CN112469985A - 光散射检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光散射检测装置，无需将入射光的倾斜角度α设定得较大，就能够将成像透镜的入射侧狭缝的竖直方向的立体角设定得较大，且能够以高S/N比和高检测精度进行测量。光散射检测装置(1)具备：透明的试样池(10)，保持液体试样；光源(20)，对试样池(10)照射相干光；成像光学***(50)，对从试样池(10)以不同的散射角向周围散射的光进行聚光；狭缝板(40)，用于限制入射至成像光学***(50)的散射角范围；检测器(70)，对来自成像光学***(50)的聚光进行受光，狭缝(41)的中心轴(41S)被配置为从成像光学***(50)的中心轴(50S)向竖直方向一方偏心。

Description

光散射检测装置
技术领域
本发明涉及在用于测量分散在液体试样中的微粒子的分子量、旋转半径(尺寸)等的微观粒子检测装置中所利用的光散射检测装置。
背景技术
作为用于对分散在液体试样中的蛋白质等微粒子进行分离的方法，已知有尺寸排阻色谱法(SEC：Size Exclusion Chromatography)。近年来，作为色谱检测装置，除紫外线(UV)吸光度检测装置、示差折射率检测装置以外，还使用多角度光散射(MALS)检测装置。MALS检测装置具有可计算测量试样的分子量、粒径的优点(参照专利文献1以及2)。
图7示出将散射光产生光源配置于原点的情况下的散射光辐射方向的坐标系。如图7所示，在XY面上光向X方向正方向入射，将从XY面上的光的行进方向起的散射角度定义为θ，将从XY面上起的角度定义为φ。
接下来，图8示出MALS检测装置的基本构成例的俯视图，图9示出侧视图。在图8以及图9中，110是试样池，111是液体试样，120是光源，121是聚光透镜，140是狭缝板，150是成像透镜，160是孔径板，170是检测器。如图8以及图9所示，将液体试样111通液至圆柱体状的试样池110的内部，以通过试样池110以及流路中心的方式从光源120照射光。作为光源通常使用可视激光。从光的行进方向起的角度θ被定义为水平面上(XY平面上)的散射角，在通过试样池110以及流路中心的水平面上(XY平面上)配置有多个检测器170，使其检测不同的散射角。图8是以θ1、θ2的配置角度配置2个检测器170的例子。
在圆柱体状的试样池110的情况下，存在如下技术问题：在玻璃和空气之间的界面以及玻璃和流路之间的界面处的反射光作为杂散光进入检测器170，使检测器170的检测精度变差。作为其解决方案，如图9所示，发明人发现通过使入射光相对于试样池110倾斜(角度α)而使上述杂散光减少的方法(参照非专利文献1)。
接下来，图10以及图11示出散射光强度和散射角的关系。即，图10以及图11是按照Mie散射的理论公式对入射波长为660nm、折射率为1.33的溶剂中的折射率为1.59的粒子的散射图案进行计算的结果。粒径设为1nm、100nm、500nm。图10是水平方向(θ方向)的散射角度图案，图11是竖直方向(φ方向)的散射角度图案。在试样与入射光的波长相比足够小的情况下，向θ方向的散射光各向同性地产生，散射光强度对散射角没有依赖性。随着试样的粒径变大，散射光向前方(θ较小的方向)的散射变强。在φ方向呈随着φ变大而散射光强度变小的倾向。
此外，对于MALS检测装置，期望能够测量低浓度的试样且具有高S/N比的装置。为此，要求使从试样产生的散射光高效地进入检测器的光学***。换言之，需要使进入各检测器的散射光的立体角较大。在增大检测器的立体角时，若增大水平方向(光轴面上)的立体角，则各检测器的角度分辨率变差，所以期望增大竖直方向的立体角。但是，为了增大立体角而增大检测器尺寸会增加暗电流，所以不优选。
