專利名稱：光散射檢測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于微觀粒子檢測器的光散射檢測器，所述檢測器用于測量分散在液體樣品中的微觀粒子的分子量和尺寸例如回轉半徑。

背景技術：
通常，具有大分子量、不可溶解的聚合物、或者微觀粒子的組分難以或不可能通過液體色譜法分離。作為用于分離這樣的物質的方法，例如，凝膠滲透色譜法(下文中，簡稱為GPC)和場流分餾法(下文中，簡稱為FFF)是公知的。并且，作為由GPC或FFF分離的微觀粒子的檢測器，通常使用多角度光散射檢測器，所述多角度光散射檢測器建立在靜態(tài)光散射方法的原理上(例如，見專利文件1和2)。多角度光散射檢測器能夠同時檢測以多個不同的散射角從樣品射出的光。通過將計算方法例如齊姆圖法(Zimm Plot method)或貝里圖法(Berry Plot method)應用于這些散射光的強度，可以計算分子量、尺寸(回轉半徑)或者微觀粒子的其它數(shù)據(jù)(例如，見非專利文件1)。
前面所述的這樣的多角度光散射檢測器能夠以高精度測量直徑大于大約10nm的粒子。然而，當測量直徑小于10nm的超微細粒子時，精度降低，并且測量時間由于計算變得更加復雜而變長。一個用于獲得與這樣的超微細粒子的直徑相對應的信息的有用的途徑是不用靜態(tài)光散射方法，而用動態(tài)光散射方法(例如，見非專利文件2)。動態(tài)光散射方法基于這樣的假設微觀粒子在溶液中的運動服從取決于粒子尺寸的布朗運動。用這個方法，首先測量根據(jù)布朗運動的散射光的波動，用所測量的波動來評價散射光強度的自相關函數(shù)，然后，計算粒子的擴散系數(shù)，以獲得關于粒子的大小的信息。雖然基于散射光強度的計算方法在靜態(tài)光散射法和動態(tài)光散射法之間是不同的，但是用于這些方法的設備的光學系統(tǒng)是相似的。通常，包括這兩種類型設備的混合設備在市場上已可得到(例如，見非專利文件3)。
因為測量原理不同，所以靜態(tài)光散射方法和動態(tài)光散射方法在照射到樣品上的光通量條件方面是不同的。更具體地講，在動態(tài)光散射方法中，光通量被窄化至很小的直徑，并且光局部聚合，從而提高靈敏度。與此相比，在靜態(tài)光散射方法中，照射到樣品上的光通量被擴展，并且散射區(qū)域的面積被放大，以提高測量精度。由于這個原因，對于傳統(tǒng)的混合光散射檢測器，以下面的方式切換放置樣品池的點處的光通量尺寸；當執(zhí)行靜態(tài)光散射測量時，具有大孔徑的光圈被插到光路中，而當執(zhí)行動態(tài)光散射測量時，小且窄的光圈掩模被插到光路中。然而，由于這樣的機械切換需要時間，因而通過靜態(tài)光散射測量或動態(tài)光散射測量中的任一個來執(zhí)行包括在從GPC或FFF連續(xù)洗提的液體樣品中的微觀粒子的檢測。
因此，在將要測量的粒子的直徑從小到大改變的情況下，如同在通過色譜儀或其它裝置來測量組分隨著時間而分離的樣品的情況下一樣，當裝置被設置成執(zhí)行靜態(tài)光散射測量時，小尺寸的粒子不易檢測。另一方面，當裝置被設置成執(zhí)行動態(tài)光散射測量時，大尺寸的粒子不易檢測。因此，為了測量一個樣品，靜態(tài)光散射測量和動態(tài)光散射測量中的每個必須被執(zhí)行至少一次。這使得操作麻煩，并且因為GPC或FFF不能總是在非常相同的條件下執(zhí)行，所以還導致難以提高測量精度的問題。
當液體樣品中粒子的尺寸由于例如反應、結合或者濃縮(condensation)(例如，蛋白質濃縮或聯(lián)合、或者蛋白質折疊)而隨著時間劇烈且快速改變時，還會導致錯過大尺寸或小尺寸粒子的問題。
此外，對于測量直徑未知的粒子分散在其中的液體樣品，直到以任一測量方法執(zhí)行并得到結果之前，不能判斷靜態(tài)光散射方法或動態(tài)光散射方法中哪種是合適的。因此，如果以任一測量方法執(zhí)行測量而該方法表明不合適，則需要用另一測量方法再次測量相同的樣品。這使得操作麻煩，并且如果由于樣品貴重或稀缺的原因而難以執(zhí)行再次測量，則可能不能獲得正確的結果。
專利文件1第4541719號美國專利
專利文件2第5129723號美國專利
非專利文件12005年由Maruzen出版的由日本化學協(xié)會編輯的“Jikken Kagaku Koza 26-Kobunshi Kagaku”的第315-323頁
