利用可调焦透镜的粒子表征制造技术

一种粒子表征设备，包括：光源(302)，该光源用于利用光束照射样品；检测器(306)，该检测器布置成检测来自光束(108)与样品的相互作用的散射光；可调焦透镜(125、145)，该可调焦透镜布置成从散射体积收集用于检测器(306)的散射光和/或将光束(108)引导到样品中；样品保持器(110)，该样品保持器具有一对相对的电极，并且被配置为将样品保持在该对电极之间的测量体积中的适当位置，使得样品的平面表面与电极表面正交地对准，该平面表面(150)邻近散射体积，其中，对可调焦透镜(125、145)的调整引起通过使散射体积移动对平面表面(150)和散射体积的相对位置的调整。

Characterization of particles by focusing lens

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用可调焦透镜的粒子表征本专利技术涉及用于粒子表征的方法和设备。光子相关光谱学(或动态光散射，DLS)测量从粒子悬浮体散射的时间分辨信号。使用散射信号的相关函数来确定样品的弛豫时间，从该弛豫时间可以估计粒子大小分布。当悬浮体中的每个粒子仅散射照射光束(例如激光)的光而不散射已经从其他粒子散射的光时，该技术效果最佳。在高浓度下，多次散射倾向于使该技术退化。在小范围的后向散射角度内，多次散射的信号可以具有与单次散射的信号几乎相同的弛豫时间(从其计算粒子大小)。现有技术(其可以被称为非侵入式后向散射或NIBS)使用移动透镜将照射激光光学路径和后向散射检测光学路径置于样品池/比色皿内的可变位置中，如图1和图2所示。照射光学路径和检测光学路径的交会(intersection，交会部分、交会点)可以被称为检测区域或散射体积。当样品浑浊(即具有高浓度的粒子)时，检测区域可以被置位成靠近池壁，这显著减少了由于样品内缩短的照射路径长度引起的多次散射。另外，如已经描述的，可以选择后向散射角度，以该后向散射角度，多次散射的信号具有与单次散射的信号类似的弛豫时间。使检测区域在池内移动是有利的，并且在整个移动范围内保持所选择的检测角度也是有利的，以便结合以上提到的两个优点。在低粒子浓度下，可以使检测区域朝向池中心移动，或者至少远离壁的静态散射贡献。虽然与高浓度样品中的粒子的散射贡献相比，壁的静态散射贡献可以忽略不计，但是对于低浓度样品，壁的这种静态散射可能是不相关噪声(或甚至静态参考信号)的源。因此，壁的静态散射贡献可以降低信噪比。静态散射增加了相关图基线，从而减少了其截距，这是测量的信噪比的量度。因此，使检测区域远离池壁移动可以改善信噪比。在低样品浓度极限下，DLS受到数量波动的影响，由此除了对粒子的布朗运动的散射的贡献之外，散射信号由于检测区域内的粒子数量的波动而变化。然而，简单地扩展检测光束的大小以容纳更多粒子可能是不实际的，因为这可能使光束的大小大于单个相干区域。使用DLS的最高信噪比测量可以依赖于来自单个相干区域内的测量。相关图的信噪比通常根据相关图和y轴的截距来解释。为了使该值最大化，可以在检测光学路径中使用单模光纤，以从散斑场的“图像”中选择出单个空间频率。简单地增加检测光学路径的大小可能导致到这种光纤中的非最佳耦合，或者可能从不止一个相干区域收集光，这可能降低信噪比。期望一种用于解决或改量以上提到的问题中的至少一些问题的方法和设备。WO2016/034902公开了一种粒子表征设备，该设备包括：样品池，该样品池用于保持样品；光源，该光源用于产生用于照射样品池中的样品的光束，从而通过光束与样品的相互作用产生散射光；聚焦透镜，该聚焦透镜用于使光束聚焦在样品内；以及检测器，该检测器用于沿着与聚焦光束在样品内相交的检测光学路径检测散射光，聚焦光束与检测光学路径在样品中的交会限定检测区域；其中，该设备包括用于改变检测区域的体积的光学布置，并且聚焦透镜是可移动的，以便随着聚焦透镜的移动改变光束和检测光学路径在样品内的焦平面的位置，以改变样品内的检测区域的位置。根据本专利技术的第一方面，提供了一种粒子表征设备，该设备包括：光源，该光源用于利用光束照射样品；检测器，该检测器被布置成检测来自光束与样品的相互作用的散射光；以及可调焦(focustuneable，焦点可调、焦距可调)透镜，该可调焦透镜被布置成从散射体积收集用于检测器的散射光和/或将光束引导到样品中，其中，该设备被布置成使得对可调焦透镜的焦距的调整引起散射体积的位置的变化，而不引起照射光学路径和检测光学路径之间的角度的变化。