专利名称：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的制作方法
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 eel!incorporating 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。这与更常规的照射系统非常不同，在更常规的照射系统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。


图1示出现有技术的流动单元，具有一些用于插入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。
具体实施例方式图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~，玻璃具有折射率ng，并且一般ns<ng。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fh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η。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χ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eg，遵循nsin θ g = sin θ(1)根据正弦定理，可得sinH= Κ"》(2)
fh R如果仅仅考虑近轴光线/旁轴光线(paraxial ray)，θ = 1和θ g = 1，可得fh = ；(3)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fh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P，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
权利要求
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η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’ 2n-\2 -1 0
6.一种用于测量颗粒的液体悬浮物的光散射特性的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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η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2n-\ 0
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述次级散射光是杂散光。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述光束是来自激光器。
17.根据权利要求16所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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； .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。
全文摘要
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。
文档编号G01J1/00GK101963579SQ201010205250
公开日2011年2月2日 申请日期2010年6月13日 优先权日2009年6月15日
发明者S·P·特兰奥弗 申请人:怀亚特技术公司