專利名稱：用于確定懸浮顆粒的絕對(duì)數(shù)目密度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定顆粒數(shù)目的方法和裝置，尤其涉及利用光散射測(cè)量來(lái)確定溶液中顆粒數(shù)目密度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
確定液體懸浮液中絕對(duì)的顆粒數(shù)目對(duì)于許多類型的基于顆粒的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是一個(gè)重要的要求。在醫(yī)藥領(lǐng)域，例如，諸如脂質(zhì)體、微膠囊、病毒和乳狀液的顆粒常常被用于結(jié)合藥品或試劑的釋放。這些顆粒藥物在治療上的益處依賴于對(duì)正在釋放的藥物的量的預(yù)先了解，這就要求精確測(cè)量傳送給病人的單位體積的顆粒數(shù)目。
對(duì)于病毒載體，例如被設(shè)計(jì)用于將異源基因?qū)肽繕?biāo)細(xì)胞的遺傳工程細(xì)小病毒衣殼和病毒，Rabinowitz等在他們的美國(guó)專利第6,491,907號(hào)中有所描述，需要顆粒數(shù)目來(lái)定量地確定傳送的異源基因的量。發(fā)明者討論了各種各樣的可獲得精確顆粒數(shù)的技術(shù)。在他們的美國(guó)專利第6,447,995中，Carrion等使用腺病毒技術(shù)的特征熒光發(fā)射來(lái)估計(jì)它的數(shù)目密度。Bankiewicz等在他們的美國(guó)專利第6,309,634號(hào)中進(jìn)一步討論了重組腺病毒相關(guān)病毒(rAAV)病毒顆粒數(shù)目測(cè)量的重要性，Hutchins等在他們的美國(guó)專利第6,248,514號(hào)中指出，“...通過(guò)例如病毒制備物的電子顯微鏡方法等技術(shù)來(lái)測(cè)量總顆粒，或通過(guò)用十二烷基磺酸鈉(SDS)處理的病毒懸浮液在260nm處的光密度來(lái)測(cè)量總DNA...”。這些技術(shù)是費(fèi)力費(fèi)時(shí)的，并且其精確性仍有問(wèn)題。
在靜電復(fù)印過(guò)程中使用的調(diào)色劑的質(zhì)量和性能依賴于存在的數(shù)目分布，即不同大小的顆粒的數(shù)目密度，例如Kuroda等在他們的美國(guó)專利第6,395,443中所討論的那樣。
半導(dǎo)體制造者使用各種各樣的微小顆粒，尤其是聚苯乙烯乳液球，來(lái)校準(zhǔn)他們的晶片校驗(yàn)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括用于Tencor，KLA Surfscan，Estek，ADE，Aeronca的快速檢驗(yàn)乳液球校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)(Quick Check LatexSphere Calibration Standards)及其它。對(duì)于這些校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，重要的是，要很好地表征粘附到晶片上的樣品。不但應(yīng)該很好地確定顆粒大小和尺寸分布，而且也應(yīng)該知道在沉積設(shè)備中使用的每毫升溶液中這樣的顆粒的絕對(duì)數(shù)目。
遺憾地是，確定絕對(duì)顆粒數(shù)和分布一直是困難且費(fèi)時(shí)的工作。已經(jīng)在很長(zhǎng)時(shí)間認(rèn)識(shí)到了需要能夠確定這些數(shù)量的快速裝置，即使這種定量具有適當(dāng)?shù)牡途_性。本發(fā)明提供了達(dá)到這種效果的裝置和方法。
對(duì)于單分散性的均勻球型顆粒這種最簡(jiǎn)單的情形，本發(fā)明的目的是提供用于提供顆粒大小和數(shù)目密度的準(zhǔn)確測(cè)量的裝置。本發(fā)明的另一目的是提供可以用以類似地表征基本的球型結(jié)構(gòu)的裝置。
對(duì)于可能不是單分散性的顆粒樣品情形，本發(fā)明的另一目的是提供裝置，利用該裝置，在樣品按尺寸分級(jí)為各組之后，可以對(duì)它們進(jìn)行定量，表示為它們的絕對(duì)數(shù)目密度分布。
對(duì)于不是一般的球形的顆粒，本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供指導(dǎo)，通過(guò)這些指導(dǎo)，可以對(duì)絕對(duì)顆粒數(shù)密度進(jìn)行合理的估計(jì)。
對(duì)于所有本發(fā)明的應(yīng)用和目的，本發(fā)明特別地用于液體懸浮液中的尺寸在10到1000nm范圍的顆粒。自然地，許多這樣的懸浮物會(huì)隨后呈煙霧狀散開(kāi)，它們?cè)谳d流體中的數(shù)目密度的預(yù)先測(cè)量將為繼霧化后的空運(yùn)(airborne)的數(shù)目密度的確定提供基礎(chǔ)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1顯示了絕對(duì)光度計(jì)(absolute photometer)的關(guān)鍵元件，該絕對(duì)光度計(jì)測(cè)量由被照射的小體積元件散射進(jìn)入檢測(cè)器的光。
