用于光度测量或光谱测量检查液体样品的设备

摘要

本发明涉及一种用于光度测量或光谱测量检查液体样品（2）的设备（1），其包括能够设置在辐射源（4）和辐射检测器（5）之间的光路中并且容纳将被检查的液体样品（2）的试管（3,3'）、用于耦入通过辐射源（4）产生的与样品体积（8）相互作用的辐射（20）的透光入口部分（6）、以及用于耦出将要在辐射检测器（5）中被检测的辐射（20''）的透光出口部分（7），其中入口部分（6）具有以入射辐射（20,20'）被以会聚透镜的方式聚焦的方式凸出弯曲的入口表面（11）并且/或者出口部分（7）具有以入射辐射（20,20'）被以会聚透镜的方式聚焦的方式球状凸出弯曲的出口表面（12,12’）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光度测量或光谱测量检查液体样品的设备， 该设备包括可设置在辐射源和辐射检测器之间的光路中并且容纳将被 检查的液体样品的试管、用于耦入通过辐射源产生的与样品体积相互 作用的辐射的透光入口部分、以及用于耦出将要在辐射检测器中被检 测的辐射的透光出口部分。

背景技术

这种设备可用于进行分析方法以定性和定量检测液体样品的化学 参数。试管构成容纳将被检查的液体样品的液槽。样品与充足的试剂 反应以引起可被光度测量测量的溶液的光学性质的变化。为了这个目 的，提供根据应用产生可见光、红外光或紫外光的辐射源。试管显示 对所使用的激发辐射透明以耦入激发辐射的入口窗，该激发辐射在穿 过样品体积之后经由出口窗耦出。到目前为止，通常利用具有显示所 包含的入口窗和出口窗的平面平行壁的试管执行试管测试或等效测 试。此外，在许多情况下提供透镜系统以在从辐射源到检测器的它的 路径上实现适当的光束偏转或光束变换。

在透射光折射计的情况下，例如，从DE4223480A1已知在产生 发散光束的单色光源的远心光路中设置空心试管的实践，该发散光束 在穿过试管之后通过聚光镜形成平行光束并通过透镜聚焦到线形传感 器上。这种设备允许将被检查的辐射精确偏转和成像，这特别适合于 各自的应用。不利地，这种成像系统成本非常高；而且，安装和调节 光学系统是困难的并且通常仅能由具有必要技术技能的人员执行。此 外，包含大量的转换区域和界面，导致成像错误和性能损失。

在另一情况下，DE3835347A1描述具有通过利用受激的散射过 程用于激光强化或相位共轭的半圆端的液槽。

而且，从DE102006052887A1、EP0404258A2和DE4336520 A1已知不同类型的浊度传感器。

发明内容

通过对比的方式，本发明的目的在于创造一种最初描述类型的结 构简单、可成本高效地生产的设备，该设备能够精确成像用于检查液 体样品的激发辐射并且易于安装和调节。

在最初描述类型的设备中,通过具有以入射辐射被以会聚透镜的 方式聚焦的方式凸出弯曲的入口表面的入口部分和/或具有以入射辐射 被以会聚透镜的方式聚焦的方式球状凸出弯曲的出口表面的出口部分 实现这个目的。

相应地，旨在耦入或耦出辐射的试管表面中的至少一个是凸出弯 曲的，以便入射辐射可被聚焦，即，可降低光束扩展。以这种方式， 试管直接假设至今与试管功能和建设性分离的光学系统的任务。通过 具有集成到试管的光束形成的基本元件，可提供可在辐射源和辐射检 测器之间的光路中容易地设置并定位的紧凑、成本高效的光度测量设 备。因此，安装费用大大减少；而且，与具有单独的光学系统的传统 设备相比，调节大体上更简单。转换区域的数量大体上低于具有外部 光学系统的设备的转换区域的数量，从而可最小化成像错误和性能损 失。该设备因此特别适合于需要快速和成本高效地执行的光度测量或 光谱测量检查，不需要复杂的高品质光学系统但需要尽可能简单的操 作。优选地，入口表面和出口表面都凸出弯曲，从而实现双凸会聚透 镜的组合效果。然而，根据应用，可以想象，入口表面或出口表面凸 出弯曲；则该配置可与平凸会聚透镜相比拟。当然，本发明不旨在限 制于仅具有一个入口表面或出口表面的试管；具体而言，经常需要在 超过一个出口部分处耦出光束，以获得与样品体积相互作用的辐射的 附加信息。凸出弯曲的入口表面和/或出口表面可沿着试管的整个入口 部分或出口部分延伸；然而，可以想象具有仅某些部分凸出弯曲的入 口部分和/或出口部分。优选地，入口部分和/或出口部分具有涂层，每 个涂层通过λ/4层方便地形成。为了方便形成光束，入口表面和/或出 口表面在旨在耦入或耦出辐射的试管界面的区域中基本上球状弯曲。 构造光学活性表面，即，从制造的角度优选呈球状弯曲表面的形状的 入口表面和/或出口表面；也可以想象构造具有略微非球形弯曲的入口 和/或出口表面，即，以旋转对称的形式，其与精确球形表面相比并不 等同于球形表面的一部分。球形透镜的附加的自由度可用于减少采用 精确的球形表面不可避免的成像错误。

