专利名称：用于最佳吸光度测量的光程长度传感器和方法
技术领域：
本发明涉及的领域为用于使小容量样品的分光光度计及相关仪器。更具体地，本发明涉及光纤光传输与收集系统以及用于使这些仪器内的测量最优化的装置。
背景技术：
常常使用光学技术(诸如光度测定、分光光度测定、荧光测定、或分光荧光测定) 来表征液体、混合物、溶液、反应混合物。为了表征这些液体的样品，传统方法和设备通常采用样品保持容器或室(比如，皿)，样品保存容器或室的两个或更多个侧面具有光学性质以允许需要对容纳在其中的液体表征的那些波长通过。不幸地，生物采样技术常常生成很小量的材闻用于分析。因此，通过消耗最小的样品材者来测量吸光度和荧光性已经变得极为重要。当处理极小样品容量(比如1至2微升)时，创造足够小的待填充的室或皿并允许使用工业标准Icm的光程是困难的。清洁这些室或皿以供其它样品使用是困难和/或耗时的。因此，当处理小样品容量(诸如由激光捕获显微解剖所产生的生物样品)时，无法使用光度测定、分光光度测定、荧光测定、荧光光度测定等传统方法。在光度测定或分光光度测定的情况下，通常感兴趣的量是吸光度A，对于液体样品，A最常被定义为A = -Iogltl ⑴=-Iog10 (IE/I0)等式 1 ；其中T是透射率，Ik是透过被测量样品的光强度(例如，功率)，Itl是透过空白或参比样品的光强度。最通常地，吸光度值在具有Icm光程长度的室或皿中测量。然而，朗伯定律(Lambert' s Law)规定，对于通过相同浓度的均勻溶液的平行(全部射线近似平行) 光束，吸光度A与通过该溶液的光程长度成比例。对于两个光程长度P1和P2,A1/A2=P1/P2等式 2;其中A1和A2分别是在光程长度P1和P2处确定的吸光度值。此外，吸光度是吸光率ε、光程长度P、和分析物浓度c的函数，它们之间的关系如下A = ε CP等式 3。
因此，常常可能使用除Icm之外的光程长度来测量吸光度并使用该结果来计算浓度或吸收率或，如果需要，使吸光度修改为Icm光程的等价值以便更容易与传统数据相比。美国专利第6，809，826号和第6，628，382号教导了在极小液体样品上进行分光光度测定等的方法和设备，这两篇专利的全部内容通过引用并入本文。上述专利教导的0.2 至2mm范围的样品光程长度能够被用来产生能够轻易地修改到Icm光程等价的吸光度值。根据上述被引用专利的教导，通过界面张力将样品液滴保持在两个相对的基本平行的表面之间，并且可控地使一个表面朝着和远离另一个运动。为了提供并使光透过液滴以供测量，并为了收集光以供测量，这些表面中的至少一个可以具有一部分光学测量性质。 这可以通过提供这些表面中的至少一个的至少一部分作为光纤的抛光末端来实现，其中各个这种光纤都可以与周围的表面部齐平地完成。通常，这些周围表面部常包括标准光纤连接器或其它光纤保持器的末端表面。如上述专利中所公开，为了对少于约2微升的样品进行测量，直接将该数量样品吸移至这些表面中的一个上，比如图IA和2A所示的下表面15。上表面(表面13)随后向下运动以接合样品并随后向上运动并远离下表面，因此使用界面张力粘附至下表面15和上表面13，其中表面张力形成具有机械地控制的光程长度的液柱14(见图IA至IB和图2A 至2B)。上表面和下表面(即，表面13和表面15)的形状和性质适于使样品保持在预定的光程内。这些表面中的一个(例如，表面13)能够转离另一个以便不同样品的测量之间的清洁。此外，如图IA和IB以及图2A至2B所示，可以采用不同吸光度光程。通过测量在一个或多个光程长度中的每一个处的透射的光强度I，被透射强度的差能够被用于结合已知光程长度差来计算样品的吸光度。如图IA所示，进行了测量，其中所示样品14具有通过样品的相对长的光程长度P1，并且如图IB所示，其中所示样品14具有通过样品的相对短的光程长度P2。这些光程长度在两个彼此面对的表面之间测量，如上所述，例如在上部部件12 的表面13和下部部件16的表面15之间。在测量期间，光通过两个表面中的一个传输至样品，并且通过另一个表面从样品收集透过样品的该部分光。上部和下部部件可以分别被称为上部和下部砧座或基座。然而，虽然砧座或基座是有利的配置，但应注意，该术语不表示或意味上部和下部部件的任何特定的几何形式。因为已知Δ P常常可以具有高于P1和P2两者之一的准确度和精确度，所以光程长度的差ΔΡ( = Ρ2-Ρ1|)可以被用来计算图IA至IB和图2Α至2Β所示的样品14的吸光度。光程长度本身可以通过运动装置控制，诸如，例如，通过安装在设备下方的螺线管，其中螺线管的塞能够支承在保持上部部件的铰接摇臂的销上。塞的上和/或下运动使得摆臂绕其铰链稍微旋转，因此使得上部部件与销分离以向上和/向下运动，从而改变通过样品的光程长度。