(57)【要約】  本発明は、ウェル内の液体試料を測定するための光学測定システムである。システムは、ウェルを通って光を透過するように構成された光源と、透過光に由来する光信号を測定するように構成された検出器１３０と、調整可能光学素子１２０とを備える。調整可能光学素子１２０は、光源とウェルの間に位置付けされる。調整可能光学素子１２０は、液体試料の表面６４によって誘起される歪みを補償するように光を形作るように動作可能である。検出器１３０は、液体試料内の粒子の少なくとも１つの特性を示す前方散乱信号を受け取るために、ウェルの下に位置することが好ましい。
2016540237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェル内に含まれた液体内の粒子の少なくとも１つの特性を測定するための光学測定システムであって、
前記液体の自由表面に向かって、前記ウェルの中心軸に概して平行に入力ビームを透過するための光源と、
前記光源と前記液体の前記自由表面の間に位置する調整可能光学素子であって、前記液体の前記自由表面に関連する歪みを補償するように前記入力ビームの形状を変更するための、調整可能光学素子と、
前記液体内の前記粒子の少なくとも１つの特性を示す前方散乱信号を受け取るための、前記ウェルの下に位置する検出器と、
前記入力ビームの透過部分が前記検出器に衝突するのを妨げるための入力ビーム減衰器であって、前記入力ビームの前記透過部分は前記液体を通って透過した前記入力ビームの部分である、入力ビーム減衰器と、
を備えることを特徴とする光学測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記入力ビーム減衰器は、前記検出器に隣接し、前記ウェルの底面の下に位置するビームブロックであることを特徴とする光学測定システム。
【請求項３】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記入力ビームは、前記粒子から蛍光信号を放射させ、前記検出器は、前記液体内の前記粒子の少なくとも１つの特性を示す蛍光信号をさらに受け取ることを特徴とする光学測定システム。
【請求項４】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記粒子は、バクテリアを含み、前記前方散乱信号によって示される前記少なくとも１つの特性は、前記液体内のバクテリアの量であることを特徴とする光学測定システム。
【請求項５】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記ウェルの側部または上部から、粒子特性に関連する追加の信号を集めるために少なくとも１つの光ファイバをさらに含み、前記光ファイバは、前記追加の信号を前記検出器にもたらすことを特徴とする光学測定システム。
【請求項６】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子に結合されたコントローラをさらに含み、前記コントローラは、前記入力ビームの形状を変更するように、前記調整可能光学素子に関連する光学パラメータを調整するためのものであることを特徴とする光学測定システム。
【請求項７】
請求項６に記載の光学測定システムであって、前記コントローラは、前記自由表面に関連する前記歪みを適切に補償するように前記光学パラメータを調整するために、前記検出器から情報を受け取ることを特徴とする光学測定システム。
【請求項８】
請求項７に記載の光学測定システムであって、前記調整された光学パラメータは、前記ウェル内の前記液体内の前記入力ビームの前記透過部分が、実質的に平行化または集束されるようにすることを特徴とする光学測定システム。
【請求項９】
請求項６に記載の光学測定システムであって、前記コントローラは、前記液体の前記自由表面に関連する前記歪みを適切に補償するように前記光学パラメータを調整するために、前記液体の前記自由表面に関連する情報を受け取ることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子は、前記液体内の前記入力ビームの前記透過部分の形状が、実質的に平行化または集束されるようにすることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子は、調整が可能なレンズであって電子的または機械的に形作られるレンズと、空間光変調器とからなる群の少なくとも１つであることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記ウェルは、２次元配置にて位置付けされた複数のウェルを有するマイクロプレート内の細長い内部ウェルであることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１３】
ウェル内に含まれた液体内の粒子の少なくとも１つの特性を決定する方法であって、
前記液体の自由表面に向かって光ビームを透過するステップと、
前記光ビームが前記自由表面に衝突する前に、前記入力ビームが前記自由表面において光学的歪みを受けた後に、前記液体内で実質的に集束されたビーム形状を結果として生じるように、前記光ビームの形状を変更するステップと、
検出器の前の位置で前記入力ビームを減衰するステップと、