圖2示出了典型檢測(cè)器的一些關(guān)鍵元件。
圖3顯示了用于計(jì)算逾量瑞利比(excess Rayleigh ratio)的檢測(cè)器元件及樣品的幾何結(jié)構(gòu)。
圖4表示了61nm和100nm的聚苯乙烯球體混合物在AsFFF分離后于90度方向上的690nm光散射強(qiáng)度。
圖5顯示了用于計(jì)算絕對(duì)數(shù)目密度(absolute number densites)的圖4的局部放大圖。
發(fā)明概述為了說(shuō)明本發(fā)明方法，假設(shè)其絕對(duì)數(shù)目密度需要被了解的懸浮顆粒是均勻的球體。用以確定所述懸浮顆粒的絕對(duì)數(shù)目密度的方法含有光度測(cè)定過(guò)程，該過(guò)程利用能直接測(cè)定來(lái)自被照射樣品的逾量瑞利比的絕對(duì)光度計(jì)。由這樣的測(cè)定，確定懸浮顆粒的平均直徑。對(duì)單分散性的懸浮液，制備被充分稀釋的樣品，可以避免可能減弱散射信號(hào)的多散射。然后把此稀釋的樣品放入所述的絕對(duì)光散射光度計(jì)中，在此，使一細(xì)光束穿過(guò)并照射所述稀釋樣品的小塊區(qū)域。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，該光束垂直于散射平面偏振，并由在單一波長(zhǎng)工作的激光器提供。被照射的樣品被很好地校準(zhǔn)的檢測(cè)器陣列包圍，該陣列一般放在包括該入射光束在內(nèi)的所述散射平面內(nèi)，其中每一個(gè)檢測(cè)器定位成在相對(duì)于入射光束方向成不同角度的方向上接收散射光。假定這些顆粒是單分散性的，應(yīng)用它們相對(duì)于液體折射率的折射率，由通過(guò)所述絕對(duì)光散射光度計(jì)完成的多角光散射測(cè)量，計(jì)算出平均顆粒尺寸(mean particle size)。
從計(jì)算出的尺寸和提供的折射率，通過(guò)Lorenz-Mie理論計(jì)算出對(duì)應(yīng)的單顆粒微分散射強(qiáng)度(single particle differential scattered intensity)。然后，在所選擇的角度θ處測(cè)量的逾量瑞利比R(θ)乘以k2，再除以通過(guò)Lorenz-Mie理論計(jì)算的在相同散射角處的對(duì)應(yīng)微分散射強(qiáng)度，便能立即計(jì)算出數(shù)目密度。這里k＝2πn0/λ0，n0是懸浮流體的折射率，λ0是入射光在真空中的波長(zhǎng)。該逾量瑞利比當(dāng)然也就是存在于散射體積內(nèi)的全部顆粒的微分散射強(qiáng)度的總和。
如果顆粒不是單分散性的，但仍是球型且已知折射率的，那么必須首先通過(guò)諸如交叉流場(chǎng)流動(dòng)分級(jí)器(cross flow field flow fractionator)的裝置對(duì)它們進(jìn)行分離。然后，每個(gè)分離的洗脫級(jí)分(eluting fraction)被認(rèn)為是單分散性的，它的尺寸和絕對(duì)數(shù)目密度可如上述推得。
對(duì)于任意形狀顆粒的更一般情形，必須首先對(duì)這些顆粒進(jìn)行分級(jí)，對(duì)每一洗脫級(jí)分估計(jì)出它們的尺寸?？梢詰?yīng)用各種各樣的模型，由這些以及顆粒平均折射率的估計(jì)，計(jì)算出在所選擇的角度處的微分散射強(qiáng)度值，并推出相應(yīng)的尺寸和絕對(duì)數(shù)目密度，如上所述。
盡管在任意選擇的角度，測(cè)量出的逾量瑞利比乘以k2，再除以計(jì)算出的微分散射強(qiáng)度，都可以得到絕對(duì)數(shù)目密度，但是，通過(guò)在多個(gè)散射角處計(jì)算數(shù)目密度，然后對(duì)結(jié)果求平均，可以得到更精確的結(jié)果，改善該測(cè)量的精度。
發(fā)明詳述參考均勻球形顆粒的單分散性含水懸浮液很容易理解本發(fā)明。盡管它們簡(jiǎn)單，但是這樣的樣品屬于需要確定絕對(duì)顆粒數(shù)密度的最普遍和最重要的例子。這些樣品的例子包括熟悉的諸如Palo Alto，CA的Duke Scientific Corporation和日本東京的JSR Corporation制造的聚苯乙烯乳液，或PSL球。這樣的PSL樣品標(biāo)注了它們的平均尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。一般地，對(duì)于其直徑在1000nm以下的顆粒，每毫升溶液中PSL球的質(zhì)量以％表示，即1％表示每毫升(ml)溶液中的1克(gm)PSL球。因此，存在于每毫升溶液中的實(shí)際數(shù)目密度的計(jì)算需要預(yù)先了解平均顆粒尺寸、PSL質(zhì)量密度，即大約1.05、以及表示每毫升液體所含PSL克數(shù)的PSL百分比。