在第一优选实施例中，试管包括辐射大致沿着槽的纵轴穿过并且 特别地具有大体上圆柱形的液槽，其中液槽的端面形成为凸出弯曲的 入口表面或出口表面。具体而言，试管的端面基本上横向于试管的纵 轴布置。如果两个端面都是凸出弯曲的，可使辐射方便地穿过液体样 品。该实施例的优点在于，试管中的辐射穿过相对长距离，形成大的 交互体积并且能够高度精确检查化学参数，例如某些溶液成分的浓度。 方便地，特别地大体上圆柱形液槽的端面是弯曲的，使得激发辐射沿 着试管的纵轴聚焦到基本上平行的光束，所述光束基本全部穿过液槽 中包含的溶液。

在另一优选实施例中，如果试管包括辐射基本上横向于槽的纵轴 穿过并且特别地具有大体上圆柱形的液槽是有利的，其中在槽的侧表 面上形成凸出弯曲的入口表面和/或出口表面。相应地，在该实施例中， 提供（即，从液槽的侧表面向外）凸出弯曲的入口表面和出口表面。

如果针对被检查的液体样品将试管设计成具有供给管线和排放管 线的透流试管，则可连续地检查化学或物理过程。具体而言，这能够 连续检测化学参数（诸如浓度）的变化。

为了避免液体样品中的空气夹杂物，如果就试管的操作位置而言， 供给管线连接至排放管线垂直下方的试管是有利的，其中排放管线优 选地连接至试管的上侧部分。相应地，液体样品从下面供应并且从更 上面排放，可靠地防止，或至少大大减少了可干扰检查的气泡形成。 为了这个目的，将排放管线连接至试管的上侧是特别有利的，使得液 体样品从最高点向上排放。

就液体样品的改善混合和有利的流动条件而言，供给管线的纵轴 和/或排放管线的纵轴相对于透流试管的纵轴和/或横轴倾斜是有利的。

在透流试管的替代实施例中，可通过利用呈现出具有不同横截面 面积的部分的供给管线和/或排放管线来实现改善的流动条件。

对于许多应用，特别是流式细胞计量术和相关的测量方法，如果 试管呈现用于向前散射的光束的至少一个凸出弯曲的出口表面和用于 横向散射的光束的另一凸出弯曲的出口表面是有利的。流式细胞计量 术依赖于经受例如通过激光束源产生的高强度的辐射的细胞的光辐射 的发射。散射光表明细胞的尺寸和形态。前向散射光（FSC），即，以 小角度衍射的光，特别依赖于细胞的体积。在横向上散射的光束（通 常称为侧向散射光（SSC）主要提供关于细胞或细胞组分的粒度、尺寸 和结构的信息。例如，将前向散射光和侧向散射光彼此比较能够区分 各种血液细胞。为了进行流式细胞计量术，如果试管具有细胞悬液以 非常细的喷射通过的窄通道是有利的。

本发明进一步涉及一种包括特别配置成产生发散光束的辐射源和 辐射检测器的设备，该辐射源优选为发光二极管（LED），辐射检测 器优选为CCD传感器（“电荷耦合器件”）。根据应用，当然也可提 供其他类型的辐射源，特别是连续辐射源；如果需要高强度，则可特 别使用激光源。然而，在许多情况下优选使用发光二极管，因为这些 构成非常成本高效的通常可用于大多数波长范围的变型。优选装备 CCD相机以检测包含基本上沿着试管的整个长度的液体样品的信息的 透射辐射。