图2Α和2Β特别示出前述设备的附加设置，其中上部和下部部件包括光纤连接器或保持器，并且其中第一光纤18a穿过第一部件，并且第二光纤18b穿过第二部件。光从两个光纤中的一个传输至样品并且透过样品的那部分光由光纤中的另一个从样品收集。因此，上面所描述的图中所示的配置使得透射的强度差能够被用于结合已知的通过期望样品的光程长度的差，从而计算样品在一个或多个感兴趣的波长下的吸光度。当样品吸收度A高时，通过样品的透射低，反之亦然。人们常期望具有足够集中的样品或足够长的光程长度以提供足够量的可测量吸光度。如果吸光度太低，则来自相对高水平的透射光的被称为“散粒”噪声可能干扰测量。一方面，提供具有太大吸光度的样品可能导致测量到的透射光的水平太低，从而电子或其它系统背景噪声可能妨碍和模糊吸光度值的精确确定。这种相互矛盾的效果表明，存在最佳的吸光度水平，在该水平处，吸光度的信噪比能够最大化。因此，需要提供能够通过改变光程长度来快速改变样品吸光度的仪器，以保证吸光度测量具有最佳信噪比特性。此外，还为了保证最佳信噪比特性，还需要精确地控制各光学元件(诸如，例如，一对光纤)的位置，从而不但使从仪器产生的循环误差最小化，而且对于样品，当保持在被限制表面张力模式位置时，用于精确测量所获得的可变光程长度(例如，P1和P2)，从而精确地计算Δ P，并因此精确地提供所获得的吸光度和其它相关仪器测量结果。本发明针对这种需求。

发明内容
本发明针对一种用于测量由表面张力限制的样品的光学性质的设备，包括第一基座表面，所述第一基座表面联接至具有发送端的第一光学导管；底座；第二基座表面，所述第二基座表面机械地联接至所述底座并被配置为接收第一液体样品，所述第二基座表面联接至具有接收端的第二光学导管，其中所述第二基座还是可操作以在可变距离(P)下调整所述第一基座和所述第二基座之间的间隔，以便将所述第一液体样品拉成柱从而由表面张力限制，从而通过所述第一光学导管的所述发送端和所述第二光学导管的所述接收端为光度测定或光谱测定的测量提供光学路径；以及板，所述板配置有传感器以提供反馈，以便能够进行所述第一基座表面和所述第二基座表面之间的精确位移，从而能够进行所述可变距离(P)，所述板还被配置为使得能够将线性致动器发电机主体相对于所述设备保持，并因此a)允许所述电路板与所述第二光学导管平行于第二光学导管轴线的平移运动，以及b)防止所述电路板和所述第二光学导管作为整体相对于所述设备的旋转；从而使第二光学导管的线性行进具有最小旋转效果并使第二光学导管相对于所述第一光学导管的光学对准的具有最小改变。实施方式还可以包括具有圆柱形外螺纹部的光纤保持器；具有与光纤保持器的外螺纹部啮合的内螺纹部的螺母；以及电机机械地联接至螺母并且是可操作以旋转螺母以诱导保持器移动以调整距离P，其中线性致动器包括电机、螺母和光纤保持器。某些实施方式还可以包括安装板、以及通过可滑动联接器机械地联接至安装板并粘接至光纤保持器的适配套管，其中适配套管防止光纤保持器在螺母的旋转过程中旋转。本发明的另一个方面包括一种测量由表面张力限制的材足的化学浓度的方法，包括确定目标的吸光度值从而为吸光率测量提供最佳信噪比；实验地确定通过与所述目标吸光度值相应的材料的最佳光程长度；将通过所述材料的光程长度设定为基本等于所述实验地确定的最佳光程长度；测量通过所述材料的所述设定的光程长度的吸光率；以及从所述材料的已知吸收率、设定的光程长度、和测量到的所述材料的通过所述设定的光程长度的吸光率计算所述材料的化学浓度。


通过仅作为示例给出的下列描述并参照没有按比例绘制的附图，本发明的上面所提到的以及多个其他方面将变得显而易见，其中图IA和IB是示出用于测量通过由界面张力保持在两个表面之间的液体样品的吸光度的设备的两个视图。图2A和2B是示出用于测量通过由界面张力保持在两个表面之间的液体样品的吸光度的第二设备的两个视图；其中各表面部分地包括各自光纤的末端。图3A示出本发明的示例性实施方式的侧视图，其有利地示出为处于关闭位置。图;3B示出本发明的示例性实施方式的侧视图，其有利地示出为处于打开位置。图4是根据本发明的实施方式的光纤保持器的立体图，其中光纤保持器包括具有螺纹的空心螺钉，以及相关联的座或板。图5A示出图4的光纤保持器和座或板的视图，其中光纤保持器和座或板设置在下部范围位置。图5B从下方观察示出联接至光学遮断器和光学传感器的光纤保持器和座或板。图5C示出图4的光纤保持器和座或板的视图，其中光纤保持器和座或板设置在上部范围位置。图6A和6B是根据本发明的用于测量通过由界面张力保持在两个表面之间的液体样品的吸光度的设备可选实施方式的两个视图。图7示出根据本发明的可选的有利配置的设备的侧视图。图8示出根据本发明的另一有利配置的设备侧视图。图9示出根据本发明的又一可选的有利配置的设备侧视图。图IOA和IOB示出透射百分比和计算出的参考强度Itl和系统噪声方差k的值的不同组合的信噪比的曲线图。图IOC示出曲线图水平轴线上为透射信号强度，纵轴线上为吸光度和百分误差， 对于1000的示例信号，没有样品存在。图11是根据本发明的实施方式的第一种示例性方法的流程图。图12是根据本发明的实施方式的第二种示例性方法的流程图。图13是根据本发明的实施方式的第三种示例性方法的流程图。图14是根据本发明的实施方式的用于自动吸光度测量的系统的示意图。
