CN101963579A - 用于测量来自液体样品的散射光信号的改善的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量来自液体样品的散射光信号的改善的方法和设备。本发明描述一种用于光散射测量的样品单元，其包括用作横向和垂直透镜的外表面。该独特结构极大地改善对包含在其中或从其流过的流体中悬浮的分子和颗粒在被入射到其上的细光束照射时散射的光的测量。从而当产生的单元的透镜结构被集成到散射光光度计以及结合位于每个散射光收集检测器前面的适当孔径时，显著减少进入每个检测器的杂散光。

Description

用于测量来自液体样品的散射光信号的改善的方法和设备

相关专利和申请

以下的发明和申请涉及与本发明申请相关的方法和设备。

G.R.Janik和P.J.Wyatt，美国专利No.5,404,217(1995年4月4日)“Laserliquid flow cell manifold system and method for assembly.”

P.J.Wyatt和G.R.Janik，美国专利No.5,530,540(1996年6月25日)“Lightscattering measurement cell for very small volumes.”

S.P.Trainoff，美国专利No.6,426,794(2002年7月30日)“An optical flow cellincorporating automatic self cleaning.”

S.P.Trainoff，美国专利No.6,452,672(2002年9月17日)“A self cleaning opticalflow cell.”

S.Trainoff和P.J.Wyatt，美国专利No.6,651,009(2003年11月18日)“Methodfor determining average solution properties of macromolecules by the injectionmethod.”

P.J.Wyatt和M.J.Weida，美国专利No.6,774,994(2004年8月10日)“Methodand apparatus for determining absolute number densities of particles in suspension.”

S.P.Trainoff，美国专利No.7,386,427(2008年6月10日)“Method for correctingthe effects of interdetector band broadening.”

D.I.Some and S.P.Trainoff，美国专利申请序列号No.12/072,986，2008年2月29日提交“Method for determining average properties of molecules in solution byinjection into a flowing solvent.”

S.P.Trainoff，美国专利申请序列号No.12/148,358，2008年4月18日提交，“Method to derive physical properties of a sample after correcting the effects ofinterdetector band broadening.”

背景技术

包含诸如分子、病毒、纳米颗粒、脂质体等溶质的溶液通常在分离之后通过色谱技术或其他类型的制备技术测量。这种测量可以包括确定溶质浓度、溶液黏度和光散射特性。与对应浓度的确定结合使用的光散射特性的测量可以用于导出溶液组成成分的大小、摩尔质量、聚集以及缔合。为了改善这种确定，通常通过相对于诸如激光器产生的关联的光束的方向以多个角度测量散射光，来进行光散射测量。这种测量被称为多角度光散射或简称MALS，并且通过绝对光散射光度计或其派生物进行。

在能够进行这种MALS测量的情况下的巨大改善随着最初在美国专利No.4,616,927中描述的轴向流动单元的引入发生，在此称为‘927专利。进一步的改良，特别对于单元集成到光度计的方式，在对应的美国专利No.5,530,540，No.4,952,055，No.4,907,884和外观设计专利Des 329,821中描述。

所谓的轴向流动单元/流动池(axial flow cell)的基础结构由立柱组成，其在柱体的底部和顶部之间的中间处具有小的抛光通孔。样品和其上的入射光束均通过该相同的孔。这与更常规的照射***非常不同，在更常规的照射***中照射光束通常横穿溶液流动方向。对于轴向单元流，单元自身用作柱面透镜，将射束不同部分散射的光的近轴光线成像到围绕单元并且位于通过孔且平行于单元底部的平面上的一组检测器上。另外重要的是当单元折射率大于流体折射率时，支持小散射角度的测量，这也是通常的情况。尽管合并了‘927轴向流动单元的光散射光度计的性能远高于其他流动单元实施例，但仍然存在与散射光的收集关联一些重要因素，其将从改善的结构中受益。本发明的主要目的是解决这些因素并提供增强光度计的整体性能的方法和装置，其中样品单元在收集被流过的溶液散射的光时起到重要作用。

