用于折射率差检测的流动池的制作方法
【专利摘要】一种用于折射率差检测的流动池。流动池包括沿着纵向轴线从第一端延伸到第二端的透明本体。透明本体限定样本棱柱室和基准棱柱室。样本棱柱室构造成允许沿着纵向轴线在透明本体的第一端和第二端之间有流体流。基准棱柱室构造成接收基准流体。样本和基准棱柱室均包括光栅，该光栅包括沿着纵向轴线沿流体流的方向延伸的多个凹槽。
【专利说明】用于折射率差检测的流动池
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2011年8月12日提交的美国临时申请N0.61/523,915的优先权。美国临时申请N0.61/523，915通过引用而整体地结合在本文中。
【技术领域】
[0002]本公开涉及用于折射率差检测的流动池。
【背景技术】
[0003]折射率差(RI)检测的原理一般是众所周知的。折射差检测器检查流体流(“样本”路径包含容纳在移动相内的待检测的一个或更多个分析物)与没有分析物的、往往静止的流体样本(即，“基准”)的折射率差。已经采用诸如束偏转、菲涅尔反射或干涉量度的各种光学方法来完成该测量。常常采用折射率检测器来以液体色谱法进行分析，特别是当关注的(多种)分析物缺乏适当的UV发色团时。
[0004]携带分析物的溶液的折射率基本上线性地依赖于分析物浓度。样本和基准流体之间的折光率差往往跨越接近?ο7的浓度范围。对应的折射率差范围从10_9至10_2 RI单位。例如，水在可见光谱区中具有近似1.333的折射率；高端分析物浓度可使该值增加到1.3335，差等于00005 RI单位(或0.5毫RI单位，其中，1毫RI=0.001 RI单位)。取决于分析物和移动相，折光率差可为正或负。常用的光学方法是所谓的束偏转方法，由此光束(“光射线”)被引导通过流动池，该流动池包含并排棱柱形室:样本流体沿着室的长轴流动，即，沿垂直于包含棱柱形或三角形分布的平面的方向。一个室包含经受测试的样本，而第二室包含基准流体。穿过各个室的光射线(光束)折射一定程度，这取决于各个室内的绝对指标，并且在从池中出现之后，光射线将具有能够与室内的流体之间的折光率差相关的整体偏转角。该偏转角导致在检测平面处的光束的位置有变化，光检测器件(诸如一个或更多个光电二极管)位于该检测平面处。因而，在两个光电二极管的情况下，当不存在折射率差时，各个检测器报告与该平衡条件相关联的基本上相等的信号水平。如果分析物改变样本(棱柱)室的折射率，则检测器信号中的一个增加，而其它减少，这是因为束现在已经从其初始位置偏转。对这两个信号进行处理，使得产生折射率差值，并且通过将先于该实验的校准步骤，输出分析物浓度的读数。
[0005]常规棱柱(通常是直角三角形)形室的限制为其几何构造的分散特征。不像圆形流体管道，三角形管道中的流体速度分布非常不对称，这易于增加已从柱中洗出的色谱高峰的分散或高峰宽度。尽管有这些限制，但RI差检测器被看作色谱仪的宝库中的重要工具，这是因为其使得典型地通过更灵敏的方法(诸如UV吸光度或荧光性)能够检测缺乏适合检测的发色团的分析物。虽然当诸如可能由内径在4.8mm-7.6mm和更大的范围中的色谱柱产生的进入色谱高峰本身较宽时，这些限制是可管理的，但以较小的柱直径获得更高的分离效率和减少溶剂消耗的趁势意味着必须将更多的关注集中在最小化柱后分散上，包括来自流动池本身的贡献。
【发明内容】
[0006]本发明部分起因于实现:用于折射率检测的流动池可设有几何构造，该几何构造可有助于改进的流体速度分布，并且还可比常规流动池提供更小的总容积。特别地，可对流动池的棱柱室提供光栅，该光栅可帮助减小棱柱室的流体体积，同时不显著地损害流动池的总性能。
