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    重庆时时彩人工计划网: 用于最佳吸光度测量的光程长度传感器和方法.pdf

    关 键 词:
    用于 最佳 光度 测量 光程 长度 传感器 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN200980139661.X

    申请日:

    2009.10.02

    公开号:

    CN102232182A

    公开日:

    2011.11.02

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 21/31申请日:20091002|||公开
    IPC分类号: G01N21/31 主分类号: G01N21/31
    申请人: 纳诺多普科技有限责任公司
    发明人: 小查尔斯·W·罗伯逊; 戴米安·W·阿什米德; 托马斯·A·托卡什
    地址: 美国特拉华州
    优先权: 2008.10.03 US 61/102,560; 2008.10.03 US 61/102,553; 2008.10.03 US 61/102,740
    专利代理机构: 北京英赛嘉华知识产权代理有限责任公司 11204 代理人: 余朦;王艳春
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN200980139661.X

    授权公告号:

    102232182B||||||

    法律状态公告日:

    2015.01.14|||2011.12.14|||2011.11.02

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    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??梢允构庀吮3制鞅3止潭ㄒ韵拗乒庀吮3制鞑⒁虼讼拗瓢沧霸谄渲械墓庀?,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。

    权利要求书

    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1mm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
    1mm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。

    说明书

    用于最佳吸光度测量的光程长度传感器和方法

    相关申请

    本申请要求题为“Optical?Path?Length?Sensor?for?Measuring?
    Absorbance(用于测量吸光度的光程长度传感器)”的第61/102,740号
    美国临时申请,题为“Method?and?Apparatus?for?a?Linear?Actuator?and?
    Fiber?Optic?Light?Delivery?and?Collection?System(用于线性致动器和光
    纤光传输与收集系统的方法和设备)”的第61/102,553号美国临时申
    请,以及题为“Method?for?Optimum?Optical?Absorbance?Measurements”
    (用于最佳吸光度测量的方法)第61/102,560号美国临时申请的优先
    权,上述申请全部于2008年10月3日提交,并通过引用并入本文。

    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1cm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=-log10(T)=-log10(IR/I0)????????????????等式1;

    其中T是透射率,IR是透过被测量样品的光强度(例如,功率),
    I0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1cm
    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匀溶液的平行(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,

    A 1 A 2 = P 1 P 2 ]]>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=εcP????????????????????????????等式3。

    因此,常??赡苁褂贸?cm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1cm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1cm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1A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1A至
    1B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1A和1B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1A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1B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ΔP常??梢跃哂懈哂赑1和P2两者之一的准确度和精确
    度,所以光程长度的差ΔP(=|P2-P1|)可以被用来计算图1A至1B
    和图2A至2B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2A和2B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?!?br />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ΔP,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。

    附图说明

    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1A和1B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10A和10B示出透射百分比和计算出的参考强度I0和系统噪声
    方差k的值的不同组合的信噪比的曲线图。

    图10C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
    10μl,往往少于约2μl)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3B的“打开位置”,少于约10μl、常常少于约2μl的
    液体样品的分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54能进行这样的角运动,铰链杆56配置有穿过
    摇动臂54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12s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54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12s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12s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12s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54
    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28H43-05-036
    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
    1mm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一起)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64一致地行进,
    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1A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????;袢〉氖菘赏ü阎椒ɡ聪允厩掖?br />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10μl、通常少于约2μl且具有下
    至约10μ、通常下至约10μ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一起)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64一致地移动,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54。由于铰链杆限定出臂54的转
    动轴线,则当臂54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12s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12s相对于臂54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??梢贫墓庀吮3制骺筛浇又量赡芪恢么衅饔≈频缏钒宓淖?br />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=IR(λ)/I0(λ)≡(IR/I0)(λ)给出,其中,IR(λ)为所测量的透射
    过样品的光的强度(即能量),I0(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A。将A考
    虑为IR的函数,即,使A≡f(IR),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实际(λ)以及两个随机变量XRMS(λ)和
    X1/f。因此,根据该表达,

    a.IR(λ)=I实际(λ)+XRMS(λ)+X1/f????????????????等式4

    其中,I实际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,XRMS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实际的平方根给出,
    而系统噪声的方差为常数k,常数k独立于IR或(I实际)。量IR的
    统计期望值E(IR)简单给出为E(IR)=I实际。此外,非随机变量I
    实际的方差等于零,而对于每个波长λ,I0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XRMS和X1/f
    相互独立,其协方差为零,即,Cov(XRMS,X1/f)=0。因此,

    b.Var(IR)=Var(XRMS+X1/f)=Var(XRMS)+Var(X1/f).????等式5a,

    或以替换的形式,

    c.Var(T)=(1/I02)Var(IR)=(1/I02)Var(XRMS)+(1/I02)Var(X1/f)??等式5b.

