フローセルの断面積が約２００００μｍ２であるとき、期間Ｔは約１０μ秒であることが知られている。したがって、各光源３０，３２，３４が１００ＭＨｚの発振周波数でレーザビームを実質的に間断なくパルス発振するとき、１つのパルス発振レーザビームの幅ｗが０．０１μ秒となり、期間Ｔ内に約１０００パルスのレーザビームが３つの光源から交互に細胞粒子５に照射され、青色レーザビームの前方散乱光パルス信号は約３３３パルス検出されることになる。ただし、図４においては、図面をわかりやすくするために、レーザビームの幅ｗを十分大きくして図示した。
換言すると、前方散乱光パルス信号が検出されている間、例えば、前方散乱光パルス信号の出力値Ｖが所定の閾値電圧Ｖｔｈを超えている間（Ｖ＞Ｖｔｈ）、細胞粒子５がシースセル１６中の照射位置を通過していると判断することができる。したがって、後述するが、信号処理装置４は、前方散乱光パルス信号の出力値Ｖが所定の閾値電圧Ｖｔｈを超えた時点から所定期間Ｔにおいて、前方散乱光パルス信号、側方散乱光パルス信号および蛍光パルス信号をデータとして取り込む。
次に、側方散乱光／蛍光検出装置５０について説明する。
図３において、青色、赤色および紫外レーザビームをフローセル１６内で一列に配列された細胞粒子５に照射すると、側方散乱光および異なる波長帯を有する複数の蛍光は、光ファイバ５２および光をコリメートするためのロッドレンズ５４を介して、側方散乱光／蛍光検出装置５０に入射される。
本実施形態において、光源３０，３２，３４は、上述のように、それぞれ青色レーザビーム（ピーク波長：４８８ｎｍ）、赤色レーザビーム（ピーク波長：６３５ｎｍ）、および紫外レーザビーム（ピーク波長：３７５ｎｍ）を照射し、細胞粒子５は、ＦＩＴＣ、ＰＥ、ＰＥ−Ｃｙ５、ＰＥ−Ｃｙ７、ＡＰＣ、ＡＰＣ−Ｃｙ５、Ｈｏ−BlueおよびＨｏ−Redからなる蛍光標識試薬を用いて蛍光標識されている。
側方散乱光／蛍光検出装置５０は、概略、微弱な光を電気的に増幅して検出する複数の光電子増倍管（Photo Multiplier Tube）ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６と、ハーフミラー（Half Mirror）ＨＭ１〜ＨＭ６と、所定の波長帯の光だけを透過するバンドパスフィルタ（Band Pass Filter）ＢＰＦ１〜ＢＰＦ６とを有する。
ロッドレンズ５４を介して入射された側方散乱光／蛍光は、ハーフミラーＨＭ１に入射し、その一部がバンドパスフィルタＢＰＦ１に向かって反射する。バンドパスフィルタＢＰＦ１は、例えば、第１の光源３０と実質的に同じ波長帯（４８８ｎｍ±５ｎｍ）を有する青色側方散乱光だけを透過し、光電子増倍管ＰＭＴ１は、図２（ｄ）に示すように、青色側方散乱光の光パルス信号を信号処理装置４に出力する。
ハーフミラーＨＭ１を透過した光は、概略、図３に示す数多くのハーフミラーＨＭ２〜ＨＭ５で反射、またはこれらを透過して光電子増倍管ＰＭＴ２〜ＰＭＴ６に入射する。すなわち、光電子増倍管ＰＭＴ２〜ＰＭＴ６のそれぞれは、青色、赤色、および紫外レーザビームの発振周波数とそれぞれの位相において、波長の異なる複数の蛍光を組み合わせた複合的な蛍光を検出する。
ただし、細胞粒子５を同定するためには、各光電子増倍管ＰＭＴ２〜ＰＭＴ６は、波長の異なる複数の蛍光を検出することが好ましいので、側方散乱光／蛍光検出装置５０は、波長選択可能なハーフミラーＨＭ２〜ＨＭ６およびバンドパスフィルタＢＰＦ２〜ＢＰＦ６を用いて、特定の波長帯を有する蛍光を選択的に検出するように構成されている。