具体实施例方式在此处对本发明的说明中，可以理解，以单数形式出现的词语包括其复数的对应含义，以复数形式出现的词语包括其单数的对应含义，除非隐含或明确地理解或另有规定。 此外，可以理解，对于此处描述的任意给出的成分或实施方式，为成分列出的任意可能的候选者或替代物一般可独立使用或彼此结合使用，除非隐含或明确地理解或另有规定。此外， 可以理解，这样的候选者或替代物的列表仅用作说明而不是限制，除非隐含或明确地理解或另有规定。此外，除非另有指示，用在说明书和权利要求书中的表示配料、组分、反应条件等
7的量的数字被理解为通过术语“大约”来进行修改。因此，除非有相反的指示，在说明书和所附的权利要求书中列出的数字参数为近似值，并且可根据请求通过此处存在的主题而获取的期望特性来变化。在最低限度而不是企图限制申请的权利要求的范围的等同原则下， 每个数值参数应至少解释为根据报告的有效数字，并运用普通的四舍五入技术。尽管如此， 此处主题的广泛的数值范围和参数设置为近似值，设置在具体示例中的数值尽可能准确地报告。然而，任何数值从本质上包含一定的偏差，导致在其各自的测试测量结果中发现了标准偏差。一般说明本发明涉及用于测量样品中的分析物的光学仪器和优化的方法，其包括荧光、光度、分光和/或荧光法对在自由空间环境(例如，表面张力保持环境)中的期望液体进行分析。在传统的操作中，直接的光辐射透射过由表面张力保持的溶液或悬浮液柱，入射光通过有色化合物的光吸收和/或颗粒物的光散射减少。这样的发明有许多用途，它可以用来研究色素分子，以监测在培养中的细菌密度以及跟踪酶促反应的进展。本发明在进行测量时，为了实现创建可变的光程长度和消除设备摆动臂的圆误差，如此处所述，至少一个光导管(例如光纤)可轴向地安装在换能器(例如线性换能器) 中。从可变的光程长度产生的光程长度可结合发动机的运动和传感器的输出来确定，通常涡电流传感器可联接至发动机螺丝的端部。作为示例的实施方式，具有上述涡电流传感器的电路板不能仅充当用于测量光程长度的传感器，还要充当携带下部光导管(例如接收光纤)的驱动件的转动停止器(即，螺丝)。此外，本发明的电路板联接至下部光导管且具有骑靠在特殊紧固件上的槽，紧固件将线性致动器发动机主体保持到设备从而提供阻止这样的紧固件转动的装置。电路板还携带线圈，其使用致动器发动机的背板作为在其中生成涡电流的对象，从而形成涡电流传感器的驱动件。由电路板感应器相对于致动器发动机的背板的间距导致的电路阻抗的改变使电路的谐振频率改变，数字电路对一个时间间隔内的脉冲进行计数以确定电路板到发动机的间距，并从而确定精确的期望的光程长度。通过使用上文简单描述和本申请中详细描述的新的配置，本发明的操作方法进一步确保具有最优信噪特征的吸光度测量。因此，本发明的新的集成设备提供一种仪器，其通过经过表面张力约束的样品的光量对于任意给定的光程长度，能够对从约0. 005至约2. 0吸光度单位的吸光度进行测量， 其中，样品配置为少于约2微升(即具有降至约10微米、通常降至约50微米的光程长度) 的样品量。具体说明现在来参照附图，图3A至图:3B是根据本发明的实施方式的示例设备的侧视图。具体地，如图:3B所示且一般由参考数字50指定的设备被示出处于“打开”位置，其中，液滴分析物或参考样品(少于约10μ 1，往往少于约2μ 1)被分配或抽吸到低台表面15上。如在下文中进行的更详细讨论，这样的“打开”位置使得能容易使用包括液体样品的表面(如表面15)的端部，并且使用户能容易清洗上述表面，以及在需要时将新的样品设置在设备内。因此，在图IBB的“打开位置”，少于约10μ 1、常常少于约2μ 1的液体样品的分