非專利文件21997年由Kyoritsu Shuppan出版的由日本聚合物科學協(xié)會(The Society ofPolymer Science)編輯的“Shin Kobunshi Jikken Gaku6”的第229頁
非專利文件3OTSUKA電子有限公司的“Super-dynamic LightScattering Spectrophotometer DLS-8000series(超動態(tài)光散射分光計DLS-8000系列)”，網(wǎng)址為
<http://www.photal.co.jp/english/product/dls-sls-80-65_0.html>，[2007年6月19日]

發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決前面所述的問題，并致力于提供一種光散射檢測器，所述光散射檢測器能夠在單次測量中以高精度獲得關于具有各種直徑的粒子的分子量、尺寸或者其它數(shù)據(jù)的信息。
因此，為了解決前面提到的問題，本發(fā)明的第一方面提供了一種用于檢測液體或氣體樣品中微觀粒子的光散射檢測器，所述檢測器包括 a)透明的樣品池，用于容納樣品； b)第一光源，用于發(fā)射具有第一波長或第一波長范圍的靜態(tài)光散射測量光； c)第二光源，用于發(fā)射具有第二波長或第二波長范圍的動態(tài)光散射測量光，所述第二波長或第二波長范圍不同于所述第一波長或第一波長范圍； d)第一檢測單元，包括布置成圍繞所述樣品池的多個檢測器，所述檢測器能夠選擇性地檢測所述第一波長或所述第一波長范圍，以檢測響應于所述靜態(tài)光散射測量光的照射而在所述樣品池周圍以不同散射角散射的光； e)第二檢測單元，包括布置成圍繞所述樣品池的一個或多個檢測器，所述檢測器能夠選擇性地檢測所述第二波長或所述第二波長范圍，以檢測響應于所述動態(tài)光散射測量光的照射而在所述樣品池周圍以不同散射角散射的光；以及 f)數(shù)學處理器，用于當所述第一光源的所述靜態(tài)光散射測量光和所述第二光源的所述動態(tài)光散射測量光同時照射到所述樣品池上時，并行接收來自所述第一檢測單元的檢測信號和來自所述第二檢測單元的檢測信號，然后，基于來自所述第一檢測單元的檢測信號通過靜態(tài)光散射法執(zhí)行數(shù)學運算以及基于來自所述第二檢測單元的檢測信號通過動態(tài)光散射法執(zhí)行數(shù)學運算。
為了解決前面提到的問題，本發(fā)明的第二方面提供了一種用于檢測液體或氣體樣品中微觀粒子的光散射檢測器，所述檢測器包括 a)透明的樣品池，用于容納樣品； b)第一光源，用于發(fā)射靜態(tài)光散射測量光； c)第二光源，用于發(fā)射動態(tài)光散射測量光； d)入射光切換器，用于按時間劃分地用所述第一光源的靜態(tài)光散射測量光和所述第二光源的動態(tài)光散射測量光照射所述樣品池； e)檢測單元，包括多個檢測器，所述檢測器布置成圍繞所述樣品池并且檢測響應于所述靜態(tài)光散射測量光或所述動態(tài)光散射測量光的照射而在所述樣品池周圍以不同散射角散射的光；以及 f)數(shù)學處理器，用于與所述入射光切換器的入射光時分切換同步地將來自所述檢測單元的檢測信號分離成靜態(tài)光散射檢測信號和動態(tài)光散射檢測信號，然后，基于靜態(tài)光散射檢測信號通過靜態(tài)光散射法執(zhí)行數(shù)學運算以及基于動態(tài)光散射檢測信號通過動態(tài)光散射法執(zhí)行數(shù)學運算。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面的光散射檢測器中，準備具有不同波長或波長范圍的兩個光源，第一光源和第二光源，并且從這些光源發(fā)射的光共軸或不共軸地同時照射樣品池。為了使兩個光束共軸照射，所述光散射檢測器可以優(yōu)選地進一步包括光組合器，所述光組合器用于將所述第一光源的入射光和所述第二光源的入射光沿著相同的光路引導到所述樣品池。因為在靜態(tài)光散射法中，將要測量的粒子的尺寸基本上較大，并且如果同時測量來自多個粒子的散射光，則測量精度增加，所以優(yōu)選地，照射到樣品池中的樣品上的光束區(qū)域通常較大。另一方面，在動態(tài)光散射法中，必須檢測散射光由于粒子的運動而導致的波動或變化。光束面積可以優(yōu)選較小從而聚焦，使得變化較大。在本發(fā)明的第二方面中也同樣如此。
