專利名稱：用于旋光性化合物的改進型旋光度檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋光度檢測設(shè)備。具體來說，本發(fā)明涉及一種光學檢測系統(tǒng)，它可在樣品流過檢測器時對該樣品的旋光度進行測量，其檢測器由含有光束發(fā)生裝置的激光二極管、偏振棱鏡、流槽以及可對信號中激光波動進行衰減的裝置構(gòu)成。
稱為手性化合物的化學物質(zhì)以兩種差別極小的分子形式出現(xiàn)。這些分子形式被稱為左旋和右旋，因為它們可以使通過其自身的光束的偏振面順時針(向右旋轉(zhuǎn))以形成右旋，或逆時針(向左旋轉(zhuǎn))以形成左旋。其旋轉(zhuǎn)量與特定化學物質(zhì)的旋光量以及偏振光和化學物質(zhì)相互之間的光路長度成正比。兩種類型手性分子其構(gòu)成原子的幾何形狀和相對位置一般被認為是互成鏡像關(guān)系。所以，它們具有相同的化學組成并且很難分辨。不幸的是，這兩種分子形式能夠以完全不同的方式影響人類的生理功能。在特例情況下，病人會因為被注射的藥物含有太多錯誤類型的手性分子而造成損傷或死亡。
對映結(jié)構(gòu)比指的是特定手性化合物中右旋分子和左旋分子的比例。在較少出現(xiàn)的嚴重情況中，病人不能對藥物治療作出良好反應(yīng)，因為給他們注射的藥物具有不正確的對映結(jié)構(gòu)比。簡而言之，根據(jù)特定的手性藥物及一定量度手性藥物的對映結(jié)構(gòu)比，且對于特定的病人來說，注射手性藥物可能得不到正面的效果，而且還有可能產(chǎn)生很大的負面影響。這種結(jié)果十分值得警惕，因為目前仍沒有一種有效的方法來測量和控制特定手性藥物的對映結(jié)構(gòu)比。
在美國專利No.4,498,774中揭示了一種利用氣體激光器作為輻射源的色譜檢測器。它的高功率輻射源可以提供出非常高的極限信噪比(S/N)。要想完全發(fā)揮其優(yōu)點，則需要使用質(zhì)量非常高的棱鏡對以提供大約10+10的衰減比。這些棱鏡對是通過測試及誤差技術(shù)而由手工篩選出來的，因此當把人工費用考慮在內(nèi)時，其成本將非常昂貴。一般進行手工篩選并找出用于特定棱鏡的最高品質(zhì)區(qū)的這項工作需要花費5～25個小時。另外，為了減小閃爍噪聲，在激光器的輸出端加有一個強度穩(wěn)定單元。而且，為了保持高衰減比，還采用了氣基調(diào)制器。這種氣基調(diào)制器需要使用大量的電流，所以還需要在功率源和調(diào)制器單元上增加冷卻源。這個專利于1985年2月12日被提出，現(xiàn)已放棄。本發(fā)明在此專利的基礎(chǔ)上做了多種改進，并用它作為參考資料。
美國專利No.5,012,101中揭示的一種旋光度檢測器，它利用了美國專利No.4,498,774中的許多原理，但它采用的是激光二極管用以提高穩(wěn)定性和S/N比。該專利還采用了一種調(diào)制裝置，它可通過調(diào)制輻射源的偏振旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生載波。這樣，光束路徑中的旋光性樣品就可在載波信號中產(chǎn)生一個可檢測的幅度調(diào)制。但是，由于整體幅度調(diào)制非常小，所以需要提高檢測系統(tǒng)的靈敏度。
此外，系統(tǒng)還需要更加穩(wěn)固以易于設(shè)定、安裝及適于普及化的大容量使用。這些增強將通過改進各個單元(如流槽)的結(jié)構(gòu)而得以實現(xiàn)，從而減少造成消偏或錯位的因素。其它的改進包括將系統(tǒng)部件加工成易于精確對接的形狀，以便對它們進行最小的安裝固定調(diào)節(jié)。另外，檢測系統(tǒng)也可以含有多個傳感器和補償系統(tǒng)，以用于消除激光源中功率波動的影響。
本發(fā)明是對先前工作的一個改進。在本發(fā)明中，旋光度檢測器更加小型、更加穩(wěn)固，而且比先前系統(tǒng)更易于設(shè)定和操作。與先前系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)采用了一種二極管激光器，其光束首先穿過一根光纖纜，從而首先被保證為一近高斯光束。另外，該激光器也可含有一個柱狀聚焦透鏡，它被直接粘在激光二極管的出射孔上，并位于密封窗之下。
接下來，系統(tǒng)利用一個格朗一湯普遜棱鏡來提高激光輸出的線性偏振比。但是，與先前系統(tǒng)所不同的是，該棱鏡不需要手工篩選(如上所述)。與先前系統(tǒng)還不同的是，本發(fā)明所使用的法拉第旋轉(zhuǎn)器含有一個置于螺線管內(nèi)部的鋱鎵Garnet(TGG)棒。光束的偏振可根據(jù)參考振蕩頻率(f)而改變。這種TGG調(diào)制器所用的電流比先前工作中其它法拉第旋轉(zhuǎn)器所使用的電流要小得多。
本發(fā)明所做的其它改進包括一個特制的流槽。通過對結(jié)構(gòu)和密封技術(shù)的改進，使得光束可以以最小的反射和色散而通過樣品材料。如果樣品具有旋光性，它將改變光束偏振面的角度，進而導(dǎo)致檢測信號出現(xiàn)周期性的幅度變化。為了進一步提高對幅度變化的檢測，本發(fā)明采用了一個低成本的電路，它可對激光幅度的波動以及與待測信號幅度調(diào)制頻率f有關(guān)的2f信號進行衰減。利用本發(fā)明不受激光波動影響的特點，就可以更好地檢測手性化合物。
