CN105612414A - 聚合物和胶体溶液的表征 - Google Patents

Abstract

同时多样品光散射系统和方法可以用于聚合物稳定性测试以及用于对聚合物或者胶体溶液施加应力源，包括热应力、超声、冻结/融化循环、剪切应力以及对不同物质和表面的暴露等等，产生用于表征聚合物溶液和稳定性的聚合物应力反应。

Description

聚合物和胶体溶液的表征

相关申请

本申请要求2013年8月20日提交的美国临时申请No.61/868,050和2014年5月22日提交的美国临时申请No.62/002,111的优先权，这两个申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本说明书涉及用于表征聚合物和胶体系统的改进的系统和方法。具体地，在监控由多个独立样品散射的光的上下文内，本说明书描述了可以施加至聚合物和胶体溶液以测试它们对于不同应用的稳定性和适合性的各种应力源。

背景技术

光散射方法对于表征聚合物和胶体溶液是有用的。量(诸如摩尔质量、空间维度、形状和相互作用参数)可以由散射光的强度测量。这些测量通常称为静态光散射(SLS)测量。其它类型的光散射(诸如动态光散射(DLS))与散射光自相关以产生颗粒扩散系数以及其它参数。还可以使用SLS和/或DLS监控溶液中的颗粒性质随时间如何变化。应注意，严格地说，当涉及胶体时，它们通常被称为‘悬浮’在液体中，因为它们在一般意义上不溶解并因此没有‘胶体溶液’。在本文件中，为了方便起见，‘胶体溶液’将用于指示无论以悬浮的方式还是以其它方式包括胶体的任何液体。

此处公开了用于表征聚合物和胶体溶液的改进的系统和方法。

发明内容

本说明书涉及用于表征聚合物和胶体溶液的改进的系统和方法。

通过如本说明书中公开的示例性实施例的下列详细说明，本公开的上述目的以及其它目的、特性和优点将变得更清晰。

具体实施方式

应当理解，为了图示的简单和清楚起见，在认为适当的地方，可以在附图之间重复或者不重复附图标记以指示对应元件或者类似要素。另外，对许多细节进行阐述以提供对此处描述的示例实施例的彻底理解。可以在没有某些细节和元素的情况下、通过另外细节和元素或者与本说明书中描述的其它实施例结合以实施此处描述的示例实施例。

Reed的标题为“AutomaticMixingandDilutionMethodsforOnlineCharacterizationofEquilibriumandNon-EquilibriumPropertiesofSolutionsContainingPolymersand/orColloids”的美国专利No.6,653,150涉及自动、在线稀释聚合物和/或胶体溶液以使得当稀释的聚合物流流过合适的检测器时，可以监控非平衡过程(诸如聚合、降解和聚集)。为了所有目的将美国专利No.6,653,150的全部内容通过引用合并于此。通过当前公开的技术增强聚合反应的自动连续在线监控，以允许包括高密度大散射颗粒的溶液稀释到足以实现对光散射尖锋(LSS)的分析。当单个大颗粒穿过散射体积V_s并且产生比可能由于小得多的颗粒群体而存在的任何均匀背景散射的光的尖峰或者‘闪光’强得多的光的尖锋或者‘闪光’时出现LSS。例如，单个细菌可以比单个蛋白质分子散射数万亿倍多的光。在某个实施例中，为一个或者多个光散射流动池馈送由ACOMP系统的前端自动并且连续地制备的、稀释的、调节的液体样品以实现LSS分析。

Reed的标题为“DeviceandMethodofSimultaneouslyMeasuringtheLightScatteringfromMultipleLiquidSamplesContainingPolymersand/orColloids”的美国专利No.6,618,144涉及同时多样品光散射(SMSLS)设备，该设备允许对多个样品独立并且同时地进行独立光散射测量。为了所有目的将美国专利No.6,618,144的全部内容通过引用合并于此。与单样品仪器相比，SMLS方法显著地增加了通量并且同时带来每个测量的样品的更多节约。

SMSLS利用过去几十年的在激光器、光纤、光检测技术以及强大的微计算和程序领域中的性能的重大进步和降低的成本，一起建立仪器，允许连续并且同时地(彼此独立地)实施多个光散射试验和监控。光源可以包括，但不限于激光器，尤其是二极管激光器(由于它们的低成本和高稳定性)。各种光检测方法可用，包括但不限于光电倍增管检测、光电二极管检测和电荷耦合设备(CCD)检测。CCD检测具有在低成本、高灵敏度和高信噪比方面的不同的优势。

样品池包括‘批’类型，其中样品溶液被引入驻留在入射光束路径或者可以插入到光束路径中并且从光束路径移除的池中。这种池可以是圆形、正方形、六角形、八角形或者其它形状。可以自动地或者手动地填充它们。流动池允许样品溶液在测量期间流过它们。液体样品可以使用某个泵浦机制通过系统再循环，或者可以流入另一个检测器中或者流至废水而不再循环。SMSLS在许多领域中具有重要的高通量应用。可以使用适合于表征各种聚合物和胶体溶液(包括但不限于使用此处描述的SMSLS技术表征的聚合物和胶体溶液)的具体SMSLS系统和方法来修改和实现SMSLS。

例如，此处公开的生物技术和药学SMSLS系统和方法能够利用对不同制剂中以及来自不同诱变和工程蛋白质类型的治疗用蛋白质的稳定性的高通量、定量、连续监控来表征诱变和工程蛋白质类型的聚合物和胶体溶液。蛋白质药物制剂(例如蛋白质聚集)中的不稳定性是跨越整个生物技术和制药行业的主要问题。生物技术和药学的SMSLS系统和方法提供用于监控、理解和减轻在制造蛋白质药物制剂(例如蛋白质聚集)中出现的不稳定性的极端敏感工具。

另外，此处公开的用于溶解聚合物和胶体的SMSLS系统和方法能够快速绘制和确定相位图。具有两个或更多个组分(例如水、盐和表面活性剂)的系统的相位图需要很多时间和烦冗度来建立。此处公开的用于溶解聚合物和胶体的SMSLS系统和方法提供相位图构造的手段，包括确定不同溶剂中微溶物质的‘微溶解度’的面积。

此处公开的用于聚合物稳定性测试的SMSLS系统和方法还能够对聚合物或者胶体溶液施加应力源，包括热应力、超声、冻结/融化循环、剪切应力以及暴露于不同物质和表面，产生用于表征聚合物溶液和稳定性的聚合物应力反应。聚合物可以暴露的物质包括不同类型的金属、陶瓷、塑料、涂料、油、多种离子和气体(诸如O₂、N₂以及更复杂的气体)。其它应力源可以包括光以及其它形式的辐射。例如，在生物技术中广泛地遇到蛋白质的冻结/融化循环，并且当前公开的技术允许冻结和融化样品池内的样品并且在冻结/融化过程之前、期间和之后立即监控样品行为。而其它应力源可以包括光(包括可能降解或者损害聚合物或者胶体溶液的强光)。‘光’包括任何类型的电磁辐射，从伽马射线至无线电波。电离辐射还可以用作应力源，诸如电子、质子和离子束(除电离电磁辐射以外)。代替将它们施加到溶液中或者除将它们施加到溶液中以外，还可以将应力源施加至聚合物和胶体溶液的表面。一个示例是监控具有气体界面的搅拌蛋白质行为对比具有固体界面而不是气体界面的搅拌蛋白质行为的区别。另外，应力源包括在监控过程期间添加材料，包括滴定剂以及其它材料。例如，在监控过程期间，人们可以以离散量或者连续地添加可以改变离子强度、pH、金属离子含量和抗原的另外材料，它们可以引起聚合物或者胶体溶液中的反应，诸如相变、聚集、离解、纳米结构化或者微结构化、结晶等等。这种添加或者滴定可以立即或者随时间的过去引起可测量反应。在其它效应中，不同应力源可以在聚合物和胶体溶液中导致不稳定性的不同动力学途径或者其它时间依赖性过程。

此处公开的用于子组分表征的SMSLS系统和方法还可以用于利用聚合反应的自动连续在线监控(“ACOMP”)来监控子组分的生成。利用ACOMP针对响应行为来探测不同刺激条件下流动反应器的种类和内容物。

此处公开的用于摄取和动力学表征的SMSLS系统和方法还可以用于通过胶囊试剂来测量目标试剂的摄取和动力学。示例是通过可以用于油溢出的包囊剂或者分散剂的油摄取。

目前公开的技术涉及前述以及其它改进的SMSLS系统和方法，但不限于此处列举的用途领域或者优点。

此处公开的SMSLS解偏振光散射技术可以使用线性偏振入射激光作为源以检测一个或者多个散射平面中的散射光。一个或者多个检测器布置在垂直于线性偏振光的平面中，其中来自各向同性散射颗粒的散射处于最大值。典型地，入射光的偏振平面称为‘垂直的’以及非解偏振散射体的最大散射的平面是水平面。当使用垂直偏振的入射光时，该水平面通常称为‘散射平面’。在当前技术的许多应用(例如，用于合成的和生物的聚合物和胶体)中，散射机制将通过电偶极子散射。感兴趣的许多散射颗粒具有标量电极化度(其确定由颗粒上的入射光引起的电偶极子的大小和方向)，这意味着散射光沿与入射光相同的方向偏振。例如，对于垂直偏振的入射光，散射光垂直地偏振。

空间各向异性颗粒可以具有张量电极化度，这意味着散射光并不一定处于入射光的偏振状态。这种散射光包括解偏振散射光。当颗粒具有各向异性形状或者形态(诸如棒状、椭圆形、盘状等等)时，张量极化度频繁地出现。张量极化度还出现在许多小分子(诸如甲苯、二硫化碳、甲醇以及其它小分子液体)中。领域中大多数应用中涉及的散射分析假定仅散射一次入射光光子。即使当散射体本身是各向同性的并且不产生解偏振散射光时，多次散射(诸如在混浊介质中)也可以使得解偏振散射成分出现。对于大的各向同性颗粒(即，比光的波长大得多)，多次内部散射可以同样地引起解偏振散射。

此处公开的SMSLS解偏振光散射技术测量解偏振散射作为确定某些颗粒是否具有张量极化度和形状各向异性的手段。监控解偏振散射随时间过去的变化可以揭示散射颗粒是否经历形态变化，诸如与阿尔茨海默氏病相关的淀粉样蛋白质的纤维状聚集。淀粉样蛋白质的纤维状聚集可以由渐增的解偏振信号监控，而通常的散射平面内检测可以跟踪摩尔质量的净变化。由于解偏振散射将随着混浊度增大而增大，因此解偏振散射的检测还可以用于评估溶液中混浊度的水平。由于大于光的波长的颗粒(甚至形态上各向同性的颗粒)可以引起解偏振散射，因此解偏振散射的检测还可以监控颗粒大小的增大。

解偏振散射检测的各种SMSLS实施例可以用于批量池和流动池。有实现此处公开的SMSLS技术中的解偏振检测的若干手段。根据偏振互易关系，检测来自水平偏振入射光的垂直散射分量相当于检测垂直入射偏振光的水平散射分量。在激光器前面放置半波片将把入射偏振从垂直切换到水平以及用于散射平面中的‘常规散射’检测的光电检测器将测量解偏振散射。半波片方法可以用于批量池和流动池两者。可以以各种方式自动地插入和移除半波片，包括但不限于步进电机或者其它设备。可以实现偏振平面旋转的其它设备包括光弹性调制器、克尔盒和普克尔斯盒。术语‘常规’检测指的是当在散射光与检测工具之间没有插入分析偏振器时在水平散射平面中通常检测散射光。(该限定用法中的‘常规的’不意指如在其它上下文中经常意指的‘垂直的’或者‘正交的’)。在没有解偏振散射的情况下，‘常规散射’将是垂直偏振的。如果存在解偏振，则‘常规散射’将包括偏振分量和解偏振分量两者。另一方面，为解偏振检测指定的光电检测器仅测量解偏振散射。在当前技术的一些实施例中，可能期望在水平散射平面中散射的光与检测工具之间放置分析偏振器以使得在该情况下将仅检测‘常规散射’的垂直散射分量。

在大多数情况下，可以在非常接近于散射光处直接放置光电二极管、CCD(电荷耦合设备)或者其它光电检测器(诸如光电二极管或者光电倍增管)以用于检测。这种检测器将通常具有检测来自样品池内入射束的仅期望部分的光可能需要的任何孔径、透镜或者其它光学组件。所检测的池内部的束的照射部分习惯上称为‘散射体积’。在很多情况下，使用光纤收集来自期望散射体积的光并且将其引导至光电检测器(诸如光电二极管或者CCD)是方便的。在提及‘光纤’的所有情况和附图中，应当理解还可以使用直接光电检测，并且光纤不是必要的。SMSLS仪器中光纤的一个优点是来自多个光学池的多个光纤可以被引导至单个CCD或者被引导至总数比光纤数量少得多的多个CCD。然而，由于光电二极管以及其它光电检测器的低成本和小型化，因此可以存在每个池可以配备它自己的光电检测器而不是光纤的方便SMSLS仪器。

在用于批量池的SMSLS解偏振光散射系统和方法的另一个实施例中，将第二检测光纤放置在池的底部或者顶部处，允许相同的互易关系起作用，其中现在池底部或者顶部处的光纤与通常的水平散射平面成90度。检测光纤的该定位允许在水平散射平面中由单独光电检测器测量解偏振散射，而同时，常规散射可以在水平散射平面中由单独光电检测器测量。

使用杂散光最小化步骤检测散射光的垂直分量。杂散光是除期望散射颗粒以外从光源进入散射光检测器的光，诸如从界面(例如，空气/玻璃、液体/空气、液体/玻璃)‘发出’的光。对于使用光纤检测的散射池，可以将光纤拉进圆柱形管中以使得光纤的接收角由其在管内的深度而不是由光纤的数值孔径确定，这在如果没有光纤凹陷(例如，与散射池内腔齐平安装的光纤，浸在液体中)时控制所吸收的光。在批量池中，可能出现来自凹凸透镜处的反射的杂散光。这可以通过使黑色或者深色材料与可以减小反射的液体表面接触来减少。黑色或者深色材料可以包括适合池的内部直径的平坦黑色塑料盘。

在流动池的情况下，还可以使用与通常水平散射平面成90度的检测器。流动路径应当使得光纤或者其它光电检测工具可以插入流动池的顶部或者底部中。

图1图示了根据一些实施例的示例性SMSLS解偏振光散射系统的流动池示意图。

在前述SMSLS解偏振光散射系统和方法中的任何一个中，可以使用公知的有机溶剂(例如甲苯、二硫化碳等等)的解偏振比来评估解偏振检测系统的性能。偏振分量与解偏振分量相比的消光可以用于确定性能。当使用各向同性散射体(例如直径<10nm的胶乳球)时，可以实现具有低至10^-4的解偏振(例如，在该情况下为泄漏)信号与偏振信号的比的非常高性能的系统。原则上，小胶乳球不会在散射时使入射光解偏振。

图2A-2C图示了根据一些实施例用于表征聚合物和胶体溶液的示例SMSLS系统。图2A图示了示例SMSLS装置200。如图2A中描绘的，有十六个SMSLS池202。在一些实施例中，SMSLS池202的数量可以变化为大于或者小于十六。在一些实施例中，SMSLS池的内部可以是正方形的。本领域普通技术人员将理解可以在不背离所公开技术的精神的情况下使用内部SMSLS池形状的许多变型。SMSLS池202耦合至能够受控或者不受控加热SMSLS池的一个或者多个温度控制设备210。在一些实施例中，在温度控制配置中使用珀尔贴(peltier)设备以另外允许冷却SMSLS池210或者电阻加热单元(诸如高电阻丝等等)。在一些实施例中，除珀尔贴(peltier)设备以外，每个SMSLS池还可以耦合至风扇以排出从SMSLS池吸取的热量。

每个SMSLS池配置为从光源(诸如激光器204)接收光。安置激光器204以将激光208发射到池202中。激光208可以穿过中性密度滤光片206以调节进入池202的激光强度。在一些实施例中，SMSLS池中的光纤212将发射到池中的激光传输至光电检测器(未示出)。在一些实施例中，光电检测器可以是电荷耦合设备(CCD)、光电倍增器、光电二极管等等。

图2B图示了高性能SMSLS的示例示意图。SMSLS池240可以是批量池或者流动池。在流动池中，流体流过池，而发射到池中的激光流过流动流体流的一部分。可以利用蠕动泵252、254将不同材料泵送到混合歧管256中以在使材料流过流动池之前将不同材料混合。例如，蠕动泵252可以将蛋白质泵送到混合歧管中并且替换蠕动泵254可以将缓冲剂泵送到混合歧管256中，产生蛋白质和缓冲剂的混合流，离开混合歧管256并且进入流动池240中。本领域普通技术人员将理解可以与流动池和混合歧管结合使用其它泵类型。例如，在一些实施例中，正排量泵可以用于将材料泵送到混合歧管中。在批量池中，独立地制备批量池内的材料组合物并且将其单独地引入容器(诸如光学玻璃试管或者其它类似容器)中的每个批量池中。在一些实施例中，SMSLS池可以是批量池、流动池或者批量池和流动池的组合。

在一些实施例中，SMSLS系统可以包括单个池控制件242，配置为在单个池内建立样品。单个池控制件可以包括软件组件，软件组件包括用于从操作者接收关于在单个池之间测试的设置和变量的指令的用户界面。在一些实施例中，单个池控制件242还可以包括标明感兴趣的抽样统计量和抽样间隔的界面。在一些实施例中，单个池控制件还可以控制到池中的输入以用于向池提供材料。

在一些实施例中，一个或者多个应力源模块244控制与每个单个池相关联的应力源。在一些实施例中，应力源可以包括，但不限于温度变化，包括冻结和融化，施加剪切力，引入某些表面，诸如金属、塑料、气泡、玻璃、油、特定离子、螯合剂或者其它化学剂、超声、光以及其它形式的辐射。一个或者多个应力源模块244允许为每个池单独地控制与每个池相关联的温度、搅拌、步进电机以及其它应力源。在一些实施例中，应力源模块是软件和硬件的组合，诸如用于控制步进电机的计算机代码、用于解释计算代码的处理器、用于围绕池产生磁场的步进电机硬件以及池内的磁搅拌器-所有这些共同地被看作给定应力源模块的部分。其它应力源模块包括软件、计算设备以及用于引入应力源(无论它是能量的形式、材料还是此处标识的或者为本领域普通技术人员已知的其它应力源)的其它仪器。

由光电检测器246检测与引入到SMSLS池的应力源的效应相关联的光散射测量。在一些实施例中，光电检测器246可以是电荷耦合设备(CCD)。在一些实施例中，尽管CCD可以具有2048个像素，但是本技术不限于特定像素计数的CCD。如将由本领域普通技术人员理解的，可以使用可以测量样品中反射光的任何光电检测器。从每个激光器发射的光可以通过存在于每个单个样品池中的光纤传输到光电检测器246或者光电检测器可以耦合至每个样品池。可以测量与每个池相关联的另外输出，诸如如应力源信息输出248指示的样品温度、搅拌电机速度、到样品中的气体流动、到样品中的液体流动等等。将光散射数据250和应力源信息输出数据248采集到数据库中，该数据库执行各种形式的数据分析以确定应力源如何影响聚合物和胶体溶液的表征。

图2C图示了SMSLS池的示例配置。激光器280配置为将光发射到SMSLS池282中。在一些实施例中，利用中性密度(ND)滤光片284调节发射到SMSLS池282中的激光的强度。激光器280的光可以穿过的半波(λ/2)片286可以将入射偏振从垂直切换到水平以及用于散射平面中‘常规散射’检测的光电检测器将测量解偏振散射。半波片方法可以用于批量池和流动池两者。SMSLS池内的光纤288用于将从激光器发射的激光传输至光电检测器设备。在一些实施例中，以一个或者多个期望角度(诸如45°、90°或者135°)安置光纤288以捕获每个角度处散射的激光。本领域普通技术人员将理解可以以其它角度安置光纤288以捕获散射的激光。从SMSLS池传播出的激光290散播至激光阱。利用珀尔贴(peltier)设备292来冷却以及利用单独加热元件来加热。温度控制设备可以设定为调节SMSLS样品池的温度。步进电机294耦合至在SMSLS内产生磁场的磁体。随着步进电机294以给定的每分钟转数(RPM)旋转，磁场在池内改变，这进而使磁搅拌棒以指定RPM在SMSLS池内旋转。

在一些实施例中，可以使用其它设备和模块连同上面描述的SMSLS系统一起来提供另外的测量或者分析。例如，用于动态光散射的自相关模块、用于测量荧光的光学带通滤光片或者高衰减通量束可以用于测量混浊度。

尽管上面以某个特性描述了上述附图，但是本领域普通技术人员将理解实际系统组件及其布局的许多变化仍然保持在本技术范围内。除非由所附权利要求指示，此处的公开都不意图限定。

SMSLS中的搅拌

在本技术的一些实施例中，聚合物、蛋白质或者胶体溶液经受一个或者多个应力源以发起或者触发一个或者多个时间依赖性响应或者过程，诸如聚集、降解、相变、溶解度变化。应力源可以包括但不限于，温度变化，包括冻结和融化，施加剪切力，引入某些表面，诸如金属、塑料、气泡、玻璃、油、特定离子、螯合剂或者其它化学剂、超声、光以及其它形式的辐射。

应力源可以在各处均匀地影响给定聚合物或者胶体溶液，但是还可能应力源可以是随机的并且具有各种来源并且在空间上不均匀地影响给定聚合物或者胶体溶液。例如，可以在溶液的特定体积单元中的成核颗粒周围触发成核作用。成核作用可以以某个成核速度(快速或者缓慢的)行进通过剩余的溶液。在典型光散射中，‘散射体积’指的是由散射检测工具检测的被照射样品的部分。例如，典型的散射体积包括穿过由某种视场光阑(诸如针孔、光圈、光敏区域等等)限定的溶液的激光束的长度。典型的散射体积可以处于10纳升的数量级，而总溶液体积可以处于1ml的数量级。在这种情况下，散射体积表示仅总样品体积的10^-5。从而，如果在仅几个位置中出现局部现象(诸如成核事件)，则可能不会在散射体积中检测到该局部现象。最终，成核位置可以在散射体积中扩散并且从散射体积扩散出来，给出增强的LS(光散射)强度，继之以减弱的LS强度。

此处公开的示例性SMSLS技术能够避免对聚合物或者胶体行为的偶发和不能再现的检测。实现这个的一个手段是可以增大散射体积以更精确地检测和表征聚合物或者胶体溶液中出现的局部现象。例如，可以通过使用具有较大数值孔径和/或纤芯直径的光纤或者光学设备来增大视场光阑的大小。

还可以使用超过一个散射体积以更精确地检测和表征聚合物或者胶体溶液中出现的局部现象。例如，可以通过使入射束分裂并且为穿过样品溶液的分裂束的每个部分提供检测器来创建超过一个散射体积。

为了更精确地检测和表征聚合物或者胶体溶液中出现的局部现象，此处公开的SMSLS系统可以通过以特定模式移动池或者入射束来对样品池进行光栅扫描。可以用诸如步进电机的设备自动地升高、降低样品池或者将样品池从一侧移动到另一侧。可以使样品池以任何模式移动穿过来自激光器或者其它源的入射束或者可以通过移动光源使入射束本身以任何模式移动穿过样品池。可以在不移动样品池保持器的情况下出现光栅。如果需要，则可以通过放大样品池保持器的大小以及允许样品池在保持器内自动水平运动以实现水平光栅。整个样品池保持器还可以与固定在其内的样品池一起移动。

为了更精确地检测和表征聚合物或者胶体溶液中出现的局部现象，此处公开的SMSLS系统可以为池中的液体提供最小对流搅动以使得当与任何时间依赖性过程(诸如成核局部聚集)相比时在时间尺度上足够短地混合所有样品池体积。施加至聚合物或者胶体的搅动足够弱使得不会引入能够引起溶液不稳定的显著剪切应力。在充分的剪切下，蛋白质可以聚集，聚合物可以裂解，胶体可以絮凝。因此，引入最小对流搅动。

在一些实施例中，最小对流搅动是搅动幅度能够在时间尺度上小于溶液中测量的时间依赖性变化地混合样品池内容物，但又足够弱以防止本身可以引起溶液中可检测变化的剪切力的引入。

在一些实施例中，通过使用磁搅拌棒或者附接至能够极低rpm工作的步进电机的机械插入搅拌叶片提供最小对流搅动。步进电机能够使搅拌杆或者叶片以每转200步旋转。该电机与适当步进驱动器结合将允许以很低的速度(以1RPM和更低的RPM)平滑旋转而且允许较高的旋转速度(高达5,000RPM或者更高)。

可以如下测试最小对流特性。当单个胶乳球(例如2μm直径)穿过散射体积时，它产生散射尖锋。可以在有和没有最小对流的情况下引入超稀释球以用于检测。由于散射体积比总池体积小数万倍，因此稀释可以布置为具有很低的概率使球在任何时间都处于散射体积中。在没有对流的情况下，尽管一旦球扩散地进入，则球将在散射体积中徘徊相对较长的时间，但是球将在连续进入体积之间花费非常长的时间。在有即使最小对流的情况下，球将快速地扫过体积，产生尖锐的散射峰，并且看起来比仅仅通过扩散更频繁。在长抽样时间的限制中，尽管通过扩散和对流，散射体积中的球的总停留时间将是相同的，但是通过扩散的单个平均停留时间将比通过对流的长得多。通过对流，散射体积中的出现频率将高得多。最小对流搅动将允许对最小对流系统的性能进行统计计算和对应定量评估。

剪切应力的效应(诸如可以通过搅拌产生)是在评估聚合物或者胶体溶液的稳定性中进行定量的重要参数。在一些实施例中，尽管需要具有可控制的搅拌应力，但是具有可控制的搅拌应力并非限制性的。能够在聚合物或者胶体溶液内产生搅拌应力的搅动设备用于随时间而搅动溶液。

在一些实施例中，连接至搅拌设备的步进电机用于产生与设备旋转频率相关的溶液的搅拌应力。步进电机可以使能对搅拌速度的控制。

即使当不可以精确知道施加至溶液的搅拌应力时，剪切应力对聚合物或者胶体溶液稳定性的效应也是定量的重要参数。在一些实施例中，耦合至磁搅拌工具或者直接机械搅拌工具的dc电机可以用于搅动聚合物或者胶体溶液以确定溶液的稳定性。

示例性SMSLS系统

制造了包括各自具有35mW垂直偏振红色二极管激光器的八个独立批量池、在90度处检测光散射的光纤的示例性SMSLS系统，该光纤耦合至CCD检测器。从来自样品池保持器的光纤收集的来自所有池的光散射信号被引导至CCD并且由CCD捕获，并且被传输到单个计算机以用于存储和分析。每个样品池具有独立温度控制，该独立温度控制可以保持不变、连续地改变或者步进地改变。通过由D.C.电机驱动的每个池中的磁搅拌棒提供搅拌。尽管通常以1Hz进行数据抽样，但是较慢的抽样(例如0.016Hz)用于持续许多小时的试验。在2013年MichaelF.Drenski、MarkL.Brader、RoyW.Alston、WayneF.Reed在AnalyticalBiochemistry,437,185-197的“MonitoringProteinAggregationKineticswithSimultaneousMultipleSampleLightScattering(SMSLS):ApplicationtoHigh-ConcentrationFormulations”中对系统进行了描述，其全部内容为了所有目的通过引用合并于此。

机械搅动应力的效应是在评估聚合物或者胶体溶液的稳定性中进行定量的重要参数。在一些实施例中，需要具有可控制的机械搅动应力。能够在聚合物或者胶体溶液内产生搅动应力的搅动设备用于随时间而搅动溶液并且测量溶液的局部和平均剪切速率。

在一些实施例中，步进电机连接至在样品液体内引起旋转搅拌的搅动设备，该步进电机用于基于设备的旋转频率测量或者估算溶液的局部和平均剪切速率。步进电机可以使能对搅动的速率或者幅度的精确控制。其它形式的机械搅动包括摇动、使气体鼓泡通过溶液以及施加非周期性搅动(诸如由降低速度或者短期高加速度或者减速度引起的)；例如，如当胶体或者聚合物(诸如治疗性蛋白质溶液)的容器下降时可以在商业情况中发生的。

即使当不可以精确估算施加至溶液的搅动应力(诸如搅拌应力)时，搅拌应力对聚合物或者胶体溶液稳定性的未测量水平的效应也是定量的重要参数。在一些实施例中，耦合至磁搅动工具或者直接机械搅动工具的dc电机可以用于搅动聚合物或者胶体溶液以确定溶液的稳定性。

对一些蛋白质进行搅拌的SMSLS的实验结果

图3示出了从100RPM搅拌至1,000RPM的搅拌引起的蛋白质聚集的时间依赖性数据。插图示出了初始线性聚集速率d(M_w/M₀)/dtvsRPM。聚集速率随着搅拌速率RPM增大而增大。图3的插图示出了聚集速率对RPM的S形(sigmoidal)依赖性。确定聚集速率的手段是Drenski、Alston、Brader和Reed的手段：使用SMSLS通过形成任何时候的散射强度减去溶剂散射基线的差除以蛋白质溶液在t＝0时的初始散射强度减去溶剂散射基线的差的比率来测量M_w/M₀。M_w/M₀表示溶液中所有非聚集蛋白质和聚集蛋白质的重均质量对t＝0时的重均质量的微量变化。由于聚集，M_w/M₀随时间增大以及SMSLS散射数据的早期线性部分的斜率是d(M_w/M₀)/dt，并且表示聚集速率关于每秒钟聚集重均量的微量增大。图3的插图示出了从诸如图3的主要部分所示数据的早期线性斜率获得的速率。

Bee等人以及其他人已经发现由于搅拌的蛋白质聚集有时可以追溯到蛋白质对空气界面的增大暴露而不是搅拌的机械剪切应力。SMSLS允许通过填充小瓶直至封盖(其中不再有液体/气体界面)来测试这个。图4示出了与图3在35C处并且以500RPM搅拌时相同的蛋白质的聚集数据。图4示出了具有空气/液体界面(‘开盖’)的样品的数据以及没有空气/液体界面(‘封盖’)的样品的数据。封盖情况下的聚集速率比开盖情况慢二点五倍。从而，空气/液体界面导致更快速的聚集动力学，并且移除它减速但并不停止聚集过程，表明来自搅拌的机械剪切和对空气/液体界面的增大暴露两者都是应力源。还示出了没有搅拌、在实验的时间尺度上没有聚集发生的对照样品。尽管发现不同蛋白质在热引发聚集中具有数量级差异，但是相同蛋白质在搅拌下具有非常类似的聚集速率，表明不同损坏机制在搅拌下有效，这与热引发的解折叠不同。在不同界面应力之间做出这种区分的能力可以表示可适用于在发展早期评估蛋白质候选分子和试验制剂对处理应力的相对敏感性的便利方法。

不同制剂条件以及作为应力源的制剂条件

SMSLS的重要应用是开发制剂，其中目标是优化如赋形剂、pH、离子强度、浓度等等的这种因子。制剂条件本身都是应力源并且影响制剂如何对其它应力源(诸如温度和搅拌)作出反应。通常必须凭经验完成这些以找到最佳选择。SMSLS同时监控多个样品的能力以及在实时监控的同时用不同试剂滴定样品的能力将大大增加制剂筛选通量。

图5示出了mAbC在T＝60C处、在不搅拌的情况下、在0.001g/cm³的浓度下对于在pH和离子强度上不同的四个不同制剂的聚集行为。如所看到的，由于制剂条件的稳定性差别是如此的大以至于需要对数时间标度以理解不同聚集速率。图5的插图示出了聚集速率d(M_w/M₀)/dtvs制剂#。在最稳定制剂与最不稳定制剂之间的速率有超过六百倍的差别。

用于入射光的可选择衰减设备

在SMSLS设备的一些实施例中，SMSLS设备还可以包括用于自动地监控、衰减和控制此处描述的SMSLS系统和方法中的入射光束或者其它光束的强度的自动光调制系统。自动光调制系统可以包括控制器或者处理器；多个中性密度滤光片，布置在可移动构件上；用于配置滤光片的工具，诸如传动列、电机或者耦合至可移动构件的其它机械和/或电气设备；光电检测器(例如，CCD或者光电二极管等等)，耦合至控制器或者处理器以用于检测入射光。控制器或者处理器可以响应于所检测的入射光的强度向用于配置滤光片的工具发送信号。计算机系统中操作的控制器或者处理器可以运行分析和控制软件以用于连续地和自动地监控入射光强度并且向配置工具提供控制信号以通过适当滤光片配置将滤光片安置在入射光的路径中以根据需要对光进行调制或者衰减。尽管中性密度滤光片(即，独立于入射波长使透射光衰减的那些光学元件)是廉价的并且便于使用的，但是其它零件(诸如玻璃板(例如显微镜载玻片或者滑动盖板))可以用于使光衰减，以及可以使用调谐至特定波长或者波长范围等等的射束分束器或者光学滤波器。

上面描述的自动光衰减元件增大输入激光束可以调制的范围。在一些实施例中，自动地控制自动光衰减元件并且将不同滤光片与伺服电机一起放在适当位置。图6中图示的滤光片飞轮是本说明书中描述的自动滤光元件的一个示例实施例但并非限制性的。光衰减设备还可以线性地安装并且致动以通过任何类型的线性平移台自动地移动就位。还可以使用单个连续中性密度滤光片(环形或者线性的)，该中性密度滤光片允许通过围绕(环形设备)衰减设备或者沿着(线性设备)衰减设备连续地移动来实现从接近0到接近100％的连续衰减。

扩展的动态范围(EDR)

由于它们是稳定的并且廉价的，因此当前SMSLS样板使用35mW的二极管激光器。该功率允许来自甚至弱散射溶液的优良信号。如本文上面讨论的，中性密度滤光片通常须插入到射束路径中以在测量高散射系统(诸如蛋白质聚集)时减小入射光功率。如果入射功率在这种情况下没有减小，则CCD的中心像素将饱和(或者光电二极管或者其它检测器也可以饱和)。

降低像素饱和的另一个方式是减小CCD上的积分时间，这相当于灵敏度控制。然而，即使在中心像素刚好低于饱和度的情况下，也存在与任何给定像素相关联的某个动态范围，从其低信号噪声电平直到最大值。

在扩展SMSLS动态范围的示例性方法中，利用将散射光传输至CCD的光纤的两个特性i)如市场上可买到的CCD(MightexTCE-1304-U、AlphalasCCD-S3600-D)在它们的工作范围内具有极度线性的响应，以及ii)从向CCD传输散射光的光纤发射的光跨越每个单独光纤的像素范围产生近似高斯强度分布。这允许从饱和的中心像素‘滚降’到侧边像素上并且在通过监控单个像素或者对图7的插图中看到的整个高斯强度分布进行积分而在可能的大得多的强度范围内继续线性和不饱和检测。图7的主要部分示出了如何使用边频带像素将范围扩展大约150％。可以通过使用另外的滚降像素得到甚至更高的增益。

从当前样板得到数据。入射到给定光纤的一组像素上的强度将在很宽的范围内变化，中心处最强。图7示出了通过将像素396缩放至峰值像素419来在范围中增大2.5倍。到419在LS＝10处饱和时，缩放的像素396在达到样品散射最大值之前继续直到25；实现EDR增大2.5倍。实验包括在5.2天周期内的蛋白质聚集。由于相邻光纤上的像素串扰(即，来自与下一个光纤的外部像素重叠的一个光纤的光)，当前PT2通常不能使用EDR。通过在相邻样品池中采用极低散射缓冲剂(用于长期监控蛋白质缓冲剂稳定性)来获得数据。

在一些实施例中，提供多个光纤。光纤传输来自容纳样品的样品池的散射光，该样品池借助于耦合设备光学地耦合至CCD。耦合设备可以是将光纤关于CCD中的像素阵列保持在固定位置中的机械设备。将多个像素分配至透射光到达像素的给定光纤。包括处理器和软件的计算机可以用于读取CCD上的像素中的一些或者全部，如所提到的，该像素分组被分配至每个光纤。在实验中，目的写入软件程序将在实验开始时获取最高非饱和信号或者在实验开始时获取非饱和像素的子分组。如果在实验期间，散射信号增大(例如由于聚合物或者胶体的聚集)，并且所选择的像素或者像素范围变得饱和，则程序将自动地将测量转移至接着可用的非饱和像素中的一个。从开始就知道初始最高像素或者接近最高像素或者像素分组是由于：(1)CCD是线性的以及(2)已知分配至每个光纤的像素分组中的每个像素的强度的比率，即，已知每个像素的相对灵敏度并且测量平滑地转移至下一个非饱和像素或者像素分组。如果强度继续增大，则利用校准翻转的强度的线性比使当前饱和像素滚降至非饱和像素的该过程可以如所需要次数一样多的次数继续，直到到达与给定光纤相关联的最后像素为止。这样的结果是在比只要在测量期间使用单个像素或者像素的子组并且所述一个或者多个像素饱和就可得到的强度范围大得多的强度范围内对给定池的散射强度的连续记录。

可以以各种方式促进翻转并且上面描述的程序并不旨在限制滚降饱和像素的本公开和方法的范围。例如，没有必要翻转至接着可用的非饱和像素或者非饱和像素分组。可能需要翻转至更远离当前饱和像素或者像素分组的像素以使得它们不会由于已饱和像素的接近而快速饱和。

具有这种附加特性的方法的SMSLS系统可以将EDR增大至50倍，以及可能更大，其中来自相邻光纤的像素之间没有串扰。这表示检测的SMSLS动态范围的巨大增大。在耦合至CCD的粗设计的光纤中，来自一个光纤的高斯强度分布的强度可以‘渗透’到属于相邻光纤的像素上。

有很多可以使用EDR的情景。在散射随时间增大的容纳聚合物和胶体的溶液中，这可以具有决定性价值。一些示例包括，但并不限于：

i)刺激响应性聚合物(诸如聚n异丙基丙烯酰胺(NIPAM)及其共聚物)在聚合物链从无规线团折叠至小球体的点处具有低临界溶解温度(LCST)，该小球体开始可逆地聚集。当LCST下的该相变发生时，光散射强度显著地(通常以数量级)增大。EDR将把光散射测量保持在标尺上LCST的前面和后面。

ii)许多治疗性蛋白质具有聚集倾向，由于聚集的蛋白质失去它们的治疗性生物利用率并且甚至可以是抗原的，因此这对于由这些蛋白质组成的药物具有负面结果。美国食品和药物管理局、国家标准和技术研究所以及许多制药/生物技术公司积极地参与研究蛋白质聚集过程，以及可以如何使它们最小化或者消除。光散射强度可以随着聚集进行而显著地增大并且EDR将允许来自广泛蛋白质聚集的光散射的测量保持在标尺上。

iii)在市政系统、冶金术、造纸术、油回收等等中有许多类型的絮凝剂用于水处理。絮凝作用导致光散射的很大增大并且EDR将允许在标尺上在很宽的范围内测量这种过程。

iv)很宽范围的聚合物和胶体在溶液中固有地不稳定并且将随时间聚集。EDR将允许在比没有EDR的情况下宽得多的范围内监控这种过程。

v)许多聚合物和胶体溶液是稳定的，直到溶液条件(诸如pH、离子强度、特定离子、螯合剂、表面活性剂等等)改变。EDR将允许为这种溶液探索去稳定剂。

使SMSLS平台适合测量除总散射强度以外的其它性质

此处公开的SMSLS系统可以适合于通过例如添加单模光纤和为强度信号使用自相关器以及选择零差或者外差操作模式来测量动态光散射。

此处公开的SMSLS系统可以适合于例如通过在光纤前面或者后面放入陷波滤光器或者窄带通滤光片来测量荧光，如果在90°处检测，则多个垂直层级的滤光片可以给出扩展的荧光检测范围。通常使用较小波长激光器或者很好操纵的宽带源。

此处公开的SMSLS系统可以适合于例如通过用高度衰减的激光束进行前向检测和可能的对数放大来测量混浊度。

此处公开的SMSLS系统可以适合于例如通过借助于天然多糖和蛋白质天然产物(它们实际上全都是光学活性的)旋转偏振状态来测量光学活性。使用偏振器以及机械或者克尔效应检测来测量光学活性。

此处公开的SMSLS系统可以适合于利用UV检测器测量光学活性UV吸光率。

此处公开的SMSLS系统可以适合于提供自动连续混合。

此处公开的SMSLS系统和方法可以用于高通量监控由纳米载体和微载体(例如树枝状聚合物、cavitands等等)对药物进行的包封和释放。另外，此处公开的SMSLS系统和方法可以用于实时确定蛋白质和胶体溶液的高通量溶解、相位图和微溶性。

使用特定时间依赖性光散射特征解释聚合物反应(包括酶促反应)中的聚集或者降解的动力学。

此处公开的SMSLS系统和方法可以用于测量溶液的特定时间依赖性光散射特征。当聚合物或者胶体聚集或者降解时，可以有数学上可预测的与过程相关联的时间依赖性光散射特征，其揭示过程的机械方面和动力学方面。这种过程包括但不限于聚集、酶促水解、酶促聚合、合成聚合、相分离、相变等等。

用户保护的对抽样池的分组的远程访问。

此处公开的SMSLS系统和方法可以提供对从抽样池阵列中的一个或者多个抽样池生成的数据的实时访问。聚合物或者胶体特征数据或者光参数数据可以基于逐个池地流传输至系统的感兴趣用户，以向多个用户同时提供实时的聚合物和胶体数据。每个样品池或者样品池分组都可以是用户名和密码保护的，以提供对从一个或者多个抽样池生成的数据的安全和远程访问。

还可以创建SMSLS用户可查找数据库以提供对从一个或者多个用户指定的抽样池生成的数据的远程离线和在线用户访问。从一个或者多个抽样池生成的数据可以被测量、收集并且存储在数据库中，该数据库对从此处公开的SMSLS系统和方法生成的聚合物或者胶体溶液数据提供安全和远程访问。

在蛋白质聚集期间形成的微粒

治疗性蛋白质制剂中的微粒可以由许多源引起；高度聚集的蛋白质、硅油和来自注射器、‘灰尘’和处理器材的外来颗粒。蛋白质聚集可以降低药物可用性以及更坏的是，激起过敏和免疫反应，同时金属颗粒和油颗粒可以产生拥有甚至更大免疫原性的不均匀颗粒以及其它不利生理结果。[Rosenberg,A.S.AAPSJournal,2006,8,E501-E507；Schellekens,H.DiscovMed,2010,9,560-564.]

美国食品和药物管理局(FDA)对调节这些有兴趣以及美国国家科学和技术研究所(NIST)正在寻求使它们的表征标准化的方法。人们正付出巨大努力以更好表征蛋白质溶液中的微粒。[Malloy,A.MaterialsToday,2011,14,170-173；Filipe,V.；Hawe,A.；Jiskoot,W.PharmaRes,2010,27,796-810；Barnard,J.G.；Singh,S.；Randolph,T.W.；Carpenter,J.F.JPharmSci,2011,100,492-503；Huang,C.T.；Sharma,D.；Oma,P.；Krishnamurthy,R.JPharmSci,2009,98,3058-3071.]近年来，“显微镜下才能看到的”颗粒以及对更严格定量、监控和控制的需要的问题受到了很多关注。[Carpenter,J.F.；Randolph,T.W.；Jiskoot,W.；Crommelin,D.J.A.；Middaugh,C.R.；Winter,G.；Fan,Y.-X.；Kirshner,S.；Verthelyi,D.；Kozlowski,S.；Clouse,K.A.；Swann,P.G.；Rosenberg,A.；Cherney,B.J.Pharm.Sci.2009,98,1201-1205.]

历史上，生物技术产物中聚集体和颗粒的控制几乎完全依赖于用于可溶解聚集体定量的SEC以及用于颗粒计数的光遮蔽方法。然而，已经大大地忽视了0.1μm至10μm大小范围内的颗粒(尽管知道该范围内的颗粒能够激起免疫原性)。生物技术行业力求识别能够检测该范围内的颗粒的新的和改进的方法以及更有效地探查它们的来源以及生物处理方法和应力如何对其进行影响的方法论。还注意到了在显微镜下才能看到的颗粒与亚微颗粒之间的潜在联系并且近年的研究已经开始以更好地理解产品健壮性和预测稳定性为目标来探索这些相互关系。[Bai,S.；Murugesan,Y.；Vlasic,M.；Karpes,L.B.；Brader,M.L.J.Pharm.Sci.2013,102,347-351.]新兴的基于LS的方法可能在为探查蛋白质聚集的最早阶段以及如何发生到亚微米颗粒、在显微镜下才能看到的颗粒以及可见颗粒形成的发展提供更灵敏方法中扮演重要角色。SMSLS将通过其分辨引起光散射尖锋LSS的单个大颗粒的能力来帮助表征微粒。

Schimanowski等人结合他们的仪器引入术语不均匀时间依赖性静态光散射(HTDSLS)，他们的仪器可以对来自单个大颗粒的LSS进行分辨和计数并且同时测量来自均匀散射体群体的背景散射。[Schimanowski,R.；Strelitzki,R.；Mullin,D.A.；Reed,W.F.Macromolecules,1999,32,7055-7063.]缩写中的‘不均匀’指的是溶液容纳微粒和弱得多的散射体的背景群体两者的事实。该著作的作者能够在恢复背景散射的同时确定溶液中的颗粒数密度。通过在溶解聚(乙烯基吡硌烷酮)(PVP)的液体培养基中生长大肠杆菌作出论证。HTDSL提供细菌群体的时间增加以及PVPM_w和R_g的表征。

进行HTDSLS的条件中的一个是在入射束与颗粒之间有相对运动。这确保颗粒迅速穿过散射体积，产生限定明确的LSS。Schimanowski等人通过使用光散射流动池提供该条件。

在许多情况中，溶液包括在任何给定时间以及任何给定散射角处均匀地散射光的散射体的背景群体和大散射体群体，每个大颗粒比单个背景散射颗粒散射多许多数量级的光。这种系统包括但不限于：i)容纳不以大聚集体形式的均匀背景蛋白质的溶液中的大蛋白质聚集体，ii)容纳不以聚集形式的均匀背景蛋白质的溶液，其中存在大的非蛋白质散射体，诸如生物细胞、细菌、病毒、细胞片段或者油纳米滴或者油微滴、金属、塑料或者玻璃颗粒等等，iii)容纳均匀背景的天然或者合成聚合物以及胶体颗粒群体(诸如基于多糖的发酵液体中的细菌、丙烯酰胺基共聚物的溶液中的微凝胶等等)的溶液。

大颗粒意指散射的光足以产生可检测光散射尖锋的任何颗粒。从而，光散射系统的灵敏度对什么被看作大颗粒设置了下限。在一些实施例中，大颗粒可以是0.1微米，或者甚至更小。在其它实施例中，大颗粒可以是如果足够稀释并且充分灵敏的检测工具可用就能够被检测为光散射尖锋的单个气体原子。在又另一个实施例中，大颗粒可以是与背景散射颗粒对比的单个颗粒。术语‘大颗粒’将在下面用作惯例，用以指示大到足以相对于均匀背景产生可检测散射尖锋的颗粒。通常，能够产生可单独测量的LSS的大颗粒的范围将是从大约0.1微米直到几百微米(其是大到肉眼可见的颗粒)。还应当注意，大小不是控制光散射强度的唯一确定性质。可以预计0.05微米半径的固体颗粒散射得比0.05微米均方根回转半径、摩尔质量2.4x10⁶g/mole和与固体颗粒相同折射率的无规线团分子多大致1,000倍。

当前公开技术的样品的类型的重要方面将用于它们的稳定性的考虑。即，有许多容纳合成或者生物高分子和/或胶体的溶液，它们并不处于平衡状态并且由此随时间变化。变化本身可以以很多方式显现。例如，颗粒可以聚集，颗粒可以聚集和沉淀，颗粒可以形成随后可以长时间稳定或者可以最终沉淀的微凝胶或者微晶体，颗粒可以降解为更小片段或者分子(诸如高分子的化学或者酶促降解)，颗粒可以相位分离，颗粒可以经受由有意试剂(例如聚合反应)或者环境试剂(氧气、温度、湿度)驱动的化学反应，颗粒可以溶解等等。当这些不稳定性在相关时间尺度上出现时，那么对于能够测量这种过程的动力学以及溶液的高分子、胶体和颗粒方面如何变化通常是有利的。

在相关时间周期内不改变的溶液被看作‘稳定的’或者‘准稳定的’。‘相关时间周期’意指溶液特征不改变很重要的这种周期。相关时间周期可以是药物的储存寿命可以是两年。只要搁置的药物在两年内是稳定的或者基本上稳定，这就是相关时间周期。图示了相关时间周期的另一个示例，其中对容纳杂质的胶束体系进行测量。系统仅稳定几天并且实验花费不到一小时。在该图示中，系统在实验的相关时间周期内稳定。使用铁磁材料(例如铁)的永久磁化的概念图示了相关时间周期的另一个示例。磁化最终将由于热效应(Néel弛豫)而消失。然而，使铁磁材料失去磁化可能要花费数百万年。由于磁体在整个人类寿命期间(在该情况下为相关时间周期)保持磁化，因此磁体的人类用户宣称磁化永久。

不均匀时间依赖性静态光散射(HTDSLS)是同时检测背景散射体和大颗粒的手段。该方法利用流过散射池的液体样品以每当大颗粒穿过样品池的散射体积便产生可测量光散射尖锋(LSS)。散射体积指的是由系统的检测光学设备检测的入射光束照射的样品的一部分。在一些实施例中，对于典型光散射，散射体积处于几分之一纳升至几百纳升的数量级。

在一些实施例中，具有搅拌能力的批量模式SMSLS可以实现用于散射实验的入射光束与样品溶液之间的相对运动并且由此实现HTDSLS性能。在一些实施例中，SMSLS系统可以利用受控搅拌RPM。无论RPM是否受控，搅拌都将确保大颗粒在明确限定的时间量内被迫穿过激光束，产生光散射峰值。不搅拌放置，颗粒将以随机方式扩散通过光散射体积并且可以随着颗粒曲折进出散射体积产生不可限定宽度的扩展峰值。

图8图示了该点，其中对于在扩散控制(即0RPM)下以及以80RPM搅拌的水中的2微米(μm)胶乳球的稀释溶液示出了三十秒数据条带。如图8中描绘的，扩散受控的散射尖锋具有宽阔并且随机的宽度并且按不定间隔出现。80RPM尖锋具有更窄并且更均匀的宽度并且更频繁地出现。各种峰值的高度差与颗粒横穿散射体积中的激光束强度分布的哪个部分相关。

在SMSLS系统中，搅拌特性可以用于提供相对运动。图8示出了对于i)没有相对运动并且LSS是扩散控制的情况以及ii)当使用80RPM搅拌时的情况，从SMSLS系统收集的来自水中2μm胶乳球的光散射峰值。在10Hz下进行抽样。扩散控制峰值具有不规则的形状和持续时间，而按80RPM的LSS被明确限定、具有更窄和更紧密的受控宽度，并且更频繁地出现。由于散射体积上的射束强度不是均匀的，因此即使单分散性颗粒(诸如这些)也产生LSS峰高度的分布。如预计的，随着时间的过去在足够长的抽样周期内对LS强度进行积分对于情况i)和ii)两者是相同的。

重要地，当在很长时间内对在扩散控制的LSS尖锋下的面积进行积分时，该面积与当在相同周期内对80RPM尖锋进行积分时相同。平均来说，扩散控制的颗粒在射束中花费的时间量与搅拌的颗粒相同。这是预计的统计结果。由于颗粒照字面来看可以随着它们穿过散射体积逐个观察并且可以在实验过程中检测成千上万的颗粒，产生大的统计数据库以用于分析，因此其实际价值是可以利用受控搅拌控制单个尖锋的平均宽度和平均频率，使搅拌能力转变为用于监控蛋白质溶液中微粒的有力工具。例如，绝非限制性的是可以每秒钟对颗粒进行计数，以使得在一小时实验的过程中，超过三千个尖锋可用于分析。蛋白质溶液中的微粒表征是整个生物技术和制药行业中的主要问题。美国NIST(国家标准和技术研究所)尝试使颗粒测量标准化，并且尝试对治疗性蛋白质制剂中的微粒含量设定规则是FDA(食品和药物管理局)努力的目标。当前公开的技术在该方面以及包括来自合成源或者天然源的微粒的表征的其它方面提供新工具，其中颗粒大小可能是质量指标或者其它期望参数。一些示例包括纳米颗粒、合成聚合物、生物聚合物、碳纳米管以及其它天然材料或者合成材料。

潜在重要性的另一个应用涉及具有张量偏振度的颗粒，使得由入射束引起的电偶极子不与入射束电场对准。入射束表示为：

$\stackrel{\&RightArrow;}{p}=\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{E}}_0$

在该情况下，散射光将具有标量偏振度α的颗粒没有的可检测解偏振分量。这种颗粒通常具有各向异性形态，诸如杆状、椭圆体等等。从而，可以测量来自单独的各向异性颗粒或者与各向同性颗粒共存的各向异性颗粒的LSS。在后者情况中，将可以使各向异性颗粒的数量密度和MWD与标量偏振度的颗粒分开。亚微米范围中的大多数聚合物和胶体具有标量偏振度并且由此不产生解偏振信号。为了实现最佳检测，将对散射样品上的入射光进行线性偏振。也可以对其进行椭圆偏振(其中圆形偏振和线性偏振是特定情况)。未偏振的入射光是用于测量解偏振的最不利方法。

例如，各向异性生物颗粒(诸如杆状细菌或者病毒)可以存在于其它颗粒的混合物中，诸如各向同性细胞、细胞片段、血浆等等。使用解偏振LSS，可以使用此处概述的各种LSSMWD分析方法确定它们的数量密度和特征。还可以监控这种群体随着时间可能如何改变，增大或者减小，包括响应于营养物或者药物。

在其它实例中，可以在其它颗粒当中检测各向异性蛋白质(诸如阿尔茨海默病和相关疾病中发现的纤丝状淀粉样蛋白聚集类型)并且获得它们的数量密度和MWD特征。还可以监控由于天然或者人为施加原因的这些的增大和减小。例如，使淀粉样蛋白聚集体分离的药物将导致聚集体数量密度的降低和MWD及其平均值的降低。

碳纳米管通常是各向异性的并且可以产生解偏振散射。当与非各向异性的其它颗粒共存时(例如在由其制造的复合物和溶液中)，将可以使用解偏振LSS来表征纳米管群体。纳米管还具有强烈的聚集倾向。聚集体通常将具有不同解偏振性质，使得解偏振LSS方法可以用作表征溶液中纳米管的分散性质和稳定性性质的工具。例如，纳米管聚集体可能失去或者大大地降低它们的张量偏振度，导致各向异性(不凝集的纳米管)和各向同性或者准各向同性颗粒的混合。

无论它们的形态如何，比入射光波长大得多的颗粒可以使光解偏振。这个的示例是大小为若干微米或者更大的颗粒。从而，可以使用解偏振LSS尖锋将来自非常大颗粒的散射从产生LSS但没有大到足以产生显著解偏振LSS的其它较小颗粒析出。这种颗粒可以在许多类型的过程中形成，诸如在均相和非均相中产生合成聚合物、合成橡胶和水净化化学制品、处理天然产物(诸如多糖)、R&D和产生治疗性蛋白质以及更多情况。

图9中的光散射数据的渐增宽度示出了当在没有空气/液体界面的情况下按照100RPM以0.010g/cm³搅拌时针对蛋白质形成的微粒。图9示出了散射宽度可以如何随着蛋白质聚集而随时间增大。增宽表现为更嘈杂的信号。实际上，宽度和表观噪声的增大是由于蛋白质溶液中微粒群体的开始和变化。图9中的光散射数据的渐增宽度示出了当在没有空气/液体界面的情况下按照100RPM以0.010g/cm³搅拌时针对蛋白质形成的微粒。

为了图示这个，图10示出了来自图9的最强散射样品的两个500s数据条带。如由图10的下x轴描绘的，可以看出早在聚集过程中就有很少的尖锋。在早期条带中，有少数微粒，并且如通过低幅度的LSS看出这些微粒很小。稍后在聚集过程中，对于开始于25,500s的500s条带，微粒群体具有较高的数量密度并且颗粒大得多。这归因于该阶段处的蛋白质聚集体仍然可溶解并且为亚微米大小的事实。如由图10的上x轴描绘的，在25,000秒之后看到不同宽度和高度的许多尖锋，清楚地示出了>1微米大小的颗粒的存在。

当前正在进行的工作是使用LSS谱获得颗粒密度以及颗粒密度如何随时间变化并且测量颗粒的摩尔量分布。

图11示出了有空气/液体界面按100RPM搅拌、没有搅拌应力以及没有空气/液体界面按100RPM搅拌的蛋白质样品。图11示出了从2.5天之后的500s数据条带获取的这三个样品的微粒含量的差别。具有空气/液体界面的样品与没有空气/水界面的样品相比具有更大的颗粒以及更高浓度的颗粒。可以在底部看到未搅拌的对照样品。35℃下的三天实验中的未搅拌样品中没有出现聚集或者微粒化。

可以对SMSLS尖锋谱和均匀背景散射数据实施许多类型的分析。这些分析包括但不限于：

a)获得大微粒的数量密度以及这些如何随时间改变(如果有的话)。数量密度可能是相对数或者绝对数。

b)获得产生LSS的大颗粒的定义

c)计算大颗粒的摩尔质量(M)

d)通过利用校准标准交叉核对M。例如NIST胶乳球。

e)根据某些简单假设校正角度效应

f)计算大小，诸如半径(R)或者大颗粒

g)当大颗粒是多分散的时找到M的平均值

h)当大颗粒是多分散的时找到R的平均值

i)计算多分散大颗粒的摩尔量分布(MWD)

j)计算多分散大颗粒的颗粒大小分布(PSD)

k)计算质量传递或者相当于从均匀背景散射天然蛋白质和聚集体集中到大颗粒，在大颗粒分解成均匀背景散射体的情况中反之亦然。

l)确定沉淀的开始和沉淀率

m)确定散射体积V_s中的入射激光强度分布

n)使用LSS计数和分析确定V_s

数量密度是颗粒/体积的形式，例如颗粒/cm³。确定颗粒数量密度应当被本领域技术人员理解并且适用于由所公开技术收集的数据。用于确定颗粒数量密度的分析取决于透明窗口时间，该透明窗口时间是散射体积中没有颗粒的平均时间，其随后定义了散射体积中的LSS之间的平均时间。此外，分析可以包括使用二项分布计算一个或者多个颗粒在任何时刻占据散射体积的概率，以确定单个颗粒检测根据exp(-nV_s)而改变的概率，其中n是颗粒数量密度以及V_s是散射体积。

在V_s小到在V_s中同时有多个大颗粒的情况下，可以通过减小n或者V_s或者两者以减小该产物。在第一情况下，可以仅仅对样品进行稀释。在第二情况下，对SMSLS系统做出变型。可以：i)使用较窄直径和/或较小数值孔径的光学检测光纤，ii)使射束聚焦以具有紧射束腰，以及iii)确保光纤以针孔模式工作。如果在V_s中平均有超过一个颗粒，则由于随后不再单独检测颗粒，方法开始崩溃。

当前公开的技术包括本领域普通技术人员先前未公开、公布或者知道的类型的数据分析。即，可以根据该公开技术的方法计算大颗粒摩尔量分布(MWD)的测量。首先，尽管应当在给定SMSLS单元的最低可能检测角度(优选地小于30°以及更优选地小于10°以及通过外推法甚至更优选地为0°)处进行这种测量，但是即使在90°处，也可以测量对MWD的有用近似。

由于通常整个V_s的激光器入射光强度不是均匀的，这意味着分析变成双重统计的，因此问题并不像看起来的那么简单直接。例如，将有来自必须考虑在内的甚至单分散颗粒的LSS振幅谱。其次，MWD增加第二层统计。在最理想的情况下，V_s上的射束将被看作短圆柱体，其中强度以TEM00模式根据距射束中心的距离的高斯函数逐渐消失。实际上，来自激光器(尤其二极管激光器)的轴向不对称性、射束路径中光学设备的效应、更高正常模式的混合等等可以导致除了高斯射束分布以及非圆柱体体积形状以外的分布和形状。此外，由于搅拌棒的角运动中的颗粒并不一定使激光束以直角相交。

重要的是定义用于分辨LSS的要求。图12示出了来自上述数据的单个尖锋上的放大。抽样率大约为10Hz。尽管清楚地看到主尖锋，但是抽样率没有高到足以提供充分的时间分辨率以看到尖锋的完整形状。在图12中，可以宣称具有三个抽样点(一个在上升处、一个在最大值处以及第三个在下降处)的LSS被测量或者检测，但并没有‘时间分辨’。尖锋的测量本身是有用的(因为它将给出对颗粒数量浓度的认识)，并且峰值可以被用作对实际峰值高度的估算；照这样，真实高度可以稍微高于尖锋上的最高点，并且在所测量的最大值之前或者之后一点儿出现。完全时间分辨的尖锋将具有足够数量的数据抽样点使得可以将尖锋的宽度和高度两者确定至可接受的精度程度。最小数量的抽样点可以是五个-两个以标记尖锋的开始，在尖锋的上升和下降上各一个，以及在最大值处的点。借此，可以进行内插以用于更好地估算峰值高度。自然地，在LSS期间抽样越快以及抽样点的数量越大，用于确定最大值和形状的精度将越高。时间分辨的形状将允许计算LSS的宽度。形状还可以产生散射体积中的光束强度分布和引起LSS的颗粒穿过散射体积的轨迹的更多细节。应当注意，抽样太慢将不仅无法对LSS进行时间分辨，而且可能导致错过的LSS，从而导致颗粒数量密度的错误表征。这种抽样过疏还将导致MWD和大小分布分析中的误差。

对LSS进行时间分辨的捕获所需要的抽样率取决于颗粒在散射体积中度过的时间量。这进而取决于散射体积的几何结构和尺寸、搅拌速度、搅拌机构和由搅拌机构在任何给定池中产生的轨迹和RPM。对于图12中的特定示例，用于捕获五个点的最小抽样速率将是大约20Hz，而不是所使用的10Hz，其将把LSS上的抽样点数量增加至大约六个。

图13示出了按250Hz抽样的LSS的示例。如所看到的，有超过300个单独抽样点组成LSS，产生超过LSS的充分分辨率。

通常，预计抽样速率为从一赫兹的数量级直到几千赫兹的数量级，其中10与1,000之间的抽样速率是最常见的。容易预见可以使用其它范围的特定实施例。对于非常低的搅拌速率，小于10Hz的抽样可以是充分的。相比之下，对于非常高的搅拌速率，可能需要超过1,000Hz的抽样速率。

在正常操作条件下，对于该公开技术，由液体样品与散射体积之间的相对运动产生的流动应当是非湍流的。

确定射束强度分布的方式独立于射束的空间强度和颗粒穿过射束的轨迹的细节，该方式如下：按非常稀的水平使用均匀散射体(诸如2μm球)。搅拌必须使得产生非湍流的旋流。颗粒被搅拌并且穿过轨迹上的散射体积，该轨迹平均来说将对所有稀释颗粒溶液相同。来自检测器的LSS高度的直方图随后将提供射束的强度分布，以W(I_R,M)的形式。W(I_R,M)dI_R是摩尔质量M的相同颗粒群体的颗粒将产生幅度I_R至I_R+dI_R的尖锋的概率。分布被规范化如下：

${\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}W(I_R,M){\mathrm{dI}}_R=1$

该分布的形状是仅取决于散射体积W(I₀)内的入射束强度分布的系统的万有曲线。在这里，W(I₀)dI₀是散射体积中的随机点中的入射强度位于I₀与I₀+dI₀之间的概率。任何大小的单分散颗粒将给出与W(I₀)相关的W(I_R(M))的相同形状。

W(I_R,M)＝W(I₀/σN₂M²)

数量浓度N的稀释散射颗粒的瑞利散射比率I_R(1/cm)为以下：

I_R＝k⁴α²Nsin²φ

其中φ是从入射光中的垂直偏振电场的方向测量的高度角。φ＝90°，其给出最大散射并且称为散射平面，是通常由大多数光散射仪器使用的平面。α是单个颗粒的偏振度。

来自距偏振度α的瑞利散射体距离r处的单个颗粒的散射光强度I与该点I₀处的激光场的入射强度成正比，并且对于瑞利散射体，由下列给出：

$I=\frac{8{\mathrm{\&pi;}}^4{\mathrm{\&alpha;}}^2{\sin }^2\mathrm{\&phi;}}{{\mathrm{\&lambda;}}^4{r}^2}{I}_0$

通常，α与颗粒的摩尔质量成正比。

根据所有大小的大颗粒以相同方式扫描通过射束的假设以及非常低散射角的假设，W(I_R(M))的形状对于任何质量的单分散大颗粒是相同的。

对于给定质量M的任何颗粒，强度加权的LSS峰高度将与M²成正比，如下：

$<I_R>={\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}{I}_{R}W(I_R,M){\mathrm{dI}}_R\&Proportional;M^2$

在已经确定W(I_R)之后，W(I_R)对于给定池几何形状中的给定RPM是相同的。没有相互作用的大散射体的多分散群体具有质量分布N(M)，其中N(M)dM是具有M与M+dM之间摩尔质量的颗粒的数量密度。我们将s(I_R)dI_R定义为I_R与I_R+dI_R之间的LSS谱中的尖锋数量。LSS谱中的尖锋总数S_t将是由摩尔质量分布N(M)的每个部分引起的W(I_R(M))的叠加，根据下列：

$S_t=\mathrm{\&beta;}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}N\left(M\right)W(I_R,M){\mathrm{dMdI}}_R$

其中β是由S_t和颗粒总数N_total给出的比例因子，如下：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{S_t}{\&Integral;N\left(M\right)dM}=\frac{S_t}{N_{total}}$

这意味着由于M至M+dM的间隔中的颗粒，所寻求的N(M)与LSS的数量直接相关，S(M)dM乘以S(M)＝βN(M)。由于β只是比例因子，因此可以从上述积分得到N(M)，其相当于下列：

$S_t={\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}S\left(M\right)W(I_R,M){\mathrm{dMdI}}_R$

为了获得关于大颗粒群体的信息，将从积分求出N(M)。所公开技术允许用于该提取的任何数量的方式发生，包括但不限于：i)通过傅里叶变换或者其它变换方法对积分进行反演，ii)直方图方法使得积分作为对摩尔量间隔ΔM的求和，iii)计算分布矩的求平均值法。

例如，W(I_R,M)和实验性LSS幅度谱可以如下用作分别地确定加权平均的结果和数均质量，M_w和M_n：

$\frac{{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}{I}_{R}N\left(M\right)W(I_R,M){\mathrm{dMdI}}_R}{{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&infin;}}N\left(M\right)W(I_R,M){\mathrm{dMdI}}_R}\&Proportional;N_2{M}_w{M}_n$

可以通过使散射体积中的入射光强度更均匀来减小这种分析涉及的统计负担。如果可以实现均匀或者接近均匀的强度，则下式适用：

W(I₀)＝δ(I₀-I_0,u)

德尔塔函数是用于表示V_s中入射光强度的均匀性的理想化形式。实际上，可以大大地降低W(I₀)的宽度使得它在整个V_s中基本上均匀。

如果实现V_s中均匀或者接近均匀的入射强度，则上面的二重积分折叠至对M的单积分，该单积分是用于颗粒表征的相关积分。二重积分中对I_R的积分是由射束不均匀性所引起的‘统计烦恼’。

存在处理激光束中成形强度分布的整个科学和技术领域。产生的普遍形状是平顶分布，即穿过光束直径的均匀强度。例如，本领域技术人员应当理解用于从最初高斯射束产生均匀激光束的生产线。有许多方式使射束均匀，包括变形光学设备，具有渐变折射率的材料等等。在激光束中产生均匀化‘礼帽式’强度分布的特别普遍的手段是使用微透镜阵列，其可以使入射在微透镜阵列上的射束的各种横截面强度的强度混合在一起。通常，这种微透镜的混合强度输出由第二微透镜阵列重新组合并且可以随后由另外的单个透镜或者其它光学组件进行聚焦或者准直。

估算入射强度I₀的均匀射束的颗粒质量和大小

为了理解来自LSS谱的摩尔质量测量背后的原理中的一些，已知来自数量密度N(颗粒/cm³)的瑞利散射体的稀释收集的散射光的强度I_s，如上所述，以CGS单位，如下式：

$I_s=\frac{k^4{\mathrm{\&alpha;}}^2{\sin }^2\mathrm{\&phi;}N}{r^2}{I}_0$

瑞利散射体具有特征侧面D，使得D<<λ，其中λ是入射光波长。这种颗粒在散射平面中各向同性地散射，对于垂直偏振的入射光φ＝90°。

其中I₀是垂直偏振入射光的强度，α是颗粒的偏振度，或者如果颗粒在溶剂中(诸如水溶液中的蛋白质)是颗粒偏振度与溶剂偏振度中的差，r是从散射体到检测器的距离，φ是关于入射光的垂直偏振电场所测量的高度角，以及k是波数，k＝2π/λ。

考虑到相同溶液中的两种颗粒，具有数量密度N₁和摩尔质量M₁的类型1以及具有数量密度N₂和摩尔质量M₂的类型2。再次假定颗粒稀释到足以使得可忽略相互作用。则用下式定义散射光的比率：

$\frac{I_{s,2}}{I_{s,1}}=\frac{{{\mathrm{\&alpha;}}_2}^2{N}_2}{{{\mathrm{\&alpha;}}_1}^2{N}_1}$

该式提供进行各种类型分析的方法。例如，如果两种颗粒都具有相同材料(例如，天然蛋白质和蛋白质聚集体)，则特定偏振度将相同，到高度近似，并且与相应摩尔质量成正比使得，在该情况下，下式将适用：

$\frac{I_{s,2}}{I_{s,1}}=\frac{{M_2}^2{N}_2}{{M_1}^2{N}_1}$

考虑类型1是天然蛋白质以及类型2是聚集体的情况。让ν₁和ν₂为类型1和2的散射体积V_s中的颗粒数量，分别地如下表示：

ν₁＝Ν₁V_s和ν₂＝N₂V_s

此外，考虑从散射体积ν₂＝1产生单个光散射尖锋。随后可以由下式得到M₂：

$M_2={\left(\frac{I_{s,2}}{I_{s,1}}{v}_1\right)}^{1/2}{M}_1$

通过下式以浓度c₁(g/cm³)更方便地表示ν₁：

$v_1=\frac{c_1{N}_A{V}_s}{M_1}$

使得M₂表示如下：

$M_2={\left(M_1{c}_1{N}_A{V}_s\frac{I_{s,2}}{I_{s,1}}\right)}^{1/2}$

这允许最小值M₂的计算，最小值M₂将可通过LSS检测并且从而可以宣称为大颗粒。这将通过光散射系统的稳定性严格地确定，使得除了如由各种噪声源(包括不可避免的热噪声和量子机械噪声)施加的以外不存在基本限制。有改善信噪比的工具，诸如基于半导体的冷却的检测器，诸如电荷耦合设备(CCD)。

为了说明，假设V_s＝10nL＝10^-5cm3、M₂＝2.45x10⁹g/mole的散射体积中的M₁＝10⁵g/mole蛋白质的10^-3g/cm³溶液中的均匀背景散射的1％处的LSS是可检测的；即，I_s,2/I_s,1＝0.01。这是将被看作能够通过V_s中的一个颗粒产生LSS的‘大颗粒’的最小质量颗粒。

此外，考虑LSS的幅度等于来自类型1的均匀背景散射的情况；即I_s,2/I_s,11＝1，对于所有其它参数相同。则M₂＝2.45x10¹⁰g/mole。

关于质量密度ρ₂的球状大颗粒的半径R₂，M₂可以表示如下：

$M_2=\frac{4\mathrm{\&pi;}}{3}{\mathrm{\&rho;}}_2{R}_2^3$

或者R₂可以表示如下：

$R_2={\left(\frac{3}{4{\mathrm{\&pi;\&rho;}}_2}\right)}^{1/3}{\left(M_1{c}_1{N}_A{V}_s\frac{I_{s,2}}{I_{s,1}}\right)}^{3/2}$

使用I_s,2/I_s,1＝0.01和M₂＝2.45x10⁹g/mole的上述示例，并且取ρ₂＝1g/cm³产生

R₂＝10^-5cm＝0.1μm

对于上述另一个示例，I_s,2/I_s,1＝1和M₂＝2.45x10¹⁰g/mole，并且再次取ρ₂＝1g/cm³产生下式：

R₂＝2.15x10^-5cm＝0.215μm

重要地，即使在最适度的SMSLS系统中也可容易实现这些示例(尤其是I_s,2/I_s,1＝1的后者)，示出了致密散射颗粒变得可在小于1微米处检测。这以可以产生LSS的‘大颗粒’的形式给出优秀的低端括号。

对瑞利近似的颗粒大小限制

括号的上端主要由最低可得到角度限制。在要求为大颗粒分析调用米氏理论之前，值得对瑞利-德拜近似继续保持到什么大小进行研究。瑞利-德拜标准是经历折射率n_p的散射颗粒的特征尺寸D的光与经历折射率n_s的溶剂的光之间的光学路径长度差，相同距离应当比入射光的真空波长小得多，λ表示如下：

$\frac{D\left|n_p-n_s\right|}{n_s\mathrm{\&lambda;}}<<1$

对于水溶液中的典型蛋白质n_p-n_s＝0.19。对于λ＝635nm,n_s＝1.33，以及比率：

$\frac{D\left|n_p-n_s\right|}{n_s\mathrm{\&lambda;}}=0.1$

这产生D＝4.5x10^-5cm＝0.45μm的特征尺寸。取比率高达0.4意味着瑞利-德拜近似可以适用大到大约2μm的颗粒。此后，尽管仍然可以根据近似有效地获得等效大小(或许高达大约10μm)，但是在较低角度处的衍射或者米氏分析将是适当的。在此之上，根据瑞利-德拜近似，结果将是定性的。大颗粒在它们内部中容纳的水越多，近似将越好，并且将适用更大的大小。

使用Zimm方程式根据瑞利-德拜近似的颗粒大小限制，以及在没有多角度测量的情况下进行校正的方式

将大颗粒看作均匀密度的球体(还可以使用其它分布，诸如高斯分布)意味着均方回转半径<S²>＝3R²/5。这可以根据瑞利-德拜近似与Zimm方程式一起用于单个分量，表示如下：

$\frac{Kc}{I(q,c)}=\frac{1}{MP\left(q\right)}+2A_{2}c$

其中P(q)是颗粒的散射形状因素。对于颗粒

$\frac{q^2<S^2{>}_z}{3}<<1$

包括多分散系统，这变成：

$\frac{Kc}{I(q,c)}=\frac{1}{M_w}(1+\frac{q^2<S^2{>}_z}{3})+2<A_2>c$

这直接容许确定重均摩尔质量M_w、双z平均第二维里系数<A₂>以及z平均均方回转半径<S²>_z。K是光学常数，赋予垂直偏振的入射光，表示如下：

$K=\frac{4{\mathrm{\&pi;}}^2{n}^2{(dn/dc)}^2}{N_A{\mathrm{\&lambda;}}^4}$

在这里，n是溶剂折射率，λ是入射光的真空波长，dn/dc是所选溶剂中聚合物的示差折射率，以及q是普通散射波-矢量q＝(4πn_s/λ)sin(θ/2)，其中θ是散射角。在几乎所有情况下可忽略微粒的A₂项。对于n_s＝1.33和λ＝6.35x10^-5cm

$\frac{q^2<S^2>}{3}=\frac{q^2{R}^2}{5}=1.3x{10}^{10}{R}^2{\sin }^2(\mathrm{\&theta;}/2)$

在θ＝90°和R＝5.4x10^-6cm＝0.054μm产生θ＝90°的这个错误。从而，通常将需要低于θ＝90°。例如，为了以相同20％误差水平检测D＝1μm颗粒，将需要在θ＝10°处的测量。多角度SMSLS是可以设置在仪器中的部件中的一个。

然而，即使没有使用90°以外的角度，也可以进行有趣的校正。如上所述在有限角θ处测量的M₂现在指示为M_2,θ，以及这与当外推到θ＝0时的颗粒的真值相关，M_2,0表示如下：

$M_{2,\mathrm{\&theta;}}=\frac{M_{2,0}}{\&lsqb;1+\frac{q^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)}{3}<S^2(M_{2,0)}>\&rsqb;}$

任何模型随后可以用于颗粒2的形态；例如，球体状、无规线团状、棒状等等。事实上，人们可以放松对的限制并且在该计算范围以外使用特定的P(q)(例如对于球体P(q))。

为了说明，利用如前使用的相同假设，颗粒是在内可行的球体颗粒

$M_{2,\mathrm{\&theta;}}=\frac{M_{2,0}}{\&lsqb;1+\frac{q^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)}{5}{\left(\frac{3M_{2,0}}{4\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&rho;}}\right)}^{2/3}\&rsqb;}$

那么，容易从其中数值地求出校正的质量M_2,0。

确定从均匀散射体到大颗粒的质量传递

在该情况下继续，如果通过得到平均透明窗口时间exp(-N₂V_s)或者其它方式(诸如Schimanowski等人详细描述的)确定N₂，则可以计算成为大颗粒形状的均匀背景蛋白质和聚集体的传递，其定义已在上面给出。

让c_o为溶液中材料的初始浓度，以及为了方便起见，假定材料最初没有可检测的大颗粒，表示如下：

C_o＝c₁+c₂，在t＝0处C_o＝C₁

大颗粒的浓度由下式给出：

$c_2=\frac{v_2{M}_2}{N_A{V}_s}=\frac{N_2{M}_2}{N_A}$

从而，一旦(例如通过上述方法)确定M₂，则如果已知N₂，就可以计算c₂。用于计算N₂的一个方法是使用已知数量浓度N_2,standard的颗粒(诸如NIST可追踪胶乳球体)，并且计算LSS谱条带中的LSS之间的平均间隔或者平均频率。N_2,standard随后可以用于通过比较LSS之间的平均间隔或者LSS的平均频率计算N₂。

还可以使用透明窗口时间(CWT)得出N₂，不依靠标准，使用下式：

CWT＝exp(-N₂V_s)

CWT可以根据来自平均宽度<τ>的LSS之间的平均时间<Δt>的LSS谱计算如下：

$CWT=\frac{\underset{i}{\&Sigma;}{\mathrm{\&tau;}}_i}{\underset{i}{\&Sigma;}{\mathrm{\&Delta;t}}_i}$

例如，假设CWT是0.1，M₂＝10¹⁰g/mole以及V_s＝10^-5cm³，则c₂＝3.83x10^-9g/cm³，这将是c_o＝10^-3g/cm³的溶液中总材料的微小部分。对于更大的M₂和更小的CWT，C₂可以变得更显著。在该示例中测量高得多的c₂将需要减小N₂V_s。

不均匀入射强度和多分散大颗粒

在实验上可以从单个类型的单分散颗粒(例如胶乳球体)的质量M确定概率分布W(I_R,M)。图14是示例直方图，取自在边长1cm的SMSLS正方形批量池中按80RPM搅拌的2微米球体。为了表征任何特定溶液，随时间测量LSS谱，诸如上面示出的用于蛋白质溶液中形成的大颗粒的示例。这些谱示出了当大颗粒开始形成时以及使用Schimanowski等人的方法，可以计算颗粒的数量密度，以及使用公开技术的方法可以计算MWD和/或其平均值。尽管在这里不提供对使S(I_R)与N(M)相关的积分的反演的更多详细描述，但是可以使用若干方法，包括利用傅里叶变换或者其它变换的分析反演、直方图、分布-求平均值以及其它方法。

注意射束均匀化光学设备的使用将大大地减少实现分析过程中涉及的统计任务，尤其是确定MWD和其平均值的那些任务。利用射束均匀化，下面的直方图将是窄尖锋。穿过V_s中均匀强度的所有颗粒将产生相同散射峰高度，或者至少将近相同的散射峰高度。均匀射束中LSS的差别将仅仅是它们的宽度，将通过Vs的不同传输路径或者‘停留时间’计算在内。

已经在上文中描述了关于用于表征聚合物和胶体溶液的改进的系统和方法的示例实施例。对于本领域普通技术人员，对公开示例实施例的各种变型和变更将存在。在下列权利要求中对旨在处于本公开的精神内的主题进行阐述。

Claims (19)

1.一种同时多样品光散射(SMSLS)检测设备，包括：

至少两个光散射池，配置为容纳聚合物或者胶体溶液；

应力源模块，耦合至两个或更多个光散射池中的至少一个并且配置为将应力源引入至少一个光散射池中容纳的聚合物或者胶体溶液；以及

光电检测器，耦合至所述多个光散射池中的至少一个，配置为检测散射光。

2.根据权利要求1所述的SMSLS设备，其中应力源模块包括搅拌设备。

3.根据权利要求1所述的SMSLS设备，其中应力源是温度变更设备，配置为调节所述两个或更多个光散射池中的至少一个内的温度。

4.根据权利要求1所述的SMSLS设备，其中应力源模块配置为将物质引入所述两个或更多个光散射池中的至少一个中。

5.根据权利要求1所述的SMSLS设备，其中应力源模块配置为将能量源引入到所述两个或更多个光散射池中的至少一个中。

6.根据权利要求1所述的SMSLS设备，还包括：

入射光源，配置为向所述多个光散射池提供入射光；

光栅扫描设备，耦合至所述多个光散射池中的至少一个，所述光栅扫描设备配置为以受控模式使所述至少一个光散射池移动通过入射光；以及

其中光电检测器还配置为检测通过被光栅扫描的光散射池发射的散射光。

7.根据权利要求1所述的SMSLS设备，还包括：

存储计算设备可读指令的计算设备可读介质，计算设备可读指令能够由计算设备解释以使计算设备基于对散射光的测量来确定聚合物或者胶体溶液的特征。

8.根据权利要求7所述的SMSLS设备，还包括：

数据库，用于存储与从至少两个光散射池获得的聚合物或者胶体溶液的特征相对应的数据，其中以逐个池为基础存储数据。

9.一种检测聚合物或者胶体溶液的一个或者多个特征的方法，包括：

将应力源引入多个光散射池中容纳的聚合物或者胶体溶液；以及

将入射光源引入所述多个光散射池，以及

利用耦合至光散射池的多个光电检测器来测量散射光。

10.根据权利要求9所述的方法，其中应力源是聚合物或者胶体溶液的受控搅动。

11.根据权利要求10所述的方法，其中搅动是最小对流的。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括：

利用处理设备基于应力源响应来确定聚合物或者胶体溶液的特征。

13.根据权利要求9所述的方法，其中应力源是固体物质。

14.根据权利要求9所述的方法，其中应力源是液体。

15.根据权利要求9所述的方法，其中应力源是气体。

16.根据权利要求9所述的方法，其中应力源是聚合物或者胶体溶液的冻结/融化循环。

17.根据权利要求9所述的方法，其中应力源是光或者其它电磁辐射。

18.根据权利要求9所述的方法，其中应力源是电离辐射。

19.根据权利要求9所述的方法，其中应力源是滴定剂。