具体的には、図３に示す側方散乱光／蛍光検出装置５０において、ハーフミラーＨＭ１を透過した光は、ハーフミラーＨＭ２に入射し、ハーフミラーＨＭ２は、波長が７３０ｎｍ未満の波長を有する光を反射し、波長が７３０ｎｍ以上の光を透過する。ハーフミラーＨＭ２を透過した光は、波長が７４９ｎｍ以上の光だけを透過するバンドパスフィルタＢＰＦ２に入射する。したがって、光電子増倍管ＰＭＴ２は、図２（ｅ）に示すように、第１、第２および第３のレーザが照射される第１、第２および第３の位相δ１，δ２，δ３において、７４９ｎｍ以上の波長を有する蛍光を検出する。
ここで本願において、光電子増倍管ＰＭＴ２が検出する一連の光パルス信号を構成する、第１、第２および第３の位相δ１，δ２，δ３において検出される光パルス信号のそれぞれを光信号要素Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３と定義する。すなわち、光信号要素Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３は、各光源３０，３２，３４により励起された７４９ｎｍの波長を有する蛍光に対応し、光電子増倍管ＰＭＴ２は、３つの光信号要素Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３からなる一連の光パルス信号を検出する。
図３に戻って、ハーフミラーＨＭ２で反射した光はハーフミラーＨＭ３に入射し、ハーフミラーＨＭ３は、波長が６００ｎｍ未満の波長を反射し、波長が６００ｎｍ以上の光を透過する。ハーフミラーＨＭ３を透過した光は、６８０ｎｍ±３０ｎｍの波長帯を有する光だけを透過するバンドパスフィルタＢＰＦ３で分光され、光電子増倍管ＰＭＴ３は、図２（ｆ）に示すように、第１、第２および第３の位相δ１，δ２，δ３において、６８０ｎｍ±３０ｎｍの波長帯を有する蛍光を検出して、光信号要素Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３からなる一連の光パルス信号を出力する。同様に、光信号要素Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３は、各光源３０，３２，３４により励起された６８０ｎｍ±３０ｎｍの波長帯を有する蛍光に対応する。
続いて、ハーフミラーＨＭ３で反射した蛍光はハーフミラーＨＭ４に入射し、ハーフミラーＨＭ４は、波長が５５０ｎｍ未満の波長を透過し、波長が５５０ｎｍ以上の光を反射する。ハーフミラーＨＭ４で反射した蛍光は、５８０ｎｍ±３０ｎｍの波長帯を有する蛍光だけを透過するバンドパスフィルタＢＰＦ４で分光され、光電子増倍管ＰＭＴ４は、図２（ｇ）に示すように、第１、第２および第３の位相δ１，δ２，δ３において、５８０ｎｍ±３０ｎｍの波長帯を有する蛍光を検出して、光信号要素Ｓ４１，Ｓ４２，Ｓ４３からなる光パルス信号を出力する。ただし、赤色レーザビームの励起光により、５８０ｎｍ±３０ｎｍの波長帯を有する蛍光が生じることはないので、光信号要素Ｓ４２は、蛍光試薬によらない自家発光の蛍光による信号を示す。
さらに、ハーフミラーＨＭ４で反射した蛍光はハーフミラーＨＭ５に入射し、ハーフミラーＨＭ５は、波長が５０５ｎｍ未満の波長を透過し、波長が５０５ｎｍ以上の蛍光を反射する。ハーフミラーＨＭ５で反射した蛍光は、５３０ｎｍ±３０ｎｍの波長帯を有する蛍光だけを透過するバンドパスフィルタＢＰＦ５で分光され、光電子増倍管ＰＭＴ５は、図２（ｈ）に示すように、第１、第２および第３の位相δ１，δ２，δ３において、５３０ｎｍ±３０ｎｍの波長帯を有する蛍光を検出して、光信号要素Ｓ５１，Ｓ５２，Ｓ５３からなる光パルス信号を出力する。ただし、光電子増倍管ＰＭＴ４と同様、赤色レーザビームの励起光により、励起光より短い波長を有する蛍光は生じないので、光電子増倍管ＰＭＴ５の光信号要素Ｓ５２は自家発光の蛍光による信号を示す。
