CN100439899C - 探测可流动样品的单个微粒的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种用于高浓缩系统(即悬浊液和悬浮液，下文称样品)中，例如固态微粒料浆和液-液(例如油-水)乳浊液中，微粒的光学表征的设备(100)和方法，该设备和方法不需要稀释样品。通过将样品形成厚度受控的片状液流来降低样品的透明度，以避免多重光散射的影响。利用消光方法测量样品的透明度，并控制光学盒(102)中样品的厚度，以将该样品的透明度保持在预定的数值范围内。通过这种方法，可改善个别微粒的探测效率，并避免了通常由于多重光散射所引起的信号质量的降低。

Description

探测可流动样品的单个微粒的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及浓缩液体系统(例如料浆或悬浊液)中微粒的探测和表征领域。
背景技术
高微粒浓度的液体系统在工业中广泛应用。这种液体系统的例子是用于半导体工业的化学机械研磨(CMP)工艺中的料浆以及用于制药工业的乳浊液。
用于CMP的料浆系统具有复杂的化学和胶状成分。关于其化学成分，料浆可为碱性(PH值相对较高)也可为酸性(PH值相对较低)。由于PH值通常决定料浆的胶状成分的稳定性，因而，通常最好将料浆的PH值保持在一个预定的范围。料浆的胶状成分可具有很宽的粒径分布，例如半径在几十纳米(nm)到几十微米(μm)之间。微粒的浓度可从亚微米微粒的1012粒/立方厘米(#/cc)变化到较大(＞1μm)微粒的1-100#/cc。料浆中微粒的粒径分布一般不能由单个函数来描述，而是通常包括若干个独立模式。由于小微粒的粒径分布能够决定CMP的性能，CMP操作通常需要监测粒径参数。例如，半径大于几微米的大微粒能够损坏晶圆。
探测和表征光学方法已经用于无干扰地、在线监测气体和液态介质中的微粒参数。例如，参阅美国专利No.6,159,739，本申请全面参照该专利，从而包含其公开的内容。光学方法包括利用已知参数(例如波长和强度)的光照射样品，并使用不同的光探测器分析散射和/或透射光。
积分光学方法(integral optical method)，也叫“系综(ensemble)”optical method，原则上可用于确定整个散射系统的微粒参数。利用这些方法，不同粒径和成分的微粒同时贡献探测信号。利用适当的数学算法对这种合成信号进行去卷积可估算出隐含的粒径分布。这些积分光学方法通常包括若干个假设，例如粒径分布的类型(如形状)、折射率等等。
差分光学方法(differential optical method)用于确定单个微粒的粒径。关于大量单个微粒的信息的累积可用来确定整个系统的参数。由于这种方法的统计学特性，感测量(sensing volume)是差分光学方法的一个重要参数。感测量的定义为被照射并由此采集到光信号的那部分悬浊液或悬浮液样品。一般来说，感测量越大，各给定采样时间内进行探测的微粒的数量越多。同时，感测量越大，产生的散射噪音越大，该散射噪音最后决定微粒探测的极限。通过考虑样品的透明度、较小微粒的浓度以及较大微粒的浓度等因素能够确定最佳感测量。
由于主要由较小微粒的高浓度引起的样品的高光密度，运用光学方法对料浆和悬浊液微粒进行表征经常受到限制。料浆和悬浊液的高光密度能够引起多重光散射，并严重阻挡了通过样品的光线传播。在这些环境下，很难获得关于散射和/或阻挡光线的微粒的粒径分布的可靠而准确的信息。
液体系统的微粒参数的频繁的大范围变化也产生了相互矛盾的需求。为了提供数量浓度最低的最大微粒的统计表示信号，感测量应该足够大。然而，感测量越大，使得样品的光密度(混浊度)越高，且多重光散射范围越广。另外，料浆中高浓度的磨蚀剂能够损坏与样品流相接触的光学盒表面。
最好尽可能使用最大的感测量，同时考虑样品的光密度和多重光散射所产生的限制。另外，最好使用光学探测的差分方法，以保持对数量较少的较大微粒的高分辨率和灵敏度，该较大微粒构成粒径分布的一部分，并在很大程度上决定了料浆的质量。在这方面，光学探测的积分(或“系综”)方法的分辨率和灵敏性受到很大限制。
