CN1890542A - 用于手征性分析的微分光学技术 - Google Patents

Abstract

一种微分方法，该方法确定对光传输的限定点的偏移(例如偏离零位±45°，或零位90°和平行0°)，并利用两个信号的耦合特性来用于共模噪声衰减和信号增强。调制(130)施加到手征混合物(140)的光束(104)，且然后通过偏振器或棱镜(142)将其分成第一束(146)和相关的正交束(148)。在执行信号的微分比较(170)之前将第一束(146)和正交束(148)转化成电子信号(150)(152)，以检测手征混合物内的希望的手征物质。

Description

用于手征性分析的微分光学技术

关于联邦资助研究的声明

由于国家科学基金会对Phillip R.Gibbs的拨款0320299，因此美国政府对本发明具有一定的权利。

相关申请的交叉引用

本申请在此要求2003年10月9日提交的美国临时专利申请60/510209、2004年4月19日提交的美国临时专利申请60/563364的优先权，其在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及手征检测器，更具体涉及一种用于对手征样品的非接触、快速和准确地筛分的微分旋光色散检测器。

背景技术

光学异构体，通常称为对映异构体，在几个领域中是重要的，这些领域包括药物、化学、精油、调料和食品工业。绝大多数有用的药物包含一种或几种手性中心。由于已经知道，错误的对映异构体可能引起有害的副作用，因此获得高的治疗对映异构体纯度是必要的。这样，制造对映异构体的纯配方和检验光学异构体是至关重要的。但是，即使使用本领域当前的分析仪器，这两种行为仍具有显著的挑战。对于研究者，目前还没有用于高产量的对映异构体的纯度筛选的通常可用的方法。

已经存在对于手征性分析技术的公知的改进，尤其是在减小与对由于手征样品引起的附加旋光进行的测量相关的噪声的领域中。利用电或光学装置来过滤噪声的单光束法是十分普遍的(例如参见WO 01/06918)。其它公知的方法通过与参考单元比较(美国专利4,912,059)、在相位正弦信号中混合(美国专利5,477,327)、在信号与参考光束之间切换(美国专利5,621,528)、或利用具有两个正交线性偏振波的双频激光源(美国专利5,896,198和6,327,037)来利用双光束。这些方法试图确定离光传输零点的偏移。

在流通单元中使用用于微分手征分析的泡克耳斯盒调制也是公知的(美国专利5,168,326)。该技术包括利用到泡克耳斯盒的振荡电压来产生线性偏振光和圆形偏振光的交替光束。通过减去对两束光计算的旋光角度，可以有效地抵消噪声的公共源，给出更灵敏的测量。

因此，这仍需要通过减小与测量相关的噪声来更加准确地确定由于手征样品引起的附加旋光。

发明内容

已经研发出一种微分方法，该方法确定离光传输的限定点的偏移(例如离零点±45°、或零点90°和平行0°)，并利用用于共模噪声抑制和信号增强的两个信号的耦合特性。该方法和装置可以使用具有方波调制的锁定检测以减小噪声和提高灵敏度，可以使用新的调制技术来实现频率调制，可以将该技术扩展到多波长扫描模式，且可以使用微分信号提取(extraction)模式来大大地提高对旋光的灵敏度。

本发明的其它方案将在下述说明书中被部分阐述，且部分会从说明书中显而易见，或者可以通过本发明的实践来获知。通过特别是在所附权利要求书中指出的元件和结合来实现和获得本发明的方案。因此，应该理解，前述总体描述和下面的详细描述仅为示例性的和说明性的，而不像权利要求那样限制本发明。

合并于本说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的几个实施例并结合说明书一起阐述本发明的原理。

附图说明

图1是根据本发明原理的手征检测设备的实施例的方框图；

图2是根据本发明原理的可选地包括滤波器的手征检测设备的实施例的方框图；

图3是根据本发明原理的可选地包括1/4波片的手征检测设备的实施例的方框图；

图4是根据本发明原理的可选地包括源稳定反馈回路的手征检测设备的实施例的方框图；

图5是在具有与两个偏振器之间的相对角相应的标称(marked)角的两个线性偏振元件之间的光传输的示例性说明，示出通过在位置B和C处的检测器观察到的相对光强度以及通过根据本发明实施例的信号调制产生的角位置；

图6是在具有与两个偏振器之间的相对角相应的标称角的两个线性偏振元件之间的光传输的示例性说明，示出通过在位置A和B处的检测器观察到的相对光强度以及通过根据本发明实施例的零点(90°)和平行(0°)周围的信号调制产生的角位置；