术语“散射体积”和“检测区域”在本公开内容中是同义词。照射光学路径和检测光学路径之间的角度是在散射体积处测量的角度，并且该角度在本公开内容中可以被称为“散射角度”。聚焦透镜可以设置在可调焦透镜和样品之间(例如，沿着照射光学路径和/或检测光学路径)。聚焦透镜可以包括至少一个固定焦距透镜。聚焦透镜可以具有在可调焦透镜的主平面上的焦点。当调整散射体积的位置时，这种布置是实现恒定散射角度的优雅方式。聚焦透镜可以具有在样品池(或样品)内的另外的焦点。这种布置意味着聚焦透镜使散射体积在可调焦透镜处成像。散射体积的位置能够在不使透镜或透镜元件平移的情况下进行调整，这可以使设备更可靠，和/或可以允许更快地调整照射光学路径和/或检测光学路径。设备可以包括样品池和/或样品池保持器，用于接收样品(例如样品池中的样品)。设备可以包括：检测光学路径，散射光通过该检测光学路径到达检测器；以及照射光学路径，光束从光源通过该照射光学路径到达样品。检测光学路径和照射光学路径都可以通过可调焦透镜。在一些实施方式中，仅检测光学路径或仅检测光学路径可以通过可调焦透镜。可调焦透镜可以具有光轴。检测光学路径可以与光轴成第一(非零)角度。照射光学路径可以与光轴成第二(非零)角度。第一角度和第二角度可以基本上相等。第一角度和/或第二角度可以在5度至15度之间，和/或为10度或以下或者5度或以下。在散射体积处检测光学路径和照射光学路径之间的角度可以为10度或以下。照射光学路径和检测光学路径可以位于公共平面中(或者可以不在公共平面中)。公共平面可以是水平的或竖向的(出于明显的原因，在仪器中样品池的开口可以面向上)。检测光学路径和照射光学路径可以在距可调焦透镜一定距离的第一位置处相交。第一位置可以在可调焦透镜的光轴上。可调焦透镜可以可操作以具有使可调焦透镜的焦点与第一位置共同定位(co-locate，共处一个位置、协同定位)的焦距。可调焦透镜可以在焦点与第一位置被共同定位时是无动力的(或者在焦距的操作范围的中心处)。这可能是有利的，因为可调焦透镜可以在静止或中心操作点处或附近具有更多的稳定性或线性。光源耦合透镜可以布置在照射光学路径上处于光源和可调焦透镜之间。检测器耦合透镜可以布置在检测光学路径上处于检测器和可调焦透镜之间。光源耦合透镜可以被布置成将照射光学路径聚焦在可调焦透镜的主平面上。检测器耦合透镜可以被配置为将检测光学路径聚焦在可调焦透镜的主平面(例如，相同的主平面)上。聚焦透镜可以设置在可调焦透镜和样品之间(例如，沿着照射光学路径和/或检测光学路径)。聚焦透镜可以包括至少一个固定焦距透镜。聚焦透镜可以具有在可调焦透镜的主平面上的焦点。聚焦透镜可以具有在样品池(或样品)内的另外的焦点。这种布置意味着聚焦透镜使散射体积在可调焦透镜处成像。设备可以被配置为使得通过改变可调焦透镜的焦距将散射体积在样品中所处的位置移动得更接近光源来引起散射体积的减小。通过改变可调焦透镜的焦距将散射体积在样品中所处的位置移动得进一步远离光源移动可以引起散射体积的增加。调整检测区域的体积可以引起对粒子表征过程的测量参数的更好的优化。这可以改善具有高和/或低粒子浓度的样品的信噪比。对于混浊样品，检测区域可以定位成靠近样品池壁，并且使用小的检测区域。对于具有低粒子浓度的样品，检测区域可以定位成远离样品池壁，并且使用相对大的检测区域。调整检测区域的位置和体积促进对测量参数的改进优化，并且能够显著改善可以被可靠表征的粒子的最低和/或最高浓度。检测光学路径和照射光学路径可以被聚焦在样品池内，或者可以在样品池内被准直，或者可以在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粒子表征设备，包括：光源，所述光源用于利用光束照射样品；检测器，所述检测器被布置成检测来自所述光束与所述样品的相互作用的散射光；可调焦透镜，所述可调焦透镜被布置成从散射体积收集用于所述检测器的所述散射光和/或将所述光束引导到所述样品中；样品保持器，所述样品保持器具有一对相对的电极，并且被配置为将样品保持在该对电极之间的测量体积中的适当位置，使得所述样品的平面表面与电极表面正交地对准，所述平面表面邻近所述散射体积；其中，对所述可调焦透镜的调整引起通过使所述散射体积移动对所述平面表面和所述散射体积的相对位置的调整。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.03.09 US 15/454,8141.