8配可常通过吸液管装置(未示出)输送，吸液管装置例如但不限于来自马萨诸塞州的 ThermoFisher Scientific of Waltham 的 Finnpipette 。吸取的液体因此被输送至低台面15，低台面15常被配置为可包括定制的或商业的SMA光纤连接器16s的基座或砧状表面，并且其中，也可能在某些应用中，低台面15由本领域普通技术人员已知的材料处理，以防止应用的液滴分析物或参比样品(未示出)扩散。此后，施用液滴时，如现在图3A中示出的设备50由用户成角度地移动以处于“关闭”位置，从而导致上基座或砧状表面13(具体参考图:3B)、通常也是定制的或商业的SMA 光纤连接器12s的端部与所分配的液滴样品(未示出)接触，以强制上基座13和低台面 15(具体也参考图3B)之间的期望液滴样品处于表面张力模式。如图所示，图;3B的打开位置导致图3A的关闭位置，通过铰链杆56机械轴接使摇动臂M能进行这样的角运动，铰链杆56配置有穿过摇动臂M和铰链垫片57中的孔，而铰链垫片57相对于底座52牢固地固定。因此，包括表面13的光纤连接器1 安装在摇动臂 54中的孔内且经过该孔，还相对于底座52围绕铰链杆56成角度地转动，以与分配在表面 15上的液滴样品接触。与底座52联接的止动器53可为销的形式并且提供了在臂M转动时臂的下表面抵靠的期望的位置，从而提供液滴样品的接触和测量。如图3A和图;3B中所示，一对光学导管(诸如，例如上部光纤18a和下部光纤18b) 设置在相应的连接器如连接器1 和16s内，使得在其操作位置能进行彼此完全相反的光学通信，操作位置即图3A所示的“关闭位置”。应注意的是，这样的光学导管例如光纤18a和18b可为任意类型，例如单模光纤、 保偏光纤，但优选地可为多模光纤，从而不将本发明限定于任意特定的光纤测量方式或限制。作为另一示例布置，光纤两端被劈开或磨光，并且常常但不是必需地与光纤连接器1 和16s的一端齐平。作为另一有利的布置，这样的光纤18a和18b与额外地设置在上述光纤连接器1 和16s内的一个或多个光折射面(例如透镜(未示出))联接，以提供定向(例如瞄准)的且接收(例如采集光纤的数值孔径的校正)的光的光学校正，从而尽量减少各光学导管18a和18b之间的有害光学损失。现在仅参照图3A来描述用于测量期望样品的表面15和表面13的精确定位，应注意的是，用于下部光纤18b的下部光纤保持器16s还充当用于线性致动器的轴，如下文将更详细描述的那样。尽管上部光纤连接器12s(以及由此，所联接的光学导管18a)相对于摇动臂M是固定的，但下部光纤连接器16s (以及由此，下部光学导管如光纤18b)可平行于其轴线平移(例如沿竖直方向)，以使两个光纤之间的间距能够改变。底座52设有安装至它的线性致动器，以提供下部光纤连接器16s的精确平移。如图3A所示，线性致动器可包括发动机62，其通过紧固件65 (诸如，例如带有或不带有相关套筒的螺丝、桩、销、铆钉等) 紧固至底座52。紧固件还可包括延伸的发动机安装螺丝并且可经过套筒68，套筒68与座或板64滑动地机械接合，如将在下文中进一步描述的那样。如图3A中一般地示出，将发动机设计为产生带螺纹(未示出)螺母的旋转运动， 螺母压在下部光纤保持器16s的匹配的螺纹轴部分(未示出)上。下部光纤连接器16s取代和/或充当线性致动器的致动器轴。由发动机62在任意方向上驱动的内旋螺丝靠着外螺纹轴部分的转动引起下部光纤连接器16s和设置容纳于其中的光学导管如18b的受控的转移。下部光纤连接器16s的位置可由座或板64 (例如CPU板)稳固，座或板64通过插入环66机械地联接至下部光纤保持器16s。座或板64可具有孔或槽(未示出)，套筒68和紧固件如螺丝65经过该孔或槽。紧固件65可包括延伸的发动机安装螺丝。发动机62还可通过额外的紧固件(未示出)紧固至底座52。作为有利的布置，发动机62可为商用发动机或线性致动器或线性平移发动机。 作为一个示例，线性致动器发动机组件可从美国康涅狄格州的沃特伯里的Haydon Switch Instruments作为第^Η43_05_036号零件得到。标准现成的线性致动器或线性平移设备的致动轴可需要被下部光纤保持器16s取代，如本申请中所述。作为有利的实施方式，如图3所示，在设备50 (如图3中所示)的运行过程中，下部光纤保持器16s的移动距离和/或位置被监测，从而提供精确测量的光程长度。作为有利的布置，座或板64可在运行中固定至下部光纤连接器16s，使得座或板与下部光纤保持器一起移动。座或板64可包括印制电路板(PCB)，其携带执行感测座或板64的运动或位置的功能的电子器件。例如，板64可携带可感测板64与发动机62的背板之间的距离的电容传感器，更为经常地携带涡电流传感器，涡电流传感器配置有任意的材料，例如但不限于铝、钢、铜、磁性材料或可感生涡电流的任意其它材料来通过本发明的板被感测到。这样的涡电流传感器PCB板可从多个不同的制造商定制或商购。具体地，本发明的涡电流传感器 PCB板64通常包括传感线圈(未示出)、驱动电子器件(未示出)和信号处理块(例如电路，也未示出)。当这样配置的传感线圈由交流电驱动时，产生在发动机62上配置的座中感生涡电流的振荡场。这样感生的电流在与涡电流传感器PCB板64上定位的线圈相对的路径中循环，因此减少了电感而增加了其电阻。特别地，板传感器相对于发动机62上的座的运动反映在被监测的阻抗变化中，从而解决了微米级位移，这使得光程长度测量精度能够为从约Imm下至约5微米。