如上所述，流动单元结构的类似透镜的行为允许来自中央照射光束的近轴光线聚焦到包含散射光检测器的弧上。然而，仅仅在平行于单元底部的平面内非常接近那些离开该单元的光线能够到达检测器。大多数向检测器散射的光被折射出检测器平面而不被收集。另外，来自液体/玻璃-孔界面的一些杂散光将到达检测器，由此增加对收集的信号的背景贡献。‘927中单元设计通过采用和使用光散射技术在显著地扩展分子生物学、分析化学、纳米颗粒特征化以及其他领域中的成功，提供了开发新的单元结构和应用的重要动力。

本发明的主要目的是提高收集从被光照射的溶液散射的光的效率。本发明的另一目的是通过光收集结构提高收集的散射信号的信噪比，由此空间滤波可以显著地减少杂散光的贡献。

发明内容

通过重新设计的轴向流动单元，可以改善对被流过的溶液散射的光的测量。在其优选实施例中，该单元被设计为捕捉散射的光的更多部分，同时提供允许减少进入外周的多个检测器中每个检测器的杂散光的装置。由此实现的流体单元包含旋转表面，相比于‘947发明中的柱体结构，更有效地聚焦被流动溶液散射的光。通过聚焦散射光到检测器上，本发明的结构可以与空间滤波器组合，以显著减少来源于流体周边的单元孔的壁的杂散光。

附图说明

图1示出现有技术的流动单元，具有一些用于***到光散射光度计中的配件；

图2示出从现有技术的单元的孔的中心发出的散射光的折射，即与本发明共同的特征；

图3示出在包含孔且平行于单元底部的平面内的现有技术的散射几何关系的俯视图；

图4示出现有技术的柱体单元几何关系的侧视图；

图5示出新单元形状的侧视图；

图6示出具有一些配件的本发明的新流动单元；

图7示出拒绝来自孔表面的次级散射光的适当选择的狭缝结构的侧视图；以及

图8示出合并多个透镜结构的本发明的实施例。

具体实施方式

图1示出现有技术‘947发明的轴流动单元(axial flow cell)以及用于在光度计中保持其位置并且允许其测量从单元流过的样品散射的光而需要的一组典型配件。单元1以半径为R的立柱形式由诸如玻璃或塑料的透明介质制成，在两侧3平坦化以允许密封件4被抵靠保持。在本说明书全文中，单元的组成物将被称为玻璃，然而其可以由适合溶液通过其流过的任何其他透明介质制成。抛光孔2通过该单元的中心并沿着直径方向，抛光孔2的横截面可以是圆形或矩形，通常在0.5到1.5mm的范围内。两个岐管(manifold)5使单元保持抵靠在所述密封件上。由配件将其保持抵靠在密封件7上的窗口6允许细光束透过。光一般来自激光光源，垂直于立柱结构的单元底部偏振。岐管通过底板9和螺栓10保持在一起。流体样品可以通过配件11引入和去除。

图2示出保留在本发明中的现有技术的孔中发生的折射的细节。在此示出的几何关系是入射光束12被单元中心处的样品13散射到方向θ并且在空气-玻璃界面14折射到方向θ′。流过的液体溶液具有折射率n_s，玻璃具有折射率n_g，并且一般n_s＜n_g。由此，在液体内以角度θ散射的光已转换为折射光线，其将以角度θ′离开孔。这是现有技术单元的重要因素，因为以小散射角度的散射通过在溶液玻璃界面的折射转换为更大的散射角度，其易于通过实验获得。在随后的讨论中，将理解在进行Snell(斯涅尔)定律校正之后(‘947专利中的θ′)，θ_g将代表玻璃中的散射光的角度。单元的空气-玻璃界面的最终折射将是最关键的项。