目前，本發(fā)明已經(jīng)被采用作為高性能液體色譜(HPLC)系統(tǒng)中的檢測器。在一個典型的HPLC系統(tǒng)中，液體樣品首先被注入一高壓展開劑流中，然后被壓入一個緊密封裝的柱狀萃取塔內(nèi)。柱狀萃取塔由圓柱形耐壓外殼構(gòu)成，其中填充有許多很小的含有涂層的石英球。由于樣品和填充材料中不同類型分子之間的親和力存在差異，而且在展開劑的作用下，樣品中不同的化學分子就可以被及時地從萃取塔中分離出來。
HPLC是一種分離技術(shù)，它可從樣品中分離出化學物質(zhì)，能一次向檢測器提供一種物質(zhì)。因此，人們就可以在樣品流過檢測器的流槽時，對該樣品中各成分的多種物理參數(shù)(對不同波長的吸收率、折射率、傳導(dǎo)率、旋光度，等等)進行測量。一般來說，各檢測器都有自己的流槽，而且只能測量一種類型的物理參數(shù)。為了更好地對待測樣品進行定量分析，串聯(lián)使用兩個或多個檢測器/流槽也是十分普遍的。
一個采用HPLC和本發(fā)明內(nèi)容的典型系統(tǒng)將能夠?qū)悠愤M行分離，而且對各分離物來說，該系統(tǒng)可利用光吸收率檢測器來測量樣品的光吸收率，從而確定樣品各析出成分的總量。然后，采用本發(fā)明所述的旋光度檢測器可確定凈旋光度。知道了各析出成分的具體旋光度，就可以計算出對映結(jié)構(gòu)比。這種過程在用于研究和質(zhì)量控制的分析系統(tǒng)中得到了普遍使用。
另外，如果使用一個特殊的手性分離萃取塔來分離對映體，本發(fā)明也可用于鑒別旋光方向并由此鑒別對映體。這種手段是屬于典型的制備應(yīng)用，它能夠采集和/或濃縮所需的對映體。此外，過程控制系統(tǒng)也可采用本發(fā)明來幫助優(yōu)化用于產(chǎn)生優(yōu)選對映體的條件。與之相反，本發(fā)明所述的檢測器也可用于使不需要的對映體達到最少。
在一般實踐中，分析應(yīng)用是最為困難的，而且其重點都放在儀器設(shè)計上。這是因為它們需要較小容量的流槽，而且還必須有足夠的靈敏度來檢測非常稀釋的樣品。而制備及過程控制應(yīng)用一般則使用較大的流槽，而且經(jīng)常具有樣品濃度較高的優(yōu)點。本發(fā)明所提供的檢測器能夠立刻應(yīng)用于任何一個上述建議的應(yīng)用。
因此，本發(fā)明是一種光學儀器，它可使一束很窄的激光束通過流槽窄長的腔體。分析應(yīng)用(例如)一般可采用內(nèi)徑0.030英寸、長度2英寸的流槽。當光束穿過格朗-湯普遜棱鏡之后，它將具有很高的線性偏振比(一般為100,000∶1)。流槽被設(shè)計成可使液體連續(xù)流過其窄長的腔體，因此就使得液體和光束相互作用。隨著液體流過流槽的腔體，光束線性偏振面的旋轉(zhuǎn)將被測量。由于樣品在流槽中流動而造成的旋光一般遠遠小于+/-1度。通過本發(fā)明所揭示的技術(shù)，在檢測器通電打開30～45分鐘后就可對樣品進行精確的測量。而在先前系統(tǒng)中，為了進行全部必要的對位和調(diào)節(jié)，從通電到采樣所需的典型時間最多將達到25小時。
因此，本發(fā)明的一個目的就是提供一種改進型旋光度檢測器，它尤其適用于在高性能系統(tǒng)中進行檢測、分離以及測量手性化合物和/或有關(guān)醫(yī)用藥物的對映結(jié)構(gòu)比。
本發(fā)明的一個有關(guān)目的是提供一種改進型光學檢測器，它可利用一根光纖或透鏡來將激光二極管的光束調(diào)節(jié)為近高斯分布。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種含有一個經(jīng)改進的流槽的改進型光學檢測器，此流槽可以使通過手性物質(zhì)的激光束具有最小的機械二次折射性。
本發(fā)明還有另外一個目的就是提供一種含有補償電路的改進型光學檢測器，此電路能夠從主光檢測器信號中檢測并提取反射光檢測器信號，從而使幅度調(diào)制信號具有較高的可檢測分辨率，而且它還能防止由于激光波動所造成的影響。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種含有流槽和安裝塊部件的光學檢測器，這些流槽和安裝塊部件被加工成更易于拆卸，而且它們不會對整體對位造成很大的損失。
本發(fā)明的一個有關(guān)目的是提供一種改進型光學檢測器，它能夠在比先前系統(tǒng)所用時間少很多的時間內(nèi)進行設(shè)定和使用。
通過以下說明及附圖，參照圖解及例證以及本發(fā)明的具體實例，將使本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點變得更加清楚。這些附圖構(gòu)成了本說明書的一部分，并包含有本發(fā)明的優(yōu)選實例。它可用于說明本發(fā)明的多種目的和特點。


圖1是一種旋光度檢測器結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，它畫出了底座和其上安裝的激光器、第一棱鏡，法拉第旋轉(zhuǎn)器、流槽，第二棱鏡以及檢測器。
圖2是流槽組件的刨視圖。
圖2A是流槽組件的端視圖。
圖2B是流槽組件的側(cè)視圖。
圖2C是流槽密封墊圈的端視2D是流槽環(huán)形端墊圈的端視圖。
圖2E是流槽端帽的端視圖。
圖2F是流槽端帽的側(cè)視圖。
圖2G是另一個實例中所描述的流槽，它含有一個用于安裝光學窗替代結(jié)構(gòu)。
圖2H是用于圖2G所示流槽的端帽的端視圖。
圖2I是圖2H所示端帽的側(cè)視圖。
圖3A是位于安裝底座中法拉第旋轉(zhuǎn)器的側(cè)視圖。
圖3B是法拉第旋轉(zhuǎn)器的側(cè)視圖，它畫出了螺線管的中心部分。
圖4(4A-4F)是一個機械圖，它顯示了V型塊安裝固定件的正視圖(4A)，俯視圖(4B)和側(cè)視圖(4C)，以及用于將流槽支撐在安裝固定件上的頂部安裝條的正視圖(4D)，俯視圖(4E)和側(cè)視圖(4F)。
