这里指固体、液体和气体的样品的基本特性，为是否有吸收或散射一 定波长范围内的光的倾向。样品吸收、散射、透射的特征倾向是分光光度 测量的基础。示例性应用包括化学和生物样品的分析。其它示例性应用包 括人造产品测试和空气、水质量的测试。
为了获得样品的特征或与其它样品相区分，定量分光光度测量法的所 有应用方向就是数字表征样品的能力。不管应用如何，定量分光光度测量 法的关键方面是灵敏度、精确度和准确度。分光光度测量的灵敏度直接与 检测有相似吸收特性的样品之间的细微差别的能力有关，灵敏度越高，能 够检测到的差别就越小。分光光度测量的精确度可以认为与对相同样品在 不同时间重复同一测量的能力有关。分光光度测量法的准确度可以认为与 正确确定样品成分的数值测量有关。例如，当试图量化在样品中的未知元 素时，后者是关键的。在整个给定范围的浓度上，通过一定水平的精确度 和准确度去表征量化值。然而，在低于浓度范围的下限时，精确度和准确 度会受到负面影响。这个下限就是具体分光光度仪的检测限。随着灵敏度 提高，检测限就降低。然而，提高灵敏度，同时保持高水平的精确度和准 确度，这是人们希望的。
我们先前已提供应用透射测量法来提高分光光度测量法的灵敏度。我 们的美国专利No.6,741,348(’348专利)公开了提供高度灵敏的分光光度 测量法的方法和装置。

本发明将’348专利的测量能力扩展到其它测量范围，其中，光与物 质相互作用，从而引起光强度变化。本发明的优选实施例的光度分光计装 置通过与物质反射相互作用提供超灵敏的测量。根据本发明，可以降低在 这些测量中的光源噪声水平。本发明的优选实施例使用无内部光源的密封 壳体、以及基于样品室和参考室的反射。在一些实施例中，使用基本上实 心的导热的壳体。本发明的装置使用具有样品光束和参考光束的双光束结 构。所述双光束由同一光源产生，从而，与光源相关的实验噪声，即，相 对较快的随机波动和较慢的漂移，相干地出现在两束光中。在本发明的实 施例中，可以应用相消技术通过降低相干实验噪声水平来提高灵敏度。优 选实施例的其它特征包括基于样品室和参考室的特定反射。例如，全内反 射实施例包括：棱镜，其具有互作用表面；检测器；透镜，用于将从棱镜 输出的光聚焦到检测器上；以及密闭的互作用容器，其具有出口和入口， 以便将分析物传送到互作用表面。在镜面反射实施例中，使用反射表面代 替棱镜。在漫反射实施例中，使用物质表面来代替棱镜。本发明还包括识 别分光光度测量法中的产生噪声的各个部件和选择设置所给定的实施例中 的优选特征，在优选实施例的装置的应用中，可以实现非常接近散粒噪声 极限的噪声水平。
附图说明
对于本领域的技术人员来说，通过阅读参照附图的详细描述，本发明 的其它特征、目的和优点将显而易见，其中：
图1是优选实施例的移去盖板的分光光度计的俯视图；
图2A、图2B、2C示出优选实施例的检测器电路；
图3示出优选实施例的全内反射分光光度计的一部分；
图4示出优选实施例的镜面反射分光光度计的一部分；
图5示出优选实施例漫反射分光光度计的一部分；
图6是另一个优选实施例的移去盖板的全内反射分光光度计的俯视 图；以及
图7是另一个优选实施例的移去盖板的漫反射分光光度计的俯视图。

本发明主要旨在提高光度分光测量法的灵敏度。本发明的更广泛的方 面包括识别光度分光测量法中的产生噪声的各个部件以及选择设置所给定 的实施例的优选特征。本发明的一些实施例通过组合本发明的各个方面(即 针对所有识别的噪声源的各个方案)来实现降低噪声的效果。在这些优选 实施例中，只有在所有重要的噪声源被识别并最少化之后，这种降低才被 认为实现了。本发明的优选实施例能够产生非常接近散粒噪声极限的噪声 水平。技术人员通过参考优选实施例了解本发明的附加方面。
本发明提供了测量潜在干扰的方法，这些干扰是由于光束路径上的气 载颗粒、正研究的液体中的气泡及悬浮颗粒、光检测器表面的反射和其它 因素而引起的。在不能提供使这些光源相关联所需的灵敏度的常规装置中， 通常不考虑这种噪声源。
本发明装置使用具有样品光束和参考光束的双光束结构。双光束由同 一光源产生，从而，与光源相关的实验噪声，即，相对较快的随机波动和 相对较慢的漂移，相干地出现在这两束光中。通过应用相消技术来降低相 关实验噪声的水平，从而提高灵敏度。样品光束和参考光束在样品检测器 和参考检测器上感应光电流，并且，通过使用合适的电子电路并测出样品 光电流和参考光电流之间的差(IS-IR)来消除相干波动。电路输出由下式 所给出的差分电压VD：
VD＝KD(IS-IR)              (1)。
KD是由电子电路的参数确定的比例常数。当光电流IS和IR相同时，在差 分电压VD中消除同样出现在这两束光中的光源的相干随机波动。虽然在 基线VD中消除光源漂移的影响，但是它们的确影响峰高度。为校正这个 影响，VD除以由下式所给出的输出参考电压VR：
VR＝KRIR                     (2)
KR是由电子电路参数所确定的比例常数。光源漂移同时影响IS和IR二者， 这从公式(1)和(2)可知，通过VD除以VR来消除光源漂移。
VD/VR＝KD/KR[IS/IR-1]              (3)
根据公式(3)，可以计算比值IS/IR：
