专利名称：结合有光检测器阵列的灵敏度增强的差示折射计的制作方法
部分继续申请本申请是由M.Larkin于2004年1月29日提交的、名称为“Enhanced Sensitivity Differential Refractometer Measurement Cell”的、美国专利申请序列号为10/768,600的部分继续申请。
相关的其他共同待决申请在此特意引入下列相关专利以及共同在审的申请。这些都是重要的，因为本发明能确保它们可以更有效地使用和实施由M.Larkin于2003年11月25日提交的、名称为“RefractometerCell for both Absolute and Differential Refractive Index Measurement ofFluids”的美国专利申请序列号10/723,548。
美国专利号4,616,927——名称为“Sample Cell for LightScattering Measurements”(1986年10月14日)美国专利号5,530,540——名称为“Light scattering measurementcell for very small volumes”(1996年6月25日)美国专利号6,411,383——名称为“Method for measuring the 2ndvirial coefficient”(2002年6月25日)美国专利号6,651,009——名称为“Method for determiningaverage solution properties of macromolecules by the injection method”(2003年11月18日)由S.Trainoff于2003年10月18日提交的、名称为“Method forCorrecting the Effects of Interdetector Band Broadening”的美国专利申请序列号10/665,903。
由M.Larkin于2003年11月25日提交的、名称为“RefractometerCell for both Absolute and Differential Refracrive Index Measurement ofFluids”的美国专利申请序列号10/723,548。
背景技术：
样品与参考材料折射率的差异被称作差示折射率(differentialrefractive index)，dRI，它是一个相当重要的物理参数。由溶剂和溶质组成的样品溶液和含有纯溶剂的参考溶液之间的dRI可以被用于确定溶质的浓度，其中可用到关系式Δc≈Δn/(dndc),]]>Δc是浓度的变化，它与溶液折射率测量值的变化Δn成比例。比例常数是差示折射率增量 的倒数。用于测量dRI的典型仪器是“离散(walk-off)”型差示折射计。该仪器包括一个由透明材料制成的单元，该单元有两个流体室，能容纳液体或气体，并且具有一个隔开这两个室的倾斜的透明界面。如图1所示，光束1进入该单元，穿过样品室2，穿过隔开这两个室的界面3，穿过参考室4，最后离开该单元。对于所示单元，如果这两个室中的流体具有相同的折射率，那么在离开该单元后，透射光束5将沿平行于入射光束1的路径传播。如果这两流体具有不同的折射率，那么透射光束6沿与入射光束成一定夹角θ的路径传播。入射光束和透射光束间的夹角θ与两种液体间折射率差异的一次方成比例。光束的角偏转可以用各种已知技术来测量，因此可以测量并报告出该dRI。
测量得到的差示折射率增量 一般是照射光束波长的函数。在用于测定样品摩尔质量和尺寸的光散射测量中，该值在计算样品浓度方面具有重要的作用。对于这种光散射测量的用途，折射计光束的波长被选择成与光散射光度计中所用波长相同的波长。对于单色光束，差示折射计光源可以选择发光二极管、激光、或者甚至是结合有窄带过滤器的白光源。一些差示折射计使用白光源，从而对一定范围内的 值进行平均。
虽然在图1中入射光束垂直于入口表面照射到样品室界面，但是通常入射光束的方向可以与其成一定角度。这样便可以使，例如，最后透射过的光束被一反射镜反射回流动单元室并从相同的表面穿出成为可能。通过利用这样的反射镜，可以使该单元的灵敏度加倍。出射光束将不平行于入射光束，也不与该入射光束共线，这样可以更容易地被检测到。
尽管样品室和参考室之间的透明界面的角度越大，由样品流体和参考流体折射率差异造成的透射光束的角偏转就越大，但通常该角度相对于入射光束方向大约为45°。从所示的几何关系中可以看出，增大这个角度会导致需要更大体积的样品流体室，而减小它则会减小由样品和参考流体折射率差异造成的角偏转。
