DE69433403T2 - Fluoreszenzflusszelle mit hoher effizienz - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft im allgemeinen chromatographische Verfahren und Vorrichtungen für die chemische Analyse und betrifft insbesondere eine Fluoreszenzkapillarflusszelle mit einem verbesserten Signal/Rauschverhältnis.
  • In den Figuren wird jedes Element, das mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet ist, mit demselben Bezugszeichen in jeder Figur versehnen, in der dieses Element vorkommt. Die erste Ziffer jedes Bezugszeichen bezeichnet die erste Figur, in der das dazugehörige Element vorgestellt wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Chromatographische Verfahren werden häufig verwendet, um eine Mixtur bzw. eine Mischung in zahlreiche Komponenten zu zerlegen, so dass diese Komponenten identifiziert und quantifiziert werden können. In einer Klasse chromatographischer Verfahren werden Mixturen entlang einer Trennsäule befördert, durch welche die verschiedenen Komponenten mit unterschiedlichen Flussgeschwindigkeiten wandern. Derartige Techniken werden sowohl bei gasförmigen Proben als auch bei flüssigen Proben verwendet. Diese Techniken werden heutzutage in großem Maße in chemischen, biologischen und medizinischen Anwendungen verwendet.
  • Eine Vielfalt von Verfahren wird verwendet, um die gewünschte Trennung zwischen den Komponenten der Mixtur zu erreichen. In einer Klasse von Systemen ist die Wand der Röhre, durch die die Mixtur fließt, mit einem Material beschichtet, das unterschiedliche Affinitäten bzgl. unterschiedlicher Komponenten der Mixtur aufweist. Die Migrationsgeschwindigkeit entlang des Kanals ist größer für Komponenten, die eine schwächere Affinität gegenüber der Wand aufweisen, wodurch eine Trennung der Mischungskomponenten gemäß deren Affinität hinsichtlich der beschichteten Wand hervorgerufen wird.
  • In einer weiteren Klasse von Systemen ist die Säule mit einem Material gepackt, wie beispielsweise einem Gel, das die differentielle Wechselwirkung mit den Komponenten der Mischung bereitstellt. Die Packung wirkt als ein Sieb, das physikalisch den Fluss größerer Moleküle mehr behindert, als dieses den Fluss kleinerer Moleküle behindert. Zusätzlich kann die Oberfläche der Packung chemische Gruppen enthalten, die die Affinität zwischen der Packung und den verschiedenen Komponenten der Mixtur steuern. Daher stellen Packungen, wie beispielsweise ein Gel, aufgrund des großen Bereichs von Möglichkeiten hinsichtlich der Porengröße und der Oberflächengruppen ein sehr flexibles Medium zum Trennen der Komponenten der Mixtur dar. Das Probenfluid kann mittels einer Reihe von Techniken durch diese Packung getrieben werden, wie beispielsweise einem Druckunterschied zwischen dem Einlassende und dem Auslassende der Kapillare (hier gleichfalls auch als "Säule" bezeichnet) und/oder die Verwendung von Kapillarelektrophorese, um Probenionen durch die Packung voran zu treiben.
  • Derartige Trennsäulen führen typischerweise die Probenlösung entlang eines Detektors, der eine physikalische Eigenschaft der Komponenten misst, wie beispielsweise das Absorptionsspektrum, das Fluoreszenzspektrum, den Brechungsindex oder die elektrische Leitfähigkeit der Probenlösung. In jedem der ersten drei dieser besonderen Fälle wird ein optischer Strahl durch die Probe geführt. Im Fall von Absorptionsmessungen wird ein Detektor entlang einer geraden Linie durch die optische Quelle und die Trennsäule angeordnet, um den optischen Strahl zu empfangen, nachdem dieser die Probe passiert hat. Die Fluoreszenzdetektion weist die Vorteile einer besseren Selektivität und Empfindlichkeit beim Detektieren zahlreicher Verbindungen auf.
  • Im Fall von Fluoreszenzmessungen wird die Position des Detektors durch Überlegungen hinsichtlich des Signal/Rauschverhältnisses des Detektorausgabesignals bestimmt. Die U.S.-PS 4,548,498 mit dem Titel "Laser Induced Fluorescence Detection in Modern Liquid Chromatography With Conventional And Micro Columns" (Folestad et al), die am 22. Oktober 1985 erteilt worden ist, beschreibt, dass der einfallende Lichtstrahl typischerweise senkrecht zu der Achse der Kapillare verläuft und daher an der Wand der Kapillare in eine Ebene gestreut wird, die senkrecht zu der Achse der Kapillare orientiert ist und durch den Punkt der Kapillare verläuft, der durch den einfallenden Lichtstrahl beleuchtet wird. Um im Fall von Fluoreszenzlichtdetektion derartiges gestreutes Licht zu vermeiden, wird der Detektor außerhalb dieser Ebene angeordnet und derart orientiert, Licht von der Probe entlang einer Richtung unter einem Winkel von 30° hinsichtlich der Ebene des gestreuten Lichts zu empfangen. Die U.S.-PS 4,675,300 mit dem Titel "Laser Excitation Fluorescence Detection Electrokinetic Separation" (Zare et al), die am 23. Juni 1987 erteilt worden ist, beschreibt, dass die Verwendung von kohärentem Licht den Vorteil aufweist, die Raman- und Rayleigh-Streukomponenten des gestreuten Lichts zu vermindern.