また、ハーフミラーＨＭ５を透過した蛍光は、４２４ｎｍ±４４ｎｍの波長帯を有する蛍光だけを透過するバンドパスフィルタＢＰＦ６で分光され、光電子増倍管ＰＭＴ６は、図２（ｉ）に示すように、第１、第２および第３の位相δ１，δ２，δ３において、４２４ｎｍ±４４ｎｍの波長帯を有する蛍光を検出して、光信号要素Ｓ６１，Ｓ６２，Ｓ６３からなる光パルス信号を出力する。ただし、光電子増倍管ＰＭＴ４および５と同様、青色および赤色レーザビームの励起光より短い波長を有する蛍光は生じないので、光電子増倍管ＰＭＴ６の光信号要素Ｓ６１およびＳ６２は自家発光の蛍光による信号を示す。
一方、信号処理装置４は、図５に示すように、クロックパルス発生回路６２と、これに接続されたレーザ駆動回路６４を有し、上述のように、第１〜第３の光源３０，３２，３４を一定の周波数および異なる位相（δ１，δ２，δ３）でパルス駆動する。
また、信号処理装置４は、同期回路６６を有し、これはレーザ駆動回路６４、光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６、増幅回路（ＡＭＰ）７０、および分離回路６８に接続されている。
信号処理装置４は、同期回路６６において、光検出器ＰＤおよび光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６からの各光パルス信号を第１〜第３のレーザ光源３０，３２，３４の位相δ１，δ２，δ３に同期させ、分離回路６８において、光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６で検出された各光パルス信号を表１に示すような光信号要素Ｓに分離する。
Figure 2007046947
このとき、光信号要素Ｓ１１は、第１のレーザ光源３０と同じ波長帯（λ＝４８８ｎｍ±５ｎｍ）を有するので、側方散乱光（ＳＳＣ）として検出される。
同様に、光信号要素Ｓ２１は、青色レーザビームで励起されて生じた赤外蛍光（λ＞７４９ｎｍ）の強度を示すものであって、蛍光標識試薬ＰＥ−Ｃｙ７で染色された細胞粒子５からの赤外蛍光（ＦＬ４）に関する光パルス信号に他ならない。また光信号要素Ｓ２２は、蛍光標識試薬ＡＰＣ−Ｃｙ７が赤色レーザビームで励起されて生じた赤外蛍光（ＦＬ６）の強度を示す。
さらに、光信号要素Ｓ３１は、青色レーザビームで励起されて生じた赤色蛍光（λ＝６８０ｎｍ±３０ｎｍ）の強度を示し、蛍光標識試薬ＰＥ−Ｃｙ５で染色された細胞粒子５からの赤色蛍光（ＦＬ３）に対応する。同様に、光信号要素Ｓ３２は、蛍光標識試薬ＡＰＣが赤色レーザビームで励起されて生じた赤色蛍光（ＦＬ５）の強度を示す。
加えて、光信号要素Ｓ４１は、青色レーザビームで励起されて生じた黄緑色蛍光（λ＝５８０ｎｍ±３０ｎｍ）の強度を示し、蛍光標識試薬ＰＥで染色された細胞粒子５からの黄緑色蛍光（ＦＬ２）に対応する。同様に、光信号要素Ｓ４３の強度は、蛍光標識試薬Ｈｏ−Redが紫外レーザビームで励起されて生じた黄緑色蛍光（ＦＬ８）に相当する。
さらに、光信号要素Ｓ５１は、青色レーザビームで励起されて生じた青色蛍光（λ＝５３０ｎｍ±３０ｎｍ）の強度を示し、蛍光標識試薬ＦＩＴＣから生じる青色蛍光（ＦＬ１）に相当し、光信号要素Ｓ６３は、紫外レーザビームで励起されて生じた紫色蛍光（λ＝４２４ｎｍ±４４ｎｍ）の強度を示し、蛍光標識試薬Ｈｏ−Blueから生じる青色蛍光（ＦＬ７）を検出する
このように、本実施形態によれば、任意の選択波長を有するハーフミラーＨＭ２〜ＨＭ６およびバンドパスフィルタＢＰＦ２〜ＢＰＦ６をフローセル１６と光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６の間に配設することにより、光源の波長および蛍光標識試薬に依存する蛍光ＦＬ１〜ＦＬ８を、各光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６で検出された光パルス信号から分離された光信号要素として検出することができる。なお、ハーフミラーＨＭ２〜ＨＭ５およびバンドパスフィルタＢＰＦ１〜ＢＰＦ５に関して、上述した選択波長は一例に過ぎず、他の適当な波長帯で光を選択した場合であっても本発明を同様に適用することができる。