为了不增大检测器尺寸而增大立体角，采用以透镜等对散射光进行聚光的方法(非专利文献1)。具体而言，是使在池流路产生的散射光经由成像透镜在检测器成像的配置。因此，为了缩小水平方向的立体角，增大竖直方向的立体角，在成像透镜的入射侧设有水平方向的开口宽度较窄而在竖直方向具有较宽的开口长度的狭缝。由此，能够在角度分辨率不变差的前提下高效地检测散射光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平07-72068号公报
专利文献2：日本特开2015-111163号公报
非专利文献1：《利用光散射法解析蛋白质的绝对分子量和复合体形成》，尾高雅文，生物工学89卷
发明内容
发明要解决的技术问题
为了使进入检测器的光量增加，需要将配置在成像透镜的入射侧的狭缝的竖直方向的开口长度设定得较大。但是，若将狭缝的竖直方向的开口长度设定得较大，则在试样池的玻璃和空气之间的界面以及玻璃和流路之间的界面处的反射光作为杂散光入射至检测器。由于与散射光相比，反射光的强度大，所以检测器的动态范围降低，并且由于杂散光的强度变动导致检测器的检测精度变差。另一方面，为了去除该杂散光，若将入射光的倾斜角度α设定得较大，则如图11所示，竖直方向的散射角度φ变大，进入狭缝的散射光强度降低，S/N比降低。
因此，本发明的目的在于提供一种光散射检测装置，无需将入射光的倾斜角度α设定得较大，就能够将成像透镜的入射侧狭缝的竖直方向的立体角设定得较大，且能够以高S/N比和高检测精度进行测量。
用于解决上述技术问题的方案
本发明的一方案的光散射检测装置是用于检测液体试样中的微粒子的光散射检测装置，其特征在于，具备：透明的试样池，保持液体试样；光源，对上述试样池照射相干光；成像光学***，对从上述试样池以不同的散射角向周围散射的光进行聚光；狭缝板，用于限制入射至上述成像透镜的散射角范围；检测器，对来自上述成像光学***的聚光进行受光；上述狭缝的中心轴被配置为从上述成像光学***的中心轴向竖直方向一方偏心。
在上述光散射检测装置的构成中，优选为上述狭缝在竖直方向为纵长形，且至少沿着竖直方向的边为直线状。
此外，优选为上述狭缝被配置为从上述成像光学***的中心轴向竖直方向的上方偏心。
进而，优选为，在将上述狭缝的从上述成像光学***的中心轴起的竖直方向的下方长度设为a、上方长度设为b的情况下，具有a＜b的关系。
并且，优选为，从上述试样池到上述检测器的检测光学***在上述试样池的周围从池中心轴以等间隔配置有多个，上述狭缝的下方长度a和上方长度b的长度比根据各检测器相对于上述试样池的配置角度以a≤b的条件来调整。
除此之外，优选为上述光源以使从该光源入射至上述试样池的相干光的光轴被配置为从包括上述试样池以及上述检测器的平面倾斜规定的角度。
发明效果
根据本发明，能够提供一种光散射检测装置，无需将入射光的倾斜角度α设定得较大，就能够将成像透镜的入射侧狭缝的竖直方向的立体角设定得较大，且能够以高S/N比和高检测精度进行测量。
附图说明
图1是本发明的光散射检测装置的一实施方式的侧视图。
图2是本实施方式的光散射检测装置的部分放大侧视图。
图3是本实施方式的光散射检测装置的俯视图。
图4是用于对光线追踪模拟中的配置以及部件尺寸进行说明的侧视图。
图5是用于对以θ＝15度配置检测器的情况下的光线追踪模拟结果进行说明的俯视图。
图6是用于对以θ＝15度配置检测器的情况下的光线追踪模拟结果进行说明的侧视图。
图7是将散射光产生光源配置于原点的情况下的散射光辐射方向的坐标系。
图8是MALS检测装置的基本构成例的俯视图。
图9是MALS检测装置的基本构成例的侧视图。
图10是散射光强度和散射角的关系(水平方向的散射角度图案)的说明图。
图11是散射光强度和散射角的关系(竖直方向的散射角度图案)的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的光散射检测装置的一实施方式进行说明。另外，在各图中标注相同的附图标记的部件具有相同或者同样的构成。