IS/IR＝VD/VR(KD/KR)-1+1            (4)
最后，根据表达式A＝-log(Is/IR)，由IS/IR的实验值可以计算吸光率A。 透射测量法是典型的用来分析真溶液的方法。在真溶液中，分析物以分子 的水平分散。真溶液在视觉上是透明的，因此不可测量的量的光被(例如) 悬浮颗粒散射，当光通过该溶液时光强度的降低主要是由于光的吸收而引 起的。在本发明的装置中，可以以大大提高的精确度测量纯溶液的吸光率 和利用Beer-Lambert定律分析数据。
图1中示出示例性的透射实施例的分光光度计，该分光光度计用来描 述应用到图2-7所示的反射实施例中的一些基本噪声降低方面。在图1的 结构中，依靠透射，光直接通过样品，由于光与样品的相互作用，光强度 被降低。对于光学透明的样品，由于专利中所述的吸收而导致光减少。在 透射测量法中，由于存在散射光的宏观悬浮结构体，光强度也可以被降低。 这些悬浮液通常表现为云状，用于其分析的方法被称为“比浊法”。光强 度的降低和悬浮液中的分析物的量之间的数学关系通过经验来得到。可以 不使用Beer-Lambert定律。然而，这个方法是有用的，并例行地被使用。 比浊法和其它的透射应用也能用图1的方法实现，如｀348专利中所述。
第二普通类型的光学测量法是反射，图2-7所示的示例性装置将图1 实施例的超灵敏透射测量法原理扩展到用反射测量更好地检测的样品。针 对内反射、镜面反射和漫反射分别提供实施例，技术人员参考这些实施例 理解本发明的更广泛的方面。
现在着手介绍图1的透射实施例，图1作为实验原型构造。图1的分 光光度计实施本发明的多个方面，包括噪声源的识别和用于确定噪声源的 位置的方法。所有的实施例提供有用的框架，以示出技术人员能理解比图 2-7优选实施例更广并可应用于图2-7优选实施例之外的本发明的各个方 面。为简单地图示，图1优选实施例装置是在白炽光源(钨灯)中的可见 光范围内工作的单波长滤波单元。
图1优选实施例中的总体光束路径是用于分光光度计中的典型的双光 束结构。来自102光源(例如，钨灯)的光经过两个宽带光学滤波器104， 106，被光导108(优选为光纤)传送到仪器上。光导108具有低的热导率， 从而，避免来自光源的热转移到该装置，并且用密封的装配件110附接。 装配件110被密封，以防止灰尘和杂光进入壳体。装配件110被直接附接 在壳体壁12的内表面上。
这可以隔离光源102。对光源类型的具体选择取决于特定的应用。本 发明能在紫外到远红外的整个光谱范围实施，也可以合适地选择光源。附 加的示例性的合适的光源包括下列的光源：氩灯、氙灯、氢灯、氘灯，钨 灯、弧光灯、空心阴极灯、能斯脱灯丝、镍铬合金灯丝、碳化硅棒、激光 器。光源102以与优选实施例分光光度计的其它部件热隔离的方式放置在 外部。
光源通常产生能够被转移到分光光度计的各个光学部分和检测器部分 上的大量热。为了将转移到仪器上的传导热最少化，热光源102放置在外 部，从而允许对流热转移到周围的环境。另外，绝热层113使从周围环境 转移到优选的分光光度计的热量最少。滤波器104和106优选包括紫外截 止滤波器和红外截止滤波器，将透射光的能量范围变窄，由此产生“冷光”， 并且限制辐射传热。
优选的光纤光导108具有对光纤芯的位置和曲率很敏感的偏振率。导 光光纤光缆108被附接在装配件110上，该装配件110包含减少偏振的全 息散射体114、以及将实际光源直径降低到(例如)1/8英寸的尺寸的孔116， 以更好地瞄准和聚焦。
输出光束118经过壁122上的第二孔120，被以1:1的共轭比构造的双 凸透镜124聚集并重新聚焦。通过壁128上的干涉式滤波器126之后，窄 带输出光束130通过平凸的准直透镜132，从而产生准直光束134。准直光 束134的直径设计成比透镜144、146的光学开口径小。透镜124、132分 别放置在安装于导热装配件123、135上的商用的光学支持件上。装配件具 有大的热容。实心金属块优选用于这些装配件。
介质光束分离器136沿各自的路径产生透射(样品)光束138和反射 (参考)光束140，所述反射光束进一步被反射镜142反射。光束分离器 136被放在我们生产的黄铜支持件上，反射镜142由商用的可调支持件保 持，光束分离器136和反射镜142分别由光学装配件137、141支撑。这些 装配件具有与装配件123、135相似的结构，具有大的热容。介质光束分离 器136具有对入射光134的偏振敏感的光束分离比。例如，对平均60％透 射、40％反射的介质光束分离器来讲，对S偏振光仅有42％能透射，而对 P偏振光仅有76％能透射。从单色仪或光纤输出的光是部分偏振的，偏振 比取决于热漂移和机械漂移。在本发明的示例性的实验原型中，光纤108 具有3/8英寸的芯直径。偏振比对光纤芯位置和曲率非常敏感。室温度下 的变化很容易引起相对差分电压比VD/VR在10-5或更大数量级的变化， VD/VR是两束光之间不平衡的测量。从光纤输出的光经过全息散射体114， 将偏振比降低了100倍。因此，偏振基本上被完全扰动，光束分离比更加 不易受到热漂移的影响，从而提高了差分稳定性。发明人也发现，具有粗 糙表面的传统玻璃散射体是无效的，因为它不能提供充分的偏振扰动。