对于许多应用，样品制备需要花费大量的时间和资源，因此减小测量所需的样品量具有直接的利益。如果减少了测量所需的样品量，除了减少与样品制备相关的精力外，还会提高测量的质量。液相色谱系统就是一个例子，其中如果减小测量所需的样品量，那么就可提高测量质量。在液相色谱系统中，是将可能包含多种物质的某种材料溶解到溶剂中，然后注入到液体流中。使该液体流穿过一些介质或器件，该介质或器件优选地根据某种物理参数(如尺寸、化学亲和性、热性质、电性质等)将某些物质滞留在介质或器件中，从而将这些物质与其它物质分离。因此不同的物质在不同的时间流出介质或器件。为了和传统术语一致，本文将这种介质或器件称为柱，尽管该器件的物理形状和功能可能与柱有很大的不同。穿过该柱的流体通常流出到一个小直径的管中，这样在任一时刻不同的物质驻留在沿该管长度的不同位置处。如果安置一个测量设备，诸如差示折射计，使从该管子流出的液体流经该测量器件，那么构成该材料的物质就可以各个地被测量。测量材料的组成物质是色谱系统的基本用途。由于测量总是需要一定量的液体，因此在任何时刻该管某个体积内的物质必然会对信号产生影响。因此测量器件总是测量到沿该管长度驻留的、对应测量体积内的物质的平均值。这种在物质上的平均部分地破坏了由柱完成的分离，导致数据质量降低。减小测量所需的样品量能使对物质的平均最小化，产生较高质量的数据。
除了测量在一定体积样品上的平均会对数据质量造成负面影响之外，一定体积的样品在其穿过测量系统时还会混合在一起。许多色谱系统是由沿着液体流动方向顺次放置的数个测量设备组成，每一个测量涉及该样品的不同物理参数。如果某一测量设备将一定体积的流体混合在一起，那么由此导致的测量体积内多种物质的平均会对所有后续的流体测量产生负面影响。通常，测量需要的体积越大，混合在一起的样品的体积也越大，对处于液体流靠后位置的仪器来说，其数据质量受到负面影响也越大。
除了应用于液相色谱法领域外，各种类型的差示折射计还可被用于多个不同的领域。通过精确地确定参考标准和样品之间的折射率差异，这样的测定可被用于确定蔗糖浓度，流体密度以及各种工业流体(诸如硫磺酸，氯化钠，酒精等)的浓度。围绕测量及使用这些折射率差异作为手段去测量各种各样的衍生量的思想，各种各样的仪器已被设计出来。
对于dRI测量，减少所需的样品体积显然具有好处。然而，对于离散型差示折射计，在样品体积减小和dRI测量灵敏度之间存在着折衷。dRI的灵敏度会随着样品体积的减小而降低至少有三个原因。灵敏度降低的第一个原因是对样品求平均的范围减小。甚至对于非常稳定的系统，根据热力学基本定律可知，在样品和参考流体中温度、密度和溶质浓度自始自终地发生着局部波动。Albert Einstein在其1910年发表在Annelen der Physik.第33卷，1275-1298页的开创性论文“Thetheory of opalescence of homogeneous fluids and liquid mixtures near thecritical state”中详细说明了这一点。真实存在的系统决不可能完全稳定，在真实系统中这些波动一般会更强。这些波动导致穿过流体的光束的路径始终变化，并由此引起光束6离开该单元时的角度θ随时间而波动。在整个时间范围内该光束的角度的波动被看作是dRI测量中的干扰。增加该光束采样的体积可以使该光束更好地对这些局部波动取平均，降低这些波动的总体影响。
样品体积的减少会导致dRI测量的灵敏度降低的第二个原因是通过该系统的光能降低。对于图1中的单元设计图，当样品体积减小时，发出的光能透过的样品区域也减小。为了在该系统内获得同样多的光能，光的强度必须增加。通常，用于测量光束角偏转的系统的灵敏度的增加与供给它的光能成一定比例。因此，为了在测量光束角偏转时能以较小体积的样品获得和较大体积的样品一样的灵敏度，光的强度必须增加。由于这些系统通常已经使用了最强的可用光源，所以样品体积的减小必然导致通过该系统的光能的减少，并且确定光束角偏转的灵敏度也随之降低。确定光束角偏转的灵敏度的降低直接对应于dRI测量灵敏度的降低。
样品体积的减少导致dRI测量灵敏度降低的第三个原因在于能发送出光束的区域减少了。当发送出光束的区域减小时，衍射效应限制了光束随后聚焦的清晰度。光束通过的区域越小，焦点变得越模糊。通常，用于测量光束角偏转的系统的灵敏度随着聚焦光束清晰度的增加而增加。这样，光束通过的区域减少就会导致测量光束角偏转的灵敏度降低，相应地，dRI测量的灵敏度降低。