前記検出器において前方散乱信号を受け取るステップであって、前記前方散乱信号は前記粒子の少なくとも１つの特性を示す、ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記前方散乱信号は、前記実質的に集束されたビーム形状を有する前記入力ビームに対して、前記ウェルの壁により近く位置することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法であって、前記減衰は、調整可能光学素子によって達成され、前記調整可能光学素子は、前記光ビームの形状を制御可能に変更することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記調整可能光学素子は、前記検出器からのフィードバックに応答して、前記光ビームの形状を、実質的に平行化または集束されたビーム形状に変更することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法であって、粒子の少なくとも１つの特性を示す追加の信号を受け取るステップをさらに含み、前記追加の信号は、前記ウェルの側部または前記ウェルの上部における位置から到来し、前記追加の信号は、光ファイバによって透過されることを特徴とする方法。
【請求項１８】
ウェル内の液体試料を測定するための光学測定システムであって、
前記ウェル内の前記液体試料に光を透過するように構成された光源と、
前記液体試料内の透過光に由来する光信号を測定するように構成された検出器と、
前記光源と前記ウェルの間に位置付けされた調整可能光学素子であって、前記液体試料の表面によって誘起される歪みを補償するように前記光を形作るように動作可能な、調整可能光学素子と、
を備えることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子は、（ｉ）機械的に調整が可能な光学素子と、（ｉｉ）調整が可能な曲率を有する調整可能レンズとの少なくとも１つを備えることを特徴とする光学測定システム。
【請求項２０】
請求項１８に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子は、前記ウェル内の前記液体試料内の前記透過光が、実質的に平行化または集束されるようにすることを特徴とする光学測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（著作権）
本特許文書の開示の一部分は、著作権保護を受ける資料を含み得る。本著作権所有者は、米国特許庁ファイルまたは記録において現れる通りの、本特許開示の誰かによる複製に対しては異議をもたないが、他の場合においてはいかなるすべての著作権も留保する。
【０００２】
本発明は一般に、液体試料を含んだ光学測定の分野に関する。具体的には、本発明は、メニスカスなど、歪みを有し得る自由表面を有する液体から、高感度の光学測定を取得するための調整可能光学素子を有するシステムに関する。このようなシステムは、マイクロプレート内のウェルの２次元アレイ内に含まれた試料に対する複数の光学測定を行うことができる。
【背景技術】
【０００３】
分析的研究および臨床試験の分野における多くの用途は、液体試料を分析するために光学的方法を利用する。これらの方法の中には、吸光度、濁度、蛍光／ルミネセンス、および光学散乱測定がある。光レーザ散乱は最も敏感な方法の１つであるが、その実装は、特にその中の懸濁粒子が媒体内で比較的透明である生物学的試料を分析するときに、非常に難しいものとなり得る。この場合は散乱過程のほとんどは、入射レーザビーム近くの前方方向において生じる。この低角度の前方散乱信号を検出するためには、入射ビームの高度の消光が必要である。しかし様々な光学効果（例えばレーザビーム空間的純度、光学面散乱、および自由液体表面によるビーム歪みなど）は、しばしば入射ビームの消光と相容れないものとなる。この理由により前方散乱方法は、その感度にもかかわらずまれにしか適用されない。
【０００４】
蛍光／ルミネセンス検出の場合は、励起光と放射光の間にスペクトル分離が存在し、これはノッチ、バンドパス光学フィルタ、またはモノクロメータなどの分光技法を用いて、励起光の消光を促進する助けとなり得る。しかし多くの応用の場合において蛍光信号は、励起光強度と比べて数桁低く、波長分離による励起光消光は不十分である。この理由により多くのシステムは、励起光が検出器に到達しないように、励起ビームに反対のまたは垂直な方向からの放射光を収集する。しかしこれは時には複数の検出器を利用し、結果としてかなり複雑な光学的レイアウトになり得る。
【０００５】
液体試料の光学測定の１つの特に重要な用途は、微生物学分析のために用いられるマイクロプレートリーダに関係する。マイクロプレートは、２次元アレイ（例えば８×１２）に配置された個別の試料を含んだ、上部が空いた複数のウェルからなる。試料内容物に対する有用な情報を得るために、マイクロプレートリーダは１つまたは複数のタイプの光学測定を利用することができる。２次元配置のために、光学的アクセスは通常はウェルの上部および底部方向のみが利用可能である。液体試料の上部自由表面は、通常は液体の表面張力により湾曲する。この湾曲は、ウェルの比較的小さな直径と相まってかなりの入射ビーム発散または歪みを引き起こし、検出器にそれが到達する前のそれの消光を非常に難しく、不十分にする。これは、入力ビーム方向における前方散乱信号測定または蛍光信号測定がマイクロプレートのウェルにおいて容易に実装されない１つの理由である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、液体内の粒子（例えばバクテリア）の大きさ、量、および／または濃度の決定を可能にするように、入力ビーム方向における前方散乱信号および／または前方蛍光信号の検出を可能にする、改善された光学測定システムの必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様では、本発明は、制御された歪みを有する入力ビームを発生し、自由液体表面によって誘起される歪みを補正することによって上述の問題を克服するための方法に関係する。従って方法は、入力ビームが検出されるのを効果的に阻止することによって所望の散乱信号および／または蛍光信号を分離しながら、検出器における実質的に平行化または集束されたビームを含む。