方便地，提供参考传感器以校准辐射检测器。

根据优选的实施例，提供用于搅拌液体样品的搅拌设备，在测量 期间可利用该搅拌设备混合液体样品。搅拌设备优选被配置为磁力搅 拌器。

为了在高测量分辨率下进行光度测量检查，如果凸出弯曲的入口 表面将光束（特别是发散光束）聚焦到大体上平行的光束中是有利的， 该大体上平行的光束在穿过样品体积之后通过凸出弯曲的出口表面聚 焦到会聚光束，该会聚光束可通过辐射检测器检测。以这种方式，辐 射穿过相对大的样品，从而放大了依赖于样品体积的测量分辨率。集 成到试管中的透镜系统因此使得可能使辐射穿过的样品体积特别适合 施加于分析方法的要求，特别就可实现的分辨率而言。此外，如果辐 射穿过同等大的样品体积，则可大大降低通过辐射施加到样品上的负 担。这是极其重要的，例如，尤其对于通过紫外（UV）光检查有机样 品。

在本发明的进一步优选实施例中，试管的入口表面以将照射到入 口表面上的辐射聚焦到液体样品的相对小聚焦区域中的方式弯曲；这 通过入口表面的相对小的曲率半径实现。以结构简单的方式，这种设 计允许在被检查的液体样品的聚焦区域中产生高能量密度。提供高能 量密度对于许多应用是必要的，例如在流式细胞计量术中。因此，可 使用相对低强度的辐射为样品体积提供能量，该辐射然后通过弯曲的 入口表面以会聚透镜的方式聚焦，从而实现样品体积中需要的能量密 度。这允许使用发光二极管作为辐射源，发光二极管具有成本低和对 于宽范围波长的可用性的优点。有利地选择符合可以为发散或平行光 束的入射辐射的形式和扩展的入口表面的曲率半径。

附图说明

以下参照附图中所示的优选示例性实施例更详细地描述本发明。 当然，本发明不限于这些实施例。详细地，附图中：

图1示出了用于通过试管光度测量或光谱测量检查液体样品的设 备的视图，其中根据现有技术在试管的平面平行的侧壁上形成用于激 发辐射的入口部分和/或出口部分；

图2示出了用于光度测量或光谱测量检查的设备的视图，该设备 根据本发明的第一实施例被构造为辐射在纵向上穿过的透流试管，该 透流试管包括凸出弯曲的端面；

图3示出了用于利用试管的光度测量或光谱测量检查的设备的视 图，根据本发明的另一实施例，辐射在横向上穿过该试管，其中在试 管的侧表面上形成凸出弯曲的入口窗和/或出口窗；

图4示出用于利用试管光度测量或光谱测量检查的设备的视图， 根据本发明的进一步的实施例，该试管通过凸出弯曲的入口窗将激发 辐射聚焦到小聚焦区域；

图5示出了流式细胞计量术中使用的用于光度测量或光谱测量检 查的设备的视图，其中根据本发明的另一实施例设计的试管呈现用于 耦出前向散射光和侧向散射光的两个凸出弯曲的出口窗；