  • Herkömmliche Flusszellen für Fluoreszenzdetektoren für die Kapillarflüssigkeitschromatographie verwenden oftmals eine Linse, um Anregungslicht auf die Flüssigkeitssäule zu fokussieren, und verwenden oftmals ferner eine Linse, um das Fluoreszenzlicht auf den Detektor zu fokussieren. In der Kapillarflusszelle, die in dem Artikel "On-Column Capillary Flow Cell Utilizing Optical Waveguides For Chromatographic Applications" von Alfredo E. Bruno et al, Anal. Chem. 1989, 61, Seiten 876 bis 883 beschrieben wird, werden optische Fasern verwendet, um inkohärentes Licht zu der Flusszelle zu befördern, und gleichfalls verwendet, um Fluoreszenzlicht von der Flusszelle zu einem Detektor zu übertragen.
  • Dieser Artikel beschreibt ferner, dass optische Fasern beim Richten des beleuchtenden Lichts durch die Bohrung der Kapillare zu der Kapillarflusszelle genauso effektiv wie Laserquellen sind. Für eine Kapillare mit einem bestimmten Innen- und Außendurchmesser wird eine Berechnung der Strahlenwege vorgestellt, die eine Bestimmung des maximalen Durchmessers der optischen Faser der Quelle und des minimalen Durchmessers der optischen Faser zum Sammeln erlauben, die notwendig sind, damit im wesentlichen das gesamte Licht der Quelle durch die Bohrung der Kapillare zu der sammelnden optischen Faser durchgeführt wird. Eine Analyse der Verteilung des gestreuten Lichts und des Bruchteils des einfallende Lichts, das tatsächlich durch die Bohrung der Kapillare durchtritt, ist ebenso in diesem Artikel beschrieben. Da von der Kapillare auf die sammelnde optische Faser keine Fokussierung von Licht stattfindet, ist die Sammeleffizienz der sammelnden optischen Faser durch ihren Akzeptanzwinkel und den Abstand zwischen dem Eingangssignalende der Kapillare dieser sammelnden optischen Faser begrenzt. Typischerweise sammelt jedes dieser Fluoreszenzsysteme weniger als ein Achtel des Fluoreszenzlichts, das von diesem System emittiert wird.
  • Die U.S.-PS 4,199,686 mit dem Titel "Dark Field Illuminator And Kollektor Apparatus And Method" (Brunstig et al), die am 22. April 1980 erteilt worden ist, und die U.S.-PS 4,273,433 mit dem Titel "Method and Apparatus For Measurement Of Reradiation In Particle Flow Cell Systems" (Walter P. Hogg), die am 16. Juni 1981 erteilt worden ist, beschreiben optische Abschnitte einer Vorrichtung zum Zählen von Partikeln, wie beispielsweise von biologischen Zellen. Obwohl diese optischen Abschnitte beim Sammeln von Fluoreszenzlicht effizient ist, das von den Partikeln emittiert wird, die dem einfallende Licht ausgesetzt sind, sammelt diese Vorrichtung das Licht, das durch diese Partikel gestreut wird, genauso effizient wie das Licht, das durch den Partikelstrom durchtritt, ohne von den Partikeln gestreut oder absorbiert zu werden. Daher wird ein Mechanismus, wie beispielsweise ein dichromatischer Filter oder ein Fresnelprisma, umfasst, um den nicht fluoreszenten Bruchteil des Lichts abzulenken, das von dem optischen Bereich auf den Detektor fokussiert wird. Die Notwendig keit dieses Mechanismus erhöht die Komplexität und die Kosten dieses Systems. Da darüber hinaus dieser Mechanismus bei der Ausscheidung des nicht fluoreszenten Bruchteils des gesammelten Lichts nicht 100% effizient ist, weist diese Struktur ein vermindertes Signal/Rauschverhältnis auf.
  • Die U.S.-PS 4,088,407 mit dem Titel "High Pressure Fluorescence Flow-Through Cuvette" (Dietmar M. Schoeffel et al), die am 9. Mai 1978 erteilt worden ist, beschreibt eine Küvette für die Flüssigkeitschromatographieanalyse. Ein Kollektor, der als eine reflektierende Beschichtung auf einer Oberfläche ausgebildet ist, die eine parabolische, kreisförmige oder eine elliptische Rotationsoberfläche darstellt, leitet einen Teil des Fluoreszenzlichts auf einen Detektor um. Auf Grund der großen Größe der Kammer, in die die Probenflüssigkeit für die Fluoreszenzanregung geleitet wird, ist diese Struktur für die Verwendung mit auf einer Kapillare basierenden Systemen, wie beispielsweise einer Kapillare bei der Flüssigkeitschromatographie und der Kapillarelektrophorese, ungeeignet, da ein völlig inakzeptabler Grad an Bandenverbreiterung bei dem chromatographischen Trennprozess hervorgerufen werden würde. Da die Beschreibung keine Angaben bezüglich der Dimensionen des Kollektors und der Breite des Strahls des bestrahlenden Lichts macht, ist es unmöglich, die Effizienz dieser Struktur beim Sammeln des Fluoreszenzlichts von dem bestrahlten Bereich der Flüssigkeitsprobe zu bestimmen.