另一种想法是在样品体积减少时，增加dRI的灵敏度。当成分变化的样品通过单元时，如当检测器被用作联机色谱检测器的情况下，单元中的样品在空间上将是不均匀的。这使得单元室成为一个弱透镜，其可以影响焦面上的光点的形状。与先前将单元中样品的dRI进行平均的想法不同的是，光点的清晰度与发现它们准确位置的能力之间可以进行折衷。当样品体积减少时，该效果被最小化，从而可以更准确地确定光点的位置。同样的想法也可以应用于单元中热不均匀的情况下。当流动单元体积减少时，成分和温度均匀性都得以提高。
序列号为10/768,600的母申请的主要目标是增加dRI测量的灵敏度，并同时使所需的样品量最小化。序列号为10/768,600的母申请的另一目标是在不增加样品体积的情况下通过增加透明孔(光束必须通过该透明孔)的尺寸来减少衍射效应。进一步的目标是在光束与单元的任一边并不靠得很近的情况下提供宽范围的仪器响应。
发明内容
作为序列号为10/768,600申请的部分继续申请，本发明考虑通过改进检测方法来进一步增加序列号为10/768,600申请的灵敏度，通过该检测方法可以确定射出的透射光束的角度。因此，本文所述新发明的检测方法的目标是提高透射光束角偏转测定的精确度。通过流体室之后的光束偏转角的测定，一般是通过测量在离含流体的室有一定距离的平面上的光束位置来实现的。平面上光束位置的变化可能以三角关系与光束的角偏转变化有关。该部分继续申请进一步的目标是以更大的精确度测定这样的角偏转。本发明的另一目标是大大地扩展母发明特定单元的流体之间所述差示折射率差异的测量范围。
本发明的又一个目标是要消除在折射率差异每次经过重大变化后重新定位透射光束的需要。对于透射光束在其上移动的、传统的分离式光电二极管(split photodiode)检测器，一旦光束移动以致该光束只能照射到检测器中的一段时，标度(scale)便达到极限，必需重新设置光束位置。通过机械手段对光束位置进行重新定位，以便它再一次照射分离式光电二极管的两个组件。因为本发明提供了对极其宽范围的差示折射率的响应，无需重新定位光束，本发明在其优选实施方式消除了明显的移动部件。
为了检测较大范围的折射率差异，利用多个检测器元件组成的光检测器阵列来代替传统的分离式光电二极管检测器。此外，为了进一步精确检测落在光检测器阵列上的平移光束，利用多个光束来替代光束本身，从而提供由多个光束产生的一组信号，其中每一光束通常覆盖光检测器阵列一个范围内的多个检测器元件。因此，每个起作用的光束均会产生一组表示其位移的信号，而多个光束就会产生多个位移信号，当将所有信号组合起来并加工处理时，就可得到精确度提高的位移测定。根据该位移测定，透射光束的平均角检测可以被用于确定差示折射率的高精度测量。选择性地将负透镜插入到出射光束中将进一步提高光束角偏转测量的精确度。
图1是一个传统dRI单元的示意图，显示了透射光束的位移。
图2示出了一个光束充满了大部分样品室的传统单元。
图3示出了本发明单元的优选实施例，其中参考流体室大于样品流体室。
图4示出了光束通过样品单元并落在分离式光电二极管检测器上。
图5示出了相对于在分离式光电二极管上的光束位置的光束强度图。
图6示出了落在光检测器元件阵列上的光束的强度图。
图7示出了落在光检测器阵列上的三角形强度图。
图8示出了落在光检测器阵列上的衍射修正强度图。
图9示出了通过样品单元并落在光检测器阵列上的一组光束的几何关系。
图10示出了图9中一组落在光检测器阵列上的相应光束的一组衍射修正强度图。
图11示出了一个光束的角偏转，该光束从所述单元以及一个随后的成像透镜中射出，该成像透镜将沿所述阵列产生一个相应位移x1。
图12示出了一个光束的角偏转，该光束从所述单元、一个成像透镜以及一个额外的负透镜中射出，该负透镜将沿所述阵列产生一个相应位移x2。
具体实施例方式
所有dRI检测器的目的是测量参考流体和样品流体间的折射率差异。对于离散型dRI检测器，这可以通过测量穿过该单元后从该单元射出的光束的角偏转来完成。出射光束相对于入射光束的平移导致样品室中可被照射并且仍然能使光束到达并穿过参考室的区域减少，这样便限制了传统单元结构的灵敏度。该平移主要取决于样品流体折射率和制备该单元的透明材料的折射率之间的差异，而对样品和参考流体之间的折射率差异仅有较小的依赖性。对于大多数实际应用，尤其是与液相色谱法相关的应用，两种流体之间的折射率差异小于流体与单元材料之间的折射率差异。