【０００８】
他の態様では、本発明は、いくつかの散乱角度における高感度の散乱測定のために、単一検出器アレイを装備した装置またはシステムに関係する。検出器は、すべて単一検出器アレイを用いて、後方散乱信号、低角度の前方散乱信号、蛍光信号、および吸光度測定信号を受け取ることができる。
【０００９】
他の態様では、本発明は、液体試料を測定するための光学測定システムである。システムは、ウェルを通って光を透過するように構成された光源と、透過光に由来する光信号を測定するように構成された検出器と、調整可能光学素子とを備える。調整可能光学素子は、光源とウェルの間に位置付けされる。調整可能光学素子は、液体試料の表面によって誘起される歪みを補償するように光を形作るように動作可能である。
【００１０】
本発明はまた、ウェル内に含まれた液体内の粒子の少なくとも１つの特性を決定する方法である。方法は、液体の自由表面に向かって光ビームを透過するステップと、光ビームが自由表面に衝突する前に、入力ビームが自由表面において光学的歪みを受けた後に、液体内で実質的に平行化または集束されたビームを結果として生じるように、光ビームの形状を変更するステップとを含む。方法は、ウェルの外側で検出器の前の位置で入力ビームを減衰するステップと、検出器において前方散乱信号を受け取るステップとをさらに含む。前方散乱信号は粒子の少なくとも１つの特性を示す。
【００１１】
さらに他の実施形態では、本発明は、ウェル内に含まれた液体内の粒子の少なくとも１つの特性を測定するための光学測定システムである。システムは、光源、調整可能光学素子、検出器、および入力ビーム減衰器を備える。光源は、液体の自由表面に向かって、ウェルの中心軸に概して平行になるやり方で、入力ビームを透過するためのものである。調整可能光学素子は、光源と液体の自由表面の間に位置する。調整可能光学素子は、液体の自由表面に関連する歪みを補償するように、入力ビームの形状を変更するためのものである。検出器は、液体内の粒子の少なくとも１つの特性を示す前方散乱信号を受け取るために、ウェルの下に位置する。入力ビーム減衰器は、入力ビームの透過部分が検出器に衝突するのを妨げるためのものである。入力ビームの透過部分は、液体を通って透過した入力ビームの部分である。
【００１２】
本発明の追加の態様は当業者には、以下に簡潔に述べられる図面を参照してなされる、様々な実施形態の詳細な記述に鑑みて明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】容器の主軸を横切る方向に液体を通過する入力ビームから結果として生じ得る、そのそれぞれは個々に従来技術にあることが知られている、様々なタイプの光学測定を概略的に示す図である。
【図２Ａ】液体試料を含む複数のウェルを含んだマイクロプレートの斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａのマイクロプレートのウェルの１つの主軸に沿って、液体の光学測定を取得するためのシステムの概略図である。
【図３】本発明による、調整可能光学素子を有する光学測定システムの概略図である。
【図４Ａ】図３のシステムにおける調整可能光学素子を調整するための１つの方法を示す図である。
【図４Ｂ】図３のシステムにおける調整可能光学素子を調整するための別の方法を示す図である。
【図５Ａ】機械的に調整が可能な光学素子に関係する、１つのタイプの調整可能光学素子を示す図である。
【図５Ｂ】電子的または機械的調整可能レンズに関係する、第２のタイプの調整可能光学素子を示す図である。
【図５Ｃ】空間光変調器に関係する、第３のタイプの調整可能光学素子を示す図である。
【図６】単一検出器上で複数の光学測定を取得する、代替の光学測定システムの概略図である。
【図７】複数のタイプの信号を検出することができる、図６のシステムのための例示の単一検出器を示す図である。
【図８Ａ】ビームの外側部分が液体試料の吸光度に対して測定されることを可能にするように、入力ビームの中心部分のみが減衰されるビーム減衰デバイスを示す図である。
【図８Ｂ】それによって図８Ａのビーム減衰デバイスの使用により吸光度測定も検出される、図７の単一検出器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は様々な変更および代替形態を受けるが、本明細書では特定の実施形態が、図面に例として示され詳しく述べられる。しかし本発明は、開示された特定の形に限定されるものではないことが理解されるべきである。むしろ本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の趣旨および範囲に含まれる、すべての変更形態、等価形態、および代替形態を包含するものである。
【００１５】
本明細書において、本開示は本発明の原理の例示と見なされるべきであり、示される実施形態に本発明の広範な態様を限定するものではないとの理解のもとに、図面が詳しく述べられる。この詳細な説明を目的として、単数形は複数形を含み（明確に否定されない限り）、逆も同様であり、「および」ならびに「または」という語は接続語および離接語の両方であるべきであり、「すべて」という語は「あらゆる」を意味し、「いずれの」という語は「あらゆる」を意味し、「含む」という語は「限定せずに含む」を意味する。