  • Da die Verwendung von Bohrungskapillaren mit kleinen Durchmessern die Trennung zwischen den Komponenten einer Probe verbessert, verwendet die Kapillarflüssigkeitschromatographie Säulen mit sehr kleinen Innendurchmessern (typischerweise 5 bis 300 Mikrometer). Aus diesem Grund wird lediglich eine sehr kleine Menge der Probe (in der Größenordnung von 1 bis 2 Nanoliter) zu einer gegebenen Zeit während einer Messung bestrahlt. Daher ist das Signal/Rauschverhältnis (auch als das "S/N-Verhältnis" bezeichnet) für solche Systeme äußerst abhängig von: dem Bruchteil des Fluoreszenzlichts von der Probe, der tatsächlich durch einen Systemdetektor gesammelt wird; und die Menge von Streulicht, die den Detektor erreicht. Eine grundlegende Beschränkung bei der Verwendung der Fluoreszenzdetektion ist das erreichbare Signal/Rauschverhältnis gewesen.
  • Das S/N-Verhältnis ist durch die Verwendung von stärkeren Lichtquellen und/oder kohärenten Lichtquellen verbessert worden, bei denen die Energie bei einer Wellenlänge konzentriert ist, die bei der Erzeugung von Fluoreszenz besonders effizient ist. Diese Verbesserung stammt daher von einer vergrößerten Amplitude des Signals. Ein Teil der Rauschkomponente, wie beispielsweise gestreutes Licht, ist jedoch proportional zu der Intensität des beleuchtenden Lichts. Wenn dieser Teil des Rauschsignals einen signifikanten Bruchteil des gesamten Rauschsignals darstellt, ist es daher wichtig, eine solche Komponente zu minimieren. Es ist daher sehr wichtig, eine Struktur zu verwenden, die im wesentlichen das gesamte gestreute Licht daran hindert, den Detektor zu erreichen, so dass die Rauschkomponente minimiert wird. Dies bedeutet, dass Sorgfalt angewendet werden muss, um die Menge von gestreutem Licht zu minimieren, das erzeugt wird, und um sicherzustellen, dass im wesentlichen kein gestreutes Licht den Detektor erreicht. Es ist außerdem wichtig, sicherzustellen, dass ein sehr großer Bruchteil des Fluoreszenzlichts, das von der Probe emittiert wird, den Detektor erreicht, so dass die Signalkomponente des Detektorausgangssignals im wesentlichen maximiert wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorstehend erwähnten Ziele werden gemäß der vorliegenden Erfindung mittels der Fluoreszenzflusszellen erreicht, die in den Ansprüchen 1 und 2 definiert sind.
  • Es wird eine Fluoreszenzflusszelle beschrieben, die beim Sammeln von Fluoreszenzlicht sehr effizient ist, das von einer Probe emittiert wird, die durch eine Kapillare befördert wird. Diese Flusszelle ist besonders nützlich bei der Kapillarflüssigkeitschromatographie (capillary liquid chromatography; LC) und der Kapillarelektrophorese (capillary electrophoresis; CE), ist jedoch gleichfalls bei jeglicher Fluoreszenzmessung anwendbar, bei der die Probe in einer Kapillare getrennt wird.
  • Um die chromatographische Integrität beizubehalten, ist es bevorzugt, dass die Detektion "auf der Säule" (d. h. das gesammelte Fluoreszenzlicht wird von dem Fluid innerhalb der Säule oder innerhalb einer Säulenverlängerung emittiert) durchgeführt wird, um die Dispersion zu vermeiden, die bei einer Detektion "nach der Säule" (d. h. das gesammelte Licht wird vom dem Fluid emittiert, nachdem es die Trennsäule verlassen hat) auftreten kann. Eine Detektion nach der Säule kann jedoch gleichfalls mit dieser Flusszelle durchgeführt werden. Eine derartige Detektion nach der Säule kann beispielsweise mittels eines frei fallenden Jets an einem Auslass der Kapillare erreicht werden, indem der Fluss bei einem Auslass der Kapillare ummantelt wird oder indem das bestrahlende Licht durch eine Kapillarlückenverbindung gerichtet wird, wie es in dem Artikel von Michael Albin et al mit dem Titel "Fluorescence Detection in Capillary Electrophoresis: Evaluation of Derivatizing Reagents and Techniques", Analytical Chemistry, 1991, Band 63, Seiten 417 bis 422 beschrieben wird. Ein elektrisches Feld, das entlang der Kapillarlückenverbindung erzeugt wird, eliminiert im wesentlichen die Bandenverbreiterung, wenn eine Probe diese Lückenverbindung passiert. In all diesen Fällen, beispielsweise ein Fluss von Flüssigkeit innerhalb der Säule, ein Fluss innerhalb einer Kapillarverlängerung, ein Fluss entlang einer Kapillarlückenverbindung, ein Fluss innerhalb eines frei fallenden Jets, ein Fluss innerhalb eines ummantelten Flusses oder jedwedes anderen Flusses, der einen zu dem Fluss innerhalb einer Kapillare vergleichbaren Fluss erzeugt, wird in dieser Beschreibung als "Probenflüssigkeitsstrom" bezeichnet.