〔光散射检测装置的构成〕
首先，参照图1～图3对本发明的光散射检测装置的一实施方式的构成进行说明。图1是本发明的光散射检测装置的一实施方式的侧视图。图2是本实施方式的光散射检测装置的部分放大侧视图。如图1以及图2所示，本实施方式的光散射检测装置1是对分散在液体试样中的蛋白质等微粒子的分子量、旋转半径(尺寸)进行检测的装置。光散射检测装置1具备试样池10、光源20、狭缝板40、成像光学***50、孔径板60以及检测器70。以下，对每个各构成要素进行说明。
试样池10是将液体试样保持于内部流路的透明的圆柱体状的池。试样池10例如由无色透明的石英玻璃形成。
光源20对试样池10照射相干光。“相干光”是指以下的光：光束内的任意2点的光波的相位关系不随时间变化而保持为恒定，即使在以任意的方法分割光束后施加较大的光程差并再次重叠，也示出完全的相干性。作为光源20例如采用用于照射可视光激光的激光光源。在自然界中不存在完全的相干光，以单模振荡的激光是接近相干状态的光。
在从光源20到试样池10的入射光的光路L1配置有聚光光学***21。作为聚光光学***21例如采用单一的聚光透镜。该聚光透镜是平凸透镜，来自光源20的光的入射侧形成为凸面，出射侧形成为平面。在本实施方式中采用单一的聚光透镜作为聚光光学***21，但聚光光学***21也可以将多个复合透镜、聚光镜组合来构成。
光源20以及聚光光学***21以使从光源20入射至试样池10的相干光的光轴以规定的角度(倾斜角度α)从包括试样池10以及检测器50的平面(XY平面)倾斜的方式配置。具体而言，配置光源20以及聚光光学***21，使得入射光相对于试样池10从斜上方入射。通过使入射光相对于试样池10倾斜(角度α)，能够使在试样池10的玻璃和空气之间的界面以及玻璃和流路之间的界面(以下，总称为“池界面”)处的反射光所引起的杂散光减少。从光源20照射的激光在通过聚光光学***21后，在试样池10的中心轴附近聚光。
在来自试样池10的出射光的光路L2上配置有检测光学***30。本实施方式的检测光学***30由狭缝板40、成像光学***50、孔径板60以及检测器70构成。
成像光学***50对从试样池10以不同的散射角向周围散射的光进行聚光。作为成像光学***50例如采用单一的成像透镜。该成像透镜是平凸透镜，来自试样池10的散射光的入射侧形成为平面，出射侧形成为凸面。在本实施方式中，采用单一的成像透镜作为成像光学***50，但成像光学***50也可以将多个复合透镜、成像镜组合来构成。
狭缝板40配置在来自试样池10的出射光的光路L2上的、试样池10和成像光学***50之间。狭缝板40对入射至成像光学***50的散射角范围进行限制。即，狭缝板40中开口的狭缝41为了限制水平方向的散射角且较多地摄取竖直方向的光束，在竖直方向上为纵长形，且至少沿着竖直方向的边为直线状。具体而言，狭缝41呈在竖直方向上为纵长的长方形形状或长孔形状。
狭缝41的中心轴41S被配置为从成像光学***50的中心轴50S向竖直方向一方偏心。由于光源20的照射光从试样池10的斜上方入射，所以在试样池10的空气和玻璃之间的界面以及玻璃和液体之间的界面(以下，称为“池界面”)处产生的反射光RL作为杂散光易于向下方偏移。因此，为了限制反射光(杂散光)RL，本实施方式的狭缝41的中心轴41S被配置为从成像光学***50的中心轴50S向竖直方向的上方偏心。
具体而言，如图2所示，在将狭缝41的从成像光学***50的中心轴50S起的竖直方向的下方长度设为a、上方长度设为b的情况下，狭缝41的下方长度a和上方长度b的关系被设定为a＜b。入射光也可以从下方向上方入射，在该情况下，狭缝41的下方长度a和上方长度b的关系被设定为a＞b。
