用于光学测量池的气泡抑制系统

摘要

本发明披露了一种用于在光学测量池中抑制气泡的方法和装置。在测量池中填充有一种流体样本。对通过管道连接而连接到该池上的多个阀门进行操作，这样来停止进出这个池的任何流动。然后通过一个阀门以及流动阻抗机构将一个压力源施加到包含在这个池内的液体上，从而引起池内所包含或产生的任何气泡被溶解回到溶液之中或在尺寸上被减小，这样使得对该样本进行的光学测量更加准确并且没有对测量光束的干涉并且没有测量到的杂散光。可能的压力源包括压缩的气体、活塞、以及恒流率泵。

说明书

优先权

本申请要求2012年8月5日提交的美国临时申请号61/515,796：“用于 在光学测量池中抑制气泡的方法和装置（Method and apparatus to suppress  bubbles in optical measurement cells）”的优先权。

相关申请和专利

以下专利申请涉及对粒子的电泳迁移率的测量并且特此通过引用结合 在此：

H.-T.谢（H.-T.Hsieh）以及S.特雷恩奥夫（S.Trainoff）于2010年3月 18日提交的美国专利申请12/782,682：“用于测量溶液中的粒子迁移率的方 法和装置（Method and apparatus to measure particle mobility in solution）”。

背景技术

本发明披露了一种创新的方法和装置，通过该方法和装置可以在光学 测量池中抑制气泡，该光学测量池包括但不限于电泳迁移率测量池，在这些 池中测量在经受所施加的电场的溶液中的带电粒子的运动。尽管本发明将遍 及其说明书的大部分内容中提及大分子，但使用本文所披露的发明性方法和 装置而能够进行气泡抑制的测量池可以更普遍地包括所有种类的小粒子，包 括乳液、病毒、纳米粒子、脂质体、巨离子以及其大小可能位于约半纳米与 几千纳米之间的任何其他溶液成分。因此每当使用术语“分子”、“大分子” 或“巨离子”时，应理解为包括将经受某种形式的光学测量的所有前述的溶 液承载的物体。

电泳迁移率是用来表征分子、或溶液中的其他粒子的电荷的直接可测 量的并且被最广泛使用的量。一旦被测量，电泳迁移率就又可以被用来确定 由此类分子携带的有效电荷Ze以及其所谓的动电势ζ。紧紧结合到粒子上 的离子基团与不随粒子运动的周围溶液的那些离子基团之间的界面限定了 水动力剪切平面。电动电势表示在此剪切平面处存在的静电势。本发明的目 标是改进对光学测量池内包含的溶液中的分子以及粒子的电泳迁移率、有效 电荷以及电动电势的光学测量。然而，应该指出，本发明的方法和装置不限 于基于粒子电荷的测量。其他测量属于将受益于本文披露的发明性元件的其 他技术之中，这些测量例如是多角度光散射、MALS、以及准弹性光散射 QELS（也常常被称作动态光散射DLS），在这些测量中，使光源穿过光学透 明的测量池以照射被包含在其中的液体样本。因此，尽管本披露将主要集中 在被应用于迁移率测量池时本发明的效用上，但其决不应被视为局限于此测 量技术或应用。

若干技术已经被开发出并且可用于测量迁移率，这些技术包括诸如外 差干涉DLS的光散射方法，其中外差干涉DLS包括激光多普勒电泳（LDE） 以及相位分析光散射（PALS）。这些技术涉及测量从运动的粒子散射的光， 由此此类散射光携带与此运动有关的信息，并且可以根据该信息确定粒子的 相关联的电泳迁移率。

用于电泳迁移率测量的这些技术中最重要的是PALS，其中通常来自激 光源的一束单色光照射在被暴露于所施加的电场中的液载粒子样本上。它们 所散射的一些光被聚集并且与入射的、未经散射的光的一部分合并。换句话 说，被散射的信号与入射光连贯地被合并以产生经外差干涉的信号，从而在 检测器处产生干涉条纹。为了测量经合并的光束的波动并且根据波动来推导 出散射粒子的电泳迁移率的测量值，引导该入射光束部分从一个振动反射镜 反射。这导致即使在不存在电泳运动的情况下，所检测的条纹也会显示出强 度调制。由所施加的场所引起的电泳运动产生了附加的频移，由此准许明确 地确定相对于所施加的电场方向的粒子方向。此方法需要对从样本散射的光 的非常准确的测量。包含在被照射的样本内的气泡散射出光，该光与从分子 散射的光发生干涉，从而破坏所得出的测量值。