第一檢測單元中的每個檢測器可以是在其前面(在入射光路上)具有濾光器的普通檢測器，所述濾光器選擇性地透射所述第一波長或所述第一波長范圍。第二檢測單元中的每個檢測器可以是在其前面(在入射光路上)具有濾光器的普通檢測器，所述濾光器選擇性地透射所述第二波長或所述第二波長范圍?？蛇x地，當然，每個檢測器本身的靈敏度特性可以被調節(jié)成對應所述第一波長或第一波長范圍或者所述第二波長或第二波長范圍中的每個。
與所述第一光源和所述第二光源的入射光相反，來自所述樣品池中的樣品的散射光在多個方向上傳播，并且散射光相交疊。所述第一檢測單元只選擇性地檢測所述第一波長或第一波長范圍的光，所述第二檢測單元只選擇性檢測所述第二波長或第二波長范圍的光。因此，可以同時測量用于靜態(tài)光散射法的散射光強度和用于動態(tài)光散射法的散射光強度，并且同時每個散射光可以被分離，從而被檢測。所述數(shù)學處理器基于靜態(tài)光散射法根據(jù)預定的算法執(zhí)行用于來自所述第一檢測單元的檢測信號的數(shù)學運算，以計算具有較大直徑的粒子的回轉半徑或分子量。所述數(shù)學處理器還基于動態(tài)光散射法根據(jù)預定的算法執(zhí)行用于來自所述第二檢測單元的檢測信號的數(shù)學運算，以計算具有較小直徑的粒子的尺寸和其它數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的光散射檢測器通過波長劃分(波長范圍劃分)來分離用于靜態(tài)光散射法的光和用于動態(tài)光散射法的光。另一方面，根據(jù)本發(fā)明第二方面的光散射檢測器通過時分控制和操作來分離靜態(tài)光散射法的測量和動態(tài)光散射法的測量。為了這個目的，所述入射光切換器周期性地切換所述第一光源發(fā)射的光和所述第二光源發(fā)射的光。所述數(shù)學處理器與這個切換同步地將來自所述檢測單元的檢測信號分離成靜態(tài)光散射檢測信號和動態(tài)光散射檢測信號，并基于靜態(tài)光散射法根據(jù)預定的算法執(zhí)行用于靜態(tài)光散射檢測信號的數(shù)學運算，同時基于動態(tài)光散射法根據(jù)預定的算法執(zhí)行用于動態(tài)光散射檢測信號的數(shù)學運算。
所述入射光切換器選擇所述第一光源的入射光或所述第二光源的入射光，并沿著相同的光路，即共軸地將所選擇的入射光引導到所述樣品池中?？蛇x地，如果這兩個光束不臨時交疊，則它們可以不共軸地照射到所述樣品池上。在動態(tài)光散射測量中，需要測量散射光強度的波動。如果所述入射光切換器的切換比波動可接受地快，則可以消除入射光切換對動態(tài)光散射測量結果的影響。當入射光這樣迅速切換時，可以認為基本上同時執(zhí)行靜態(tài)光散射測量和動態(tài)光散射測量，雖然實際上它們是臨時共用的。
如前所述，利用根據(jù)本發(fā)明第一方面和第二方面的光散射檢測器，可以用一個裝置同時獲得關于粒子的分子量、尺寸和其它相關數(shù)據(jù)的信息。測量的粒子的尺寸可以在寬范圍內變化，從大約1nm或更小到幾十μm或更大。因此，沒有必要根據(jù)要測量的粒子來分成靜態(tài)光散射測量和動態(tài)光散射測量，這使得測量操作簡單。
此外，這消除了錯過檢測的問題，使得精度提高，即使下列情況下適于靜態(tài)光散射法的粒子和適于動態(tài)光散射法的粒子混合在一個樣品中；粒子尺寸在測量過程中快速改變；或者粒子尺寸未知。特別是，例如，當?shù)鞍踪|粒子聯(lián)合時，可以實時追蹤粒子直徑、分子量、回轉半徑和其它狀態(tài)如何臨時改變；因此，將獲得結構改變的知識。以相似的方式，可以實時追蹤多個分子的聯(lián)合或分離狀態(tài)。此外，由于不需要像傳統(tǒng)的系統(tǒng)那樣執(zhí)行多個測量來獲得關于具有大直徑的粒子的尺寸信息，所以即使樣品貴重獲稀缺，也一定可以獲得這樣的信息。
在動態(tài)光散射法的測量中，如果在照射區(qū)域內沒有空間相干性，則散射光強度是不相關的。因此，所述第二光源的入射光必須是相干光，并且可以優(yōu)選使用發(fā)射具有高相干性的激光的激光光源。另一方面，所述第一光源的入射光不必為相干光，也可以使用非相干光。這里，“非相干光”指與前面提及的相干光相比具有較低相干性的光，并不僅包括完全非相干光，而且包括狀態(tài)介于相干光和完全非相干光之間的部分相干光。