图7示例示出了对在位置A处观察到的光脉冲与施加到根据本发明实施例的信号调制器的信号调制的比较；

图8示出根据本发明实施例的当没有手征样品时在位置B和C处观察的示例性结果光强度；

图9示出根据本发明实施例的当存在手征样品时在位置B和C处观察的示例性结果光强度；

图10是从根据本发明实施例的B和C信道的微分比较中示出相反对映异构体的最终信号的示例性图表；

图11是根据本发明的原理展示具有方波参考的锁定检测和在相同浓度下的相反对映异构体的最终输出信号电压的实施例；

图12示出根据本发明的原理的通过将B和C信道相加产生的示例性最终信号以及与在位置A处检测的输入信号相比的信号的吸收和散射效果；

图13是示出根据本发明原理的利用平衡光检测系统的微分检测的实施例的方框图；

图14是示出根据本发明原理的利用微分和高动态范围噪声消除器的微分检测的实施例的方框图；

图15是示出根据本发明原理的利用双噪声消除器的微分检测的实施例的方框图；

图16是示出其中选择地通过磁场或电场调制样品的手征检测器的实施例的方框图；

图17是示出根据本发明原理的利用微分模式测量的圆形二色性测量的实施例的方框图；

图18示出何种波长调制产生有利于区分本发明实施例中的手征混合物中的物质的次级信号；

图19示出根据本发明实施例的从跨越具有两个手征物质的手征混合物中的有效波长所扫描的和在调制频率下检测到的固定调制宽度中产生的示例性信号。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明原理的基础微分旋光色散(DORD)设备的实施例的方框图。该基础设备包括光源100、偏振器116、信号调制器130、样品单元140、分析器142、平衡光接收器(检测器B150和C152)以及锁定检测器170。光源100可以由例如激光的单色源组成，但是越宽广的波长范围提供越多的有用信息。在优选实施例中，可以利用稳定的UV和钨灯来在执行具有滨松型L7893系列灯的光源100时提供覆盖200至1100nm的近似范围的明亮的宽波长的光源。可以使用脉冲光源来避免与中间偏振器位置相关的模糊。然而，实践中，可以采用连续光源，且对信号调制器的切换时间可以足够快以有效地排除对这些中间状态的考虑。

入射光束104穿过偏振器116以产生偏振光束118。可以理解，可以使用由自然生成或合成晶体构造的任何可市场获得的偏振器来作为偏振器元件。在优选实施例中，偏振器包括相比于传统方解石呈现更优良光学特性的合成棱镜，所述光学特性例如为更高的消光系数(＞10^-6)和更高的损坏阈值(在1064nm下＞500MW/cm²)。与方解石相比较，由于光学质量和有效性，合成晶体消除了仪表的易变性。在最优选的实施例中，DORD偏振器116通过基于α-BBO的罗雄棱镜来实施，该棱镜仅近来开始可以在市场上获得。利用α-BBO罗雄棱镜，允许更宽的波长范围(190nm至3500nm)，产生两束偏振光束，并向允许简单直线光学结构的一个光束分量提供直线路径。偏振器的其它实例包括但不限于：偏振分光镜、格兰激光偏振棱镜、格兰-泰勒偏振棱镜、格兰-汤普逊偏振棱镜、或沃拉斯顿棱镜。传统的检振计一般使用具有用于方解石的350nm至3500nm的有用波长范围和用于α-BBO的窄范围(200至270、400至700、以及700至3000)的格兰-泰勒偏振器。

利用单个调制器130实现对跨越90°的总旋光角度上、优选偏离零点±45°的信号的调制。然而，本领域技术人员会意识到本发明的原理不限于在偏离零点±45°的90°总旋光角下调制。实际上，在使用微分观察下的线性偏振态的耦合特性的附加关注点附近调制是有利的。在图6中示出一种在零点(90°)和平行(0°)点附近调制的这种情况。调制不必较大(例如±1°)，而可以受益于在这些传输正交耦合点附近的微分观察。例如，采用该方案的微分观察在维尔德测量中基本上消除了基本驱动频率的频率组分，而仍提供共模噪声的衰减。

调制器通过将一个偏振光分量以45°角相移，而将另一分量以与所述另一个正交的角度(-45°)相移，来将线性偏振光转换成圆形偏振光。当可以有效衰减共模噪声时，在光学传输的中点(例如偏离零点±45°)或附近观察有利于获得最大值信号。这从马吕斯定律推导出，其中，在两个偏振器之间的传输光的强度如下表述：

I＝I_ocos²θ

其中，I为传输强度，I_o为未穿过偏振器的传输光，而θ为两个偏振器的相对角，将0度限定为最大传输光强度的点。

对于手征化合物的最大灵敏度，应该在其中对于θ的很小改变dθ，光强度的改变dI最大的区域中观察，这发生在手征样品存在于两个偏振器之间时(例如，对于观察的总角度相加或相减手征物质)。采用马吕斯方程式的推导公式：

dI/dθ＝0.5cos2θ

并对于dI/dθ＝0进行求解，可以看出，用于观察取决于手征物质的强度改变的最佳点位于偏离光学传输的零点±45°处。

包含偏振器的消光系数的偏移量的马吕斯定律的形式，

I＝I_ocos²θ+a

如I＝I_ocos²θ+a所表述的，当相对于零点限定θ时，不改变该分析。由于与手征样品无关的大光通量(1/2I_o)的共模噪声，传统的方法没有试图观察该区域中的手征信号。

可以利用各种调制装置，例如常规的法拉第调制器或泡克耳斯盒，来进行信号调制。在优选实施例中，信号调制器为采用BBO的泡克耳斯盒。除了与α-BBO偏振光学元件相同的光学透明度和UV传输特征之外，与在传统偏振器(～1KHz)中使用的法拉第调制器或在CD检测器(～50kHz)中使用的光弹性调制器相比，使用泡克耳斯盒允许在非常高的频率(＞10GHz)下的方波调制。对于采用锁定检测、同步检测或平衡光检测器技术的快速信号应用，更高的调制频率是有利的，且与通常在偏振测量和CD检测器中使用的正弦波调制相比，使用方波调制具有提高信噪比和更快速的信号采集的其它优点。另一优点是，与法拉第调制器相比较，使用泡克耳斯盒用于光调制，可以免受磁场的影响。传统偏振器的灵敏度理论上可以获得10^-6度的分辨率，但是在该灵敏度下，仪表像指南针那样工作，且因此受在地球磁场中的取向所影响。因此，在商用仪表中，将设备有效地“去谐”以避免该效应。泡克耳斯盒的使用避免了该噪声源，因为相对于在法拉第调制器情况下的磁场，该调制基于被调制的电场。