[0007]因此，本发明的一方面的特征在于一种用于折射率差检测的流动池。流动池包括透明本体，该透明本体沿着纵向轴线从第一端延伸到第二端。透明本体限定样本棱柱室和基准棱柱室。样本棱柱室构造成允许沿着纵向轴线在透明本体的第一端和第二端之间有流体流。基准棱柱室构造成接收基准流体。样本棱柱室和基准棱柱室均包括光栅，该光栅包括沿着纵向轴线沿流体流的方向延伸的多个凹槽。
[0008]本发明的另一方面的特征在于一种用于折射率差检测的流动池。流动池包括沿着纵向轴线从第一端延伸到第二端的透明本体。透明本体包括第一棱柱室和第二棱柱室。第一棱柱室构造成允许沿着纵向轴线在透明本体的第一端和第二端之间有流体流。第一棱柱室包括光栅，该光栅包括沿着纵向轴线沿流体流的方向延伸的多个凹槽。
[0009]在再一方面，本发明的特征在于一种方法，该方法包括引导光束通过包含样本棱柱室和基准棱柱室的流动池，使流体流传送通过样本棱柱室；以及基于光束的检测到的偏转来检测分析物在流体流中的存在。样本棱柱室包括光栅，该光栅包括平行于流体流的方向延伸的多个凹槽。
[0010]在又一方面,本发明的特征在于一种方法,该方法包括模制光学级透明聚合物，以形成用于流动池的透明本体。透明本体限定样本棱柱室和基准棱柱室，该样本棱柱室构造成允许流体流通过透明本体，并且包括光栅，该基准棱柱室构造成接收基准流体。方法还包括使保护表面层淀积在透明本体的表面上，以制成样本和基准室，该样本和基准室抵抗待容纳在这些室内的流体。在一些情况下，待容纳的流体可为例如液体色谱移动相。
[0011 ] 实现可提供以下优点中的一个或更多个。
[0012]在一些实现中，提供流动池几何构造，其帮助实现改进的流体速度分布，并且还可实现整体容积较小的池。
[0013]在一些情况下，提供有益于最小化分析物高峰变宽或高峰分散的流动池几何构造。
[0014]在一些实现中，提供构建用于折射率检测的流动池的方法，其可帮助以整体较低的成本改进其制造产量。
[0015]其它方面、特征和优点在说明书、附图和权利要求书中。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是用于折射率差检测的常规流动池的透明本体的透视图。
[0017]图2是图1的透明本体的横截面图，其显示光射线穿过透明本体。
[0018]图3A是用于折射率差检测的阶梯光栅流动池的透明本体的俯视平面图。
[0019]图3B是沿着线3B-3B得到的图3A的透明本体的横截面图。
[0020]图3C是图3A的透明本体的横截面图，其显示光射线穿过透明本体。[0021]图4比较现有技术流动池的计算RI响应和具有用于折射率差检测的阶梯光栅流动池的计算RI响应。
[0022]相似的附图标记指示相似的元件。
【具体实施方式】
[0023]在图1和图2中显示用于经由束偏转进行RI差检测的常规的棱柱室流动池10。这样的常规流动池能够在市场上从NSG Precision Cells获得。参照图1，常规流动池10包括具有一对棱柱室的透明本体12，该对棱柱室在透明本体12的第一端14和第二端16之间延伸。棱柱室包括用于接收样本流体流的样本棱柱室18，以及用于接收基准流体的基准棱柱室20。室的顺序可为相反的；也就是说，本体12可围绕X轴或Z轴旋转180°，而不改变束偏转过程的基本特征。用于将流体传送到棱柱室18、20中和从其中传送出流体的池端帽或流体入口和出口端口(未显示)典型地位于透明本体12的端部14、16附近。流体端口可位于X-Y平面或Y-Z平面中，但更典型地，它们垂直于常规流动池10的纵向轴线30，在图1中显示为平行于Z轴。棱柱室18、20的实际大小通常由制造和功能要求规定，诸如高峰容积、光学检测灵敏度和仪器设计者的其它考虑变量。