【００１６】
図１は、懸濁粒子（例えばバクテリア）を有する液体１２を含んだバイアル１０上において取得され得る、様々な光学測定を概略的に示す。入射入力ビーム１４（蛍光／ルミネセンスの場合は「励起」ビームとも呼ばれる）は、液体１２を通過し、懸濁粒子と相互に作用する。一例として入力ビーム１４は、ＬＥＤに由来し得る。
【００１７】
図１の様々なタイプの光学測定は、従来技術において個々に知られている。第１の検出器１６は、入力ビーム１４の反対側に位置する。入力ビーム１４は、出力ビーム２０が第１の検出器１６によって受け取られ、粒子で満たされた液体１２の吸光度を示すように、液体１２内で部分的に吸収される。さらに受光器１６は、液体１２内の様々な粒子から散乱する入力ビーム１４から結果として生じる散乱信号２２を検出することができる。さらに第２の受光器２４は、入力ビーム１４に概して垂直な方向において高角度の側方散乱信号２６を測定する。また第３の受光器３０は、入力ビーム１４に概して反対の方向において、粒子から反射するエネルギーによって引き起こされる後方散乱信号３２を測定する。最後に入力ビーム１４の一部分は粒子によって吸収され、これは次いで粒子分子構造に特有の波長で再放射される。この過程は蛍光として知られ、これは一種のフォトルミネセンスである。この蛍光信号４０は概してすべての方向に放射され、放射される放射線のスペクトル範囲内に感度があるすべての検出器によって捉えることができる。図１は、入力ビームが液体を通過するときに検出され得る、個別のタイプの信号を示すためのものであることが留意されるべきである。これらのタイプの信号検出器は従来技術内で個々に利用可能であるが、すべてのそれらの組み合わせは必ずしも従来技術の一部ではない。
【００１８】
要約すると、入力ビーム１４が粒子を含んだ液体１２内に透過されたときに利用可能な、いくつかのタイプの光学測定が存在する。第１のタイプの光学測定は蛍光信号４０を検出し、これは概してすべての方向に放射され、複数の波長で放射され得る。第２のタイプの光学測定は吸光度を検出し、これは液体１２を通過した出力光ビーム２０の強度を評価することによって行われる。第３のタイプの光学測定は、様々な方向に液体１２内の粒子によって弾性的に散乱された光に関係する。従って入力ビームは懸濁粒子によって吸収もされ散乱もされ、それらは共に入射入力ビームが第１の検出器１６に到達するのを妨げる。吸収および散乱される光の量は、粒子濃度などの粒子の特性に関連し、知られている特別な較正技法によって決定され得る。粒子がバクテリアであるときは、それらは様々な技法によって検出および計数することができ、これらは本願の権利者が所有する米国特許第７，９６１，３１１号および第８，３３９，６０１号に一般的に述べられている。
【００１９】
散乱に関係するこの第３のタイプの光学測定に関しては、３つの主要なタイプの散乱信号、すなわち後方散乱信号３２、前方散乱信号２２、および側方散乱信号２６が存在する。側方散乱信号２６の検出は、比濁分析としても知られており、これはいくつかの場合にはまた較正によって粒子濃度に直接結び付けられ得るパラメータ（時には「濁度」と呼ばれる）を評価する。
【００２０】
図２Ａは、上面５４から下向きに延びるウェル５２の２次元アレイを有する一般のマイクロプレート５０を示す。ウェル５２のそれぞれは通常は細長い形状を有し、測定のための液体試料を含む。しかしウェル５２のすべてへの光学的アクセスは、マイクロプレート５０の上部および底部からのみ可能であり、内部ウェル５２に対する側部からの光学的アクセスは非常に限られる。
【００２１】
図２Ｂは、マイクロプレート５０のウェル５２の１つ内の液体６２から検出される光学測定のための、通常のレイアウトを示す。液体６２は、液体６２の表面張力によるメニスカスによって特徴付けられる自由表面６４を有する。レーザ７０は、マイクロプレートの上面５４の上から液体６２に入り、底部から検出される入力ビーム７４をもたらす。特に入力ビーム７４は、検出器８２に向かって透過される、出力ビーム７６、前方散乱信号７８、および蛍光信号８０を結果として生じる。
【００２２】
蛍光信号８０が測定される場合は、入射出力ビーム７６を、それが検出器８２に到達する前に取り除くために、光学フィルタまたはモノクロメータ８４が利用される。しかし光学フィルタまたはモノクロメータ８４のいずれに関しても、入射出力ビーム７６の波長を蛍光信号８０から弁別する能力は、通常はそれぞれ１０−５から１０−８程度であるフィルタの除去能力またはモノクロメータの品質によって制限される。しかし多くの場合に蛍光信号８０は弱く、または液体６２内の粒子濃度は低く、それによって極めて低い蛍光信号８０が測定されることを必要とする。またこれらの場合、入射出力ビーム７６の物理的阻止が必要とされるような、高い除去率が実現されるべきであり、これは底部から蛍光信号８０も検出する能力を制限するので問題がある。より詳しく述べられるように本発明は、入射ビームは阻止され、蛍光信号８０（おそらくフィルタを通してフィルタリングされる）を検出器において受け取られる主信号として残すので、蛍光信号８０に伴うこの問題を解決する。
【００２３】