板64还可包括参考位置传感器82，当发动机控制系统在启动中初始化或由光遮断器装置79’遮断时传感器82建立“原”或参考位置，其中光遮断器装置79’配置为挡板的一部分(参见图5B，参考字符79)以使得能进行遮断，从而不仅提供辅助阻挡机制还作为原位置。此外，压合至在座或板64下延伸的下部光纤接收器16s的最低无螺纹部分的套管或套筒67，可被添加以作为止动器来阻止下部光纤保持器16s超出其预定的机械极限的超程。当座或板64用作位置传感器时，如上所述，套筒68提供了板64的孔或槽(未示出)与紧固件65之间的滑动机械接合。因此，上述槽(未示出)和紧固件65允许板64(与下部光纤保持器16s —起)进行平行于下部光纤保持器16s的轴线的平移运动，但阻止板和下部光纤保持器作为整体相对于设备的转动。这样的转动是不期望的，因为这可引起包含在下部光纤保持器16s中的光纤的错位、扭曲、光损失乃至破损。插入环66可永久或暂时地紧固至座或板64。例如，插入环可以焊接的方式永久地紧固至座或板。同样地，本领域普通技术人员可以理解，插入环66可通过已知的技术永久或暂时地紧固至下部光纤保持器16s。如果，在运行中下部光纤保持器16s和座或板64 — 致地行进，则至少在这样的运行过程中插入环66与下部光纤保持器16s及座或板64均联接。为了便于零件的组装或替换，会希望在下部光纤保持器16s和插入环66之间使用非永久性联接，使得下部光纤保持器有时可从设备的其余部分移除。非永久性的紧固可包括在下部光纤保持器16s的螺纹部分(未示出)的外螺纹与插入环66的内部中空部分的内螺
10纹之间的牢固锁定的机械接合。以这样的方式，下部光纤保持器16s可足够紧地保持在插入环中，使得在发动机62的运行过程中下部光纤保持器不会转动，还可在拆卸过程中容易地从插入环脱离。根据如图;3B中所示的表面13和表面15的适当定位，通过上述的发动机控制机构和传感器，以及其中样品柱拉为表面张力模式，则光被引导通过例如光纤18a或其它传统的光学装置，从而进一步引导通过连接器12s、样品14，如图IA至2B所示，此后相应地由光纤18b接收。然后，光学光被选择用于分析，使得此后联接至探测主商用或定制分光仪(未示出)。用于检测的本发明的光源(未示出)包括辐射光源如商用的来自Ocean Optics 且包括p/n DT-1000的氙气闪光灯或联合氘弧和石英卤素白炽灯。虽然这样的商用光源是有利的，可以理解，在符合本发明的设计参数的情况下，也可在本发明中使用能够发出至少约200nm波长强度的任意光源，通常使用能够发出约190nm直至约840nm之间的波长强度的任意光源。此外，根据使用的光源和待进行的测量，可应用滤波器例如干扰滤波器以允许约190nm直至约840nm之间的期望的波长。如果需要，可以形成为套壳或车轮形式(未示出)来允许该滤波器从光程的设计区域迅速插入或收回。此外，分光仪(未示出)、光源(未示出)、发动机驱动机构等联接至计算机(PC) 驱动系统(未示出)，计算机驱动系统具有精密的定制或商用的软件，在某些情况下带有用于常用功能如DNA、RNA及蛋白质量化的预编程模块。获取的数据可通过已知方法来显示且存储用作未来的参考，并且实现统计测量结果以能够进行用户友好操作。作为另一布置，相对于PC可将软件内置于分光仪。作为另一有利的布置，数据可输出至便携式存储装置如闪存驱动器，或甚至通过USB或无线(蓝牙)、IEEE,超宽带(UWB)直接连接至PC。因此，图3A和图;3B的设备使用户能够在表面张力模式下精确控制上部光纤(或其它光学部件)和下部光纤(或其它光学部件)之间的距离，从而在不需要笨重的配套零件或不需要适用时可能需要稀释和试管的较大样品量的情况下，对微量的液滴分析样品进行受控的光吸收测定，其中液滴分析样品少于约10 μ 1、通常少于约2μ 1且具有下至约 10 μ、通常下至约10 μ的光程长度。图4示出根据本发明的一些实施方式的下部光纤保持器16s以及相关的装配座的更详细的立体图。在图4示出的示例性配置中，发动机产生带螺纹螺母(未示出)的旋转运动，螺母压在下部光纤保持器16s的匹配的螺纹轴部分74上。下部光纤保持器取代和/ 或充当线性致动器的致动轴。由发动机62(如图3A和图;3B所示)在任意方向上驱动的内旋螺丝靠着外螺纹轴部分74的转动引起下部光纤连接器16s和容纳于其中的光学导管如 18b的受控的平移。下部光纤连接器16s的位置可由座或板64(图3A至3B)稳固，座或板 64通过插入环66机械地联接至下部光纤保持器16s。座或板64可具有孔或槽78 (如图4 所示)，套筒68和紧固件如螺丝65经过该孔或槽。紧固件65可包括延伸的发动机安装螺丝。发动机62(如图3A和;3B所示)还可通过额外的紧固件(未示出)紧固至底座52 (如图3A和3B所示)。如上所述，通常，在设备50 (图3A和3B)的运行过程中，下部光纤保持器16s的移动距离和/或位置被例如由涡电流传感器方面监测。有利地，座或板64可在运行中固定至下部光纤连接器16s，使得座或板与下部光纤保持器一起移动。座或板64可包括印制电路