圖5是一個電子框圖，它顯示了對檢測信號的處理過程。該過程能夠去除激光的幅度波動，它還能對2f頻率信號進行陷波處理。因此可以通過減低非樣品干擾波動而提高測量頻率信號的分辨率和穩(wěn)定性。
圖5A顯示了2f幅度調(diào)制信號的曲線，非2f幅度信號曲線以及頻率為f的幅度調(diào)制結(jié)果信號。
圖6顯示了相對于激光幅度的鎖相放大器輸出。當使用能夠去除激光幅度波動的補償電路后，激光幅度的變化將不會嚴重影響鎖相放大器的輸出結(jié)果。
圖7是一個波譜圖，它記錄了對含有混合旋光性分子的樣品所做檢測的結(jié)果，以及計算實際對映結(jié)構(gòu)比所得的檢測結(jié)果。
盡管對本發(fā)明所作的說明是參考具體優(yōu)選實例而進行的，但是熟練人員可以立刻明白，任何對本發(fā)明的修改、重組及替換都不會脫離本發(fā)明的精神。本發(fā)明的范圍由附加權(quán)利要求來決定。
現(xiàn)在參看圖1，其中顯示了一個底座10。該底座一般由固體氧化鋁制成，它可以穩(wěn)固地支撐檢測器組件中的各個元件。各元件一旦安裝到位后，一般不需要用戶重新調(diào)節(jié)(如激光器、棱鏡、檢測器，等等)。先前系統(tǒng)允許太多的調(diào)節(jié)，所以常常造成對位不準。在本系統(tǒng)中，流槽十分獨特，它經(jīng)常需要改變和/或清洗，可拆卸性是它必須有的一個發(fā)計特點，即，使用戶在此單元重新安裝后無需重新對這個底座進行對位。本系統(tǒng)的優(yōu)點在于，一整套系統(tǒng)組裝、墊補及對位所需的時間遠遠小于先前系統(tǒng)。被安裝元件的總長M1為18.91英寸，激光器組件的聚焦長度M2為7.874英寸。安裝孔8和9之間的長度M3為17.000英寸。
檢測器組件包括一個激光器單元12，它含有一可見激光二極管，其工作波長為690納米，功率輸出為10毫瓦。該激光二極管與一根單模光纖(未示出)相耦合，光纖的長度一般為2米。光纖的輸出被耦合至一個聚焦透鏡14，此透鏡可將光束聚焦至流槽20中。采用這種結(jié)構(gòu)是因為激光二極管的輸出一般在兩個擴散角的形狀上具有像散性和不對稱性。但是，通過一定長度的光纖后，光束已基本上完全對稱而且沒有像散，因而可被聚焦形成一束很好的近高斯光束。
另一種使光束達到滿意形狀的方法是，在密封窗下放置一個柱狀透鏡，并使其直接面向激光二極管的出射孔。還有一種方法，即，利用多個透鏡組和棱鏡來實現(xiàn)近高斯光束。光束的形狀十分重要，例如，因為任何被流槽壁反射回來的光都會造成消偏并增加系統(tǒng)的噪聲。因此，為了獲得最大的靈敏度，讓全部光束都沒有反射地通過流槽是非常重要的。
格朗-湯普遜棱鏡16可將激光輸出的線性偏振比從100∶1提高到100,000∶1。法拉第旋轉(zhuǎn)器18用于將偏振面旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)器的中心軸線上，該軸線與光束共軸。圖3A顯示了位于安裝固定件19上的法拉第旋轉(zhuǎn)器18，此固定件可將旋轉(zhuǎn)器固定在光學底座10上。法拉第旋轉(zhuǎn)器含有一根TGG棒，該TGG棒置于一個螺線管中，其直徑和長度一般分別為5毫米和30毫米，參看圖3B，螺線管一般由4000圈30#磁線均勻纏繞在40mm長、內(nèi)孔直徑為7mm的非磁性短管(如聚甲醛樹脂)上而構(gòu)成。法拉第旋轉(zhuǎn)器的螺線管由參考振蕩器以頻率為f(一般為500Hz)的正弦信號驅(qū)動(見圖5)。
現(xiàn)在參看圖2，其中流槽20(圖1中)被以剖視圖的形式顯示出來。如上所述，該流槽用于使展開劑和樣品流過線性偏振光束。流槽20的流槽體22一般由316不銹鋼制成，它被加工成適合于安裝到V型塊安裝固定件中(見圖4)。當然，它也可采用其它合適的材料。具體來說，對流槽體22和固定件24的加工應(yīng)滿足使不同的流槽都可用于相同的V型塊而無需重新對位。進行這種柱狀加工必須十分精確，而且V型塊的形成也必須非常精確。這兩種形狀合起來就產(chǎn)生了一個唯一的界面，該界面允許拆卸而無需重新對位。這是流槽安裝的一個重要特征，因為流槽可能需要被周期性地移動、清洗或者放置在一起。而在上面揭示的系統(tǒng)中，每當流槽被更換或清洗后都要進行困難的對位處理。
現(xiàn)在參看圖2A和2B，其中顯示了本實例所述流槽的各向尺寸。流槽體的長度L1在組裝和打磨后為1.969英寸，其誤差為+/-0.005英寸。槽體邊緣與中心線1(CL1)的距離R1為0.550英寸。流槽的最大直徑D1為1.200英寸。膠孔46(見以下的流槽組裝細節(jié))位于與端面34距離為0.73英寸的地方，其直徑D3為0.05英寸。從端面34到端面36沿流槽體22的頂部開有一個平滑的缺口45。如下所述，此缺口可使頂部橫穿部件置于流槽之上以使流槽支撐在固定件內(nèi)。
在流槽20的端視圖2A中，顯示了一個0.177英寸的通孔52，它延伸進流槽體22一定長度。另外，圖2A還顯示出兩個零件對位孔54、56(沿CL1180度)，其標稱直徑為0.125英寸，深0.3英寸，其中心與流槽中心之間的半徑R2為0.950英寸。四個其它零件通孔58、60、62和64用來固定螺絲，它們與中心線CL1和CL2相互間隔45度，并被鉆成#4-4X0.3英寸深，其中心與流槽中心之間的半徑也為0.950英寸。
參看圖2、2A和2B，在流槽體的中心處用環(huán)氧樹脂粘接有一根熔石英毛細管(4mm外徑OD×0.75mm內(nèi)徑ID)。這個主腔體內(nèi)的厚毛細管可以減少漫散射及其造成的消偏，因為那些不能穿過腔體的激光束部分(如一部分碰到熔石英毛細管固體部分的激光束)不太可能散射進檢測器。光束散射越小，系統(tǒng)噪聲就越低。