マイクロプレートウェル５４内に含まれた液体６２は、通常は表面張力により、高度に湾曲した自由表面６４を有する。この自由表面６４は光パワー（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）（時にはかなりの光学収差を有する）を有し、入力ビーム７４を実質的に歪ませ、それを図２Ｂに示されるように発散させる。入力ビーム７４に対するこの効果のために、出力ビーム７６を阻止すること、または低角度で前方散乱信号７８を検出することは不可能である。従って環境が整って残される（ｌｅｆｔ  ｉｎ  ｐｌａｃｅ）唯一の実用的な光学測定は、吸光度、後方散乱信号、および後方に放射された蛍光の検出である。吸光度が測定される場合は、図２Ｂの光学フィルタまたはモノクロメータ８４は必要ない。要約すると液体の自由表面６４によって引き起こされる入力ビーム７４の発散は、出力ビーム７６から検出器８２を効果的に遮蔽またはフィルタリングする能力が無効になり、それによって前方に放射された蛍光８０または前方散乱信号７８の検出を妨げ、マイクロプレート５０の底部から検出されるものとして吸光度のみが残る。図３に全体的に記述される本発明は、自由表面６４によって引き起こされる歪みを補正することによってこの問題を解決するのを助ける。
【００２４】
図３は、前方散乱信号ならびに前方に放射された蛍光の検出を可能にする、本発明の一実施形態を示す。具体的にはシステムは、ウェル５２の中心軸に概して平行な入力ビーム１１２を発生する光源としてレーザ１１０を含む。１つの好ましい実施形態では、レーザ１１０の入力ビーム１１２は、可視から近赤外（例えば３００ｎｍから２５００ｎｍ）の波長にあり、約０．１０ミリワットから１０ミリワットの範囲のパワーを有する。入力ビーム１１２は、マイクロプレート５０の上面５４の上に位置する調整可能出力素子１２０によって形作られる。調整可能出力素子１２０は、自由表面６４から液体６２に入る、特に形作られた収束する入力ビーム１２２を生成する。特に、調整可能出力素子１２０は、自由表面６４のメニスカスによって引き起こされる歪み効果を無効にする一定の収束を達成し、それによって結果として、検出器１３０に向かってマイクロプレート５０のウェル５２内の液体６２を通って進行する実質的に平行化されたビーム１２４（または集束されたビーム）を生じる。１つの特定の実施形態では、調整可能出力素子１２０は、６．７ｍｍの直径を有するウェル５２に対して−１０から＋３０ｄｐｔの範囲内に調整され得る。平行化されたビーム１２４は、ウェル１５４を離れた後に、検出器１３０に到達する前にビームダンプ１３２（または他のタイプの減衰器）によって作用を受ける。この場合は平行化されたビーム１２４は、ビームダンプ１３２によって物理的に阻止することができ、平行化されたビーム１２４に対する高い消光比により、低角度の前方散乱信号１４０および／または蛍光信号１４２の測定を可能にする。従って、検出器１３０が実質的に前方散乱信号１４０および／または蛍光信号１４２のみを受け取るように、平行化されたビーム１２４の制限された幾何学的エリアを制御することができる。
【００２５】
図３の概略図による光学測定システムを実装するときは、追加の光学部品を含めることが有用となり得る。例えば出力ビーム１１２を特定の大きさおよび形状に制限するために、レーザ１１０に隣接してピンホール開口（例えば０．５ｍｍピンホール）を配置することができる。同様にまた、液体６２の自由表面６４内に渡される光エネルギーを制限するのを助けるために、調整可能出力素子１２０の下、およびマイクロプレート１５０の上側面５４の上にピンホール開口（例えば０．１ｍｍから１．０ｍｍピンホール）を配置することができる。
【００２６】
図４Ａおよび４Ｂは、図３に示される調整可能出力素子１２０のためのフィードバックループを示す。図４Ａでは検出器１３０は、ビームダンプ１３２によって作用された（おそらく部分的に）後に、平行化されたビーム１２４からの信号を捕捉する。平行化されたビーム１２４からの光信号の特性は、コントローラ１４８によって受け取られ、これはステップ１５０で検出器１３０の画像面上で受け取られた平行化されたビーム１２４の位置、寸法、および強度に対応するデータを抽出するための画像捕捉アルゴリズムを実行する。検出器１３０によって受け取られるこれらの光信号は、迷光と見なされ得る。液体６２の自由表面６４に入る前の、集束された収束ビーム１２２の既知の特性、および検出器１３０上の位置、寸法、および強度分布に対応するデータに基づいて、自由表面６４の物理的プロファイルが計算または近似される。言い換えれば自由表面６４の光学特性は、それがレンズであるかのように今や既知となる。ステップ１５２でコントローラ１４８は、液体６２の自由表面６４によって引き起こされるビーム歪みを最小化し、それによって平行化されたビーム１２４を達成するように、調整可能光学素子１２０によって入力ビーム１１２に導入される波面補償を計算する、迷光最小化アルゴリズムを実行する。次いでステップ１５４でコントローラ１４８は、調整可能光学素子１２０を調整し、それによって調整可能光学素子１２０の光学的設定を変更する。この過程は、所望の平行化されたビーム１２４が生成され、それによって検出器１３０上に最小量の迷光を発生するまで、周期的にまたは反復して継続することができる。達成されたときはシステムは、図３に示されるように、前方散乱信号１４０および／または蛍光信号１４２を受け取るために、より最適な状態で動作することができる。
【００２７】