当进行光散射测量时，维持无气泡的环境一直是一个挑战。存在许多 试图将无气泡样本引入测量池中的方法，这些方法包括但不限于：振动、轻 拍、利用酒精清洗或甚至有意地利用空气沖洗该池。尽管这些可能是有用的， 但常常会发生气泡粘附到表面上的情况。即使获得了无气泡样本，引起分子 电泳运动的电流也可能导致溶剂的电解，从而产生在电极上形成的气泡。随 着缓冲剂的离子强度增加，问题变得更加糟糕，因为需要逐渐增大的电流来 实现既定的电场。大电流产生更多的气泡。本发明的另一目标是减少会干扰 电泳测量的此类气泡的数目以及大小。

另外，即使在不存在所施加的场的情况下，在溶液中包含气体或经历 化学反应的样本也可能会自发地产生气泡。本发明的另一个目标是抑制这种 自发的气泡形成。

发明简要说明

本发明披露了一种创新的装置和方法，该装置和方法产生对包含有引 入其中的液体样本的光学测量池的自动增压并且由此减少了气泡的存在。一 系列阀门被用于将该样本引入随后的经过冲洗以及增压的池中。可以采用多 种多样的压力源。

附图简要说明

图1示出了用于在光学测量池中抑制气泡的基本增压系统，该系统包 括三个阀门。

图2图示了将包含在增压瓶内的气体用作增压介质的增压系统。

图3表示出了将活塞用作压力源的增压系统。

图4图示了将泵用作压力源的增压系统。

图5图示了具有多个可任选的元件的图1增压系统的另一个实施例， 这些元件包括被连接到废料上的压力释放阀门、用于防止回流的止回阀门以 及压力传感器。

发明详细说明

液载样本的所有光学测量都会受到由此类样本中所包含或产生的气泡 引起的不确定性的影响。例如，多角度光散射以及准弹性光散射测量会易于 遭受被意外地注入测量池中的微小气泡。这些气泡会导致测量值中的误差， 或甚至使测量不可能进行。此外，一些样本可能被气体饱和到一定的程度， 以至于当样本存在于池中时，气泡也在其中形成，从而同样使得对散射光的 测量是不准确的或不可能的。电泳迁移率测量更加容易遭受由于包含在池内 的气泡而导致的所得出测量值的不准确性。除了被注入以及析出的气泡的可 能性之外，测量电泳迁移率所常常利用的机理包括借助于被包含在池内的电 极使电流通过液体样本。此过程可以导致样本溶剂的电解以及气泡在电极上 产生，这些气泡随后可能被释放到样本中并且常常与入射光束相交，从而散 射出可能被曲解为是源自经溶剂化的样本的光或以另外的方式影响散射光 信号。当使用高离子强度缓冲剂时，气泡问题加剧，因为必须使相对应地更 高的电流通过样本以获得所需的电场。电流使溶剂电解，从而产生可以以气 泡形式被释放的气体。

通过三种相异的机理，对样本池进行增压可以有助于减少气泡。第一 种为根据波义耳定律，气体气泡的体积与环境压力成反比。例如，如果在池 被填充之后存在残余气泡，那么将该池增压到10巴将使气泡体积减小十倍。 尽管气泡仍存在，但气泡导致杂散光的可能性将被大大减小。

增压有助于减少气泡形成所利用的第二种方法是通过改变气体在液体 中的溶解度。根据查理定律，气体的溶解度与环境压力成正比。例如，如果 人们将池增压到10巴，那么可以溶解进溶液中的气体的数量也增加了10倍。 增加的溶解度使气泡中的气体进入溶液中，由此超出波义耳定律的规定而减 小了气泡的体积或完全消除了气泡。溶解度越高，此过程发生得越快速，因 为环境压力以及溶解度张力（solubility tension）中的差值都同样增加了10 倍。

用于减少气泡存在的第三种方法是通过对气泡内部的拉普拉斯压力的 修改。如先前所说明的，气泡体积与压力成反比地减小。然而，较小的气泡 由于其曲率半径较高，因而也具有增加的表面张力。这导致气泡内部的压力 比环境压力更高。这种超压的净效应是增加了气体从气泡被驱入溶液中的速 率。小气泡比较大气泡溶解得更快。

通过本文所披露的发明的方法和装置，可以减轻以另外的方式由注入、 析出、电解或其他方法所产生的气泡。该装置允许对光学测量池的自动增压， 该光学测量池是例如被用于光散射或迁移率测量。尽管当样本为流动的、静 态的或处于停止流动模式时能够进行QELS或MALS测量，但重要的是应 指出，电泳迁移率测量仅能在停止流动模式下进行。不能使用通过在出口上 放置小毛细管而将流动池增压并且在泵送样本的同时进行测量的这种常用 方法，因为所施加的流动导致的样本运动将完全超过由所施加的电场引起的 运动。

在电泳迁移率测量的具体情况下，所施加电场可能产生电解产物，典 型地为氢气和氧气。这些产物可以进入溶液中或可以作为气泡被释放。较高 的环境压力迫使气体优先进入溶液中，而非作为气泡被释放。