なお、分離回路６８は、上述のように、表１のすべての光信号要素Ｓｉｊを検出してもよいが、側方散乱光（ＳＳＣ）および蛍光（ＦＬ１〜ＦＬ６）に相当する光信号要素Ｓｉｊのみを検出するようにロジックを設計しておいてもよい。
ところで、光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６が検出する光の強度は、その波長およびハーフミラーやバンドパスフィルタなどの構成、細胞粒子の大きさや性状、染色条件などに大きく依存する。すなわち、表１に示す上述の光信号要素Ｓｉｊは、光源３０，３２，３４および光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６に応じて、そのスケール（検出値）にばらつきが生じる。そこで、光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６が検出する光信号要素Ｓｉｊのばらつきを補正するために、同期回路６６は、光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６のそれぞれの光電子増倍電圧ＨＶを、第１〜第３のレーザ光源３０，３２，３４の位相δ１，δ２，δ３に同期させて変化させることができる。例えば、光電子増倍管ＰＭＴ２の第１レーザ３０が照射される位相において、光信号要素Ｓ２１を増倍させるための光電子増倍電圧ＨＶ２１に設定する。他の光信号要素Ｓｉｊに対しても同様に、同期回路６６は、光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６の光電子増倍電圧ＨＶｉｊ（表２参照）を、各光源の位相δ１，δ２，δ３に応じてスイッチング制御して、各光信号要素Ｓｉｊのスケールをより均一化することができる。
Figure 2007046947
択一的には、光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６が検出する光パルス信号を電気的に増幅する増幅回路７０の増幅電圧ＡＭＰｉｊを、同期回路６６を用いて、表３に示すようにスイッチング制御してもよい。こうして、同期して変化する増幅電圧ＡＭＰｉｊを用いて、各光信号要素Ｓｉｊを電気的に増幅して、より均一なスケールを有する光信号要素Ｓｉｊを得るようにしてもよい。
Figure 2007046947
なお、本実施形態のフローサイトメータ１は、多色レーザビームが照射された細胞粒子５を同定するために散乱光および蛍光を検出するものであるから、信号処理装置４は、細胞粒子５がフローセル１６中を通過し、各レーザビームが照射されている間に限って光パルス信号（光信号要素Ｓ）を検出することが好ましい。さもなければ、信号処理装置４は、細胞粒子５とは関連のないノイズ信号に関する膨大な量のデータを処理しなければならない。
そこで、本発明の信号処理装置４は、上述（図４）のように、例えば、前方散乱光パルス信号の出力値Ｖを常にモニタし、この出力値Ｖが所定の閾値電圧Ｖｔｈを超えていることを検出したとき（Ｖ＞Ｖｔｈ）、細胞粒子５がシースセル１６中の照射位置を通過していると判断し、前方散乱光パルス信号の出力値Ｖが所定の閾値電圧Ｖｔｈを超えた時点から所定期間Ｔにおいて、前方散乱光パルス信号、側方散乱光パルス信号および蛍光パルス信号をデータとして取り込む。すなわち、信号処理装置４は、前方散乱光パルス信号の出力値Ｖをトリガ信号として、散乱光パルス信号および蛍光パルス信号の検出を開始する。
