專利名稱：使用同時探測的光散射測量的制作方法
技術領域：
本發明涉及對粒子特征的測量，包括對非常小的粒子的動態測量。
背景技術：
基于實踐和理論基礎都公知的是，被小于光的波長的粒子散射的光的強度與粒子 大小有很大關系。在粒子半徑小于照射光波長的十分之一的瑞利散射極限中，散射強度與 粒子半徑的六次方成比例，并且基本與散射角無關。在這個極限以上，對角度的依賴性變 得明顯。為描述此范圍中的散射，需要知道粒子的光學特性，并且粒子的形狀也變得很重 要。Gustave Mie的數學處理可以被用作預測所有這些范圍內的球形粒子的散射。Dave的 計算機程序是計算這些效應的一種方便的工具，并且該程序可從Bohren，C. F.和Huffman， D.R.所著的、由 Wiley 于 1983 年在紐約出版的“Absorption and Scattering of Lightby Small Particles” 一書的附錄獲得。圖1示出折射率為1. 6且吸收可忽略的IOnm到10 微米的粒子對633nm波長的光的散射(從上面的Bohren和Huffman得到)。容易看出，對 于粒子尺寸小于IOOnm的情況，散射角相對不重要，然而對于大粒子尺寸情況，散射圖樣變 化，其中散射角越大，變化越大。可用于計算具有特定粒子尺寸和折射率的球體的散射的計算機程序被包含在 Bohren, C. F.禾Π Huffman，D. R.所著的、由 Wiley 于 1983 年在紐約出版的“Absorption and Scattering of Light by SmallParticles” 一書的附錄中。這篇論文基于 J. V. Dave 于 1968年出版的早期作品。上述引用的所有文件都通過參引的方式被納入本文。應注意到，在大約1微米時，前向-反向散射比約為104。因此，針對含有小的主 導粒子和較大的物質的樣本的光散射測量結果對少量的大粒子、或者甚至是對單個的大粒 子是非常敏感的。這些不期望的雜質會出現在各種系統中；它們可能是主導粒子的聚集 物或一些其他材料。在對生長培養基中所繁殖的病毒粒子進行研究的過程中，例如，經常 出現整個生物細胞或碎片。在流動樣本一例如來自尺寸排阻色譜系統(size exclusion chromatography system)的射流一的光散射中，來自流體柱本身的粒子碎片可能和感興 趣的分子物質相混合。借助同時存在的多個探測器分析從粒子群散射的光的強度分布已被廣泛使用， 并且被公知為靜態光散射(SLS)；當使用位于透鏡的焦平面中的平面陣列探測器或等價 的光學系統進行探測，使被探測的光位于前向方向的一有限角度范圍內時，經常使用術語 “激光衍射”。例如，英國馬爾文的馬爾文儀器公司(Malvern Instruments)提供了諸如 Mastersizer 2000的結合前向、側向和后向散射的混合系統。
發明內容
在本說明書和權利要求中呈現了本發明的多個方面。在一個總體方面，描述了一 種在動態光散射實驗中同時使用兩個或更多個光子計數探測器、或至少一個光子計數和一 個類似探測器的探測方案。這種方案意于在存在不可避免的較大尺寸雜質、灰塵和聚集物 的情況下促進對納米粒子、生物分子、病毒及類似物質的粒子尺寸的測量。還描述了一種應 用于靜態光散射的類似方案。希望此處描述的方法在色譜實驗或其他半連續過程中對流動樣本的分析具有特 殊價值。在將光散射應用到色譜實驗的洗脫液時的主要困難在于，分離柱(separation column)易于從柱基(column matrix)釋放或“脫落”粒子。這些粒子遠大于色譜樣本并且 有可能削弱測量結果。