多波长光源的制作方法

专利名称：多波长光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及多波长源，尤其是高性能液相色谱应用中的多波长源。
背景技术：
在高性能液相色谱(HPLC，参见例如http //en. wikipedia. org/wiki/HPLC)中， 液体通常需要以严格受控的流率(例如在数微升每分钟到数毫升每分钟的范围内)和高压 (通常200-1000巴以及更高，目前达到2000巴，在该压力下，液体的可压缩性变得显著)来 提供。活塞或柱塞泵通常包括一个或多个被布置来在相应的泵工作室中进行往复运动的活 塞，由此压缩(一个或多个)泵工作室内的液体。在流体动力学和流速测量学中，体积流率 (在此称为流率)是单位时间通过给定表面的流体体积，通常在检测点处测量。用于HPLC 应用的检测器例如在文件"Agilent 1200 Series Diode Arrayand Multiple Wavelength Detectors User Manual"，出版号G1315_90006 或 G1315-90012， 这些文件可以通过 http//www, chem. aRilent. com/scripts/LiteratureResults. asp 检 索到。在第13页(在两个文件中都是)中，描述了检测器的光学系统。照明源是用于紫 外(UV)波长范围的氘电弧放电灯(例如Agilent Part No. 5181-1530)和用于可见(VIS) 和短波近红外(SWNIR)波长范围的钨灯的组合。通过后进出灯(rear-access lamp)设计 (Shine-Through)将钨灯的灯丝的图像聚焦在氘灯的放电间隙上，这允许两个光源被光学 地组合并且共用源透镜的同一轴。消色差透镜(源透镜)形成穿过流动池的单一聚焦光束。 在摄谱仪中，光将通过全息光栅而色散到光电二极管阵列上。这允许同时获取所有波长信 肩、ο关于氘灯的进一步的细节也可以在US 4,611, 143 A、US 7, 359, 049 B2中找到，或 参考 DE 19920579 Al 或 WO 2008/025523 Al 中的 Shine-

发明内容
本发明的一个目的是提供一种改善的多波长源，特别是用于HPLC应用的多波长 源。该目的由独立权利要求记载的技术方案解决了。从属权利要求示出了进一步的实施方 式。根据本发明，提供了一种流体分离系统，用于对(被引入)移动相中的样品流体的 化合物进行分离。流体分离系统具有检测器，其适于通过向样品流体提供光学激励信号并 接收响应信号(作为响应于光学激励信号的信号)，来检测经分离的化合物。检测器包括提 供输出光束的光源，所述输出光束或者已经是光学激励信号，或者是光学激励信号可源于 的光束。光源包括多个发光元件并包括衍射元件。每个发光元件适于(当发光元件操作， 例如被接通时)发射具有相应波长的光束。发光元件被布置成使得从其发射的光束以相应 的角度照射在衍射元件上，所述角度依赖于各个发射的光束的相应波长。衍射元件将这样 照射的光束衍射成输出光束。根据本发明的流体分离系统由此允许与用于HPLC的常规多波长源(特别是前述的氘灯)组合或甚至代替该常规多波长源，所述常规多波长源已经(在相当长一段时间) 被认为是这样的流体分离系统的样品化合物检测方案中的限制因素。因此，某些类型的光 源可以被"效仿"，使得不同类型的灯(依赖于发光元件的装备)可以被"模拟"，而无需 改变流体分离系统的光源。例如，可以由同一个检测器效仿可变波长检测器(VWD)或多波 长检测器MWD)，而无需改变光源。本发明的光源允许组合不同的波长源，由此允许根据不同的需要设计和定制光 源。例如，对于某一应用，根据该应用的具体要求，光源可以仅仅使用其发光元件的一部分。 此外，通过适当地设计和/或调整发光元件，可以获得某些输出特性(例如，就以某一波长 提供的光能而言)。例如，如果所有应用的发光元件以规定的(例如，相同的)功率水平发 射，则从衍射元件提供的输出光束将常常显现出(具体依赖于发光元件和/或衍射元件的 具体性能)各个波长分量具有均等强度和/或输出功率的光谱。清楚的是，通过适当地选 择和布置多个发光元件，可以获得任何所需的输出特性。作为另一个优点，输出光束的光斑点(例如，照明区域)可以被设计为较小(例 如，与常规氘灯相比)，这主要根据发光元件和/或衍射元件的性质(例如尺寸)。因此，可 以实现高功率密度和小光斑面积，得到改善的用于样品化合物检测的性能和改善的样品化 合物检测性能。一个实施方式还包括耦合到光源的控制单元，其适于控制光源和/或一个或多个 发光元件的操作。利用这样的控制单元，输出光束的具体性质可以(进一步)被设计、选择 和/或控制。因此，对于特定应用，可以定制输出光束，例如在其波长分量(也被称为光谱 分量)和强度分布特性方面。在一个实施方式中，控制单元控制例如通过利用开关单元选择性接通或关断一个 或多个发光元件，控制同时发射光束的发光元件的数量。一旦发光元件可单独寻址并且可以被单独地接通和关断，则可以减少杂散光，并 且仅仅是期望的输出光束分布特性中所需要的发光元件需要被选择和操作。在一个实施方式中，控制单元控制一个或多个发光元件的相应波长(或波长分布 特性)。这允许调整输出光束的波长分布特性和设置或对其提供调谐。这可以例如通过如 下来完成控制一个或多个发光元件的温度、电流、电压中的至少一个，或接通和关断相应 的发光元件。在一个实施方式中，控制单元控制一个或多个发射出的光束的调制和/或复用 (multiplexing)。这样的实施方式允许使用本身不能检测/区别所接收的响应信号的各个 波长分量的一类接收器。相应地，这样的接收器(诸如光电型光电二极管)可以仅仅检测 响应信号的所得强度。当调制和/或复用发射出的光束时，可以追踪响应信号中的各个波 长分量，而无需波长依赖型或波长选择型接收器。在一个实施方式中，控制单元提供了 一个或多个发射光束的时间复用、频率复用、 代码复用、振幅调制和频率调制中的至少一种。多路复用和调制的一般原理是已知的，并 且例如在 http//en. wikipedia. org/wiki/Multiplexing 或 http://en. wikipedia. org/ wiki/Modulation以及它们的子部分中有描述。业已被发现特别有用的代码复用例如描述 于 http//en. wikipedia. orR/wiki/Code-division multiple access。