CN105556282A - 光学吸收监测系统 - Google Patents
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Abstract
吸收监测系统（10）包括：光源（20）和光检测器（40），其被设置以便限定其之间的吸收检测光路；和控制器（50），其设置成控制光源（20）的操作，其中该光源（20）包括能够在UV范围内发射光的发光二极管（UV-LED）并且其中吸收监测系统（10）不包括参考光检测器并且控制器（50）设置成补偿来自UV-LED的光输出强度中的波动。控制器（50）可设置成响应于UV-LED的记录温度、响应于UV-LED在运作时的记录的总时间或根据对具有已知吸收的样品确定的存储参考吸收信号来控制来自UV-LED的光输出强度。
Description
技术领域
本公开涉及光学吸收监测系统并且特别涉及流动池吸收监测系统。
背景技术
许多物质由于它们的化学组成而吸收紫外光或可见光。多年来物质对光的吸收用作用于检测这样的物质的存在和用于测量这样的物质的浓度的基础。物质的浓度可通过使用比尔-朗伯定律确定：
A=Ebc
其中A是吸光度，
E是摩尔吸光系数，以L mol-1 cm-1为单位，
b是样品的路径长度，以cm限定；以及
c是溶液中复合物的浓度，用mol L-1表达。
Emax代表物质在指定波长的最大吸收。
吸收监测系统典型地包括：光源，用于向流体样品提供具有一个或多个波长的光；和光学检测系统，用于检测光与样品之间的任何相互作用。流体样品可以是在提供有窗口以用于吸光度测量的合适容器中的静态样品或流体样品作为流动池中的流体流提供，如将在下文更详细公开的。再进一步地，监测系统可以是浸入式的，其中系统的光学部件浸入流体样品并且设置成限定其之间的光学检测路径。
吸收监测系统的一个示例是流动池UV吸收监测系统，其用于在被分离分子从柱洗脱时测量色谱系统中各种波长的光的不同吸光度。然而，流动池UV吸收监测系统可用于在除色谱系统（例如生产流体过程系统、实验室系统、分析系统等）以外的大范围应用中选择性地检测样品。该类型的监测系统通常包括光源、流动池和光检测器。理想地，选择监测系统的部件并且将其设计成确保具有最小漂移和折射率灵敏度的信噪比。光源典型地由汞灯、氘灯或氙闪光灯组成。然而，近年来开发使用UV-LED（能够在UV范围内发射光的发光二极管）作为光源的监测系统。在US8068227中公开基于UV-LED的监测系统的一个示例。
为了实现根据上文的具有最小漂移和折射率灵敏度的信噪比，该类型的监测系统通常提供有参考光检测器，用于记录来自光源的光强度输出中的波动和/或漂移。来自参考光检测器的输出用于通过来自检测器系统的输出的归一化或类似物来减少这样的波动的影响等。
如在US8068227中公开的，基于UV-LED的监测系统与基于其他光源的监测系统相比可更加紧凑且复杂程度更低。因此，基于UV-LED的监测系统制造起来一般不太昂贵。然而，仍需要有不太复杂且不太昂贵的监测系统。
发明内容
本发明的目标是提供新的吸收监测系统，其克服现有技术的一个或多个缺陷。这通过如在独立权利要求中定义的吸收监测系统实现。
本吸收监测系统的一个优势是它提供具有最小漂移和折射率灵敏度的信噪比同时与当前系统相比复杂程度更低并且因此不太昂贵。
另一个优势是本吸收监测系统设置成在UV-LED的整个生命周期中允许使处于最佳点的UV-LED偏置，这将增加LED的寿命。因为UV-LED代表监测系统的总成本的相当大部分，延长它的寿命大大影响监测系统的总寿命成本。控制器也将感知偏置点并且因此将能够预测光电检测器处的正确电压范围，这将有助于消除由于在流动池中材料的存在引起的吸光度所导致的参考误差。
在一个方面中，提供有吸收监测系统，其包括：被设置以便限定其之间的吸收检测光路的光源和光检测器；和控制器，其设置成控制光源的操作，其中该光源包括能够在UV范围内发射光的发光二极管（UV-LED）并且其中吸收监测系统不包括参考光检测器并且控制器设置成补偿来自UV-LED的光输出强度中的波动。
在一个方面中，吸收监测系统包括温度传感器，用于记录UV-LED的温度，并且其中控制器设置成响应于记录的温度来控制来自UV-LED的光输出强度以补偿由于温度改变引起的来自UV-LED的光输出强度中的波动。
在吸收监测系统的一个方面中，控制器设置成记录UV-LED在运作时的总时间（UV年龄）并且响应于记录的UV年龄来控制来自UV-LED的光输出强度以补偿由于年龄引起的来自UV-LED的光输出强度中的波动。
在吸收监测系统的一个方面中，控制器设置成记录并且存储对于具有已知吸收的样品的参考吸收信号并且使用参考吸收信号对光电检测器记录的吸收信号应用参考校正。
在吸收监测系统的一个方面中，控制器设置成在参考吸收信号超出预定义阈值时提供警告信号。
在一个方面中，吸收监测系统包括流动池，其具有流体流动通道和在其之间提供吸收检测光路的两个相对窗口，一个窗口设置成从UV-LED接收光并且另一窗口设置成将来自测量光路的所得光输出到光检测器。
本发明的更完整理解以及其另外的特征和优势将通过参考下列详细说明和图获得。然而，应理解详细说明和特定示例在指示本发明的优选实施例时仅通过说明的方式给出。在本发明的精神和范围内的各种改变和修改将从下文的详细说明对本领域内技术人员变得明显。
附图说明
图1是现有技术的吸收监测系统的示意框图。
图2是根据本发明的吸收监测系统的示意框图。
图3示出对于常规UV-LED在一定温度范围内的光功率的示例。
图4示出使用未经补偿的无参考监测系统记录并且其中UV-LED的温度随时间逐步改变的实验数据。
图5示出对于代表性UV-LED的减小的输出功率的示例。
图6示意示出对于相同样品序列但在UV-LED的不同温度使用本发明的监测系统记录的四个覆盖式UV吸收曲线。
图7是根据本发明包括吸收监测系统的液相色谱系统的示意框图。
具体实施方式
如上文提到的，本发明的吸收监测系统将图示为流动池吸收监测系统，但应指出系统可以是静态式、浸入式或类似物。关键特征是对于检测光存在通过要分析的代表性体积的样品的光路。
图1是采用基于UV-LED的流动池吸收监测系统10形式的现有技术的吸收监测系统的示意表示。监测系统10一般包括采用UV-LED 20形式的光源、流动池30、吸收光检测器40、参考光检测器42和控制器50。UV-LED
20基本上可以是能够在期望UV光谱中发射光的任何类型的UV-LED。在公开的实施例中，在UV-LED 20与流动池30中的入射窗36之间提供带通干涉滤波器22。该带通滤波器22是滤光片，其允许预定义的狭窄波长范围的光通过同时防止其他波长的光通过。根据一个实施例，滤波器的带宽优选地小于10nm或更低，以给予良好的线性和大的动态范围。根据备选实施例，通过选择在期望波长具有足够窄的发射光谱的UV-LED 20而可省略带通滤波器22。仍然备选地，光源20可由两个或以上UV-LED组成，每个提供具有不同波长的光，由此可实现多波长监测系统10。
被采用来照射样品的UV光的波长可以通过使用在UV光的特定波长发射的适当LED（例如，UVTOP® 260nm或280nm LED）或凭借在深UV具有更宽发射光谱的发光二极管来选择。UVTOP® LED从USA, SC的Sensor Electronic Technology Inc.可获得（例如，‘TO-39’封装件包含许多UV发光二极管，其在250-365nm的范围内发射）。
光然后通过分束器24，其将光中的一些转到参考光电检测器42上而余下部分被引导通过窗口36到流动池10内的溶液内。分束器24和参考光电检测器42用于遵循发光二极管20中的任何强度改变并且从而在输出数据中提供稳定基线。具有入口32和出口34的流动池30具有窗口36和38，其由例如蓝宝石、石英或合成熔融石英等UV透明材料制成并且具有已知路径长度，它们可以是UV敏感光电倍增器或UV敏感光电二极管。
包含样品（例如，蛋白质或核酸）流体流的溶液经由入口32和出口34通过流动池30，如由单箭头指示的。UV发光二极管20用于照射流动池30中的溶液，光通过UV透明窗口36进入流动池30，如由框式箭头指示的。通过溶液（由框式箭头指示的）和窗口38的光然后被光电检测40检测到。
如期望的话，溶液中物质的浓度然后可以通过使用比尔朗伯定律确定，其中已经知道物质的摩尔吸光系数（E）。备选地，物质的浓度可以通过使用之前已经对处于指定波长（例如，280nm）的感兴趣物质产生的剂量-响应曲线来确定。
控制器50设置成通过设置期望偏置电流来控制来自UV-LED 20的UV光输出。在图1中，控制器通过通信线52连接到UV-LED，该通信线52可以是直流馈送电路，但备选地可存在独立UV-LED驱动器（未示出）（其进而被控制器50控制）或类似物，如本领域内技术人员将意识到的。相似地，光电检测器40和参考检测器42分别通过通信线56和54连接到控制器50，并且通信线可采用实现记录的光强度从相应单元传输的任何适合的方式实现。控制器50设置成提供参考补偿输出，其反映流动池中样品流体的吸光度并且对UV-LED 20中的光输出中的波动来补偿该输出。在一个实施例中，控制器50包括数字微控制器电路70，其包括设置成控制UV-LED
20的操作的至少一个数模输出和至少两个模数输入，每个分别连接到相应的光电检测器40和42。控制器50进一步提供有通信接口（未示出），用于与流体系统的主控制器接口，其中监测系统10在监测系统10作为独立单元操作的情况下与用户界面合并或直接具有用户界面。
在许多应用中，使该类型的监测系统10的总成本降低，这是高度可取的，并且实现成本降低的一个方式是移除高成本部件。图2是根据本发明的一个实施例的基于UV-LED的流动池吸收监测系统10的示意表示。在图2中，与图1中相同的标号用于指示对应特征。在图2的实施例中，移除参考检测器42和关联的分束器24以便降低监测系统10的成本和复杂性。
然而，通过移除参考检测器42，对于来自UV-LED 20的光输出中的波动可不再主动补偿来自监测系统10的输出。为了使这样的无参考监测系统10切实可行，本发明提供用于建立来自UV-LED 20的稳定输出的手段。
UV-LED的一个通常已知特性是关于输出光强度的明显温度依赖性。图3示出对于常规UV-LED在一定温度范围内的光功率的示例。如可以在图3中看到的，输出功率基本上反向线性依赖于温度，即输出功率随着温度上升而线性减小。图4示出使用未经补偿的无参考监测系统10记录并且其中UV-LED的温度随时间逐步改变的实验数据，并且需要减轻温度依赖性以便实现来自监测系统10的相关输出，这从该图显而易见。因此为了补偿UV-LED 20的温度依赖性，监测系统10提供有温度传感器62，其设置成记录UV-LED 20的温度。温度传感器62可以是任何适合的传感器，例如热电阻或类似物，并且它通过适合的通信线64连接到控制器50。根据一个实施例，控制器50设置成响应于温度传感器62记录的温度来控制UV-LED 20的输出功率（例如根据预定温度依赖性曲线通过控制馈送给UV-LED 20的偏置电流），使得从UV-LED 20实现大致恒定输出功率。备选地，可允许来自UV-LED 20的输出功率随温度变化并且控制器50设置成基于预定温度依赖性曲线对光电检测器40记录的吸收信号应用温度补偿。根据一个实施例，UV-LED 20的温度可主动控制在设置温度，例如通过温度控制设置（未示出），其包括例如peltier元件或类似物等传热单元，用于加热和/或冷却UV-LED 20以便使UV-LED 20的温度保持在期望设置点。然而，因为监测系统10可在周围温度可在相对宽范围内变化的环境中使用，所述温度控制设置适当地与使用预定温度依赖性曲线的温度补偿结合。
此外，发现对于市售UV-LED在恒定偏置电流的输出功率在UV-LED的寿命内通常减小。图5示出对于代表性UV-LED的减小的输出功率的示例。如可以在图5中看到的，对于该特定UV-LED的输出功率在4000小时的时间跨度内减小约50%。可以进一步推断减小率不是线性的，而随时间可变。在本监测系统10中，控制器50设置成自动补偿UV-LED 20的输出功率中的减少。根据一个实施例，控制器50包括存储器72，用于存储年龄校正曲线，并且控制器进一步设置成记录并且存储UV-LED 20在运作时的总时间（LED年龄）并且根据记录的LED年龄的年龄校正曲线来应用年龄校正。与温度校正相似，年龄校正在一个实施例中可通过将控制器50设置成根据预定年龄校正曲线控制馈送给UV-LED 20的偏置电流使得在UV-LED 20的寿命内从其实现大致恒定输出功率而实现。备选地，可允许来自UV-LED
20的输出功率在UV LED的寿命内变化并且控制器50设置成基于预定年龄校正曲线对光电检测器40记录的吸收信号应用年龄校正。如由图5指示的，UV-LED的年龄校正曲线适当地通过实验确定，并且因为预期UV-LED的不同模型可以示出不同老化行为，对可在监测系统10中使用的每个模型可需要个体年龄校正曲线。与图1的实施例中的类似，控制器50可包括数字微控制器电路，其包括设置成控制UV-LED 20的操作的至少一个数模输出和对于光电检测器40的至少一个模数输入。根据一个实施例，微控制器电路包括第二模数输入，其设置成通过记录与UV-LED 20串联连接的电流检测电阻（未示出）上的电压降来记录驱动UV-LED 20的偏置电流。
在一个实施例中，感测UV-LED 20的偏置电流并且将其与在UV-LED使用的小时数后要消耗的电流的预定偏置阈值比较。如果电流不在预定阈值内，电流将被控制器50改变以将光电检测器侧处的记录强度设置成预定义水平，在一个实施例中是在3V与4V之间。该偏置电流调整补偿在之前的运行期间UV-LED 20的漂移。如果记录的偏置电流指示电流高于预定义水平，控制器50可设置成发出要求用户就任何意外堵塞或类似物来检查流动池的警告。在检测到成功的偏置电流水平时，将对于该运行存储偏置电流。对UV LED将在该运行中使用的小时数计数的计数器也将在这时启动。在整个运行中更新该计数器来记录在运行期间UV LED打开的小时数。光电检测器侧处的电压可以基于仪器所支持的色谱方法的类型而对仪器配置。监测系统也将具有自安装新UV-LED以来使用UV LED的总小时数的记录。此外，可以提供校准期的定义周期来超控自动校准以按照用户要求（如需要的话）细调UV读数。
通过UV-LED
20的偏置电流从而是被控制器50控制的可变分量并且控制器50设置成记录电流反馈。光电检测器40记录的强度也将馈送给控制器50。UV-LED 20使用的小时数和在之前的运行期间记录的UV-LED 20的强度连同此一起存储在控制器的存储器72中来建立智能以在UV-LED 20的生命周期期间控制处于最佳点的UV-LED偏置电流。此外，在UV-LED在预定义范围内未被偏置的情况下，UV-LED的寿命可受到负面影响。从而上文的在UV-LED寿命内偏置水平的控制不仅补偿输出功率中的波动，而且还可大大延长UV-LED的寿命。在自校准期间连同这些数据还将使用色谱方法以在UV LED 20的整个寿命中对于处于该最佳偏置点的运行在捕获参考值中避免误差。对于UV-LED的可变偏置电流将允许在UV LED 20的整个生命周期中使处于最佳点的UV-LED 20偏置，这将增加UV-LED的寿命。控制器50还将感知偏置点并且因此将能够预测检测器处正确的电压范围，这将有助于消除由于流动池中材料的存在引起的吸光度所造成的参考误差。捕获和证实参考信号方面的智能将减少UV读数中的误差。
根据一个实施例，作为检测周期的一部分，控制器50设置成记录参考吸收信号，并且其中对在监测系统10的检测带中基本上没有吸收的参考样品记录该参考吸收信号。备选地，参考样品可包括在检测带中吸收光的预定浓度的样品。参考吸收信号可例如作为检测周期的初始化步骤而被记录，其中在流动池中提供缓冲液或另一个参考样品，但也可在检测周期期间的其他时间点记录它。在监测系统10是手动液体处理系统的一部分的情况下，用户将必须在流动池中手动提供参考样品，但在自动化系统中，参考吸收信号的记录可部分或完全自动化。控制器50然后设置成使用参考吸收信号对光电检测器40记录的吸收信号应用参考校正。在一个实施例中，当对没有吸收的参考样品记录参考吸收信号时，参考吸收信号可视为由流动池30中的其他组成（例如，沉积物或类似物）的吸收产生的“背景信号”，并且可从记录的信号扣除参考吸收信号来提供参考输出信号。
根据一个实施例，控制器50可设置成使用来自光电检测器40的信号水平以用于调整UV-LED 20的偏置电流连同或代替通过UV-LED 20的偏置电流来检测并且调整对UV-LED 20的偏置点。
图6示意示出对于相同样品序列但在UV-LED的不同温度使用本发明的监测系统记录的四个覆盖式UV吸收曲线。在公开的图中，分别在3℃、6℃、25℃和37℃记录吸收曲线。与对于图4的没有温度补偿的系统的差的结果相比，显而易见当前溶液提供改进很大且稳定的输出。
根据图7中示意公开的一个实施例，可包括监测系统10作为液相色谱系统190的一体式部件，该液相色谱系统190例如包括：
●两个3通输入阀160和161，其设置成从流体源A1、A2、B1、B2选择输入流体
●两个系统泵150和151
●压力传感器200，用于记录系统泵之后流动路径中的系统压力，
●混合器210，用于确保泵所供应的流体的适当混合，
●注入阀220，用于将样品注入流体路径内，
●柱连接阀230，用于在流体路径中选择性地连接/断开柱240，
●柱前压力传感器235和柱后压力传感器236
●根据本发明用于检测来自柱的输出的监测系统10
●导电率监测器260，
●pH监测器265，
●具有两个或以上输出位置的输出选择阀270，例如连接到馏分收集器280、废物箱或类似物以及
●系统控制器100，其连接到泵和阀以用于控制通过系统的液体流，并且连接到传感器和监测以用于监测流，连接由虚线310图示。在图7的实施例中，监测系统的控制器50可以是监测系统中的专用控制器，但备选地，它的功能性可在系统控制器100中集成。
图7的色谱系统代表可如何设计色谱系统的一般示例，并且其他实施例可具有不同设计，其包括一些部件中的两个或以上并且可能缺乏所述部件中的一些。根据一个实施例，色谱系统是液相色谱系统。
Claims (6)
1. 吸收监测系统，其包括被设置以便限定其之间的吸收检测光路的光源和光检测器；和控制器，其设置成控制所述光源的操作，其中所述光源包括能在UV范围内发射光的发光二极管（UV-LED）并且其中所述吸收监测系统不包括参考光检测器并且所述控制器设置成补偿来自所述UV-LED的光输出强度中的波动。
2. 如权利要求1所述的吸收监测系统，其包括温度传感器，用于记录所述UV-LED的温度，并且其中所述控制器设置成响应于记录的温度来控制来自所述UV-LED的光输出强度以补偿由于温度改变引起的来自所述UV-LED的光输出强度中的波动。
3. 如权利要求1或2所述的吸收监测系统，其中所述控制器设置成记录所述UV-LED在运作时的总时间（UV年龄）并且响应于记录的UV年龄来控制来自所述UV-LED的光输出强度以补偿由于年龄引起的来自所述UV-LED的光输出强度中的波动。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的吸收监测系统，其中所述控制器设置成记录并且存储对于具有已知吸收的样品的参考吸收信号并且使用所述参考吸收信号对所述光电检测器记录的吸收信号应用参考校正。
5. 如权利要求4所述的吸收监测系统，其中所述控制器设置成在所述参考吸收信号超出预定义阈值时提供警告信号。
6. 如权利要求1-5中任一项所述的吸收监测系统，其包括流动池，所述流动池具有流体流动通道和在其之间提供吸收检测光路的两个相对窗口，一个窗口设置成从所述UV-LED接收光并且另一窗口设置成将来自测量光路的所得光输出到所述光检测器。
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