所提出的方案意在解決這個難題。本發明會在用生物分子、細胞和病毒的尺寸和質量進行表征方面尤其有用。蛋白 聚集物的探測已經變成一個重要事項，因為蛋白聚集物的存在對蛋白基藥物的治療上的使 用有很大影響。根據本發明的系統也應能夠改進聚集物比例的定量并且允許對基蛋白有更 準確的測量。通過光散射對病毒粒子的測量常受到生長培養基中存在的雜質的限制。類似 的小細胞如淋巴細胞的樣本常伴隨有一些較大的細胞或者其光散射將來自目標細胞的信 號淹沒的其他材料。又一個應用領域是用于研究納米粒子的分散，納米粒子常包含大的聚集物，給出 對這些大聚集物的探測可以產生對主導粒子的改進的測量結果。在又一個總體方面，本發明的特征在于一個粒子測量儀器，該粒子測量儀器包括 光源，其具有輸出光束路徑；樣本池，其位于光源的輸出光束路徑中；以及至少一個光子計 數探測器，其位于所述光束路徑外以獲得沿第一散射角散射的光。一個附加探測器位于光 束路徑外，以獲得沿第二散射角散射的光，該第二散射角不同于第一散射角；以及響應于所 述光子計數探測器和所述附加探測器這兩者的同時探測邏輯電路。該同時探測邏輯電路具 有粒子特征測量結果輸出，以及一個探測器間同步邏輯電路，該同步邏輯電路可操作用于 至少部分基于來自光子計數探測器的信息和來自附加探測器的信息之間的同步來取得粒 子特征測量結果輸出。在優選的實施方案中，光子計數探測器可以與光源相同位于樣本池的同一邊、并 位于光束路徑外，以獲得反向散射的光，附加探測器相對于光源位于樣本池的相對側，以獲 得前向散射的光。附加探測器也可以是光子計數探測器。光源可以是相干可見光源。光源 可以是窄帶可見光源。同時探測邏輯電路可以包括動態光散射探測邏輯電路。同時探測邏 輯電路可以實時運行以允許來自附加探測器的信息選通來自光子計數探測器的信息。同時 探測邏輯電路可以在獲得來自光子計數探測器和附加探測器的數據之后，對從光子計數探 測器獲得的數據和從附加探測器獲得的數據進行后處理。同時探測邏輯電路可以包括數據 信號處理邏輯電路。同時探測邏輯電路可以是交互式的。同時探測邏輯電路可操作用于在 存在有較大雜質粒子情況下確定粒子尺寸。同時探測邏輯電路可操作用于在存在有較大雜 質粒子情況下確定粒子相對量。附加探測器可以處于偏離光源的光軸大約5-30度的位置。 附加探測器可以處于偏離光源的光軸大約30-90度的位置。光子計數探測器可以處于偏離 光源的光軸大約7度的位置。該儀器可進一步包括第二光子計數探測器，所述同時探測器 進一步響應于該第二光子計數探測器。第二光子計數探測器可以處于偏離在樣本池處的光源的光軸大約90度的位置。該儀器的粒子探測范圍可覆蓋直徑小于IOOnm的粒子。該儀 器的粒子探測范圍可覆蓋直徑小于IOnm的粒子。同時探測邏輯電路可以包括交叉相關邏 輯電路，該交叉相關邏輯電路運行以至少部分基于來自光子計數探測器的信息和來自附加 探測器的信息之間的交叉相關取得粒子特征測量結果輸出。當光子計數探測器和附加探測 器的輸出之間的交叉相關超過預定的閾值時，交叉相關邏輯電路可以選通來自光子計數探 測器的信息。在又一總體方面，本發明的特征是一種測量粒子特征的方法，其包括在懸浮的樣 本上照射光，獲得由樣本散射光引起的光子數，在獲得光子數的步驟的同時，探測由光和樣 本之間相互作用所引起的光量，其中，所述探測步驟對來自于以下方向的至少一些光進行 探測所述方向不同于獲得光子數的方向，并且至少部分基于來自光子計數探測器的信息 和來自附加探測器的信息之間的同步，取得粒子特征的至少一種測量。在優選的實施方案 中，照射光的步驟可將光照射到懸浮的生物分子，如蛋白質上。