样品光束138和参考光束140经过壁148上的聚焦透镜144、146，经 聚焦的光束150、152分别进入样品室154和参考室156。样品室154在隔 间160e中，参考室在隔间160d中。这两个室被壁162隔开。通过优选实 施例的所有的热稳定特征和通常包括介质光束分离器136的光学系统，容 易产生平衡光束。为帮助平衡这两束光，参考光束152的功率也优选可以 通过调节高精确度的消光器164来消减。消光器包括装配件166，精密测 微计型螺杆168和细杆170。光束继续通过安装在壁176上的聚焦透镜172、 174，并分别被安装在导热室182、184上的检测器178、180收集，检测器 优选在室182、184内与入射光成45°安装。这样，被检测器表面反射的 光束186、188分别被室内的光阱194、196捕获。光电二极管检测器产生 供应给检测器电路189的光电流。合适的检测器将产生与输入(样品或者 参考)光束的功率精确地成比例变化的电流。另外可选的可用的检测器包 括，例如：光电倍增管、光电管、光电池、电荷转移导体、热电偶、辐射 热计、热电电池和红外检测器。电路产生输出电压，输出电压通过壳体112 供应给数字转换器190和分析电路192(如，用计算机可实现)。
导热路径通过具有大热容的基座(没有示出)建立在内部部件中。在 根据′348专利的图1所示的透射式配置构造的实验原型中，基座是3/4 英寸的实心钢，装配件/室123、135、137、141、154、156及各种壁和外 壳体被直接安装到其上。基座、未示出的顶盖和壳体的外壁112与内部部 件形成传导热转电路。顶盖、基座和壁112提供例如1/2英寸的商用装置 113与环境隔离。这样缓减了内部温度对外部环境变化的响应。内部导热 性促进内部部件之间的热平衡。
优选实施例检测器电路在图2A中示出。按照优选的实施例图2A(顶 部)的示例性的实验原型电路由便宜的、可市售的部件组成。
在图2A中，来自样品(S)光电二极管178和参考(R)光电二极管 180(图1)的电流分别作为恒流源200、202。光电二极管这样构造，使得 其光电流之差出现在节点204上。转换器208(包括A208、R208和C208) 将样品光电流200转换成电压，这个电压供应给电位计P209的一端。转 换器210(包括A210、R210和C210)将参考光电流202转换成电压，这 个电压供应给电位计P209的另一端。从转换器208输出的电压是负的， 而从转换器210输出的电压是正的，所以整个压差降在P209上。该电压 随光源的直流电源变化，也包含光源的噪声和漂移部分。从P209输出的 电压极性和大小随电位计的位置变化。例如，电压可从KVR(是正的)穿过 0到K′VS(是负的)连续变化。常数是K＝R212/R210和K′＝R212/R208。 从P209输出的电压以电流形式通过反馈电阻器R211被反馈到节点204。 反馈电流精确地跟踪光源功率，它的大小和极性由几个部件(R208、R210、 P209、R211)的值决定。因此，反馈电流在节点204相加，对增大S光电 流或R光电流的大小有影响，这取决于P209的设置。在此设置中，利用 电位计P209仔细地调节反馈电流，使S光电流和R光电流达到平衡，以 便以一定的精确度可以消除光源噪声。如果S光电流比R光电流大，那么 调节P209，以给出所需的正电位输出，反之亦然。所选的部件值要使反馈 电流大小合适，使S光电流和R光电流达到平衡。所需的反馈电流可以比 S光电流小1％，并且可以很容易引起光电流的微小不平衡(如10-5)。因 为源噪声的消除程度与电路中光电流的不平衡度相等，所以10-5的光电流 不平衡就远足以允许达到检测器散粒噪声性能。10-3的光电流不平衡足以 确保限制的散粒噪声。
对于单波长的测量，检测器电流必须首先被样品室和参考室内的溶剂 平衡。在此之后，测量样品室里的分析样品。由于仅要求一次调节平衡， P209可以是图2A、图2B中所示的简单的电位计。然而，对于在整个波长 范围上执行的吸收测量，与扫描单元一样，检测器电流必须在多个波长内 用样品室和参考室内的溶剂平衡。对每一个波长，这通常要求P209的不 同设置，因此，当光谱扫描样品室上的分析样品时，必须在扫描测量每个 数据点之前改变P209的设置。每个P209设置与确保在特定波长处平衡的 值一致。为了实现此，P209可被计算机控制的数字电位计代替，每个波长 的设置都被储存在存储器中。
在平衡条件下，差分放大器212的输入总电流接近0，并消除了源噪 声。源噪声以电流方式在节点204被消除，因此S光电流和R光电流直接 相减。然后，该差在差分放大器212(包括A212、R212、C212、D212) 上被转换为输出电压。这是最简单和最精确的方法。为产生和输出差分电 压GVD，差分放大器212的输出通过低通滤波器214(包括R214、C214)， 供应给增益为G的附加的电压放大器216。输出电压GVD的标准偏差由检 测器的散粒噪声确定，而不是由前面所述的噪声源确定。