上面提到的計(jì)算是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，然而推出的值依賴于提供的這三個(gè)量的精確性。計(jì)算出的數(shù)目密度中的相對(duì)分?jǐn)?shù)誤差(relative fractionerror)，ΔN/N，是給定的顆粒尺寸的相對(duì)分?jǐn)?shù)誤差的三倍。因此，已存在的2％的尺寸誤差將導(dǎo)致計(jì)算出的數(shù)目密度出現(xiàn)6％的誤差。提供的顆粒特定重力中的誤差也導(dǎo)致計(jì)算出的數(shù)目密度產(chǎn)生誤差，即PSL顆粒的特定重力的2％誤差將導(dǎo)致得出的絕對(duì)數(shù)目密度產(chǎn)生2％誤差。如果蒸發(fā)已經(jīng)出現(xiàn)或隨時(shí)間逐漸出現(xiàn)，則甚至每毫升的質(zhì)量數(shù)也會(huì)含有一些誤差。樣品的多分散性可能并不被精確地了解，這增加了可能的誤差。
使用絕對(duì)光散射光度計(jì)(absolute light scattering photometer)，在無(wú)須知道顆粒相對(duì)于懸浮流體的特定重力的情況下直接確定顆粒數(shù)成為可能。然而，為了計(jì)算顆粒的數(shù)目密度，必須能夠計(jì)算顆粒的微分散射強(qiáng)度，這又需要預(yù)先知道該顆粒的折射率。
如圖1所示意，一個(gè)絕對(duì)光散射光度計(jì)含有樣品盛放池1，產(chǎn)生細(xì)光束3的光源2，以及在散射角θ范圍內(nèi)放置的檢測(cè)器陣列4。這樣的儀器的優(yōu)選構(gòu)造包括檢測(cè)器被限制在沿圓形路徑5的平面內(nèi)，樣品被放置在所述路徑的中心，入射光束沿直線方向。該儀器被校準(zhǔn)(calibrated)并標(biāo)準(zhǔn)化(normalized)，以便各檢測(cè)器測(cè)量所謂的瑞利比R(θ)，θ是它相對(duì)于入射光束方向的對(duì)應(yīng)角度。圖2顯示了檢測(cè)器4的關(guān)鍵元件。這包括瞄準(zhǔn)裝置6和在7上的小塊檢測(cè)區(qū)域ΔA以及電接線8。檢測(cè)器自身可以是光敏二極管，光電倍增器，各種各樣的光二極管陣列，以及雪崩光敏二極管和其它光敏元件。
圖3顯示了用以確定在散射角θ上的瑞利比R(θ)的關(guān)鍵元件。僅僅是從在9處的被照射體積Δv散射到方向θ且被限定到立體角10內(nèi)的光能夠到達(dá)檢測(cè)器區(qū)域7。立體角10，ΔΩ，是由7處的面積ΔA以及到散射源9的距離r確定，即ΔΩ＝ΔA/r2。在散射光源體積Δv9處看到的ΔA是被示于6處的瞄準(zhǔn)裝置限制。瑞利比R(θ)被定義為單位入射光強(qiáng)度單位體積對(duì)應(yīng)的從在9處的散射源出來(lái)進(jìn)入立體角ΔΩ中照射到檢測(cè)區(qū)域7的光強(qiáng)度，所有這些量限定為ΔΩ，ΔA和Δv→0。對(duì)該測(cè)量作出貢獻(xiàn)的總體積9，Δv是由檢測(cè)器的視場(chǎng)確定，該視場(chǎng)限制了其散射光被檢測(cè)器截取的被照射樣品的體積Δv。懸浮的散射顆粒的性質(zhì)的確定要求所測(cè)量的瑞利比是除了由懸浮流體散射的光之外的逾量瑞利比。因此，測(cè)量到的瑞利比被校正以從中扣去懸浮流體的相應(yīng)的散射貢獻(xiàn)。這樣，如果溶液在角θi的瑞利比是Rs(θi)，懸浮流體的相應(yīng)的瑞利比是Rf(θi)，那么逾量瑞利比被定義為R(θi)＝Rs(θi)-Rf(θi)。在此，對(duì)所有后續(xù)討論均要求這些逾量瑞利比。
例如，Kerker的書“The scattering of light”1963年Academic Pressof New York出版，已經(jīng)指出在由傳統(tǒng)的極角θ和表示的方向上被偏振的來(lái)自單一球形顆粒的散射光強(qiáng)度可由下面的表達(dá)式給出 這里，k＝2πn0/λ0，λ0是真空中入射輻射的波長(zhǎng)，I0是入射光強(qiáng)，r是到檢測(cè)器的距離，n0是懸浮介質(zhì)的折射率。對(duì)于在θ面內(nèi)進(jìn)行的測(cè)量，當(dāng)入射光垂直于該平面偏振時(shí)(＝π/2)， 這里i1(θ)被稱為微分散射強(qiáng)度，或簡(jiǎn)單地稱為單顆粒散射函數(shù)。它對(duì)折射率和散射顆粒的半徑以及散射角θ的復(fù)雜依賴關(guān)系也在Kerker的原文以及許多其它文章和光學(xué)教材中給出。類似地，散射函數(shù)i2(θ)是同等復(fù)雜的函數(shù)，它描述了入射光平行于該散射平面偏振時(shí)其隨θ的變化。