在光束穿过样品单元140之后，其继续到达分析器142上，分析器142产生两束偏振光束146和148，其彼此正交并在离开分析器时分离。认为分析器142为能够产生两束正交、分离的偏振光束的任意装置。这种装置的实例包括但不限于：偏振分光镜、沃拉斯顿棱镜、或罗雄棱镜。

在一个实施例中，考虑实现采用基于α-BBO的罗雄棱镜的分析器。在另一个实施例中，实现采用沃拉斯顿偏振器或棱镜的分析器，其产生彼此正交的两束反耦合的信号束。沃拉斯顿偏振器由两个正交的方解石棱镜或替换材料(例如YVO₄)组成，其粘合在一起以形成偏振棱镜。取代在光离开棱镜时将其聚焦或会聚，棱镜的构造使得入射光分离成两个在不同方向上移动的出射光束。可以通过调节棱镜的布置来控制两个出射光束的分离和方向。因此，分析器142不会通过会聚光来将光束146或148中的任意一束射向任何靶。而是，分析器简单地使光偏离到不同的方向，因为它没有焦距且不能在任意点上将光聚焦或会聚。

利用位于位置B和C处的光检测器150和152将光信号从分量146和148转变为可以利用现代电子装置分析的电压或电流信号160和162。在优选实施例中，光检测器为光电二极管。优选将光电二极管布置在平衡光检测器系统中。在这种平衡光电检测器系统中观察这两束光束获得具有高共模抑制比(CMRR)的平方律检测器。将进一步参考图13-15来阐述关于平衡光电检测器系统的使用的细节。

光检测器150和152还可以采用雪崩光电二极管来实现，其将检测的信号放大，内在地提供极佳的灵敏度。在另一实施例中，光检测器利用光电倍增管来实现，其具有极佳的灵敏度、大线性范围、宽波长响应以及低噪声。在另一实施例中，光检测器采用一对反平行光伏光电二极管来实现，其具有极佳的灵敏度、大线性范围、宽波长响应以及低噪声。

锁定检测器170从通常存在的各种噪声信号中提取信号。锁定检测，还称为锁定放大和相敏检测，是一种用于减小噪声和提高灵敏度的技术。该技术利用这样的事实，即，噪声存在于所有的频率下，且大多数检测器检测到所有频率且因此发现所有噪声。但是仅在小的频率范围上检测可以显著减小噪声。锁定检测包括周期性调制(例如利用方波、正弦波、周期性脉冲等)设备的某些方面，导致对信号的正弦曲线调制。锁定检测器然后将信号乘以相同频率的正弦波(其“参考波”)，且然后跨越短时间(但是跨越多个正弦波周期)上积分。如果在正确的频率下出现特定的信号，且如果其处于锁定正弦波的相位，则其产生大的结果。另一方面，在错误频率(或错误相位)下的任何信号(或噪声)积分为零，因为该信号和锁定正弦波的乘积通常为正而其为负。因此，换句话说，只有正确频率(和相位)的噪声组分较少的噪声。利用锁定检测，可以检测更弱的信号级。通过，锁定检测产生10⁶的噪声减小并且因此带来相似的灵敏度提高。另外，本领域技术人员可以理解，使用减小的调制宽度允许更大的波长辨别力。

基于方波信号的锁定检测是一种特殊情况，其优点是增加了信号响应并放松滤波的要求，因为不存在更高的谐波，导致更快的响应。将锁定检测结合微分分析使用使得免受存在于输入光束中的噪声影响，因为该“共模”噪声同时存在于输入信号160和162中，且通过对锁定检测器相减两个信道输入来将其有效衰减。此外，本发明的实施例能够从自然旋光性中衰减线性二色性(还称之为假旋光)。设备的微分模式有利地衰减了这种作为共模噪声的假旋光。

虽然在图1的实施例中未示出，但是本领域技术人员可以理解，在任何实施例中，在光学检测器(例如B150和C152)与锁定检测器(例如检测器170)之间的任何实施例可以使用可选滤波装置(未示出)，以提供对所检测的电信号(例如输入信号160和162)的进一步处理。基本上，在数字处理之前，可以使用滤波器进一步减小电信号上的噪声。虽然在该实施例中使用的滤波器的类型和规格可以根据系统的实施而改变，但是，优选的滤波器为单个有源高通模拟滤波器，用以除去不期望的较低频率信号，并且提供可观的增益(来自放大器(未示出)中的增益)或者对超出预选频率的频率提供至少最小的衰减。