为清晰起见，图1仅示出了一条非常细的光束。由于背景技术部分讨论的原因，当该单元充满尽可能多光束时的情形示于图2。注意当该光束通过样品室和参考室间的厚度为t的分隔物3时会出现一个平移d。该平移不一定会对dRI测量造成影响，因为使用简单的光学装置就可以将光束的角偏转(如图1中θ所示)从光束的平移(如图2中d所示)中分离开。然而，该平移却限制了样品室内可被有效照射的容积。样品室2边缘附近的光可能不会进入到参考室4中，因而不会对测量造成影响，从而降低了测量的灵敏度。如果允许进入样品室2的光束错过或掠过参考室，它就会从该单元的各个表面、拐角以及不连续处反射和散射，这样通常会对正在测量光束角偏转的仪器造成一个假的不期望的信号。如图2所示，为了避免这一情形，通常在流动单元前放置孔7，以确保进入样品室2的光不会错过或掠过参考室4。
当流体的折射率小于单元材料的折射率时，图1和图2中描述的平移方向是恰当的。那是通常的情形，但在一些例子中，待测流体的折射率高于单元材料的折射率。例如，诸如甲苯之类的流体折射率为1.5，该折射率大于由熔融石英制成的典型单元材料的折射率1.46。由于dRI检测器通常被设计成可对多种流体进行操作，所以孔要被设计成足够小并且被放置成在期望的流体折射率范围上，没有光线掠过参考室壁。对于典型的低容量型流动单元，可以将光束限制到仅从样品室2中央的65％区域进入，该室的其它部分虽然基本不用，但仍充满样品流体。分隔物3的厚度导致了光束的平移以及上述与该平移相联系的负面影响。当该分隔物的厚度可以忽略不计时，该平移将变为零，与参考室4的掠过表面有关的后果也会消除。此外，当分隔物厚度减小时，将更有利于两流体间的热接触，从而减少因热导致的变化对折射率造成的不利影响。然而，实际上难以使该尺寸变得很小。而且，当分隔物尺寸减小时，样品室和参考室间的压力差使得它们间的分隔物弯曲，给测量带来了干扰和失真。压力差不可避免地存在于样品室和参考室之间，尤其是在流体穿过一个或两个室流动的情况下。
本发明的参考室4的优选实施例示于图3中，它被设计成比样品室大，以致足以使光束从表面9的任何位置进入样品室2，穿过该样品室，并到达穿过分隔物3进入参考室之后，该光束穿过参考室，而不会撞击到位于参考室各壁面交叉处的任何拐角，也不会掠过不打算让光束通过的任何侧面。这样便允许样品室的整个体积都被入射光束照射。当被照射的样品室部分增加时，测量的灵敏度便增加，而不需增加样品室的尺寸。相反地，使用所述发明，样品的体积可以比传统流动单元中的小，而又不损失测量的灵敏度，因为在该优选实施例中，样品室体积的更大部分均被照射。对于传统的色谱测量，参考室4是在测量开始时充满参考流体的，然后在测量过程中保持恒定。因此，参考室4体积的增加并不影响测量所需的样品体积。
流动单元参考室4必须比样品室大到何种程度取决于流动单元的物理细节以及待测量的溶剂折射率的范围。对于任何实施例，参考室4都必须做得足够大并正确放置以便入射到样品室2中任意地方的光都能顺利到达并穿过参考室。在图3中，我们给出本发明的一个优选实施例。在这一实施例中，参考室4有一个三角形的横截面，其与样品单元横截面的三角形类似。平面8、9、12和13相互平行，平面10和11相互平行。样品室和参考室被厚度为t的分隔物隔开。所示光束由于穿过该分隔物而被平移一个距离d。样品室的流体具有折射率n1，参考室的流体具有折射率n2，样品室和参考室之间的分隔物具有折射率ng。样品流体和参考流体的折射率n1和n2之间的折射率差异通常大约为1×10-3数量级或更少。而n1或n2与ng之间的折射率差异大约为0.1数量级。下面为简化推导起见，我们假定n1≈n2≡nl。在这一假定的情况下，平移d可以写作d=tsin(α){1-mcosα1-m2sin2α},]]>这里m＝nl/ng注意当液体的折射率高于单元的透明材料的折射率，即m＞1时，d是负值，光束位移向下。
如母专利所述，在光通过含流体的室后，对光束偏转角的测量可以得到两种流体间的差示折射率dRI。一份较早的申请，即本说明书第1页中列出的序列号为10/723,548的申请描述了流动单元，其允许测量两流体之间的dRI，或包含在两单元中相同流体的绝对折射率ARI。通过在光通过含流体的室后对光束偏转角进行测量，完成对dRI或ARI的测量。在本发明的一个优选实施例中，后一种测量要求表面12不平行于表面9。本发明旨在确定偏转角。
在下面的论述中，我们将假设偏转角将被测定，以便测量分别包含在图2和图3的两个室2和4中不同流体之间的dRI。图3中的平面12和9是平行的。对于非平行面12和9的情况，包含在两单元中的相同流体的ARI也可以通过测量偏转角而得以测定，如在较早的参考申请10/723,548中所详细描述的。