現(xiàn)在考慮圖3所示的位于角度θ上與微小散射體積Δv的距離為r的檢測(cè)器，Δv的每單位體積含有N個(gè)相同的顆粒。對(duì)于垂直偏振的入射光，檢測(cè)器在角度θ檢測(cè)到的散射強(qiáng)度則是I1=I0NΔv(kr)2i1(θ)---(2)]]>等式(2)可以用瑞利比來(lái)表達(dá)，瑞利比如上定義，是單位強(qiáng)度的入射光照射到單位體積上，于θ方向進(jìn)入立體角的散射光在與檢測(cè)器對(duì)向的單位球面度上的強(qiáng)度，即I1r2I0Δv=R(θ)=Ni1(θ)/k2---(3)]]>一旦確定了被照射的體積Δv中相同顆粒的半徑α和折射率n，就可以用如Kerker描述的Lorenz-Mie理論來(lái)計(jì)算相應(yīng)的單顆粒微分散射強(qiáng)度，i1(θ)。對(duì)應(yīng)于極小的被照射體積單元Δv的逾量瑞利比被測(cè)量出，便可從N=k2R(θ)i1(θ)---(4)]]>立即計(jì)算單位體積的顆粒數(shù)N。
如早先的討論，等式(4)表示的數(shù)目密度確定可以在任意可測(cè)量的角度θ計(jì)算。在MALS測(cè)量中，在整個(gè)所選擇的角度范圍內(nèi)進(jìn)行平均，可以改善該測(cè)量的精度。由于各逾量瑞利比的精度和標(biāo)準(zhǔn)差(standarddeviation)可以如Shortt在他的美國(guó)專利第5,528,366號(hào)所討論的那樣進(jìn)行計(jì)算，因此對(duì)所有測(cè)量角的加權(quán)平均(weighted average)很容易完成。為了確定等式(4)的數(shù)目密度所需要進(jìn)行的測(cè)量可以通過(guò)諸如Santa Barbara，CA的Wyatt技術(shù)公司制造的DAWN-EOS光散射光度計(jì)很容易地進(jìn)行。基于Lorenz-Mie理論的計(jì)算可以通過(guò)由制造商提供的相關(guān)的ASTRA軟件很容易地實(shí)施。大量其它的Lorenz-Mie軟件包源可以很容易找到。紐約的Wiley & Sons于1983年出版的由C.F.Bohren和D.R.Huffman編寫的教材“Absorption and scattering of light by smallparticles”，含有針對(duì)均勻的有涂層的球的用FORTRAN編寫的各種源碼表。雖然散射光的總量依賴于顆粒折射率，但是隨角度的測(cè)量變化產(chǎn)生的顆粒尺寸很少依賴于顆粒折射率。然而，最精確的數(shù)目密度結(jié)果將從精確的折射率值獲得。
該技術(shù)的最簡(jiǎn)單應(yīng)用提出，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，入射輻射選擇為偏振化方向垂直于測(cè)量平面的單色光。入射光波的其它偏振也可以被應(yīng)用，包括非偏振的、圓偏振的，以及橢圓偏振的變化然而，對(duì)這一優(yōu)選實(shí)施方案，數(shù)據(jù)的分析解釋最容易完成。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，用于這些測(cè)量的光束由激光產(chǎn)生，盡管其它類型的光源，例如帶有適當(dāng)校準(zhǔn)光學(xué)器件和波長(zhǎng)濾波器的Hg和Na放電燈，也可適用于各種各樣的應(yīng)用。
上面已經(jīng)描述了均勻的單分散性的球的數(shù)目密度的確定。但還有許多其它類型的顆粒的數(shù)目密度也需要確定。的確，許多這樣的顆粒和它們的懸浮液可能并沒(méi)有關(guān)于它們的尺寸或形狀的預(yù)先信息可獲得。對(duì)于其形狀已知并且規(guī)則的顆粒，例如，棒狀、圓盤狀、橢圓體等顆粒，有許多手段可以解決該問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，重要的是，要認(rèn)識(shí)到需要測(cè)量單分散性分布。因此，在進(jìn)行這樣的數(shù)目密度計(jì)算之前，應(yīng)該對(duì)其尺寸范圍不是很窄的樣品進(jìn)行分級(jí)(fractioned)。對(duì)可能顯現(xiàn)出各向異性組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可能必要的是，將一些檢測(cè)器放在常規(guī)測(cè)量平面的外面和/或?qū)⑵穹治銎靼惭b在一些檢測(cè)器上以提供這些所謂的散射矩陣元件的測(cè)量，例如，由C.F.Bohren和D.R.Huffman在上面引用的他們的教材中討論的。這些額外的散射性質(zhì)提供了額外的信息，依據(jù)這些信息，諸如各向異性結(jié)構(gòu)的顆粒物理性質(zhì)可以較容易地被表征。
如果顆粒結(jié)構(gòu)是規(guī)則的，可以使用復(fù)雜的分析程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量來(lái)對(duì)它的平均尺寸進(jìn)行分類，該程序最初由V.Erma于1968年開(kāi)發(fā)，發(fā)表在Physical Review，173卷1243到1257頁(yè)和176卷1544到1553頁(yè)。作為選擇，可以假定顆粒是球形的，并基于“最佳擬合(best fit)”推出平均半徑密度。另外，對(duì)于這樣的近似，做近乎于均勻的尺寸分布測(cè)量和預(yù)先知道該顆粒的平均折射率是必需的。另一種方法包括假定該顆粒滿足所謂的Rayleigh-Gans-Debye或RGD近似的應(yīng)用條件，這在前面提交的參考文本中已由Kerker以及Bohren和Huffman詳細(xì)討論過(guò)。在這種情況下，可以得到均方半徑，<rg2>，這可以方便地與散射顆粒的已知結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。因此，對(duì)于半徑為α的均勻球，則有a2=35<rg2>.]]>不過(guò)，為了進(jìn)行由等式(4)表示的這種計(jì)算，仍然需要折射率。