美国专利5,710,069(Farkas等人)揭示了一种用于在衬底抛光过程中测量料浆微粒粒径的方法，本申请全面参照该专利，从而包含其公开的内容。这种方法包括使光线入射到一部分流动的液体-微粒混合物中(该混合物中较大微粒的数量很少)，探测并测量反射光以确定微粒的粒径，该信号包括由于未知数量的较大微粒的散射光所产生的背景。部分散射光是存在于高浓度料浆中的大量较小微粒形成的。
Cerni和Sehler描述了另一种已知的不需要稀释料浆的光学方法(用于CMP料浆的微粒光学检测，MICRO，2000)，该方法基于测量不同波长的透射光和散射光强度进行检测。这种方法包括再现隐含的粒径分布的数据处理过程。该方法是一种间接方法，不能用于探测存在于浓度较高的较小微粒的背景内的较大粒径的单个微粒。
在美国专利5,818,583中，Sevick-Muraca等人描述了另外一种光学探测的方法。该专利揭示了一种系统和方法，该系统和方法通过探测来自微粒的多重光散射光，能够自校准、在线地确定悬浮在介质中的多种微粒的粒径分布及体积分数(volume fraction)。这种多重光散射光随光源的照射量进行再发射，该光源配置为提供强度随时间变化的特定波长的光线。该专利还揭示了一种基于微粒的粒径分布的预期形状以及微粒质量的估算方法。
美国专利5,835,211(wells等人)揭示了一种用于对微粒进行计数和粒径测量的光学传感器，本申请全面参照该专利，从而包含其公开的内容。该方法包括测量微粒的消光(LE)以及光散射(LS)的信号表示。光散射信号和消光信号混合形成一个合成信号，该合成信号的大小随通过光束的微粒的粒径的增加而单调增加。LS和LE信号的混合允许精确地测量位于粒径的上、下值域内的微粒粒径。因为在某一时刻只能有一个微粒通过光束，所以这种监测技术需要将料浆稀释，以保证正常工作。另外，在进行分析之前，首先要提取料浆的少量样品，然后再进行充分地稀释。因而，分析需要离线完成，在料浆样品的提取和后续的粒径分布参数的确定之间存在延迟。
可使用一种电视系统分析微粒的散射光信号(Mavliev，R.，1992小于100nm的微粒的粒径及浓度的光学测定：方法及应用，Nucleationand Atmospheric Aerosols.Eds.Fukuta，Wagner，A.Deepak Publishing，Hampon，VI，USA，377-380)。这种方法将总的感测量分成大约103-104个更小的子量。每个子量的光信息被独立地记录，从而使信噪比提高1000倍。独立地探测来自子量的光学信号使得扩大可测量微粒浓度的范围成为可能。更精确地说，单个微粒重合的概率减小，可探测浓度增加。这种方法能够部分解决高浓度系统的小微粒的信号探测，但未知被直接用于较低浓度的料浆和乳浊液的探测。
稀释料浆样品(大部分光学方法都使用这种方法)不是理想的方法，因为这种方法改变了料浆的粒径分布参数，这种改变取决于所使用的光学方法和稀释量。由于用来稀释初始浓缩料浆的液体所带来的凝聚过程或外来(污染)微粒的导入，这种方法还能够改变料浆中微粒的初始粒径分布(参阅Cerni和Sehler的专利)。另外，在大量稀释的过程中，最大微粒的浓度充分减少，引起统计数据的减少，因而增加了累积可靠粒径分布信息的时间。计算出的稀释系数的误差直接影响到初始的浓缩样品的粒径分布测量的精度。
总而言之，因为粒径参数能够(并经常)改变，所以最好不稀释浓缩的初始料浆样品。通常在稀释过程中会导入附加微粒，并且充分稀释初始料浆样品的结果是使最大微粒的浓度明显减少。
包含微粒的流动液体的流体动力聚焦(Hydrodynamic focusing)可用于扫描流式细胞测量术(Scanning flow cytometry)(Maltsev，2000，用于单个微粒分析的扫描流式细胞测量术，Review of ScientificInstruments，71：243-255，本申请全面参照该专利，从而包含其公开的内容。流体动力聚焦基于输送两个同心液体流通过一个狭窄通道或毛细管，外面的“鞘”流通常由纯净水(或其它液体)构成，而内部液流携带需要测量的微粒。内部流直径可小到10微米(μm)。利用液体流动细胞术，能够快速并可靠地对悬浊液中的生物微粒进行计数并分类。携带需要测量微粒的样品液体连同传送液体被导入到聚焦池。