专利名称：用于旋光性化合物的改进型旋光度检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋光度检测设备。具体来说，本发明涉及一种光学检测系统，它可在样品流过检测器时对该样品的旋光度进行测量，其检测器由含有光束发生装置的激光二极管、偏振棱镜、流槽以及可对信号中激光波动进行衰减的装置构成。
称为手性化合物的化学物质以两种差别极小的分子形式出现。这些分子形式被称为左旋和右旋，因为它们可以使通过其自身的光束的偏振面顺时针(向右旋转)以形成右旋，或逆时针(向左旋转)以形成左旋。其旋转量与特定化学物质的旋光量以及偏振光和化学物质相互之间的光路长度成正比。两种类型手性分子其构成原子的几何形状和相对位置一般被认为是互成镜像关系。所以，它们具有相同的化学组成并且很难分辨。不幸的是，这两种分子形式能够以完全不同的方式影响人类的生理功能。在特例情况下，病人会因为被注射的药物含有太多错误类型的手性分子而造成损伤或死亡。
对映结构比指的是特定手性化合物中右旋分子和左旋分子的比例。在较少出现的严重情况中，病人不能对药物治疗作出良好反应，因为给他们注射的药物具有不正确的对映结构比。简而言之，根据特定的手性药物及一定量度手性药物的对映结构比，且对于特定的病人来说，注射手性药物可能得不到正面的效果，而且还有可能产生很大的负面影响。这种结果十分值得警惕，因为目前仍没有一种有效的方法来测量和控制特定手性药物的对映结构比。
在美国专利No.4,498,774中揭示了一种利用气体激光器作为辐射源的色谱检测器。它的高功率辐射源可以提供出非常高的极限信噪比(S/N)。要想完全发挥其优点，则需要使用质量非常高的棱镜对以提供大约10+10的衰减比。这些棱镜对是通过测试及误差技术而由手工筛选出来的，因此当把人工费用考虑在内时，其成本将非常昂贵。一般进行手工筛选并找出用于特定棱镜的最高品质区的这项工作需要花费5～25个小时。另外，为了减小闪烁噪声，在激光器的输出端加有一个强度稳定单元。而且，为了保持高衰减比，还采用了气基调制器。这种气基调制器需要使用大量的电流，所以还需要在功率源和调制器单元上增加冷却源。这个专利于1985年2月12日被提出，现已放弃。本发明在此专利的基础上做了多种改进，并用它作为参考资料。
美国专利No.5,012,101中揭示的一种旋光度检测器，它利用了美国专利No.4,498,774中的许多原理，但它采用的是激光二极管用以提高稳定性和S/N比。该专利还采用了一种调制装置，它可通过调制辐射源的偏振旋转来产生载波。这样，光束路径中的旋光性样品就可在载波信号中产生一个可检测的幅度调制。但是，由于整体幅度调制非常小，所以需要提高检测系统的灵敏度。
此外，系统还需要更加稳固以易于设定、安装及适于普及化的大容量使用。这些增强将通过改进各个单元(如流槽)的结构而得以实现，从而减少造成消偏或错位的因素。其它的改进包括将系统部件加工成易于精确对接的形状，以便对它们进行最小的安装固定调节。另外，检测系统也可以含有多个传感器和补偿系统，以用于消除激光源中功率波动的影响。
本发明是对先前工作的一个改进。在本发明中，旋光度检测器更加小型、更加稳固，而且比先前系统更易于设定和操作。与先前系统不同，本系统采用了一种二极管激光器，其光束首先穿过一根光纤缆，从而首先被保证为一近高斯光束。另外，该激光器也可含有一个柱状聚焦透镜，它被直接粘在激光二极管的出射孔上，并位于密封窗之下。
接下来，系统利用一个格朗一汤普逊棱镜来提高激光输出的线性偏振比。但是，与先前系统所不同的是，该棱镜不需要手工筛选(如上所述)。与先前系统还不同的是，本发明所使用的法拉第旋转器含有一个置于螺线管内部的铽镓Garnet(TGG)棒。光束的偏振可根据参考振荡频率(f)而改变。这种TGG调制器所用的电流比先前工作中其它法拉第旋转器所使用的电流要小得多。
本发明所做的其它改进包括一个特制的流槽。通过对结构和密封技术的改进，使得光束可以以最小的反射和色散而通过样品材料。如果样品具有旋光性，它将改变光束偏振面的角度，进而导致检测信号出现周期性的幅度变化。为了进一步提高对幅度变化的检测，本发明采用了一个低成本的电路，它可对激光幅度的波动以及与待测信号幅度调制频率f有关的2f信号进行衰减。利用本发明不受激光波动影响的特点，就可以更好地检测手性化合物。
目前，本发明已经被采用作为高性能液体色谱(HPLC)系统中的检测器。在一个典型的HPLC系统中，液体样品首先被注入一高压展开剂流中，然后被压入一个紧密封装的柱状萃取塔内。柱状萃取塔由圆柱形耐压外壳构成，其中填充有许多很小的含有涂层的石英球。由于样品和填充材料中不同类型分子之间的亲和力存在差异，而且在展开剂的作用下，样品中不同的化学分子就可以被及时地从萃取塔中分离出来。