滤波器还可以实现为分离的滤波器链，其从每个链中提供不同频率特征信号输出。可以将高通滤波器设置入分离的滤波器链中，每个链被最优化以向该链的期望频率提供增益，同时最小化不期望频率的增益。还可以在每个链中使用可编程增益放大器以提供选择性的增益水平。因此，该系统能够选择地放大随着手征浓度和手征比率改变而改变的信号，同时能够衰减其它信号。这样，在通过锁定检测器中的模拟至数字转换器(ADC)将输入信号数字化之前，滤波器(在每个链中包括独立的滤波器和放大器)解决了噪声问题。本领域技术人员可以理解，可以使用数字滤波来代替、或添加到这种模拟滤波，以进一步提高噪声衰减和设备的灵敏度。

图2是示出在光源200与偏振器216之间可选地添加滤波器212的实施例的方框图。滤波器可以为任何可市场获得的滤波器，其包括但不限于：二向色滤波器、干涉滤波器、短通或长通滤波器。在一个实施例中，滤波器为声光可调谐滤波器(AOTF)。利用结合稳定的UV和钨光源的声光可调谐滤波器已经展示出允许快速的波长扫描、光束稳定性、和光强度的脉冲成形，而不会向仪表设备引入移动部件。最佳地，滤波器元件会提供小于1nm的分辨率的200nm至1100nm的扫描范围。

图3示出在调制器330与样品单元340之间可选地添加四分之一波片334的实施例。插入四分之一波片以将来自对线性光的±45°调制的圆形偏振光转换回线性偏振光338。本领域技术人员可以理解，四分之一波片可以由石英、云母或有机聚合物塑料构造。可以使用菲涅耳棱形棱镜作为消色差波片。

图4是示出可选地添加源稳定反馈回路的实施例的方框图，该源稳定反馈回路包括波长调制器406、附加的锁定检测器410、以及位置A处的光检测器422，其将光强度转化成电压或电流信号424。偏振器416产生两束偏振光束418，它们穿过样品、以及420，并继续到达光检测器422上。通过光检测器422看到的位置直接与输入光束成比例，且如果采用非偏振光源，则在光检测器422处的光束强度将等于传输光。这是有利的，因为可以利用锁定检测和反馈回路将光束中的噪声抑制到波长调制器。参考信号可以源自对光源的直接调制402(例如LED或激光振幅、脉冲调制)或通过波长调制器408加到传输光上的信号。

图5示出描述光检测器在位置A(仅图4)、B和C(图1-4)处所观察的光强度的物理过程。通常，光强度在0°度相对偏振器角度下最大，而在90°度下最小，其通常被称之为“零点”。非偏振光源的在90°下的最小透射光强度与在0°下的最大透射光强度的比率称为消光比。可市场获得比值超过10^-6的α-BBO罗雄偏振器。通过最小化前面所述的作为噪声源的偏振器泄漏，较高的消光比有效地带来更高的灵敏度。

当完全对准偏振器以便于最小化透射的直线光束强度而不向泡克耳斯盒施加电压时，位置B处的光检测器在到输入偏振器90°处观察，位置C处的光检测器在偏离“零点”90°或者相对于输入偏振器180°处观察。当向泡克耳斯盒施加适当的电压时，由位置B和C处的光检测器观察到的相对角分别移动到位置1或2和2或3。因为通过罗雄偏振器将B与C之间的相对角固定在90°，所以被调制的所观察到的相对角，位置1、2和3耦合。因此，当通过泡克耳斯盒在光束中引入45°度旋光时，位置B处的检测器观察到位于位置2处，而位置C处的检测器观察到位于位置3处。相反，当引入-45°度旋光时，位置B处的检测器观到位于位置1处，而位置C处的检测器观察到位于位置2处。临界观察是导致在1&2和2&3之间不同方式的旋光的手征样品，如图5中所示。此外，通过减去在1&2或2&3处观察到的强度，可以有效地抑制存在于各信道中的大的背景信号。这还允许观察在如下区域中的手征分子对光束角的影响，在所述区域中，每度旋光的透射光强度的改变最大(即，通过马吕思定律，先前所推导的dI/dθ＝0.5cos2θ＝0)、并且小的旋光基本上呈线性的。

图6示出微分检测的附加模式，包括在0°和90°偏振角附近调制。这种微分检测模式例如在图16中示出的设备中在进行包含法拉第调制的测量时是有利的。对于这些测量，0°和90°附近的调制抵消了法拉第调制器中的基础频率和存在于该驱动电流中的任何谐波失真的影响。这对于维尔德效应测量是有利的，如图16中所示的，其中，基础信号是不受关注的，且会对关注的更高的谐波、或者调制间信号频率限制模拟至数字转换精度。如果对到图16中示出的调制样品室上的输入探测光束使用输入法拉第调制器，则，除了样品中的那些之外，在0°和90°下的观察还抵消该输入偏振调制上的基础频率和谐波失真。另外，在0°附近调制的强光束和在90°附近调制的弱光束的存在展现出自动平衡光接收器的理想情况。还可以在该实例中采用低噪声反平行光伏光电二极管检测器配置，但是会存在大的DC偏移量，除非还调制光强度。自动平衡光接收器需要强的参考光束并且有效地抵消了存在于参考光束和信号(在90°下的弱光束)中的共模噪声。只要调制不超过从0°和90°起始的±45°角，就一直保持对大于或等于信号光束的参考光束的需要。因为参考光束还包含存在于信号束(用于到沃拉斯顿偏振器的输入光束的线性偏振状态中的改变)中的反相关信号，所以自动平衡光接收器的噪声衰减被改善且接近散粒噪声级。