圖1是得自上面的Bohren和Huffman的現有技術中的散射與尺寸和角度的函數 關系圖；圖2是根據本發明的一示例多探測器光散射裝置的光學結構圖；圖3是根據本發明的多探測器光散射裝置的一示例同步圖，如圖1中所示的；圖4是對圖3所用的同一數據組所做的示例性的互相關圖；圖5是對輕微聚集的溶菌酶樣本所獲得的示例性的尺寸和強度的關系曲線圖；以 及圖6是對低濃度的溶菌酶樣本所獲得的示例性的尺寸和強度的關系曲線圖。 具體實施方案參照圖2，現在將更詳細地討論本發明的示例實施方案。在這個實施方案中，激光 束經過樣本池。光子計數探測器PDl優選位于樣本池后面，并在激光器的光路之外，例如經 過光纖接收來自樣本池的反向散射。附加探測器PD2--其可以是光子計數探測器或者不是 光子計數探測器一優選位于樣本池的前面并在激光器光路之外，并例如通過光纖接收來 自樣本池的前向散射。也可以提供一個或多個進一步可選的光子計數探測器(如PD3)，例 如以便通過另一個光纖來監測側向散射。在一個實施方案中，PDl在PDl和PD2光纖光學 獲取之間簡單地切換，以獲得反向散射和側向散射。優選的是放置光子計數探測器以獲取反向散射的光，因為光子計數探測器在該位 置將接收少量來自聚集物的信號，但光子計數探測器也可被放置在激光束的路徑之外的任 何位置。附加探測器可以覆蓋任意角度范圍，只要該角度不同于、優選地小于所述光子計數 探測器。附加探測器甚至也可被實施為積分球，其中所有角度都可被覆蓋到以產生最大靈 敏度。在一個實施方案中，圖2中所示的角度如下角A 7度有效探測(173度一反向散射)角B 5-30度(一般)一前向散射
角C 90度一側向散射PDl-PDN可以電連接到一信號處理器，如數字信號處理器(DSP)集成電路或用 于后處理的個人計算機。重疊的光學裝置被用在從英國馬爾文的馬爾文儀器公司獲取的 Zetasizer Nano裝置上。如所示的使用透鏡的反向散射光學器件也被用Nano 中，并且得到專利權保護(也被描述為“NIBS” -非侵入性反向散射)。附加探測器PD2的輸出可被用于選通一個或多個光子計數探測器。當附加探測器 的輸出上升到預定閾值之上，表明雜質粒子正在傳送激光束時，系統就使光子計數探測器 停止工作。當附加探測器水平低于閾值時，光子計數可以重新開始。選通可被實時執行，或 者可作為后處理操作被執行。也可以應用其他類型的后處理操作，例如數字信號處理方法， 并且這些后處理可以以專用的方式或以交互作用的方式被應用。選通/后處理功能可以使 用專用的硬件、在通用處理器上運行的軟件、或二者的結合來實施。需要注意到，波動信號實際被向下解析成單個光子到達次數，并且如PDl所觀察 到的，該波動信號對于低散射樣本可能是稀疏的。隨著前向散射被加強(通過散射物理 學)，以及潛在地通過使用比相關處理中PDl可以使用的接收角更大的接收角，PD2中的信 號更快地達到統計顯著性。對于小于IOOnm的粒子，散射變得非常弱，并且和角度無關。在這個尺寸范圍內， 以及對于小于6微米的較大粒子，粒子尺寸可以通過動態光散射確定，其中，強度的波動可 使用光子計數探測器來記錄。這些波動由正在進行布朗運動的粒子引起，該布朗運動可通 過計算信號的相關函數來表征。這要求信號在遠遠短于由所述運動引起的特征馳豫時間的 時間段內被采樣，并要求一快速且靈敏的探測器，如光電倍增管(PMT)或最近的雪崩光電 二極管(APD)。一般的基本采樣時間是50納秒，以在如Malvern Zetasizer Nano的現代儀 器中測量可能小至0. 6nm直徑的最小物質的分布。