HPLC是一种分离技术，它可从样品中分离出化学物质，能一次向检测器提供一种物质。因此，人们就可以在样品流过检测器的流槽时，对该样品中各成分的多种物理参数(对不同波长的吸收率、折射率、传导率、旋光度，等等)进行测量。一般来说，各检测器都有自己的流槽，而且只能测量一种类型的物理参数。为了更好地对待测样品进行定量分析，串联使用两个或多个检测器/流槽也是十分普遍的。
一个采用HPLC和本发明内容的典型系统将能够对样品进行分离，而且对各分离物来说，该系统可利用光吸收率检测器来测量样品的光吸收率，从而确定样品各析出成分的总量。然后，采用本发明所述的旋光度检测器可确定净旋光度。知道了各析出成分的具体旋光度，就可以计算出对映结构比。这种过程在用于研究和质量控制的分析系统中得到了普遍使用。
另外，如果使用一个特殊的手性分离萃取塔来分离对映体，本发明也可用于鉴别旋光方向并由此鉴别对映体。这种手段是属于典型的制备应用，它能够采集和/或浓缩所需的对映体。此外，过程控制系统也可采用本发明来帮助优化用于产生优选对映体的条件。与之相反，本发明所述的检测器也可用于使不需要的对映体达到最少。
在一般实践中，分析应用是最为困难的，而且其重点都放在仪器设计上。这是因为它们需要较小容量的流槽，而且还必须有足够的灵敏度来检测非常稀释的样品。而制备及过程控制应用一般则使用较大的流槽，而且经常具有样品浓度较高的优点。本发明所提供的检测器能够立刻应用于任何一个上述建议的应用。
因此，本发明是一种光学仪器，它可使一束很窄的激光束通过流槽窄长的腔体。分析应用(例如)一般可采用内径0.030英寸、长度2英寸的流槽。当光束穿过格朗-汤普逊棱镜之后，它将具有很高的线性偏振比(一般为100,000∶1)。流槽被设计成可使液体连续流过其窄长的腔体，因此就使得液体和光束相互作用。随着液体流过流槽的腔体，光束线性偏振面的旋转将被测量。由于样品在流槽中流动而造成的旋光一般远远小于+/-1度。通过本发明所揭示的技术，在检测器通电打开30～45分钟后就可对样品进行精确的测量。而在先前系统中，为了进行全部必要的对位和调节，从通电到采样所需的典型时间最多将达到25小时。
因此，本发明的一个目的就是提供一种改进型旋光度检测器，它尤其适用于在高性能系统中进行检测、分离以及测量手性化合物和/或有关医用药物的对映结构比。
本发明的一个有关目的是提供一种改进型光学检测器，它可利用一根光纤或透镜来将激光二极管的光束调节为近高斯分布。
本发明的另一个目的是提供一种含有一个经改进的流槽的改进型光学检测器，此流槽可以使通过手性物质的激光束具有最小的机械二次折射性。
本发明还有另外一个目的就是提供一种含有补偿电路的改进型光学检测器，此电路能够从主光检测器信号中检测并提取反射光检测器信号，从而使幅度调制信号具有较高的可检测分辨率，而且它还能防止由于激光波动所造成的影响。
本发明的另一个目的是提供一种含有流槽和安装块部件的光学检测器，这些流槽和安装块部件被加工成更易于拆卸，而且它们不会对整体对位造成很大的损失。
本发明的一个有关目的是提供一种改进型光学检测器，它能够在比先前系统所用时间少很多的时间内进行设定和使用。
通过以下说明及附图，参照图解及例证以及本发明的具体实例，将使本发明的其它目的和优点变得更加清楚。这些附图构成了本说明书的一部分，并包含有本发明的优选实例。它可用于说明本发明的多种目的和特点。
图1是一种旋光度检测器结构的侧视图，它画出了底座和其上安装的激光器、第一棱镜，法拉第旋转器、流槽，第二棱镜以及检测器。
图2是流槽组件的刨视图。
图2A是流槽组件的端视图。
图2B是流槽组件的侧视图。
图2C是流槽密封垫圈的端视2D是流槽环形端垫圈的端视图。
图2E是流槽端帽的端视图。
图2F是流槽端帽的侧视图。
图2G是另一个实例中所描述的流槽，它含有一个用于安装光学窗替代结构。
图2H是用于图2G所示流槽的端帽的端视图。
图2I是图2H所示端帽的侧视图。
图3A是位于安装底座中法拉第旋转器的侧视图。
图3B是法拉第旋转器的侧视图，它画出了螺线管的中心部分。
图4(4A-4F)是一个机械图，它显示了V型块安装固定件的正视图(4A)，俯视图(4B)和侧视图(4C)，以及用于将流槽支撑在安装固定件上的顶部安装条的正视图(4D)，俯视图(4E)和侧视图(4F)。
图5是一个电子框图，它显示了对检测信号的处理过程。该过程能够去除激光的幅度波动，它还能对2f频率信号进行陷波处理。因此可以通过减低非样品干扰波动而提高测量频率信号的分辨率和稳定性。
图5A显示了2f幅度调制信号的曲线，非2f幅度信号曲线以及频率为f的幅度调制结果信号。
图6显示了相对于激光幅度的锁相放大器输出。当使用能够去除激光幅度波动的补偿电路后，激光幅度的变化将不会严重影响锁相放大器的输出结果。
图7是一个波谱图，它记录了对含有混合旋光性分子的样品所做检测的结果，以及计算实际对映结构比所得的检测结果。
尽管对本发明所作的说明是参考具体优选实例而进行的，但是熟练人员可以立刻明白，任何对本发明的修改、重组及替换都不会脱离本发明的精神。本发明的范围由附加权利要求来决定。