另外，在流槽22的凹槽44上纏繞有一個入口管26和一個出口管26’。在本實例中，凹槽寬0.40英寸，深0.07英寸。凹槽的深度和寬度可隨具體使用時所需管子總量而變化。入口管26終止于人口孔28，出口管26’則終止于出口孔30。
另外，在流槽體22的兩端34和36上分別鉆有小孔。小孔48’和50’起始于熔石英毛細管的外部并與流槽的中心軸線成45度角向外延伸至錐口孔48(輸入)和50(輸出)。將入口孔28(從點48處進入槽體)置于槽體底部而將出口孔30(位于槽體的錐口孔50上)置于槽體頂部，此舉便于用氣體(如空氣)泡對流槽進行沖洗。此外，每個45度孔48’、50’都是從流槽體22的直徑外側(cè)鉆出的孔，它們用于接納管26和26’。適用于分析應(yīng)用的優(yōu)選實例使用1/16英寸外徑的管子，其入口管的內(nèi)徑為0.010英寸，出口管的內(nèi)徑為0.030英寸。45度錐口孔48’和50’一端的直徑為0.030英寸，而另一端的直徑D2則為0.062英寸，其鉆入深度L4為0.25英寸。
管26和26’被卷繞在流槽體的中間部分32上，并且它們被釬接在45度錐口孔48’、50’以及中間部分32上。在中間部分卷繞和釬接可以大大減少流槽的溫度變化率。在流槽的各端面34和36上分別蓋有密封墊圈38和48。這些墊圈可由多種材料制成，它們包括三氟氯乙烯(Kel-f)、聚氯乙烯丙烯(FEP)、四氟乙烯(TFE)，或其它合適的材料?，F(xiàn)在參看圖2C，其中各密封墊圈都有一個槽42，它允許液體在熔石英毛細管的中心腔體和入口孔或出口孔之間流動。在本實例中，槽42高0.190英寸，寬0.060英寸，其端半徑為0.030英寸。另外，密封墊圈38,48的厚度都為0.030英寸而且含有一套對位孔55(兩個)和螺絲孔59(四個)，這些孔與流槽體22上的孔58-64相互對應(yīng)。
再參看圖2，各密封墊圈外蓋有光學窗。在本實例中，柱狀光學窗直徑為0.492英寸，其長度L5為0.236英寸。它由平行度為5弧度的熔石英制成且涂有680nm的V涂層(在670到690nm時的反射率＜5％…單面)。這種材料可以從如加州的Melles Griot of Irvine實驗室中獲得。
各光學窗由長度L8為0.335英寸的端帽74和76固定。如圖2E和2F所示，每個端帽上也都含有一套對位孔79(兩個)和螺絲孔77(四個)，它們與流槽體22及密封墊圈38、48上的孔58-64相對應(yīng)。該端帽的外部直徑D6為1.200英寸，其通孔的直徑D8為0.200英寸。該端帽上較小部分的長度L7為0.235英寸，直徑D7為0.700英寸。另外，該端帽上還有一個面向流槽的內(nèi)部柱狀空腔78，其直徑為0.500英寸、深度L6為0.500英寸，它用于接納光學窗的突出端。一般來說，該端帽由聚醚酮醚(Polyetheretherketone)(PEEK)制成，也可采用其它類似的適合材料。
如圖2和2D所示，在各端帽74、76和光學窗66、68之間都放置有一個環(huán)形端墊圈70、72。與上述墊圈一樣，這些墊圈也可以由以下材料制成，如三氟氯乙烯(Kel-f)、聚氯乙烯丙烯(FEP)、四氟乙烯(TFE)，或其它合適的材料。在本實例中，此墊圈的厚度為0.020英寸，其外部直徑D4為0.490英寸，其內(nèi)部孔徑D5為0.200英寸。
盡管在本實例中畫出了這樣的端墊圈，但實際上并不需要它們。之所以使用它們，是為了給光學窗66、68提供一個平滑的界面，并且由此使得二次機械反射達到最小。一般來說，與由已有相對平滑的材料制成的端墊圈相比，使端帽的內(nèi)接觸面平滑是比較困難的。所以，可以利用墊圈來提供平滑的接觸面(如圖2所示)，或者也可以通過充分的加工和打磨而將流槽做成不需要利用墊圈來提供內(nèi)部界面。
現(xiàn)在參看圖2G，其中顯示了另一種流槽的結(jié)構(gòu)。在本實例中，流槽200與前面一樣使用了交替卷繞在中心凹槽32上的入口管26和出口管26’。入口管26進入流槽的底部，其另一端為28。出口管26’位于流槽的頂部，其另一端為30。同樣，本實例也在流槽體22的兩端使用了密封墊圈38和48。但是，光學窗66、68卻以與上面不同的方式安裝在流槽上。其端帽202、204與上述端帽的不同之處在于，它們被直接安裝在密封墊圈38和48上而沒有用于接納光學窗的空腔78。光學窗66、68直接粘在端帽的外側(cè)端204和206上。
再參看圖2H和2I，其中顯示了端帽202、204的正視圖和側(cè)視圖。每個端帽的直徑D6都為1.200英寸，其長度L3為0.200英寸。如圖所示，各端帽上也都含有一套對位孔208(兩個)和螺絲孔210(四個)，它們與流槽體22和密封墊圈38、48上的孔58-64相對應(yīng)。其中心通孔的直徑D9為0.100英寸。在端帽朝外的側(cè)面216上，形成了一個柱狀缺口212，其外徑為0.40英寸、內(nèi)徑為0.20英寸、深度為0.10英寸。因此在中心孔的周圍形成了一個環(huán)形島214，其外徑為0.20英寸。
要安裝光學窗，首先將它夾在缺口處并使其面向側(cè)面216。然后，通過膠孔218向內(nèi)注入硅膠，硅膠將穿過端帽的另一側(cè)并進入缺口212。實際上，可將膠注入一個孔，直到它從另一個孔中溢出為止。光學窗66、68的外徑比缺口的外徑稍大一些，膠沿著缺口與光學窗相接觸，從而使光學窗固定在環(huán)形島214上。當膠變干后，它將收縮并緊緊地拉住光學窗使其安全地固定在環(huán)形島214上。這種安裝技術(shù)的優(yōu)點在于，不會有外界拉力施加在光學窗上以造成機械二次折射和對位不準。但是，對這種結(jié)構(gòu)十分重要的是，必須在流槽使用過后對其進行徹底的清洗，以防止固定用的膠發(fā)生結(jié)晶并造成光學窗松脫。