例如對8個連續采樣的信號波動進行記 錄，然后使成對增加，并以50ns的采樣時間對進一步的8個“信道”的信號波動進行記錄， 然后以IOOns對8個進一步的“信道”的信號波動進行記錄，以此類推超過M級，使得最后 的采樣時間大于0. 4秒。這個所謂的對數相關處理能夠表征更寬的動態范圍尺寸。由于相關處理通常使用所記錄的每一個采樣，令人頭疼的來自大雜質的散射將被 附帶到信號中，并且當該問題已經發生時，該來自大雜質的散射不易于被除去。在173度反 向散射中測量的IOnm粒子的散射中的一般計數速率可以是大約每秒IO5個，或者每10微 秒1個。大部分采樣時間為基本的50ns，并且在大部分情況下，在相關器(correlator)的 前8段的總計形式是空的，并且為了恢復信號，幾百萬的采樣被總計。單個1微米的灰塵粒 子可以散射大約15次之多，并且IOOnm尺寸的聚集物或雜質散射150次之多，即便是計數 速率中的這些增加也不足以使信號能夠通過當即數據的檢測而被過濾。IOnm粒子在25攝 氏度的水中擴散的馳豫(相干)時間為四.3微秒(假設照射波長為633nm，散射角為173 度)。常要計算在至少10個相干時間上的相關性，使得數據可以在比如300微秒內被成批 收集。在這個時間內，人們希望探測30個光子。這個探測的精確度被泊松計數統計限制在 20%。因為對于純樣本情況，可預計，3倍標準偏差波動在大約16%內，通過排除一批給出 超過比如45個光子的數據一由于可能會存在灰塵粒子一我們可以顯著地降低數據收集 率。單個1微米粒子一其具有相似于10倍群體的光學特性一貢獻了 2. 7k cps的有效計數速率，所以，在300微秒的時間段內僅可期望0.81個光子。然而，在12度角處來自 相同的單個粒子的散射大約更加強烈720倍，因此，假設在相似的光效率和探測器靈敏度 情況下，大約可預期600個光子。閾值可以基于探測的光強度進行設置，因為較小的粒子在所述時間段內仍將平均 貢獻30個光子。可以設置(比如)100個光子的閾值。當超出該閾值時，人們可以將173 度角處收集的一批光子從相關處理中排除。一種更復雜的處理可以存儲兩個角度處的所有 的光子到達信息，并且在前向角度數據表明灰塵不存在時，在任意長度的時間段內處理反 向散射數據。以這種方法，可以避免固定長度的成批數據并且相關處理會更有效。理想的過濾方法將依賴于具體的實驗布置；在流動系統中，灰塵粒子的停留時間 主要依賴于流速。在凝膠色譜柱(SEC column)的動態光散射測量中，一般的容積流速是大 約0.5ml/分。在橫截面為2X2mm的一般流體池中，線性流速會是2mm/秒。因為激光束直 徑大約50微米，任何單個粒子的停留時間是25ms; 了解這些使能夠得到一個合適的監視范 圍來有效地在前向散射信號中定位灰塵事件。1微米粒子在％度水中的擴散常數大約是每 秒5unT2 ；因此對于這樣一種侵入粒子，需要數十秒來將其從一組散射實驗中去除，并且對 于相關處理，需要采用更長的時間。在圖3中，反向散射探測器中的計數速率被標為通道0，而前向散射探測器中的計 數速率被標為通道1。數據由觀察分散在水中的30nm樣本以及還存在的一些具有微米尺寸 的聚集物的探測器獲取。前向探測器對雜質的較大靈敏度由信號中的較大向上波動示出， 其中最大計數速率與基線水平的比率達到大約10 1，而反向探測器中的同一比率是大約 1.3 1。人們還可以看到，在許多情況下(但不是所有情況)前向探測器中的計數速率 “尖峰”和反向探測器中的較小“尖峰”在一條直線上；然而，前向探測器中的較大波動可以 從基線清晰分辨，并使得反向散射探測器中的所述數據被去除。