在一个实施方式中，控制单元控制发光元件和/或其发射的(一个或多个)光束中的至少一项，由此允许对输出光束的分布特性进行关于其强度分量的主动控制。一个或多个发射光束可以在强度上被均等化，由此允许提供至少在给定的光谱范 围或子范围中具有限定强度分布特性(例如具有基本平坦的强度分布特性)的激励信号， 使得激励信号的所有激励分量处于限定的(例如相同的)强度水平。这允许减小对于光谱 变化(激励信号一方以及响应信号一方)的敏感性，否则可能导致对于信号的错误解释。例 如，常规的氘灯在某些波长处具有离散的强度峰。任何这样的峰范围内的波长的移动或变 化将导致信号的显著变化，但是这不是由样品流体导致的，因此不是想要的信号，而是导致 测量误差的错误信号。作为均等化光谱强度的进一步优点，控制单元的电子元件可以在相 同或几乎相同的放大范围内操作。一个或多个发光元件可以被实现为发光二极管(LED)，其可以例如为半导体LED 或有机LED(oLED) ；LED阵列；等离子体源，诸如微等离子体；激光二极管；放电灯，诸如微 放电灯等。清楚的是，光源可以包括不同类型的发光元件，由此允许提供输出光束的期望波 长分布特性。衍射元件可以由衍射光栅实现，其可以例如为平面衍射光栅或球形衍射光栅(其 具有由其球形形状导致的聚焦性能)。或者，可以使用棱镜。一个或多个透镜和/或反射镜 也可以被用于对光束进行聚焦、散焦和/或重新定向。在一个实施方式中，光源还允许接收响应信号，从而还充当接收器。在此情况下， 衍射元件以一定角度(该角度依赖于响应光束的各个波长分量的波长)将所接收的响应光 束衍射。发光元件或至少其一部分也适于感测从衍射元件衍射的各个波长分量。除此之外，或在发光元件不适于还感测光的情况下，响应信号可以相对于输出光 束(在空间上)偏移，使得响应信号的衍射分量也相对于从发光元件发射的光束(在空间 上)偏移。这允许提供一个或多个与发光元件在空间上分离的光检测元件(即在不同的空 间位置上)。空间上偏移可以表示发光元件处于一个位置(诸如第一阵列)，而光接收元件 处于另一位置(诸如第二阵列)。空间偏移也可以表示将各个发光元件和各个与相应的(例 如就两个元件以相同波长进行发射或接收而言)光接收元件彼此空间靠近在一起布置，例 如作为相邻或相近的元件，由此形成一对发射和接收元件。于是，多个这样的对可以被组合 或被排列成阵列。例如，通过使用将所接收的光束沿相反的方向返回和空间上偏移的背面定向元件 (诸如任何类型的背向反射元件、反射镜、二面角元件等)，可以实现响应信号的偏移。根据 设置，返回的光束可以被再次定向通过样品流体或在不同的路径上引导。在实施方式中，控制单元使用来自衍射元件的至少一个光束，用于控制光源的操 作。这样的光束可以是从衍射元件衍射的或反射的(即，零级的)。这也允许监测输出光 束，特别是针对其光谱和强度分布特性以及光功率(强度)输出稳定性。因此，可以实现原 位监测和控制，允许直接监测输出光束而不会影响该输出光束，因为这样的用于监测的光 束不会从输出光束耦合出来，而是由衍射光元件"自动"提供。在一个实施方式中，输入光束被用于将光耦合到作为零级的输出光束中，所耦合 进的光独立于发光元件。输入光束表示下述光束该光束由衍射元件反射到作为零级的" 输出光束中"，即与输出光束离开衍射元件时的角度(绝对值)相同。这允许在输出光束 耦合进某(一个或多个)波长分量、多色波长光谱、多种光类型(例如来自常规氘灯的光)等，而不依赖于这样的耦合进光的波长。并且，(一个或多个)发光元件的某(一个或多个) 波长分量因此可以被添加在输出光束中并被相应地放大。虽然本发明可适于基本整个光波长范围，例如从深UV到红外，但是某些波长 范围已经被表明在流体分离中特别有用，例如从深UV到近红外，例如200歷-1000歷，或 200nm-400nm (直到 600nm)。关于用于HPLC的检测器的进一步细节容易在例如互联网文件〃 TheDiodeArray Detector “中得至丨J，参见 http //www. chromatoRraphy-online. orR/HPLC-Detectors/ UV/Diode-Array/rs49. html ；书"SpectrochemicalAnalysis “ , James D.Ingle,1988, ISBN 0-13-826876-2 ；或小册子〃 Applications of diode-array detection in HPLC“， L. Huber，1989，Hewlett-Packard Co. Publication Number 12-5953-2330。本发明的实施方式可以基于大多数常规的现有HPLC系统，如AgilentUOOSeries Rapid Resolution LC系统或Agilent 1100HPLC系列(都由申请人Agilent Technologies 提供-参见www, agilent. com-其通过引用被并入本文)来实现。一个实施方式包括泵设备，所述泵设备包括用于在泵工作室中往复运动的活塞， 以将泵工作室中的液体压缩到高压，在所述高压下，液体的压缩性变得显著。一个实施方式包括两个以串联方式或者以并联方式联接的泵设备。在串联方式 中，如在EP 309596A1中公开的，第一泵设备的出口与第二泵设备的入口联接，并且第二泵 设备的出口提供泵的出口。在并联方式中，第一泵设备的入口与第二泵设备的入口联接，并 且第一泵设备的出口与第二泵设备的出口联接，由此提供泵的出口。在任一情形中，第一泵 设备的液体出口被相对于第二泵设备的液体出口相移优选基本上180度，从而仅一个泵设 备在另一个泵设备吸入液体(例如，从供应源)的同时对系统进行供应，由此允许在输出处 提供连续的流。但是，明显的是，至少在某些过渡阶段期间，两个泵设备也可以被并联(即， 同时)操作，以提供泵设备之间的泵循环的(更)平稳过渡。相移可以被改变，以补偿由液 体的可压缩性导致的液体流动的波动。还已知使用具有大约120度相移的三个活塞泵。分离装置优选地包含提供固定相的色谱柱(参见例如http //en. wikipedia. orR/wiki/Column chromatography)。柱可以是玻璃管或钢管(例如，具有50 μ m到5mm的 直径和Icm到Im的长度)或微流体柱(如例如在EP 1577012中公开的，或申请人Agilent ^Technologies 提供的 Agilent 1200 Series HPLC-Chip/MS 系统，参见例如 http//www, chem. aRilent. com/Scripts/PDS. asp ？ IPage = 38308)。例如，可以利用固定相的粉末制 备浆料，然后灌注和填压到柱中。当各组分随着洗脱液以不同速度进行通过柱时，固定相差 异化地保留各组分，并且将其彼此分离。在柱的端部，它们在相应时刻被一一洗脱。在整个 色谱过程中，洗脱液也可以以一系列的级分被收集。柱色谱中的固定相或吸附剂通常是固 体材料。柱色谱的最常用固定相为硅胶，然后是氧化铝。纤维素粉末过去常常使用。还可 以是离子交换色谱、反相色谱(RP)、亲和力色谱或扩张床吸附(EBA)。固定相通常是精细研 磨的颗粒或凝胶，和/或是具有微孔以增大表面，但是在EBA中，使用流化床。流动相(或洗脱液)可以是纯溶剂或不同溶剂的混合物。可以选择流动相，以例如 使得感兴趣的化合物的保留和/或运行色谱的流动相的量尽可能少。也可以选择流动相， 使得不同的化合物可以被有效分离。流动相可以包括有机溶剂，如例如甲醇或乙腈，并常常 用水稀释。对于梯度操作，水和有机溶剂在单独的瓶中输送，其中，梯度泵从所述单独的瓶将按程序配制的混合物输送到系统。其他常用的溶剂可以是异丙醇、THF、己烷、乙醇和/或 这些溶剂的任意组合或这些溶剂与前述溶剂的任意组合。样品流体可以包含任何类型的工艺液体、天然样品如果汁、体液如血浆，或其可以 是如来自发酵液的反应产物。流动相中的压力可以在20到2000巴、具体地100到1500巴并且更具体地500到 1200巴的范围内。HPLC系统可以还包括取样单元，用于将样品流体引入移动相物流中；检测器，用 于检测样品流体的经分离的化合物；分级单元，用于输出样品流体的经分离的化合物，或其 组合。HPLC系统的进一步细节针对Agilent 1200 Series Rapid Resolution LC系统或 Agilent 1100 HPLC系列进行了公开，上述两者都由申请人安捷伦科技有限公司提供，参见 wvw. aRilent. com,其通过弓I用被并入本文。本发明的实施方式可以由一个或多个合适的软件程序部分地或整体地实现或支 持，所述软件程序可以被存储在任何类型的数据载体上或以其它方式由任何类型的数据载 体提供，并且可以在任何合适的数据处理单元中执行或由任何合适的数据处理单元执行。 软件程序或例程可以优选地在控制单元中或由控制单元应用。


通过下面结合附图对于实施方式的更详细的描述，本发明的实施方式的其他目的 和许多附带的优点将被容易地了解和更好地理解。基本或功能上相等或相似的特征由相同 的标号指代。图1示出了例如用于高性能液相色谱(HPLC)的根据本发明的液体分离系统10。图2示意性地示出了检测器50的典型实施方式的操作原理。图3示出了根据本发明的光源100的实施方式的实施例。图4示出了提供光源100的时分多路复用的实施方式。图5示出了使用频分多路复用的实施方式。图6A和6B示出了其中发射光束210分别用特性标识部分编码的实施方式。图7示出了其中类似于光源100实现接收器120的实施方式。图8示出了其中光源100还被用于接收响应信号的检测器50的实施方式。图9示出了其中控制单元70使用至少一个来自衍射单元220的光束来控制光源 100的操作的实施方式。图10示出了其中输入光束950被用于将光作为零级耦合到输出光束230中的实 施方式。图11和12示出了提供多个输出光束的光源100的实施方式。
具体实施例方式现在更详细地参考附图，图1描绘了液体分离系统10的总体示意图。泵20 (作为 流动相驱动装置)驱动流动相通过包含固定相的分离装置30 (诸如色谱柱)。取样单元40 可被设置在泵20和分离装置30之间，以将样品流体引入到流动相中。分离装置30的固定 相适于分离样品液体中的化合物。检测器50被设置用于检测样品流体中的经分离的化合物。分级(fractionating)单元60可被设置用于输出样品流体的经分离的化合物。数据处理单元70可以是常规的PC或工作站，其可以被联接(如虚线箭头所示) 到液体分离系统10中的一个或多个装置上，以便接收信息和/或控制操作。例如，数据处 理单元70可以控制泵20的操作(例如设置控制参数)并且从其接收关于实际工作状态的 信息(诸如泵出口处的输出压力、流率等)。数据处理单元70还可以控制取样单元的操作 (例如控制样品注入或将样品注入与泵20的操作状态同步)。分离装置30也可以由数据 处理单元70控制(例如选择具体的流路或柱，设定操作温度等)，并且回过头来将信息(例 如工作状态)发送到数据处理单元70。因此，检测器50可以由数据处理单元70控制(例 如，针对光谱或波长设定、设定时间常数、启动/停止数据获取)，并且将信息(例如关于所 检测到的样品化合物)发送到数据处理单元70。数据处理单元70也可以控制分级单元60 的操作(例如结合从检测器50接收的数据)，并且向回提供数据。在图2中，光源100向传导流动相(其可以还包含样品流体或各种经分离的化合 物)的流动池Iio中发射光学激励信号(如箭头105所示)。接收器120接收响应于光学 激励信号的响应信号。在理想情况下(即，没有任何扰动源的任何不期望的耦合进和耦合 出，和/或任何影响)，响应信号表示在流体通入到流动池110中之后的激励信号。但是，杂 散光、激励信号的耦合出部分等可能影响所接收的响应信号，并且例如减小信噪比。此外在 图2中，描绘了在流动池110的入口处的导管130和在流动池110的出口处的导管140，以 说明HPLC应用中的典型流动池布置的基本设置。流动相的流动方向由箭头150表示。可以操作检测器50来检测流动池110中流体(即包含样品流体或没有样品流体 的流动相)对激励信号的吸收。吸收率的变化指示流体的变化，并且允许对流动池110中 存在的经分离的化合物的性质进行推断。随着流动相与样品流体一起连续地移动通过流 动池110，接收器120接收随时间变化的信号(通常称为色谱图)。这样的吸收池的细节 在本领域中是已知的，并且不需在此进行详细描述。实例可以例如在前述的文件中找到， 诸如"Agilent 1200 Series Diode Array and Multiple Wavelength DetectorsUser Manual" ,EP 1522849A1，EP762119A1。本领域中公知的另一种检测的概念是荧光检测。激励信号从流体激发荧 光信号，然后接收器120检测该荧光信号，这也在前述的James D. hgle所著的 书〃 Spectrochemical Analysis"中有详细解释。