なお、上記（図４）説明では、散乱光パルス信号および蛍光パルス信号の検出を開始するトリガ信号を検出するために、前方散乱光パルス信号の出力値Ｖをモニタしていたが、側方散乱光パルス信号または任意の少なくとも１つの蛍光パルス信号を常時モニタしてもよい。すなわち、側方散乱光パルス信号の出力値Ｖが所定の閾値電圧Ｖｔｈを超えた時点を起点として、前方散乱光および蛍光パルス信号の検出を開始してもよい。択一的には、複数の光電子増倍管ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６のうちの少なくとも１つの光電子増倍管ＰＭＴをトリガ光電子増倍管ＰＭＴと設定し、トリガ光電子増倍管ＰＭＴで検出された蛍光パルス信号を常時モニタして、その出力値Ｖが所定の閾値電圧Ｖｔｈを超えた時点から所定期間Ｔにおいて前方散乱光パルス信号、側方散乱光パルス信号、および蛍光パルス信号の検出を開始してもよい。
こうして信号処理装置４は、所定期間Ｔにおいて、例えば、光電子増倍管ＰＭＴ２から、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように推移する光信号要素Ｓ２１（ＦＬ４），Ｓ２２（ＦＬ６），Ｓ２３を検出する。
次に、図５を参照しながら、信号処理装置４を構成する上記以外の各種回路およびその機能について説明する。
信号処理装置４は、光検出器ＰＤで検出された前方散乱光パルス信号、および光電子増倍管ＰＭＴで検出されて、同期信号６６で分離された各光信号要素Ｓｉｊをデジタル変換するためのアナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換回路）７２を有する。
また、本実施形態の信号処理装置４は、面積／幅／高さ演算回路（Ａ／Ｗ／Ｈ演算回路）７４を有し、これにより、光信号要素Ｓｉｊから直接的に、従来式のアナログ波形の光パルス信号の面積、幅、高さなどに相当する細胞粒子５を特徴付けるデータを迅速に計算することができる。そしてパラメータセレクタ回路７６で処理すべき光信号要素Ｓｉｊ（ＦＳＣ，ＳＳＣ，ＦＬ１〜ＦＬ８）を選択し、コンペンセーション回路７８は、同様に、デジタル式の光信号要素Ｓｉｊを用いて、異なる波長スペクトルを有する蛍光の間で生じる蛍光の漏れ込みを補償する（蛍光補正を行う）。そして選択された光信号要素Ｓｉｊは、ログ／リニア増幅回路８０により増幅され、コンピュータ８２および／またはセルソータ８４に出力される。
コンピュータ８２は、各細胞粒子５に対するデジタルパルス光信号を受けると、さまざまなアプリケーションを用いて、例えば、細胞数頻度分布（ドットプロットやヒストグラム）を作成するなどの各種分析・評価を行うことができる。また、セルソータ８４は、デジタルパルス光信号から細胞粒子５を同定し、特定の細胞粒子５を含む液滴を分取することができる。
これまで説明してきたように、本実施形態によれば、複数のレーザビームを同一光路上に導光するので、従来のフローサイトメータおよびフローサイトメトリ方法のように、遅延時間を設定することなく、複数の蛍光色素により標識された細胞粒子からの前方・側方散乱光および蛍光を検出することができる。さらに、光源からフローセルに至る光軸の調整を格段に簡素化することができる。
本発明に係るフローサイトメータの構成を示す概略図である。 図１の光源が照射する光パルスおよび光電子増倍管が出力する光パルス信号のタイミングチャートである。 図１のフローサイトメータのブロック図である。 図３に示す光検出器が検出する前方散乱光のパルス信号のタイミングチャートである。 図３に示すデジタル信号処理装置のブロック図である。 図３に示す１つの光電子増倍管が出力する各光源に対応する光信号要素の時間的推移を示すタイミングチャートである。 従来技術によるフローサイトメータの構成を示す概略図である。 図６のフローサイトメータのブロック図である。
符号の説明