這使得能夠通過排除以下 區域而改進對反向散射信號的處理在那些區域處，聚集物貢獻于信號，但是單單反向通道 還不能清楚探測到所述聚集物對信號的貢獻。圖4中，示出了實際使用中的處理方案。所述曲線圖是“X相關”性和顆粒尺寸，“X 相關”性是兩個探測器中的計數速率之間的交叉相關函數的變量，粒子尺寸(Z平均)僅從 反向散射探測器中的光子數據得出。所述數據來自圖3中的相同數據集應注意到，在7. 5 秒附近，在交叉相關中有一個尖峰，其與平均尺寸上的突然的跳躍對齊，并且通過在尖峰期 間去除下面的光子數據，可搜集到經過改善的粒子尺寸信息。也應注意到，該“尖峰”覆蓋大 約120ms，在此期間反向散射探測器計數了大約40000個事件。較小的尖峰出現在大約5. 4 秒和6秒處。圖解中使用的交叉相關函數是C (T) =G (T) *H (T+t) / (<G>*<H>)其中G是通道0中的計數，H是通道1中的計數。如果事件應被及時轉移，例如， 如果探測器被設置成觀察流動樣本的不同區域，則可以引入延遲時間“t”。在所呈現的情況 中，探測器被用來觀察樣本的相同區域，t被設置成0。由V形符(“<”，“>”)表示的平均，是在實驗時間段的時間窗內進行的，該函數在 計數速率的每一個采樣處被計算，在所呈現的數據中對計數速率的采樣是50ms。也可以使 用其他時間段如1ms，只要采樣時間段代表由反向散射探測器處理的擴散信號的多個相干時間。因為來自每個探測器的所有光子事件都被實時存儲，它們可以為不同目的而在不同 的時間間隔上被處理。圖5示出了對輕微聚集的溶菌酶樣本所獲得的粒子尺寸與強度的示例曲線圖。在 這個曲線圖中，由存在的聚集物所引起的第二濃度峰值清晰可見。在圖6中，對低濃度的溶 菌酶樣本獲得了類似的曲線圖，第二峰值看不見，并且主峰較窄。這兩個曲線圖都說明了當 聚集物的影響減輕時粒子特征諸如粒子尺寸的探測是怎樣改進的。本發明現已結合其許多特定的實施方案被描述。然而，預期落入本發明范圍內的 許多修改現在對于本領域的技術人員應該是清晰的。盡管目前考慮了在可見波長范圍內的 測量，例如，應該也可在近紅外或甚至紫外光波長執行測量。因此，本發明的范圍僅限于所 附權利要求的范圍。除此之外，權利要求的陳述順序不應被理解為限制了權利要求中的任 何特定術語的范圍。
權利要求
1.一種粒子測量儀器，包括 光源，其具有輸出光束路徑，樣本池，其位于所述光源的所述輸出光束路徑中，至少一個光子計數探測器，其位于所述光束路徑外，以獲取沿第一散射角散射的光， 附加探測器，其位于光束路徑外，以獲得沿不同于第一散射角的第二散射角散射的光，和響應于所述光子計數探測器和所述附加探測器這兩者的同時探測邏輯電路，其具有粒 子特征測量結果輸出，其中同時探測邏輯電路包括探測器間同步邏輯電路，其可操作用于 至少部分基于來自所述光子計數探測器的信息和來自所述附加探測器的信息之間的同步 來得到所述粒子特征測量結果輸出。la.根據權利要求1所述的儀器，其中，光子計數探測器與光源位于樣本池的同一側， 并位于光束路徑外以獲得反向散射光，并且其中，附加探測器相對于光源位于樣本池的相 對側，以獲得前向散射光。
2.根據權利要求1所述的儀器，其中，附加探測器也是光子計數探測器。
3.根據權利要求1所述的儀器，其中，光源是相干可見光源。
4.根據權利要求1所述的儀器，其中，光源是窄帶可見光源。
5.根據權利要求1所述的儀器，其中，同時探測邏輯電路包括動態光散射探測邏輯電路。
6.根據權利要求1所述的儀器，其中，同時探測邏輯電路實時運行，以允許來自附加探 測器的信息選通來自光子計數探測器的信息。