图2A、图2B中，源噪声通过电流模式消除。另外，也可以用电压模 式消除。优选实施例的电压模式噪声消除检测器电路在图2C中示出。来 自光电二极管200的源光电流通过转换器220(包括A220、R220、C220) 转换为电压。输出电压VS＝ISR220供应给可变的电位计P220，电位计的输 出供应给放大器A224的非反相输入端。类似地，来自光电二极管202的 参考光电流被转换器222(包括A222、R222、C222)转换成电压。输出 电压VR＝IRR222供应给可变电位计P222，电位计的输出供应给放大器 A224的反相输入端。在图2C所示的结构中，VS和VR都是正的。因此， 当放大器A224的两个输入电压相等时，实现噪声消除。首先通过设置P220 和P222到最大的设置值来产生均等，以便不存在电压衰减。然后调节与 较大输出电压VS或VR相对应的电位计，直到放大器A224的输出为0为 止。例如，如果VS对大吸光率的测量，不需噪声消除，就能直接从208、210的输出获得 透射率。对于大的吸光率，二极管D212限制了对差分放大器212的输出 电压。这就控制了与差分放大器212的输出中的漂移相关的干扰。在实验 原型装置中，已经观察到，在差分放大器产生输出电压后的一段时间里， 其受到漂移，这干扰了精确地测量输出端216的小VD值。
当|VR|>|VS|时，测定吸光率要求测量Q＝VD/VR+1；当|VR|<|VS| 时，吸光率测定要求测量Q＝[1-VD/VR]-1。VD是216的输出电压除以放大 器216的增益G，VR是210的输出除以因子K的值，VS是208的输出除 以因子K′的值。VD、VS、VR是分离的输出电压，因此，可以同时测量 VD和VS(或VR)，以避免由于光源漂移引起的误差。因为VD和VR(或 VS)都直接与源功率成比例，因此必须考虑源功率的漂移。如果不同时测 量VD和VR(或VS)，由于测量两个电压的时间内源功率的改变，它们的 比率将变化。然而，在同时测量下，源功率的相关性消失。
图2C中示出电压消除电路，Q一般被定义为Q＝VD/FP222VR+1。衰 减分数FP222是常数，FP222VR可被认为是放大器A222的有效输出。
检测器电路进行的修正是在光学平衡器的辅助下完成，可将光学平衡 器放置在参考光束或样品光束中，或在两束光中都放置。所有光学设计应 保证光束接近平衡。优选的特征也引入了平衡调节以微调光束平衡。如果 光束在所有单元设计中接近平衡，存在两个调节平衡度的优选方式。首先， 在参考光路径中有能消弱参考光束的安装在壁上的衰减器164(图1)。在 这个示例原型中，壁装配件166安装1/4-40机械螺杆168。螺杆168安装 在光束边缘附近、垂直于光束方向的轴上。螺杆末端为直径1mm、长5mm 的小杆170。细杆的位置能通过细螺杆螺纹进行精确调节。螺杆只能粗调， 用来平衡光电流iS和iR到大约1/103。其次，输入到212的光电流能通过 调节电位计P209(图2)被电子置0(图2)，如上所述。利用电子调节 能力，光电流能够被平衡到1/105以下。通过使反馈循环的时间常数与检测 器上升时间近似，可以减小小平衡电流的跟踪误差。除通过R211提供很 小量的电流(<2％)外，任一检测器电流不会受能消弱高频元件源噪声的 电子滤波器的影响。这保证了需要精确噪声消除的快速响应。另外，大部 分检测器电流不会流过任何电子元件。最后，通过设置相对大的电阻器 R211，由差分放大器的输入电路中存在的电阻引起的附加噪声很小，试验 发现低于检测器散粒噪声。通过电子精确平衡光束，差分放大器212的输 出很小，在10μV的数量级。
图2A示出的电路适合用于扫描仪器中，在获取数据时，光的波长连 续变化。在对每个不连续的波长做测量之前，必须通过上述的方法对光束 进行平衡。由于希望样品光束和参考光束的相对功率在扫描的波长范围上 变化，因此，期望在该电路中包括改变反馈电流的符号的能力。第二个优 选实施例检测器电路在图2B中示出，其中，共同的元件使用图2A的参考 数字标注。该电路在结合滤波器时适用于单波长运行的单元中。这种类型 的仪器，由于仅用一个波长测量，因此不必改变反馈电流的符号。图2B 中从样品或参考光束获得的平衡电流通过开关206选择，因此，根据开关 206的设置，在任何给定的时间内仅有单极性电流可用。
我们的试验研究发现，噪声源被消除后，热漂移成为主要的因素。因 此，本发明的另一个方面是限制差分光功率比的热漂移。优选，在获取数 据时，将不同的光功率比中的热漂移ΔP/PR＝(PS-PR)/PR限制在10-6以下， 获取数据的时间在本发明实际应用或其它方面是15分钟。相对差分电压比 VD/VR＝(VS-VR)/VR是ΔP/PR的实验测量值，因此，实验关注的是，差 分电压的稳定性。识别和选择多个设计特征，以限制热漂移和确保高的差 分稳定性。特别是，在测量阶段，降低温度漂移，从而第一实施例中的热 致变化VD/VR应等于或低于10-6数量级。这与检测器散粒噪声极限内的总 噪声一致。当希望测量10-6数量级的光功率变化时，下面给出的识别系数 的优选选择显得很重要。由于这些因素对检测10-4或更大数量级的功率变 化的能力影响很小，因此一般不理解热稳定性的重要性。热漂移的分析需 要使用多个热系数。已知的文献值被用作热系数；或者，我们对这些系数 进行了合理的估计。在一些情况下，通过直接测量获得所需的系数。为了 根据本发明进行应用光度分光计的优化，本发明这部分的首要方面涉及元 件的选择。