為了通過靜態(tài)光散射法計算分子量、回轉半徑和其它值，需要關于樣品中粒子的濃度的信息。然而，如果連接有能夠測量濃度的外部裝置，例如折射率檢測器和吸收分光光度計，則裝置尺寸變得更大，并且更貴，此外，因為不能同時測量濃度和散射光強度，所以需要時滯校正(time-lagcorrection)。因而，優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明第一方面和第二方面的光散射檢測器進一步包括透射光檢測器，所述透射光檢測器用于檢測響應于所述第一光源的入射光而穿過所述樣品池的光。如果所述第一光源的入射光為非相干光，則已經穿過樣品的光(散射角為0度的散射光)根據(jù)樣品中粒子的濃度而被吸收(散射)。因此，可以使用來自所述透射光檢測器的檢測信號來計算樣品中粒子的濃度。將該濃度值用于靜態(tài)光散射法的運算，相應地獲得分子量、粒子尺寸和其它值。



圖1是作為本發(fā)明的第一方面的實施例的混合光散射檢測器的總體框圖。
圖2示出了在圖1中所示的混合光散射檢測器中的入射光的狀態(tài)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的另一實施例的混合光散射檢測器的總體框圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的又一實施例的混合光散射檢測器的總體框圖。
圖5是作為根據(jù)本發(fā)明的第二方面的混合光散射檢測器的實施例的混合光散射檢測器的總體框圖。
圖6是在圖5中所示的混合光散射檢測器中的扇形鏡的示意性平面圖。
標號說明 1...第一光源 2...第二光源 3、4...透鏡 5、6...分束器 7...部分反射鏡 8...第一強度監(jiān)控檢測器 9...第二強度監(jiān)控檢測器 10...樣品池 S...液體樣品 11...透射光檢測器 12...靜態(tài)光散射檢測器 13...動態(tài)光散射檢測器 8a、9a、12a、13a...濾光器 15...數(shù)據(jù)處理器 16...靜態(tài)光散射處理器 17...動態(tài)光散射處理器 18...信號分類器 20...扇形鏡 20a...轉軸 20b...反射部分 20c...透射部分 21...驅動單元 22...控制器
具體實施例方式 首先，參照附圖描述作為本發(fā)明的第一方面的光散射檢測器的實施例的混合光散射檢測器。圖1是這個實施例的混合光散射檢測器的總體框圖，圖2示出了樣品池中的入射光的狀態(tài)。
在這個實施例的混合光散射檢測器中，樣品池10放置在圓E的中心。樣品池10是具有透明壁的用于在其中提供液體樣品S的流動池。(作為樣品池10，可以選擇性地使用用于容納液體樣品的其它池例如方形池和試管池。)在圓E上，透射光檢測器11、多個靜態(tài)光散射檢測器以及多個動態(tài)光散射檢測器被放置在樣品池10的周圍。多個靜態(tài)光散射檢測器12以預定的角度間隔θ1放置，多個動態(tài)光散射檢測器13以預定的角度間隔θ2放置。在這種情況下，透射光檢測器11、靜態(tài)光散射檢測器12和動態(tài)光散射檢測器13是相同的。透射光檢測器11和靜態(tài)光散射檢測器12在它們自身的前面具有濾光器12a，濾光器12a具有選擇性地透射第一波長的光學特性，這將在后面描述。動態(tài)光散射檢測器13在其自身的前面具有濾光器12b，濾光器12b具有選擇性地透射第二波長的光學特性，這將在后面描述。
為了將光引到樣品池10上，使用兩類光源第一光源1，用于發(fā)射第一波長的光；第二光源2，用于發(fā)射第二波長的光，第二波長與第一波長不交疊(或者可與第二波長分離)。第一光源可以是發(fā)射作為相干光的激光的激光光源，或者可以是發(fā)射相干性較低的非相干光的非相干光源。當如后面將描述地那樣通過透射光檢測器11基于檢測信號來計算樣品濃度時，優(yōu)選地，入射光的相干性低。因此，當同時測量濃度時光源1優(yōu)選為非相干光源。另一方面，第二光源2是發(fā)射具有高相干性的激光的激光光源。