此单元几何关系的另一优点是单元外部形成的柱面透镜沿着相对于入射光束12的方向以图3的弧15指示的任何散射角度θ_S散射的光束，将光聚焦到可以在其上距单元中心的距离f_h处布置(多个)检测器的环。此现有技术的单元几何关系的更多细节在图3示出。光束用作沿着水平轴线的线光源。假设单元的半径为R，并且假设折射率为n。考虑从单元的中心与主射束成角度θ_S发射的光线，以及在进一步沿着射束在距离x处以相同角度发射的另一光线。根据斯涅耳定律，来自单元的中心的光线相对于线17的入射16角度θ_g，遵循：

nsinθ_g＝sinθ                                 (1)

根据正弦定理，可得

$\frac{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})}{f_h}=\frac{\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_g)}{R}---\left(2\right)$

如果仅仅考虑近轴光线/旁轴光线(paraxial ray)，θ＝1和θ_g＝1，可得

$f_h=R\frac{n}{n-1}---\left(3\right)$

应注意不需要假设θ_s很小；对于在所有散射角度的近轴光线获得相同结果。

现在考虑设置在距单元中心距离f_h处基于现有技术的柱体单元的检测器收集的光。图4中示出其几何关系。如果检测器具有半径ρ，并且位于聚焦环上，收集角(collection angle)的范围可以被计算。再次，对于近轴情况，具有

${\mathrm{\θ}}_g\≈\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{nf}}_h-(n-1)R}\right)---\left(4\right)$

对于焦距f_h，由等式(3)给出，则等式(4)变为

${\mathrm{\θ}}_g\≈\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{R}\frac{n-1}{2n-1}\right)---\left(5\right)$

对于半径1.5mm的检测器以及半径16mm、n＝1.5的单元，θ_g≈23mrad(毫弧度)。实际收集区域稍微小，因为检测器通常是圆形而不是方形的，然而，注意到这是从样品发出的全散射光的一小部分很重要。

现在考虑本发明的关键因素：通过使用新型的柱面透镜提供对流动单元内的样品散射的光的更有效的捕捉以收集方位角方向上(散射平面之外)更多的光，同时使轴向方向(散射平面内)的平均降到最小。这很重要，因为所有的多角度光散射仪器均测量散射强度作为轴向角度(θ)的函数，以及该方向上的平均扭曲数据，使得对模型的拟合出现问题。方位角方向上的平均则没有此问题。使收集效率提高的方法是通过对现有技术单元表面在其垂直方向上的修改，以集成图5所示的凸透镜结构。尽管凸透镜结构的这种集成提供垂直方向上的聚焦的理论已经得到发展，但本领域技术人员将理解这种垂直聚焦还可以通过Fresnel(菲涅耳)透镜元件的圆周集成实现。可替换地，提供垂直聚焦的连续凸结构可以被取代为布置在接近于平坦圆形表面以及均在其关联的检测器上提供垂直聚焦的离散柱面透镜元件。

单元的中心和创新的半径R’的凸区域的中心之间的距离是d。散射光线以角度α离开被照射的样品，并且在距孔的中心距离l处与圆形表面相交，并且相对于其法线成角度θ_g。应用余弦和正弦定理，得出

l²＝R′²+d²+2R′dcos(π-α-θ_g)                    (6)

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_g}{d}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{R^{\′}}---\left(7\right)$

可以示出焦距由下式给出

$f_v=l\cos \mathrm{\α}+l\frac{\sin \mathrm{\α}}{\tan (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_g-\mathrm{\α})}---\left(8\right)$

对于完全非球面透镜设计，该表达式可以解得f_v(α)，但在近轴近似中更容易解得，其中

θ≈nθ_g，α≈θ_gR′/d，并且l≈R′+d，                (9)

得到独立于α的结果，即

$f_v=d+\frac{\mathrm{nd}{R}^{\′}}{(n-1)d-R^{\′}}---\left(10\right)$

为了使散射光线在水平和垂直两个方向上在相同距离聚焦，两个焦距被设定为相等f_h＝f_v。求出直径并且再得出R＝d+R′，以及

$R^{\′}=R\frac{n-1}{2n-1}---\left(11\right)$

和

$d=R\frac{n}{2n-1}---\left(12\right)$

这是主要结果。其将透镜半径R’关联到单元的大小R和玻璃的折射率n。

本发明的结构相对于现有技术的结构的重要优点是其收集更多的光。简单的数值示例将证明这一点。考虑整体半径R＝16mm的折射率n＝1.5的玻璃单元，与现有技术单元的大小大致相同。假设f＝f_h＝f_v＝3.0R，R′＝0.25R，d＝0.75R。图5的结构的最大收集角仅为