図４Ｂのフィードバックループでは、検出器１３０はフィードバックループの一部として用いられない。むしろ、液体の自由表面６４は、機械的測定、光パワー測定、または表面張力パラメータを知ることに基づく計算などの、他の方法で直接または間接的に測定される。自由表面６４の決定されたプロファイルは、調整可能光学素子１２０に対する最適の設定を決定するために、コントローラ１４８によって用いられる。従ってステップ１６０でコントローラ１４８は、自由表面６４の表面プロファイルを決定するためにデータを受け取る（例えば自由表面６４からの反射を測定する）。ステップ１６２でコントローラ１４８は、液体６２の自由表面６４によって引き起こされるビーム歪みを最小化し、平行化されたビーム１２４を達成するように、調整可能光学素子１２０によって入力ビーム１１２に導入される波面補償を計算する迷光最小化アルゴリズムを実行する。次いでステップ１６４でコントローラ１４８は、調整可能光学素子１２０を調整して、調整可能光学素子１２０の光学的設定を変更する。このプロセスは、調整可能光学素子１２０を出る所望の収束ビーム１２２が、結果として所望の平行化されたビーム１２４を生じるようになることを確認するまで、周期的にまたは反復して継続する。
【００２８】
図５Ａ〜５Ｃは、調整可能光学素子１２０の例示的実装形態を示す。図５Ａでは調整可能光学素子１２０ａは、第１の光学素子１８２（レンズなど）に取り付けられた第１の構造体１８０、および第２の光学素子１８４に取り付けられた第２の構造体１８２を備えた機械的に調整が可能なアセンブリである。コントローラ１４８から受け取られた制御信号に応答して、アクチュエータ１８８（モータなど）は、第１の構造体１８０および／または第２の構造体１８４に力を与えて、第１の光学素子１８２と第２の光学素子１８４の間の距離を調整する。第１の光学素子１８２と第２の光学素子１８４の間の距離の調整は、調整可能光学素子１２０ａを出る収束ビーム１２２（図３）の形状に影響を与える。
【００２９】
図５Ｂでは、調整可能光学素子１２０ｂは、機械的または電子的調整可能レンズ１９２を保持する取付構造体１９０を含む。コントローラ１４８は、電子的調整可能レンズ１９２の形状に直接影響を与える、回路１９４の電気出力を調整する。あるいはコントローラ１４８は、回路１９４の出力を調整して機械的取付構造体１９０の形状を変更し、それによって調整可能レンズ１９２の形状に間接的に影響を与える。調整可能レンズ１９２の形状の調整は、調整可能光学素子１２０ｂを出る収束ビーム１２２（図３）の形状に影響を与える。
【００３０】
図５Ｃでは、調整可能光学素子１２０ｃは、空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）２００を含む。コントローラ１４８は、自由表面６４を通って透過するビーム１２２の非常に大きな制御をもたらすようにＳＬＭ２００を調整する。ＳＬＭ２００は、事実上任意の表面歪みのない自由表面６４を補償することができるが、光パワーが限られる。
【００３１】
調整可能光学素子１２０はまた、例えばＳＬＭを有する調整可能レンズなど、図５Ａ〜５Ｃ内の上記の素子のいずれかの組み合わせとすることもできる。また調整可能光学素子１２０によって必要とされる機能のために、機械的に制御された望遠鏡、変形可能な適応型ミラー、または調整可能光学素子の他のアレイも利用され得る。
【００３２】
図６は、入力ビームがバイアルまたはウェルの主軸に沿って透過されたときに、複数の光学測定を受け取ることができる代替のシステムを示す。さらにシステムは、単一検出器２３０上に複数の光学測定を受け取る。図６の例示のシステムは、複数の光学測定のために用いられる様々な構成要素の実装を示すものであり、これは任意の他の構成において組み合わされ得る。
【００３３】
図６では、後方散乱信号２４０は、液体６２の自由表面６４の近くの光ファイバ２４２によって収集される。後方散乱信号２４０の収集は、光ファイバ２４２の前に光学素子を追加すること、または光ファイバ２４２の端面を形作ることによって促進され得る。ファイバ２４２の端面からの後方散乱出力信号２４４は、前方散乱信号１４０または蛍光信号１４２の測定のためには使用されない検出器２３０上の物理的位置に位置する。
【００３４】
入力ビーム方向に概して垂直な光学的アクセスが可能な場合は、側方散乱信号２５０および／または側方蛍光信号２５１は、検出器２３０への第２の光ファイバ２５２によって透過され得る。光ファイバ２５２は、バイアルの側面の近くに位置し、側方散乱信号２５０および／または側方蛍光信号２５１を追加の結合光学素子により収集することができる（図６に示されるように）が、追加の結合光学素子は必須ではない。第２の光ファイバ２５２の出力端を出る出力光２５６は、プリズム２５４を用いて検出器２３０に結合される。検出器２３０はウェルの底面近くに位置しなければならないので、プリズム２５４は、第２の光ファイバ２５２が横方向から検出器領域に入ることを可能にし、それによって検出器２３０への機械的アクセスのための高さ要件を最小にする。プリズム２５４の一方または両方の側部は、入射光波長を除去するための誘電体コーティングを含むことができ、これは蛍光測定において有用となり得る。側方散乱信号２５０および／または側方蛍光信号２５１からの出力信号２５６はまた、検出器２３０に透過される前に、光学素子（プリズム２５４のような）によって空間的に分離することができる。側方散乱信号２５０および／または側方蛍光信号２５１からの出力信号２５６は次いで、ビームダンプ１３２のそばを過ぎて透過される前方散乱信号１４０または蛍光信号１４２のためには使用されない検出器２３０上の第２の物理的位置に送られる。従ってバイアルに対して側方アクセスが利用可能なときは、液体６２のいくつかのタイプの光学測定を単一検出器２３０によって検出することができ、次いでその情報は、液体６２内に位置する粒子のタイプ、量、および／または濃度を決定するために用いることができる。
【００３５】