對(duì)于其折射率接近于懸浮流體折射率的顆粒，即m-1＜＜1，這里m＝n/n0，n是顆粒的折射率，可以使用簡(jiǎn)化的理論或近似，即所謂的Rayleigh-Gans-Debye或RGD近似。在這一近似中，微分散射強(qiáng)度對(duì)顆粒折射率和尺寸的依賴關(guān)系按(m-1)2V2變化，這里V是它的體積。對(duì)于RGD近似能夠支持的各種顆粒，可以看到這種依賴性。例如，對(duì)于小的、隨機(jī)取向的半徑為α和長(zhǎng)度為l的細(xì)桿狀顆粒，有i1(θ)=k6V2(m-1)22π2[12Si(2z)-(sinzz)2]---(5)]]>這里V＝πa2l，z＝klsin(θ/2)，Si(x)是x的正弦積分。我們可以使用測(cè)出的逾量瑞利比來(lái)導(dǎo)出<rg2>，并從關(guān)系式<rg2>=l212]]>(l＞＞α?xí)r)，確定密度分布。類似的方法用于諸如球形、圓盤和橢圓的其它形式。然而，應(yīng)當(dāng)注意到，微分散射強(qiáng)度直接依賴于散射顆粒的折射率和它們的尺寸。受限于作為RGD近似的基礎(chǔ)的有效性標(biāo)準(zhǔn)，這些值實(shí)際可能具有的范圍是非常有限的，并且必須非常謹(jǐn)慎地解釋來(lái)自這樣顆粒的一個(gè)整體的光散射信號(hào)。
一些顆?？赡芫哂薪殡娊Y(jié)構(gòu)，其表現(xiàn)出如帶涂層球的球形結(jié)構(gòu)或類似的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的每個(gè)顆粒的微分散射強(qiáng)度的計(jì)算，類似于等式(4)的i1(θ)的函數(shù)，則更復(fù)雜，這在Wyatt的論文中有詳細(xì)的描述，該論文發(fā)表在Physical Review雜志第127卷，1837頁(yè)及其后續(xù)頁(yè)。這篇文章的勘誤表列在1964年的134卷，AB1頁(yè)中。
現(xiàn)在我們回到多分散性顆粒樣品的主題。如前面的討論，為了得到數(shù)目分?jǐn)?shù)分布，樣品必須首先被分級(jí)。一旦被分級(jí)，然后就對(duì)被認(rèn)為是單分散性的每一洗脫級(jí)分或小份(slice)進(jìn)行分析，來(lái)確定它的顆粒密度。由此計(jì)算出該顆粒的微分?jǐn)?shù)目分?jǐn)?shù)分布(the particle differentialnumber fraction distribution)。我們可以將第j小份中的顆粒數(shù)目Γj表示為Γj=NjΔvj=k2Rj(θ)i1j(θ)Δvj---(6)]]>這里，Rj(θ)是該小份的逾量瑞利比，Δvj是該小份的洗脫流體體積。注意，現(xiàn)在必須確定的是在每一小份j的微分散射強(qiáng)度，如增加到i1(θ)上的角標(biāo)j所表示的。換句話說(shuō)，我們必須計(jì)算對(duì)應(yīng)于每一小份中認(rèn)為是單分散性的顆粒的正確尺寸。再者，在第j小份的Nj可以從在任意角θ處的測(cè)量計(jì)算出。更精確地，在被測(cè)量的角度范圍內(nèi)進(jìn)行加權(quán)平均，可以將所有的角度測(cè)定組合起來(lái)，如較早所討論的。假定被注射的樣品在分離后又已經(jīng)完全恢復(fù)，則可以通過(guò)將等式(6)的單個(gè)分布加合起來(lái)，計(jì)算出在該注射體積Vinj中的顆?？倲?shù)。如果每一采集間隔是相同的，為Δv，那么所有被采集的分級(jí)的尺寸的顆?？倲?shù)目Γ是Γ=ΣjΓj=ΣjNjΔvj=Σjk2Rj(θ)i1(θ)Δvj=ΔvjΣjk2Rj(θ)i1(θ)---(7)]]>被注射的樣品的總顆粒數(shù)目密度則是Γ/Vinj=ΔvjVinjΣjk2Rj(θ)i1(θ)---(8)]]>然后每個(gè)小份的微分?jǐn)?shù)目分?jǐn)?shù)(differential number fraction)可由比率Γi/Γ直接算出。
一旦一個(gè)單分散性的樣品已經(jīng)被確定，那么本發(fā)明方法包括六個(gè)步驟1)標(biāo)準(zhǔn)化并校準(zhǔn)光散射光度計(jì)，以便它能在多個(gè)散射角測(cè)量從起作用的照射體積散射到相應(yīng)方向上的光的瑞利比；2)從測(cè)到的瑞利比中減去在相同散射角處的懸浮流體瑞利比，得到逾量瑞利比；3)選擇一個(gè)模型來(lái)描述散射顆粒；4)由在多個(gè)散射角處測(cè)量到的逾量瑞利比以及所選擇的顆粒模型，確定懸浮顆粒的有效尺寸；5)從推出的懸浮顆粒尺寸、選擇的單個(gè)散射顆粒模型、以及顆粒的折射率，計(jì)算出單個(gè)顆粒在其逾量瑞利比已經(jīng)被測(cè)量的每一散射角處的微分散射強(qiáng)度；和6)用k2乘以所選擇的逾量瑞利比，并除以在同樣角度處計(jì)算出的微分散射強(qiáng)度，推出在該起作用的照射體積內(nèi)的顆粒數(shù)目密度。