7.根據權利要求1所述的儀器，其中，同時探測邏輯電路可操作用于在從光子計數探 測器和附加探測器獲得數據之后，對從光子計數探測器獲得的數據和從附加探測器獲得的 數據進行后處理。
8.根據權利要求7所述的儀器，其中，同時探測邏輯電路包括數字信號處理邏輯電路。
9.根據權利要求7所述的儀器，其中，同時探測邏輯電路是交互式的。
10.根據權利要求1所述的儀器，其中，同時探測邏輯電路可操作用于在存在有較大雜 質粒子情況下確定粒子尺寸。
11.根據權利要求1所述的儀器，其中，同時探測邏輯電路可操作用于在存在有較大雜 質粒子情況下確定粒子相對量。
12.根據權利要求1所述的儀器，其中，附加探測器處于偏離光源的光軸大約5-30度的 位置。12a.根據權利要求1所述的儀器，其中，附加探測器處于偏離光源的光軸大約30-90度 的位置。
13.根據權利要求1所述的儀器，其中，光子計數探測器處于偏離光源的光軸大約7度 的位置。
14.根據權利要求1所述的儀器，進一步包括第二光子計數探測器，并且其中，同時探 測器進一步響應于該第二光子計數探測器。
15.根據權利要求14所述的儀器，其中，第二光子計數探測器處于偏離樣本池處的光 源的光軸大約90度的位置。
16.根據權利要求1所述的儀器，其中，儀器的粒子探測范圍覆蓋直徑小于IOOnm的粒子。
17.根據權利要求1所述的儀器，其中，儀器的粒子探測范圍覆蓋直徑小于IOnm的粒子。
18.根據權利要求1所述的儀器，其中，同時探測邏輯電路包括交叉相關邏輯電路，其 可操作用于至少部分基于來自光子計數探測器的信息和來自附加探測器的信息之間的交 叉相關來取得粒子特征測量結果輸出。
19.根據權利要求18所述的儀器，其中，當光子計數探測器和附加探測器之間的交叉 相關超過預定閾值時，交叉相關邏輯電路選通來自光子計數探測器的信息。
20.一種測量粒子特征的方法，包括 在懸浮樣本上照射光，獲得由樣本散射光所引起的光子數，在獲得光子數的步驟的同時，探測由光和樣本之間相互作用所引起的光量，其中，所述 探測步驟對來自于以下方向的至少一些光進行探測所述方向不同于獲得光子數的方向， 并且至少部分基于來自所述獲得步驟的信息和來自所述探測步驟的信息之間的同步，取得 關于粒子特征的至少一個測量結果。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，照射光的步驟是在懸浮的生物分子上照射光。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，照射光的步驟是在懸浮的蛋白質上照射光。
23.一種粒子測量儀器，包括用于在懸浮樣本上照射光的裝置， 用于獲得由樣本散射光引起的光子數的裝置，用于在獲得光子數的步驟的同時，探測來自光和樣本之間相互作用所引起的光量的裝 置，其中，所述探測步驟對來自于以下方向的至少一些光進行探測所述方向不同于獲得光 子數的方向，以及用于至少部分基于來自用于獲得的裝置的信息和來自用于探測的裝置的信息之間的 同步、取得關于粒子特征的至少一個測量結果的裝置。
全文摘要
公開了一種用于測量粒子特征的方法和裝置。在一個方面，探測在光和懸浮樣本之間的相互作用所引起的光量，并同時獲得來自不同方向的光子數。接下來可至少部分基于在來自獲得步驟和探測步驟的信息之間的同步，取得粒子特征的至少一個測量結果。
文檔編號G01N15/14GK102066901SQ200980102142
公開日2011年5月18日 申請日期2009年1月15日 優先權日2008年1月15日
發明者D·麥克奈特, F·麥克內爾-沃特森, M·T·康納, R·杰克 申請人:馬爾文儀器有限公司