现在参看图1，其中显示了一个底座10。该底座一般由固体氧化铝制成，它可以稳固地支撑检测器组件中的各个元件。各元件一旦安装到位后，一般不需要用户重新调节(如激光器、棱镜、检测器，等等)。先前系统允许太多的调节，所以常常造成对位不准。在本系统中，流槽十分独特，它经常需要改变和/或清洗，可拆卸性是它必须有的一个发计特点，即，使用户在此单元重新安装后无需重新对这个底座进行对位。本系统的优点在于，一整套系统组装、垫补及对位所需的时间远远小于先前系统。被安装元件的总长M1为18.91英寸，激光器组件的聚焦长度M2为7.874英寸。安装孔8和9之间的长度M3为17.000英寸。
检测器组件包括一个激光器单元12，它含有一可见激光二极管，其工作波长为690纳米，功率输出为10毫瓦。该激光二极管与一根单模光纤(未示出)相耦合，光纤的长度一般为2米。光纤的输出被耦合至一个聚焦透镜14，此透镜可将光束聚焦至流槽20中。采用这种结构是因为激光二极管的输出一般在两个扩散角的形状上具有像散性和不对称性。但是，通过一定长度的光纤后，光束已基本上完全对称而且没有像散，因而可被聚焦形成一束很好的近高斯光束。
另一种使光束达到满意形状的方法是，在密封窗下放置一个柱状透镜，并使其直接面向激光二极管的出射孔。还有一种方法，即，利用多个透镜组和棱镜来实现近高斯光束。光束的形状十分重要，例如，因为任何被流槽壁反射回来的光都会造成消偏并增加系统的噪声。因此，为了获得最大的灵敏度，让全部光束都没有反射地通过流槽是非常重要的。
格朗-汤普逊棱镜16可将激光输出的线性偏振比从100∶1提高到100,000∶1。法拉第旋转器18用于将偏振面旋转到旋转器的中心轴线上，该轴线与光束共轴。图3A显示了位于安装固定件19上的法拉第旋转器18，此固定件可将旋转器固定在光学底座10上。法拉第旋转器含有一根TGG棒，该TGG棒置于一个螺线管中，其直径和长度一般分别为5毫米和30毫米，参看图3B，螺线管一般由4000圈30#磁线均匀缠绕在40mm长、内孔直径为7mm的非磁性短管(如聚甲醛树脂)上而构成。法拉第旋转器的螺线管由参考振荡器以频率为f(一般为500Hz)的正弦信号驱动(见图5)。
现在参看图2，其中流槽20(图1中)被以剖视图的形式显示出来。如上所述，该流槽用于使展开剂和样品流过线性偏振光束。流槽20的流槽体22一般由316不锈钢制成，它被加工成适合于安装到V型块安装固定件中(见图4)。当然，它也可采用其它合适的材料。具体来说，对流槽体22和固定件24的加工应满足使不同的流槽都可用于相同的V型块而无需重新对位。进行这种柱状加工必须十分精确，而且V型块的形成也必须非常精确。这两种形状合起来就产生了一个唯一的界面，该界面允许拆卸而无需重新对位。这是流槽安装的一个重要特征，因为流槽可能需要被周期性地移动、清洗或者放置在一起。而在上面揭示的系统中，每当流槽被更换或清洗后都要进行困难的对位处理。
现在参看图2A和2B，其中显示了本实例所述流槽的各向尺寸。流槽体的长度L1在组装和打磨后为1.969英寸，其误差为+/-0.005英寸。槽体边缘与中心线1(CL1)的距离R1为0.550英寸。流槽的最大直径D1为1.200英寸。胶孔46(见以下的流槽组装细节)位于与端面34距离为0.73英寸的地方，其直径D3为0.05英寸。从端面34到端面36沿流槽体22的顶部开有一个平滑的缺口45。如下所述，此缺口可使顶部横穿部件置于流槽之上以使流槽支撑在固定件内。
在流槽20的端视图2A中，显示了一个0.177英寸的通孔52，它延伸进流槽体22一定长度。另外，图2A还显示出两个零件对位孔54、56(沿CL1180度)，其标称直径为0.125英寸，深0.3英寸，其中心与流槽中心之间的半径R2为0.950英寸。四个其它零件通孔58、60、62和64用来固定螺丝，它们与中心线CL1和CL2相互间隔45度，并被钻成#4-4X0.3英寸深，其中心与流槽中心之间的半径也为0.950英寸。
参看图2、2A和2B，在流槽体的中心处用环氧树脂粘接有一根熔石英毛细管(4mm外径OD×0.75mm内径ID)。这个主腔体内的厚毛细管可以减少漫散射及其造成的消偏，因为那些不能穿过腔体的激光束部分(如一部分碰到熔石英毛细管固体部分的激光束)不太可能散射进检测器。光束散射越小，系统噪声就越低。
另外，在流槽22的凹槽44上缠绕有一个入口管26和一个出口管26’。在本实例中，凹槽宽0.40英寸，深0.07英寸。凹槽的深度和宽度可随具体使用时所需管子总量而变化。入口管26终止于人口孔28，出口管26’则终止于出口孔30。