[0024]图2显示通过常规流动池10的横截面图，其中，显示了单个射线40穿过两个棱柱室18、20。在平衡条件下，样本和基准棱柱室18、20中的流体的折射率相同，并且射线40穿过常规流动池10，而不改变其倾角。第二射线42对应于如下状况:样本棱柱室18中的流体(基准流体)的折射率不同于基准棱柱室20中的流体(基准流体)的折射率，从而导致入射线有净偏转，能够基于一个或更多个检测器感测到的信号变化测量该偏转。
[0025]可采用光学系统来聚集来自光源的光，以及引导来自光源的光通过常规流动池10，接着聚集已经穿过常规流动池10的光，并且将其引导到一个或更多个光检测器(例如光电二极管)。监测样本流体流(例如从上游色谱柱的出口流出)进入和穿过样本棱柱室18时的来自(多个)光检测器的连续读数，以识别上游色谱分离已经产生的分析物高峰的时间和幅度两者。进入常规流动池10的分析物高峰的特征将是具有某个宽度，该宽度表示其被柱分离的效率。该高峰典型地在其穿过常规流动池10时将变宽，并且一个流动池设计目标是最小化该变宽或高峰分散。其它也是一样，预计三角形流管道可引起比圆形更大的分散。管道的横截面突然改变可引起对流分布的干扰，并且这些干扰可产生低流区或滞流区，或者另外产生扫掠不佳的区，这增加高峰分散，并且降低检测灵敏度，这是因为分析物现在分布在较大流体体积上面，这降低其浓度。
[0026]图3A和图3B示出根据本发明的用于RI检测的流动池100的实现。流动池100基本上执行与图1的常规流动池10相同的功能；但是，流动池100与常规流动池不同，这是因为流动池100具有可有助于改进的流体速度分布并且可提供容积整体上较小的池的可选几何构造。
[0027]流动池100包括沿着纵向轴线130从第一端114延伸到第二端116的透明本体110。透明本体110限定一对棱柱室，该对棱柱室包括样本棱柱室118和基准棱柱室120。流动池100还包括在透明本体110的各个端部114、116处的端帽132。池端帽132中的各个包括与棱柱室118、120流体连通的流体端口 134，用于将流体传送到棱柱室118、120中，以及从棱柱室118、120中传送出流体。[0028]值得注意的是，棱柱室118、120均包括光栅136。光栅136布置成相对于透明本体110的第一外部光学表面138和第二外部光学表面139成大约5度至大约85度的角，例如45度。光栅是成阵列的平行隔开凹槽140。凹槽140沿着透明本体110的纵向轴线130沿(平行于)流体流的方向(流体移动通过样本棱柱室的方向)延伸。其中凹槽或梯级垂直于流体流的方向的布置可有助于漩涡(即，湍流的局部区域)形成，这可潜在地导致不必要的流体种类混合，并且可有助于分析物高峰变宽或高峰分散。
[0029]这些光栅136允许棱柱室118、120比图2中描绘的对应的“三角形”室(并且在图3B中显示为虚线)具有更小的容积。光栅136可为图3A和图3B中示出的阶梯光栅。阶梯光栅典型地是凹槽密度(例如，凹槽每毫米)低的光栅类型。除了三角形的锐角处的拐角之外，阶梯光栅保持与完整三角形相同的光学边缘长度(图2中的“L”)，从而保持相同的正面，但总横截面积更小(并且因而当考虑到室的Z长度时，容积更小)。这在图3B中有说明，图3B以虚线描绘了三角形横截面的轮廓。由于这些几何构造差异，故流动池100的横截面积小于常规池10的横截面积，从而提供容积小例如4倍的流动池100。提高凹槽密度可允许进一步减小容积。