  • Die Flusszelle umfasst einen Fluoreszenzlichtkollektor, der einen Raumwinkel von ungefähr 2π Steradian oder mehr erfasst und der Fluoreszenzlicht innerhalb dieses Raumwinkels zu einem Detektor umleitet. Da Fluoreszenzstrahlung im wesentlichen gleichförmig über einen gesamten sphärischen Raumwinkel verteilt ist, richtet dieser Kollektor ungefähr die Hälfte des Fluoreszenzlichts zu dem Detektor. Dieser Kollektor weist vorzugsweise die Form einer Rotationsfläche mit einem Querschnitt auf, der gewählt ist, um das darauf einfallende Licht auf einen Detektor zu richten. Die Symmetrie dieser Struktur erlaubt eine einfachere Herstellung, als bei Ausführungsformen, die nicht diese Symmetrie aufweisen. Systeme, die sich dieser Symmetrie annähern, weisen jedoch im wesentlichen dasselbe verbesserte Signal/Rauschverhältnis auf. Dieser Querschnitt ist vorzugsweise ein Kegelschnitt, wie beispielsweise eine Halbellipse, eine Parabel oder ein Halbkreis. Dieser Kollektor weist vorzugsweise eine reflektierende Beschichtung auf der Außenseite eines festen Blocks von lichtdurchlässigem Material auf, da somit ein robuster Kollektor bereitgestellt wird, der einfach hergestellt werden kann und mit anderen Komponenten in dieser Flusszelle zusammengesetzt werden kann.
  • Eine optische Quelle richtet einen Strahl von bestrahlendem Licht auf einen Bereich (den "Bestrahlungsbereich") der Kapillare, der vorzugsweise an die Rotationsachse des Kollektors angrenzt oder diese schneidet, so dass der Kollektor und die Verteilung des Fluoreszenzlichts eine gemeinsame Symmetrieachse aufweisen. Dies erzeugt einen Strahl von Fluoreszenzlicht, der gleichfalls dieselbe Rotationssymmetrie aufweist. Bei Ausführungsformen auf der Säule, ist der Bestrahlungsbereich an einem Punkt lokalisiert, an dem eine schützende Beschichtung von der Kapillare entfernt worden ist, um diese in diesem Bereich transparent zu machen, oder ist an einer transparenten Kapillarverlängerung lokalisiert.
  • Ein lichtundurchlässiger Strahlungsblocker, der zwischen der Kapillare und dem Kollektor angeordnet ist, ist enthalten, um gestreutes Lichts daran zu hindern, den Kollektor zu erreichen. Dies vermindert die Rauschkomponente des Ausgangssignals bedeutend, wodurch eine bedeutende Steigerung des Signal/Rauschverhältnisses im Vergleich zu anderen Fluoreszenzdetektionssystemen erreicht wird. In den Ausführungsformen, wo auf der Säule gemessen wird, wird der größte Teil des gestreuten Lichts durch die Streuung von Licht an den Außen- und Innenflächen der Kapillare erzeugt. In den Ausführungsformen, wo die Erfassung nach der Säule erfolgt, entsteht ein signifikanter Anteil des gestreuten Lichts durch die Streuung von Licht an der zylindrischen Oberfläche der Probe. In den Ausführungsformen, bei denen das bestrahlende Licht die Form eines Strahls aufweist, der senkrecht zu der Achse der Kapillare gerichtet ist, ist dieses gestreute Licht stark in einem ebenen, scheibenförmigen Bereich konzentriert, dessen Normale parallel zu der Achse der Kapillare verläuft. In Ausführungsformen, bei denen das bestrahlende Licht nicht senkrecht zu der Achse der Kapillare verläuft, wird das gestreute Licht gleichfalls primär in einen scheibenförmigen Bereich gestreut. In derartigen Ausführungsformen wird der Abschnitt des Strahlungsblockers, der das gestreute Licht blockiert, typischerweise ein schmaler, bogenförmiger Bereich sein.
  • Dieser Strahlungsblocker kann gleichfalls einen Abschnitt umfassen, der zwischen dem Kollektor und der Kapillare angeordnet ist, um jedwedes Licht, das von dem Kollektor reflektiert wird, daran zu hindern, außerhalb des gewünschten Bestrahlungsbereichs auf die Kapillare einzufallen. In der bevorzugten Ausführungsform ist das bestrahlende Licht senkrecht zu der Kapillare und der Strahlungsblocker weist die Form eines Kreuzes mit einem Loch bei der Verbindung der zwei Beine dieses Kreuzes auf.