從光源1發(fā)射的光被透鏡3聚集，并沿著光路L1傳播。從光源2發(fā)射的光被透鏡4聚集，并沿著光路L2傳播。這兩束光隨后被在本發(fā)明中用作光組合器的分束器5組合，然后被傳送到具有相同的光軸的光路L3。在光路L3上設置另一分束器6。引導到樣品池10的光的一部分被分束器6分束和反射，并被部分反射鏡(或分束器)7進一步劃分成兩束。然后，一束被引導到第一強度監(jiān)控檢測器8中，另一束被引導到第二強度監(jiān)控檢測器9中。第一強度監(jiān)控檢測器8檢測由濾光器8a選擇性透射的第一波長的光強度，第二強度監(jiān)控檢測器9檢測由濾光器9a選擇性透射的第二波長的光強度。第一強度監(jiān)控檢測器8和第二強度監(jiān)控檢測器9的檢測信號被提供到數(shù)據(jù)處理器15，這將在后面描述，并將用來校正第一光源1和第二光源2的光強度的波動。
沿著光路L3的入射光照射到樣品池10的中心上。第一光源1的入射光被透鏡3聚集，從而如圖2所示以較大面積Pa確定地照射到液體樣品S上，使得關于散射的體積變得較大。這是因為在靜態(tài)光散射測量中散射體積中粒子越多，檢測信號的S/N比將越好。另一方面，雖然第二光源2的入射光被透鏡4聚集，從而以相似的方式引到樣品池10的中心上，但是光通量變窄；與前面提及的面積Pa相比，在樣品池10上的照射面積Pb顯著減小。這是因為在動態(tài)光散射測量中照射面積越小，來自該面積的信號強度將越高。
響應于第一光源1的入射光(靜態(tài)光散射測量光)和第二光源2的入射光(動態(tài)光散射測量光)——兩者都共軸且同時照射到樣品池10中的液體樣品S上，具有各入射光的波長的來自液體樣品S中的散射粒子的散射光以反映粒子的特性例如尺寸(回轉半徑、流體半徑等)、形狀和折射系數(shù)的的強度以及角度發(fā)射到環(huán)境中。在散射光中，透射光檢測器11和多個靜態(tài)光散射檢測器12選擇性地檢測與第一光源1的入射光相對應的散射光，多個動態(tài)光散射檢測器13選擇性地檢測與第二光源2的入射光相對應的散射光。
透射光檢測器11和多個靜態(tài)光散射檢測器12的檢測信號被提供到靜態(tài)光散射處理器16，靜態(tài)光散射處理器16被包括作為數(shù)據(jù)處理器15中的功能。相似地，多個動態(tài)光散射檢測器13的檢測信號被提供到動態(tài)光散射處理器17，動態(tài)光散射處理器17被包括作為數(shù)據(jù)處理器15中的功能。靜態(tài)光散射處理器16和動態(tài)光散射處理器17中的每個基于所提供的檢測信號根據(jù)預定的算法執(zhí)行數(shù)學處理，結果，計算并提供關于粒子的分子量、尺寸和其它數(shù)據(jù)的信息。
例如，當組分已通過GPC或FFF(未示出)分離的液體樣品被以預定的送料速率提供到樣品池10時，可以同時獲得與樣品池11中的液體樣品S相對應的用于靜態(tài)光散射測量的散射光強度和用于動態(tài)光散射測量的散射光強度。由于這兩種散射光在波長上完全分離，所以檢測器12只可以檢測從第一光源1的入射光得到的散射光，而監(jiān)測器13只可以檢測從第二光源2的入射光得到的散射光。
下面概略地解釋靜態(tài)光散射處理器16的數(shù)學運算的細節(jié)，雖然它們由于在專利文件1和2、非專利文件1和2、以及其它文件中公開而已知。在多個散射角度θ處沒有受溶劑影響的粒子的散射強度，即超瑞利比ΔR(θ)由下面的式(1)給出 K·C/ΔR(θ)＝1/M·P(θ)+2A·Q(θ)·C+O(C2)...(1) 這里，K是實驗確定的常數(shù)，C是粒子濃度，M是粒子的分子量，A是粒子的回轉半徑，P(θ)是分子內干擾因子，Q(θ)是分子間干擾因子。通過從瑞利比中消除溶劑的影響來給出超瑞利比，所述瑞利比基于如前所述的散射光的普通檢測通過下面的式(2)給出。
R＝I·r2/I0·V...(2) 這里，I0是入射光強度，r是從樣品池到檢測器的距離，I是散射光強度，V是散射體積。
用式(1)和(2)，獲得在多個散射角θ處的超瑞利比ΔR(θ)。然后，通過利用傳統(tǒng)的技術例如齊姆圖法和貝里圖法推測零濃度(C＝0)和零角度(θ＝0)來消除分子間干擾或分子內干擾的影響。根據(jù)下面的式(3)和(4)計算分子量M和回轉半徑A K·C/ΔR(C＝0)＝1/M·P(0)＝1/M...(3) KC/ΔR(θ＝0)＝1/M+2A·C ...(4) 濃度C的值對于這些計算是必須的。然而，當入射光是非相干光時，通過透射光檢測器11獲得的零散射角的散射光(基本上為透射光)的強度取決于在散射體積中的粒子的數(shù)目。結果，可以評估濃度C。濃度C的評估值可以用來計算粒子的分子量和回轉半徑。當然，可以通過利用外部折射檢測器或者吸收分光光度計的檢測結果來獲得濃度C的值。
