CN1011554B - 用于离心机的紫外线扫描系统 - Google Patents

Abstract

离心过程中对样品进行光扫描，样品在带有样品室(有顶窗和底窗)的离心机转子中，旋转样品，产生垂直于样品处离心半径而平行于离心机转轴的分层。一具有垂直于样品平面狭缝的扫描器来回移过样品的宽度，在样品室下方精确探测分层的位置，有两个曲率半径的超环面反射镜反射光源的光，其一个曲率半径产生平行于样品分层的光线，反射镜的另一曲率半径方向的刻线使光按预选频带宽度分色。反射镜旋转，既保持光的准直又可选择扫描频率。

Description

本发明涉及离心机。更确切地说，是关于一种光学扫描系统，该系统能在离心过程中动态地跟踪样品内的分层过程。

装备带有样品室的离心机转子以及在离心时观测样品室都是公知的。具体地说，在现有技术中光源是被准直的。被准直的光线向下照射，经过其上部和下部的窗口穿过样品室，而且该光线恰好平行于样品点处的样品分层平面穿过;成象系统把样品图象重新聚焦到扫描狭缝的平面上。光通过该扫描狭缝如同通过一个干涉滤光片一样。与此扫描狭缝毗邻的光电探测器能够对进行离心时各光频带进行动态探测。

让准直光只平行于旋转着的转子半径这是公知的，这样能增加照射在样品上的光强度，并且使样品的层状结构清晰可见。

现有技术与本发明之间存在着重要的区别。具体地说，在现有技术中准直仅产生在样品的径向上。如下面将提到的那样，利用具有超环曲面和刻划线且分别有两不同曲率的反射镜，能在分出的高强度、频率选定的单色光下检验样品，其中样品的衍射梯度变化对被扫描的样品图象影响不大。

现代的离心技术要求在样品进行分层的同时，对样品的层状分层进行探测。不幸的是这样的样品几乎全部是不透明的，于是就要求有 效地利用照明辐射。

再则，既需要单色扫描、又需要改变单色扫描的频率。也就是说，在被检测样品上照射的光波长必须是变化的。所有这些都必须发生在样品的离心机处理过程的时域中。这个时域包括转子以100，000转/分的速度旋转。

已经发现公知技术中的光学扫描技术，其光学敏感度与精确程度不能满足跟踪某些样品的要求，同时又太复杂;并且没有足够好的准直性能来获得好的空间扫描分辨率;当样品中存在高折射率梯度时也不能使用，而且在波长下降到200毫微米时就不能工作。

现将本发明概述如下。一个被离心作用的样品，在离心过程中被光扫描。这个样品位于离心机的转子中，该转子有一个带窗口的样品室，最好是一个具有顶部和底部窗口的容器，使样品旋转直到出现分层并在样品里产生分层的层状结构。这样的层状结构正好垂直于样品点处的离心半径且平行于离心机的转动轴。光源只在样品平面内进行准直，这个平面包括离心机的转轴且穿过样品。准直光线精确地平行于离心机的转轴，并穿过样品的层状结构或层状分层。光通过具有两个曲率的超环面反射镜，同时完成光的准直和滤色（分色）。该反射镜的具有一个相应曲率半径的柱形用来完成光的准直;具有另一个相应曲率半径的反射镜刻线用来完成光的分色，这部分光在垂直于样品平面的平面中被滤色（分色）但未被准直。一狭缝扫描器具有一个垂直于样品平面的缝隙，在样品室下方横向扫过样品的宽度，这样横移的狭缝扫描器精密地探测样品室中层状分层的准确位置。

本发明公开了一个最佳光路，包括一个20，000瓦的高强度频闪点光源，该点光源穿过直径为1mm或更小的孔，射到位于样品室内 样品点上方的超环面的衍射光栅上，在样品平面中光栅为园柱形截面。这个光栅在样品平面内象反射镜一样起光的准直作用，其中样品平面精确地垂直于转动样品中所形成的分层。

在反射镜上，沿垂直于样品平面方向刻线形成一衍射光栅。园柱形截面的曲率是这样选择的，即光栅绕其轴转动时不使光准直。光穿过样品点，并对其进行频闪。光源发出的光照射到放置在样品室上方的反射镜上，被分色。光以大约5毫微米的带宽穿过样品室射向下面的狭缝扫描探测器，其下面带有一个光电探测器。这个带有光电探测器的狭缝扫描探测器可精确地探测离心过程中样品室内形成的层状分层的位置。

反射镜可绕一个轴倾斜，这个轴包括在旋转轴线和样品点半径组成的平面中。反射镜倾斜轴最好是垂直于转子转轴。使反射镜上的刻线呈不等间距分布，以至于简单的倾斜时不必调整反射镜对于样品的聚焦，即可提供所需的单色光输出。由此得出一个光学检测系统，该系统要允许在光衰减达10⁴之多时，能以高分辨率的分立频带，紧紧地跟踪离心作用的动态过程。

本发明的目的之一是在离心机转动对样品作扫描时，增加照明强度。据此，一个小孔光源对着样品瞬时频闪。光源发出的光射到位于样品正上方的反射镜上，经反射镜的反射向下，在离心机的转动轴与样品点半径组成的平面中，反射镜最好具有一个柱面形表面。被准直的光准确地平行于离心机转轴，并在样品点与转子转轴组成的样品平面之中。狭缝扫描探测器通常在样品下面相对于样品面有一个移动。在离心过程中动态地形成层状分层时，借助于它们的光吸收作用，这个探测器精确地鉴别层状分层。

仅在包括转子转轴和样品点的平面中使扫描光准直的优点是，能够更有效地利用来自光源的照明。例如，它能以10倍于通常准直光束照明样品的照度去照明，这种通常的平行光束包括横向通过样品平面的准直光线。

在此公开的扫描系统的另一个优点是，当样品被分成很窄的带时，它们分裂的过程可以被动态地跟踪，也能有效地获得这些带的沉积过程（例如它们的沉积系数）。

所公开的准直光的又一个优点是不需要一个能把样品室重新聚焦在图象探测器平面上的成象系统，这就使样品折射率梯度急剧变化时，有合适的分辨率可进行操作。

本发明的另一个目的是提供一种装置，该装置能使样品在离心过程中以不同波长进行单色扫描。根据这一目的，反射镜要求是有刻线和弯曲的。最好是有常规的不等间距刻线，有了这些刻线就不需要为适应不同试验波长去改变反射镜到样品的距离。

本发明在这方面的优点是，光源入射到反射镜上，靠简单地倾斜反射镜，即可改变对样品扫描的波长。

这个有刻线的反射镜的优点是，由于不让对应的光在样品所形成的分层平面内准直，因此保持了光在样品上的有效利用，保持了样品处较高的照明。

本发明的另一个目的是公开一种折叠光路。其中从光源到样品有一个长的光程，从样品到探测器有一短光程。

本发明在这方面的优点是，可借助于几乎完全平行的光线，以大视场深度检测样品，而不管光栅的角位置是如何的。样品进入检测的同时，对样品的探测就直接进行了，落到狭缝探测器上样品的图象几 乎没有什么衰减。

参考以下说明及其附图，本发明的其它目的、特点和优点将更为清楚。其中：

图1是安装了本发明的光学扫描系统的离心机侧视图;

图2是图1离心机的平面图;

图3是一个侧视平面图，其上利用一个有刻线的反射镜能够完成光的分色;

图4是产生精确地平行于扫描样品这束光的反射镜位置的光学原理图;

图5是用于图1样品的折叠光路示意图，表示了该光学系统提供的分辨率;

图6是反射镜转动机构的局部剖视图。

参见图1和图2，表示一个所谓“超速离心机”，简单地表示了一个电动机MTR使转子R绕轴A旋转，而且是高速的。转子R以100，000转/分旋转是常见的。本领域的技术人员皆知，为了避免空气阻力要在真空中进行离心处理。

样品被放在样品室S1内，该室有顶窗20和底窗22，这些窗口让平行于转子R转轴线的光通过。在离心过程动态地发生的同时，光通过这些相应的窗口，照在按本发明教导的方法形成的样品上就实现了对样品层状分层进行检测的方法。

至于照明方面，镜筒T中有一个灯L沿四棱锥体向外发光，并照到反射镜M上，光从反射镜M向下反射，通过折叠过来的镜筒T1并通过转子R上样品室S1的窗口20和22，透过这些窗口之后光照射到一个探测器D上（见图2）。下面将进行说明，探测器为一个能移动的 狭缝，此狭缝在样品径向长度范围内移动。

离心机产生的力一般在5000至500，000的重力场范围之内。本发明的目的在于，在离心过程持续的同时，直接检测形成层状结构分层的动态过程。显然，只要被检测样品的离心过程一终止，就会彻底破坏试图检测的那个结果。具体地说，在强大引力场下能出现的分层，一旦去掉这个大的引力场，往往会以扩散的方式消失。

接下来要确定一些平面。这些平面一经确定，就可以研究光学系统的结构。

在用光学方法研究样品的分层结构时，首先要按常规在样品点P处安放样品，样品点P自离心机的旋转轴线沿半径26的方向排列。

这个样品平面包含旋转轴轴线A和从该轴线通过样品点延伸的半径26，这个样品平面是光进行准直的平面，图4的平面就是这样的平面。

还需说明的是，垂直于这一样品平面的平面。这个平面是一个发散面，沿此平面发生光的分色，在发散面中光不是准直的。这个发散面是图3所示的平面。

列举了这些相应的平面之后，就可以描述本发明专用光学系统的功能了。这些功能首先包括光的准直，以实现对沿样品平面层状分层的精确检测。其次是在发散面上来讨论光的分色。最后参考图5将讨论本发明的分辨率特征。

参见图3，一个频闪光源L穿过最好为1mm或小于1mm直径的孔径28。来自光源的光40通过相应的管式光阑30和32照射到反射镜M上。

参见图4，读者可以理解未示出的光源C。图4中，光40由反射镜 M反射向下，透过样品50和探测器狭缝52，照射到探测器D上，应当认为，狭缝52在样品50下面扫描。在这种扫描中，狭缝平行于转轴A并垂直于图4的样品平面，它可精确地检测层状结构的分层。

在图4的样品平面中，表示出反射镜M相对于光源L来说为一给定的柱形面。此柱形面的选定，要使光线40在图4平面内沿着平行于转子R的转轴A的光路严格准直。于是任何沉积物分出的层状分层，如层带B，准直光线40都精确地与之平行，并通过该层带B。

为了产生准直光线，反射镜M沿一个轴线成形。而沿另一个轴线，该反射镜具有另一个不同的曲率并有不等间距刻划线，以致当倾斜反射镜时，即产生光颜色的改变。

这样的刻线是公知的。参见1975年9月30日公布的Pleuchard等人的美国专利3，909，134。与这样的反射镜结构有关的现有技术，在1976年1月6日公布的Pleuchard等人的美国专利3930728中、1973年3月20日公布的美国专利3721487、1976年3月2日公布的Laude等人的美国专利3，942，048中，以及1971年12月21日公布的Flamand的美国专利3628849中均可查到。

为改变波长，光栅从垂直于光源的位置大约要转30°角。但无论光栅的转角如何，用于准直的有效曲率是不变的。

读者将会看到，图示的镜组是最佳的。其它只在样品平面上准直光的镜组也是可用的。例如用透镜与反射镜组合。狭缝52沿双箭头54指出的路线在探测器D的上方来回移动。如1973年1月23日公布的美国专利3，712，724Cohen所述，在这种移动中将检测到接收光的变化。

某些数值实例是有用的。尤其有用的是，光源L为典型频闪氙光 源，在频闪的一瞬间光源输出在20千瓦范围内。

在样品室S₁内，样品50中的层带B基本上是不透明的分层，光通过这样的不透明层时，会出现大量衰减，光衰减量总共约为10¹⁷量级，在样品中光的衰减大约为10³量级。

再回过来参见图3，最好在样品S1中的样品50的扫描中采用多个光频带，如在200至800毫微米或更高（这个范围是光谱的紫外部分和可见光部分）对离心机中被分层的蛋白质进行扫描。按照本发明，在图4的平面中，反射镜M具有不等间距刻线的曲面。如图3所示刻线在该平面向内和向外的方向上延伸，如箭头62所示的方向。反射镜绕着轴线60旋转，可以5毫微米的带宽对样品50进行扫描。读者应清楚，扫描带宽或扫描带通宽度，事实上是由反射镜的辐射立体角来确定的，该辐射是穿过如图3和图4所示窗口20、22的。

这样的扫描有其绝纱之处。具体地说，被分色的光平行于层带B的平面，并在此平面中，如图4所示。这样的安排使层带B及其相应的表面都被照射了。这个照射的光约为图3和图4两平面可获得的平行光的十倍。由于采用只限于对图4的平面进行光准直的办法，并让单色光穿过图3平面的层带B，则超过十倍的光将照射到样品S₁中的层带B。

参见图5，表示了本系统的光学原理图，此原理说明了图3和图4中的折叠光路长度对样品层带分辨率的影响。

距离x₁表示灯L和样品S₁之间的光路的有效长度。它等于约33cm。

同样，距离x₂是狭缝52与样品S₁之间的距离，这个x₂大约是2cm。可看出光程x₁比x₂长得多。因此缝隙52将以高的分辨率检测分 层B。这里有：

$\frac{d_2}{x_2}>\frac{d_1}{x_1}$

已着重指出过，为了获得多种清晰的单色光，要转动反射镜M。实现这种转动的装置如图6所示。

见图6，在此表示出了图3和图4中反射镜附近的光学镜筒。这里表示反射镜的平面与图4的相同。

具体地说，光向上通过镜筒T。除了射到反射镜上的光之外，来自光源L光束的所有其它光线都被遮光板挡住了（见图1）。光从反射镜M向下反射，通过镜筒T₁射到旋转着的样品室所放的样品上。

反射镜绕枢轴102转动。由包括齿轮103和104的齿轮系列驱动反射镜，此齿轮系列还包括减速齿轮105、106和惰轮107，该惰轮最后由齿条驱动。显然，齿条108在向和背反射镜的方向作直线运动，使反射镜M得到良好的调整和精确的转动。由于反射镜总是能反射出平行光，所以反射镜角度的变化只影响旋转样品室处光的颜色。

读者应理解，具有迅速改变光颜色的能力就能迅速地调整样品室内要被测试的分层材料上的光的颜色。于是当光电探测器通过样品室的各个不同半径时，为了对被分出的密度变化的层状分层进行最佳探测，可迅速地改变所采取的单色光的颜色。

图4所示狭缝52和探测器D对准成直线，有一个附加的优点，但不明显。具体地说，当样品S₁逐渐地分层时，样品的各种不同组分将在分离的各层中沉积，这些组分可以是各种不同的盐。

然而。那些较重的组分，特别是某些盐有不同的折射率。这种情况下，必须有一定的角宽度来使狭缝52接收到这些层带的光。

据此，狭缝52有约0.1mm的有效宽度，并相对于探测器D的有效表面留有间隔，因而从样品方面垂直看去有一个正负2°角度。由于采用这种技术，折射率不相同的样品所折射的光可以被接收到，而这一角度以外的所有漫射光则照射不到探测器上。

Claims (2)

1、一种对样品离心处理进而形成分层的离心机组合系统，包括：一个绕旋转轴转动的离心转子，所述转子上有一个与所述转子的转轴相隔开的样品室，所述样品室放置着所述样品并带有第一和第二窗口以透过平行于所述样品的光；一个照射所述样品室以检测所述样品分层的光源，所述光源的光入射到所述转子与所述样品构成的平面内；一个对透过所述样品的光进行检测的探测器，可以观察到所述的分层，该系统的特征在于：限定光路的装置和旋转所述反射镜的装置，限定出光路装置包括一个有两个曲率半径的超环面反射镜，其中一个所述的曲率半径方向仅用于将准直光限定在所述样品平面内，有刻线的另一个曲率半径方向使不同频率的光以不同的角度从所述反射镜反射出来；旋转所述反射镜的装置，用于转动所述反射镜，相应地所述的第一曲率半径方向在保持平行光照射样品的情况下，被用来选择对所述样品扫描的光频率。

2、根据权利要求1的组合系统，其特征在于所述的反射镜被刻划出平行于所述样品面的衍射刻线。

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