另外，因?yàn)樗羞x擇的角度位置的逾量瑞利比都可被用于產(chǎn)生同樣的數(shù)目密度值，可以基于它們的計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差，將單個(gè)的分布加權(quán)，并取平均，連同其計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差，獲得改善的數(shù)目密度值。
現(xiàn)在考慮含有61nm和100nm直徑的聚苯乙烯球的樣品，該樣品被非對(duì)稱的場(chǎng)流或AsFFF分級(jí)。圖4分別顯示了對(duì)應(yīng)的分離樣品11和12在90°處的以cm-1為單位的逾量瑞利比。選擇的峰的邊界用平線13指出。為了說(shuō)明本發(fā)明方法，考慮小的100nm樣品峰的小塊區(qū)域14，其在圖5中被更詳細(xì)地顯示。在表1中，列出的小份(slices)在90°處測(cè)量到的逾量瑞利比連同它們相應(yīng)的計(jì)算出的幾何半徑一同被顯示。該半徑的計(jì)算是應(yīng)用了在14個(gè)角度處測(cè)量到的所有逾量瑞利比。
小份R(90°)cm-1半徑(nm)i1(90°) Γ211 1.55E-07 47 4.580E-048.248E+04212 1.55E-07 47 4.580E-048.300E+04213 1.66E-07 47 4.580E-048.878E+04214 1.73E-07 48 5.180E-048.175E+04215 1.81E-07 48 5.180E-048.547E+04216 1.89E-07 47 4.580E-041.009E+05217 1.97E-07 47 4.580E-041.051E+05218 2.07E-07 49 5.840E-048.652E+04219 2.16E-07 47 4.580E-041.150E+05220 2.23E-07 48 5.180E-041.054E+05221 2.32E-07 48 5.180E-041.096E+05表1 圖5的區(qū)域14應(yīng)用由Santa Barbara，CA的Wyatt Technology Corporation配給的非對(duì)稱交叉流場(chǎng)流動(dòng)分級(jí)器，“Eclipse”對(duì)該樣品進(jìn)行分級(jí)。然后，假定顆粒折射率為1.58，使用Lorenz-Mie理論計(jì)算出每一部分內(nèi)的對(duì)應(yīng)顆粒半徑。由該計(jì)算出的半徑，計(jì)算出與每一半徑對(duì)應(yīng)的在θ＝90°處的單顆粒微分散射強(qiáng)度ι1(θ)。最后，按照方程(4)，逾量瑞利比R(90°)除以σ(90°)，乘以k2＝[2×π×n0/λ0]2＝1.467×1010cm-2，乘以分級(jí)小份的體積1/60ml，計(jì)算出每一份中的顆粒數(shù)。各份的結(jié)果示于最后一欄。
通過(guò)把所有起作用的小份加在一起，可以計(jì)算出對(duì)分離顆粒的峰作出貢獻(xiàn)的洗脫顆粒的總數(shù)。每一小份的微分?jǐn)?shù)目分?jǐn)?shù)則是在該份中的顆粒數(shù)除以洗脫顆粒的總數(shù)目得到的比率。因?yàn)槊恳恍》輰?duì)應(yīng)于一特定尺寸，在某個(gè)可計(jì)算的范圍內(nèi)，也可以將來(lái)自所有小份的微分結(jié)果組合起來(lái)，以計(jì)算累積的分?jǐn)?shù)分布。如果被注射的部分的體積是已知的，如通常的那樣，那么容易找出該源的微分?jǐn)?shù)目密度分布。因此，通過(guò)上面討論的加法程序計(jì)算出的顆?？倲?shù)除以注射源的體積，便得到注射源的總顆粒密度。類似地，對(duì)于可能是作為分離峰中的洗脫物的某一特定類型的洗脫顆粒，可以將洗脫樣品中測(cè)量到的這樣的顆粒的數(shù)目加起來(lái)，并用該和除以注射樣品的體積，便可以得到該特定類型的洗脫顆粒的數(shù)目密度。一旦在洗脫樣品的整個(gè)范圍內(nèi)計(jì)算出這些微分?jǐn)?shù)目分?jǐn)?shù)和密度，就可以開(kāi)展其它類型的分析。所有這些都是在此給出的例子的明顯擴(kuò)展。
重要的是，需要指出，如果注射到諸如前面討論的AsFFF分級(jí)器的分離器件中的顆粒數(shù)是已知的，并且沒(méi)有顆粒駐留在分離裝置內(nèi)，那么該數(shù)目一定與在分離中回收的所有小份內(nèi)得出的數(shù)加起來(lái)計(jì)算出的總數(shù)對(duì)應(yīng)相等。一般地，這樣的分離會(huì)涉及注射體積被稀釋成較大的體積，該較大體積組成了總的分布體積，即所有小份的體積的總和。反過(guò)來(lái)，給定注射體積和分級(jí)后所有洗脫級(jí)分相加而恢復(fù)的體積，該注射體積的數(shù)目密度一定是對(duì)應(yīng)于回收顆粒的總數(shù)除以注射體積。另外，對(duì)于分級(jí)后回收的任意特定尺寸的顆粒組，在注射體積中該尺寸組的數(shù)目密度是所選擇的尺寸組中的數(shù)目除以注射體積得到的比率。以此為基礎(chǔ)，可以計(jì)算出與任意被分級(jí)的樣品相關(guān)的微分?jǐn)?shù)目密度。