另外，在流槽体22的两端34和36上分别钻有小孔。小孔48’和50’起始于熔石英毛细管的外部并与流槽的中心轴线成45度角向外延伸至锥口孔48(输入)和50(输出)。将入口孔28(从点48处进入槽体)置于槽体底部而将出口孔30(位于槽体的锥口孔50上)置于槽体顶部，此举便于用气体(如空气)泡对流槽进行冲洗。此外，每个45度孔48’、50’都是从流槽体22的直径外侧钻出的孔，它们用于接纳管26和26’。适用于分析应用的优选实例使用1/16英寸外径的管子，其入口管的内径为0.010英寸，出口管的内径为0.030英寸。45度锥口孔48’和50’一端的直径为0.030英寸，而另一端的直径D2则为0.062英寸，其钻入深度L4为0.25英寸。
管26和26’被卷绕在流槽体的中间部分32上，并且它们被钎接在45度锥口孔48’、50’以及中间部分32上。在中间部分卷绕和钎接可以大大减少流槽的温度变化率。在流槽的各端面34和36上分别盖有密封垫圈38和48。这些垫圈可由多种材料制成，它们包括三氟氯乙烯(Kel-f)、聚氯乙烯丙烯(FEP)、四氟乙烯(TFE)，或其它合适的材料。现在参看图2C，其中各密封垫圈都有一个槽42，它允许液体在熔石英毛细管的中心腔体和入口孔或出口孔之间流动。在本实例中，槽42高0.190英寸，宽0.060英寸，其端半径为0.030英寸。另外，密封垫圈38,48的厚度都为0.030英寸而且含有一套对位孔55(两个)和螺丝孔59(四个)，这些孔与流槽体22上的孔58-64相互对应。
再参看图2，各密封垫圈外盖有光学窗。在本实例中，柱状光学窗直径为0.492英寸，其长度L5为0.236英寸。它由平行度为5弧度的熔石英制成且涂有680nm的V涂层(在670到690nm时的反射率＜5％…单面)。这种材料可以从如加州的Melles Griot of Irvine实验室中获得。
各光学窗由长度L8为0.335英寸的端帽74和76固定。如图2E和2F所示，每个端帽上也都含有一套对位孔79(两个)和螺丝孔77(四个)，它们与流槽体22及密封垫圈38、48上的孔58-64相对应。该端帽的外部直径D6为1.200英寸，其通孔的直径D8为0.200英寸。该端帽上较小部分的长度L7为0.235英寸，直径D7为0.700英寸。另外，该端帽上还有一个面向流槽的内部柱状空腔78，其直径为0.500英寸、深度L6为0.500英寸，它用于接纳光学窗的突出端。一般来说，该端帽由聚醚酮醚(Polyetheretherketone)(PEEK)制成，也可采用其它类似的适合材料。
如图2和2D所示，在各端帽74、76和光学窗66、68之间都放置有一个环形端垫圈70、72。与上述垫圈一样，这些垫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)，或其它合适的材料。在本实例中，此垫圈的厚度为0.020英寸，其外部直径D4为0.490英寸，其内部孔径D5为0.200英寸。
尽管在本实例中画出了这样的端垫圈，但实际上并不需要它们。之所以使用它们，是为了给光学窗66、68提供一个平滑的界面，并且由此使得二次机械反射达到最小。一般来说，与由已有相对平滑的材料制成的端垫圈相比，使端帽的内接触面平滑是比较困难的。所以，可以利用垫圈来提供平滑的接触面(如图2所示)，或者也可以通过充分的加工和打磨而将流槽做成不需要利用垫圈来提供内部界面。
现在参看图2G，其中显示了另一种流槽的结构。在本实例中，流槽200与前面一样使用了交替卷绕在中心凹槽32上的入口管26和出口管26’。入口管26进入流槽的底部，其另一端为28。出口管26’位于流槽的顶部，其另一端为30。同样，本实例也在流槽体22的两端使用了密封垫圈38和48。但是，光学窗66、68却以与上面不同的方式安装在流槽上。其端帽202、204与上述端帽的不同之处在于，它们被直接安装在密封垫圈38和48上而没有用于接纳光学窗的空腔78。光学窗66、68直接粘在端帽的外侧端204和206上。
再参看图2H和2I，其中显示了端帽202、204的正视图和侧视图。每个端帽的直径D6都为1.200英寸，其长度L3为0.200英寸。如图所示，各端帽上也都含有一套对位孔208(两个)和螺丝孔210(四个)，它们与流槽体22和密封垫圈38、48上的孔58-64相对应。其中心通孔的直径D9为0.100英寸。在端帽朝外的侧面216上，形成了一个柱状缺口212，其外径为0.40英寸、内径为0.20英寸、深度为0.10英寸。因此在中心孔的周围形成了一个环形岛214，其外径为0.20英寸。
要安装光学窗，首先将它夹在缺口处并使其面向侧面216。然后，通过胶孔218向内注入硅胶，硅胶将穿过端帽的另一侧并进入缺口212。实际上，可将胶注入一个孔，直到它从另一个孔中溢出为止。光学窗66、68的外径比缺口的外径稍大一些，胶沿着缺口与光学窗相接触，从而使光学窗固定在环形岛214上。当胶变干后，它将收缩并紧紧地拉住光学窗使其安全地固定在环形岛214上。这种安装技术的优点在于，不会有外界拉力施加在光学窗上以造成机械二次折射和对位不准。但是，对这种结构十分重要的是，必须在流槽使用过后对其进行彻底的清洗，以防止固定用的胶发生结晶并造成光学窗松脱。