１：フローサイトメータ、２：流体力学的フロー機構、３：光学的機構、４：デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）、５：細胞粒子、１０：サンプル懸濁液供給部、１１，１３：エアポンプ、１２：シース液供給部、１４：フローチャンバ、１６：フローセル、１８：懸濁液供給管、２０：サンプル管、２２：シース管、２４：オリフィス、２６：液滴、２８ａ，２８ｂ：偏向板、３０，３２，３４：光源、３６：導光部材、３７：光ファイバ、３８：ビームエキスパンダ、３９：ハーフミラー、４０：集光レンズ、４２：検出する前方散乱光検出装置、５０：側方散乱光／蛍光検出装置、５２：光ファイバ、５４：ロッドレンズ、６２：クロックパルス発生回路、６４：レーザ駆動回路、６６：同期回路、６８：分離回路、ＰＤ：光検出器、７０：増幅回路（ＡＭＰ）、７２：デジタル／アナログ変換回路、７４：面積／幅／高さ演算回路（Ａ／Ｗ／Ｈ演算回路）、７６：パラメータセレクタ回路、７８：コンペンセーション回路、８０：ログ／リニア増幅回路、８２：コンピュータ、８４：セルソータ、ＰＭＴ１〜ＰＭＴ６：光電子増倍管（Photo Multiplier Tube）、ＨＭ１〜ＨＭ６：ハーフミラー（Half Mirror）、ＢＰＦ１〜ＢＰＦ６：バンドパスフィルタ（Band Pass Filter）。

Claims (20)

  1. 互いに異なる波長を有する複数の励起光を、所定の周期および互いに異なる位相で照射する複数の光源と、
    前記複数の励起光を同一の入射光路上に導光し、染色された粒子に集光する導光部材とを備えたことを特徴とするフローサイトメータ。
  2. 前記粒子は、前記入射光路と交差するシースフロー中を流れることを特徴とするフローサイトメータ。
  3. 前記複数の励起光のそれぞれが前記粒子を励起して生じた蛍光を検出し、蛍光信号を出力する複数の蛍光検出器と、
    前記蛍光信号を前記励起光の位相のそれぞれに同期して検出される複数の光信号要素に分離する同期分離回路とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のフローサイトメータ。
  4. 前記蛍光検出器が光電子増倍管からなり、
    前記蛍光検出器の光電子増倍電圧を前記励起光の前記位相のそれぞれに呼応して変化させることを特徴とする請求項３に記載のフローサイトメータ。
  5. 前記蛍光信号を電気的に増幅する増幅回路を備え、
    前記増幅回路の増幅電圧を前記励起光の前記位相のそれぞれに呼応して変化させることを特徴とする請求項３に記載のフローサイトメータ。
  6. 前記フローセルと前記複数の蛍光検出器のそれぞれとの間の出射光路上に配設され、所定の波長帯を有する前記蛍光を選択的に透過させる複数のバンドパスフィルタとを備えたことを特徴とする請求項３に記載のフローサイトメータ。
  7. 前記複数の励起光のそれぞれが粒子で散乱して生じた散乱光を検出し、散乱光信号を出力する散乱光検出器を備え、
    前記蛍光検出器のそれぞれは、前記散乱光信号が所定の閾値を超えた時点から所定の期間において前記蛍光を検出することを特徴とする請求項３に記載のフローサイトメータ。
  8. 前記複数の励起光のそれぞれが前記粒子で散乱して生じた散乱光を検出し、散乱光信号を出力する散乱光検出器を備え、
    前記複数の蛍光検出器は、少なくとも１つのトリガ蛍光検出器を含み、
    前記蛍光検出器および前記散乱光検出器は、前記トリガ蛍光検出器で検出された前記蛍光信号が所定の閾値を超えた時点から所定の期間においてそれぞれ前記蛍光および前記散乱光を検出することを特徴とする請求項３に記載のフローサイトメータ。
  9. 前記複数の励起光のそれぞれが前記粒子で散乱して生じた前方散乱光を検出し、前方散乱光信号を出力する前方散乱光検出器と、
    前記フローセルと前記前方散乱光検出器との間の出射光路上に配設され、所定の波長帯を有する前記前方散乱光を選択的に透過させる前方散乱光バンドパスフィルタと、