这些微粒在某一时刻基本上只有一个通过聚焦池，在聚焦池内这些微粒通过强聚焦光束。于是根据这些微粒的光散射特性以及荧光强度，能够对这些微粒进行单独计数、分析或测量。目前，液体流动细胞术用于分析白细胞(leukocyte)以及细菌学领域。在Weigl等人的美国专利6,136,272、Jiang等人的6,109,119、Yamazaki等人的5,880.835以及Kosaka等人的5,824,269中都可以发现这样的例子，本申请全面参照该专利，从而包含其公开的内容。因为已知方法没有考虑由于高浓度较小微粒的存在所引起的料浆系统特有的高光密度，所述液体流动细胞测量术还没有应用到浓缩料浆系统。
其它需要关注的文献如下：6,211,956(Nicoli)、6,159,739(Weigl等人)、6,136,272(Weigl等人)、6,109,119(Jiang等人)、5,972,710(Weigl等人)、5,948,684(Weigl等人)、5,880,835(Yamazaki等人)、5,835,211(Wells)、5,824,269(Kosaka等人)、5,818,583(Sevic-Muraca等人)、5,721,433(Kosaka)、5,710,069(Farkas等人)、5,650,847(Maltsey等人)、5,690,895(Matsumoto等人)、5,663,503(Kosaka)、5,548,395(Kosaka)、5,159,403(Kosaka)、5,007,732(Ohki等人)、4,983,038(Ohki等人)、5,739,902(Gjelsnes等人)、5,521,699(Kosaka等人)以及3,873,204(Friedman等人)，本申请全面参照该专利，从而包含其公开的内容。
类似地，本申请通过参照而包含了下述文献：Cerni和Sehler，CMP料浆的微粒光学检测，MICRO，2000；J Adorjan等人，使用单光束、交叉相关动态光散射技术的强混浊悬浊液中的微粒粒径测量，AppliedOptics，1999，38：3409-3416；N.L.Swanson，B.D.Billard和T.L.Gennaro，用于微粒粒径测量技术的光学透射测量方法的限制，AppliedOptics，1999，38：5887-5893；H.Schnablegger和O.Glatter，使用光学散射的胶状微粒的粒径测量：起始多重光散射的修正，AppliedOptics，1995，34：3489-3501；P.Nefedov等人，应用前向散射混浊度仪测量光密介质中微粒的粒径和数量密度，Applied Optics，1998，37：1682-1689。
发明内容
本发明的实施例涉及用于在较宽粒径和浓度范围内对单个微粒的在线或离线的无干扰监测的方法，该单个微粒包含在主要由较小微粒构成的系统中。例示的方法可顺应不要求稀释的混合物，以及其中粒径分布中的最大微粒的“尾迹”可被准确测量的混合物。在本发明例示的实施例中使样品流比较透明，利用该实施例可在宽粒径和浓度范围内获得浓缩系统中微粒的光学表征。能够以“片状”液流形态设置样品流的透明度，该“片状”液流在一个维度(dimension)上相对较薄，而垂直维度上较厚。例如，一例最佳样品厚度能够利用两个标准进行确定。第一个标准基于样品没有明显的多重光散射或存在相对较高的样品透明度。第二标准基于获得浓度相对较低的大微粒的可靠统计信息所必需的感测量。例如，可建立一个厚度大约在5-500μm之间，厚度在5-20mm之间的样品液体流。
一般来讲，与探测可流动样品中单个微粒的方法及其相关设备有关的实施例包括以下步骤：流体动力聚焦样品，该样品至少在光波的第一波长范围内不透明；测量该样品的透明度；压缩该样品以生成压缩样品，该压缩样品至少对于光波的一个波长透明；确定所述样品的单个微粒的特征。
样品液体流能够可操作地与纯净的(相对无微粒的)透明液体流(例如水)和其它适当液体流连通(例如至少部分包围)。容纳样品液体的流体动力聚焦流的光学容器(optical cuvette)可用来形成样品液体的“片状”流。该容器包括会聚部分、扁平部分以及样品导入部分。在该容器的扁平部分，液流通道在一个维度上较窄(例如，0.1mm±10％或更小或更大)，而在垂直维度较较宽(例如，10mm±10％或更小或更大)。沿该容器扁平部分总长度方向上的液流通道参数能够基本不变(例如，在任意方向上均为±10％的液流通道宽度)。该容器的扁平部分是透明的，并用于样品透明度的表征以及聚焦样品液体中微粒的光学表征。
