用於測量來自液體樣品的散射光信號的改善的方法和設備的製作方法

2023-08-07 05:11:31 2

專利名稱：用於測量來自液體樣品的散射光信號的改善的方法和設備的製作方法
用於測量來自液體樣品的散射光信號的改善的方法和設備相關專利和申請以下的發明和申請涉及與本發明申請相關的方法和設備。G. R. Janik和 P. J. Wyatt，美國專利 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,美國專利 No. 5，530，540 (1996 年 6 月 25 日)"Lightscattering measurement cell for very small volumes. 」S. P. Trainoff，美國專利 No. 6，426，794(2002 年 7 月 30 日)"An optical flow eel!incorporating automatic self cleaning. 」S. P. Trainoff，美國專利 No. 6，452，672(2002 年 9 月 17 日)"A self cleaning opticalflow cell. 」S. Trainoff 和 P. J. Wyatt，美國專禾丨J No. 6，651，009 (2003 年 11 月 18 日)"Methodfor determining average solution properties of macromolecules by the injectionmethod.，，P. J. Wyatt 和 Μ. J. Weida，美國專利 No. 6，774，994 (2004 年 8 月 10 日)"Methodand apparatus for determining absolute number densities of particles in suspension. 」S. P. Trainoff，美國專利 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，美國專利申請序列號 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，美國專利申請序列號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. 」
背景技術：
包含諸如分子、病毒、納米顆粒、脂質體等溶質的溶液通常在分離之後通過色譜技 術或其他類型的製備技術測量。這種測量可以包括確定溶質濃度、溶液黏度和光散射特性。 與對應濃度的確定結合使用的光散射特性的測量可以用於導出溶液組成成分的大小、摩爾 質量、聚集以及締合。為了改善這種確定，通常通過相對於諸如雷射器產生的關聯的光束 的方向以多個角度測量散射光，來進行光散射測量。這種測量被稱為多角度光散射或簡稱 MALS,並且通過絕對光散射光度計或其派生物進行。在能夠進行這種MALS測量的情況下的巨大改善隨著最初在美國專利 No. 4，616，927中描述的軸向流動單元的引入發生，在此稱為『927專利。進一步的改良， 特別對於單元集成到光度計的方式，在對應的美國專利No. 5，530，540，No. 4，952，055， No. 4，907，884和外觀設計專利Des 329，821中描述。