  • In der bevorzugten Ausführungsform weist der Kollektor die Form einer Rotationsfläche auf, die durch einen kreisförmigen Bogen mit einer Winkelspannweite von weniger als π erzeugt wird. Die Mitte der ebenen, kreisförmigen Bodenkante davon ist über dem Bestrahlungsbereich zentriert und grenzt an die Kapillare an, so dass dieser Kollektor nahezu die Hälfte des Fluoreszenzlichts sammelt, dass von dem Bestrahlungsbereich emittiert wird. Diese Wahl ist vorteilhaft, da es sich dabei um eine kostengünstig herzustellende Form handelt und da Fluoreszenzlicht von dem Bestrahlungsbereich in einen konvergierenden oder gebündelten Lichtstrahl reflektiert wird, der größer genug im Durchmesser ist, als die Breiten der Beine des Strahlungsblockers, so dass lediglich ein kleiner Teil dieses Fluoreszenzlichts, das von dem Kollektor reflektiert wird, durch den Strahlungsblocker absorbiert wird.
  • Obwohl die Quelle des bestrahlenden Lichts innerhalb des Kollektors angeordnet sein kann, ist es vorteilhaft, diese Quelle außerhalb des Kollektors anzubringen und den Strahl des bestrahlenden Lichts entweder entlang oder ungefähr entlang der Symmetrieachse des Kollektors zu richten. Dies weist den Vorteil auf, diese Quelle an einer Stelle anzuordnen, die es erlaubt, diese ohne weiteres zu ersetzen und die die Kapillare von der Seite bestrahlt, die dem Kollektor gegenüberliegt, so dass angrenzend an die Kapillare, die dem Kollektor gegenüberliegt, die größtmögliche Fluoreszenz pro Einheitsvolumen in der Probe erreicht wird.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht einer hocheffizienten Fluoreszenzflusszelle für die Kapillarflüssigkeitschromatographie oder die Kapillarelektrophorese.
  • 2 zeigt eine Bodenquerschnittsansicht der Flusszelle von 1.
  • Beschreibung der Erfindung
  • 1 und 2 zeigen jeweils Seiten- und Bodenquerschnitte einer hoch effizienten Fluoreszenzflusszelle 10 für die Kapillarchromatographie. Wie in 1 dargestellt, werden die mobile Phase und ein Probenanalyt durch eine Kapillare 11 mit einem Außendurchmesser typischerweise in der Größenordnung von 50 bis 1000 Mikrometer und einem Innendurchmesser der Größenordnung von 5 bis 300 Mikrometer geführt. Die Kapillare kann gepackte Verbindungen oder Gele enthalten, um diese Trennung zu unterstützen, oder sie kann kein Packungsmedium enthalten (d. h. kann als eine offene Röhre mit einer beschichteten oder unbeschichteten Innenwand verwendet werden). Der Fluss des Fluids durch die Kapillare kann mittels einer Anzahl von Mechanismen erzeugt werden einschließlich hydrodynamischer Mittel, elektrodynamischer Mittel (CE), Mittel unter Verwendung der Schwerkraft und/oder Vakuummitteln.
  • Die Kapillare sind typischerweise mit einer schützenden Polyimidbeschichtung beschichtet, die einen physikalischen Schutz der Kapillare gegen ein Zerkratzen und ein Zerbrechen bereitstellt. In der bevorzugten Ausführungsform, bei der die Erfassung auf der Säule erfolgt, wird diese Beschichtung in einem Bestrahlungsbereich 12 einer Länge der Größenordnung von einen wenigen Millimetern entfernt, um dem bestrahlenden Licht zu ermöglichen, die Probe zu erreichen, und um dem Fluoreszenzlicht zu ermöglichen, aus der Kapillare auszutreten. Das Volumen des Bestrahlungsbereichs liegt typischerweise in der Größenordnung von 1 bis 2 Nanoliter.
  • Die Flusszelle 10 umfasst eine Halterung 13 für die optische Quelle, an die eine optische Quelle 15 angebracht ist. Die Quelle 15 kann ein breites oder ein schmales Wellenlängenband optischer Strahlung abgeben und kann eine kohärente oder eine inkohärente Quelle sein. Eine derartige Quelle umfasst eine Fokussierungsoptik, um den Strahl auf den Innendurchmesser des lichtdurchlässigen Abschnitts der Kapillare 11 zu fokussieren. Typische Quellen umfassen eine Deuteriumlampe, einen Laser, eine Xenonbogenlampe (kontinuierlich oder gepulst) oder eine Tungstenhalogenlampe mit einem Monochromator und/oder optischen Filtern, um den Strahl spektral zu definieren. Dieses auf die Kapillare einfallende Licht ist ausgewählt, um die Fluoreszenzemission von den untersuchten gelösten Stoffen anzuregen.