動態(tài)光散射處理器17的數(shù)學運算的細節(jié)由于在非專利文件1和2中的公開而也是已知的?，F(xiàn)在描述運算的概要。自相關函數(shù)G(t)利用時刻t0處的散射強度I(t0)和時刻t0+t處的散射強度I(t0+t)的通過下面的式(5)給出 這里，<...>t0是與t0有關的長時間平均(與散射光的波動相比長時間)。利用自相關函數(shù)G(t)，將獲得平移擴散系數(shù)。由于平移擴散系數(shù)取決于粒子的流體動力學半徑，所以可以通過獲得相關函數(shù)來計算粒子的流體動力學半徑，即尺寸。此外，由于散射角根據(jù)粒子的尺寸而不同，所以可以通過分析來自多個檢測器13的檢測信號來測量不同粒子的尺寸。
如前所述，利用根據(jù)這個實施例的混合光散射檢測器，可以基本上同時獲得關于具有各種直徑的粒子的分子量和尺寸(例如，回轉半徑、流體動力學半徑)的信息。
在動態(tài)光散射測量中，如果在照射區(qū)中散射光沒有空間相干性，則不能獲得散射光強度的相關性。因此，對于散射在照射區(qū)域內的高相干性是重要的。換言之，散射區(qū)域中兩端處的相干性在檢測器的檢測平面的整個面積上必須高。這里，為了使得相干性為0.88或更高，必須滿足下式(6)的條件 Lc＝λ·r/2π·ρ＝0.16λ·r/ρ··(6) 這里，Lc是檢測平面的對角線長度，r是樣品池10和檢測器13之間的距離，ρ是樣品S上的照亮的區(qū)域的半徑。當式(6)變?yōu)? ρ·Lc＝0.16·λ·r 時，必須使ρ足夠小，或者使r變大。
因此，對于動態(tài)光散射測量，優(yōu)選地，樣品池10和檢測器13之間的距離r較大。由于靜態(tài)光散射測量的操作和動態(tài)光散射測量的操作彼此獨立，所以樣品池10和檢測器12之間的距離與樣品池10和檢測器13之間的距離無需相同。因此，可以如圖3所示改變根據(jù)前面的實施例的混合光散射檢測器中的光學系統(tǒng)。在這個修改的例子中，透射光檢測器11和多個靜態(tài)光散射檢測器12設置在圓E1上，以環(huán)繞樣品池10，并且相似地，多個動態(tài)光散射檢測器13設置在圓E2上，以環(huán)繞樣品池10，所述圓E2與所述圓E1同心，并且與所述圓E1相比，具有更大的半徑。這個構造使得樣品池10和檢測器13之間的距離變長，這導致散射光的相干性增強。
在前面描述的實施例中，兩束具有不同波長的入射光共軸地引導到樣品池10上，然而，這兩束光沒有必要共軸地引導。圖4示出了修改了入射光學系統(tǒng)的混合光散射檢測器的構造。第一光源1的入射光沿著光路L1傳播，第二光源2的入射光沿著光路L2獨立地傳播到樣品池10。當然，用這個構造可以執(zhí)行與前面描述的實施例中相同的測量。
在圖1、3和4中所示的構造中，光源1和2、以及檢測器11、12和13設置在相同的平面上。這個裝置構造便于光學設計、制造和用于在處理器16和17上編制計算算法的理論計算。然而，沒有必要將每個前面提及的元件放在相同的平面上。此外，入射光的電矢量的偏振方向可以垂直于所述平面，或者可以在所述平面中，雖然數(shù)學處理的理論計算需要根據(jù)每種情況修改。而且，在靜態(tài)光散射測量中，雖然計算變得復雜，但只要確定了散射角θ，樣品池10和每個檢測器12之間的距離可以不同(即，檢測器12不設置在相同的圓上)。相似地，在動態(tài)光散射測量中，只要滿足相干條件，樣品池10和每個檢測器13之間的距離可以改變，因為這幾乎不產生影響。
在動態(tài)光散射測量中，也可以只用一個檢測器來檢測散射光，以計算粒子的尺寸，而不是以多個散射角檢測散射光強度。然而，在這種情況下，與如前所述以多角度執(zhí)行檢測的情況相比，可以高精度計算的粒子尺寸的范圍變窄。
在一些情況下，熒光、拉曼光(Raman light)或者其它各種光的強度會變得足夠強，從而干擾散射光的檢測。在這種情況下，第一光源1發(fā)射的光和第二光源2發(fā)射的光之間，具有更長波長的一個將被影響。通常，由于拉曼散射光的強度比瑞利散射光的強度低幾個數(shù)量級以上，所以拉曼散射光無關緊要。另一方面，當包括在樣品S中的熒光發(fā)射器的濃度高時，熒光可能會成為問題。為了不受熒光影響，選擇具有較少的熒光物質的波長而不是自然產生的熒光激發(fā)波長是實用的。此外，如果第一光源1和第二光源2的入射光不同時發(fā)射，而如后面將描述分時發(fā)送，則因為熒光壽命通常短至幾納秒，所以一入射光激發(fā)的熒光將不影響用另一入射光的測量。