本发明提供一种用于探测可流动样品中单个微粒的方法，包括以下步骤：对所述样品进行流体动力聚焦，所述样品至少对于第一波长范围内的光不透明；测量所述样品的透明度；压缩所述样品，以产生至少对光波的一个波长透明的压缩样品；以及通过光学检测来识别所述压缩样品内包含的单个微粒的尺寸。
本发明还提供一种用于探测可流动样品中的单个微粒的设备，所述设备包括：对所述样品进行流体动力聚焦的装置，所述样品至少对于第一波长范围内的光不透明；压缩所述样品来产生压缩样品的装置，所述压缩样品至少对于光波的一个波长透明；以及用于通过光学检测来识别所述压缩样品中包含的单个微粒的尺寸的装置。
附图说明
通过阅读后续的最佳实施例的详细描述并参考附图，本领域的技术人员不难明白本发明其它目的和优点，附图中相同的附图标记用来代表相同的部件，其中：
图1A和1B是本发明一例实施例的料浆监测系统的示意图；
图2A和2B表示第一实施例的光学容器，其中狭缝的X位置确定压缩比以及该光学容器扁平部分内的聚焦样品液体的厚度；
图3A和3B表示本发明第二实施例的光学容器；
图4A和4B表示本发明第三实施例的光学容器；
图5A和5B表示本发明第四实施例的光学容器；
图6表示本发明第五实施例的光学容器；
图7表示本发明第六实施例的光学容器；
图8A-8C表示具有对称的浓缩样品液体入口和出口的光学容器/传感器；以及
图9A-9B表示一例用于监测并控制流入容器的浓缩样品液体与鞘液体流速匹配的结构。
具体实施方式
图5A和5B表示用于探测可流动样品中单个微粒的一例设备，该设备表示为料浆监测系统100。该料浆监测系统100包括用于流体动力聚焦样品的装置。图1的流体动力聚焦装置包括用于提供样品的狭缝和用于接收纯净液体的附加狭缝，在图1的实施例中表示为通向光学容器102的料浆入口和鞘流入口101、103。光学容器102的入口能够辅助聚焦样品。在一例实施例中，附加狭峰和提供样品的狭缝之间的比值最少为10∶1，或者是根据特定料浆的特征与所使用的特定纯净液体的特征之间函数关系所选定的其它任何所需的比值。在一例实施例中，纯净液体(例如水)是任何透明度足以探测样品特征，且其PH值与样品匹配的液体。依据本申请，当纯净液体和样品的PH值大致相同(±10％)，或者当纯净液体和样品的相对PH值能够以所需的精度监测所需的样品特征时，则认为二者的PH值是相匹配的。
因为样品至少在光波的第一波长范围内不透明，所以能够使用一种压缩样品的装置来生成压缩样品。压缩装置在图1的实施例中表示为窗口(例如棱镜)104和106，该窗口具有一个形成于窗口内部或之间的缝隙，以压缩样品并使样品至少相对光波的一个波长透明。例如，压缩样品使样品在第一维度和/或不同于第一维度的第二维度上延伸。本领域的技术人员应该知道，在上述的任何(或全部)实施例及其变化中，该光学容器可配置为使用两个光学窗口(例如两个达夫棱镜(Dove prism))来形成在至少一个维度上压缩样品，以使该样品针对预定波长的光波透明的液流池。
本发明提供了用于识别压缩样品中所包含的单个微粒的特征的装置。例如，这种识别装置在图1中表示为由光探测器108(例如CCD照相机、光电二极管或其它光敏装置)和相关的激光束110。
光学容器102内所包含的压缩装置表示为光透明池，在该光透明池内输送纯净液体(例如水流或其它足够透明的液体流)以及浓缩样品(料浆的液流)。料浆流形成一般厚度为10-500微米的薄层，并位于两个纯净水或其它透明液体的鞘流之间。料浆薄层和由激光或其它适合光源所发出的经过适当定形(一般为均匀强度的线光源)的光束交叉而形成感测体积。
样品流能够在距光学容器的扁平部分预定距离处被导入到该容器的会聚部分。在该容器的会聚部分内，液流通道的厚度在该容器的入口点到扁平部分的起始点之间平滑变化。样品的导入距离、样品导入狭缝的厚度和形状也可根据需要改变。这些参数能够用来确定该容器扁平部分内样品液体流的厚度，并可用来控制样品的透明度和光学感测体积。样品的透明度可通过消光进行测量，光学容器的扁平部分内样品液体的厚度能够进行调整以获得预定大小的透明度或感测体积值。传统的光散射和消光技术能够用于测量半径在探测极限以上的单个微粒的参数。CCD(电荷耦合装置)探测器/照相机连同适当的帧捕获电子装置以及数据处理软件，可用来抑制本底散射对通过光感测体积的单个微粒所产生的信号的定量探测的影响。