虽然已经结合泡克耳斯盒和法拉第调制器的上下文讨论了图5&6中的调制，但是本领域技术人员可以很快地理解到，该原理适用于采用可以利用不同格式信号(例如，除了正弦波或方波以外的信号)激励或调制的可选调制装置的设备。

图7示出如在位置A处利用在频率f下的锁定检测所检测的脉冲输入光束，该频率f与图7中示出的信号调制的频率同步并且是其二倍。实际上，用于位置A处的检测器的调制频率可以不依赖于信号调制，但是为了简化，该实例分别使用f和f/2来用于光源和信号调制。

一旦传输光束穿过样品单元，在位置B和C处的最终强度在图8中示出。在±45°调制下，这些强度是输入光束强度的一半、在B与C之间相等，且因此在彼此相减时产生零信号。相比之下，当存在手征样品时，两个检测器从添加旋光的样品中观察到不同的作用，如图9中所示。当为了微分分析减去来自B和C的信号时，如图10中所示，观察在作为信号调制的相同频率下，在该情况中为f/2的残留信号。应该注意，来自相反的对映异构体的信号产生相似的、但不同的波形，与先前的信号相差180度相位，如图10中所示。

利用最终的DC输出在图11中示出参考方波和与本发明的一个实施例的锁定检测相关的信号波形。该锁定对-半波下的信号取逆，有效地将每一半波下的组分加和。对于图11中示出的波形，会从放大器中产生正的固定DC电压。来自先前在图10中讨论的相反对映异构体的信号波形产生相等大小的负DC电压，如图11中所示。

利用图4中所描述的设备，通过添加信号可以从双光束中收集到附加信息。这在图12中示出。可以通过由所检测的输入强度标准化最终的微分信号可以抑制样品中的散射或吸收的效果。虽然该测量可能比用于上述原因的微分信号包含更多的噪声(例如光束噪声)，但是光束的平衡属性以及与在位置A处的输入参考的比较应该提供进一步抑制由于强度波动、样品中的散射以及简单的(非CD)样品吸收而引起的最终测量的噪声的标准化比率。已经证明这种标准化这些非手征组分的比率方法改善了传统的检偏计测量。

利用如图13-15所示的平衡光检测器设备可以衰减共模噪声。与锁定检测相比，激光噪声消除器设计为根本不同的噪声消除方案。虽然锁定检测作为窄带通滤波器工作，但是噪声消除器或平衡光检测器设计通过直接减去光电流来工作，使施加到信号路径外部的反馈持续调节理想平衡的减少。因此，理想地在所有频率下消除过量的噪声和乱真调制，仅留下散粒噪声。

可以通过下面的公式来描述测量中的噪声组分：

N²＝(alⁿ)²+(bl^n/2)²+c²

其中常数a、b和c分别表示强度波动程度、强度的散粒噪声限制和与强度无关的噪声组分。

因此，对于散粒噪声限制的激光强度噪声的情况(通常如平衡光检测器设备的情况)，从而a＝0，且信号与激光强度线性相关，从而n＝1，则对于小的旋光角给出最高信号或最高分辨率的结构位于光传输±45°的中点。

下面示出用于两个正交偏振光束的双光束检测的标准化不平衡：

D＝(A-B)/(A+B)

其中A和B为两个正交偏振输出光束，而D为通过样品的两次固有旋光(2α)而产生的标准化不平衡信号。在±45°位置之间的调制有效地加倍测量不平衡，因为对于手征样品，D⁺＝-D^-。因此所测量的不平衡D^测量＝D⁺-D^-＝2D⁺＝4α或者为在平衡模式偏振测定法中通常所观察的信号的两倍。

利用微分检测方案进行手征测量的附加优点是，对于偏振测定法中的共有噪声源线性双折射不灵敏。已经描述了测量信号的这种与线性二向色性无关的不相关性。微分方案有效地衰减了由于线性双折射信号(又为潜在的折射系数噪声源)引起的信号，因为该组分被正性相关且因此作为共模信号被有效地衰减。由于旋光引起的信号被逆相关且因此通过微分观察来增强该信号(取决于调制方案为2α或4α)。

图13是示出利用平衡光检测系统的微分检测的方框图。在该设备中，使用一个分析器光束562作为进入平衡光检测器中的比较光束。在相对于输入偏振器45°处，两个信号强度相等，且因此对于最优化的平衡光检测，信号光束560应该被衰减近似50％，因为对于最优化操作，比较光束流应该为信号光束的大约两倍。可以直接检测输出590或优选地将其传送到锁定检测器系统中。

图14是示出利用微分和高动态范围噪声消除器的微分检测的实施例的方框图。在该设备中，使用来自偏振器616的第二偏振光束620用于比较。在相对于输入偏振器45°处，两个信号强度相等，且因此应该衰减信号光束560或者应该从相对于输入偏振器45°处偏移相对角，以便于在关注的分析范围(例如，±1°)中，检测器B总是比检测器C产生更多的电流。可以直接检测输出或优选将其传送到锁定检测器系统中。

图15是示出利用双噪声消除器系统的微分检测的实施例的方框图。在该设备中，将来自偏振器716的第二偏振光束720分成两个比较光束724和725。在相对于输入偏振器45°处，两个信号(760和762)强度相等，但对于最优化噪声消除来说，可以使其变成比较光束724和725的强度的大约50％。可以直接检测输出792和794或者优选将其传送到锁定检测器系统中。利用(B’-C’)/(B’+C’)的比较分析会提供最强的信号输出。