  • Ein Paar von Stiften 16 und 17 sind jeweils mittels Presspassung durch eine dazugehörige Öffnung 18 und 19 in der Halterung 13 der optische Quelle in eine dazugehörige zylindrische Ausbuchtung 110 und 111 in einem Gehäuse 112 eingebracht, um die Halterung der optische Quelle mit dem Gehäuse auszurichten und diese daran anzubringen. Die Flusszelle umfasst einen Kollektor 113, der verwendet wird, um Fluoreszenzlicht zu sammeln, das von einer Probe innerhalb der Kapillare 11 emittiert wird, und um dieses Licht auf einen Detektor zu richten, wie beispielsweise einen Photomultiplier 114. Der Kollektor 113 besteht aus einem festen Block 115 aus einem lichtdurchlässigen (vorzugsweise transparenten) Material, wie beispielsweise Quarzglas, auf einer bogenförmigen Oberfläche, auf der eine reflektierende Beschichtung 116 beschichtet ist, wie beispielsweise Silber oder Aluminium.
  • Ein kreuzförmiger Rückhaltestab 117 ist angepasst, die Kapillare in die Flusszelle einzuklemmen. Obwohl dieser Stab gezeigt ist, wie er vertikal unterhalb des Gehäuses 112, wie in 2 dargestellt, verschoben ist, ist dieser tatsächlich mittels eines Rückhaltestifts 20 drehbar angebracht, so dass dieser ohne weiteres weg von der Kapillare gedreht werden kann, um einen einfachen Mechanismus zum Austauschen der Kapillare bereitzustellen. Dieser Stab besteht aus einem lichtundurchlässigen Material, wie beispielsweise Aluminium, so dass dieser Stab dahin wirkt, den Teil des bestrahlenden Lichts zu blockieren, der durch die Kapillare in Richtung des Detektors durchtritt. Dies reduziert die Rauschkomponente des Ausgangssignals des Detektors, wodurch das Signal/Rauschverhältnis dieser Vorrichtung verbessert wird.
  • Die Kapillare passt schmiegsam in einen Kanal, der durch eine Bodenfläche 118 des Blocks 115 und eine Rille 119 in einer Oberseite des Rückhaltestabs 117 ausgebildet ist. Wie in 2 dargestellt, ist der Rückhaltestab 117 an das Gehäuse 112 durch einen Rückhaltestift 20 angebracht, um den sich der Rückhaltestab 117 drehen kann. Eine Sperre 21 wird verwendet, um den Rückhaltestab gegen die Kapillare einzuklemmen. Wie in 1 dargestellt, drückt ein ringförmiges Druckpolster 120 aus einem elastischen Material gegen die gebogene Oberseite des Blocks 115 und erzeugt eine schmiegsame Passung zwischen der Halterung 13, dem Druckpolster 120, dem Block 115 und einer in 2 gezeigten Leiste 25. Eine schmiegsame Passung wird zwischen dem Rückhaltestab 117, der Kapillare 11, dem Strahlungsblocker 123 und der Unterseite 118 des Kollektors 113 erzeugt, so dass der Kollektor und die Kapillare fest an Ort und Stelle gehalten werden. Dies drückt gleichfalls die Kapillare innerhalb der Rille 119 in den Rückhaltestab, so dass die Kapillare innerhalb der Flusszelle 10 akkurat positioniert ist.
  • Ein Bereich 121 der reflektierenden Beschichtung 116 ist entfernt, so dass Licht von der optischen Quelle 15 durch eine Öffnung 122 in der Halterung der optischen Quelle und durch den Bereich 121 passieren kann, um die Kapillare in dem Bestrahlungsbereich 12 zu bestrahlen, in dem die schützende Kapillarbeschichtung entfernt worden ist. Die Öffnung 122 definiert die längsseitige Größe des Strahls, der durch diese Öffnung durchtritt. Eine Aussparung 14 in der Halterung 15 der optischen Quelle ist enthalten, so dass die dünne Platte, die diese Öffnung enthält, während des Aufbaus dieser Vorrichtung vor einer Beschädigung geschützt ist. Ein lichtundurchlässiger Strahlungsblocker 123, der zwischen der Kapillare 11 und der Bodenfläche 118 des Blocks 115 angeordnet ist, weist ein erstes Paar von Beinen 22 auf, die von der Kapillare gestreutes Licht daran hindern, den Detektor 114 zu erreichen, wodurch das Signal/Rauschverhältnis dieses Systems bedeutend verbessert wird. Der Strahlungsblocker 123 umfasst ferner ein zweites Paar von Beinen 23, die durch den Kollektor 113 reflektiertes Licht daran hindern, mit dem Fluid innerhalb der Kapillare 11 zu wechselwirken. Dies verhindert eine ungewollte Anregung außerhalb des Bestrahlungsbereichs 12. Dies ist insofern wichtig, da die Kapillare dahin wirkt, örtlich verschiedene Komponenten der Probe zu trennen. Wenn daher die Kapillare außerhalb eines schmalen Bestrahlungsbereichs bestrahlt wird, dann wird die spektrale Information eine Summe von Daten aus einem Bereich von benachbarten, örtlich getrennten Komponenten der Probe sein, wodurch die spektrale Information verschlechtert wird. Ein wellenlängenselektives Element, wie beispielsweise ein Filter 124, ist in dem optischen Weg zwischen den Kollektor 113 und dem Detektor 114 enthalten, um im wesentlichen nur die Wellenlängen durchzulassen, die in dem Fluoreszenzlicht enthalten sind, das von der untersuchten Probe emittiert wird.