同样在该书中说明的其他类型的检测是 折射率和光散射测量结果。明显的是，任何类型的合适检测可以相应地用于本发明的目的。图3示出了根据本发明的光源100的实施方式的实施例。光源100包括多个发光 元件200。在图3的实施方式中，多个发光元件200由发光二极管(LED)阵列来实现。为了 简单起见，在图3中仅仅单独地示明了两个外侧的LED作为发光元件200A和200Z。每个发 光元件200A，....，200Z适于发射光束210。在图3的实施例中，来自发光元件200A的光 束210由光束210A1和210A2表示，这两个光束是击中衍射元件220的发光元件200A的光 束210的边界，所述衍射元件220在本实施例中由光栅来实现。相应地，来自发光元件200Z 的光束210由覆盖衍射元件220的两个光束210Z1和210Z2表示。由于衍射元件220的衍射特性，入射在衍射元件220上的光依赖于入射光束的波 长而发生衍射。当将发光元件200根据其发射波长相对于衍射元件220以一定角度布置时， 可以生成包含发射光束210的多个波长分量的输出光束230。利用衍射元件合并光谱分量的技术在US 3，472，594或US7，248, 359B2中也有描述，其教导内容通过引用被并入本文。光学结构M0，诸如孔径、狭缝、光纤，可以与透镜、反射镜等组合，可以被进一步设 置，以引导输出光束230和/或减少传播进入输出光束230的不期望的光谱分量或其他光
束ο为了完整起见，光束250和260将表示发散输出光束230的外侧部分。明显的是， 在平面衍射元件220(例如，平面光栅)的情况下，与图中所示的球形形状的衍射元件220 不同的是，输出光束230可以是平行光束，尤其是在发光元件200发射平行光束210的情况 下(与图中所示的发散光束不同)。在发光元件200A-200Z被适当地布置使得衍射元件220可以将发射光束210中的 每一个映射到输出光束230中的情况下，光源100由此可以被操作，以提供具有如由发光元 件200的组成和布置所限定和设计的光谱组成的输出光束230。由此，可以生成或设计具有 期望的光谱组成或分布特性的输出光束230。因此，已知和已用的光源(诸如前述的氘灯) 的例如某些光谱组成或分布特性可以被效仿/模拟，或甚至被优化。但是，也可以得到完全 新的光谱组成，并且例如对于某一应用进行优化。也可以使得这些光谱分量的强度水平均 等化，例如具有强度相对于波长平坦的特性，这可以允许提高测量精度。由于衍射元件220 的波长滤波特性，可以实现具有提高的光谱纯度的输出光束230。在如图3所示的优选实施方式中，发光元件200由发光元件200的阵列实现，优选 包括多个单个的LED(组合成阵列)。阵列的光谱组成可以按相应的要求来调整。并且，阵 列200中的各个LED的空间和几何布置可以按照光源100的几何和空间设计进行调整，尤 其是针对衍射元件220的具体衍射特性。明显的是，衍射元件220的特性(特别是几何和 空间设计)也可以按照发光元件200的要求和特性(例如几何和空间设计)进行调整。光源100不仅允许提供具有限定多色光组成的输出光束230 (例如，作为常规检测 器灯的替代)，而且明显的是，通过对于各个发光元件200中的一个或多个进行单独定址， 例如通过简单地接通和关断，还可以例如随时间改变光谱组成和分布特性(例如随波长的 强度分布)，使得某些光谱分量可以随时间被增加或省略，和/或输出光束230的一个或多 个波长分量的强度可以被改变。或者，例如通过接通发光元件200中的仅仅一个，也可以以单波长模式使用光源 100，用于输出单色光作为输出光束230。相应地，例如通过连续地或以一定的延迟从发光元 件200中的一个变换到另一个，可以随时间改变这样的单色输出的波长。以单个的形式或阵列形式使用LED允许提供更小、更紧凑以及甚至更低功耗形式 的光源100，作为用于尤其是HPLC应用中的常规光源，诸如前述的氘灯。此外，利用LED而 不是常规的光源通常导致光源100在机械上更坚固，并且还允许光源设计的小型化以及检 测器50的整体设计的小型化和简化。而且，基于输出光束230的灵活和可控的光谱组成和 强度分布特性，可以实现完全新的检测方案。对于输出光束230的某一波长分布特性而言不需要的发光元件被简单地关断，由 此还允许减少杂散光，得到更好的线性度和提高的测量精确性。在一个实施方式中，所谓的"源波长集束(bunching)“被应用，这意味着输出信 号230(或一个或多个波长分量中至少一个)的光学带宽被增大，以增大信号能量并由此增 大其强度。换句话说，输出信号230的至少一个波长分量的光谱带宽被增大。例如，具有250nm的中心波长和6nm的光谱带宽的第一 LED(作为一个发光元件200)被应用来产生输 出光束230，由此在接收器120处导致例如IOnA的光电流。增大的光电流通常意味着更高 的信噪比，但是同时，LED的功率输出受到限制。为了增大输出光束230的功率，第二 LED被 接通，所述第二 LED的中心波长接近第一 LED的中心波长。这可以通过接通其他的LED (其 中心波长接近第一 LED的中心波长)而被连续，由此有效地提高信噪比。但是明显的是，另 一方面，源波长集束限制了测量的光谱分辨率，并且将尤其受到待检测的样品流体或化合 物的光谱波长依赖性(例如吸收)的限制。光源100可以例如根据所使用的接收器120的类型以不同方式使用。例如在光检 测器被用作接收器120的情况下，这样的光检测器(例如，光电二极管)通常仅仅测量所接 收的信号的强度，而不能区分不同的波长。因此，在这样的情况下，光检测器120的输出表 示由光检测器120接收的光学信号的积分功率。光源100可以以通常用于可变波长检测器(VWD)的光源操作，所述光源例如根据 波长设置提供单色光，所述波长设置可以随时间变化。不需要的发光元件200被简单地关 断。光源100也可以以多波长检测器(MWD)的多波长模式操作，同时提供两个或更多 个波长作为输出光束230。在光检测器被用作接收器120的情况下，接收的响应信号的光谱 分量被一定程度地遮蔽，以允许对它们进行单独地检测。这可以例如通过对发光元件200 进行时间和/或频率复用来实现，如图4和5中所示。图4示出了给光源100提供时间复用的实施方式。在第一实施例中，发光元件200 中的两个(在图4中的实施方式中标识为两个发光元件200A和200Z)将被交替接通和关 断。所得的信号可以参见图4，其中，横坐标上描绘了时间t，纵坐标上描绘了波长分量。