光束分离器136是产生差分不稳定性的最可能的光学元件。除入射光 线134的偏振外，分光比对入射角和光的波长也很敏感。入射角与VD/VR 的关系是6×10-3/度。这意味着入射角仅0.001度的变化将引起VD/VR大约 6×10-6的变化。温度引起的膨胀和光束分离支座的扭曲很容易引起入射角 的微小变化。实际上所有变化的大小主要取决于光束分离器装配件的结构 和材料。由实心钢块制成的相对较大的装配件137提供热稳定性和机械稳 定性。在透射率实验原型中，光束分离器装配件是高3″、宽3″、厚1/2 ″的铜板。
在示例实验原型中使用的互作用过滤器126的温度系数是0.023nm/ ℃，然而，对于介质光束分离器136，波长与差分比VD/VR的关系是5× 10-4/nm。这里给出复合系数1×10-5/℃。
温度的变化引起光束分离器136的反射率的变化，进而引起VD/VR的 微小变化，入射角45°时大约6.2×10-6/℃的变化。这是由温度引起的使用 的光学材料的折射率的变化造成的。
温度变化也能引起两个检测器178和180的暗电流的变化。在图2A、 图2B中优选实施例检测器电路的结构下，检测器178和180的暗电流倾 向于消减。因为不匹配的检测器能降低消除效果，所以检测器优选匹配。 在较严重的失配情况下，残余暗电流能到达150pA。暗电流的温度系数是 115％/℃，这在差分暗电流中能转变为172pA/℃。在示例实验实施例中， 光电流是2.0μA的量级。因此，在相对差分电压比VD/VR中，检测器暗电 流产生8.6×10-5/℃的电位漂移率。
根据实验观察及考虑到测量所需的合理时间(达15min)，提出优选 实施例设计的优化目标。发明人估计与测出的1×10-6AU一致的允许的最 大热漂移率大约是0.001℃/分钟。等于或低于该水平的温度漂移率可根据 图1-7所示的优选实施例获得。
本发明的另一方面是元件的热稳定性。本发明实施例中的主要的无源 热稳定性有两个方面。在壳体内，元件由高热导率的材料制成，例如，实 心的铝、钢、铜和其它的金属。内部元件间的热传输促进本发明实施例中 的热平衡。与外部环境绝缘是另一方面，通过减缓装置的响应来保护仪器 受环境的影响。提供有较大热容的厚基座，例如，3/4英寸厚的不锈钢板制 成的厚基座，作为内部元件热传输基础。大的金属光学装配件也提供大的 热容和机械稳定性。直接安装在基座板上的厚约3/4″的实心钢块装配件提 供稳定性，例如，整个壳体可用一层1/2英寸的商用隔离材料来热屏蔽。
在优选实施例中的隔间化具有多种好处，这些好处直接或间接的降低 了热漂移的易发程度。隔间化允许将一些光学元件安装在壳体壁上，壳体 壁具有优良的热接触和热稳定性。壁122、128、148、162和176使图1， 3-5实施例的目标更容易实现。在图6、7的实施例中，用一体的基本实心 的壳体来获得优良的热接触和热稳定性。其次，它允许样品室和参考室隔 离光，这减少了与散射光相关的问题。另外，壁和壳体的内表面优选涂一 层吸光材料，例如，粗糙的黑涂料。
透镜、滤光器和反射镜，例如，114、124、126、132、142、144、146、 172和174，配置成能抵抗温度变化引起的性能变化。光学元件的装配件是 实心的、大的。大尺寸保证抵抗热膨胀的稳定性。为降低电位热漂移，光 束分离器的支持件可由非常厚重的材料制成，例如，3平方英寸、1/2英寸 厚的实心金属。在15分钟中，可以使由光束分离器引起的差分漂移低于1 ×10-6，或者可以使由光束分离器引起的差分漂移为6.7×10-5/℃。
典型的硅光电二极管检测器在可见光范围内(400-750nm)具有接近 20％的反射率。从检测器表面捕获反射光认为是有益的。向样品支持件154 或参考支持件156反向传输的光产生不希望的反射和散射。如果允许反射 光反向传输到样品或参考室支持件154、156上，那么，在室、透镜和检测 器表面之间产生多次反射。在多次反射下，能引起任何这些元件任何重新 定位的任何微小热变化能阻止检测10-6量级的光变化。在透射实施例中， 控制检测器表面的反射光能解决这个问题。控制反射的优选方式包括对准 样品检测器178和参考检测器180的表面成一定角度，该角度不垂直于入 射光。
在优选实施例中，检测器上的入射角是45度，从而反射光的传输方向 相对于入射光是90度。检测器室182和184以一定角度安装检测器，分别 引导反射光186和188进入光阱194和196。可以使用在能引导光进入光 阱的下限和允许所有光被检测器收集的上限之间的任何角度。这些极限值 将由光束和检测器的截面积决定。反射光186和188被光阱194和196捕 获，光阱内表面涂黑。认为在检测器表面捕获反射光对确定小于5×10-5AU 的吸光率是重要的。