在本发明的一例实施例中，样品流在距光学容器的扁平部分114入口的预定距离处被导入到该光学容器的会聚入口112。通过沿图2A和2B的X轴方向将样品出口116相对料浆入口114进行平移可改变该预定距离。样品的流速能够保持不变，通常在0.01-10ml/sec之间，或根据需要变化。利用样品输出流的宽度(沿较窄一维)、样品输出位置的会聚通道宽度(沿较窄一维)以及样品液体的流速，能够计算纯净鞘液体的流速。通过样品输出流的宽度和样品输出位置的会聚通道宽度的比值能够确定光学容器的平面位置内聚焦样品液体的厚度。该比值乘以光学容器的扁平部分内的液流通道的厚度，可得到聚焦样品液体的厚度。沿X轴方向，在光学容器的会聚部分内，平移样品出口的位置可用于改变光学容器扁平部分内的聚焦样品流的厚度。
如图1所示，利用激光或其它适合光源发出的光束照射在光学容器的扁平部分内流动的样品流。探测并分析透射光和/或散射光强度以确定样品液体的透明度(光混浊度)。一例样品透明度的标准是基本不存在多重光散射。在样品基本不透明或存在大量多重光散射的情况下，通过改变会聚通道中样品流出口的位置来调整样品液流的宽度。当获得了所需的样品透明度等级和/或浆多重光散射的程度减小到可接受的较低等级时，能够以相对高的精度对样品流中的微粒的参数(例如粒径分布)进行光学测量。
根据Adorjan的文献、Swanson等人的文献、Schuablegger的文献以及Nefedov等人的文献，当样品光学厚度小于1(也就是透过率＞exp(-1)时，多重光散射可忽略。当信号收集角度很小时，可接收的样品光学厚度的范围能够扩展到5或更大。在这种情况下，比尔-朗伯光散射定律的修正能够如Nefedov等人的文献所述的那样进行修改。
本发明还提供纯净液体的过滤及回流装置。例如，在图1中的实施例中，提供了用于将纯净液体还原到足以在后续过程中使用的透明状态的泵、过滤器以及回流管道，该泵、过滤器器以及回流管道将在参考图8进行讨论。
一例使用图1中的设备以探测可流动样品中的单个微粒的方法包括以下步骤：流体动力聚焦样品，该样品至少在光波的第一波长范围内不透明；测量该样品的透明度；压缩该样品，以产生至少对光波的某一波长透明的压缩样品；以及确定该压缩样品内所包含的单个微粒的特征。例如，可通过使用光探测器检测已知波长和强度的光发射信号的透射和/或反射来测量样品的透明度。也就是，样品透射和/或反射的已知信号的强度可用于获取透明度。
在如图3A和3B所示的本发明的另一实施例中，在距光学容器的扁平部分114预定距离处，样品液流被导入到光学容器的会聚部分112内。用于导入浓缩样品液体的狭缝的宽度可通过旋转两个具有液体开口的共轴管302、304而逐渐改变。当两管开口的边缘306、308重合时，样品的宽度最大。选择两个开口的不匹配程度可控制被聚焦的样品液体的厚度。
浓缩样品的流速能够保持在0.01-10ml/sec之间，或根据需要改变。利用样品液体出口的宽度、样品出口位置处的会聚通道的宽度和样品流速，或者其它标准，计算纯净液体鞘流的流速，以使之与样品液体流的线性流速相匹配。可通过样品液体出口的管口宽度(窄)与样品出口位置的会聚通道宽度(窄)的比值确定光学容器的扁平部分内的聚焦的样品液体的宽度。该比率与光学容器的扁平部分的液流通道的宽度(在较窄的一维)相乘。改变光学容器的会聚部分的样品出口的宽度可改变光学容器扁平部分内聚焦样品液体的宽度。例如，可通过压缩样品液体管口或旋转共轴注入管改变样品液体出口宽度。
利用激光或其它适合光源发出的适当形状的光束照射该容器的扁平部分内流动的样品流。测量并分析透射光和/或散射光强度以确定样品液体的透明度。聚焦样品液流的宽度能够进行调整以达到所需的样品透明度等级。当获得了所需的样品透明度等级时，样品液体中微粒的粒径参数(例如，大于给定阈值半径的粒径分布)能够通过已知的光学和电子方法以相对高的精度进行测量。改变样品液体导入狭缝的宽度可改变狭缝出口处的样品液体速度。纯净液体鞘流的流速能够相应进行改变以避免两种液体的流速不匹配，流速不匹配会导致样品和鞘流液体的湍流混合。