接 通和关断发光元件200A得到系列300 (即发光元件200A下方的所有矩形点，示明了当发光 元件200A被接通时的情形)。相应地，发光元件200Z生成系列310 (即发光元件200Z下方 的所有矩形点，示明了当发光元件200Z被接通时的情形)。当系列300和310的发射信号 (即矩形点)彼此偏移并且不同时发生(即在某一时刻发光元件200A和200Z中的仅一者 进行发射)时，光检测器120将接收相应偏移的响应信号，并且可以由此区别对于相应的发 光元件200A或200Z的响应信号。图4中的对角线系列320描绘了不同的实例，其中，不同的发光元件200被接通， 在某一时刻仅仅一个被接通，并且一个接一个被接通。因此，波长范围可以被覆盖，从而一 个接一个地产生不同波长下的顺序数据点。无需赘言，可以使用或产生任何分布曲线，这仅 仅依赖于设备的技术限制，例如不同波长的数量，从一个发光元件到另一个发光元件的切 换速度，发光检测器120的瞬时性能等等。但是，大多数现有的LED和光电二极管可以容易 地满足在大多数HPLC应用中使用的约0. OOlHz到IOHz的典型频率范围。图5示出了利用频率复用的实施方式。如在图4中一样，使用了光检测器120，其 不能区分不同的波长分量。在此实施方式中，多个发光元件200同时发射，但是各个发射光 束210的频率被调制。接收器120在本实施方式中也是光检测器，其接收由所有的发射光 束210得到的响应信号。光检测器120将所接收到光学信号转换为电信号500。几个滤波 级510被耦合到光检测器120，并且接收经转换的信号500。每一个滤波级510A，....，510D 适于从对应于发射光束210的频率调制的相应发光元件200过滤出相应波长分量。
在图5的实例中，发光元件200A用频率调制振幅，发光元件200E用频率f2调制 振幅，发光元件200M用频率f3调制振幅，发光元件200Z用频率f4调制振幅。滤波器510A 被设计为针对频率进行滤波(即输出频率分量，滤波器510B被设计为针对频率f2进 行滤波，滤波器510C被设计为针对频率f3进行滤波，滤波器510D被设计为针对频率f4进 行滤波。在沿着从光源100到光检测器120的光路没有吸收的情况下，过滤出的分量 520A,520D将不会改变振幅，如图5所示。换句话说，过滤出的信号保持不变，并且计 算吸光度A等于0，如可从下式看到的A = log(l/T) = -log T其中，T为透射率，并且等于时间t时的强度除以时间0时的强度，也等于时间t时 的光电流除以时间0时的光电流。色谱信号保持不变。在光源100和光检测器120之间的信号路径中发生吸收的情况下，过滤出的信号 分量520A-520D将根据样品的、随波长而不同的吸收系数来改变振幅。如流体分离领域中公知的，不同的光谱吸收特性允许回推(drawingback on)各个 经分离的化合物，因为一些流体化合物表现出依赖于波长的吸光度变化。图6A和6B示出了如下的实施方式其中，发射的光束210分别被编码有特征标识 部分，由此允许识别由光检测器120接收的响应信号中的相应的信号分量。这可以例如通 过如下来实现对响应信号进行解码，优选地通过使用用于对激励信号(即，各个发射光束 210)进行编码的相同代码。在图6A的实施例中，四个发光元件200A，200E，200M和200Z将同时发射各个光束 210A, 210E, 210M和210Z，其中，每个光束承载了特征标识部分。光检测器120接收所得的 响应信号，并将其转换为转换信号500。信号500然后被解码器610解码，优选地对应于提 供给发射光束210的编码方案而解码。这在图6A中被示出，其中，解码器610包含四个相 关器61(^，61( ，610(，6100，每个相关器解调信号500。各个发光元件200 (以及相应地，其 输出信号230中的各个波长分量)中的每一个可以与合适的编码相关联。解码器610因此 能够追踪响应信号500内的源自经编码的发射光束210的标识部分。在图6A的实施方式中，发射光束210A(由从发光元件200A起的箭头所示)利用 第一二进制代码Code 1调制。发射光束210E(由从发光元件200E起的箭头所示)利用第 二二进制代码Code 2调制，发射光束210M(由从发光元件200M起的箭头所示)利用第三二 进制代码Code 3调制，发射光束210Z(由从发光元件200Z起的箭头所示)利用第四二进 制代码Code 4调制。代码1、2、3和4优选地被选择为彼此正交。正交代码的互相关为零， 换句话说，它们彼此不干涉。明显的是，正交代码将导致比具有一定的相关度的代码更高的 精确性。图6B示出了代码Code UCode 2、Code 3和Code 4的实施方式，所有这些代码彼 此正交。从此实施方式可以清楚看出，编码可以简单地表示以限定的次序和方式接通和关 断各个发光元件200。由此所得的激励信号在图6B中被示出为Sum Signal (求和信号)， 作为在888 (相对单位)的强度水平(幅值)下发射的发光元件200A、在600的强度水平下 发射的发光元件200E、在444的强度水平下发射的发光元件200M和在200的强度水平下发 射的发光元件200Z的情况下的实例。
在图6A中，离开流动池110的响应信号然后在例如为光检测器的接收器120处被 检测，并且转换到电学领域，作为转换信号500。转换信号500包含经编码的信号，并且被耦 合到包含四个相关器610A、610B、610C、610D的解码器610。每一个相关器610A-610D通过 将信号500分别与代码Code U Code 2、Code 3和Code 4相乘，对信号500进行解调制。 然后，解码器610分别在相关器610A、610B、610C、610D的输出端口 620A、620B、620C和620D 提供解调制结果。图6B的下部示出了解码方案的示例。为了更好理解，假设在信号路径中不发生吸 收或其他损耗，使得接收器120接收激励信号，并且相应地，转换信号500也表示信号Sum Signal，如图6B的下部分所描绘的。将信号Sum Signal乘以用于上述代码中相应一个的 向量(即，逻辑0被转换成-1)，并且对这样所得的信号进行平均将提供各个发光元件的强 度(幅值)(但是乘以了相应代码的占空比)。在图6B的下部实施例中，将信号Sum Signal 乘以Code 2的计算向量，由此得到信号650。将信号650在代码重复周期(S卩，直到代码 Code I-Code 4的序列开始再次重复为止的周期)上平均得到值300 (以标号660表示)， 这是发光元件200E的强度水平600乘以了 Code 2的占空比0.5。