    前記複数の励起光のそれぞれが前記粒子で散乱して生じた側方散乱光を検出し、側方散乱光信号を出力する側方散乱光検出器と、
    前記フローセルと前記側方散乱光検出器との間の出射光路上に配設され、所定の波長帯を有する前記側方散乱光を選択的に透過させる側方散乱光バンドパスフィルタとを備えたことを特徴とする請求項１に記載のフローサイトメータ。
  10. 前記複数の光源は、前記複数の励起光を所定の周期および互いに異なる位相でパルス発振することを特徴とする請求項１に記載のフローサイトメータ。
  11. 互いに異なる波長を有する複数の励起光を、所定の周期および互いに異なる位相で照射するステップと、
    前記複数の励起光を同一の入射光路上に導光し、染色された粒子に集光するステップとを有することを特徴とするフローサイトメトリ方法。
  12. 前記入射光路と交差するシースフロー中に前記粒子を流すステップを有することを特徴とする請求項１１に記載のフローサイトメトリ方法。
  13. 前記複数の励起光のそれぞれが前記粒子を励起して生じた蛍光を検出し、蛍光信号を出力するステップと、
    前記蛍光信号を前記励起光の前記位相のそれぞれに同期して検出される複数の光信号要素に分離するステップをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載のフローサイトメトリ方法。
  14. 前記蛍光を検出するステップは、光電子増倍管を用いて行われ、
    前記光電子増倍管の光電子増倍電圧を前記励起光の前記位相のそれぞれに呼応して変化させるステップを有することを特徴とする請求項１３に記載のフローサイトメトリ方法。
  15. 増幅回路を用いて、前記蛍光信号を電気的に増幅するステップと、
    前記増幅回路の増幅電圧を前記励起光の前記位相のそれぞれに呼応して変化させるステップとを有することを特徴とする請求項１３に記載のフローサイトメトリ方法。
  16. 前記蛍光を検出するステップは、所定の波長帯を有する前記蛍光を選択的に検出するステップを有することを特徴とする請求項１３に記載のフローサイトメトリ方法。
  17. 前記複数の励起光のそれぞれが前記粒子で散乱して生じた散乱光を検出し、散乱光信号を出力するステップを有し、
    蛍光を検出するステップは、前記散乱光信号が所定の閾値を超えた時点から所定の期間において行われることを特徴とする請求項１３に記載のフローサイトメトリ方法。
  18. 前記複数の励起光のそれぞれが前記粒子で散乱して生じた散乱光を検出し、散乱光信号を出力するステップを有し、
    前記蛍光を検出するステップは、少なくとも１つのトリガ蛍光検出器を用いて蛍光を検出するステップを含み、
    前記散乱光信号を出力するステップおよび前記蛍光を検出するステップは、前記トリガ蛍光検出器で検出された前記蛍光信号が所定の閾値を超えた時点から所定の期間において行われることを特徴とする請求項１３に記載のフローサイトメトリ方法。
  19. 前記複数の励起光のそれぞれが前記粒子で散乱して生じた前方散乱光のうち、所与の波長帯を有する前方散乱光を選択的に検出し、前方散乱光信号を出力するステップと、
    前記複数の励起光のそれぞれが粒子で散乱して生じた側方散乱光のうち、所与の波長帯を有する前方散乱光を選択的に検出し、前方散乱光信号を出力するステップとを有することを特徴とする請求項１１に記載のフローサイトメトリ方法。
  20. 前記励起光を照射するステップは、前記複数の励起光を所定の周期および互いに異なる位相でパルス発振するステップを有することを特徴とする請求項１１に記載のフローサイトメトリ方法。
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