図７は、液体試料からの複数の測定のための検出器２３０の例示のレイアウトを示す。検出器２３０の破線の円形領域３２４は、ビームダンプ１３２による阻止されたビームの物理的位置を表す。前方散乱信号１４０は、破線の円形領域３２４の周りに同心円状に位置する、検出器２３０の領域３４０において検出される。バイアルの上部および側部からの様々な光ファイバ（例えば図６の光ファイバ２４２、２５２）は、やはり同じ検出器２３０によって検出されるいくつかの相補的な信号を運ぶ。例えば第１の光ファイバ２４２からの後方散乱信号２４４は、検出器２３０の上部中間領域３４４において検出され得る。側方散乱信号２５０は左側中間領域３５０において測定され得る。第１の蛍光信号は検出器２３０の下部中間領域３５１ａにおいて検出することができ（例えば第１の波長帯内、または異なる角度で）、第２の蛍光信号は下部左側領域３５１ｂにおいて検出することができる（例えば第２の波長帯内、または異なる角度で）。異なる角度での追加の側方散乱信号も、検出器２３０の上部左側領域３６０において検出され得る。もちろん検出器２３０によって、より多いまたは少ない出力信号を検出することができる。さらに図７は、単一検出器上での複数の測定を説明する目的で示されたが、前方蛍光が検出されないときの検出器１３０に当てはまるように、単一の測定のみ（図３の前方散乱信号１４０）を測定することができる。
【００３６】
図８Ａは、ビームダンプ１３２（図３、４、および６）の代わりに用いることができるビーム減衰デバイス３８０を示す。ビーム減衰デバイス３８０では、液体６２を通って進行してきた入射ビームの中心部分３８２は減衰され、好ましくは不透明構造体によって、周辺部分３８４は阻止される。
【００３７】
図８Ｂでは、ビーム減衰デバイス３８０は、検出器２３０の右側中間領域３９２における吸光度測定を可能にする。検出器２３０上の右側中間領域３９２の周りの周辺領域３９４は、ビーム減衰デバイス３８０の好ましくは不透明の周辺部分３８４により、実質的に信号を有しない。前方散乱信号１４０（図６）は低い粒子濃度においてまたは散乱信号が弱い状態で特に有用であるため、同時の吸光度および散乱測定は、検出器２３０の広いダイナミックレンジが必要になるので難しいものとなる。本発明のこの態様によれば、入力ビームの一部はビーム減衰デバイス３８０を通して検出器２３０の中心領域３９２に部分的に透過され、それを、同じ検出器２３０がそれを前方散乱信号１４０と同時に測定できるのに十分に低い強度にする。図８Ａおよび８Ｂのこの代替構成を用いて、吸光度測定も実行することができ、高い粒子濃度の測定を可能にする。さらに本発明は、同じ検出器２３０が図７および図８Ｂの両方に示される出力検出パターンをもたらすことを可能にするように、入射ビームの経路内およびその外に別個に移動されるビームダンプ１３２およびビーム減衰デバイス３８０の両方を用いるシステムを企図する。
【００３８】
検出器１３０、２３０によって検出される後方反射の数を制限することが有利となるので、本発明はまた、マイクロプレート内の各ウェルの底部における角度を有する面（水平面ではなく）、または個別のバイアルの底面の使用を企図する。角度を有する面は、検出器１３０、２３０に入射する後方反射の一部を除去するのを助ける。さらに再帰反射の一部を吸収するために、ウェルのそれぞれの側壁が吸収材料（黒いプラスチックなど）から作製されることが有利である。底面は非常に薄く、透過性であり、１０ｎｍ未満の表面粗さを有することが好ましい。
【００３９】
本発明は、液体を含んだウェル内に位置する液体の自由表面に関連して述べられたことが留意されるべきである。しかし本発明は、湾曲した１つまたは複数の自由表面を有する一滴の液体試料の自由表面など、１つまたは複数の自由表面に対して有用である。さらに試料を含んだウェルは細長いものとして述べられたが、ウェルはまたずっと浅い形状も有し得る。例えばウェルの長さは、その直径と同様な寸法を有し得る。
【００４０】
これらの実施形態およびそれらの明らかな変形形態のそれぞれは、添付の特許請求の範囲に記載された特許請求される本発明の趣旨および範囲に包含されることが企図される。さらに本概念は、上述の要素および態様のあらゆる組み合わせおよび部分組み合わせを明示的に含む。
【図１】
2016540237.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年10月6日(2015.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面を有するウェル内に含まれた液体内の粒子の少なくとも１つの特性を測定するための光学測定システムであって、
前記液体の自由表面に向かって、前記ウェルの中心軸に概して平行に入力ビームを透過するための光源と、
前記光源と前記液体の前記自由表面の間に位置する調整可能光学素子であって、前記液体の前記自由表面に関連する歪みを補償するように前記入力ビームの形状を変更するための、調整可能光学素子と、
前記液体内の前記粒子の少なくとも１つの特性を示す前方散乱信号を受け取るための、前記ウェルの前記底面の下に位置する検出器と、
前記入力ビームの透過部分が前記検出器に衝突するのを妨げるための入力ビーム減衰器であって、前記入力ビームの前記透過部分は前記液体を通って透過した前記入力ビームの部分である、入力ビーム減衰器と、
を備えることを特徴とする光学測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記入力ビーム減衰器は、前記検出器に隣接し、前記ウェルの前記底面の下に位置するビームブロックであることを特徴とする光学測定システム。
【請求項３】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記入力ビームは、前記粒子から蛍光信号を放射させ、前記検出器は、前記液体内の前記粒子の少なくとも１つの特性を示す蛍光信号をさらに受け取ることを特徴とする光学測定システム。