接著，參照圖5和圖6呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的第二方面的光散射檢測器的實施例的混合光散射檢測器。圖5是根據(jù)本實施例的混合光散射檢測器的總體框圖，圖6是扇形鏡的示意性平面圖。用相同的標號表示與前面描述的實施例中相同或相應的組件，并且如果不必要，在省略對其解釋。
不同于前面描述的實施例，在這個實施例中的混合光散射檢測器以分時的方式而不是以波長劃分的方式執(zhí)行靜態(tài)光散射測量和動態(tài)光散射測量。因此，設置在圓E上的檢測器11和12沒有濾光器，并且它們的靈敏度特性相等。然而，為了消除(具有較長波長)由入射光從樣品導致的熒光，使用只傳播光源的波長的窄帶通濾波器。如在前面描述的實施例中那樣，第一光源1是非相干光源或激光光源，而第二光源2是激光光源。來自第一光源1和第二光源2的入射光的波長可以交疊。
通過用作本發(fā)明的光切換器的扇形鏡20交替地選擇從第一光源1發(fā)射的用于靜態(tài)光散射的沿著光路L1傳播的光和從第二光源2發(fā)射的用于動態(tài)光散射的沿著光路L2傳播的光，并將其朝向樣品池引導至光路L3。如圖6所示，扇形鏡20包括具有相同角度范圍α并繞著轉軸20a交替布置的反射部分20b和透明部分20c。通過驅動單元21例如馬達驅動轉軸20a以預定的速度在一個方向上旋轉。當透明部分20c位于光路L1和光路L2的交叉處時，用于靜態(tài)光散射測量的入射光被引導到光路L3，當反射部分20b位于所述交叉處時，用于動態(tài)光散射測量的入射光被引導到光路L3。
驅動單元21在控制器22的控制下使扇形鏡20以恒定的頻率旋轉。由于控制器22掌握扇形鏡20的旋轉位置，所以控制器22將定時控制信號提供到數(shù)據(jù)處理器15，所述定時控制信號指示入射光射到樣品池10上的時間段。在數(shù)據(jù)處理器15中的信號分類器18基于定時控制信號交替地將多個檢測器11和12的檢測信號分類到靜態(tài)光散射處理器16和動態(tài)光散射處理器17中。因此，在第一光源1的光(靜態(tài)光散射光)射到樣品池10上的時間段中，多個檢測器11和12檢測的散射光強度被提供到靜態(tài)光散射處理器16，在第二光源2的光(動態(tài)光散射光)射到樣品池10上的時間段中，多個檢測器11和12檢測的散射光強度被提供到動態(tài)光散射處理器17。
靜態(tài)光散射處理器16和動態(tài)光散射處理器17中的每個以如前面所述的方式基于散射光強度計算關于粒子的分子量或尺寸的信息。按時間劃分執(zhí)行靜態(tài)光散射測量和動態(tài)光散射測量；在每種測量中，入射光被引導到樣品池10中，并且檢測與之相應的散射光。然而，即使液體樣品S被以恒定的流速提供到樣品池10，通過使得扇形鏡20比流速更快地旋轉，可以認為靜態(tài)光散射測量和動態(tài)光散射測量實際上同時執(zhí)行。
在這樣的時分操作中，入射光可以不共軸地引入到樣品池10中，而不是如圖5所示的共軸。
需要注意的是，這些實施例是說明性的，并且明顯的是，在本發(fā)明的精神范圍內可以進行修正、修改、添加等，這些修正、修改、添加等包括在本發(fā)明的權利要求內。例如，雖然在前面所述的實施例中測量了液體樣品中的粒子，但是通過根據(jù)本發(fā)明的裝置可以測量氣體樣品中的粒子。
權利要求
1.一種光散射檢測器，用于檢測液體或氣體樣品中的微觀粒子，所述檢測器包括
a)透明的樣品池，用于容納樣品；
b)第一光源，用于發(fā)射具有第一波長或第一波長范圍的靜態(tài)光散射測量光；
c)第二光源，用于發(fā)射具有第二波長或第二波長范圍的動態(tài)光散射測量光，所述第二波長或第二波長范圍不同于所述第一波長或第一波長范圍；
d)第一檢測單元，包括布置成圍繞所述樣品池的多個檢測器，所述檢測器能夠選擇性地檢測所述第一波長或所述第一波長范圍，以響應于所述靜態(tài)光散射測量光的照射來檢測在所述樣品池周圍以不同散射角散射的光；
e)第二檢測單元，包括布置成圍繞所述樣品池的一個或多個檢測器，所述檢測器能夠選擇性地檢測所述第二波長或所述第二波長范圍，以檢測響應于所述動態(tài)光散射測量光的照射而在所述樣品池周圍以不同散射角散射的光；以及