現(xiàn)在參看圖4，其中畫出了一個實例V型固定件24的俯視圖、正視圖、仰視圖和側(cè)面投影圖。對本實例來說，“V”型塊由316不銹鋼精確制成。其中心131內(nèi)的兩個“V”型部分都與兩側(cè)成45度角，并且它能夠在其1.2000的外側(cè)直徑點上精確地放置流槽體的中心--該點距固定件底部的高度H1為1.570+/-0.001英寸。這里，只有“V”型塊接觸到流槽體的1.2000外側(cè)直徑處是最重要的。例如，“V”型塊的底部就不需要精確加工。
圖4A顯示了高度為H1的“V”型塊的正視圖。俯視圖4B顯示了沿著CL4和CL7的對位孔和安裝孔132(兩個)，每個對位孔和安裝孔132的直徑都為0.280英寸。通過這些孔，就可利用1/4-20內(nèi)六角螺釘將“V”型固定件24緊固在光學底座10上。四個螺絲孔134沿著CL3、CL5、CL6和CL8被鉆入0.5英寸深以用于接納#8-32螺絲。固定件的長度L9為1.90英寸，“V”型塊的長度L10為0.30英寸。固定件的寬度W1為2.70英寸，螺絲孔中心的寬度W2為2.250英寸。因此，各螺絲孔134與CL4的距離都為1.125英寸。圖4C顯示了固定件的正視圖，其長度L1為1.90英寸、高度H2為0.70英寸。在圖4D、4E和4F中顯示出一個頂部安裝條25，它可從頂部向下夾住流槽。沿CL3、CL5和CL6的兩個通孔136，其直徑都為0.177英寸，它允許螺絲穿過頂部安裝條并擰入固定件24的螺絲孔134中。頂部安裝條的尺寸為H3=0.40英寸，L12=0.30英寸，W4=0.30英寸。如圖所示，這種安裝固定件含有兩個空間分離的“V”型塊，每個塊都單獨使用一個頂部安裝條。
這種實例化的流槽和安裝設(shè)置是有好處的，因為人們發(fā)現(xiàn)，如果光學窗受力，則機械引入的二次折射將造成大量的系統(tǒng)噪聲。也就是說，組裝流槽過程中所產(chǎn)生的機械應(yīng)力會造成光束的消偏，而這也可以看作是檢測中的噪聲。通過上述說明，采用以下步驟組裝流槽可減少或消除這種二次折射問題(1)加工流槽體22，但在全部組裝步驟結(jié)束之前不要對端面進行打磨；(2)將入口管26和出口管26’卷繞在流槽體22的凹槽44中。管子的卷繞應(yīng)該沿流槽體的軸向按照人口/出口/人口/出口的交替順序進行。各管都應(yīng)整齊地緊貼流槽輪廓排列并且至少繞1.5圈。然后將各管子放入相應(yīng)的錐口孔48、50中。應(yīng)再次注意，人口在側(cè)對的平開口上，而出口則在相鄰的平開口上；(3)不銹鋼管應(yīng)被釬焊在兩個錐口孔內(nèi)并位于凹槽中的卷繞物內(nèi)。通過精確的測量，就可以避免它在釬焊期間被插入管端。釬焊完成后，組裝人員應(yīng)確認管端未被插入；(4)將一根熔石英毛細管(0.75mmID X 4mm OD)放入流槽體22，使管內(nèi)徑的中心與流槽體22的1.2000外徑的中心之間的差在+/-0.001英寸之內(nèi)。通過使用“V”型塊固定件來支撐流槽體并用絲錐鉆孔以支撐熔石英毛細管的突出端，可以較容易地完成這項工作；(5)通過將環(huán)氧樹脂壓入膠孔46直到多余的環(huán)氧樹脂從兩端滴出，并且使所有的內(nèi)部空隙都被充滿，就可以封住所有露孔并將玻璃直毛細管粘結(jié)在流槽體內(nèi)；(6)當環(huán)氧樹脂完全凝固后，對流槽體的兩端進行打磨，直到它們十分平滑并且與玻璃直毛細管的軸線相互垂直為止。而其還要使0 030的通孔與包圍在玻璃直毛細管周圍的環(huán)氧樹脂之間斷開的縫隙為0.008+/-0.004英寸。
(7)按下四個定位或?qū)ξ荒_(直徑0.125英寸，長0.5英寸)，使它們從端帽面上突出0.2英寸。對齊端帽和密封墊圈，然后用四個4#-40的螺絲將端帽固定。
其它的光學窗支持方案也曾得到過嘗試，其中就包括圖2G所示的另一種結(jié)構(gòu)。雖然這種方案有確定的優(yōu)點(如低機械二次折射)，但它沒有第一個優(yōu)選實例所述方案那么牢固。另外，此方案中，在注入硅膠并使膠處于光學窗和安裝面之間時，膠常常不能保持為正確的液體狀態(tài)，其結(jié)果將造成膠失效并導(dǎo)致流槽泄漏。在本方案中，泄漏問題--還有機械二次折射問題--都達到最小程度。
再參看圖1，其中顯示了一個第二格朗-湯普遜棱鏡80，它被作為分析器而安裝在光學底座10上的流槽20之后，棱鏡80由安裝固定件82支撐，并且與通過流槽20的光束對準。棱鏡80的通過軸與第一格朗-湯普遜棱鏡的通過軸成90度角。其結(jié)果使得只有很少的光能通過這個分析棱鏡。法拉第旋轉(zhuǎn)器振蕩旋轉(zhuǎn)的作用是將偏振面從標稱零位或最小通過率條件(當兩棱鏡互成90度時)轉(zhuǎn)移開。振蕩以頻率f進行。這種振蕩旋轉(zhuǎn)一般很小，即，小于+/-1度。還有，當與零位或最小通過率有關(guān)的對稱振蕩操作處于正常工作條件時，這種對稱性不需要被用于操作之中。
通過分析單元的光將照射在硅光檢測器84上(它位于光束直線之上)。檢測器84被安裝固定件86保持在固定位置上。因此，主光檢測器的輸出信號是以2f或兩倍于參考振蕩頻率的頻率而調(diào)制的幅度。其原因是，當法拉第旋轉(zhuǎn)器以任一方向轉(zhuǎn)動時，穿過第二格朗-湯普遜棱鏡并照射在光檢測器84上的光都會增強。光強之所以增加，是因為法拉第旋轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)動將使光束的偏振面從兩個棱鏡16和18之間的最小通過率關(guān)系中轉(zhuǎn)移開。當一個旋光性樣品通過流槽時，將產(chǎn)生另一個處于參考振蕩頻率f的調(diào)制單元(一般很小)。這個調(diào)制信號的幅度可以被探知并量化，從而說明了由樣品造成的偏振面轉(zhuǎn)動的凈轉(zhuǎn)動角。這種檢測方案已經(jīng)普遍應(yīng)用于先前工作中。