11板(PCB)，其携带执行感测座或板64的运动或位置(例如使用涡电流传感器)的功能的电子器件。当座或板64用作位置传感器时，如上所述，套筒68提供了板64的孔或槽78与紧固件65之间的滑动机械接合，因此允许板64 (与下部光纤保持器16s —起)进行平行于下部光纤保持器16s的轴线的平移运动，但阻止了板和下部光纤保持器作为整体相对于设备的转动。这样的转动是不期望的，因为这可引起包含在下部光纤保持器16s中的光纤的错位、扭曲、光损失乃至破损。插入环66可永久或暂时地联接至座或板64。例如，插入环可以焊接的方式永久地联接至座或板。同样地，插入环66可永久或暂时地联接至下部光纤保持器16s。如果，如上所述，在运行中下部光纤保持器16s和座或板64 —致地移动，则至少在这样的运行过程中插入环66紧固至下部光纤保持器16s及座或板64。为了便于零件的组装或替换，会希望在下部光纤保持器16s和插入环66之间使用非永久性紧固，使得下部光纤保持器有时可从设备的其余部分移除。非永久性的紧固可包括在下部光纤保持器16s的螺纹部分74的外螺纹与插入环66的内部中空部分的内螺纹之间的牢固锁定的机械接合。以这样的方式，下部光纤保持器16s可足够紧地保持在插入环中，使得在发动机62的运行过程中下部光纤保持器不会转动，还可在拆卸过程中容易地从插入环脱离。图5A和图5C示出光纤保持器16s和座或板64的正视图。该正视图示出套管或套筒67，套管或套筒67压合至在至座或板64底下延伸的下部光纤保持器16s的最低无螺纹部分，即板的与发动机相对的一侧。套管或套筒67可用作止动器来阻止下部光纤保持器超出其预定的机械极限的超程。此外，带有配置为使得能通过光学传感器82来中断的光遮断器装置79’的部分的止动板79(图5C)，还可有利地配置有在图5A和图5C中描绘的设备，从而不仅提供辅助的止动机构还作为原位置。图5A中示出下部光纤保持器16s、插入环 66、座或板64及套管或套筒67紧固且一致地移动，图5A和图5C分别示出位于其移动的下部范围和上部范围的这些零件。图5B示出套管或套筒67、止动板79的底视图，止动板79具有配置的与光学传感器82联合工作的光遮断器装置79’，所有部件均联接至本发明的板64。图6A至图6B是根据本发明的设备的可替换实施方式的两个视图，设备用于通过由界面张力保持在两个表面之间的液体样品来测量吸光度。在本发明上述的实施方式中 (例如图2A至图2B)，可将光纤与上部和下部砧或基座齐平地完成且磨光。然而，在图6A 至6B所示的替换的实施方式80中，光纤18a至18b没有经过砧或基座的全部路径到达相应的表面13和表面15。相反地，可在砧或基座的一个或另一个中嵌入透镜以对进入样品的光校准或有效地从样品收集光。例如，如果光由下部光纤18b提供，则该光在从光纤18b发出后且进入样品14之前由透镜17b校准。然后，透射过样品的任意光由透镜17a收集并聚焦至光纤18a的端部，用于传递至探测器(未示出)。作为示例配置，透镜17a_17b可为定制或商用的缓变折射率(GRIN)透镜，其暴露的平面可设置分别与表面13和表面15齐平。图7是根据本发明的替换实施方式的设备的侧视图。所有共用的标号与之前使用的相同。在图7所示的设备90中，铰链垫块被移除。相反地，铰链杆56经过底座板和臂 M。由于铰链杆限定出臂M的转动轴线，则当臂M抵靠机械止动器53时臂在止动位置并不与底座板52平行定位。然而，上部光纤保持器1 仍到达止动位置，使得上部光纤保持器12s内的上部光纤18a的一段与下部光纤保持器16s内的下部光纤18b的一段同轴。上部光纤保持器1 相对于臂M的布置确保光纤在止动位置相对于彼此光学对准。图8是根据本发明的另一替换实施方式的设备的侧视图。所有共用的标号与之前使用的相同。在图8所示的设备100中，下部光纤保持器16s直接由凸轮104(或其它装置)驱动，凸轮104由凸轮轴102转动，凸轮轴102由发动机62转动。这样的布置能够将旋转运动转变为线性运动。凸轮104可靠着下部光纤保持器16s的槽或凹部106的壁接合。优选地，提供了确保下部光纤保持器被适当装载的装置，例如约束套筒108的径向位置的弹簧和轴承，套筒108在其穿过底座板52的通道将下部光纤保持器封装。该轴承可为简单宝石颈轴承或直线球轴承。图9是根据本发明的又一替换实施方式的设备的侧视图。所有共用的标号与之前使用的相同。