對(duì)于小顆粒散射光領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，明顯的是，已述的方法有許多可能的改變和執(zhí)行方式，所有這些此時(shí)都將是顯然的。光源可以是產(chǎn)生各種波長(zhǎng)和偏振的光的激光器，發(fā)出單一或多波長(zhǎng)光的準(zhǔn)直常規(guī)光源，以及光發(fā)射二極管。樣品池的尺寸可以極小，例如被設(shè)計(jì)用來(lái)測(cè)量納克級(jí)量的儀器中所能找到的，或者樣品池的尺寸較大，如用于存放幾毫升體積樣品的閃爍瓶。如較早提到的，檢測(cè)器盡管一般是準(zhǔn)直的，但可以是各種類型。應(yīng)用這些執(zhí)行方式，在此公開(kāi)的方法具有了廣泛的適用性。
權(quán)利要求
1.一種確定溶液中單分散性顆粒的數(shù)目密度的方法，包括下列步驟A)標(biāo)準(zhǔn)化并校正光散射光度計(jì)，引入工作波長(zhǎng)為λ0的一細(xì)束單色光，以便在多個(gè)散射角θi處提供自起作用的被照射體積散射到相應(yīng)的方向θi的光的相應(yīng)瑞利比Rs(θi)的測(cè)量；B)將含顆粒的溶液導(dǎo)入到所述的標(biāo)準(zhǔn)化的校正的光度計(jì)中；C)測(cè)量所述的含顆粒的溶液的瑞利比Rs(θi)；D)從所述的測(cè)量到的瑞利比Rs(θi)中扣去懸浮流體在相同散射角θi的相應(yīng)瑞利比Rf(θi)，以得到在各個(gè)所述散射角θi處的逾量瑞利比R(θi)＝Rs(θi)-Rf(θi)；E)選擇一模型來(lái)描述散射顆粒；F)基于所述的選擇的顆粒模型，由在所述多個(gè)散射角處測(cè)量到的所述逾量瑞利比推出在所述的含顆粒溶液中的所述單分散性顆粒的有效尺寸；G)由所述懸浮單分散性顆粒的推出的有效尺寸、選擇的單個(gè)散射顆粒的模型、以及各個(gè)所述顆粒的折射率，計(jì)算出單個(gè)顆粒在各個(gè)所述散射角處的微分散射強(qiáng)度i(θi)；和H)經(jīng)選擇的在一測(cè)量角θi處的逾量瑞利比乘以k2＝(2πn0/λ0)2，再除以對(duì)應(yīng)于所述的同樣角度的計(jì)算出的微分散射強(qiáng)度，便得到N＝R(θi)k2/i(θi)，其中，N是在所述的起作用的被照射體積中的所述單分散性顆粒的數(shù)目密度，n0是溶液的折射率，λ0是入射光在真空中的波長(zhǎng)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述單色細(xì)光束來(lái)自激光器。
3.權(quán)利要求1的方法，其中應(yīng)用在與權(quán)利要求1選擇的散射角不同的散射角處測(cè)量到的逾量瑞利比，并應(yīng)用相應(yīng)的計(jì)算出的微分散射強(qiáng)度，計(jì)算出所述的絕對(duì)數(shù)目密度值，然后，所述的不同的絕對(duì)數(shù)目密度與早先計(jì)算出的絕對(duì)數(shù)目密度求平均。
4.權(quán)利要求3的方法，其中額外的散射角的數(shù)據(jù)被用來(lái)計(jì)算額外的絕對(duì)平均數(shù)目密度。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述單色入射細(xì)光束是平面偏振的。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述的平面偏振光束相對(duì)于含有所述散射光檢測(cè)器的散射平面垂直偏振。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述的單分散性顆粒是均勻的球體。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述的單個(gè)顆粒的微分散射強(qiáng)度i(θi)是利用Lorenz-Mie理論計(jì)算。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述模型是Lorenz-Mie理論。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述模型是基于Rayleigh-Gans-Debye近似的球模型。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述模型是基于Erma公式。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所述模型是基于Wyatt公式。
13.權(quán)利要求1的方法，其中所述單色入射細(xì)光束是非偏振的。
14.權(quán)利要求1的方法，其中所述單色入射細(xì)光束是圓偏振的。