迄今为止，dRI仪器测量光束位置所采用的标准技术是使用分离式光电二极管，它由并列的两个光敏元件组成。使用分离式光电二极管的典型系统示于图4中。在所示系统中，光源17照射矩形孔18。该孔被置于会聚透镜19的焦面中，使来自孔的光通过透镜后变为平行光。然后利用孔7对该平行光进行限制，以穿过含流体的室，在室中发生角偏转。然后光束被传送通过第二会聚透镜20。紧跟在所述单元后面用来取代透镜20的反射镜装置，可以被用于增加通过溶液的路径，这已经在母专利中论述过。对于本发明，由此产生的反射光束的额外传输没有进行论述，这是因为它们的用途和实施是本领域技术人员所熟悉的。矩形孔18的图像将形成于第二透镜20的焦面中，其位于被置于该位置的、所谓的分离式光电二极管21上。
分离式光电二极管21由两个独立的光电二极管组成，它们各自的信号与位于其上的透射图像的数量成比例。对于“零”信号，矩形孔的图像通过能够旋转的玻璃板22平移，直到来自那两个光电二极管的信号相同。如果现在光束由于dRI变化的缘故而发生角偏转，那么图像位置移动，这样，相对于第二光电二极管单元，较大部分的图像照射在第一光电二极管单元上，并且相应信号按比例变化。对于矩形图像和空间均匀的独立光电二极管而言，来自两个二极管的信号之间的差异与离开流体室的光束的角偏转的一次方成比例。可以利用模拟电路来产生与两信号之间的差异成比例的电压，从而藉此可以测量光束位置和相关的光束偏转角。对于分离式光电二极管系统，可测量的最大信号受到光电二极管和矩形图像尺寸的限制。当图像完全移出第一检测器并移到第二检测器时，就不可能再测定光束位置了。图5示出了在附图标记21处的两个光电二极管元件的光束强度图。
本发明并不使用双光电二极管结构21，而是使用多个光检测器23，诸如光电二极管阵列或电荷耦合装置阵列，用于测量光束位置，并随后测定相关dRI和ARI值。注意，光束位置的测定及其有效的角偏转将主要取决于该光束边缘附近的少数检测器，这是因为照射在边缘之间的二极管上的光束强度都是相同的。为了利用额外的光检测器来提高光束位置的测定，我们需要覆盖大范围的各个光检测器元件之间的更大的光束强度变化，此种强度变化提供了额外的工具，通过该工具可以对所述强度变化进行分析拟合，从而改善所述光束位置的测定。图7提供了简单的三角形强度变化，由此，横跨的光检测器元件是宽的，每一单元检测到相对强度变化可以被用于更准确地确定光束的位置。回过来参见图4，如果孔18和孔7的组合制作得足够小，那么所得到的光束轮廓将显示与衍射极限有关的强度变化，并且产生诸如图8中所示的强度变化。还有，包含宽范围的光检测器元件的光强度变化使得能更加准确地测定光束位置。
现在考虑图9的布局，其中入射到所述单元上的单个光束被孔18产生的多个光束所替代，孔18被修改成含有一系列的窄孔或窄缝24，而不是传统的单孔。如图9中所示的例子，所选择的孔的数量是3个。与分离式光电二极管系统的情况类似，这一系列的窄孔被置于会聚透镜19的焦面中，从而使得来自这些孔的光在通过透镜之后变成平行光。利用孔7进一步限制该平行光，以穿过含流体的室，并在这些室中发生角偏转，这种角偏转是由同一单元的两个室中的流体的折射率差异所引起。然后出射光束被传送通过第二会聚透镜20，所述一系列窄孔的、受衍射限制的图象形成于在光检测器阵列23的第二透镜的焦面中。图10显示了这三个光束的强度变化，它覆盖了大范围的光检测器。在具有多个检测器以及具有测定光束在那些检测器上的位置或多个光束平均位置的能力的情况下，就有可能扩大测量范围和/或提高测量灵敏度。也可以产生另外的光束，以获得覆盖更多检测器的图案。这可以通过在掩模中使用更多的孔24来额外产生复杂的且更容易确定的强度变化而实现。
作为例子，考虑使用512个元件的光电二极管阵列。利用这个装置，能够使测量的动态范围(其被定义成最大可测量信号除以系统噪声)超出传统分离式光电二极管仪器50倍。此种测量动态范围的提高在许多设备中明显具有巨大的作用。有了大范围的检测部件，就有可能不必使用图4中所示的旋转玻璃板22，这是因为光束的小平移与其角方向的测量无关。光束在光检测器阵列上的起始位置可以简单地认为是“零”位置，该位置不在阵列的中心。去除移动部件在任何测量系统中总是有利的，这是因为此种移动部件容易增加复杂性以及导致系统故障的额外可能。
利用多个光检测器，技术人员必须使用先进的数学技术，诸如将光检测器响应作为检测器位置的函数拟合成某种函数形式，来准确地确定光检测器阵列上的平均光束位置。此种函数拟合技术可以大大地提高光束位置测定的精确度。光束位置测定精确度的进一步提高可以通过将光束修整成特定轮廓来实现。例如，具有陡峭波峰轮廓(例如图7中所示)的光束比平顶函数(flat-topped function)能更好地测量光束位置，平顶函数例如由图5和图6中所示的矩形孔的图像形成、在典型分离式光电二极管系统中所使用的正方形脉冲函数。当具有完全平顶的正方形脉冲函数的光束轮廓时，通常利用强度阈值或类似方式来测定光束位置，但是仅有处于光束两边缘的两个光检测器能够反映光束位置，其分辨率低于单个光检测器元件的宽度。