在样品或参考光路径上的任何类型的污染物或颗粒都将引起相互作 用。这里的污染物和颗粒已确定包括例如气泡、溶解的气体和灰尘。例如， 如果在样品区域的光束截面大约是5mm2(根据第一实施例的示例原型)， 那么任何截面大于5μm2或直径超过2.3μm的颗粒能引起大于1×10-6AU 的噪声峰值。在我们的研究中发现，引起问题的浮在空气中的颗粒通常能 在关闭室后20分钟下沉到样品室底部。样品光束内大气尘粒的存在能示出 为检测器信号中的一系列的正向尖峰。当颗粒下沉后，灰尘峰值随时间有 降低的倾向。另一方面，由于布朗运动，液体中的颗粒通常要好几个小时 才能沉积到室底。此外，温度的任何变化将恢复它们在整个液体室中的运 动。这是液体样品中检测非常小的吸光率的严重的问题。在我们的测试中， 这些颗粒很容易引起高达5×10-5AU的噪声。
在测试过程中确定，由于空气中的尘埃，传统的有塞的试管结构不适 合确定低于5×10-5AU的吸光率，因为在清洗该室或更换液体的任何时候 尘粒都能进入试管。此外，打开样品室会将空气中的颗粒引入光学系统。 优选在实心的金属体上镗孔，作为必要的液体通道和孔。除了尘埃问题， 发明者还识别了附加的可能的噪声源。例如，确定研究下的液体温度与室 的温度可能有几度的差值。通常使用的石英室的热导率相对较小，因此常 需要5分钟或更长时间来稳定液体的温度。本发明的另一方面解决由尘埃/ 颗粒和室温的变化引起的可能的噪声。
示例性实施例的反射测量方法和装置根据图1实施例的修改。图3示 出图1实施例的修改部分，为进行内部反射测量，替换图1中的透射室154、 156。这要求不同的室，并重新定位检测器。
在图3中，样品光束300进入内反射光学装置，例如，棱镜302或其 它内反射光学装置。光通过棱镜302，射到互作用面304，在那里光被全内 反射，从而，光束306从棱镜302射出。在该过程中，光束的方向变化90 °，但是该角度仅是示例性的，其它方向的变化也可以使用。反射光束306 被透镜308聚焦在安装在室内的样品检测器310上，该室以参考图1所述 (不垂直)包含光阱311。分析物(样品)在棱镜的互作用面304上，当 光束在表面304上全内反射时，光实际穿透分析物很小的距离(所谓的迅 衰波)。穿透深度大约等于光的波长。因为光透入样品，光束强度由于吸 收或与表面304上的样品发生其它的互作用而衰减。光强度衰减的程度取 决于样品的化学特性，并能被用来量化分析物。通过具有入口316和出口 318的封闭的样品容器314将样品放到表面304，入口和出口与壳体的外表 面相连，以允许不完全打开整个壳体就能将分析样品放入样品室，打开整 个壳体将引入与大气尘埃有关的基线噪声。
与样品光束类似，参考光束320进入棱镜322，并被反射出棱镜的互 作用面324。出射光束326被透镜328聚焦在参考检测器330上，如，光 电二极管，参考检测器330被容纳在含有光阱331的室内，并以非垂直角 度安装。参考物被放在设置有入口336和出口338的封闭的互作用的容器 334中。参考光束与在参考互作用面324上的参考物相互作用的特性与样 品互作用面304上发生的特性一样。
样品和参考检测器310和330的信号分别通过信号线312和332传输 到检测器电路340，在示例实施例中，检测器电路与图2A或2B检测器电 路一样。通过取样品检测器310和参考检测器330的输出差，能够消除检 测器电路340的源噪声。源噪声消除要求样品和参考光电流是平衡的，分 析物引起的光吸收能够测量。这很容易完成，并在下面的例子中说明。
为简单起见，假设分析二元气体混合物。主要成分的气体大量存在， 次要成分的气体以微量存在。微量气体被称作分析物，关注的是，测量分 析物的量。将二元气体样品混合物置于样品互作用容器314中，将纯的主 要气体置于参考互作用容器334里。在这些条件下，如果主要气体吸收光， 那么样品和参考物中气体吸收量基本相同。另外，从棱镜302、322互作用 面上反射的光的量和被棱镜体吸收的光的量对于样品和参考光束是相等 的。这样，除分析物的吸收外，样品检测器310和参考检测器330上的光 电流应保持平衡。从而，主要气体的吸收和棱镜的吸收/反射效应被消除， 因此分析物的定量是可能的。另外，因为光电流保持基本平衡，源噪声被 消除。在参考容器334中没有主要气体，从样品检测器310获得的信号中 将有主要气体和分析气体的吸收效应，主要气体的吸收率需要在单独的试 验确定。另外，在没有合适的主要气体参考下维持光电流平衡更加复杂。 对于液体分析物样品，调节棱镜302和322以允许大于90°的内反射角， 这就要求附加光学元件或对检测器310和330重新定位，从而，检测器能 够接收到与样品和参考互作用后的参考光束和样品光束。检测器电路340 的输出342传输到计算机或其它控制装置。用不同光学装置建立内反射， 可以增加灵敏度。产生多重内反射的光学装置比单一反射的光学装置灵敏 度高。图1实施例的特征对图3其它方面是适用的，因此，可通过限制源 噪声和漂移的负面影响来提高内反射的灵敏度。此外，图2A和2B的电路 和本发明中消除噪声的一般的方法也能提高灵敏度。