[0030]样本棱柱室118和基准棱柱室120被透明分隔壁150隔开，透明分隔壁150具有限定各个棱柱室118、120的至少一个边界的相对的第一平滑表面152和第二平滑表面154。透明分隔壁150可为透明本体110的整体部分，并且布置成平行于光栅，以及相对于透明本体110的第一外部光学表面138和第二外部光学表面139成大约5度至大约85度的角，例如45度。图3C显示单个射线160穿过透明本体110的第一外部光学表面138，接着进入样本棱柱室118中，并且接着穿过透明分隔壁150，并且进入基准棱柱室120中，并且随后离开透明本体110的第二光学表面139。在平衡条件下，样本棱柱室118和基准棱柱室120中的流体的折射率相同，并且射线160穿过室118、120，而不改变其倾角。第二射线162对应于如下条件:样本棱柱室118中的样本流体的折射率不同于基准棱柱室120中的基准流体的折射率，从而导致入射射线有净偏转。
[0031]实际上，图2中的常规流动池10可围绕透明本体12的纵向轴线30旋转小角度，以便最小化可从流动池10镜面反射到检测器的感光部分上的光。当对具有阶梯光栅的图3A和图3B的流动池100执行这一点时，微小旋转通过各个梯级“梯面142”产生阴影效应，从而导致整个检测信号有所减少。
[0032]图4描绘关于两个流动池几何构造(即，比较常规流动池10和流动池100)的随RI差变化的计算响应(利用能够从新墨西哥Santa Fe的OpticCAD公司获得的CptiCADRay Trace软件进行计算)的比较。当样本和基准棱柱室之间的RI没有差别时，输入束在穿过流动池之后没有角偏转变化，两个射线(在图2中关于常规流动池所描绘的，以及在图3C中针对“阶梯光栅”流动池所描述的)合并。由于RI改变，故束偏转到由棱柱角和已知光力学设计因素控制的程度；“阶梯光栅”偏转(即，由阶梯光栅引起的偏转)仅比常规流动池的响应小0.8%，并且在RI差测试范围内是线性的。
[0033]参照右侧纵坐标，图4中还显示了两个流动池几何构造的相对信号水平(对应于落在检测器(两个光电二极管)上的射线“点”的总数)。图表描绘了相对信号水平为0.85时的水平线，这表示阶梯光栅流动池100传输比常规流动池10少大约15%的能量。该差别是阴影效应引起的。在阶梯光栅池100的情况下，各个流动池类型沿使梯面142的一部分(图3B)暴露于进入光的方向旋转小角(例如，大约0.5°至大约5°，例如2.5° )。阶梯光栅池的特定机械参数与池旋转角一起完全使能量减少15%，这对整体分析灵敏度应当具有非常小的影响。
[0034]流动池100的透明本体110应当由在从光源发出的波长范围内可被光透过的材料制成。流动池100的不透光部分(可包括端帽132)可由与本体110相同的材料制成，以易于制造。例如，可根据已知过程形成流动池100，其中，例如经由加工、激光或化学蚀刻来单独形成离散的硅石衬底，并且接着将它们堆叠起来，以实现期望几何构造。使堆叠衬底经受高温熔合，以使衬底结合，并且从而形成整体结构。该过程可包括中间抛光(例如，在各层的熔焊之间)，以及添加(钻削)流体端口等。熔凝硅石在大约0.02微米至大约3微米的波长内具有高透射性。其它材料可包括硼硅酸盐、某些氧化物、氟化物、硫族化物等。
[0035]备选地，流动池100可由光学级透明聚合物形成(例如模制而成)，诸如聚碳酸酯或环烯烃聚合物(C0P)(例如，总部在日本东京的ΖΕΟΝ公司开发的ΖΕ0ΝΕΧ?)。与处理硅石所需的较密集型劳动力和精细过程相比，这种过程以比较低的总成本提供增加的制造产量。在一些情况下，光栅可设有合适的保护表面层淀积，诸如蓝宝石或在本领域已知使室能够抵抗典型的LC移动相的其它化学惰性材料等。为此可采用诸如原子层淀积的技术；像这样产生的涂层在性质上是共形的，从而避免通过视线淀积技术而淀积的材料可能不必要地聚集。