15.一種確定多分散性顆粒的懸浮液的微分?jǐn)?shù)目分?jǐn)?shù)分布的方法，包括下列步驟A)將所述顆粒懸浮液的等分試樣注入到分離裝置中，所述裝置基于它們的尺寸分離所述顆粒；B)在一套散射角θi處測(cè)量懸浮所述顆粒的流體的瑞利比Rf(θi)；C)使含有這些分離的顆粒的各個(gè)洗脫級(jí)分穿過(guò)絕對(duì)光散射光度計(jì)裝置，在一套散射角θi處測(cè)量它們的瑞利比Rs(θi)，各個(gè)所述的洗脫級(jí)分對(duì)應(yīng)于所述的原顆粒懸浮液的單分散性尺寸級(jí)分；D)對(duì)于各個(gè)所述的洗脫級(jí)分，確定在各個(gè)所述的散射角θi處的逾量瑞利比R(θi)＝Rs(θi)-Rf(θi)；E)選擇一模型來(lái)描述各個(gè)所述洗脫級(jí)分的散射顆粒；F)使用選擇的所述顆粒模型，由在所述多個(gè)散射角處測(cè)量到的逾量瑞利比推出所述洗脫級(jí)分的所述單分散性顆粒的有效尺寸；G)由所述懸浮單分散性顆粒的推出的有效尺寸、選擇的單個(gè)散射顆粒的模型、以及各個(gè)所述顆粒的折射率，計(jì)算出單個(gè)顆粒在各個(gè)選擇的散射角θi處的微分散射強(qiáng)度i(θi)；H)在選擇的角度θi處的逾量瑞利比乘以k2＝(2πn0/λ0)2，再除以對(duì)應(yīng)于所述的同樣角度的計(jì)算出的微分散射強(qiáng)度i(θi)，便得到N＝R(θi)k2/i(θi)，N是在所述的起作用的被照射體積中的所述單分散性顆粒的數(shù)目密度；I)將每一所述洗脫體積中的所述顆粒數(shù)目密度乘以每一所述洗脫體積的相應(yīng)體積，得到所述洗脫體積中的顆粒數(shù)；J)將多個(gè)洗脫級(jí)分內(nèi)的確定的顆粒數(shù)求和，得到注入到所述分離裝置中的總顆粒數(shù)；和K)所述洗脫級(jí)分的所述顆粒數(shù)目除以被注射的顆粒總數(shù)，得到所述洗脫級(jí)分的微分?jǐn)?shù)目分?jǐn)?shù)。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述絕對(duì)光散射光度計(jì)提供裝置，以便用單色細(xì)光束照射所述的分離顆粒。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述單色細(xì)光束來(lái)自激光器。
18.權(quán)利要求15的方法，其中應(yīng)用在與權(quán)利要求15選擇的散射角不同的散射角處測(cè)量到的逾量瑞利比，并應(yīng)用相應(yīng)的計(jì)算出的微分散射強(qiáng)度，計(jì)算出所述的絕對(duì)數(shù)目密度值，然后，各個(gè)所述的不同的絕對(duì)數(shù)目密度與早先計(jì)算出的絕對(duì)數(shù)目密度求平均。
19.權(quán)利要求18的方法，其中額外的散射角的數(shù)據(jù)被用來(lái)計(jì)算額外的絕對(duì)平均數(shù)目密度。
20.權(quán)利要求15的方法，其中所述單色入射細(xì)光束是平面偏振的。
21.權(quán)利要求15的方法，其中所述單色入射細(xì)光束是非偏振的。
22.權(quán)利要求15的方法，其中所述單色入射細(xì)光束是圓偏振的。
23.權(quán)利要求20的方法，其中所述的平面偏振光束相對(duì)于含有所述散射光檢測(cè)器的散射平面垂直偏振。
24.權(quán)利要求15的方法，其中其中所述的單分散性顆粒是均勻的球體。
25.權(quán)利要求15的方法，其中所述的單個(gè)顆粒的微分散射強(qiáng)度i(θi)是利用Lorenz-Mie理論計(jì)算。
26.權(quán)利要求15的方法，其中所述模型是Lorenz-Mie理論。
27.權(quán)利要求15的方法，其中所述模型是基于ayleigh-Gans-Debye近似的球模型。
28.權(quán)利要求15的方法，其中所述模型是基于Erma公式。
29.權(quán)利要求15的方法，其中所述模型是基于Wyatt公式。
全文摘要
公開(kāi)了一種基于光散射方法來(lái)確定溶液中顆粒的絕對(duì)數(shù)目密度的方法。校準(zhǔn)光散射光度計(jì)，以在各個(gè)角度測(cè)量瑞利比，即對(duì)應(yīng)于單位入射強(qiáng)度，單位被照射體積，與所述檢測(cè)器對(duì)向的單位球面度的視場(chǎng)內(nèi)的散射光。為使計(jì)算出的數(shù)目精確，被照射的顆粒應(yīng)該是有效地單分散的。入射光束照射到所述樣品顆粒上，在多個(gè)角度測(cè)量逾量瑞利比，由這些逾量瑞利比計(jì)算出有效尺寸，該有效尺寸又被用于計(jì)算各個(gè)角度處的微分散射強(qiáng)度。然后，由測(cè)到的逾量瑞利比除以相應(yīng)的微分散射強(qiáng)度，確定單位體積單元的顆粒數(shù)目。
文檔編號(hào)G01N15/02GK1609592SQ20041007089
公開(kāi)日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月13日
發(fā)明者P·J·懷亞特, M·J·韋達(dá) 申請(qǐng)人:懷亞特技術(shù)公司