现在参看图4，其中画出了一个实例V型固定件24的俯视图、正视图、仰视图和侧面投影图。对本实例来说，“V”型块由316不锈钢精确制成。其中心131内的两个“V”型部分都与两侧成45度角，并且它能够在其1.2000的外侧直径点上精确地放置流槽体的中心--该点距固定件底部的高度H1为1.570+/-0.001英寸。这里，只有“V”型块接触到流槽体的1.2000外侧直径处是最重要的。例如，“V”型块的底部就不需要精确加工。
图4A显示了高度为H1的“V”型块的正视图。俯视图4B显示了沿着CL4和CL7的对位孔和安装孔132(两个)，每个对位孔和安装孔132的直径都为0.280英寸。通过这些孔，就可利用1/4-20内六角螺钉将“V”型固定件24紧固在光学底座10上。四个螺丝孔134沿着CL3、CL5、CL6和CL8被钻入0.5英寸深以用于接纳#8-32螺丝。固定件的长度L9为1.90英寸，“V”型块的长度L10为0.30英寸。固定件的宽度W1为2.70英寸，螺丝孔中心的宽度W2为2.250英寸。因此，各螺丝孔134与CL4的距离都为1.125英寸。图4C显示了固定件的正视图，其长度L1为1.90英寸、高度H2为0.70英寸。在图4D、4E和4F中显示出一个顶部安装条25，它可从顶部向下夹住流槽。沿CL3、CL5和CL6的两个通孔136，其直径都为0.177英寸，它允许螺丝穿过顶部安装条并拧入固定件24的螺丝孔134中。顶部安装条的尺寸为H3=0.40英寸，L12=0.30英寸，W4=0.30英寸。如图所示，这种安装固定件含有两个空间分离的“V”型块，每个块都单独使用一个顶部安装条。
这种实例化的流槽和安装设置是有好处的，因为人们发现，如果光学窗受力，则机械引入的二次折射将造成大量的系统噪声。也就是说，组装流槽过程中所产生的机械应力会造成光束的消偏，而这也可以看作是检测中的噪声。通过上述说明，采用以下步骤组装流槽可减少或消除这种二次折射问题(1)加工流槽体22，但在全部组装步骤结束之前不要对端面进行打磨；(2)将入口管26和出口管26’卷绕在流槽体22的凹槽44中。管子的卷绕应该沿流槽体的轴向按照人口/出口/人口/出口的交替顺序进行。各管都应整齐地紧贴流槽轮廓排列并且至少绕1.5圈。然后将各管子放入相应的锥口孔48、50中。应再次注意，人口在侧对的平开口上，而出口则在相邻的平开口上；(3)不锈钢管应被钎焊在两个锥口孔内并位于凹槽中的卷绕物内。通过精确的测量，就可以避免它在钎焊期间被插入管端。钎焊完成后，组装人员应确认管端未被插入；(4)将一根熔石英毛细管(0.75mmID X 4mm OD)放入流槽体22，使管内径的中心与流槽体22的1.2000外径的中心之间的差在+/-0.001英寸之内。通过使用“V”型块固定件来支撑流槽体并用丝锥钻孔以支撑熔石英毛细管的突出端，可以较容易地完成这项工作；(5)通过将环氧树脂压入胶孔46直到多余的环氧树脂从两端滴出，并且使所有的内部空隙都被充满，就可以封住所有露孔并将玻璃直毛细管粘结在流槽体内；(6)当环氧树脂完全凝固后，对流槽体的两端进行打磨，直到它们十分平滑并且与玻璃直毛细管的轴线相互垂直为止。而其还要使0 030的通孔与包围在玻璃直毛细管周围的环氧树脂之间断开的缝隙为0.008+/-0.004英寸。
(7)按下四个定位或对位脚(直径0.125英寸，长0.5英寸)，使它们从端帽面上突出0.2英寸。对齐端帽和密封垫圈，然后用四个4#-40的螺丝将端帽固定。
其它的光学窗支持方案也曾得到过尝试，其中就包括图2G所示的另一种结构。虽然这种方案有确定的优点(如低机械二次折射)，但它没有第一个优选实例所述方案那么牢固。另外，此方案中，在注入硅胶并使胶处于光学窗和安装面之间时，胶常常不能保持为正确的液体状态，其结果将造成胶失效并导致流槽泄漏。在本方案中，泄漏问题--还有机械二次折射问题--都达到最小程度。
再参看图1，其中显示了一个第二格朗-汤普逊棱镜80，它被作为分析器而安装在光学底座10上的流槽20之后，棱镜80由安装固定件82支撑，并且与通过流槽20的光束对准。棱镜80的通过轴与第一格朗-汤普逊棱镜的通过轴成90度角。其结果使得只有很少的光能通过这个分析棱镜。法拉第旋转器振荡旋转的作用是将偏振面从标称零位或最小通过率条件(当两棱镜互成90度时)转移开。振荡以频率f进行。这种振荡旋转一般很小，即，小于+/-1度。还有，当与零位或最小通过率有关的对称振荡操作处于正常工作条件时，这种对称性不需要被用于操作之中。
通过分析单元的光将照射在硅光检测器84上(它位于光束直线之上)。检测器84被安装固定件86保持在固定位置上。因此，主光检测器的输出信号是以2f或两倍于参考振荡频率的频率而调制的幅度。其原因是，当法拉第旋转器以任一方向转动时，穿过第二格朗-汤普逊棱镜并照射在光检测器84上的光都会增强。光强之所以增加，是因为法拉第旋转器的转动将使光束的偏振面从两个棱镜16和18之间的最小通过率关系中转移开。当一个旋光性样品通过流槽时，将产生另一个处于参考振荡频率f的调制单元(一般很小)。这个调制信号的幅度可以被探知并量化，从而说明了由样品造成的偏振面转动的净转动角。这种检测方案已经普遍应用于先前工作中。