占空比表示在代码重复 周期内各个发光元件的接通时间的比例。在流动池110中发生吸收的情况下，由接收器120接收的信号的强度水平相应减 小，并且计算平均信号660将表示这样的减小信号。在对于所有的发射波长同样发生吸收 (即，至少在发射光束210的波长范围内，流动池110中的相应样品化合物不表现出波长依 赖性)，所有解调制的信号620将表现出各个发光元件200的强度水平的相同的相对减小。 在流动池110中的相应样品化合物表现出波长依赖性的情况下，这将被反映在由解调制的 信号620输出的平均值660中。例如，如果样品化合物吸收由发光元件200E发射的波长的 光的50 %，而在其他波长下不发生吸收，仅仅是由解调制的信号620输出的平均值660将表 现出50%的减小(相对于相应发光元件200E的强度水平)。在吸收随时间变化的情况下(如色谱中常见的情形)，这将由平均值660随时间的 变化来表示，因为该信号对于每个相应的代码重复周期进行了平均。对于各个代码重复周 期的每个平均值660由此可以表示色谱的一个数据点。为了提高测量的精确度，代码重复周期应该被选择为小于将被测量的信号中的变 化，并且优选地明显小约10倍以及更多倍。色谱图中的典型峰宽度在1秒以及更长(至多 数分钟)的范围内。相应地，为了对色谱峰取样足够的数据点，优选对应于期望的数据点的 数量来选择代码重复周期。例如，为了对具有1秒的峰宽度的峰取样至少10个数据点，代 码重复周期应该为100ms或更小。在图6B的实施例中，Code 4具有最高的频率(代码重 复周期的八倍)，使得接通和关断相应的发光元件200Z的频率需要为80Hz。这可以例如用 商业可得的LED容易地实现，所述商业可得的LED允许在KHz范围以及更高频率下操作。图7示出了接收器120被类似于光源100来实现的实施方式。响应信号(由箭 头700表示)照射在第二衍射元件710上，所述第二衍射元件710以不同的角度对响应 信号700的不同光谱分量进行衍射。光电二极管阵列720被布置来感测从衍射元件710 接收的经衍射的光谱分量。这样的接收器可以由Agilent 1200系列二极管阵列检测器 (Agilent 1200 SeriesDiode Array Detector)来实现，其由申请人安捷伦科技有限公 司(AgilentTechnologies)提供，并且在前述文件〃 Agilent 1200 Series Diode ArrayandMultiple Wavelength Detectors User Manual"中有描述。但是明显的是，可以相应 地使用任何其他类型的检测器来代替光电二极管阵列720。同时，可以相应地使用棱镜等， 而不是如所示出的衍射元件710的光栅。与在图5和6的实施例中所使用的光检测器120不同，图7中的接收器120允许 同时检测不同的光谱分量，使得可以根本不需要或者可以可选地使用复用和/或调制。光 源的光谱灵活性允许光谱分量不需被关断，将光谱信号的光谱质量提高到双单色器的光谱质量。图8示出了检测器50的实施方式，其中，光源100还被用于接收响应信号。在本 实施方式中，光源100不仅包括多个发光元件200，而且包括多个光接收元件800，每个光接 收元件800适于接收并感测由衍射元件220根据分量的波长而分光的响应信号的一部分。 如图3中一样，输出光束被作用到流动池110中。但是，不用位于与流动池110相反那侧的 接收器120，而是设置返回元件810来将"响应信号"(即，在图8中的右手侧离开流动池 110的信号)朝向光源100返回。返回元件810可以是任何类型的允许重新定向响应信号 的元件，诸如反射镜、二面角元件(如图8中所示)、转动反射镜装置等等。响应信号可以 相对于输出光束230被空间偏移(如通过图8中二面元件所指示的)。替代地或另外地， 响应信号也可以被再次定向以穿过流动池110的样品流体(使得激励信号通过流动池110 两次，由此得到增大的穿过流体的吸收路径长度)或被沿不同路径引导(“绕过"流动池 110)。响应信号700然后在光源100处被接收，并且朝向衍射元件220反馈，所述衍射元 件220根据传播到光接收元件800 (诸如光电二极管阵列)的光谱分量的波长分开这些光 谱分量。这样的配置被优选用于单波长模式(cw)，或用于时间、频率或代码复用模式，作为 多波长检测器。通过相对于激励信号230偏移响应信号700，接收元件800可以与发光元 件200在空间上分离，使得从反射元件110返回的信号700沿与朝向反射元件110的信号 路径在空间上偏移的不同路径行进。图9示出了控制单元70 (参见图1)使用至少一个来自衍射元件220的光束控制 光源100的操作的实施方式。这样的光束可以是从衍射元件220衍射的(即k' >= 1或 k' <=-1级的光束，如图9中所示)或者反射的(即0级的光束，如图9中所示的k'= 0)。线η指示光栅220上光束210照射到光栅220的点处的法线，其中角α为入射光束 210的角度，角β为输出光束230的角度，两者都是相对于法线η。在图9中的实施方式中，0级光束被用于监测输出光束230，特别是针对其光谱和 强度分布曲线以及光功率(强度)输出稳定性。这在图9中由接收元件(诸如光检测器 900)指示。输出光束230由此可以被监测而不会受到影响。图10示出了输入光束950被用于将光耦合到输出光束230的实施方式。输入光 束950表示这样的光束即由衍射元件220作为0级而反射"到输出光束230中"的光束。 在图10的实施例中，输入光束950相对于法线η以角度I α。！ = I β I入射光栅220，其中， 角β为输出光束230相对于法线η的角度。因为在衍射元件220处的反射角度不依赖于 波长，所以这允许将任何类型的波长分量(诸如单色或多色波长光谱，特定光源(例如诸如 来自常规氘灯的光)等等)耦合进输出光束230。衍射元件220优选地由光栅实现，所述光栅可以是平面或球形光栅。但是，也可以相应地应用其他衍射元件，诸如棱镜。关于光栅的细节可以参见，例如，http//www. jobinyvon.com/SiteResources/Data/Templates/ldivisional.asp ？ DocID = 616&vlID =&lang 下的 Optics Tutorial" DiffractionGratings Ruled & Holographic"。