    尽管上述随机变量给出为IR或T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IR的函数。随机变量IR的函数f的
    方差可由如下公式近似地表示:

    Var [ A ] = Var [ f ( T ) ] ( f ( E [ T ] ) ) 2 Var [ T ] ]]>

    等式6

    根据吸光度的期望的信噪比(S/N)可因此被表示为:

    S / N = A Var [ A ] = AI 0 2 ( ln 10 ) 2 × 10 2 A [ I 0 1 / 2 10 - A / 2 + k ] ]]>等式7

    图10A和图10B是根据公式7计算出的信噪比和透射百分比的曲
    线图。在图10A和图10B中,吸光度被描绘为横坐标而计算出的信噪
    比(S/N)和透射百分比(%T)被描绘为两个不同的纵坐标刻度,分
    别沿图的最左和最右的纵轴被示出。表示透射百分比%T的曲线24在
    图10A和图10B中为相同曲线,因为吸光度的刻度在两幅图中相同而
    %T为A的单值函数。

    在图10A中,具有峰值23的曲线22为使用在公式7中I0=1000
    且k=3情况下的任意单位计算出的S/N。同样地,在图10B中具有峰
    值25的曲线26为使用I0=1000且k=100情况下的任意单位计算出的
    S/N。在曲线22(图10A)和曲线26(图10B)之间的比较示出系统
    背景噪声(在I0为常数时)增加时,整体吸光度信噪比降低,并且吸
    光度(大的IR)的S/N最大值向较低值转变,如所期望的??梢苑⑾?,
    吸光度A的最优范围大约为0.3至0.7,最好的S/N特征在吸光度值为
    0.43处。

    通过输入适合其自身系统和样品的数据,用户可使用公式3或诸
    如图10A和图10B中所示的图根据本发明的方法实施方式,作为设置
    穿过样品的光程长度的指导,以获取改进的或最优的信噪特征。例如,
    在许多情况下,如图1A和1B中示出的设备如设备10可用于检测一
    些预定的最低浓度或高于预定的最低浓度的液体样品中分析物的存
    在。

    在等式3中的ε和A通常都为λ的函数。对于任意给定的目标分
    析物,吸收率ε的值常通过查阅标准表或标准数据库、或通过预实验
    预先已知,预实验包括对分析物的浓缩样品或纯样品的精确测量。因
    此,例如,用户可使用设备10(图1A至图1B)和公式7的结果来设
    置P的值,从而生成用于以确定分析物的浓度c为目的的吸光度测量
    的可能的最佳信噪比。

    如上所述,吸光度A的最优范围大约为0.3至0.7,最好的S/N特
    征在吸光度值为0.43处。特别地,作为上述示出的严密推导的替换公
    式,通常感兴趣的量即如公式3给出的吸光度A还可被一般表达为:

    ????????A=2-LogT????????????????等式8

    其中A为吸光度而T为辐射的透射百分比。

    图10C通过示例数据的图示出这样的概念,其示出在示例信号为
    1000且没有样品存在的情况下,水平轴上的透射信号强度相对纵轴上
    的吸光度和百分误差。因此,在这样的布置中的吸光度21在下部图中
    示出,而百分误差27通过图10C的上部图示出,其中假设百分误差
    27具有此处设置为+/-3单位的信号的固定的噪声成分。如图所示,误
    差最小值发生于吸光度的数据约为0.43处,在该处信号为1/e乘以未
    被吸收的信号,其中e为自然对数。

    因此,返回参照图1A至图2B,由于吸光度与单位为cm-1的样品
    厚度线性相关,所以如果用户将样品厚度设置为P1-P2,从而样品吸光
    度约为0.43,则单位为cm-1的样品吸光度可通过用1cm除以样品光程,
    再将结果乘例如0.43来计算,即:

    吸光度(A)=0.43×(1/P),????????????????????等式9

    其中P为设置的单位为cm的样品光程。

    因此,作为操作的示例方法,如果设置通过样品的光程使得样品
    吸光度为例如0.43,则在常见的条件下将测量的噪声影响降至最低。

    这些步骤在方法300中进行了概述,如图11所示。因此,在方法
    300的步骤320中,对于感兴趣的将生成最优的S/N的波长可能将目
    标吸光度值计算出或估计出。通常,感兴趣的波长可为目标分析物的
    已知的吸收线或吸收带。然后,在步骤330中,使用例如公式8或上
    述类似的表达来设置光程长度,使得与目标吸光度值对应。在步骤340
    中,在设置的光程长度上获取光吸收测量结果,并且最终在步骤360
    中,该测量结果与已知的吸收率和设置的光程长度(例如参见等式3)
    一起转化为分析物的浓度。如果c已知的话,类似的程序可用于确定
    ε。

    在某些实验情况中,可能希望实现对A相对P的初步粗略观测,
    从而确定对于随后对A的仔细测量将生成最好的信噪比P的值。根据
    本发明的实施方式,用于实现这样的操作的示例性方法(方法400)
    的细节将在图12中示出并且在下文中进行更详细的讨论。

    参照图12,操作方法400的步骤420包括计算或估算目标吸光度
    值-即,提供用于感兴趣的波长的最大S/N比率的吸光度值。方法400
    的步骤430包括设置标记(与改变的方向相对应)和光程长度增长的
    大小ΔP,其随后将用于观测通过吸光度值。应注意,图12中所示的
    步骤420和430的相对顺序可以颠倒。步骤440包括设置初始的光程
    长度P0的值,以生成低于或高于目标吸光度值的期望的吸光度值,这
    取决于吸光度值是否被分别从低至高或从高至低进行观测。步骤460
    包括在感兴趣的波长下及当前的光程长度下获取对光吸收度的初步测
    量结果。随后的步骤480包括根据在步骤430中设置的增长值将当前
    的光程长度改变为新的值。在步骤500中,获取在感兴趣的波长下和
    当前新的光程长度值下的光吸收度的初始测量结果。

    如图12所示,在决定步骤520中,将作出决定:已观测到的测量
    的吸光度是否超过在步骤420中计算或估计出的目标吸光度。不管目
    标吸光度是否被超过,光程长度的最近更改(步骤480)可能已引起
    测量的吸光度足够接近目标吸光度,即,在目标吸光度的一定容差内。
    因此,如果在决定步骤540或决定步骤560中将其确定,则在最终的
    步骤590中获取当前光程长度下的最终的测量结果。通过进行了较长
    时间周期的测量,最终的测量结果一般质量高于或准确性高于任意的
    初步测量结果。

    如果最近测量的吸光度不在目标吸光度的容差内(步骤540或步
    骤560),则光程长度将被改变,而在新的光程长度下获取新的测量结
    果。如果吸光度没有被观测到超过目标吸光度,则方法的执行将直接
    从步骤540返回步骤480。如果吸光度被观测到超过目标吸光度,则
    方法的执行从步骤560进行至步骤580,其中光程长度增长的符号(方
    向)改变,从而进行反向观测。在步骤580中可希望降低增长的大小,
    使得目标吸光度被更精确地获取。步骤480至步骤580限定的循环可
    进行重复,直至所测量的吸光度落入目标吸光度的容差范围内。

    可以理解,操作的方法400或其选择的多个步骤可由系统自动执
    行,系统包括计算机或其它电子处理器和明确包含在计算机可读介质
    上(例如驱动盘、磁带、光驱、存储卡等)的计算机程序指令。图14
    中示出根据本发明的实施方式的一种这样的系统。一般由参考数字
    900标记的系统包括:光吸收测量室910;光程长度调节器920,与光
    吸收测量室机械地联接;光源930,与光吸收测量室光学联接;以及
    光探测器940,也与光吸收测量室光学联接。系统900还包括:计算
    机或其它电子处理器950,与光程长度调节器电联接且与光探测器电
    联接;以及计算机可读介质960,与计算机或其它电子处理器电联接。
    计算机可读介质960可充当输入和输出装置??裳〉?,计算机/处理器
    950还可与一个或多个其他输出装置970如显示屏、打印机等电联接
    和/或与一个或多个其他输入装置980如键盘、互联网等电联接。