在如图4A和4B及图5A和5B所示的本发明的第三和第四实施例中，样品液流分别通过菱形管口402(图4)和三角形管口(图5)被导入到聚焦容器的会聚部分内。在图4A和4B中，用于导入浓缩样品液体的狭缝宽度是菱形的，该宽度从中心向各边逐渐改变。入射光束的位置能够沿Y-轴改变，从而允许选择所需的样品液体厚度来进行分析。
在图5A和5B中，使用三角形的管口502，其中，用于导入浓缩样品液体的狭缝宽度是三角形的，该宽度从一边到另一边平滑变化。照射光束的位置能够沿Y-轴改变以选择所需的样品厚度。样品液体在距光学容器扁平部分的起点的预定距离处注入。
图4的菱形管口402在液流剖面的中心具有最大宽度，而且管口宽度沿Y轴方向逐渐减小。图5的三角形管口在液流剖面的一边厚度最大而在另一边厚度为零。可通过样品液体出口的宽度(窄)与样品出口位置的会聚通道宽度(窄)的比值确定光学容器的扁平部分内聚焦的样品液体的宽度。该比率与光学容器的扁平部分的液流通道的宽度(在较窄一维)相乘。在这些实施例中，光学容器的扁平部分内的样品液体厚度从在液流一边的基本为零变化到液流中间位置(或对边)的预定厚度。
利用由激光或其它适合光源发出的适当形状的光照射样品液体流。沿Y-轴方向测量透射光和/或散射光的强度并进行分析以确定样品的透明度。因为聚焦样品液体的厚度沿Y-轴方向变化，样品的透明度也会产生相应变化。在样品缺少透明度，和/或存在大量多重光散射的情况下，可以沿Y-轴方向调整测量位置。当获得了所需的样品透明度等级时，样品液体中微粒的粒径参数(例如，大于给定阈值半径的粒径分布)能够通过光学和电子方法以相对高的精度进行测量。
例示的实施例使得能够在单个实验中将样品透明度作为样品厚度的函数进行测量。正如Schnablegger等人的文献揭示的那样，这些测量方法可利用积分散射方法确定样品液体内的粒径参数。同时，最大微粒的参数可以利用单个微粒方法进行确定。这两种不同方法(积分和差分方法)的结合可改善测量的精度和可靠度。
在这些实施例中，对于“片状”料浆，微粒引起的激光消光和多重光散射可以忽略。同时，料浆流不需要稀释，从而料浆中微粒的粒径分布不会失真。
在如图6所示的第五实施例中，光学容器的“扁平”部分602实际上类似一个聚焦楔，该聚焦楔的角度一般在0.5-5度之间，或者其它所需角度。确定光学容器的扁平部分的液流通道不再由两个平行表面所定义，而是一个楔形通道，通道间隔从样品流的一边向另一边逐渐改变。照射光束的位置能够沿X-轴改变，以选择所需的样品流厚度。
在图6的实施例中，液流通道的厚度从样品/鞘流入口处的最大值(例如1mm)变化到样品/鞘流出口处的最小值(例如0.1mm)。该液流通道的逐渐变化引起聚焦样品液体厚度从样品/鞘流入口处的最大值变化到样品/鞘流出口处的最小值。样品的透明度会发生相应变化。
如上述的那样照明样品液流，并在距离入口604的特定距离处测量散射光和/或透射光的光强信号。在样品透明度显著不够，和/或存在大量的多重光散射时，可以沿X-轴方向调整测量位置。如果聚焦样品液体不够透明，则测量点向光学容器出口606(该处聚焦样品较薄)方向平移。如果样品液体的光学厚度太小(例如，＜0.5，或任何其它所需阈值)，则测量点向光学容器入口604方向平移，从而增加感测体积，并提高大微粒的统计量以及测量精确度。
在如图7所示的本发明的第六实施例中，光学容器的扁平部分702的液流通道的厚度能够进行调整，以控制样品液体厚度，并相应地控制样品透明度。确定光学容器扁平部分的液流通道的厚度能够根据所需的最后聚焦样品流的厚度进行调整。如图9所示，为了实现通道宽度的改变，使用两个对称的光学部件704和706(例如达夫棱镜)对光学容器进行设置。例如，该光学部件704和706被由O型环(例如，McMaster-Carr公司生产的65-75 Durometer Black Buna-N)或其它弹性材料形成的弹性垫片708隔开。利用螺丝、液压/气压传动装置、电磁传动装置或其它任何受控的位移装置对这两个相对部分施加外部可控压力，以使隔片收缩到某一程度，收缩程度取决于所施加的压力和隔片的杨氏弹性系数。由于聚焦液体样品厚度与液流通道厚度可具有已知关系(例如正比关系)，这种方法允许控制样品的透明度。在图7中的实施例中，能够在容器的扁平部分的任意位置对微粒的光信号进行测量。通过在X和Y方向(沿着或垂直于压缩液流方向)延伸，同时保持聚焦样品液体厚度处于预定的最佳值，可允许增加有效感测体积。