已经示出了利用衍射元件220组合不同波长分量的光源100较之利用光纤耦合来 组合不同光谱分量的光源具有多种优点。具体地，输出光束230的光斑面积可以较之上述 光纤耦合被显著减小，尤其是当更多的不同波长分量将被组合时。图11示出了另一实施方式，其中，光源100提供多个输出光束。在图11的实施 例中，光源100将具有三个输出1000、1100和1200，每一者接收来自发光元件的各个阵列 1300，1400和1500的相应输出光束。发光元件的每个阵列1300，1400和1500可以被实现 为上文对于多个发光元件200所描述的。如由各个外侧光束(当照射在衍射元件220上 时)所指示的，每个阵列1300，1400和1500被相对于衍射元件220布置成使得其各自的输 出光束命中输出1000、1100和1200中的相应一个，在本实施方式中，所述输出1000、1100 和1200将是光纤，但是也可以是流动池，如HPLC检测(例如吸光或荧光检测)中所使用 的，等等。相应的阵列和输出中的每一对分别由字母A、B、C表示，指明例如阵列1300具有 输出1000。在图11中，坐标系XY指示输出1000、1100和1200的布置，坐标系X' Y'指示衍 射元件220的布置，坐标系X" Y"指示发光元件阵列1300，1400和1500的布置。如从图 11清楚可见的，输出1000、1100和1200沿X轴布置，并且发光元件阵列1300，1400和1500
沿X"轴布置。如在前面所解释的，具有特定(中心)波长· i的单个发光元件200i的空间偏移 也将导致相应的输出光束230i的空间偏移。相应地，阵列1300，1400和1500可以被实现为 是基本相同的或具有基本相同的发光元件空间布置，并且由于其在X"方向上的空间偏移， 其输出也将沿X轴空间偏移。优选地，阵列1300，1400和1500全部被选择为相同，使得光 源100提供三个基本相同的输出1000、1100和1200，所述输出1000、1100和1200然后可以 被用于例如平行处理，诸如在平行LC应用中(其中，多个液相色谱处理被平行执行)。图12示出了提供多个输出光束的光源100的另一实施方式。如图11 一样，坐标 系XY指示输出1000、1100和1200的布置，坐标系X' Y'指示衍射元件220的布置，坐标系 X" Y"指示发光元件阵列1300，1400和1500的布置。在图11的实施方式中的阵列1300， 1400和1500被布置成沿X"轴分布，而在图12的实施方式中的阵列1300，1400和1500被 布置成沿Y"轴分布。相应地，图12中的相应输出1000、1100和1200于是沿Y轴分布，而 图11中的输出1000、1100和1200沿X轴分布。如在图11的示例性实施方式中一样，图12 中的阵列1300,1400和1500优选被选择为相同，使得光源100提供三个基本相同的输出 1000,1100 和 1200。
权利要求
1.一种用于分离流动相中的样品流体的化合物的流体分离系统(10)，其具有检测器 (50)，所述检测器(50)适于通过向所述样品流体提供光学激励信号并接收对于所述光学 激励信号的响应信号来检测经分离的化合物，其中，所述检测器(50)包括光源(100)，所述 光源适于提供输出光束(230)作为所述光学激励信号，所述光源(100)包括多个发光元件O00，200A，200Z)，每个所述发光元件适于发射具有相应波长的光束 (210，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)，以及 衍射元件(220)，其中，所述多个发光元件(200，200Α，200Ζ)被布置成使得以依赖于所述相应波长的 相应角度照射在衍射元件(220)上的发射光束(210，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)由所述衍 射元件(220)衍射成所述输出光束030)。
2.如前一权利要求所述的流体分离系统(10)，还包括控制单元，所述控制单元耦合到 所述光源(100)，并且适于控制下列项中至少一者的操作所述发光元件(200，200Α，200Ζ) 中的一个或多个、所述光源(100)。
3.如前一权利要求所述的流体分离系统(10)，其中，所述控制单元适于控制同时发射 光束(210，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)的所述发光元件(200, 200Α, 200Ζ)的数量。
4.如前一权利要求所述的流体分离系统(10)，其中，所述控制单元包括开关单元，所 述开关单元适于选择性地接通或关断所述发光元件(200，200Α，200Ζ)中的一个或多个，从 而控制同时发射光束(210，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)的所述发光元件(200, 200Α, 200Ζ) 的数量。
5.如权利要求2或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，其中，所述控 制单元适于控制所述发光元件O00，200A，200Z)中的一个或多个的所述相应波长。
6.如权利要求2或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，其中，所述控 制单元适于控制所述发射的光束Ο10，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)中的一个或多个的调制和/或复用。
7.如前一权利要求所述的流体分离系统(10)，其中，所述控制单元适于提供所述发射 的光束Ο10，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)中的一个或多个的时间复用、频率复用、代码复 用、振幅调制和频率调制中的至少一种。
8.如权利要求2或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，其中，所述控 制单元适于控制所述发射的光束(210，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)中的至少一个的强度。
9.如前一权利要求所述的流体分离系统(10)，其中，所述控制单元适于将所述发射的 光束(210，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)中的一个或多个的强度均等化。