所謂的軸向流動單元/流動池(axial flow cell)的基礎結構由立柱組成，其在 柱體的底部和頂部之間的中間處具有小的拋光通孔。樣品和其上的入射光束均通過該相同 的孔。這與更常規的照射系統非常不同，在更常規的照射系統中照射光束通常橫穿溶液流 動方向。對於軸向單元流，單元自身用作柱面透鏡，將射束不同部分散射的光的近軸光線成 像到圍繞單元並且位於通過孔且平行於單元底部的平面上的一組檢測器上。另外重要的是 當單元折射率大於流體折射率時，支持小散射角度的測量，這也是通常的情況。儘管合併了 『927軸向流動單元的光散射光度計的性能遠高於其他流動單元實施例，但仍然存在與散射 光的收集關聯一些重要因素，其將從改善的結構中受益。本發明的主要目的是解決這些因 素並提供增強光度計的整體性能的方法和裝置，其中樣品單元在收集被流過的溶液散射的 光時起到重要作用。如上所述，流動單元結構的類似透鏡的行為允許來自中央照射光束的近軸光線聚 焦到包含散射光檢測器的弧上。然而，僅僅在平行於單元底部的平面內非常接近那些離開 該單元的光線能夠到達檢測器。大多數向檢測器散射的光被折射出檢測器平面而不被收 集。另外，來自液體/玻璃-孔界面的一些雜散光將到達檢測器，由此增加對收集的信號的 背景貢獻。『927中單元設計通過採用和使用光散射技術在顯著地擴展分子生物學、分析化 學、納米顆粒特徵化以及其他領域中的成功，提供了開發新的單元結構和應用的重要動力。本發明的主要目的是提高收集從被光照射的溶液散射的光的效率。本發明的另一 目的是通過光收集結構提高收集的散射信號的信噪比，由此空間濾波可以顯著地減少雜散 光的貢獻。

發明內容
通過重新設計的軸向流動單元，可以改善對被流過的溶液散射的光的測量。在 其優選實施例中，該單元被設計為捕捉散射的光的更多部分，同時提供允許減少進入外周 的多個檢測器中每個檢測器的雜散光的裝置。由此實現的流體單元包含旋轉表面，相比於 『947發明中的柱體結構，更有效地聚焦被流動溶液散射的光。通過聚焦散射光到檢測器 上，本發明的結構可以與空間濾波器組合，以顯著減少來源於流體周邊的單元孔的壁的雜 散光。


圖1示出現有技術的流動單元，具有一些用於插入到光散射光度計中的配件；圖2示出從現有技術的單元的孔的中心發出的散射光的折射，即與本發明共同的 特徵；圖3示出在包含孔且平行於單元底部的平面內的現有技術的散射幾何關係的俯 視圖；圖4示出現有技術的柱體單元幾何關係的側視圖；圖5示出新單元形狀的側視圖；圖6示出具有一些配件的本發明的新流動單元；圖7示出拒絕來自孔表面的次級散射光的適當選擇的狹縫結構的側視圖；以及圖8示出合併多個透鏡結構的本發明的實施例。
具體實施例方式圖1示出現有技術『947發明的軸流動單元(axial flow cell)以及用於在光度 計中保持其位置並且允許其測量從單元流過的樣品散射的光而需要的一組典型配件。單元 1以半徑為R的立柱形式由諸如玻璃或塑料的透明介質製成，在兩側3平坦化以允許密封件 4被抵靠保持。在本說明書全文中，單元的組成物將被稱為玻璃，然而其可以由適合溶液通 過其流過的任何其他透明介質製成。拋光孔2通過該單元的中心並沿著直徑方向，拋光孔 2的橫截面可以是圓形或矩形，通常在0.5到1.5mm的範圍內。兩個岐管(manifold) 5使 單元保持抵靠在所述密封件上。由配件將其保持抵靠在密封件7上的窗口 6允許細光束透 過。光一般來自雷射光源，垂直於立柱結構的單元底部偏振。岐管通過底板9和螺栓10保 持在一起。流體樣品可以通過配件11引入和去除。圖2示出保留在本發明中的現有技術的孔中發生的折射的細節。在此示出的幾何 關係是入射光束12被單元中心處的樣品13散射到方向θ並且在空氣-玻璃界面14折射 到方向Θ'。流過的液體溶液具有折射率~，玻璃具有折射率ng，並且一般ns<ng。由此， 在液體內以角度θ散射的光已轉換為折射光線，其將以角度Θ'離開孔。這是現有技術 單元的重要因素，因為以小散射角度的散射通過在溶液玻璃界面的折射轉換為更大的散射 角度，其易於通過實驗獲得。在隨後的討論中，將理解在進行Snell (斯涅爾)定律校正之 後(『947專利中的Θ' )，θ g將代表玻璃中的散射光的角度。單元的空氣-玻璃界面的 最終折射將是最關鍵的項。此單元幾何關係的另一優點是單元外部形成的柱面透鏡沿著相對於入射光束12 的方向以圖3的弧15指示的任何散射角度θ s散射的光束，將光聚焦到可以在其上距單元 中心的距離fh處布置(多個)檢測器的環。此現有技術的單元幾何關係的更多細節在圖3 示出。光束用作沿著水平軸線的線光源。假設單元的半徑為R，並且假設折射率為η。考慮 從單元的中心與主射束成角度θ s發射的光線，以及在進一步沿著射束在距離χ處以相同 角度發射的另一光線。根據斯涅耳定律，來自單元的中心的光線相對於線17的入射16角 度eg，遵循nsin θ g = sin θ(1)根據正弦定理，可得sinH= Κ"》(2)