波峰函数的理想宽度取决于光检测器响应测量中的噪声。随着噪声水平的增加，与光检测器单元的物理尺寸有关的波峰函数的理想宽度必需增加，以进行更好的平均。除了单一的波峰函数之外，能够为光束轮廓引入增加测量灵敏度的大量的其他函数形式。例如，如果光束轮廓被设计成具有多个波峰，如图10所示，每个波峰将有助于测定平均光束位置。对于“白(white)”测量噪声，测定光束位置的精确度将随着波峰数量的平方根而增加。然而，可被用来提高测量精确度的另一光束轮廓可以是具有多个周期的正弦或三角形波形图。总之，通过将检测器(其与相邻的检测器在信号上有巨大变化)的数量最大化，将使测定光束位置的精确度最大化。尽管扩大波峰阵列例如正弦曲线会由于求平均增加而提高测量的灵敏度，但是它增加了复杂性，并且通常不能将图案与由整倍数的正弦波峰平移得到的图案辨别开，除非图案移动足够慢以致于能够跟踪图案的移动。利用有限的波峰阵列，技术人员可以改进多个波峰的求平均值，而不退化周期阵列。
值得强调的是，本发明的方法使用了光检测器阵列，并且在它的一个优选实施例中，使用多个光束作为提高所述光束位置测定水平的手段。这与在例如Abbe绝对折射计(absolute refractometer)中使用类似部件不同。现代的Abbe型ARI仪器常常结合有检测器阵列，有多个光束落在它的固定位置上。在那些仪器中使用大量的被照射部件测定那些固定光束产生的照射强度。而在本发明中，多个光束移动，并使用大量的被照射部件来改进我们对光束位置的测量。
落在检测器阵列上的光束轮廓可以用多种方法进行变化。可以对落在光检测器阵列上修整光束轮廓的一种方法是提供一个在光检测器阵列上成像的复杂目标(object)。在图9的例子中，在掩模18上的一系列窄孔24就是目标，它们在光检测器阵列上成像，从而产生可提高平均光束位置测定精确度的光图案，例如如图10所示。在光检测器阵列上成像的目标不必仅仅局限于简单的孔，也可以由透过透明介质的或由透明介质反射的光组成，该透明介质具有部分阻碍或部分反射光的不透明图案。例如，可以将正弦油墨密度变化(sinusoidal ink densityvariation)印刷到透明的塑料或玻璃片上用作图9中的孔24。入射在该孔上的光将产生在光检测器阵列平面23上成像的复杂目标。修整光束轮廓的另一种方法是在距光检测器阵列平面一定位移的平面上产生图像。此种位移图像在光检测器阵列上产生未聚焦的图像，从而有效地使光图案变得平滑。例如，如果目标由一系列的窄孔组成(这些窄孔在光检测器平面上的图像将是一系列的陡峭的平顶波峰)，那么通过将这些孔在一个稍微处于光检测器阵列平面之前或之后的平面上成像，就可使阵列上组成光图案的一系列波峰有些类似于图10中所示的那些波峰。
衍射效应也可以用于修整光束轮廓。通过孔7之后成像的任何目标都会因所述孔的衍射效应而改变。该图像是实际目标的卷积(convolution)，相应孔函数7。例如，如果孔7是宽为b的矩形，那么图像将是目标的卷积，公知的sinc平方函数(cf.Hecht，Optics，Addison-Wesley，Reading，Mass.，1974)为 则 其中，λ是用于进行测量的光的波长，是距光束中心位置角的偏转角。
通常，所有的孔函数均是波峰函数，其宽度由孔7的宽度、透镜20至图像的距离、以及所用光线的波长确定。如果产生的图像大于孔函数的宽度(例如孔18在图4的分离式光电二极管系统中的分离式光电二极管21上的图像)，那么衍射对图5所示的强度图像将只产生较小的相对修正。然而，如果图像尺寸与孔函数宽度相比非常之小，那么图像将受到孔函数的控制。例如，如果该孔被制成极其狭窄的缝，那么图像将仅仅是图8所示的衍射图案。在无衍射效应的情况下，图9中的一组窄孔24将作为一系列完全平顶的正方形脉冲函数在检测器阵列上成像。然而，如果孔7的尺寸较小，那么在光检测器上的图像将是一系列波峰函数，对应于具有狭窄平顶的正方形脉冲函数的函数I()的卷积。通过改变孔7的尺寸、缝24的尺寸、透镜20至图像的距离、和用于测量的光的波长，就有可能使图像变得更加尖锐或平坦。