图8A-8C中，说明了一例光学容器/传感器802，该光学容器/传感器802具有对称的浓缩样品液体入口和出口，其中后一出口用于获取初始浓缩样品液体，并将其中大部分返回到最初提取该样品液体的生产线。图8B所示的光学容器的出口部分804的狭缝宽度(以后称作d*)等于或小于用来将浓缩样品导入图8C所示容器的入口部分806内的狭缝宽度(以后称作d)。本领域技术人员应该知道，图8的实施例中可使用本申请所描述的任何狭缝配置以及通过任何所需方式进行修改以实现减少样品横截面的变形。
图8A中，过滤装置表示为包括过滤器808，该过滤器为至少可从液体中去除不需要微粒和/或污染物的任何想要的液体过滤器。提供相应的泵810作为泵送装置，该泵810可以是任何传送液体的装置。位于流体动力聚焦的下游的液体出口812处的液体，被收集到管道814中，并用泵使之通过过滤器808而返回到液体入口816，用于正在进行的流体动力聚焦。
图9说明一例控制输入光学容器的样品流和鞘流的速度匹配的方法。图9中，光学容器被标记为902。参考图9A，将光源提供的激光束904引导到光学容器902扁平部分的入口。反射光束906被探测，以测量进入入口908前的鞘流的透明度。
图9B表示图9A中的顶视图所表示的结构的侧视图。如图9B所示，光源910表示为在光束反射器912的方向提供光线，该光束反射器912向光探测器914反射光线。该光探测器测量鞘流透明度。在速度不匹配的情况下，会出现样品和鞘流的湍流混合，鞘流透明度能够相对预定阈值发生变化，该阈值可通过经验确定。可利用包括使用计算机处理器在内的任何技术，对光探测器输出信号和该阈值进行比较。在另一实施例中，光探测器914被设在与光束反射器912相对的位置。在这种情况，在聚焦料浆流的一侧就能够测量的混浊度。因为携带微粒的中心流的湍流扩散一般在两个方向都出现，所以一侧探测方法足以推断出速度不匹配的存在。
本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明精神以及其本质特征的条件下，本发明可由其它特定形式实施。从而，应当认为目前所揭示的实施例完全是示意性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附的权利要求而不由前面的描述指明，在本发明的意图、范围内作出的所有变更及其等同物均落在本发明的范围内。

Claims (34)

1.一种用于探测可流动样品中单个微粒的方法，包括以下步骤：
对所述样品进行流体动力聚焦，所述样品至少对于第一波长范围内的光不透明；
测量所述样品的透明度；
压缩所述样品，以产生至少对光波的一个波长透明的压缩样品；以及
通过光学检测来识别所述压缩样品内包含的单个微粒的尺寸。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述压缩步骤包括：
在第一维度上延伸所述样品。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述压缩步骤包括：
在不同于第一维度的第二维度上压缩所述样品。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述流体动力聚焦步骤包括：
用透明液体包围所述样品。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述压缩步骤包括：
利用两个达夫棱镜压缩所述样品。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述流体动力聚焦步骤包括：
根据对发生在至少一个波长上的光散射的测量，增加感测体积到一个选定值。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述压缩步骤包括：
基本消除对于所述至少一个波长的多重光散射。