fh R如果僅僅考慮近軸光線/旁軸光線(paraxial ray)，θ = 1和θ g = 1，可得fh = ；(3)應注意不需要假設θ s很小；對於在所有散射角度的近軸光線獲得相同結果。現在考慮設置在距單元中心距離fh處基於現有技術的柱體單元的檢測器收 集的光。圖4中示出其幾何關係。如果檢測器具有半徑P，並且位於聚焦環上，收集角 (collection angle)的範圍可以被計算。再次，對於近軸情況，具有
權利要求
一種用於測量顆粒的液體懸浮物的光散射特性的圓形樣品單元，其主體部分1)包括沿著直徑設置的內部孔，以保持顆粒的液體懸浮物，並且細光束可以通過所述孔來照射所述液體懸浮物以從所述顆粒散射光；2)在所述孔的兩個開口處具有允許所述單元合併到岐管裝置的裝置，以通過配件保持和定位所述單元，從而允許所述液體懸浮物通過所述孔；3)具有外表面，其被配置為用作橫向透鏡和垂直透鏡，從而將從被照射的所述孔以公共散射角散射的光聚焦到同軸的檢測環上的單個對應的公共焦點。
2.根據權利要求1所述的樣品單元，其中所述外表面是關於垂直於包含所述孔的水平 面的軸線的旋轉表面。
3.根據權利要求2所述的樣品單元，其中所述外表面是凸形形狀。
4.根據權利要求3所述的樣品單元，其中所述凸形形狀具有關於距離所述單元的中心 的固定距離處的點的恆定曲率半徑。
5.根據權利要求4所述的樣品單元，其中R是所述樣品單元在包含所述孔的水平平面 內的半徑，R』是所述外表面的固定曲率半徑，所述外表面的中心與所述樣品單元的中心距 離為d，並且η是形成所述樣品單元的透明材料的折射率，R通過以下關係關聯到R』 2n-\2 -1 0
6.一種用於測量顆粒的液體懸浮物的光散射特性的系統，其包括1)具有多個光學檢測器的檢測環，每個檢測器以對應的多個散射角度中的每個角度檢 測散射光；2)樣品單元a.具有圓形主體部分，其包括位於其直徑上且在與所述檢測環的相同平面內的內部孔；b.在所述孔的兩個開口處具有平坦化的或以其它方式修改的末端，允許所述單元合併 到岐管裝置以通過固定件保持和定位所述樣品單元，從而允許所述顆粒的液體懸浮物流過 所述孔；c.包括外表面，其是旋轉表面，所述旋轉表面被設定形狀以用作橫向透鏡和垂直透鏡 從而將具有公共散射角度的散射光聚焦到所述檢測環上的公共焦距上；3)岐管組件a.在光散射光度計內保持所述單元成一直線；b.包含用於允許所述液體懸浮物通過所述孔的引入和流動的裝置和配件；以及c.提供允許光束透過所述孔使得所述光束照射通過其流過的所述顆粒的液體懸浮物 並使所述光束從所述顆粒的液體懸浮物散射所需的光學裝置。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述樣品單元的旋轉外表面集成菲涅耳透鏡，由 此提供從其離開的散射光的垂直聚焦。
8.根據權利要求6所述的系統，其中所述垂直聚焦是通過不同的柱面透鏡元件實現 的，所述不同的柱面透鏡元件被布置在接近於平坦圓形表面並且提供從其離開的散射光的 橫向聚焦。
9.根據權利要求6所述的系統，其中允許光束透過所述孔的所述光學裝置是適當保持在所述岐管中的窗口。
10.根據權利要求6所述的系統，其中允許光束透過所述孔的所述光學裝置被合併在 所述單元結構中。
11.根據權利要求6所述的系統，其中所述光學檢測器均配置有對應的狹縫，所述對應 的夾縫形成空間濾波器以抑制從所述樣品單元中的所述孔的邊緣產生的並且形成所述對 應的散射角度的次級散射光。