图16示出在图1中示出的检测器结构的变形的实施例，其中利用磁场或电场调制样品835。在通常的实施例中，通过绕在样品单元周围的线圈或将调制场从线圈导向到包含于间隙中的样品单元的气隙电磁设计来实现均匀的磁调制。图16中示出的结构会考虑到微分分析和共模噪声衰减，带来比其它公知技术更灵敏的技术。

除了精确测量手征旋光的DORD检测的能力，快速扫描波长的能力开辟了用于分析其中多种物质促成旋光的手征混合物的新的可能性。如果纯物质ORD曲线是已知的，则一种可能性是使用全波长扫描以对每一物质的组分去卷积。这在偏振测量中被验证并且通常用于对于DNA对蛋白质浓度测量的吸收研究。

图17示出在本发明实施例中如何将微分分析应用于圆形二向色性的示意图。通过将由位置A处的光检测器在第一频率下获得的信号与将在第一频率下通过处于位置B和C处的检测器的信号相加而获得的信号相比较，可以获得常规的吸收信号。而且，在第二频率下检测到的、通过减去由处于位置B和C处的检测器获得的信号而获得的信号来源于圆形二向色性，且可以被标准化成在第一频率下的所检测的非手征吸收。

此外，将扫描扩展到UV的能力允许以FM-光谱法方式使用科顿-莫顿效应(涉及CD吸收最大值)，以专门测量混合物中的各个手征组分，因为零交叉(其中手征旋光与变化的波长相反的点)可能对于每一种手征物质是唯一的。这类似于跨越通常被称为可调谐二极管激光光谱(TDLAS)的波长调制或频率调制光谱中的吸收线上扫描。根据公开的报告，与直接光谱相比较，利用在TLDAS中的调制光谱有两个优点。首先，其产生直接与物质浓度呈比例的不同信号(零基线技术)，其次，其允许在激光噪声显著减小的频率下检测信号。在该线上扫描增加了测量置信度，因为所测量的物质的特有特征会清晰地示出，且可以容易地识别由于干扰物质或标准具边缘引起的不期望的光谱特征。

通过类比TDLAS，可以完成对混合物中的手征物质的辨别，如图18中所示。图18示出在本发明的实施例中，探测波长的调制可以如何将不同手征物质中的旋光组分去卷积。如果在更高的频率调制下确定旋光，则旋光的零交叉周围的探测波长的次级调制利用不同的旋光色散曲线产生与其它手征物质不同的调制信号。第一个步骤是确定混合物中的成分的旋光色散(ORD)。理想地，这些是公知的，或者可选地，可以独立地测量各个手征物质并记录ORD。例如图18中所示，混合物由两种手征物质组成。为了清晰，示出物质的各个ORD，虽然实际测量的混合物的ORD将会是两种物质组分的复合。

为了产生专属于物质A的信号并且最小化来自物质B的信号组分，会优选地扫描跨越物质A的ORD中的零交叉上的波长。当探测波长在A的零交叉附近被正弦调制时，物质A比物质B产生更强的调制信号。这类似于频率或波长调制光谱。

应该跨越该交叉上正弦(或者可选利用其它可以采用锁定或其它检波技术检测到的波形)扫描该波长。这将波长调制转换成叠加到所检测的手征信号上的振幅调制。通过在其下波长可以有效地被改变的速度和来自其他物质的信号组分来相互关联最优化的调制宽度和频率。对于声光可调谐滤波器，该速度近似为0.5nm每微秒，从而跨越10nm区域上扫描可以产生10kHz的信号，如图18中所示。跨越更大间隔上的扫描会增加振幅调制，但会降低调制频率，并可能增加来自其它物质的组分。

实际上，最简单的工序是拾取在可用的噪声光谱内获得有利的信噪比的光谱调制宽度，然后在该固定宽度下在可用光谱范围内扫描溶液。这产生图19中示出的信息，且类似于吸收CD扫描，但实际上是对ORD的衍生物的扫描。从各个物质产生的信号作为吸收峰示出。可以通过使调制宽度变窄来获得提高的分辨力，如通过由于减小的振幅调制而更小但更加清晰地被分离的第二组峰所示。该工艺假设在比波长调制频率更高的频率下准确测量手征信号。

利用该技术单独地分解手征混合物中的物质可以提供用于手征酶反应的实时动态信息。该信息很难甚至不可能利用当前的实时方法获得，所述方法例如偏振测定法和圆形二向色性，因为它们仅能够像所检测的信号报告样品的总特性(例如旋光或圆形二向色性)，而不能够报告各个物质组分。圆形二向色性可以通过在关注物质的吸收最大值处观察提高信噪(S/N)比，而其它手征物质仍可以起作用，除非从关注物质中较多地除去它们的CD光谱。一些显而易见的在医药上关注的手征酶反应为包含醇脱氢酶、外消旋酶和异构酶的那些。

考虑本文中公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施例对于本领域技术人员是显而易见的。认为所述说明和实例只是示例性的，本发明的真实范围和精神由下述权利要求书表示。

Claims (45)

