[发明专利]测量溶液中颗粒迁移率的方法和装置

说明书

技术领域

本发明公开了可以测量经受施加电场的溶液中带电颗粒的运动的新的方法和装置。虽然本发明说明书的大部分自始至终将涉及大分子，但是本发明更一般地包括所有类型的小颗粒，所述小颗粒包括乳状液、病毒、纳米颗粒、脂质体、大离子以及其大小可以介于半纳米和数千纳米之间的任何其它溶液组分。因此，无论什么时候使用术语“分子”、“大分子”或“大离子”，都应该理解它们包括所有前述的溶液带有(solution-borne)的物体。

背景技术

电泳淌度是直接可测量的，并且是最广泛使用的表征溶液中分子电荷的参量，或者关于这些溶液中任何其它存在颗粒的参量。一旦测量，电泳淌度可以反过来用于测定由这种分子携带的有效电荷Ze以及其所谓的ζ电势ζ。在紧密结合颗粒的离子基团和不与颗粒一起运动的周围溶液的基团之间的界面限定了流体剪切力平面。ζ电势表示存在于该剪切力平面的静电势。本发明的基本目的是提供通过其可以测量溶液中的分子和颗粒的电泳淌度、有效电荷和ζ电势的改进的方法。

电泳是在电场的影响下的大离子的迁移。通过迁移大离子获得的稳态的电泳速度v_e与施加的电场成线性比例。当施加电场时，分子的速度基本上总是处于平衡状态。在电泳淌度情况下，可以通过测量电泳速度并且除以施加的电场来测量比例常数。本发明的一个目的是提供能够比迄今可能的更准确地测量溶液中颗粒的电泳速度的改进的装置。

已经发展了几种技术并且可以用于测量迁移率。这些技术当中有界面移动法、微电泳以及光散射法诸如动态光散射外差法(heterodynedynamic light scattering)、DLS、激光多普勒电泳、LDE和光散射相分析(phase analysis light scattering)PALS。界面移动方法应用专门的池(cell)以在大分子溶液和缓冲液之间建立两个清楚的界面。在施加电场下的界面的平移提供测定迁移率的定量方法。微电泳基于用放大光学系统直接观察的单独的颗粒的电泳运动。然而，微电泳限于半径远大于约100nm的颗粒的迁移率的测量。也已经发展了用于测量电泳的光散射技术。从运动中的颗粒散射的光携带关于这种运动的信息，并且由其可以确定它们的电泳淌度。

现在考虑用于测量电泳淌度的这些测量技术中最重要的：PLAS。单色光的光束——通常来自激光源——照射暴露于施加电场、带有颗粒的液体样品。散射的一些光被聚集并且与一部分未散射的入射光合并。换句话说，散射信号与入射光相干地合并以产生外差信号。通常使用单模光纤实现两个光束的这种合并以保证两个光束之间的良好对准(校直，alignment)。这种技术生成具有高对比度的边缘，但是导致相对低强度的合并光束，因为每个组成光束的大部分的能量不再属于没有被光纤支持的模。本发明的另一个目的是在自由空间中合并这些光束，产生更大能量的相干光束，以及相应简化的检测器系统。

为了测量合并光束的波动和从其衍生散射颗粒的电泳淌度的测量，合并光束之一涉及首先从摆镜(oscillating mirror)反射。这使得检测的条纹获得强度强度调制(intensity modulation)，即使在不存在电泳运动的情况下。由此，产生于施加电场的施加的电场运动产生了允许明确确定迁移率信号的的频率漂移。然而，实际的考虑，如由Robert G.W.Brown在″Homodyne Optical Fiber Dynamic Light Scattering，″Appl.Opt.40，4004-4010(2001)中所讨论的那些，要求两个合并光束的相对强度必须进行调节，使得两者的比例小于约30。本发明的另一个目的是消除调节光束的相对强度的需要，允许该比例大于甚至100∶1，从而利用称为相干放大的作用，这将在标题为发明详述的部分中更详细地描述。

因为传统的PALS测量的合并光束强度比例被限制到相对小的范围，产生的信号的检测由此需要使用光电倍增管PMT或者雪崩光电二极管APD。这些检测器是昂贵的，并且由于它们疏忽地暴露于环境室内光线或其他外来的来源而被严重损坏或者甚至毁坏。本发明的另一个重要目的是消除这些昂贵的元件，同时提供不能够被外来光源损坏的检测装置。因为PMT和APD设备具有非常有限的动态范围，所以两个光束的光强度和比例必须进行连续地调节，以将检测器保持在它们的线性范围内。可选地，必须校正非线性作用。本发明的目的是具有宽的线性应答的检测装置，使得这种调节和模建是不必要的。