    在图14中的虚线连接线代表携带电信号和电信号信息流的连接
    通路。在多条连接线上的箭头代表信息流可能的方向,或者可替换地,
    代表光的传播方向。光源和吸收测量室之间以及吸收测量室和光探测
    器之间的连接线隐含地包括任意必需的光学器件如光纤、透镜、棱镜、
    镜子、光学过滤器等。

    此外,吸收测量室910可为在上述的美国专利第6,809,826号和第
    6,628,382号中公开的任意吸收测量室设备。相应地,光程长度调节器
    920可包括可操作以机械地改变上述专利文件中描述的砧之间的距离
    P(例如参见本申请中的图1)的任意设备。光源930可为任意形式的
    电磁辐射源,例如白炽灯、离子化的气体灯、激光器、发光二极管等。
    光探测器940可为任意适合的光探测器,例如二极管、二极管阵列、
    光电倍增管、电荷耦合器件等。

    在系统900中,计算机/处理器950向光程长度调节器920提供指
    令来命令光程长度调节器将在吸收测量室910内的光程长度设置为某
    值。例如,计算机/处理器可自动发送指令来设置或改变光程长度,如
    图12所示在方法400的步骤440和步骤480中描述的。如果光程长度
    调节器920还包括位置传感器,则这样的位置信息可从光程长度调节
    器返回至计算机处理器950。计算机处理器950还接收来自光探测器
    940的电信号信息,该电信号信息与由光探测器感应到的光从吸收测
    量室传递之后的强度(例如功率)相关。例如,该信号接收可在方法
    400的测量步骤460、500和590中自动进行。计算机/处理器还可自动
    实现方法400的步骤420、520、540和560的计算和估计决定。计算
    机/处理器还可设置变量的值,如在步骤430和560中进行的。由计算
    机/处理器950执行的事件的先后顺序可根据存储在计算机可读介质
    960上并且从计算机可读介质传递至计算机/处理器的程序指令来控
    制。测量结果-例如,方法400的步骤590中的最终的测量结果-还
    可从计算机/处理器950传递至计算机可读介质960以存储在其上。输
    出还可通过输出装置970提供给用户。用户可通过输入装置980控制
    程序执行。例如,用户可在方法400的步骤420和步骤430中输入参
    数。

    可能发生在多种化学成分存在于单一样品中的实验情况。这些成
    分中的某些可包括分析物,而其它可包括溶剂成分。例如,在许多情
    况下,样品可仅具有可观的量的两种化学成分-分析物和溶剂如水。
    假设在样品中存在(或可能)n种这样的化学成分,由角标i标记,其
    中1≤i≤n。每种这样的成分都可以以其自身的浓度ci存在,每一种分
    析物成分可与待通过例如设备10(图1A至图1B)获取吸光度测量结
    果的一个或多个感兴趣的波长相关。使成分ith(分析物或溶剂或其它)
    的jth波长由λi,j表示,并且使该成分在任意的波长λk的摩尔吸收率由
    εi,k表示。仅用于讨论目的,还假设存在单一的目标吸光度A目标,独立
    于波长λ。如果存在总计w个感兴趣的波长λi,j,则使这些波长按照增
    加波长的顺序被重新脚注为λk,其中1≤k≤w。然后,由公式3将得出
    多个形式如下式的目标光程长度Pk:

    等式10

    在公式10的推导中,成分的吸光度被视为加性的,而每个成分的
    吸收率εi假设为已知,推理地,作为波长的函数,从已知材料的在先
    测量结果或标准参考数据如光谱、表格、电子数据库等推出。符号εi,
    k在此处由εi,k≡εi(λk)限定。

    在诸如上述参照公式10描述的情况下,其中多种化学成分存在于
    单一样品中,测量可同时在若干波长下进行,例如会出现这样的情况,
    通过在透射过样品后将光分散至多通道探测器如二极管阵列或电荷耦
    合装置(CCD)探测器。以这种方式,可在阶梯式光程长度的序列中
    的每个光程长度和每个感兴趣的波长λk测量吸光度。从公式3可得出,
    在每个波长λk和每个光程长度P所测量的吸光度Ak为:

    A k = P Σ i = 1 n ϵ i , k c i ]]>等式11.