现在参考图5，通过引入一个补偿电路，本发明大大提高了这种检测方案的可靠性。该电路需要放置一个第二光检测器(与第一光检测器类似或相同)，它用于捕获分析棱镜80的入射面所反射的光。这个反射光束不会因偏振的变化(由通过流槽20并影响光束偏振的旋光性样品造成)而被调幅，它也不会法拉第旋转器的转动而调制(类似于图5A中的曲线90和幅度范围88)。但是，此反射光束却可被激光幅度的任何变化所调制。
图5的框图显示了补偿电路101及其相关的信号处理。主检测器100的信号(类似于图5A中的曲线92)和反射光检测器102的信号分别送入灵敏低通滤波器104和106。在本实例中，这些滤波器都采用了运算放大器(op-amp)元件，它们首先将输入电流转换为相应的电压，然后有效地进行信号过滤，其衰减响应频率为750Hz。低通滤波器可以消除较高频率的一般噪声，还可以衰减一些2f信号。
补偿电路101还利用了连接成反相器的运算放大器108及求和反相器110，它们可将主信号反相并将反相结果与反射信号相加。可变电阻器109用于调节主信号与反射信号的平衡，从而使两信号完全抵消。这些调节过程可由厂家来完成，其做法是，在激光输出中引入调制并调节电阻109，直到检测到零信号为止。这种信号的“相减”可以衰减任何由于激光束功率的波动而造成的幅度波动。由于主信号和反射信号都会受波动的影响，所以将两信号相减就可以产生一个稳定的信号。这个稳定信号将只体现出由于旋光性样品通过流槽并影响光束的偏振面而形成的幅度调制。
可采用一多阶陷波滤波器112作为附加装置来进一步衰减与f信号有关的2f信号。此陷波滤波器也类似地由低成本运算放大器元件构成。因此，从整体来看，低成本运算放大器补偿电路101(由虚线表示)可被设计用来衰减由激光功率波动造成的影响，并且还可用来衰减2f频率。
频率为f的结果信号(类似于图5A中的曲线94和幅度范围96)将由一个锁相放大器来处理，该锁相放大器由参考振荡器116驱动。锁相放大器(有时也称相敏检波器)能够输出一DC电压，该电压与补偿信号中频率为f的信号的幅度和相位成正比。锁相放大器具有极强的选择性，并且主要受与参考振荡频率相同的信号的幅度及相位调制的影响。此参考振荡器同时还以频率f来驱动法拉第旋转器118。锁相放大器的输出可用来驱动谱图记录仪或计算机化的数据采集系统。
另一个替代实例也采用了补偿电路，但是它没有第二光检测器102。在图5中，它可以用清除单元102、106、108、109和110来表示。其结果是，低通滤波器104和陷波滤波器112仍可对主光检测器信号中的2f信号进行衰减。因此，使用相对“安静”的激光器的系统可以从该补偿电路中受益，因为此补偿电路可以衰减不需要的信号因素。
现在参看图6，其中显示了因使用补偿电路而受益的一个实例。锁相放大器的输出的由曲线140表示，它与激光幅度142处于同一时刻。如图所示，在时刻144，激光幅度中的波动增加并变得更不稳定。但是，信号140中的相对噪声电平141却不受激光幅度输出中尖峰145的影响。如果这种变化出现在信号140中，将会导致检测限的下降。
所以，补偿电路是很重要的，因为所有的激光都有“闪烁”噪声或短期的幅度变化。目前．很难制作或购买到“闪烁”噪声小于0.1％的激光器。锁相放大器(相敏检波器)的输出对“闪烁”噪声十分敏感。为了使系统噪声低于几百个微度的旋度，则“闪烁”噪声必须好于0.05％，或者必须使用一些补偿装置。这种补偿的办法已经被广泛地应用于激光技术上。本发明揭示了一种技术，它能够消除信号中的“闪烁”噪声。其优点在于，例如，降低了成本和复杂性。
综上所述，随着旋光性样品通过流槽，锁相放大器的输出将根据样品所造成的偏振面旋转的方向和量度，向正方向或负方向偏离标称溶剂的基线。锁相放大器的输出所漂移的方向和量度与由样品造成的旋光成正比。据此，手性化合物的状态和/或总量和/或净旋光度就可被检测出来。如上所述，这种稳定且灵敏的检测器可用于分析性应用、制备性应用或过程控制应用。还有可能用旋光性溶剂来检测由于样品没有旋光性而造成的旋光减少。建议其它的分析或处理方案也采用它们作为当前应用。
图7是上述系统输出的一个实例。其中，蜜三糖(R)和果糖(F)被稀释至浓度为0.1毫克/毫升并被直接注入流槽之前的溶剂流(无萃取塔)。在长度为2厘米、浓度为0.1毫克/毫升的情况下，蜜三糖的旋光度为+526,000微度，而果糖则为-447,500微度。其相应峰值被标注为R和F。现注入比例为50∶50的两种液体的混合液，并将其峰值标注为R+F。如图所示，其结果峰值等于净旋光度526,000-447,500=78,500微度。另外，激光幅度的波动(图中用160表示)不会过分地影响本系统的输出。因此，本发明所述的系统不但具有较低的噪声电平，而且还有更加灵敏的检测限。该图表的速度=1cm/min，而且检测器使用了可注入20毫升液体的20毫升流槽。锁相放大器的输出在图中用162来表示，其对应的激光幅度为160。