10.如权利要求1或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，其中，所述检 测器(50)还包括下列至少一项接收器，其用于接收所述响应信号；转换单元，其用于将所述响应信号转换为电响应信号；信号评价单元，其适于评价所述响应信号，尤其是分离和评价所述响应信号中的信号分量。
11.如权利要求1或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，其中，所述检 测器(50)还包括滤波器，用于对所述响应信号进行滤波。
12.如前一权利要求所述的流体分离系统(10)，其中，所述滤波器包括下列至少一项 所述滤波器在波长方面被锁定为所述发射的光束(210，210A1，210A2，210Z1，210Z2)中的一个或多个的一个或多个波长；解调制器，其适于对所述响应信号进行解调制； 解复用器，其适于对所述响应信号进行解复用；所述滤波器在从所述光源(100)到用于接收所述响应信号的接收器的信号路径中位 于所述接收器之前，优选地用于对所述响应信号进行波长过滤；所述滤波器在从所述光源(100)到用于接收所述响应信号的接收器的信号路径中位 于所述接收器之后。
13.如权利要求1或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，其中，所述发 光元件Q00，200A，200Z)中的一个或多个包括下列至少一项发光二极管；有机发光二极管；发光二极管阵列；等离子体源，优选为微等离子体；激光二极管；放电灯，优选为微放电灯。
14.如权利要求1或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，其中，所述衍 射元件(220)包括如下中的至少之一衍射光栅；球形衍射光栅，其具有由所述球形的形状所导致的聚焦性能； 平面衍射光栅；一个或多个用于对光束进行聚焦和/或散焦的透镜； 一个或多个用于对光束进行重新定向的反射镜； 棱镜。
15.如权利要求1或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，其中， 所述光源(100)还适于接收所述响应信号；所述衍射元件Ο20)以下述角度来衍射所述接收的响应光束该角度依赖于所述接收 的响应光束的一个或多个波长分量的波长；所述多个发光元件(200，200Α，200Ζ)适于感测所衍射的波长分量的至少一部分。
16.如权利要求1或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，包括下列至 少一项所述控制单元使用从所述衍射元件(220)衍射或反射的至少一个光束，来控制所述光 源(100)的操作；照射到所述衍射元件上的光束被用于将光耦合到作为零级的所述输出光束中； 所述发光元件O00，200A，200Z)中的一个或多个适于发射具有在深UV到红外之间的 范围内的相应波长的光束(210，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)。
17.如权利要求1或上述权利要求中任何一项所述的流体分离系统(10)，还包括下列至少一项流动相驱动装置，优选为泵系统，该装置适于驱动所述流动相通过所述流体分离系统；样品注射器，其适于将所述样品流体引入所述流动相；分离单元，优选为色谱柱，其适于分离所述流动相中的所述样品流体的化合物；收集单元，其适于收集所述样品流体的经分离的化合物；数据处理单元，其适于处理从所述流体分离系统(10)接收的数据；流动池，其适于引导至少一部分的所述激励信号通过所述流动相。
18.—种在流体分离系统(10)中分离流动相中的样品流体的化合物的方法，包括 发射一个或多个光束Ο10，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)，每个光束具有相应的波长； 将所发射的每个光束(210，210A1，210A2，210Z1，210Z2)衍射成输出光束(230)；由所述输出光束(230)得到光学激励信号； 向所述样品流体提供所述光学激励信号； 接收对于所述光学激励信号的响应信号；以及 分析所述响应信号，以检测经分离的化合物。
19.一种光源(100)，包括多个发光元件O00，200A，200Z)，每个所述发光元件适于发射具有相应波长的光束 (210，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)，控制单元，其适于控制所发射的每个光束Q10，210A1，210A2，210Z1，210Z2)的至少一 种性质，以及。衍射元件(220)，其中，所述多个发光元件(200，200Α，200Ζ)被布置成使得以依赖于所述相应波长 的相应角度照射在所述衍射元件Ο20)上的所述发射的光束(210，210Α1，210Α2，210Ζ1， 210Ζ2)由所述衍射元件(220)衍射成为输出光束030)。
20.如前一权利要求所述的光源(100)，其中，所述性质包括振幅、波长、强度和接通时 间中的至少一种。
21.如权利要求19或20所述的光源(100)，其中，所述控制单元适于提供所述发射的 光束(210，210Α1，210Α2，210Ζ1，210Ζ2)中的一个或多个的时间复用、频率复用、代码复用、 振幅调制和频率调制中的至少一种。
全文摘要
本发明涉及多波长光源，一种用于分离流动相中的样品流体的化合物的流体分离系统(10)包括检测器(50)，检测器适于通过向样品流体提供光学激励信号并接收关于光学激励信号的响应信号来检测经分离的化合物。检测器包括适于提供输出光束(230)作为光学激励信号的光源(100)。光源(100)包括多个发光元件(200，200A，200Z)及衍射元件(220)，每个发光元件适于发射具有相应波长的光束(210，210A1，210A2，210Z1，210Z2)。多个发光元件(200，200A，200Z)被布置成使入射在衍射元件(220)上的发射光束(210，210A1，210A2，210Z1，210Z2)由衍射元件(220)衍射成输出光束(230)。
文档编号G01N30/74GK102150040SQ200980130792
公开日2011年8月10日 申请日期2009年7月22日 优先权日2008年8月7日
发明者休伯特·库德尔, 凯文·济伦, 卡斯特恩·卡埃扎克 申请人:安捷伦科技有限公司