图4示出了图1实施例的另一种改进型式，测量方法依据镜面反射。 样品光束400射入壁404的光滑的反射互作用面402，例如，反射镜。在 互作用面402，光与样品相互作用，反射光束406被透镜408聚焦在样品 检测器410上，如光电二极管，检测器410以与入射光不垂直的角度被安 装在含有光阱411的室内。检测器410通过信号线412输出信号。在图4 中，对互作用面402的入射角和从表面的反射角都是45°。因此镜面反射 将样品光束的方向改变了90°，但这个角度与图3实施例一样可任意选择。 样品室包括光学透明的密闭互作用容器414，其包括作为互作用容器414 的一部分的壁404并通过壁密封。入口416和出口418允许将样品放入互 作用容器414。入口和出口与外面的壳体相连，以不打开这个壳体就能填 充互作用容器414。实心的壁404组成互作用容器的一侧，使得反射互作 用表面402可以与样品接触。特别关注的是，研究放在互作用表面402上 的气相物质的光吸收。
参考室使用相似的构造。样品光束420射入壁424的光滑的反射互作 用表面422，如反射镜。与参考气体(或液体)的相互作用发生在互作用 表面422上，反射光426被透镜428聚焦在参考检测器430上，如光电二 极管，其以与前面所述的方式相同的方式被安装在包含光阱431的室内。 参考检测器430通过信号线432输出它的信号。光学透明的互作用容器434 被密封到壁并包含壁424作为互作用容器434的部分。入口436和出口438 允许将样品放入互作用容器434。入口和出口与外面的壳体(图1所示的 壳体)相连，以不打开壳体就可填充互作用容器434。
样品光束可能被衰减的情况为：(i)当通过互作用容器414的壁时；(ii) 当通过装在互作用容器中的气体样品时；以及(iii)射入反射互作用面402 时。参考光束可能被衰减的情况为：(i)当通过互作用容器434的壁时；(ii) 当通过装在互作用容器的参考气体时；(iii)射入反射互作用面422时。如 果在互作用容器414和434里保持相同的气体，那么被气体和室壁吸收的 样品和参考光束的量是基本相同的。在吸收方面，唯一的可能差别发生在 光束射入两个不同的互作用表面402和422时。
如果(i)样品表面402有很强的与气相中一种或多种成分发生相互作 用的倾向，(ii)参考表面422与气相成分相互作用的倾向很小，则图4实 施例特别有用。例如，涂有抗体或特殊调配的聚合物的样品的互作用面402 可通过化学处理激活。这样的表面处理能导致化学物质与反射面之间强烈 的相互作用，因此，样品互作用面402能捕获存在在气相中的一种或多种 目标物质。在参考互作用面422上，相同的物质不会被捕获。如果互作用 面402上的物质吸光，那么该吸收能用于检测和量化吸收物质。
图1实施例的特征还对图4适用，因此，可通过限制源噪声和漂移的 不利影响来提高镜面反射的灵敏度。另外，图2A和2B的电路和本发明的 噪声消除方面的一般方法也能用来提高灵敏度。图4的实施例允许完成源 噪声的消除和测量被保持在表面上的物质吸收的少量光的量。这样，镜面 反射测量法能用来监测样品表面的结构，在所述表面上可以用于检测和研 究吸收的分子层的物理和化学特性。
图5示出了图1实施例的另一个修改和根据漫反射进行测量的方法。 样品光束500射入壁504上的粗糙互作用面502。光在由箭头表示的方向 范围散射。部分散射光506被反射镜聚焦到样品检测器510上，所述检测 器如安装在含有光阱511的室中的光电二极管。样品检测器信号传输给信 号线512。闭合的样品互作用容器514的一侧由壁504形成，从而，通过 入口516和出口518供应的样品可以与互作用面502相互作用。
参考室被类似地构造。参考光束520射入壁524上的粗糙互作用面 522。光在如箭头所示的方向范围上散射。部分散射光526被反射镜528 聚焦到参考检测器530上，参考检测器530被安装在含有光阱531的室内。 参考检测器530在信号线532上输出信号。闭合的互作用容器534将参考 物送到互作用表面525并通过入口536和出口538供应。检测器电路540 从信号线512和532接收信号，并在信号线542上形成输出。在示例实施 例中，检测器电路540根据图2A或图2B构造。例如，信号线542的输出 可以传输给计算机或其它控制装置。
与其它实施例一样，上述提高灵敏度的方法可用来提高漫射测量。在 上述所有的实施例中，样品和参考检测器可用来产生光电流，其可以以多 种方式处理以提高灵敏度。例如，取样品和参考光电流的差来抑制光源较 快的随机波动。在峰值高度光源的更慢漂移的影响可以通过与参考光电流 相比来补偿。因此，公式3给出的函数类型是在所有应用中定量的基础。 对于应用Beer-Lamber定律的透射测量中，必须使用公式4。对于所有其 它方面的应用，可直接使用公式3，VD/VR与分析物浓度间的相关性以 经验确定。
如果应用到通用仪表上，室的入口、出口和主体对大多数有机溶剂也 应该是化学稳定的，然而，特殊用途的仪表可调节以抵抗特殊溶剂。Teflon 垫片在室结构中用于密封。应过滤入口和出口来阻止空气中的灰尘进入系 统。在自动仪器中，气体或液体的流量能通过控制系统精确控制，控制系 统可包含传感器，以监测例如室的压力、流量和温度。传感器应仔细挑选， 避免仪器内的热效应。清洗和过滤入口和出口系统来消除仪器制造结束和 装置设置时产生的灰尘颗粒。之后，如果样品和参考材料通过适当过滤的 入口和出口放入，闭合的系统将保持清洁。使用的过滤系统的类型应根据 被分析物是气体还是液体而变化，但许多市场上的过滤技术是适合的。