实际上，锁相放大器的输出经常与质量检测器(如吸收检测器)一起使用，当测得质量和净旋光度之后，就可计算出对映结构比。如上所述，不精确的比例有可能在药物和医学应用中造成灾难性的后果。
很明显，尽管对本发明所做的说明是以确定的形式而进行的，但本发明并不仅限于本文所述的特定形式或结构。熟练人员应该懂得，各种对本发明所作的修改都不会脱离它的精神，而且本发明也决不仅限于本说明书及附图所述的内容。
权利要求
1．一种改进型旋光度检测器，其光学底座上固定安装并对准有多个元件，上述元件的特征在于包括(ⅰ)一激光光源系统和用于产生近高斯激光束的装置；(ⅱ)一第一偏振装置，它可将上述激光束的线性偏振比至少提高1000∶1；(ⅲ)一法拉第旋转器，它可改变上述光束的偏振状态，上述旋转器被一交变电流源、或参考振荡器以频率f驱动；(ⅳ)一流槽，它可使展开剂和样品流过上述线性偏振光束；(ⅴ)一第二偏振装置，它与上述第一偏振装置可使偏振光通过的方向成90度角，上述第二偏振装置的特征在于，它可衰减通过其本身的大部分偏振激光束；(ⅵ)一光检测器，它可对含有幅度调制光(从上述第二偏振装置出射)的信号进行检测；(ⅶ)一补偿电路装置，它可产生一补偿信号以衰减频率不为f的信号；以及(ⅷ)一个被上述f频率振荡器驱动的相敏检波器(或锁相放大器)，它可读出频率为f的补偿信号的幅度调制。
2．如权利要求1所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述补偿电路装置用于滤除频率不为f的干扰和噪声，上述电路包括用于过滤上述光检测器信号的低通滤波器和陷波滤波器。
3．如权利要求1所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述检测器还包括一第二光检测器，它直接面向从上述第二偏振装置的入射面反射回来的光。而上述补偿电路装置则用于从激光光源中减去幅度波动并滤除频率不为f的干扰和噪声，此电路的特征在于包括(ⅰ)至少一个可对上述第一和第二光检测器信号进行滤波的低通滤波器；(ⅱ)一求和装置，它可对上述第一和第二光检测器信号进行相减运算；以及(ⅲ)至少一个用于从结果中滤除不需要的信号元素的陷波滤波器。
4．如权利要求3所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述补偿电路装置由运算放大器组成，该运算放大器被设置成可以过滤并处理上述光检测器信号。
5．如权利要求4所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述补偿电路还包括至少一个可变电阻器件，该器件允许对上述第一和第二光检测器信号所做的相减操作进行平衡控制。
6．如权利要求1所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述激光系统含有一个激光二极管，而且上述用于产生近高斯激光束的方法，其特征在于它使激光束通过了一根光纤。
7．如权利要求1所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述激光系统含有一个激光二极管，而且上述用于产生近高斯激光束的方法，其特征在于包括在密封窗下、激光二极管的出射孔处安装一柱状透镜。
8．如权利要求1所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述流槽包括一含有中心凹槽的流槽体；卷绕在上述流槽体中上述凹槽内的入口管和出口管；一对密封垫圈；一对光学窗；一对端帽，每个端帽上都有安装孔和对位孔，它还带有用于将上述端帽和各流槽体端密封连接的附件装置。
9．如权利要求8所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述流槽利用一熔石英管穿过其轴线中心，上述管采用一毛细管作为其主腔体，而且上述毛细管的尺寸充分大于光束，从而使得上述光束的散射以及由此造成的消偏达到最小；
10．如权利要求8所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述流槽经组装而成，而且其上安装有被上述端帽固定的上述述光学窗，从而使机械引入的二次折射达到最小。
11．如权利要求8所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述端帽含有一个四周都为缺口的中心环形岛，而上述光学窗被夹在上述端帽内并被注入上述缺口的胶所固定，上述夹子在上述胶凝固后将被移走。
12．如权利要求8所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述入口管和出口管卷绕在上述流槽体上，从而使流槽的温度变化率达到最小。