在图9所示的通常由参考数字200标记的设备中，下部光纤保持器16s没有直接联接至底座板52。相反地，下部光纤保持器16s机械地联接至能够在柔性轴承112处弯曲的辅助底座板110，柔性轴承112可包括辅助底座板的较薄区域。辅助底座板110从下部光纤保持器的附接安装至在柔性轴承的对侧上的底座板52，留出辅助底座板的一段自由弯曲，因此驱动附接的下部光纤保持器的运动。这样的柔性由发动机62控制，发动机62操作支承辅助底座板的线性致动轴103。因此，上述的配置能够精确控制上部光纤(或其它光学部件)和下部光纤(或其它光学部件)之间的分离，以使在不需要笨重的配套零件例如底座板、臂或设备主体的机械运动的情况下，对微量样品(如液滴)进行受控的光学吸光度测量。有利地，由于在这样的受控的分离过程中仅有一个光纤保持器(在其中包含的光纤)移动，而且由于光线保持器可实际上包括线性致动器的轴，因而辅助零件的数量和可能相关的无用的运动维持在最低水平。方便地，可移动的光纤保持器可为存在的线性致动轴的替换，或者，可能可为其修改，以将制造简化。可移动的光纤保持器可附接至可能为位置传感器印制电路板的座或板， 其与可移动的光纤保持器一起移动。与座或板滑动地机械接合的一个或多个套筒允许光纤保持器平行于其轴线运动，但阻止了无用的会对光学对准产生不利影响、甚至导致光纤断裂的侧对侧运动或旋转运动。对于实际测量本身，一般在吸收光谱获取的量为相对透射(T)，由T= ΙΕ(λ)/ Ι0(λ) ^ (ΙΕ/Ι0) (λ)给出，其中，ιΕ(λ)为所测量的透射过样品的光的强度(即能量)， Ι0(λ)为参考强度，一般在无样品存在时所得。然而，通常感兴趣的量为由公式1给出的吸光度Α。将A考虑为Ik的函数，S卩，使AE f(lR)，将在每个波长λ获得的实验测量结果表示为非随机变量的总和I ( λ )以及两个随机变量Xkms ( λ )和)C1/f。因此，根据该表达，a. ΙΕ(λ) = I 实际(λ ) +Xrms ( λ ) +X1/f等式 4其中，I 是到达探测器且由此可探测的光强度的假设实际值或真值，Xems是所谓的散粒噪声，x1/f是系统噪声(例如“1/f噪声”)，其不依赖于信号水平。散粒噪声的方差由I 的平方根给出，而系统噪声的方差为常数k，常数k独立于Ik或(1$_)。量Ik的统计期望值E(Ik)简单给出为E(Ik) = I^0此外，非随机变量I 的方差等于零，而对于每个波长λ ,Ici为简单的常数(但并不是对于所有的λ都为相同的常数)。由于两个随机变量Xkms和相互独立，其协方差为零，即，Cov (Xems, X1/f) = 0。因此，b. Var (Ie) = Var (XEMS+X1/f) = Var (Xems) +Var (X1/f) · 等式 fe，
13
或以替换的形式，c. Var (T) = (1/I02) Var (Ie) = (1/I02) Var (Xems) + (1/I02) Var (Xl7f)等式 5b.尽管上述随机变量给出为。或！"的函数，但还希望根据吸光度A计算信噪比，A为由公式1给出的Ik的函数。随机变量Ik的函数f的方差可由如下公式近似地表示
权利要求
1.一种用于测量由表面张力限制的样品的光学性质的设备，包括第一基座表面，其联接至具有发送端的第一光学导管；底座；第二基座表面，其机械地联接至所述底座并被配置为接收第一液体样品，所述第二基座表面联接至具有接收端的第二光学导管，其中所述第二基座进一步可操作以在可变距离 (P)下调整所述第一基座和所述第二基座之间的间隔，以便将所述第一液体样品拉成柱从而由表面张力限制，由此通过所述第一光学导管的所述发送端和所述第二光学导管的所述接收端为光度测定或光谱测定的测量提供光学路径；以及板，所述板配置有传感器以提供反馈，以便能够进行所述第一基座表面和所述第二基座表面之间的精确位移，从而能够进行所述可变距离(P)，所述板还被配置为能够将线性致动器发电机主体保持于所述设备，并因此C)允许所述电路板与所述第二光学导管平行于第二光学导管轴线的平移运动，以及d)防止所述电路板和所述第二光学导管作为整体相对于所述设备的旋转；由此生成具有最小旋转效果的线性行进以及第二光学导管相对于所述第一光学导管的光学对准的最小改变。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述板包括印刷电路板，并且配置在所述印刷电路板上的所述传感器包括涡流传感器，所述涡流传感器适于使用所述线性致动器发电机主体的背板作为生成涡流的物体。
3.根据权利要求2所述的设备，其中由所述印刷电路板上的电感器相对于所述线性致动器发电机主体的所述背板的间距所产生的改变的电路阻抗改变所述印刷电路板上的电路的谐振频率，其中联接的数字电路对在时间间隔内所产生的脉冲进行计数以确定所述电路板相对于所述联接的致动器发电机背板的间距，从而提供期望的所述光程长度。