过滤的液体样品和参考物除去了尘埃和颗粒。然而，在液体的情况下， 气泡和溶解的气体由于可能引起噪声也被识别。本发明的另一方面是研究 从液体样品中去除溶解的气体的处理方法。这可在放入样品室之前，通过 对液体进行脱气预处理来实现，例如超声处理。对于液体样品，本发明的 优选的处理方法是对溶剂和分析溶液进行脱气。脱气消除了溶解的气体。 通常，当将液体放入闭合系统时，在样品室里的气泡就不是什么问题。然 而，脱气也可除去气泡。
一体的壳体结构能提供根据本发明的紧凑的、机械和热稳定的装置， 并能用于上述任何类型的测量。示例实施例将示出本发明中另外的优选特 征。图6示出具有一体的壳体的优选实施例。图6实施例中的热稳定性主 要从一体的实心金属壳体600得到。使用热导率高的材料，例如铝。为安 装和放置装置元件，空心部分600a被钻出一定形状和深度。实心的金属盖 板(没有示出)密封壳体600，所述壳体的包括盖板的所有面都被隔离。 一体的结构壳体600还提供极好的机械稳定性。在紧凑的室内，一体的实 心金属壳体能提供相对大的热质量，允许比图1实施例中的情况更小的装 置。在图6中，光学元件的间隔是示例性的，而一体的壳体允许缩短光路 径的长度，并且仍能达到本发明的热稳定性。发现具有图6整体特征的实 验透射装置的热漂移<0.005℃/分钟。
从单色仪发出的单色光通过光纤601和孔602接入壳体600。光束603 通过准直透镜604，准直光束605以45°入射角射向光束分离器606，产 生透射光束607和反射光束608。光束607以45°入射角射向第二光束分 离器610，产生透射光束611和反射光束612。光束分离器610和606相同。 光束611被光阱613捕获。同样，光束608以45°入射角射向第三个相同 的光束分离器614，产生透射光束615和反射光束616。壁600b被加工从 而以45°入射角精确地安装分束器606、610和614。光束616被光阱617 捕获。在这里，两束光612和615应很好的匹配(相同的相位、强度和偏 振)。这种光束分离器的布置获得在紫外到远红外波长范围的相匹配的光 束。然后光束通过聚焦透镜618和619，其在样品室和参考室聚焦光束620 和621，样品室总体由622示出(构成为根据图3的全内反射结构，包括 表面、闭合容器、入口、出口等，如图3所示)，参考室总体由623示出 (构成为根据图3的全内反射结构)。光束在与样品和参考样品相互作用 后分别从棱镜622a和623a射出，通过透镜624和625聚焦，进入检测器 室626和627，在检测室检测器628和629通过信号线630和631将输出 信号输入检测器电路632。光束分离器优选安装在实心金属壳体600的壁 结构600b上。棱镜保持在装在基座板上的支持件中。这提供了热和机械的 稳定性。另一个选择是例如在壁600b上提供预定槽作为空心部分600a部 分，以安装棱镜。光束从检测器表面反射进入检测器室的区域633和634， 并在此被捕获。在优选实施例中使用了三个光束分离器导致初始光功率损 失超过一半。具体的量取决于光束分离器的特征。为减少光损耗，可以使 用分离比为50/50(R/T)的可市场获得的光束分离器。虽然损耗了光，但 具有三个匹配的光束分离器的结构具有很大的优点，两束出射光在所有的 波长都具有相等的功率，也就是，P615＝P605R606T614和P612＝P605T606R610，这 里反射系数R606＝R610＝R614，透射系数T606＝T610＝T614。光束在整个波长内 具有相同的偏振和相位。这大大地简化了平衡光束的问题。我们的初步测 量和计算表明，在可实现的条件下(加工公差和商业光束分离器)，光束 功率的差异在整个紫外到远红外的波长范围内远小于0.5％，这足够保证将 源噪声消除在散粒噪声极限以下。在图2中示出的所有的优选检测器电路 在相同功率的光束下将非常好地运行。
作为三个光束分离器结构的替换，在图6实施例中可使用可市场获得 的反射镜棱镜。利用反射镜棱镜，校准光束从棱镜的两个反射镜面被反射 成两束相等功率的光。两束光偏离180°，因此，他们必须通过两个额外 的镜面反射重新将光变为平行。因为光在顶点可能散射，因此反射镜棱镜 的该区域通常被遮光。光束的功率比可通过移动棱镜或适当设置的孔来调 节。然而，根据我们的实验，我们相信这种结构比三个光束分离器结构更 易发生热漂移。
另一个具有基本上实心的一体壳体的优选实施例在图7中示出。图7 的实施例与图6的实施例相似，具有实心壳体700，并具有图6实施例的 较好的光学稳定性特征，实心壳体700具有放置元件的空心部分700a和安 装光束分离器的壁结构700b，但是图7实施例与图5一样利用粗糙表面的 漫反射。例如，图7中光源702是激光器，其具有光学元件以产生光束， 图6中的三个光束分离器结构通过光束分离器704、706、708获得。样品 室和参考室总体由710和712表示，它们根据图5构造(参照图5，包括 粗糙的表面、壁、容器、反射镜、入口、出口等)。
虽然已经示出和描述本发明的各个实施例，但是应该理解，对于本领 域的技术人员来说，其它的修改、替换和变更是显而易见的。在不脱离由 所附权利要求确定的本发明的实质和范围的情况下，可以进行这种修改、 替换和变更。
在所附权利要求中阐述本发明的各个特征。