图6和图7示出根据本发明进一步实施例的透流试管的视图，就 流动条件而言，该透流试管以改进的供给管线和排放管线系统为特征；

图8示出了以替代的供给管线和排放管线系统为特征的透流试管 的视图；

图9示出了用于光度测量或光谱测量检查的结构的视图，该结构 包括二向色镜和参考传感器；

图10示出了用于光度测量或光谱测量检查的替代结构的视图，该 结构包括半透镜。

具体实施方式

图1示出从现有技术已知的用于光度测量确定液体样品2的化学 参数的设备1，所述设备包含将被检查的溶液，该溶液与合适的试剂反 应以引起溶液的可被光度测量测量的光学性质的改变。例如，化学参 数可以为浓度。光度测量依赖于穿过液体样品2的辐射的光学性质的 测量。在简单情况下，辐射的吸收可用作溶液成分的搜索浓度的测量。 在其他情况下，检测散射率或衍射率。替代地，或除光度测量检查液 体样品2之外，可执行光谱测量测量。设备1呈现试管3，试管3设置 在用于产生适用于光度测量检查的辐射的辐射源4和用于检测穿透辐 射的辐射检测器5之间。试管3显示朝向辐射源4的壁上的用于耦入 通过辐射源4产生的激发辐射的入口部分6；此外，在试管3的相对壁 上提供耦出与液体样品2的样品体积8相互作用的辐射的出口部分7。 穿透辐射照射在辐射检测器5上，辐射检测器5从测出的物理量，特 别是从穿透辐射的辐射强度确定液体样品2的搜索化学参数。图1所 示的试管3配置有根据现有技术的平面平行壁。从图1中明显看出， 仅非常小的样品体积8通过该试管3测量；激发辐射的主要部分没有 到达辐射检测器5。图1示意性地描绘被照明区域9，被照明区域9比 激发辐射的激发横截面10大许多倍，并且在辐射源4和辐射检测器5 之间连续成扇形射出。因此，仅激发能量的一小部分被用于检查液体 样品2。辐射检测器5处的信号强度基本通过激发辐射的强度和被照明 区域9与传感器表面之比确定。因此，所示的配置仅产生相对低的信 号强度和低的分辨率，这在某些情况下可能不足以确定低浓度。

为此，现有技术经常使用复杂的透镜系统（图1中未示出）以提 供对激发辐射的适当成像，以便放大将被检查的有效的样品体积8或 照射在辐射检测器5上的信号。然而，例如，诸如聚光镜或物镜的附 加的光学组件生产成本昂贵。此外，由于透镜必须与试管3精确对准 定位以按需偏转或聚焦辐射，调节这些透镜是困难的。

相反，如图2所示的本发明的第一实施例的试管3具有入口部分6， 入口部分6具有凸出弯曲的入口表面11，入口表面11以会聚透镜的方 式聚焦照射在凸出入口表面11上的入射辐射。相应地，试管3的出口 部分7具有凸出弯曲的出口表面12以在透射辐射从试管3耦出时聚焦 透射辐射。入口表面11和/或出口表面12的弯曲部分是关于试管3的 内腔的凸面，入口表面11和/或出口表面12相对于试管3的内腔是向 外弯曲的。凸出弯曲的入口表面11和/或出口表面12因此聚焦照射在 各自表面的辐射，减少了成扇形射出的光束。因此，试管3直接接管 在早期的设备1中通过单独光学组件形成的光学系统的任务。因此， 通过凸出弯曲的入口表面11和/或出口表面12完成光束形成，入口表 面11和/或出口表面12被集成到试管3中使得可提供紧凑的光度测量 设备1，而不需要精心安装及调节外加昂贵的附加的光学组件。这对涉 及在紫外线（UV）或红外线（IR）范围内的激发辐射的应用尤其有利， 因为这些应用需要生产成本高且复杂的特殊玻璃。

图2所示的试管3成形为纵向、大体上圆柱形的液槽13，辐射沿 着液槽13的纵轴14穿过液槽13。该试管3显示横向于其纵轴14设置 的两个端面15，这两个端面15为凸出弯曲的入口表面11和凸出弯曲 的出口表面12。试管3被配置为透流试管3’，透流试管3’装备有供给 管线16以将液体样品2引入液槽13。试管3还装备有排放管线17以 将被检查的液体样品2从液槽13中排出。透流试管3’能够连续检查液 体样品2的化学参数。从图2进一步明显看出，就试管3的操作位置 而言，液体样品2按照从下方的箭头方向被引入液槽13并且在通过液 槽13之后通过排放管线17向上排出。这种结构大大减少了妨碍液体 样品2的检查的空气夹杂物的形成。为了这个目的，就试管的操作位 置而言，该实施例特别将连接至透流试管3’的排放管线17设置在最上 面的位置。

方便地配置为成本高效的用于整个波长范围的发光二极管（LED） 19的辐射源4产生发散光束20，该发散光束20通过凸出弯曲的入口 表面11聚焦到大体上平行的光束20’。以这种方式，激发辐射通过大 体上比传统结构中大的样品体积8。在穿过样品体积8之后，大体上平 行的光束20’通过凸出弯曲的出口表面12集中到聚焦到辐射检测器5 的传感器表面上的会聚光束20’’。因此，激发辐射被非常有效地使用 并且基本上液槽13的全部内容被作为样品体积8测量。