分离式光电二极管系统和使用多个光检测器的本发明都测定光束在平面中的位置，并使用三角关系将该位置与从含流体的室射出的光束的角偏转θ关联起来。对于方向完全垂直于未偏转光束的路径的检测平面(如图4和9中)来说，与入射光束的方向形成的图11的光束偏转角θ与检测平面上的光束空间偏转x1相关，即x1＝L tan(θ)，其中，L是成像透镜20至检测器23平面的距离。对于给定的角偏转θ，光束移动的距离x1随着距离L增加而增加。对于给定θ，x1随L增加而发生的增加通常实际上不必考虑检测平面相对于未偏转光束路径的方向。对于通过其可以测定光束位置的给定精确度，通过增加距离L，可以增加对角偏转θ测量的灵敏度。为了获得θ测定更好的精确度，L必需尽可能的大。然而，对于非常大的尺寸L，具有许多有害的效应。通常，光束在这些系统中的空间位置常常必需被测定到纳米级，因此这个光学系统的热稳定性和机械稳定性都是极其重要的。当系统的物理尺寸较大时，热稳定性和机械稳定性就会不可避免地降低。然而，使用额外的发散透镜，就可以在不增加系统物理长度的情况下，增加有效光学长度。
图11显示了具有单一光束的标准结构，该单一光束以与单元出口表面13成角θ从流动单元射出，并进入位于距离检测器阵列23平面为L处的成像透镜20。光束落在距离光束的有效零位置x1处的检测器阵列上，其中x1＝c1tan(θ)，c1为常数。将负透镜25插入到准直透镜20之后的路径中(如图12所示)，形成光源的虚像，从而增加沿检测器阵列23上的光束位移，即距离为x2，其中x2＝c2tan(θ)，并且c2＞c1。因此，对可以更加精确地测定角度θ，这是因为该透镜有效地产生了相当于由较长路径L产生的结果，但是此种增加无任何有害影响。
尽管有关使用多个光检测器阵列来增强并提高差示折射率检测器性能的许多论述都集中于通过流动单元的一个光束或多个光束的单个通道上，但应该强调的是，通过插入一个可将光束反射回并通过所述单元的反射镜这一熟知的方法，将使我们的装置的灵敏度提高，如母专利中所公开的。对于这种实施方式，源光束将以与表面8成微小角度入射到流动单元上，如图3所示。因此，光检测器阵列将位于表面8的入射侧，并被适当定位以便错过入射光束。
尽管在本说明书大部分中的例子集中于将本发明的实施方式用于差示折射率检测器dRI，然而在较早的申请公开了测量流体的绝对折射率的方式。本发明的优选用途是将其结合到能够进行这些较早申请中所公开的两种测量的结构中。
对差示折射率测量领域的技术人员而言，显而易见的是本发明有许多实施例，但是它们仅是对本文所公开的基本发明的简单变型。
权利要求
1.一种改进型差示折射计，其用于测量样品和参考流体间的折射率差异，所述改进型差示折射计包括a.一个掩模(18)，其对光源(17)所产生的入射光束(1)进行限制使之落在准直透镜(19)上，所述准直透镜(19)产生落在孔(7)上的平行光束，所述孔(7)在所述平行光束入射到入口表面(8)之前限制所述出射光束的横截面，其中所述入口表面(8)属于b.一个测量单元，所述限制孔对所述出射平行光束进行限制，使之照射所述流动单元的所述样品室(2)中含有的样品溶液；c.一个透明分隔物(3)，所述平行光束穿过所述样品室(2)后，穿过所述透明分隔物(3)，进入d.一个参考室(4)，其含有参考流体，并被所述透明分隔物(3)界定以将所述样品室(2)和所述参考室(4)分开；e.一个透镜元件(20)，其形成所述光束限制掩模(18)的图像，该图像形成在；f.多个光检测器元件(23)上。
2.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述入射光束是单色光。
3.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述光源是一个激光器。
4.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述光源是一个发光二极管。
5.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述样品室和所述参考室具有相同的直角三角形截面。
6.根据权利要求1所述的差示折射计，其中所述样品室和所述参考室具有相似的直角三角形截面，所述光束限制孔(7)对所述入射的平行光束进行限制，使之完全照射所述流动单元的所述样品室(2)中含有的样品溶液，而不照射到侧面或掠过所述样品室的限定侧面之间的拐角，也不照射到所述参考室(4)的侧面和拐角。
7.根据权利要求6所述的改进型差示折射计，其中所述参考室(4)被制成具有足够尺寸以确保，无论参考流体和样品流体之间的折射率差异如何，所述进入的平行光束在离开所述测量单元之前不会掠过其中的其他表面或拐角。
8.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述掩模(18)由一条单缝构成，所述单缝的尺寸足够小以确保它的图像在通过孔(7)之后，落在所述光检测器阵列(23)上，且所述样品室和所述参考室是受衍射限限的，从而确保所述图像基本上是孔(7)的孔函数。