13．如权利要求1所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述法拉第旋转器使用了一根铽镓Garnet(TGG)棒。
14．如权利要求1所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述用于精确安装固定流槽的固定件包括一“V”型块固定件(它可在一界面上支撑上述柱状流槽)和一顶部安装条(它与上述固定件相连接并可将上述流槽保持在固定位置)，通过对上述“V”型块和上述流槽之间接触面的加工，使得对流槽的移动和更换不需要与上述各检测器元件重新对位。
15．一种改进型旋光度检测器，其特征在于包括一激光二极管光源系统；一第一偏振装置，它用于提高上述激光束的线性偏振比；一法拉第旋转器；一流槽；一第二偏振装置，它与上述第一偏振装置可使偏振光通过的方向成90度角，上述第二偏振装置的特征在于，它可衰减通过其本身的大部分偏振激光束；一光检测器，它可对含有幅度调制光(从上述第二偏振装置出射)的信号进行检测；一个被上述f频率振荡器驱动的相敏检波器(或锁相放大器)，它可读出频率为f的信号；其改进包括(ⅰ)一与激光二极管相连接的装置，它用于产生近高斯光束；(ⅱ)一柱状流槽装置，其结构可使机械二次折射和光的像散达到最小；(ⅲ)一经过加工的“V”型块，它用于使上述柱状流槽精确对位；(ⅳ)一第二光检测器，它用于检测含有从上述第二偏振装置的入射面反射回来的光的信号；(ⅴ)补偿电路装置，它可产生一补偿信号以衰减频率不为f的干扰和噪声；
16．如权利要求15所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述补偿电路装置包括(ⅰ)至少一个可对上述第一和第二光检测器信号进行滤波的低通滤波器；(ⅱ)一求和装置，它可对上述第一和第二光检测器信号进行相减运算；以及(ⅲ)至少一个用于从求和结果中滤除不需要的信号元素的陷波滤波器。
17．一种改进型旋光度检测器，其光学底座上固定安装并对准有多个元件，上述元件的特征在于包括(ⅰ)一激光光源系统和用于产生近高斯激光束的装置；(ⅱ)一第一偏振装置，它可将上述激光束的线性偏振比至少提高1000∶1；(ⅲ)一法拉第旋转器，它可改变上述光束的偏振状态，上述旋转器被一交变电流源、或参考振荡器以频率f驱动；(ⅳ)一可替换的柱状流槽装置，它被精确安装在固定件上，上述流槽可使展开剂和样品流过上述线性偏振光束，上述流槽利用一熔石英管穿过其轴线中心，上述管采用一毛细管作为其主腔体，而且上述毛细管的尺寸充分大于光束，从而使得上述光束的散射以及由此造成的消偏达到最小；(ⅴ)一第二偏振装置，它与上述第一偏振装置可使偏振光通过的方向成90度角，上述第二偏振装置的特征在于，它可衰减通过其本身的大部分偏振激光束；(ⅵ)一检测器装置，它用于检测通过上述第二偏振装置的光束；以及(ⅴ)一补偿装置，它用于处理上述检测信号。
18．如权利要求17所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述检测器含有一个光检测器，而且上述补偿装置含有用于从上述检测信号中滤除不需要的元素的电路。
19．如权利要求18所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述检测器装置包括一个第一和第二光检测器，上述补偿装置包括用于从上述检测信号中滤除不需要的元素的电路，以及用于从上述第二信号中减去上述光检测器第一信号的电路。
20．如权利要求1所述的改进型旋光度检测器，其特征在于上述各元件被牢固安装并经过预先对位，从而使此系统能够在启动后约一小时内进行样品检测工作。
全文摘要
一种用于对样品溶液中旋光性分子化合物进行检测的改进型旋光度检测器包括:一激光二极管(12)并且利用一根光纤或透镜(14)来提高激光光束的质量,一频率为f的参考振荡器(18),一第一偏振器(16),一特制的流槽(20),它可使其光学窗中的机械二次折射和泄漏达到最小,一第二偏振器(80)以及一经改进的检测装置(84)。该检测装置包括一个用于读出第一和第二信号的第一及第二光检测器,其中第一信号与通过第二偏振器的光相关,而第二信号则与第二偏振器的反射光相关。一补偿电路可对两信号进行低通滤波处理,它能将其中一个信号反相,并将此反相信号与另一个信号相加,然后它将对不需要的信号元素进行陷波处理以产生经补偿后的信号。该经补偿后的信号将与参考振荡器一起驱动锁相放大器,以读出频率为f的幅度调制信号。这个经补偿后的信号可以说明了样品的旋光度,并且还不受激光功率波动的影响。
文档编号G01N21/05GK1209873SQ97191902
公开日1999年3月3日 申请日期1997年1月27日 优先权日1996年1月31日
发明者加里W·亚尼克 申请人:加里W·亚尼克