[0036]虽然已经在上面详细描述了几个实现，但其它修改是可能的。例如，可通过调节梯面比率(上升尺寸)使阶梯光栅扩展到其它棱柱角，如梯级的数量和这些梯级有多接近斜边。在一些情况下，基准棱柱不具有光栅。
[0037]虽然已经提供了其中流动池的透明本体布置成使得光束(射线)在穿过基准棱柱室之前穿过样本棱柱室的示例，但在一些情况下，流动池可改为布置成使得光束在穿过样本棱柱室之前穿过基准棱柱室。
[0038]在其它情况下，模制单个光栅结构，并且将其与经常规加工的部件组合，用于改进检测区的整体热控制可为有利的。
[0039]虽然已经示出了具有锐边拐角的光栅，但在一些实现中，光栅的端部可设有圆形拐角。
[0040]在一些实现中，可对流动池本体的光透过其的外表面进行抗反射涂覆。可基于对RI测量采用的光的波长范围来选择性质。因此，其它实现在以下权利要求的范围之内。
【权利要求】
1.一种用于折射率差检测的流动池，所述流动池包括:沿着纵向轴线从第一端延伸到第二端的透明本体，所述透明本体限定:样本棱柱室，其构造成允许沿着所述纵向轴线在所述透明本体的第一端和第二端之间有流体流；以及基准棱柱室，其构造成接收基准流体；其中，所述样本棱柱室和所述基准棱柱室均包括光栅，所述光栅包括沿着所述纵向轴线沿所述流体流的方向延伸的多个凹槽。
2.根据权利要求1所述的流动池，其特征在于，所述光栅是阶梯光栅。
3.根据权利要求1所述的流动池，其特征在于，透明本体包括第一外部光学表面和第二外部光学表面，其中，所述样本棱柱室和所述基准棱柱室设置在它们之间，并且其中，所述光栅布置成彼此平行，并且相对于所述第一外部光学表面和所述第二外部光学表面成角度。
4.根据权利要求1所述的流动池，其特征在于，所述透明本体包括分开所述样本棱柱室和所述基准棱柱室的透明分隔壁，所述分隔壁包括限定所述样本棱柱室的边界的第一平滑表面，以及与所述第一平滑表面相对的、限定所述基准棱柱室的边界的第二平滑表面。
5.根据权利要求4所述的流动池，其特征在于，所述透明本体包括第一外部光学表面和第二外部光学表面，其中，所述样本棱柱室和所述基准棱柱室设置在它们之间，并且其中，所述透明分隔壁的平滑表面布置成平行于所述光栅，并且相对于所述第一外部光学表面和所述第二外部光学表面成角度。
6.根据权利要求1所述的流动池，其特征在于，所述光栅对所述棱柱室提供与具有三角形横截面的室相同的光学边缘长度，同时还对所述棱柱室提供相对较小的横截面积。
7.根据权利要求6所述的流动池，其特征在于，所述光栅对所述棱柱室提供横截面积，所述横截面积为具有带有与所述棱柱室相同的光学边缘长度的三角形横截面的室的四分之一 (1/4)。
8.根据权利要求1所述的流动池，其特征在于，所述透明本体至少部分地由硅石形成。
9.根据权利要求1所述的流动池，其特征在于，所述透明本体至少部分地由光学级透明聚合物形成。
10.根据权利要求9所述的流动池，其特征在于，所述光学级透明聚合物选自由聚碳酸酯、丙烯酸树脂和环烯烃聚合物组成的组。
11.根据权利要求1所述的流动池，其特征在于，进一步包括在限定所述样本和基准室的所述透明本体的表面上的保护表面层，其中，所述保护表面层能抵抗色谱移动相。
12.一种用于折射率差检测的流动池，所述流动池包括；沿着纵向轴线从第一端延伸到第二端的透明本体，所述透明本体限定:第一棱柱室，其构造成允许沿着所述纵向轴线在所述透明本体的第一端和第二端之间有流体流；以及第二棱柱室；其中，所述第一棱柱室包括光栅，所述光栅包括沿着所述纵向轴线沿所述流体流的方向延伸的多个凹槽。
13.根据权利要求12所述的流动池，其特征在于，所述光栅是阶梯光栅。