孔径板60配置在来自试样池10的出射光的光路L2上的、比检测器70更靠成像光学***侧。孔径板60具有限制杂散光的功能，孔径61在检测器70的受光面前开口。
检测器70对来自成像光学***50的聚光进行受光。即，检测器70的受光面位于成像光学***50的焦点。作为本实施方式的检测器70，例如采用光电二极管(PD：photodiode)，也可以采用二维CMOS等阵列检测器。
图3是本实施方式的光散射检测装置的一实施方式的俯视图。如图3所示，从试样池10到检测器70的检测光学***30在试样池10的周围从池中心轴S以等间隔d配置有多个。从光的行进方向起的角度θ被定义为水平面上(XY平面上)的散射角。在通过试样池10以及池中心轴S的水平面上(XY平面上)配置有多个检测器70，使得能够检测不同的散射角。在图3的方案中，以θ1、θ2的配置角度配置有2套检测光学***30、31。
在试样池10的周围以等间隔d具备多个检测器70的情况下，根据各检测器70相对于试样池10的配置角度，以a≤b的条件来调整狭缝41的下方长度a和上方长度b的长度比。即，在图3中，与配置在散射角为θ1的检测光学***30相比，配置在散射角为θ2的检测光学***31在池界面处的反射光的影响较小。由于散射角θ2＝90度的检测光学***31在池界面处的反射光的影响较小，所以通过将a设定得较大使其接近b，能够优化竖直方向的立体角。
〔光散射检测装置的作用〕
接下来，参照图1～图6对本实施方式的光散射检测装置的作用进行说明。
如图1以及图2所示，液体试样11被通液至圆柱体状的试样池10的流路。若液体试样11的通液完成，则从光源20经由聚光光学***21照射作为相干光的可视激光。可视激光沿着光路L1前进，从而使激光入射至试样池10的流路内的液体试样11。若激光入射至液体试样11，则该光照射到液体试样11中包含的微粒子而以规定的散射角进行散射。然后，从试样池10射出的散射光通过狭缝板40的狭缝41后，经过成像光学***50以及孔径板60，在检测器70的受光面上被受光。
在散射光从试样池10射出时，在试样池10的池界面处产生作为杂散光的反射光RL。由于光源20的照射光从试样池10的斜上方以倾斜角度α入射，所以在试样池10的池界面产生的反射光(杂散光)易于向下方偏移。由于本实施方式的狭缝41被配置为从成像光学***50的中心轴50S向竖直方向的上方偏心，所以能够用狭缝板40的板部分限制向下方偏移的反射光(杂散光)RL。
像这样，通过将狭缝板30的狭缝31从成像光学***40的中心轴40S配置为向竖直方向的上方偏心，能够使对分析有益的散射光积极地向成像光学***40入射。成像光学***40在检测器60的受光面成像，在受光面前配置有孔径板50。由此，孔径板50能够进一步限制杂散光，使分析所需的散射光在检测器70的受光面被受光。
具体而言，在将狭缝41的从成像光学***50的中心轴50S起的竖直方向的下方长度设为a、上方长度设为b的情况下，狭缝41的下方长度a和上方长度b的关系被设定为a＜b。即，通过将狭缝41的下方长度a设定得较小，能够用狭缝板40的板部分阻断在池界面处的反射光RL。关于上方长度b，通过将成像光学***50的有效直径作为上限而将其设定得较大，能够增大竖直方向的立体角。
此外，如图3所示，在试样池10的周围从池中心轴S以等间隔d配置有多个从试样池10到检测器70的检测光学***30。在光散射检测装置1在试样池10的周围以等间隔d具备多个检测光学***30的情况下，狭缝41的下方长度a和上方长度b的长度比根据各检测器70相对于试样池10的配置角度以a≤b的条件来调整。即，在池界面处的反射光RL的影响较小的散射角θ2＝90度处配置的检测光学***31中，通过将a设定得较大使其接近b，能够优化竖直方向的立体角。
〔光线追踪模拟〕