12.根據權利要求6所述的系統，其中所述樣品單元的旋轉外表面是凸形形狀。
13.根據權利要求12所述的系統，其中所述凸形外表面關於距離所述樣品單元的中心 的固定距離處的點具有恆定曲率半徑。
14.根據權利要求13所述的系統，其中R是所述樣品單元在包含所述孔的水平平面內 的半徑，R』是外表面的固定曲率半徑，所述外表面的中心與所述樣品單元的中心距離為d，並且η是形成所述樣品單元的透明材料的折射率，R、R』和d通過下式關聯/ 』 =和2n-\ 0
15.根據權利要求11所述的系統，其中所述次級散射光是雜散光。
16.根據權利要求11所述的系統，其中所述光束是來自雷射器。
17.根據權利要求16所述的系統，其中來自所述雷射器的所述光束垂直於包含所述檢 測器環的平面被平面偏振。
18.根據權利要求16所述的系統，其中來自所述雷射器的所述光束被平面偏振，並且 偏振面與包含所述檢測器環的平面成不同於90度的角度。
19.根據權利要求16所述的系統，其中來自所述雷射器的所述光束被平面偏振，並且 所述偏振面的角度可以通過可變半波板被改變。
20.一種測量被顆粒的液體懸浮物散射到布置在圍繞樣品單元的環上的多個檢測器中 每個檢測器上的光的方法，包含以下步驟1)選擇樣品單元a.所述樣品單元具有圓形主體部分，其包括位於其直徑上並且與包含所述檢測器的環 位於相同平面內的內部孔；b.所述樣品單元在所述孔的兩個開口處具有允許所述單元合併到岐管裝置的裝置，以 通過配件保持和定位所述單元，從而允許所述液體流過所述孔；c.所述樣品單元包括外表面，其是旋轉表面，所述旋轉表面形成用作橫向透鏡和垂直 透鏡以將具有公共散射角度的所述散射光的所有貢獻聚焦到所述包含檢測器的環上的公 共焦距；d.被定位在所述岐管裝置中，從而使得i.在光散射光度計內保持所述單元成直線； .包含用於允許所述液體懸浮物通過所述孔的引入和流動的裝置和配件；以及iii.提供允許光束透過所述孔使得所述光束照射通過其流動的所述顆粒的液體懸浮 物並使得所述光束從通過其流動的所述顆粒的液體懸浮物散射所需的光學裝置；2)用散射光特性待測量的所述液體樣品灌注所述內部孔；3)將光束透過所述孔；以及4)測量布置在所述包圍環上的每個所述檢測器處收集的散射光。
21.根據權利要求20所述的方法，其中所述旋轉表面是凸形。
22.根據權利要求20所述的方法，其中空間濾波器布置在每個所述檢測器前面，以去 除被所述孔結構的元件散射的次級光。
23.根據權利要求20所述的方法，其中所述次級散射光是雜散光。
24.根據權利要求20所述的方法，其中所述光束是來自雷射器。
25.根據權利要求24所述的方法，其中來自所述雷射器的所述光束垂直於包含所述檢 測器環的平面被平面偏振。
26.根據權利要求24所述的方法，其中來自所述雷射器的所述光束被平面偏振，並且 偏振面與包含所述檢測器環的平面成不垂直的角度。
27.根據權利要求24所述的方法，其中來自所述雷射器的所述光束被平面偏振，並且 所述偏振面的角度可以通過可變半波板被改變。
28.根據權利要求20所述的方法，其中允許光束透過所述孔所需的所述光學裝置是適 當保持在所述岐管中的窗口。
29.根據權利要求20所述的方法，其中允許光束透過所述孔的所述光學裝置被合併在 所述單元結構中。
全文摘要
本發明涉及用於測量來自液體樣品的散射光信號的改善的方法和設備。本發明描述一種用於光散射測量的樣品單元，其包括用作橫向和垂直透鏡的外表面。該獨特結構極大地改善對包含在其中或從其流過的流體中懸浮的分子和顆粒在被入射到其上的細光束照射時散射的光的測量。從而當產生的單元的透鏡結構被集成到散射光光度計以及結合位於每個散射光收集檢測器前面的適當孔徑時，顯著減少進入每個檢測器的雜散光。
文檔編號G01J1/00GK101963579SQ201010205250
公開日2011年2月2日 申請日期2010年6月13日 優先權日2009年6月15日
發明者S·P·特蘭奧弗 申請人:懷亞特技術公司