f)數(shù)學處理器，用于當所述第一光源的所述靜態(tài)光散射測量光和所述第二光源的所述動態(tài)光散射測量光同時照射到所述樣品池上時，并行接收來自所述第一檢測單元的檢測信號和來自所述第二檢測單元的檢測信號，然后，基于來自所述第一檢測單元的檢測信號通過靜態(tài)光散射法執(zhí)行數(shù)學運算以及基于來自所述第二檢測單元的檢測信號通過動態(tài)光散射法執(zhí)行數(shù)學運算。
2.根據(jù)權利要求1所述的光散射檢測器，其中，所述第一光源的入射光和所述第二光源的入射光都是相干的。
3.根據(jù)權利要求1所述的光散射檢測器，其中，所述第一光源的入射光是非相干的，而所述第二光源的入射光是相干的。
4.根據(jù)權利要求1所述的光散射檢測器，其中，所述第一光源的入射光的光通量大于所述第二光源的入射光的光束尺寸。
5.根據(jù)權利要求1所述的光散射檢測器，進一步包括光組合器，所述光組合器用于將所述第一光源的入射光和所述第二光源的入射光沿著相同的光路引導到所述樣品池。
6.根據(jù)權利要求1所述的光散射檢測器，進一步包括透射光檢測器，所述透射光檢測器用于檢測響應所述第一光源的入射光而穿過所述樣品池的光。
7.一種光散射檢測器，用于檢測液體或氣體樣品中的微觀粒子，所述檢測器包括
a)透明的樣品池，用于容納樣品；
b)第一光源，用于發(fā)射靜態(tài)光散射測量光；
c)第二光源，用于發(fā)射動態(tài)光散射測量光；
d)入射光切換器，用于按時間劃分地用所述第一光源的靜態(tài)光散射測量光和所述第二光源的動態(tài)光散射測量光照射所述樣品池；
e)檢測單元，包括多個檢測器，所述檢測器布置成圍繞所述樣品池并且檢測響應于所述靜態(tài)光散射測量光或所述動態(tài)光散射測量光的照射而在所述樣品池周圍以不同散射角散射的光；以及
f)數(shù)學處理器，用于與所述入射光切換器的入射光時分切換同步地將來自所述檢測單元的檢測信號分離成靜態(tài)光散射檢測信號和動態(tài)光散射檢測信號，然后，基于靜態(tài)光散射檢測信號通過靜態(tài)光散射法執(zhí)行數(shù)學運算以及基于動態(tài)光散射檢測信號通過動態(tài)光散射法執(zhí)行數(shù)學運算。
8.根據(jù)權利要求7所述的光散射檢測器，其中，所述第一光源的入射光和所述第二光源的入射光都是相干的。
9.根據(jù)權利要求7所述的光散射檢測器，其中，所述第一光源的入射光是非相干的，而所述第二光源的入射光是相干的。
10.根據(jù)權利要求7所述的光散射檢測器，其中，所述第一光源的入射光的光通量大于所述第二光源的入射光的光束尺寸。
11.根據(jù)權利要求7所述的光散射檢測器，其中，所述入射光切換器選擇性地將所述第一光源的入射光或所述第二光源的入射光沿著相同的光路引導到所述樣品池。
12.根據(jù)權利要求7所述的光散射檢測器，進一步包括透射光檢測器，所述透射光檢測器用于檢測響應所述第一光源的入射光而穿過所述樣品池的光。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的光散射檢測器目的在于同時測量具有各種直徑的粒子的尺寸和分子量。這個檢測器便于測量操作和得知粒子隨著時間進展如何聯(lián)合或分離。在這個檢測器中，第一光源發(fā)射的具有第一波長的光(靜態(tài)光散射測量光)和第二光源發(fā)射的具有與第一波長不同的第二波長的光(動態(tài)光散射測量光)通過分束器5組合，并共軸地引到提供液體樣品S的樣品池10上。雖然靜態(tài)光散射測量光的照射區(qū)域大，但是作為相干光的動態(tài)光散射測量光的照射區(qū)域窄。選擇性檢測第一波長的檢測器12和選擇性檢測第二波長的檢測器13設置成圍繞樣品池10。檢測器11、12的檢測信號和檢測器13的檢測信號通過數(shù)據(jù)處理器15單獨地進行數(shù)學運算，以計算樣品S中粒子的尺寸和分子量。
文檔編號G01N21/51GK101118210SQ20071013829
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月3日 優(yōu)先權日2006年8月4日
發(fā)明者大久保邦彥 申請人:株式會社島津制作所