    实验性地,光程长度P可从低值向高值(反之亦然)成阶梯式分
    布,并且在每个这样的阶梯确定一组初步的Ak(例如初步的吸光度光
    谱)值。每个测量的初步的Ak的变化可通过图形绘制或数学分析相对
    光程路径确定。所有这样的Ak随P增加且通常为线性增加。然而,由
    于变量εi随λ变化,所以这些增加通常并不是相同的。通过内插法,
    可确定经过A目标的每个Ak处(其中信噪比特征对于在λk处的测量是
    最优的)的目标P值P目标(λk)。随后,光程长度可设置为与每个确定
    出的P目标(λk)值相等,然后,利用这样的设置在λk附近获取质量更高
    的测量结果。由于P目标值可能不是对于所有的Ak都相同,所以该过程
    可能需要一些光程长度P的设置。

    上述的步骤包括根据本发明的实验方法的一部分,即图13中示出
    的方法600。在第一步骤即方法600的步骤620中,进行初步的光程
    长度的限制Pmin和Pmax的估计。参数Pmin和Pmax分别为在阶梯式的光
    程长度的序列中所需的光程长度的最小值和最大值。参数Pmin应设置
    为足够小,使得对于感兴趣的波长λk期望的样品吸光度不大于A目标
    (在容差内),具有在公式10的分母中总和的最大值。同样地,参数
    Pmax应设置为足够大,使得对于感兴趣的波长λk期望的样品吸光度至
    少为A目标(在偏差内),具有在公式10的分母中总和的最低值。在某
    些情况下,机械限制可能妨碍将光程长度设置为Pmin或Pmax或两者。
    在这些情况下,相关参数设置为最接近的可达到值。方法600中的步
    骤640包括设置接下来在阶梯式光程长度的序列中将使用的光程长度
    增长ΔP的符号(与方向的改变相对应)和大小。应注意,在图13中
    所示的步骤620和640的相对顺序是可互换的。

    继续讨论图13中的方法600,步骤660包括在起始值处设置光程
    长度P-Pmin或Pmax-根据光程长度增长ΔP的符号。随后的步骤680
    包括获取在所有当前的P的所有感兴趣的波长λ下的吸光度的初步测
    量结果(例如获取初步吸光度光谱)。在步骤700中作出判断:是否达
    到结束光程长度Pmin或Pmax。如果未到达,则光程长度P根据步骤720
    中的增长进行改变,且执行返回步骤680。一旦在步骤700中达到了
    结束光程长度,则在步骤760中,可能通过内插法确定出对于每个Ak
    的最接近的P目标(λk),如上所述。该步骤的结果为一组P目标(λk)的
    w值,其中w≥n且1≥k≥w。在步骤780中,角标k设置为整数,而在
    随后的步骤800-840中包括这样的循环,其中对每个P目标(λk)设置P,
    然后,在每个这样的设置下获取质量更高的吸光度测量结果。最终的
    选择步骤,步骤860包括使用吸光度测量结果和吸光率的推导出的已
    知值来获取化学成分浓度的集合{ci}的解集(精确解集或最佳拟合解
    集)。诸如溶剂的一些成分的浓度可简单假设。

    如上所述,操作的方法600或其选择的多个步骤可由系统自动执
    行,系统包括计算机或其它电子处理器和明确包含在计算机可读介质
    上的计算机程序指令。如上所述,这样的自动步骤可由图14中示出的
    系统900实现。

    本申请中包括的讨论内容旨在充当基本说明。尽管根据所示和所
    描述的实施方式对本发明进行了描述,但本领域普通技术人员可容易
    想到在不背离本发明的精神和范围的情况下可对该实施方式进行变
    化。读者应意识到,具体的说明可能没有作出对所有实施方式的明确
    描述;还隐含许多替换的实施方式。这样修改及其类似被认为是在不
    背离本发明的精神和范围的情况下在本领域技术人员的能力范围内可
    进行的简单修改。因此,在不背离本发明的精神和范围的情况下本领
    域技术人员可进行许多这样的修改。说明书、附图或术语都不应作为
    对本发明的范围的限制,本发明由权利要求书进行限制。

    关于本文
    本文标题:用于最佳吸光度测量的光程长度传感器和方法.pdf
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