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{R^{\′}}{d}\right)---\left(13\right)$

其给出α＝322mrad。这使得收集效率在数量级上增加。此分析是大致的，因为其忽略了检测器的实际形状以及收集非近轴光线的效率。然而，其呈现出在检测器信号水平上将显著增加。对于检测器处于散粒噪声极限内的仪器，检测器噪声将作为信号的平方根增加，使得期望的S/N提高超过3倍。

图6示出本发明的单元18的透视图和在光散射光度计内保持其位置和作用所需要的主要配件。单元被岐管装置19和20以及底板21保持。弹簧垫圈22确保单元与所述岐管的接触。穿过单元的轴向孔23通过O形密封件24连接到岐管，从而使得液体可以无障碍地流动。带螺纹的螺栓25、26和27将所述单元岐管和底板21保持在单个组件中。细的光束可以通过夹在O形密封件29和带螺纹的配件30之间的窗口28透过所述组件。通过带螺纹的配件31允许所述岐管连接到色谱设备、泵、取样源等，流体溶液可以流过包含连接通道的所述密封组件，通过所述岐管进入所述孔中。还应注意光学窗口可以被并入单元结构自身，通过以下方式，例如将流体入口和出口端直接加工到单元中以及使末端平坦化以允许光束垂直于轴向孔进入和离开。

产生等式(11)和(12)的结果的以上分析代表本发明的方法和设备的简单示例，其被开发以实现显著提高的散射光收集效率。对应单元的凸结构已经被选择具有简单的圆形形式，其近轴近似可以被使用。其还具有容易制造的优点。然而，还能够分析或数值地解出等式(8)，以产生非球面表面的解，以便进一步增加收集效率。由此，本发明教导提高光散射单元的性能的总体方法。

本发明的方法和设备的另一优点涉及新实施方式能够简化对大量杂散光的消除的能力。由于所描述的本发明的流动单元将流动单元内部的光束成像到位于与其相距f的环上的检测器上，其产生特别容易空间滤波的几何关系。为了抑制来自该流动单元孔的边缘的次级散射光，仅仅需要如图7所示在所述聚焦环上的每个检测器33前面放置狭缝32。其上示出两组散射光线：来自于在孔35的中心照射的样品34的散射光线以及来自于孔-液体界面37的杂散光36的散射光。

本创新性的设计的一个目标是使从单元收集的散射光最大化。通过本发明的单元，小范围的方位角散射光由检测器在每个极角处捕捉，该检测器被设置用以在之前描述的散射环上接收散射光。在给定极方向上散射光强度的变化作为方位角φ的函数，在垂直偏振的入射光情况下，对于相对于入射光束的波长大小很小的颗粒，散射光强度的变化与cos²φ成比例。对于较大的颗粒，可以检测极散射随方位角的改变的变化。对于偏振入射光的颗粒，也可以看到这种变化。因此，期望测量处于不垂直于入射辐射的平面内的散射光。这能够通过例如可变半波板来旋转入射光的偏振平面容易地实现。然而，为了记录被照射的颗粒的方位角散射特性，这种测量将需要对偏振平面的每个方向进行单独测量。由于样品已经将辐射散射到全部方位角方向，因此可能期望同时从不同方位角散射平面收集该散射光。这可以通过如图8所示的扩展结构实现。该多透镜结构由此允许测量，并且合并了单个透镜单元在相对于入射光束的偏振平面的不同方向上的改进。如已在前面的讨论，本创新性的设计通过将散射光的线光源通过新型的柱面透镜成像到空间中位于公共散射平面上的环上。相对于公共孔38，在39、40和41处示出了与测量散射到不同的散射平面的光关联的不同的透镜元件。在右侧42示出形成覆盖方位角的整个范围的一系列透镜的概括结构。然而应注意对于每个极方向，聚焦到对应的散射环的方位角的范围必须相同。由此，随着极角接近0°和180°，收集角α的范围减小。事实上，α∝sinθ。