現(xiàn)在參考圖5，通過引入一個補償電路，本發(fā)明大大提高了這種檢測方案的可靠性。該電路需要放置一個第二光檢測器(與第一光檢測器類似或相同)，它用于捕獲分析棱鏡80的入射面所反射的光。這個反射光束不會因偏振的變化(由通過流槽20并影響光束偏振的旋光性樣品造成)而被調(diào)幅，它也不會法拉第旋轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)動而調(diào)制(類似于圖5A中的曲線90和幅度范圍88)。但是，此反射光束卻可被激光幅度的任何變化所調(diào)制。
圖5的框圖顯示了補償電路101及其相關(guān)的信號處理。主檢測器100的信號(類似于圖5A中的曲線92)和反射光檢測器102的信號分別送入靈敏低通濾波器104和106。在本實例中，這些濾波器都采用了運算放大器(op-amp)元件，它們首先將輸入電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，然后有效地進行信號過濾，其衰減響應(yīng)頻率為750Hz。低通濾波器可以消除較高頻率的一般噪聲，還可以衰減一些2f信號。
補償電路101還利用了連接成反相器的運算放大器108及求和反相器110，它們可將主信號反相并將反相結(jié)果與反射信號相加?？勺冸娮杵?09用于調(diào)節(jié)主信號與反射信號的平衡，從而使兩信號完全抵消。這些調(diào)節(jié)過程可由廠家來完成，其做法是，在激光輸出中引入調(diào)制并調(diào)節(jié)電阻109，直到檢測到零信號為止。這種信號的“相減”可以衰減任何由于激光束功率的波動而造成的幅度波動。由于主信號和反射信號都會受波動的影響，所以將兩信號相減就可以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的信號。這個穩(wěn)定信號將只體現(xiàn)出由于旋光性樣品通過流槽并影響光束的偏振面而形成的幅度調(diào)制。
可采用一多階陷波濾波器112作為附加裝置來進一步衰減與f信號有關(guān)的2f信號。此陷波濾波器也類似地由低成本運算放大器元件構(gòu)成。因此，從整體來看，低成本運算放大器補償電路101(由虛線表示)可被設(shè)計用來衰減由激光功率波動造成的影響，并且還可用來衰減2f頻率。
頻率為f的結(jié)果信號(類似于圖5A中的曲線94和幅度范圍96)將由一個鎖相放大器來處理，該鎖相放大器由參考振蕩器116驅(qū)動。鎖相放大器(有時也稱相敏檢波器)能夠輸出一DC電壓，該電壓與補償信號中頻率為f的信號的幅度和相位成正比。鎖相放大器具有極強的選擇性，并且主要受與參考振蕩頻率相同的信號的幅度及相位調(diào)制的影響。此參考振蕩器同時還以頻率f來驅(qū)動法拉第旋轉(zhuǎn)器118。鎖相放大器的輸出可用來驅(qū)動譜圖記錄儀或計算機化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
另一個替代實例也采用了補償電路，但是它沒有第二光檢測器102。在圖5中，它可以用清除單元102、106、108、109和110來表示。其結(jié)果是，低通濾波器104和陷波濾波器112仍可對主光檢測器信號中的2f信號進行衰減。因此，使用相對“安靜”的激光器的系統(tǒng)可以從該補償電路中受益，因為此補償電路可以衰減不需要的信號因素。
現(xiàn)在參看圖6，其中顯示了因使用補償電路而受益的一個實例。鎖相放大器的輸出的由曲線140表示，它與激光幅度142處于同一時刻。如圖所示，在時刻144，激光幅度中的波動增加并變得更不穩(wěn)定。但是，信號140中的相對噪聲電平141卻不受激光幅度輸出中尖峰145的影響。如果這種變化出現(xiàn)在信號140中，將會導(dǎo)致檢測限的下降。
所以，補償電路是很重要的，因為所有的激光都有“閃爍”噪聲或短期的幅度變化。目前．很難制作或購買到“閃爍”噪聲小于0.1％的激光器。鎖相放大器(相敏檢波器)的輸出對“閃爍”噪聲十分敏感。為了使系統(tǒng)噪聲低于幾百個微度的旋度，則“閃爍”噪聲必須好于0.05％，或者必須使用一些補償裝置。這種補償?shù)霓k法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于激光技術(shù)上。本發(fā)明揭示了一種技術(shù)，它能夠消除信號中的“閃爍”噪聲。其優(yōu)點在于，例如，降低了成本和復(fù)雜性。
綜上所述，隨著旋光性樣品通過流槽，鎖相放大器的輸出將根據(jù)樣品所造成的偏振面旋轉(zhuǎn)的方向和量度，向正方向或負方向偏離標稱溶劑的基線。鎖相放大器的輸出所漂移的方向和量度與由樣品造成的旋光成正比。據(jù)此，手性化合物的狀態(tài)和/或總量和/或凈旋光度就可被檢測出來。如上所述，這種穩(wěn)定且靈敏的檢測器可用于分析性應(yīng)用、制備性應(yīng)用或過程控制應(yīng)用。還有可能用旋光性溶劑來檢測由于樣品沒有旋光性而造成的旋光減少。建議其它的分析或處理方案也采用它們作為當前應(yīng)用。