一种粒子表征设备，包括：光源，所述光源用于利用光束照射样品；检测器，所述检测器被布置成检测来自所述光束与所述样品的相互作用的散射光；可调焦透镜，所述可调焦透镜被布置成从散射体积收集用于所述检测器的所述散射光和/或将所述光束引导到所述样品中；样品保持器，所述样品保持器具有一对相对的电极，并且被配置为将样品保持在该对电极之间的测量体积中的适当位置，使得所述样品的平面表面与电极表面正交地对准，所述平面表面邻近所述散射体积；其中，对所述可调焦透镜的调整引起通过使所述散射体积移动对所述平面表面和所述散射体积的相对位置的调整。2.根据权利要求1所述的设备，所述设备被配置为使得对所述平面表面和所述散射体积的相对位置的调整不包括使照射光学路径或检测光学路径中的任何光学元件平移。3.根据权利要求1或2所述的设备，还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述可调焦透镜和所述样品之间。4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述聚焦透镜具有在所述可调焦透镜的主平面上的焦点。5.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述聚焦透镜具有在样品池内的焦点。6.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述可调焦透镜包括照射可调焦透镜，所述照射可调焦透镜被配置为将所述光束引导到所述样品中。7.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述可调焦透镜包括检测可调焦透镜，所述检测可调焦透镜被配置为收集用于所述检测器的所述散射光。8.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述设备能够被配置为协同地调整所述照射可调焦透镜和所述检测可调焦透镜。9.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述散射体积的位置能够在不使透镜或透镜元件平移的情况下进行调整。10.根据任一项前述权利要求所述的设备，包括：检测光学路径，所述散射光通过所述检测光学路径到达所述检测器；以及照射光学路径，所述光束从所述光源通过所述照射光学路径到达所述样品，其中:所述可调焦透镜能够具有光轴，所述检测光学路径在所述检测可调焦透镜的与所述样品相反的一侧上与所述光轴成第一非零角度，所述照射光学路径在所述照射可调焦透镜的与所述样品相反的一侧上与所述光轴成第二非零角度。11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一角度和第二角度基本上相等。12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述第一角度和/或第二角度在5度至15度之间，和/或能够为10度或以下或者为5度或以下。13.根据权利要求10至12中任一项所述的设备，其中，在所述散射体积处所述检测光学路径和所述照射光学路径之间的角度为10度或以下。14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其中，当所述可调焦透镜被调整时，所述检测光学路径和所述照射光学路径两者在所述样品中保持基本上平行于所述平面表面。15.根据权利要求10至14中任一项所述的设备，其中，所述照射光学路径和所述检测光学路径位于不同的平面中。16.根据权利要求10至15中任一项所述的设备，包括光源耦合透镜，所述光源耦合透镜布置在所述照射光学路径上处于所述光源和所述可调焦透镜之间，所述光源耦合透镜被布置成将所述照射光学路径聚焦在所述可调焦透镜的主平面上。17.根据权利要求10至15中任一项所述的设备，包括检测器耦合透镜，所述检测器耦合透镜布置在所述检测光学路径上处于所述检测器和所述可调焦透镜之间，所述检测器耦合透镜被配置为将所述检测光学路径聚焦在所述可调焦透镜的主平面上。18.根据权利要求10至15中任一项所述的设备，其中，所述照射光学路径位于第一平面中，并且所述检测光学路径位于第二平面中，并且所述第一平面与所述第二平面成非零角度。19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述第一平面和所述第二平面之间的角度限定散射角度。