  • Der Rückhaltestab 117 blockiert gleichfalls das gestreute Licht. In einer weiteren Ausführungsform können die Beine 23 durch ein Paar von lichtundurchlässigen Hülsen ersetzt werden, die die Kapillare 11 in den Bereichen umschreiben, die in der Ausführungsform von 1 und 2 durch die Beine 23 geschützt werden. Ein Nachteil dieser letzteren Struktur besteht jedoch darin, dass die Kapillare durch derartige Hülsen geschraubt werden muss, was einen schwierigeren und zeitaufwändigeren Vorgang darstellt, als die Positionierung des Strahlungsblockers, so dass die Beine 23 die Kapillare 11 auf jeder Seite der Bestrahlungsbereiche abschirmen. Ein Loch 24 in der Überschneidung dieser zwei Paare von Beinen ermöglicht dem bestrahlenden Licht, auf die Kapillare in dem Bestrahlungsbereich einzufallen, und definiert außerdem den Durchmesser des Bestrahlungsbereichs.
  • Nachstehend werden vier alternative Ausführungsformen sowohl der Detektion auf der Säule als auch der Detektion nach der Säule beschrieben. In einer ersten alternativen Ausführungsform ist eine lichtdurchlässige Kapillarverlängerung an die Kapillare angebracht und innerhalb dieser Flusszelle angeordnet, so dass das bestrahlende Licht und das Fluoreszenzlicht durch die Wand dieser Kapillarverlängerung durchtreten. Da diese Kapillarverlängerung als ein Teil der Kapillare wirkt, umfasst in den Ansprüchen der Begriff "Kapillare" die Kapillare und jedwede Kapillarverlängerung, die daran angebracht ist, um Licht zu ermöglichen, von einer Probe und zu dieser übertragen zu werden.
  • In einer zweiten alternativen Ausführungsform wird der Probe ermöglicht, aus der Kapillare als ein frei fallender Flüssigkeitsjet auszutreten, durch den das bestrahlende Licht angrenzend an das Auslassende der Kapillare gerichtet ist. In dieser Ausführungsform ist die Flusszelle derart orientiert, dass die Kapillare im wesentlichen vertikal verläuft, so dass die Probenflüssigkeit aufgrund der Schwerkraft entlang der Achse der Kapillare fallen wird. In einer dritten alternativen Ausführungsform erzeugt ein ummantelter Fluss am Ausgang der Kapillare einen Bestrahlungsbereich angrenzend an das Ausgabeende der Kapillare mit einem Durchmesser, der im wesentlichen dem Innendurchmesser der Kapillare entspricht.
  • In einer vierten alternativen Ausführungsform umfasst die Kapillare 11 eine Kapillarlückenverbindung im Bestrahlungsbereich 12. Die Struktur von Kapillarlückenverbindungen ist in dem Artikel von Michael Albin et al mit dem Titel "Fluorescence Detection in Capillary Electrophoresis: Evaluation of Derivatizing Reagents and Techniques", Analytical Chemistry, 1991, Band 63, Seiten 417 bis 422 beschrieben. In diesem System wird eine Kapillarlückenverbindung umfasst, über die ein elektrisches Feld erzeugt wird, dass die Bandenverbreiterung im wesentlichen eliminiert, wenn eine Probe entlang dieser Lückenverbindung durch tritt. Jedes Ende der Kapillare ist in einen dazugehörigen Behälter eingebracht, der das Elektrolyt enthält, das durch die Kapillare bewegt wird. Das elektrische Feld entlang der Lücke ist lediglich ein Teil des elektrischen Feldes, das verwendet wird, um die Probe durch die Kapillare mittels Kapillarelektrophorese voran zu treiben. Dieses elektrisches Feld wird mit einer Spannungsquelle erzeugt, beispielsweise einem Paar von Elektroden, von denen jede in die Probenlösung in jeweils einem dieser Behälter eingebracht ist. Diese Lücke stellt einen Bereich nach der Säule bereit, durch den ein optischer Strahl gerichtet werden kann, um Fluoreszenz in der Probe zu erzeugen.