图3示出了设备1的替代实施例，其中试管3显示辐射基本上横 向于槽的纵轴21穿过的液槽13’。液槽13’可以是圆柱形或一般地矩形 形状。根据应用，试管3可配置为透流试管3’或在检查之前将试剂引 入其中的试管。在试管3的侧表面22上形成凸出弯曲的表面的每一个， 即，入口表面11和出口表面12。在该实施例中，凸出弯曲的入口表面 11和出口表面12也产生会聚透镜（特别是双凸会聚透镜）的效果，使 得通过试管3获得激发辐射的有用成像。

在图4中，示出了根据本发明的设备1的另一实施例，其中试管3 显示相对于上述示例性实施例更强的凸曲率。这里，发散的激发辐射 耦入试管3时直接聚焦到会聚光束；该束具有在样品体积8中同等小 的聚焦区域23。这个实施例使得非常高的能量密度被传输到样品体积 8。这个优点在于，同等成本高效的发光二极管19可代替通常使用的 激光器用作辐射源4。

最后，在图5中，示出了对应于图4的实施例的设备1的实施例， 其中提供大体上垂直于入口表面11和/或出口表面12布置的第二凸出 弯曲的出口窗12’。这个试管3的实施例使分析方法能够以流式细胞计 量术的方式进行。向前散射的光束，即，前向散射光24通过出口表面 12耦出并且通过前向散射光检测器26检测。此外，侧向散射的光束， 即，侧向散射光25通过出口表面12’耦出并且通过侧向散射光检测器 27检测。流式细胞计量术用于检查例如，在试管3的细喷射通过通道 28中导入的细胞悬液（也比较图4）。在替代的实施例中（未示出）， 试管3可具有大体上圆形的横截面。此外，试管3可显示优选与出口 窗12’相对设置的至少第三出口窗（未示出）。伴随第三出口窗可配置 有另一侧向散射光检测器，另一侧向散射光检测器检测横向散射的侧 向散射光，正如侧向散射光检测器27。

根据应用，凸出弯曲的入口表面11和/或出口表面12的曲率半径 必须适合于激发辐射或透射辐射的所需聚焦。就成本高效的生产而言， 球形弯曲的入口表面11和/或出口表面12、12’是合适的。在对成像精 度高要求的应用中，以球面形式配置入口表面11和/或出口表面12,12’ 可能是有利的，以避免透镜错误。

图6和7分别示出了透流试管3’的纵截面和横截面视图，透流试 管3’就液槽13中的流动环境而言以有利结构的供给管线16和排放管 线17为特征。

从图6可以明显看出，供给管线16的纵轴16’和排放管线17的纵 轴17’相对于液槽13的纵轴14都是倾斜的。而且，从图7可以明显看 出，供给管线16的纵轴16’和排放管线17的纵轴17’都以相对于液槽 13的横轴29的倾斜角度设置。在该实施例中，液体样品2被基本切向 地供给至液槽13并从液槽13基本切向地排出，从而实现液体样品2 的更好混合和液体流动中的湍流的减少。

在图8中，示出了透流试管3’的替代实施例，其中供给管线16和 排放管线17每个分别包括具有不同横截面面积的两个部分16a、16b 和17a、17b。因此，供给管线16具有在液槽13的纵轴14的方向中延 伸并且在与部分16a直角对齐的部分16b中结束的部分16a。液体样品 2通过其供给至液槽13的该部分16b比部分16a具有更大的横截面。 紧接液槽13的排放管线17的部分17b的横截面大于排放管线17的下 游部分17a的横截面，其中排放管线17的部分17b在纵向上邻接到排 放管线17的下游部分17a。

在图9中，示意性地示出了用于进行光度测量或光谱测量检查的 结构，该结构包括含有液体样品2的试管3、辐射源4和两个单独的辐 射检测器5，辐射检测器5检测耦入辐射与液体样品2的不同或补充相 互作用。此外，提供参考传感器30用于校准测量信号。在图9所示的 结构中，提供二向色镜31以分割通过辐射源4射出的辐射，该镜将光 谱的一部分反射到入口部分6的方向中并且让其他波长范围通过。

图10中，示出了用于进行光度测量或光谱测量检查的替代结构， 该结构提供半透明镜32代替图9中所示的二向色镜31，半透明镜32 使通过辐射源4射出的辐射的一部分指向参考传感器30，同时辐射的 透射部分照射在入口部分6的凸出弯曲的端面15上。为了检测与液体 样品2相互作用的辐射，辐射检测器5被布置在入口部分6和出口部 分7的区域中。