20.根据任一项前述权利要求所述的设备，所述设备被配置为使得下述方式引起所述散射体积的增加：所述方式即通过改变所述可调焦透镜的焦距，将所述散射体积在所述样品中所处的位置移动得更接近所述平面表面。21.根据任一项前述权利要求所述的设备，还包括分束器，所述分束器被配置为将照射光束中的一些照射光束引导到所述检测器上，以与来自所述检测光学路径的所述散射光混合。22.根据权利要求21所述的设备，还包括致动器，所述致动器用于使所述照射光学路径和/或所述检测光学路径中的至少一个光学元件移动/振动，以便通过所述照射光学路径和/或所述检测光学路径的空间光调制来促进调制的外差光学检测。23.根据任一项前述权利要求所述的设备，包括处理器，所述处理器被配置为基于所述检测器的输出执行zeta电位测量。24.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述可调焦透镜包括可变形透镜。25.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述可调焦透镜包括折射率能通过施加刺激被改变的材料。26.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述可调焦透镜被布置成收集下述中至少之一：前向散射光、后向散射光和侧向散射光。27.一种粒子表征设备，包括：光源，所述光源用于利用光束照射样品；检测器，所述检测器被布置成检测来自所述光束与所述样品的相互作用的散射光；以及可调焦透镜，所述可调焦透镜被布置成从散射体积收集用于所述检测器的所述散射光和/或将所述光束引导到所述样品中，其中，所述设备被布置成使得对所述可调焦透镜的焦距的调整引起所述散射体积的位置的变化，而不引起照射光学路径和检测光学路径之间的角度的变化。28.根据权利要求27所述的设备，其中，沿着所述照射光学路径和/或所述检测光学路径在所述可调焦透镜和所述样品之间设置有聚焦透镜。29.根据权利要求28所述的设备，其中，所述聚焦透镜能够具有在所述可调焦透镜的主平面上的焦点。30.根据权利要求28或29所述的设备，其中，所述聚焦透镜具有在样品池内的焦点。31.根据权利要求27所述的设备，其中，所述散射体积的位置能够在不使透镜或透镜元件平移的情况下进行调整。32.根据权利要求27至31中任一项所述的设备，还包括样品池和/或样品池保持器，用于接收所述样品。33.根据权利要求27至32中任一项所述的设备，包括：检测光学路径，所述散射光通过所述检测光学路径到达所述检测器；以及照射光学路径，所述光束从所述光源通过所述照射光学路径到达所述样品；其中，所述检测光学路径和所述照射光学路径中至少之一通过所述可调焦透镜。34.根据权利要求34所述的设备，其中，所述检测光学路径和所述检测光学路径两者都通过所述可调焦透镜。35.根据权利要求27至34中任一项所述的设备，其中，所述可调焦透镜包括光轴，并且检测光学路径与所述光轴成第一非零角度，并且所述照射光学路径与所述光轴成第二非零角度。36.根据权利要求35所述的设备，其中，所述第一角度和第二角度基本上相等。37.根据权利要求36所述的设备，其中，所述第一角度和/或所述第二角度均在5度至15度之间，和/或为10度或以下或者为5度或以下。38.根据权利要求37所述的设备，其中，在所述散射体积处所述检测光学路径和所述照射光学路径之间的角度为10度或以下。39.根据权利要求27至38中任一项所述的设备，其中，所述照射光学路径和所述检测光学路径位于共同平面中。40.根据权利要求33至39中任一项所述的设备，其中，所述检测光学路径和所述照射光学路径在距所述可调焦透镜一定距离的第一位置处相交。41.根据权利要求40所述的设备，其中，所述第一位置在所述可调焦透镜的光轴上。42.根据权利要求40或41所述的设备，其中，所述可调焦透镜能操作以具有使所述可调焦透镜的焦点与所述第一位置共同定位的焦距。43.根据权利要求42所述的设备，其中，所述可调焦透镜在所述焦点与所述第一位置被共同定位时是...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾森·塞西尔·威廉·科比特，戴维·布赖斯，
申请(专利权)人：马尔文帕纳科公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB