CN107003182B - 用于测量光吸收或确定物质的浓度的系统的光纤布置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于引发光的传播模式之间的耦合的光纤布置，所述布置包括具有用于接收光的输入端(32)和用于发射光的输出端(31)的多模式光纤(30)，其中耦合引发区段(33)从所述输入端延伸至所述输出端，以及光纤布置在其上的支座(80)，其中所述多模式光纤具有非圆形截面。还公开了用于测量吸收或确定物质的浓度的系统，所述系统包括至少一个光纤布置。

Description

用于测量光吸收或确定物质的浓度的系统的光纤布置
技术领域
本发明涉及一种用于引发光的传播模式之间的耦合的光纤布置。本发明还涉及一种用于测量光吸收或确定物质(例如，悬浮在溶液中的物质)的浓度的系统，所述系统包括光纤布置，例如在液相色谱分光光度计中。
背景技术
光学探测方法经常用于化合物(诸如生物分子)的灵敏探测的分析仪器中。光学探测特别良好地适用于测量或确定物质的吸收或浓度的分析技术，诸如液相色谱或过滤系统，这是生物技术、生物医疗和生物化学研究以及制药、化妆品、能源、食品和环境行业中的重要工具。
通常，与液相色谱相关联的光学系统使用一系列透镜和反射镜来收集和传播从光源到流动池的光，允许包含样本的流体流动通过流动池。在穿过该池之后未吸收的光冲击包含一个或多个光敏元件的光探测器，且随后经分析来提供关于样本的信息。
通常且为了达到令人满意的分析结果，光纤用于在系统内传播光。这具有的优点在于最大限度减少光学元件(诸如校准透镜和反射器)的使用，以及甚至越过延伸的距离提供光的灵活传递和最小强度损失。
例如，光源可为氙灯，其以一定间隔发射闪光。由于诸如强度波动、基线漂移和温度漂移的因素，通常需要将光纤布置成一系列弯曲和环，以允许传播模式的耦合，这用于提供光的平稳输出，而不管来自光源的输入的波动。光纤的此布置可称为模式耦合纤维布置。尤其是对于分束器用于将光分成两个部分的应用，为了提供未传送至流动池的稳定基准部分，重要的是来自光纤的输出尽可能均匀以便达到令人满意的结果。
用于液相色谱领域内的模式耦合的方式是本领域中已知的，例如，通过环、微弯或缺口。此解决方案的示例可在US6963062(Eksigent Tech, LLC)、US7945130 (GeneralPhotonics Corp.)或US4676594 (American Telephone & Telegraph)中找到。
常用的模式耦合或模式混合布置具有的缺点在于笨重且需要相对长的光纤来允许光模式的充分耦合。通过环和弯曲，传输损失也出现，尤其是在低于250nm的深UV区域中。如果弯曲半径保持较大，则损失较小，但模式耦合能力降低，需要设置甚至更长的纤维以便达到足够质量的输出。
与如上文所述的液相色谱相关联的问题也适用于测量吸收或确定物质的浓度的其它系统，其中需要稳定基准值。此类系统包括过滤系统、细胞收集系统、净化系统、配制系统和用于生产生物药品的类似系统，等。
因此，所需的是具有适用于此类系统的改进的模式耦合而没有上文所述的缺点的光纤布置。
发明内容
本发明的目的在于实现适合用于测量光吸收率或确定物质的浓度的系统的光纤布置中的改善的模式耦合。这通过根据所附权利要求1的引发光的传播模式之间的耦合的光纤布置来达成。因此，模式耦合以有效方式执行，实现了高质量的均匀输出光。
根据本发明的方面，光纤的耦合引发区段基本上布置在所述支座上的平面中。因此，整个光纤布置可制作得更小且更稳定，避免了由于不充分固定和与其相关联的损失引起的耦合引发区段的任何移动。
根据本发明的另外的方面，光纤的耦合引发区段包括多个区域，且各个区域相对于所述支座固定。因此，通过光纤的位置改变、通过温度漂移或由于施加至光纤的外力而发生的损失和漂移可最小化。
根据本发明的另一个方面，耦合引发区段沿所述支座中的通路布置，所述通路包括开放弯部，使得没有耦合引发区段的区域布置成重叠任何其它区域。因此，通过光纤的一个部分的移动或邻接而发生的任何损失可最小化，且便于整个耦合引发区段的固定。
根据本发明的另外的方面，支座具有表面和从所述表面伸延的多个保持销，所述保持销具有邻近所述表面的第一直径和离所述表面一定距离处的第二直径，其中第一直径小于第二直径。因此，销与光纤相互作用以相对于表面保持光纤，且通过使第一直径小于第二直径，防止了光纤移动。
根据本发明的又一个方面，至少一个保持销可动地布置在支座的表面上。因此，光纤的固定可进一步改善，且纤维长度中的公差可得到补偿来实现牢固的紧固且防止光纤的移动。
本发明的一个方面包括液相色谱分光光度计，其包括以上方面中的任一者，且布置成接收来自色谱分离柱的输出流。
鉴于以下详细描述，本发明的其它优点和益处将对于本领域的技术人员变得更容易明白。
附图说明
现在将参照附图来更详细描述本发明，其中
图1为具有根据本发明的光纤布置的典型液相色谱系统的示意图，
图2为具有根据本发明的光纤布置的光纤的支座的透视图，
图3为从图2的支座的一侧看的平面视图，
图4a为分束器处的具有圆形截面的两条光纤的截面视图；以及
图4b为分束器处的具有八边形截面的两条光纤的截面视图。
具体实施方式
根据本发明的优选实施例的光纤布置适合用于测量吸收或确定选自包括溶液内的蛋白质、缩氨酸、核酸或细胞的组的物质或浓度的系统中。此系统的一个示例是液相色谱系统，且此类典型系统由图1公开且在下文中使用来说明本发明。
因此，图1示出了典型液相色谱系统100的示意图，包括具有光源单元10的分光光度计，光源单元10包括光源11和灯触发器12，灯触发器12布置成控制光源11按预定间隔发射闪光。光源11可为具有100Hz频率的氙灯，但作为备选，可使用其它适合的光源。由光源11发射的光传播至单色仪20，且穿过聚光器21以在到达像差校正全息光栅24之前朝入口狭缝23聚焦光，全息光栅24反射光且将其投射到第一光纤30的输入端32上。在到达入口狭缝23之前，光也传输至高通过滤器22，其除去低于设置的截止频率的波长(例如，360nm)的光(如果使用可见光区域)。此外，过滤器22由第一步进马达25控制，如果UV范围中的光将替代可见光来由系统使用，则第一步进马达25可从光路除去过滤器22。
由于使用的灯的强度的不规则，或由于光源11相对于单色仪20的较小移动或液相色谱系统100的操作期间的温度漂移，来自光源11的各个闪光中发射的光大体上不同于各个其它闪光。然而，为了从系统中执行的测量达到令人满意的结果，光模式通过第一光纤30混合，以便从第一光纤30发射的输出光具有均匀的模式分布，而不管这些因素。
因此，第一光纤30是多模式光纤，其布置成接收在输入端32上投射的光，且允许光沿耦合引发区段33传播至输出端31，光从输出端31发射至分束器40。耦合引发区段33从输入端32延伸至输出端31，且用于引发在输入端32处接收的光的传播模式之间的耦合，即，混合光模式，以便实现具有均匀分布的平稳输出光。耦合引发区段33可被说成包括多个区域34(见图2)。
因此，从第一光纤30的输出端31发射的光投射到分束器40上，且分成光的第一部分和光的第二部分，光的第一部分在第二光纤42中传输至控制单元60以便提供基准值，且光的第二部分在第三光纤41中输送至流动池单元50，流动池单元50布置成接收来自色谱分离柱(由粗箭头示意性所示)的样本流体流，且允许照射样本流体流过的流动池51。从流动池51，光在第四光纤43中传输至控制单元60来用作样本值。控制单元60包括适合用于探测来自第二光纤42和第四光纤43的光的光探测器，且通过比较样本值和基准值，控制单元60布置成确定流动池51中的样本的性质，诸如特定分子的存在和量。
控制单元60还布置成通过多个控制信号来控制液相色谱分析系统100的操作。因此，第一控制信号61控制灯触发器12且因此光源11的操作，第二控制信号62控制第一步进马达25且因此过滤器22的位置，且第三控制信号63控制第二步进马达26且因此将光投射到第一光纤30上的像差校准全息光栅24的操作。此外，控制单元60提供系统输出信号64，诸如关于流动池51中的样本的性质的测量的信号，等。
外部控制单元70(诸如PC)布置成接收系统输出信号64，且例如可保存它们，使用它们来用于计算，且将数据呈现给使用者。外部控制单元70还布置成通过一系列系统输入信号71来控制该控制单元60的操作，例如关于光源11的频率、过滤器22的位置、光如何通过光栅24投射到第一光纤30上，或哪一波长范围将由光探测器探测到。这些输入控制信号71可由使用者确定。
现在将详细地且参照上文所述的液相色谱分析系统100和图2-图3来描述本发明。
根据本发明的优选实施例，第一光纤30布置在支座80中且由紧固器件82沿通路83保持，通路83包括从输入端32到输出端31的一系列开放弯部。由于弯部，传播模式耦合，以便在光经历沿耦合引发区段33的全内反射多次之后，实现彻底的模式混合。
此外，第一光纤30具有非圆形截面，优选八边形的，但作为备选，例如六边形、矩形或十边形。这在允许传播模式的有效耦合(即，穿过光纤传播的光的混合)中是很有利的。因此，耦合可相比于具有圆形截面的多模式光纤在增大的效率下执行，且产生光源11的各个闪光中的均匀光输出的彻底混合可相比根据使用圆形纤维的现有技术所可能的在耦合引发区段33的较短长度且因此较短的总纤维长度的情况下达成。
布置在分束器40处以各自接收从第一光纤30发出的光的一部分的第二光纤42和第三光纤41优选也具有非圆形截面。在一些布置中，具有非圆形的第二光纤42和第三光纤41有利于最小化分束器处的损失，其中所述第二光纤42和所述第三光纤41可布置成具有并排的各个光纤42、41的输入端来接收投射到分束器40上的光。当使用具有圆形截面的光纤且将它们并排布置时，投射到纤维的输入端上的光的较大部分失去，这由公开分束器40处的第二光纤42和第三光纤41的两个圆形输入端的图4a示出，以及由公开分束器40处的第二光纤42和第三光纤41的两个八边形输入端的图4b示出。将认识到的是，分束器的截面可不是图4a和图4b中所示的圆形截面，例如，截面可匹配第一光纤30的截面，且因此可在截面上为八边形等。
在许多现有技术的系统中，多模式光纤布置成在三个维度中从输入端投射到输出端的弯部和环。通常，除在环的基部处外，环并未由支座支撑。然而，在本发明的该优选实施例中，耦合引发区段33沿其保持的通路仅包括布置成这样的开放弯部，使得没有耦合引发区段33的区域34重叠任何其它区域34。因此，耦合引发区段33未布置成环，且并未在三个维度中投射，而是基本上从输入端32到输出端31在支座80的表面81上的平面中延伸。这具有的优点在于可使用较小且更稳定的支座80，且耦合引发区段33的每个区域34(即，沿耦合引发区段33的每个点)可牢固地紧固，且相对于支座80的表面81固定。由于此牢固紧固，第一光纤30中的强度损失和漂移可保持最低，且可实现从输出端31发射的光的高质量。如果期望，输入端32和输出端31也可紧固在支座80上，以便固定第一光纤30的每个部分。
紧固器件82用于将第一光纤30装固在支座80上，且可包括沿通路83的凹槽、多个钩或夹、粘合剂、压到光纤上的盖的形式的紧固装置，或任何其它适合类型的紧固器件。在该优选实施例中，紧固器件82是在沿通路83的期望位置处从表面81突出的多个保持销82。保持销82从表面81基本上正交地延伸(见图3)，且具有接近表面的第一直径d1，以及离表面81一定距离处的第二直径d2，使得第一直径d1小于第二直径d2。因此，保持销82在连接至表面81的基部处较细，且朝保持销82的顶部加宽。由于该形状，第一光纤30可沿通路牢固地保持而不需要其它紧固装置，且可避免沿保持销82远离表面81的小的移动，诸如滑移。
在该实施例中，保持销82在形状和尺寸上全部都类似于彼此，但作为备选，一个或多个保持销82可按期望不同，以便提供第一光纤的牢固紧固。另外，一个或多个销82可布置成可相对于表面81移动(例如，滑动)，以便于固定第一光纤30且补偿光纤30的长度的小公差。可沿侧向滑动的销也可用于改变或逐渐地调整模式耦合效率。
当安装第一光纤30时，耦合引发区段进入沿通路的位置，由保持销保持，且输入端32和输出端31按期望紧固，使得沿第一光纤30的每个区域34相对于支座80和所述支座80的表面81固定。如果任何保持销82是可动布置的，则安装可通过将第一光纤30放入沿通路83的位置且然后滑动保持销82来执行，保持销82可移动到期望位置，使得第一光纤固定。保持销然后可相对于支座80固定，例如，通过防止保持销82的进一步移动的螺钉或其它紧固装置。
实现将光纤30牢固紧固至支座80在系统的制造期间也是有利的，因为如果光纤固定，在安装期间产生的光纤30中的任何内部张力更容易松弛，从而减小了初始基线漂移。
本发明并未看作由上文所述的实施例限制，而是可在所附权利要求的范围内改变，这将由本领域的技术人员容易理解到。例如，根据本发明的光纤布置可用于多种不同的液相色谱系统，且还可用于不同的技术应用，其中光纤中的传播模式的耦合是有益的且需要稳定的基准信号，诸如过滤系统、细胞收集系统、净化系统、配制系统或用于生产生物药品的类似系统，以及在其它技术领域内。

Claims (8)

1.一种用于测量光吸收或确定物质的浓度的系统，所述系统包括用于引发光的传播模式之间的耦合的光纤布置，所述光纤布置包括：
-具有用于接收光的输入端(32)和用于发射光的输出端(31)的多模式光纤(30)，带有从所述输入端(32)延伸至所述输出端(31)的耦合引发区段(33)，
-支座(80)，以及
-布置成将所述多模式光纤(30)装固在所述支座(80)中的紧固器件，
所述系统还包括分束器(40)、第二光纤(41)和第三光纤(42)，所述分束器(40)布置在所述多模式光纤(30)的输出端(31)处且布置成将光投射在所述第二光纤(41)和所述第三光纤(42)的输入端上，
其中，所述多模式光纤(30)、所述第二光纤(41)和所述第三光纤(42)均具有非圆形截面，
并且其中，所述第二光纤(41)和所述第三光纤(42)布置成具有并排的各个光纤的输入端，以利于最小化所述分束器(40)处的损失。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多模式光纤(30)的耦合引发区段(33)包括多个区域(34)，且各个区域(34)相对于所述支座(80)固定。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耦合引发区段(33)沿所述支座(80)中的通路(83)布置，且其中所述通路(83)包括开放弯部，使得没有所述耦合引发区段(33)的区域(34)布置成重叠任何其它区域(34)。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的系统，其特征在于，所述支座(80)具有表面(81)，并且所述紧固器件包括从所述表面(81)伸延的多个保持销(82)，所述保持销(82)具有邻近所述表面(81)的第一直径(d1)和离所述表面(81)一定距离处的第二直径(d2)，且其中所述第一直径(d1)小于所述第二直径(d2)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述多模式光纤(30)的耦合引发区段(33)沿所述支座(80)的表面(81)由所述保持销(82)保持。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述保持销(82)中的至少一个可动地布置在所述支座(80)的表面(81)上。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耦合引发区段(33)基本上布置在所述支座(80)处的单个平面中。
8.一种包括权利要求1至7中任一项所述的系统的液相色谱分光光度计，其布置成接收来自色谱分离柱的输出流。
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