1.一种检测手征样品的旋光角度的方法，包括下述步骤：

产生输入光束；

使所述输入光束偏振，以获得线性偏振光束；

调制所述线性偏振光束，使其至少基本上在光传输的中点附近，以产生调制的光束；

将所述调制的光束传输通过样品溶液以获得信号束；

将所述信号束分成第一偏振信号束和第二偏振信号束，所述第二偏振信号束与所述第一偏振信号束正交；

测量所述第一偏振信号束和第二偏振信号束的光强度；

将所述第一偏振信号束和第二偏振信号束的光强度转换成第一信号电压或电流和第二信号电压或电流；以及

从所述第一信号电压或电流中减去所述第二信号电压或电流，以获得相应于所述手征样品的旋光角度的两倍的输出信号电压或电流。

2.根据权利要求1的方法，还包括过滤所述输入光束。

3.根据权利要求1的方法，还包括过滤所述第一信号电压或电流和第二信号电压或电流。

4.根据权利要求3的方法，其中所述过滤步骤通过数字滤波器和模拟滤波器中的至少一种来完成。

5.根据权利要求3的方法，其中所述过滤步骤还包括选择地过滤所述第一信号电压或电流和第二信号电压或电流，以及选择地放大所述第一信号电压或电流和第二信号电压或电流。

6.根据权利要求1的方法，还包括线性偏振所述调制光束。

7.根据权利要求1的方法，还包括利用反馈回路来稳定所述光源。

8.根据权利要求7的方法，其中所述稳定步骤还包括：

调制所述输入光束以产生调制输入光束；

偏振所述调制的输入光束，以获得第一线性偏振输入光束和第二线性偏振输入光束，所述第一线性偏振输入光束穿过所述样品溶液；

测量所述第二线性偏振输入光束的光强度；

将所述第二线性偏振输入光束的光强度转换成输入信号电压或电流；

将所述输入信号电压或电流与从所述输入光束或者调制的输入光束中获得的参考信号相比较。

9.根据权利要求7的方法，还包括标准化非手征组分的影响。

10.一种用于检测手征样品的旋光角度的设备，包括：

光源，用于产生输入光束；

偏振器，用于将所述输入光束转换成线性偏振光束；

调制器，用于调制所述线性偏振光束，以使其至少基本上在光传输的中点附近，以产生调制的光束；

样品单元，用于容纳所述手征样品，所述调制的光束可以穿过该单元以产生信号束；

分析器，用于将所述信号束分成第一偏振信号束和第二偏振信号束，所述第二偏振信号束与第一偏振信号束正交；

第一光检测器，用于测量所述第一偏振信号束的光强度，并将所述光强度转换成第一信号电压或电流；

第二光检测器，用于测量所述第二偏振信号束的光强度，并将所述光强度转换成第二信号电压或电流；以及

比较电路，用于从所述第一信号电压或电流中减去所述第二信号电压或电流，以获得与所述手征样品的旋光角度相应的输出信号电压或电流。

11.根据权利要求10的设备，还包括用于过滤所述输入光束的滤波器。

12.根据权利要求11的设备，其中所述滤波器选自于二向色滤波器、干涉滤波器、短通滤波器、长通滤波器以及声光可调谐滤波器。

13.根据权利要求10的设备，还包括用于过滤所述第一信号电压或电流的第一滤波器和用于过滤所述第二信号电压或电流的第二滤波器。

14.根据权利要求13的设备，其中所述第一滤波器和第二滤波器为数字滤波器和模拟滤波器中的至少一种。

15.根据权利要求13的设备，其中所述第一滤波器选择地过滤并选择地放大所述第一信号电压或电流，所述第二滤波器选择地过滤和选择地放大所述第二信号电压或电流。

16.根据权利要求10的设备，还包括四分之一波片，用于线性偏振所述调制的光束。

17.根据权利要求16的设备，其中所述四分之一波片由选自于如下的材料构成：石英、云母和有机聚合物塑料。

18.根据权利要求10的设备，还包括源稳定反馈回路，包括：

波长调制器，用于调制所述输入光束，以产生调制的输入光束；

第二偏振器，用于将所述调制的输入光束转换成第一线性偏振输入光束和第二线性偏振输入光束，所述第一线性偏振输入光束穿过所述样品溶液；

附加光检测器，用于测量所述第二线性偏振输入光束的光强度，并将该光强度转换成输入信号电压或电流；

附加比较电路，用于将所述输入信号电压或电流与从所述光源或波长调制器获得的参考信号相比较。

19.根据权利要求10的设备，其中所述光源为脉冲的或连续的。

20.根据权利要求10的设备，其中所述光源是激光、稳定UV灯和钨灯中的一种。

21.根据权利要求18的设备，其中所述稳定UV灯或钨灯覆盖200至1100nm的波长范围。

22.根据权利要求10的设备，其中所述偏振器由合成的和天然生成的晶体构成。

23.根据权利要求10的设备，其中所述偏振器为格兰-泰勒偏振棱镜、格兰-汤普逊偏振棱镜、沃拉斯顿棱镜或罗雄棱镜。

24.根据权利要求20的设备，其中所述罗雄棱镜由α-BBO构成。

25.根据权利要求10的设备，其中所述调制器为泡克耳斯盒或法拉第调制器。

26.根据权利要求10的设备，其中所述分析器为偏振分光器、沃拉斯顿棱镜和罗雄棱镜中的一种。

27.根据权利要求23的设备，其中所述罗雄棱镜由α-BBO构成。

28.根据权利要求10的设备，其中所述第一光检测器和第二光检测器为光电二极管或光电倍增管。