圖7是上述系統(tǒng)輸出的一個實例。其中，蜜三糖(R)和果糖(F)被稀釋至濃度為0.1毫克/毫升并被直接注入流槽之前的溶劑流(無萃取塔)。在長度為2厘米、濃度為0.1毫克/毫升的情況下，蜜三糖的旋光度為+526,000微度，而果糖則為-447,500微度。其相應(yīng)峰值被標注為R和F?，F(xiàn)注入比例為50∶50的兩種液體的混合液，并將其峰值標注為R+F。如圖所示，其結(jié)果峰值等于凈旋光度526,000-447,500=78,500微度。另外，激光幅度的波動(圖中用160表示)不會過分地影響本系統(tǒng)的輸出。因此，本發(fā)明所述的系統(tǒng)不但具有較低的噪聲電平，而且還有更加靈敏的檢測限。該圖表的速度=1cm/min，而且檢測器使用了可注入20毫升液體的20毫升流槽。鎖相放大器的輸出在圖中用162來表示，其對應(yīng)的激光幅度為160。
實際上，鎖相放大器的輸出經(jīng)常與質(zhì)量檢測器(如吸收檢測器)一起使用，當測得質(zhì)量和凈旋光度之后，就可計算出對映結(jié)構(gòu)比。如上所述，不精確的比例有可能在藥物和醫(yī)學應(yīng)用中造成災(zāi)難性的后果。
很明顯，盡管對本發(fā)明所做的說明是以確定的形式而進行的，但本發(fā)明并不僅限于本文所述的特定形式或結(jié)構(gòu)。熟練人員應(yīng)該懂得，各種對本發(fā)明所作的修改都不會脫離它的精神，而且本發(fā)明也決不僅限于本說明書及附圖所述的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1．一種改進型旋光度檢測器，其光學底座上固定安裝并對準有多個元件，上述元件的特征在于包括(ⅰ)一激光光源系統(tǒng)和用于產(chǎn)生近高斯激光束的裝置；(ⅱ)一第一偏振裝置，它可將上述激光束的線性偏振比至少提高1000∶1；(ⅲ)一法拉第旋轉(zhuǎn)器，它可改變上述光束的偏振狀態(tài)，上述旋轉(zhuǎn)器被一交變電流源、或參考振蕩器以頻率f驅(qū)動；(ⅳ)一流槽，它可使展開劑和樣品流過上述線性偏振光束；(ⅴ)一第二偏振裝置，它與上述第一偏振裝置可使偏振光通過的方向成90度角，上述第二偏振裝置的特征在于，它可衰減通過其本身的大部分偏振激光束；(ⅵ)一光檢測器，它可對含有幅度調(diào)制光(從上述第二偏振裝置出射)的信號進行檢測；(ⅶ)一補償電路裝置，它可產(chǎn)生一補償信號以衰減頻率不為f的信號；以及(ⅷ)一個被上述f頻率振蕩器驅(qū)動的相敏檢波器(或鎖相放大器)，它可讀出頻率為f的補償信號的幅度調(diào)制。
2．如權(quán)利要求1所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述補償電路裝置用于濾除頻率不為f的干擾和噪聲，上述電路包括用于過濾上述光檢測器信號的低通濾波器和陷波濾波器。
3．如權(quán)利要求1所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述檢測器還包括一第二光檢測器，它直接面向從上述第二偏振裝置的入射面反射回來的光。而上述補償電路裝置則用于從激光光源中減去幅度波動并濾除頻率不為f的干擾和噪聲，此電路的特征在于包括(ⅰ)至少一個可對上述第一和第二光檢測器信號進行濾波的低通濾波器；(ⅱ)一求和裝置，它可對上述第一和第二光檢測器信號進行相減運算；以及(ⅲ)至少一個用于從結(jié)果中濾除不需要的信號元素的陷波濾波器。
4．如權(quán)利要求3所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述補償電路裝置由運算放大器組成，該運算放大器被設(shè)置成可以過濾并處理上述光檢測器信號。
5．如權(quán)利要求4所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述補償電路還包括至少一個可變電阻器件，該器件允許對上述第一和第二光檢測器信號所做的相減操作進行平衡控制。
6．如權(quán)利要求1所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述激光系統(tǒng)含有一個激光二極管，而且上述用于產(chǎn)生近高斯激光束的方法，其特征在于它使激光束通過了一根光纖。
7．如權(quán)利要求1所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述激光系統(tǒng)含有一個激光二極管，而且上述用于產(chǎn)生近高斯激光束的方法，其特征在于包括在密封窗下、激光二極管的出射孔處安裝一柱狀透鏡。
8．如權(quán)利要求1所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述流槽包括一含有中心凹槽的流槽體；卷繞在上述流槽體中上述凹槽內(nèi)的入口管和出口管；一對密封墊圈；一對光學窗；一對端帽，每個端帽上都有安裝孔和對位孔，它還帶有用于將上述端帽和各流槽體端密封連接的附件裝置。
9．如權(quán)利要求8所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述流槽利用一熔石英管穿過其軸線中心，上述管采用一毛細管作為其主腔體，而且上述毛細管的尺寸充分大于光束，從而使得上述光束的散射以及由此造成的消偏達到最?。?br> 10．如權(quán)利要求8所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述流槽經(jīng)組裝而成，而且其上安裝有被上述端帽固定的上述述光學窗，從而使機械引入的二次折射達到最小。
11．如權(quán)利要求8所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述端帽含有一個四周都為缺口的中心環(huán)形島，而上述光學窗被夾在上述端帽內(nèi)并被注入上述缺口的膠所固定，上述夾子在上述膠凝固后將被移走。
12．如權(quán)利要求8所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述入口管和出口管卷繞在上述流槽體上，從而使流槽的溫度變化率達到最小。
13．如權(quán)利要求1所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述法拉第旋轉(zhuǎn)器使用了一根鋱鎵Garnet(TGG)棒。
14．如權(quán)利要求1所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述用于精確安裝固定流槽的固定件包括一“V”型塊固定件(它可在一界面上支撐上述柱狀流槽)和一頂部安裝條(它與上述固定件相連接并可將上述流槽保持在固定位置)，通過對上述“V”型塊和上述流槽之間接觸面的加工，使得對流槽的移動和更換不需要與上述各檢測器元件重新對位。
15．一種改進型旋光度檢測器，其特征在于包括一激光二極管光源系統(tǒng)；一第一偏振裝置，它用于提高上述激光束的線性偏振比；一法拉第旋轉(zhuǎn)器；一流槽；一第二偏振裝置，它與上述第一偏振裝置可使偏振光通過的方向成90度角，上述第二偏振裝置的特征在于，它可衰減通過其本身的大部分偏振激光束；一光檢測器，它可對含有幅度調(diào)制光(從上述第二偏振裝置出射)的信號進行檢測；一個被上述f頻率振蕩器驅(qū)動的相敏檢波器(或鎖相放大器)，它可讀出頻率為f的信號；其改進包括(ⅰ)一與激光二極管相連接的裝置，它用于產(chǎn)生近高斯光束；(ⅱ)一柱狀流槽裝置，其結(jié)構(gòu)可使機械二次折射和光的像散達到最??；(ⅲ)一經(jīng)過加工的“V”型塊，它用于使上述柱狀流槽精確對位；(ⅳ)一第二光檢測器，它用于檢測含有從上述第二偏振裝置的入射面反射回來的光的信號；(ⅴ)補償電路裝置，它可產(chǎn)生一補償信號以衰減頻率不為f的干擾和噪聲；
16．如權(quán)利要求15所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述補償電路裝置包括(ⅰ)至少一個可對上述第一和第二光檢測器信號進行濾波的低通濾波器；(ⅱ)一求和裝置，它可對上述第一和第二光檢測器信號進行相減運算；以及(ⅲ)至少一個用于從求和結(jié)果中濾除不需要的信號元素的陷波濾波器。
17．一種改進型旋光度檢測器，其光學底座上固定安裝并對準有多個元件，上述元件的特征在于包括(ⅰ)一激光光源系統(tǒng)和用于產(chǎn)生近高斯激光束的裝置；(ⅱ)一第一偏振裝置，它可將上述激光束的線性偏振比至少提高1000∶1；(ⅲ)一法拉第旋轉(zhuǎn)器，它可改變上述光束的偏振狀態(tài)，上述旋轉(zhuǎn)器被一交變電流源、或參考振蕩器以頻率f驅(qū)動；(ⅳ)一可替換的柱狀流槽裝置，它被精確安裝在固定件上，上述流槽可使展開劑和樣品流過上述線性偏振光束，上述流槽利用一熔石英管穿過其軸線中心，上述管采用一毛細管作為其主腔體，而且上述毛細管的尺寸充分大于光束，從而使得上述光束的散射以及由此造成的消偏達到最小；(ⅴ)一第二偏振裝置，它與上述第一偏振裝置可使偏振光通過的方向成90度角，上述第二偏振裝置的特征在于，它可衰減通過其本身的大部分偏振激光束；(ⅵ)一檢測器裝置，它用于檢測通過上述第二偏振裝置的光束；以及(ⅴ)一補償裝置，它用于處理上述檢測信號。
18．如權(quán)利要求17所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述檢測器含有一個光檢測器，而且上述補償裝置含有用于從上述檢測信號中濾除不需要的元素的電路。
19．如權(quán)利要求18所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述檢測器裝置包括一個第一和第二光檢測器，上述補償裝置包括用于從上述檢測信號中濾除不需要的元素的電路，以及用于從上述第二信號中減去上述光檢測器第一信號的電路。
20．如權(quán)利要求1所述的改進型旋光度檢測器，其特征在于上述各元件被牢固安裝并經(jīng)過預(yù)先對位，從而使此系統(tǒng)能夠在啟動后約一小時內(nèi)進行樣品檢測工作。
全文摘要
一種用于對樣品溶液中旋光性分子化合物進行檢測的改進型旋光度檢測器包括:一激光二極管(12)并且利用一根光纖或透鏡(14)來提高激光光束的質(zhì)量,一頻率為f的參考振蕩器(18),一第一偏振器(16),一特制的流槽(20),它可使其光學窗中的機械二次折射和泄漏達到最小,一第二偏振器(80)以及一經(jīng)改進的檢測裝置(84)。該檢測裝置包括一個用于讀出第一和第二信號的第一及第二光檢測器,其中第一信號與通過第二偏振器的光相關(guān),而第二信號則與第二偏振器的反射光相關(guān)。一補償電路可對兩信號進行低通濾波處理,它能將其中一個信號反相,并將此反相信號與另一個信號相加,然后它將對不需要的信號元素進行陷波處理以產(chǎn)生經(jīng)補償后的信號。該經(jīng)補償后的信號將與參考振蕩器一起驅(qū)動鎖相放大器,以讀出頻率為f的幅度調(diào)制信號。這個經(jīng)補償后的信號可以說明了樣品的旋光度,并且還不受激光功率波動的影響。
文檔編號G01N21/05GK1209873SQ97191902
公開日1999年3月3日 申請日期1997年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月31日
發(fā)明者加里W·亞尼克 申請人:加里W·亞尼克