8.如权利要求1所述的方法，其中：以至少100的压缩比进行压缩步骤。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述识别步骤包括：
用所述至少一个波长的光照射所述样品，对样品进行光学检测。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述识别步骤包括：
用脉冲光源对所述样品进行光学检测。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述识别步骤包括：
检测直径在0.5微米到5微米量级的微粒。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述识别步骤包括：
检测直径在5微米到10微米量级的微粒。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述压缩样品可具有所述样品的可变浓度。
14.如权利要求1所述的方法，其中，识别步骤包括：
通过感测透过所述样品的光，直接探测单个微粒的特征。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述探测步骤是用CCD照相机响应从所述样品的料浆接收到的光信号，以确定所述单个微粒的特征。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述执行探测步骤指的利用光电二极管照相机响应从所述料浆接收到的光信号，来探测所述单个微粒的特征。。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述样品为料浆。
18.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤：
根据超出预定尺寸的微粒浓度的确定，停止所述样品的液流。
19.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤：
根据超出预定值的确定尺寸的微粒浓度的确定，停止所述样品的液流。
20.一种用于探测可流动样品中的单个微粒的设备，所述设备包括：
对所述样品进行流体动力聚焦的装置，所述样品至少对于第一波长范围内的光不透明；
压缩所述样品来产生压缩样品的装置，所述压缩样品至少对于光波的一个波长透明；以及
用于通过光学检测来识别所述压缩样品中包含的单个微粒的尺寸的装置。
21.如权利要求20所述的设备，其中，所述压缩装置包括：
用于导入所述样品的狭缝，所述狭缝位置的选定与所述样品中单个微粒的浓度有函数关系。
22.如权利要求20所述的设备，其中，所述压缩装置包括：
用于导入所述样品的狭缝，所述狭缝宽度的选定与所述样品中单个微粒的浓度有函数关系。
23.如权利要求21所述的设备，其中包括：
用以改变所述狭缝宽度的共轴管。
24.如权利要求20所述的设备，其中，所述流体动力聚焦装置包括：
用透明液体包围所述样品的装置。
25.如权利要求20所述的设备，其中，所述流体动力聚焦装置包括：
用于提供所述样品的狭缝；以及
用于接收液体的附加狭缝，其中，所述附加狭缝的宽度对用于提供所述样品的狭缝的宽度比至少为10∶1。
26.如权利要求25所述的设备，其中，所述液体与所述样品的PH值相匹配。
27.如权利要求25所述的设备，其中，所述液体是水。
28.如权利要求25所述的设备，其中包括：
用于过滤和回流所述液体的装置。
29.如权利要求20所述的设备，其中，所述压缩装置包括：
至少两个达夫棱镜，用以在至少一个维度上压缩所述样品，以使所述样品对预定波长的光透明。
30.如权利要求20所述的设备，其中，所述识别装置包括：
用于探测光信号的光探测器。
31.如权利要求30所述的设备，其中，所述光信号经所述样品透射。
32.如权利要求30所述的设备，其中，所述光信号由所述样品反射。
33.如权利要求30所述的设备，其中，所述光探测器是CCD照相机。
34.如权利要求30所述的设备，其中，所述光探测器是光电二极管。
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