29.根据权利要求28的设备，其中所述光电二极管被设置在平衡光检测器系统中。

30.根据权利要求10的设备，其中所述锁定检测器基于正弦或方波信号。

31.一种检测手征样品的旋光角度的方法，包括下述步骤：

产生输入光束；

使所述输入光束偏振，以获得线性偏振光束；

利用磁场调制所述手征样品，以产生调制的光束；

将所述调制的光束传输通过样品溶液，以获得信号束；

将所述信号束分成第一偏振信号束和第二偏振信号束；所述第二偏振信号束与所述第一偏振信号束正交；

测量所述第一偏振信号束和第二偏振信号束的光强度；

将所述第一偏振信号束和第二偏振信号束的光强度转换成第一信号电压或电流和第二信号电压或电流；以及

从所述第一信号电压或电流中减去所述第二信号电压或电流，以获得与所述手征样品的旋光角度相应的输出信号电压或电流。

32.一种检测手征样品的旋光角度的设备，包括：

光源，用于产生输入光束；

偏振器，用于将所述输入光束转换成线性偏振光束；

样品间，通过其所述调制的光束可以穿过以产生信号束，所述样品间包括：

(a)样品单元，和

(b)调制装置，用于磁调制所述手征样品；

分析器，用于将所述信号束分成第一偏振信号束和第二偏振信号束，所述第二偏振信号束与所述第一偏振信号束正交；

第一光检测器，用于测量所述第一偏振信号束的光强度，并将该光强度转换成第一信号电压或电流；

第二光检测器，用于测量所述第二偏振信号束的光强度，并将该光强度转换成第二信号电压或电流；以及

锁定电路，用于从所述第一信号电压或电流中减去所述第二信号电压或电流，以获得与所述手征样品的旋光角度相应的输出信号电压或电流。

33.根据权利要求32的设备，其中所述调制装置为螺线管线圈。

34.一种分解手征混合物的方法，包括下述步骤：

在高频调制下确定所述手征混合物的旋光色散；

确定所述混合物中的每一手征成分的旋光色散；以及

通过：

(a)跨越第一手征成分的旋光色散中的零交叉来正弦扫描波长；和

(b)将由所述第一手征成分产生的波长调制转换成振幅调制，来产生专属于所述手征混合物中的每一个单独的手征成分的信号；

其中所述专属于第一手征成分的振幅调制信号被最大化，而剩余手征成分的信号组分被最小化。

35.一种分解手征混合物的方法，包括：

调制被施加到样品单元内的手征混合物的光束；

将传输通过所述手征混合物的光束部分分成第一束和相关的正交束；

将所述第一束和所述相关的正交束转换成第一信号和相关的正交信号；以及

执行对所述第一信号和相关的正交信号的微分分析，以在所述手征混合物内检测希望的手征物质。

36.根据权利要求35的方法，其中所述执行步骤还包括，微分比较所述第一信号和所述相关的正交信号，并当在选定的相位交叉附近调制所述光束时观察所述微分比较的旋光特征，以检测希望的手征物质。

37.根据权利要求35的方法，还包括如下步骤，过滤所述第一信号和所述相关的正交信号，以增强所述微分分析。

38.根据权利要求35的方法，其中所述执行步骤还包括：

确定所述第一信号与所述相关的正交信号之间的光谱差；以及

根据所述光谱差来识别所述手征混合物中的希望的手征物质。

39.根据权利要求37的方法，其中所述调制步骤还包括，以减小的调制宽度来调制所述光束；以及

其中所述确定步骤还包括，利用由于所述减小的调制宽度引起的增强的波长辨别来观察光谱差。

40.根据权利要求38的方法，其中所述确定步骤还包括分析所述选定的相位交叉。

41.权利要求38的方法，其中所述确定步骤还包括，当在预定的零点附近调制所述光束时，分析所述第一信号。

42.一种手征检测系统，包括：

样品单元，用于保持手征混合物；

调制器，用于在将调制的光束施加到所述样品单元内的手征混合物之前，跨越预定的旋光角度来调制光束；

棱镜，用于从所述样品单元内的手征混合物接收所述调制光束的传输部分，所述棱镜将调制光束的传输部分分成多个相关光束；

多个光检测器，用于分别接收所述相关光束，并产生一组输入信号；

锁定检测器，用于比较所述输入信号，将所述输入信号之差与所述手征混合物的旋光关联，并根据所述旋光指出所述手征混合物中的希望的手征物质的存在。

43.根据权利要求42的手征检测系统，其中所述调制器在预定零点附近调制所述光束，且其中所述锁定检测器微分比较通过所述光检测器观察的相对光强度，以示出所述手征混合物的旋光。

44.根据权利要求42的手征检测系统，还包括用于每一个输入信号的滤波器，每一个所述滤波器包括可编程增益放大器，用于选择地放大被过滤的输入信号，其中每一个所述滤波器还包括数字滤波器和模拟滤波器中的至少一种。

45.一种检测手征混合物内的希望的手征物质的方法，包括：

在光束传输通过所述手征混合物之后，将调制的偏振光束分成第一束和相关的正交束；

当调制所述光时，微分观察所述第一束与所述相关的正交束之间的光强度的改变；以及

根据在光强度中的微分共模观察来将希望的手征物质与其它手征物质区分开。

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