在优选的情况下，如果样品浓度足够高并且流过该流动单元足够慢，则能够通过采用图8的集成结构足够迅速地在改变偏振平面和收集一组完整散射数据之间交替，从而足以捕捉相同量的信息。

上述描述，为了说明目的，使用具体名称来提供对本发明的详细理解。然而，对于本领域技术人员而言，实施本发明不需要这些具体细节。因此，本发明的具体实施方式的以上描述为了示例和说明目的而呈现。其不意在穷尽本发明或将本发明限制在所公开的精确形式；明显地，考虑到上述教导，可能进行很多修改和变化。实施例被选择和描述以最好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使得本领域技术人员最好地利用本发明和各个实施方式以及各个修改，只要适用于预期的具体用途。随后的权利要求及其等价物意在限定本发明的范围。

Claims (29)

1.一种用于测量颗粒的液体悬浮物的光散射特性的圆形样品单元，其主体部分

1)包括沿着直径设置的内部孔，以保持颗粒的液体悬浮物，并且细光束可以通过所述孔来照射所述液体悬浮物以从所述颗粒散射光；

2)在所述孔的两个开口处具有允许所述单元合并到岐管装置的装置，以通过配件保持和定位所述单元，从而允许所述液体悬浮物通过所述孔；

3)具有外表面，其被配置为用作横向透镜和垂直透镜，从而将从被照射的所述孔以公共散射角散射的光聚焦到同轴的检测环上的单个对应的公共焦点。

2.根据权利要求1所述的样品单元，其中所述外表面是关于垂直于包含所述孔的水平面的轴线的旋转表面。

3.根据权利要求2所述的样品单元，其中所述外表面是凸形形状。

4.根据权利要求3所述的样品单元，其中所述凸形形状具有关于距离所述单元的中心的固定距离处的点的恒定曲率半径。

5.根据权利要求4所述的样品单元，其中R是所述样品单元在包含所述孔的水平平面内的半径，R’是所述外表面的固定曲率半径，所述外表面的中心与所述样品单元的中心距离为d，并且n是形成所述样品单元的透明材料的折射率，R通过以下关系关联到R’：

$R^{\′}=R\frac{n-1}{2n-1}$ 和 $d=R\frac{n}{2n-1}.$

6.一种用于测量颗粒的液体悬浮物的光散射特性的***，其包括：

1)具有多个光学检测器的检测环，每个检测器以对应的多个散射角度中的每个角度检测散射光；

2)样品单元

a.具有圆形主体部分，其包括位于其直径上且在与所述检测环的相同平面内的内部孔；

b.在所述孔的两个开口处具有平坦化的或以其它方式修改的末端，允许所述单元合并到岐管装置以通过固定件保持和定位所述样品单元，从而允许所述颗粒的液体悬浮物流过所述孔；

c.包括外表面，其是旋转表面，所述旋转表面被设定形状以用作横向透镜和垂直透镜从而将具有公共散射角度的散射光聚焦到所述检测环上的公共焦距上；

3)岐管组件

a.在光散射光度计内保持所述单元成一直线；

b.包含用于允许所述液体悬浮物通过所述孔的引入和流动的装置和配件；以及

c.提供允许光束透过所述孔使得所述光束照射通过其流过的所述颗粒的液体悬浮物并使所述光束从所述颗粒的液体悬浮物散射所需的光学装置。

7.根据权利要求6所述的***，其中所述样品单元的旋转外表面集成菲涅耳透镜，由此提供从其离开的散射光的垂直聚焦。

8.根据权利要求6所述的***，其中所述垂直聚焦是通过不同的柱面透镜元件实现的，所述不同的柱面透镜元件被布置在接近于平坦圆形表面并且提供从其离开的散射光的横向聚焦。