【請求項４】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記粒子は、バクテリアを含み、前記前方散乱信号によって示される前記少なくとも１つの特性は、前記液体内のバクテリアの量であることを特徴とする光学測定システム。
【請求項５】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記ウェルの側部または上部から、粒子特性に関連する追加の信号を集めるために少なくとも１つの光ファイバをさらに含み、前記光ファイバは、前記追加の信号を前記検出器にもたらすことを特徴とする光学測定システム。
【請求項６】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子に結合されたコントローラをさらに含み、前記コントローラは、前記入力ビームの形状を変更するように、前記調整可能光学素子に関連する光学パラメータを調整するためのものであることを特徴とする光学測定システム。
【請求項７】
請求項６に記載の光学測定システムであって、前記コントローラは、前記自由表面に関連する前記歪みを適切に補償するように前記光学パラメータを調整するために、前記検出器から情報を受け取ることを特徴とする光学測定システム。
【請求項８】
請求項７に記載の光学測定システムであって、前記調整された光学パラメータは、前記ウェル内の前記液体内の前記入力ビームの前記透過部分が、実質的に平行化または集束されるようにすることを特徴とする光学測定システム。
【請求項９】
請求項６に記載の光学測定システムであって、前記コントローラは、前記液体の前記自由表面に関連する前記歪みを適切に補償するように前記光学パラメータを調整するために、前記液体の前記自由表面に関連する情報を受け取ることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子は、前記液体内の前記入力ビームの前記透過部分の形状が、実質的に平行化または集束されるようにすることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子は、調整が可能なレンズであって電子的または機械的に形作られるレンズと、空間光変調器とからなる群の少なくとも１つであることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の光学測定システムであって、前記ウェルは、２次元配置にて位置付けされた複数のウェルを有するマイクロプレート内の細長い内部ウェルであることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１３】
ウェル内に含まれた液体内の粒子の少なくとも１つの特性を決定する方法であって、
前記液体の自由表面に向かって光ビームを透過するステップと、
前記光ビームが前記自由表面に衝突する前に、前記入力ビームが前記自由表面において光学的歪みを受けた後に、前記液体内で実質的に集束されたビーム形状を結果として生じるように、前記光ビームの形状を変更するステップと、
検出器の前の位置で前記入力ビームを減衰するステップと、
前記検出器において前方散乱信号を受け取るステップであって、前記前方散乱信号は前記粒子の少なくとも１つの特性を示す、ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記前方散乱信号は、前記実質的に集束されたビーム形状を有する前記入力ビームに対して、前記ウェルの壁により近く位置することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法であって、前記減衰は、調整可能光学素子によって達成され、前記調整可能光学素子は、前記光ビームの形状を制御可能に変更することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記調整可能光学素子は、前記検出器からのフィードバックに応答して、前記光ビームの形状を、実質的に平行化または集束されたビーム形状に変更することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法であって、粒子の少なくとも１つの特性を示す追加の信号を受け取るステップをさらに含み、前記追加の信号は、前記ウェルの側部または前記ウェルの上部における位置から到来し、前記追加の信号は、光ファイバによって透過されることを特徴とする方法。
【請求項１８】
ウェル内の液体試料を測定するための光学測定システムであって、
前記ウェル内の前記液体試料に光を透過するように構成された光源と、
前記液体試料内の透過光に由来する光信号を測定するように構成された検出器と、
前記光源と前記ウェルの間に位置付けされた調整可能光学素子であって、前記液体試料の表面によって誘起される歪みを補償するように前記光を形作るように動作可能な、調整可能光学素子と、
を備えることを特徴とする光学測定システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子は、（ｉ）機械的に調整が可能な光学素子と、（ｉｉ）調整が可能な曲率を有する調整可能レンズとの少なくとも１つを備えることを特徴とする光学測定システム。
【請求項２０】
請求項１８に記載の光学測定システムであって、前記調整可能光学素子は、前記ウェル内の前記液体試料内の前記透過光が、実質的に平行化または集束されるようにすることを特徴とする光学測定システム。
【国際調査報告】
2016540237.tif 000016