9.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述掩模(18)由多条缝(24)构成，从而产生多个平行光束入射在所述测量单元上，并产生多个透射图像落在所述检测器阵列(23)上。
10.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述样品室的内部入口表面(9)和所述参考室的内部出口表面(12)彼此不平行。
11.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述透明分隔物(3)的流体接触表面(10)和(11)彼此不平行。
12.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述测量单元的所述入口表面(8)与所述入射光束不垂直。
13.根据权利要求12所述的改进型差示折射计，其中所述不垂直的入射光束穿过所述测量单元，并被一个取代所述成像透镜元件(20)的反射镜元件通过所述测量单元反射回来，所述反射束以足够的角度通过入口表面(8)射出，从而被一个光检测器阵列检测到，所述光检测器阵列与所述光束限制掩模(18)之间具有足够位移，以致不会影响或干扰由所述光束限制掩模(18)限制的入射光束。
14.根据权利要求7所述的改进型差示折射计的测量单元，其中所述测量单元的所述足够尺寸是根据对所述流动单元的所述折射率以及所述改进型差示折射计将被用于的样品和参考折射率的完整范围的计算而确定的。
15.根据权利要求7所述的改进型差示折射计的测量单元，其中所述测量单元的所述足够尺寸是通过直接测量所述改进型差示折射计将被用于的所有样品和参考流体的所述透射光束而确定的。
16.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中将一个负透镜(25)插入到所述透射光束的路径中，从而相对于入射光束(1)的方向增加了测量单元透射光束的虚位移。
17.根据权利要求13所述的改进型差示折射计，其中将一个负透射(25)插入到所述透射光束的路径中，从而相对于入射光束(1)的方向增加测量单元透射光束的虚位移。
18.根据权利要求1所述的改进型差示折射计，其中所述多个光检测器元件是一个光电二极管阵列中的元件。
19.根据权利要求18所述的光电二极管阵列，其中所述元件的数目为512个。
20.一种测量样品流体相对于参考流体的折射率差异的方法，其包括下列步骤a.将掩模(18)插入到光源(17)所产生的入射光束(1)中，以对其进行限制使之落在准直透镜(19)上，所述准直透镜(19)产生落在孔(7)上的平行光束，所述孔(7)在所述平行光束入射到一个测量单元的入口表面(8)之前，进一步限制所述出射光束的横截面，所述测量单元含有两个相邻室(2)和(4)；b.分别将样品流体和参考流体置于所述相邻室(2)和(4)中；c.通过所述孔(7)对所述出射平行光束进行限制，使之完全照射所述流动单元的所述样品室(2)中含有的样品溶液；d.在穿过所述含样品和参考流体的室后，在从所述测量单元中发出的透射光束的路径中插入透镜元件(21)，将所述光束限制掩模(18)的图像形成在透射光束落在的多个光检测器元件(23)上；和e.当所述样品和参考室充满所述参考流体时，通过使用被所述透射光束照射的所述多个光检测器的所有元件，来测量所述透射光束相对于所述透射光束位置的位移，通过参照在所述多个被照射的检测器元件上检测到的强度变化来改进所述测量的精确度。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述入射光束是单色光。
全文摘要
本发明提供了一种结合有光检测器阵列的改进型差示折射计。使用多元件型光阵列为差示折射率值测量兼具测量灵敏度以及并存的测量范围提供了基础，这是迄今为止还未实现过的。在可获得的、大的动态范围内，无论在该范围内的偏转如何，该检测器结构均提供了相同的灵敏度。透射光束被修整，以在所述阵列上提供光强度的空间变化，从而提高其位移测量的精确度。这进而又会提高差示折射率以及差示折射率增量dn/dc计算的精确度。对于样品量远小于传统差示折射计所需样品量的情况而言，将所述检测器阵列并入到母案的流动单元结构中将会获得一个具有极佳灵敏度和范围的检测器。
文档编号G01N21/15GK1758052SQ200510108269
公开日2006年4月12日 申请日期2005年10月8日 优先权日2004年10月7日
发明者M·I·拉金, S·P·琴诺夫 申请人:怀亚特技术公司