9.根据权利要求6所述的***，其中允许光束透过所述孔的所述光学装置是适当保持在所述岐管中的窗口。

10.根据权利要求6所述的***，其中允许光束透过所述孔的所述光学装置被合并在所述单元结构中。

11.根据权利要求6所述的***，其中所述光学检测器均配置有对应的狭缝，所述对应的夹缝形成空间滤波器以抑制从所述样品单元中的所述孔的边缘产生的并且形成所述对应的散射角度的次级散射光。

12.根据权利要求6所述的***，其中所述样品单元的旋转外表面是凸形形状。

13.根据权利要求12所述的***，其中所述凸形外表面关于距离所述样品单元的中心的固定距离处的点具有恒定曲率半径。

14.根据权利要求13所述的***，其中R是所述样品单元在包含所述孔的水平平面内的半径，R’是外表面的固定曲率半径，所述外表面的中心与所述样品单元的中心距离为d，并且n是形成所述样品单元的透明材料的折射率，R、R’和d通过下式关联：和

15.根据权利要求11所述的***，其中所述次级散射光是杂散光。

16.根据权利要求11所述的***，其中所述光束是来自激光器。

17.根据权利要求16所述的***，其中来自所述激光器的所述光束垂直于包含所述检测器环的平面被平面偏振。

18.根据权利要求16所述的***，其中来自所述激光器的所述光束被平面偏振，并且偏振面与包含所述检测器环的平面成不同于90度的角度。

19.根据权利要求16所述的***，其中来自所述激光器的所述光束被平面偏振，并且所述偏振面的角度可以通过可变半波板被改变。

20.一种测量被颗粒的液体悬浮物散射到布置在围绕样品单元的环上的多个检测器中每个检测器上的光的方法，包含以下步骤：

1)选择样品单元

a.所述样品单元具有圆形主体部分，其包括位于其直径上并且与包含所述检测器的环位于相同平面内的内部孔；

b.所述样品单元在所述孔的两个开口处具有允许所述单元合并到岐管装置的装置，以通过配件保持和定位所述单元，从而允许所述液体流过所述孔；

c.所述样品单元包括外表面，其是旋转表面，所述旋转表面形成用作横向透镜和垂直透镜以将具有公共散射角度的所述散射光的所有贡献聚焦到所述包含检测器的环上的公共焦距；

d.被定位在所述岐管装置中，从而使得

i.在光散射光度计内保持所述单元成直线；

ii.包含用于允许所述液体悬浮物通过所述孔的引入和流动的装置和配件；以及

iii.提供允许光束透过所述孔使得所述光束照射通过其流动的所述颗粒的液体悬浮物并使得所述光束从通过其流动的所述颗粒的液体悬浮物散射所需的光学装置；

2)用散射光特性待测量的所述液体样品灌注所述内部孔；

3)将光束透过所述孔；以及

4)测量布置在所述包围环上的每个所述检测器处收集的散射光。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述旋转表面是凸形。

22.根据权利要求20所述的方法，其中空间滤波器布置在每个所述检测器前面，以去除被所述孔结构的元件散射的次级光。

23.根据权利要求20所述的方法，其中所述次级散射光是杂散光。

24.根据权利要求20所述的方法，其中所述光束是来自激光器。

25.根据权利要求24所述的方法，其中来自所述激光器的所述光束垂直于包含所述检测器环的平面被平面偏振。

26.根据权利要求24所述的方法，其中来自所述激光器的所述光束被平面偏振，并且偏振面与包含所述检测器环的平面成不垂直的角度。

27.根据权利要求24所述的方法，其中来自所述激光器的所述光束被平面偏振，并且所述偏振面的角度可以通过可变半波板被改变。

28.根据权利要求20所述的方法，其中允许光束透过所述孔所需的所述光学装置是适当保持在所述岐管中的窗口。

29.根据权利要求20所述的方法，其中允许光束透过所述孔的所述光学装置被合并在所述单元结构中。

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