存在三个操作阶段：装载、增压以及释放。在装载阶段，一个样本借 助于注射器1通过一个打开的输入阀门2被引入增压系统3中并且随后进入 被包含在测量仪器5内的光学测量池4中。也处于打开位置的输出阀门6允 许溢出的流体离开这个池以及该增压系统并且进入废料7中。在此装载阶段 过程中，压力阀门8处于关闭位置，这阻断了大部分样本进入包含了流动阻 抗9的截留臂中，该流动阻抗设置了这个池的增压速率。大阻抗允许该系统 缓慢增压，从而防止过度的机械应力。注射器1可以采用许多种形式，包括 手动操作的注射器、注射泵、自动注射器或任何其他注入系统。此外，流动 阻抗机构9也可以采用许多形式，包括窄毛细管、保护柱、膜、过滤器等等。

在增压阶段中，关闭该输入阀门2以及输出阀门6，并且打开该压力阀 门8来对系统进行增压。池中的样本随后为静态的。池中的样本平衡至与压 力源10相同的压力。

在释放阶段，在进行测量之后或不再希望在池中增压之后，压力阀8 被关闭，并且输出阀门6被打开，从而随着该系统发生降压，使被截留在阻 抗机构9中的任何样本被冲洗到废料7中。最后输入阀门2被打开并且新样 本可以被注入。

可以使用多种多样的压力源10以及介质，或者为液态或者为气态。重 要的是应指出，该系统通过阻抗机构9来施加压力，该阻抗机构被定位在池 的出口侧上。在增压阶段过程中，输入阀门2被关闭，因此没有增压介质流 入这个池4中。在释放阶段，增压介质流出到废料7中。测量池中的样本一 直不与增压介质接触。

如图2中所示，该系统的最简单的实施例使用了压缩气瓶11连同压力 调节器12来设置系统压力。调整该调节器来设置系统压力的值。尽管气瓶 是方便的，但它需要定期再填充。一个替代性实施例将使用小型的按需式压 缩机来对该气瓶定期进行再填充。

本发明的装置的另一个实施例使用的是对一个活塞13施加一个已知的 力来充当压力源8，如图3中所示。施加到活塞上的力可以为一个静态力， 例如一个重量，但显然一个电致动活塞将具有相同的作用。调整被施加在活 塞上的力来设置压力。理论上，被施加到流体上的压力就是该力除以活塞的 截面积，但实际上，活塞上的摩擦使得所施加的压力略小于此。因此，为了 知道所施加的压力的精确值，可以包括一个压力表14以测量所施加的实际 压力。然而，此实施例与其他实施例相比可能不太理想，因为包含在活塞中 的流体基本上被截留，而例如使用了压缩气体的实施例在每一次降压之后将 增压介质冲洗出废料管线。

如图4中所示，另一个实施例使用了一个恒速泵15，该恒速泵使流体 从一个储器16通过一个阻抗或背压调节器20再循环回到该储器中。当元件 20为一个流动阻抗时，调整流率来设置系统压力。当元件20为一个背压调 节器时，流率只要是足够高的而使泵稳定，该流率就是无关紧要的。像上文 所呈现的气瓶实施例一样，不存在经截留的流体，因为在每一个降压周期之 后增压介质被冲洗出该系统中。

图5中所示出的本发明的实施例包括多个另外的元件，这些元件辅助 防止在过度增压、或当系统被增压时意外地试图引入新样本的情况下对测量 池的损害。一个压力传感器元件17允许对被施加到测量池上的压力进行监 测。止回阀门18防止从注入系统到压力源中的回流、并且可以被定位在沿 着系统的增压臂的任何地方。压力释放阀门19通过管道被连接到废料7上， 从而防止过度增压，否则的话该过度增压可能导致泄漏、对系统3的损害或 对测量池4本身的损害。

本发明的装置还可以被用于检查测量仪器5的完整性以防止泄漏。人 们通过上文所描述的机理对池进行增压，并且随后关闭阀门8以将压力源与 该系统的其余部分隔离，该系统的其余部分现在形成密封的体积。随后随着 时间监测压力表17的压力。如果存在泄漏，那么压力将随时间而衰减。如 果测量到的下降超过了一个预定速率，那么该系统已经检测到泄漏，并且可 以发起警报。如果仪器5被一定长度的管道（该管道使增压系统连回到本身 上）替代，那么增压系统3可以检查其自身的泄漏。在这些阀门是电致动的 一个实施例中，即使在不存在泄漏的情况下，来自这些阀门的废热也会导致 压力变化，因此这些阀体的温度调节增加了系统的灵敏度，从而允许系统检 测到较小的泄漏。

对于光学测量以及流体动力学领域的技术人员而言明显的是，存在未 脱离本文所披露的基本要素的、本发明的方法和装置的许多明显的变体；所 有此类变体只是所描述的发明的明显的实施方式并且通过参考随附的权利 要求书而被包括在内。