为了确认上述实施方式的作用效果，实施了光线追踪模拟。图4是用于对光线追踪模拟中的配置以及部件尺寸进行说明的侧视图。图5是用于对以θ＝15度配置检测器(PD)的情况下的光线追踪模拟的结果进行说明的俯视图，图6是其侧视图。
如图4所示，试样池10例如是内径为1.6mm、外径为8.0mm的透明的圆柱体状的池。在距试样池10的中心轴S47mm的位置配置有成像透镜(平凸透镜)。成像透镜例如形成为凸径为φ12.7mm、焦距为38mm。在距试样池10的中心轴S140mm的位置配置有孔径板60以及2.4mm的PD。狭缝板40的狭缝41例如作为水平方向(XY方向)宽度为3mm、竖直方向(Z方向)长度为8.5mm的开口而形成。关于狭缝41的竖直方向开口，例如从包含成像光学***50的中心轴50S的XY平面起的下方长度a被设定为沿-Z方向2.5mm，上方长度b被设定为沿+Z方向6.0mm。
如图5以及图6所示，由于通过将下方长度a和上方长度b的关系设定为a＜b，在试样池10的池界面处产生的反射光RL被狭缝板41的板部分阻断而不到达检测器70，所以可以进行高精度的测量。
此外，由池界面处的反射光RL所引起的杂散光依赖于检测器70的配置角度θ。在θ较小的情况下，由于在池界面处的反射光RL的影响较大，所以需要缩短a，在θ接近90度的情况下，几乎不产生在池界面处的反射光RL。根据检测器70的配置角度，在a≤b的条件下优化狭缝41，由此能够实现杂散光的减少和S/N比的提高。
如上所述，根据本实施方式的光散射检测装置1，能够提供一种光散射检测装置，无需将入射光的倾斜角度α设定得较大，就能够将配置在成像光学***40的入射侧的狭缝板30的狭缝31的竖直方向的立体角设定得较大，且能够以高S/N比和高检测精度进行测量。
上述的实施方式是为了容易理解本发明，并不用于对本发明进行限定解释。实施方式具备的各要素以及其配置、材料、条件、形状以及尺寸等并不限定于例示，而是能够进行适当地变更。此外，可以将不同的实施方式中示出的构成彼此部分替代或组合。
附图标记说明
1 光散射检测装置
10 试样池
20 光源
30 检测光学***
40 狭缝板
41 狭缝
41S 狭缝的中心轴
50 成像光学***
51S 成像光学***的中心轴
70 检测器。

Claims (6)

1.一种光散射检测装置，是用于检测液体试样中的微粒子的光散射检测装置，其特征在于，具备：
透明的试样池，保持液体试样；
光源，对所述试样池照射相干光；
成像光学***，对从所述试样池以不同的散射角向周围散射的光进行聚光；
狭缝板，用于限制入射至所述成像光学***的散射角范围；
检测器，对来自所述成像光学***的聚光进行受光，
所述狭缝的中心轴被配置为从所述成像光学***的中心轴向竖直方向偏心。
2.如权利要求1所述的光散射检测装置，其特征在于，
所述狭缝在竖直方向为纵长形，且至少沿着竖直方向的边为直线状。
3.如权利要求1或权利要求2所述的光散射检测装置，其特征在于，
所述狭缝被配置为从所述成像光学***的中心轴向竖直方向的上方偏心。
4.如权利要求3所述的光散射检测装置，其特征在于，
在将所述狭缝的从所述成像光学***的中心轴起竖直方向的下方长度设为a、上方长度设为b的情况下，具有a＜b的关系。
5.如权利要求4所述的光散射检测装置，其特征在于，
从所述试样池到所述检测器的检测光学***在所述试样池的周围从池中心轴以等间隔配置有多个，
所述狭缝的下方长度a和上方长度b的长度比根据各检测器相对于所述试样池的配置角度以a≤b的条件来调整。
6.如权利要求1～5的任一项所述的光散射检测装置，其特征在于，
所述光源以使从该光源入射至所述试样池的相干光的光轴被配置为从包括所述试样池以及所述检测器的平面起倾斜规定的角度。
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