4.根据权利要求3所述的设备，其中监测所述改变的电路阻抗以分辨微米大小的位移，从而能够将光程路径测量的精度从约Imm提高到约50微米。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述板配置有一个或多个槽，所述一个或多个槽骑靠在一个或多个紧固件上，从而能够将所述线性致动器发电机主体保持于所述设备。
6.根据权利要求2所述的设备，其中对于任何给定光程长度，所述设备测量从约0.005 至约2. 0吸光度单位的吸光度。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述板包括位置传感器，当平移控制系统经启动或被光遮断器装置遮断而初始化时，所述位置传感器建立参照位置。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二光学导管包括光纤，所述光纤设置在具有外螺纹的保持器内，其中具有内螺纹部的螺母机械地啮合所述保持器的所述外螺纹部； 其中所述线性致动器发电机机械地联接至所述螺母，并且可操作以旋转所述螺母并诱导所述保持器移动从而调整所述距离P。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一光学导管和所述第二光学导管包括至少一根光纤，所述至少一根光纤选自单模光纤、保偏光纤、以及多模光纤。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包括照射源，所述照射源被配置为提供从约190nm至约840nm的波长。
11.一种测量由表面张力限制的材料的化学浓度的方法，包括确定目标吸光度值从而为吸光率测量提供最佳信噪比；实验地确定通过与所述目标吸光度值相应的材料的最佳光程长度，所述实验地确定最佳光程长度的步骤还包括提供配置有传感器的联接的印刷电路板以提供反馈，以便能够进行第二基座表面相对于第一基座表面的精确位移，从而提供可变距离(P)，所述板还被配置为使得所述第二基座的线性行进能够具有最小旋转效果并使得所述第二基座相对于所述第一基座表面的对准能够具有最小改变；将通过所述材料的光程长度设定为基本等于所述实验地确定的最佳光程长度； 测量通过所述材料的所述设定的光程长度的吸光率；以及从所述材料的已知吸收率、设定的光程长度、和测量到的所述材料的通过所述设定的光程长度的吸光率计算所述材料的化学浓度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述确定目标吸光度值从而提供最佳信噪比的步骤还包括相对于单位信号假定固定的噪声分量。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述实验地确定最佳光程长度的步骤还包括a)将吸光度值处的光程长度设定为低于或高于在所述目标吸光度值处的光程长度；b)获得所述材料的吸光度的测量结果；c)通过已知符号和数值增大所述光程长度；d)获得所述材料的吸光度的测量结果；e)重复上述步骤c-d直至找出所述目标吸光度值。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述精确位移包括从约Imm至约50微米精度的光程长度测量。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述测量吸光度步骤包括对于任何给定光程路径，测量从约0. 005至约2. 0吸光度单位的吸光度。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述测量通过所述材料的所述设定的光程长度的吸光度的步骤包括通过从约190nm至约840nm的波长照射所述样品。
全文摘要
描述了一种设备，其中光纤安装在光纤保持器内，光纤保持器包括线性致动器的非旋转轴。可以使光纤保持器保持固定以限制光纤保持器并因此限制安装在其中的光纤，以免在线性制动器的操作过程中旋转，从而使线性行进具有最小旋转效果，并且使光纤在行进过程中的光学对准具有最小改变。此外，文中在操作中采用光程长度传感器结合最优吸光度方法以在各接收和发送光纤之间提供微米精度的位移，从而使得对于任何给定光程长度，都能够测量约0.005至约2.0吸光度单位的精确吸光度。
文档编号G01N21/31GK102232182SQ200980139661
公开日2011年11月2日 申请日期2009年10月2日 优先权日2008年10月3日
发明者小查尔斯·W·罗伯逊, 戴米安·W·阿什米德, 托马斯·A·托卡什 申请人:纳诺多普科技有限责任公司