Claims (11)

  1. Fluoreszenzflusszelle umfassend: eine Kapillare (11) zum Erzeugen eines Probenflüssigkeitsstroms; eine optische Quelle (15), um einen bestrahlenden Strahl auf einen Bestrahlungsbereich (12) der Kapillare zu richten, um Fluoreszenz von der Probenflüssigkeit zu induzieren; einen optischen Detektor (114); einen Kollektor (113), um Fluoreszenzlicht von der Probenflüssigkeit zu dem Detektor zu richten; und einen lichtundurchlässigen Strahlblocker (123), um Licht zu blockieren, das von dem bestrahlenden Strahl von der Kapillare in Richtung des Detektors gestreut wird, wobei der Strahlblocker zwischen der Kapillare und dem Kollektor angeordnet ist.
  2. Fluoreszenzflusszelle umfassend: Mittel zum Erzeugen eines Probenflüssigkeitsstroms, der mit dem in einer Kapillare vergleichbar ist; eine optische Quelle (15), um einen bestrahlenden Strahl auf einen Bestrahlungsbereich des Probenflüssigkeitsstroms zu richten, um Fluoreszenz von der Probenflüssigkeit zu induzieren; einen optischen Detektor (114); einen Kollektor (113), um Fluoreszenzlicht von der Probenflüssigkeit zu dem Detektor zu richten; und einen lichtundurchlässigen Strahlblocker (123), um Licht zu blockieren, das von dem bestrahlenden Strahl von dem Probenflüssigkeitsstrom in Richtung des Detektors gestreut wird, wobei der Strahlblocker zwischen dem Probenflüssigkeitsstrom und dem Kollektor angeordnet ist.
  3. Fluoreszenzflusszelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der bestrahlende Strahl in dem Bestrahlungsbereich im wesentlichen senkrecht zu einer Achse des Probenflüssigkeitsstroms verläuft.
  4. Fluoreszenzflusszelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strahlblocker das gesamte Licht von dem bestrahlenden Strahl und von dem Kollektor zu dem Probenflüssigkeitsstrom blockiert außer innerhalb des Bestrahlungsbereichs, wobei die Auflösung durch das Bestrahlen der Probenflüssigkeit außerhalb des Bestrahlungsbereichs nicht verschlechtert wird und wobei Fluoreszenzlicht, das durch den Kollektor entlang von Richtungen gerichtet ist, die den Probenflüssigkeitsstrom beleuchten würden, daran gehindert wird, den Probenflüssigkeitsstrom zu erreichen.
  5. Fluoreszenzflusszelle nach Anspruch 4, wobei: der bestrahlende Strahl in dem Bestrahlungsbereich im wesentlichen senkrecht zu einer Achse des Probenflüssigkeitsstroms verläuft; der Strahlblocker die Form eines Kreuzes mit einem Loch in einer Mitte des Kreuzes aufweist; und das Kreuz derart positioniert und orientiert ist, dass ein erstes Paar von Beinen (22) davon positioniert ist, gestreutes Licht vorm Erreichen des Detektors zu blockieren, und ein zweites Paar von Beinen (23) davon mit dem Probenflüssigkeitsstrom ausgerichtet ist, um Licht von dem Kollektor vorm Beleuchten des Probenflüssigkeitsstroms zu blockieren.
  6. Fluoreszenzflusszelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kollektor Fluoreszenzlicht über einen Raumwinkel von ungefähr 2π sammelt, wobei der Kollektor die Form einer Rotationsoberfläche mit einem quer verlaufenden Querschnitt aufweist.
  7. Fluoreszenzflusszelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kollektor eine reflektierende Oberfläche (116) aufweist, die die Form eines Abschnitts eines Kegelschnitts aufweist.
  8. Fluoreszenzflusszelle nach Anspruch 1, wobei der Kollektor umfasst: einen lichtdurchlässigen Block (115) mit einer gebogenen oberen Fläche, die mit einer reflektierenden Beschichtung beschichtet ist, wobei die Form dieser gebogenen oberen Fläche derart ist, dass Fluoreszenzlicht von dem Bestrahlungsbereich in Richtung des Detektors gerichtet ist.
  9. Fluoreszenzflusszelle nach Anspruch 8, wobei der lichtdurchlässige Block eine flache Bodenfläche (118) aufweist, wobei die Flusszelle ferner umfasst: eine Halterung (117), die die Kapillare gegen die flache Bodenfläche drückt und die Kapillare ausrichtet, den Bestrahlungsbereich zu überschneiden, wodurch die Kapillare ohne weiteres und akkurat angebracht wird, um den bestrahlenden Strahl zu überschneiden.
  10. Fluoreszenzflusszelle nach Anspruch 9, wobei die Halterung lichtundurchlässig ist und positioniert ist, bestrahlendes Licht vorm Durchtritt durch die Kapillare zu dem Detektor zu blockieren.
  11. Fluoreszenzflusszelle nach Anspruch 9, wobei: die optische Quelle an den Kollektor derart angebracht ist, dass diese Quelle das bestrahlende Licht durch eine Öffnung (121) in der reflektierenden Beschichtung, durch den lichtdurchlässigen Block und den Bestrahlungsbereich in Richtung des Detektors richtet; und die Halterung nicht gestreutes, bestrahlendes Licht vorm Erreichen des Detektors blockiert.
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