14.根据权利要求12所述的流动池，其特征在于，透明本体包括第一外部光学表面和第二外部光学表面，其中，所述第一棱柱室和所述第二棱柱室设置在它们之间，并且其中，所述光栅布置成相对于所述第一外部光学表面和所述第二外部光学表面成角度。
15.根据权利要求14所述的流动池，其特征在于，所述光栅布置成相对于所述第一外部光学表面和所述第二外部光学表面成大约5度至大约85度的角。
16.根据权利要求15所述的流动池，其特征在于，所述光栅布置成相对于所述第一外部光学表面和所述第二外部光学表面成大约45度的角。
17.根据权利要求12所述的流动池，其特征在于，所述透明本体包括分开所述样本棱柱室和所述基准棱柱室的透明分隔壁，所述分隔壁包括限定所述样本棱柱室的边界的第一平滑表面，以及与所述第一平滑表面相对的、限定所述基准棱柱室的边界的第二平滑表面。
18.根据权利要求17所述的流动池，其特征在于，所述透明本体包括第一外部光学表面和第二外部光学表面，其中，所述第一棱柱室和所述第二棱柱室设置在它们之间，并且其中，所述透明分隔壁的平滑表面布置成平行于所述光栅，并且相对于所述第一外部光学表面和所述第二外部光学表面成角度。
19.根据权利要求18所述的流动池，其特征在于，所述透明本体布置成相对于所述第一外部光学表面和所述第二外部光学表面成大约5度和大约85度的角。
20.根据权利要求19所述的流动池`，其特征在于，所述透明本体布置成相对于所述第一外部光学表面和所述第二外部光学表面成大约45度的角。
21.根据权利要求1所述的流动池，其特征在于，所述光栅对所述样本棱柱室提供与具有三角形横截面的室相同的光学边缘长度，同时还对所述棱柱室提供相对较小的横截面积。
22.根据权利要求21所述的流动池，其特征在于，所述光栅对所述第一棱柱室提供横截面积，所述横截面积为具有带有与所述第一棱柱室相同的光学边缘长度的三角形横截面的室的四分之一(1/4)。
23.根据权利要求12所述的流动池，其特征在于，所述透明本体由硅石形成。
24.根据权利要求12所述的流动池，其特征在于，所述透明本体由光学级透明聚合物形成。
25.根据权利要求24所述的流动池，其特征在于，所述光学级透明聚合物选自由聚碳酸酯和环烯烃聚合物组成的组。
26.根据权利要求1所述的流动池，其特征在于，所述衍射光栅包括保护表面层。
27.—种方法，包括:弓丨导光束通过包含样本棱柱室和基准棱柱室的流动池，使流体流传送通过所述样本棱柱室；基于所述光束的检测到的偏转来检测分析物在所述流体流中的存在，其中，所述样本棱柱室包括光栅，所述光栅包括平行于所述流体流的方向延伸的多个凹槽。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，包括用一个或更多个检测器对所述光束进行偏转检测。
29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，传送的流体流包括来自分离装置的洗脱剂。
30.一种方法，包括:模制光学级透明聚合物，以形成流动池的透明本体的至少一部分，所述透明本体限定:样本棱柱室，其构造成允许流体流通过所述透明本体，并且包括光栅；以及基准棱柱室，其构造成接收基准流体；以及使保护表面层淀积在所述透明本体的表面上，以制成所述样本和基准室，所述样本和基准室抵抗待容纳在其内的流 体。
【文档编号】G01N21/05GK103733044SQ201280039750
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年8月16日 优先权日:2011年8月16日
【发明者】A.C.让诺特 申请人:沃特世科技公司