CN101023337A - 具有谐振平台的椭圆光度装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种属于椭圆计一类的装置的有利的改进方案。在此，常规的椭圆计补充一个所谓的谐振平台，在这个谐振平台的表面上可激励多种模式。与现有技术已知的表面等离子体相反，本发明的模式是横向定位的。此外，该谐振平台不需要包括一层金属膜。这种装置也可是一种成像装置。在本发明的方法中，待测试样被放置在谐振平台的表面上后，随即用光线照射并由此激励所述模式。所述模式的谐振位置是由被测物质的吸附特性来决定的。

Description

具有谐振平台的椭圆光度装置

技术领域

本发明涉及一种测量基片上的物质的量、成分和/或空间分布和动力性的装置和方法。

背景技术

众所周知，借助光学传感器可确定表面上的物质的存在或特性，在此，在空间上分辨地检测该表面的一个区域的成象技术是特别有趣的：传统方法中，反射、传输、吸收、散射光或相移皆可成像。这可在一定的波长内发生或进行光谱分辨。一个重要的、可变的参数是入射角。

利用表面来影响入射光的偏振的技术是特别敏感的。在这种情况下，要分别确定反射后s和p偏振的振幅变化的比(Psi)以及反射后偏振元件的相对相移(Delta)。为此，椭圆计分别在s和p偏振时包括至少把偏振光加到试样上的机构和从该试样反射的或传输的光的测量机构。待分析的表面的光学特性可从中推导出来。椭圆光度法已被成功地用于一个表面上的蛋白质或较小分子的吸附的测定。在Carter等人提出的美国专利4,508,832中用一个椭圆计来按免疫测定法测量一个被测表面上的抗体和抗原结合。

椭圆光度法的方案与显微镜检查法的方案相结合的成像的椭圆光度法借助硅基片上的透明薄膜进行演示。但在一次反射后，偏振特性的变化是很小的，所以探测到一个噪音大的信号。此外，这种方法的缺点是，光线是通过周围的介质传播的，特别是在实施测量过程中，周围的光学性能可能发生变化。

如果使用光学透明的基片和内全反射(TIR)原理的话，周围介质的影响问题几乎是不可能回避的。从Kempen提出的US 6594011中已知一种包括一个光源系统、一个全反射系统和一个探测系统的测量装置。其中，带有待测定的物质的表面设计成一个全反射层状系统。这就是说，待分析的物质所接触的表面通过两个透明层的一个界面构成，其相对的折射率是这样选择的，即以大于所谓临界角的入射角入射一个透明层的光在构成待分析物质的界面之一上被全反射。全反射的机理是本领域普通技术人员所熟知的。在全反射情况下会发生入射光的偏振特性的改变。如果现在已知入射光的偏振特性，则反射光的偏振特性的分析可推断出该表面上的待分析的物质的特性，尤其是可推断出它的质量分布和/或层厚。在US 6594011中，光的相互作用只限制在一次全反射上。从而实现了测量系统的总分辨率只受到探测系统的分辨力的限制。这样，在理论上就可用任意高分辨的探测系统在空间上进行任意精确地测量。但在一次全反射的情况下，偏振特性产生的变化在这里也是很小的，所以测出了一个噪音大的信号。

为了增大信号并由此提高灵敏度，一种方案是椭圆光度法与表面等离子体共振技术(SPR)的组合。在常规SPR技术的范围内，反射光作为入射角的函数进行测量。在所谓谐振角的情况下，表面等离子体(Oberfiaechenplasmonen)被激励而在该表面的范围内导致严重衰减的场并导致严重减弱的反射。伴随表面等离子体的激励而来的最小反射发生位移，如果在表面上吸附有一种物质即形成一层并增加层厚的话。椭圆计测定椭圆光度法的参数Psi和Delta。其中可看出Psi类似于传统的SPR法的测量信号，而Delta则提供附加的信息，并特别是作为入射角的函数而可显示一种明显的谐振。缺点是，基片必须是金属的或至少具有一层金属膜，等离子体在该基片的表面被激励。但金属膜用于生物分析的使用场合往往是不利的，因为这种膜在制备上存在诸多困难，特别是这涉及到可重复性。特别是金属膜的寿命常常是很有限的。

因为对探测器系统本身的分辨力作了物理和技术的限制，所以可用带有多次反射的全反射系统。光线在一个能够进行全反射的最小角度下输入一层高折射的层中并在它从该层射出之前进行多次全反射。光线输入和光线输出之间的距离是这样选择的，即多次全反射的区域相当于探测器系统的分辨力。其中层厚是这样选择的，即在光从该层输出之前，光在该层中被多次全反射。通过全反射系统的结构可使光在空间区域内绕过每一个相当于探测器系统的分辨力的测量点，并在输入光的衰减场和待分析的层之间发生多次相互作用。这种系统作为非对称波导是为本领域普通技术人员所熟知的。输入这样一种波导是典型的光谐振现象。所描述的多次全反射被称为波导。只有在超过一定的层厚和只有在确定的(谐振)角度时才发生波导。光的与此有关的传播被称为波导模式。但如果层厚低于一个所谓的极限值时，则在非对称波导时根本不再发生多次全反射，因为不再容许任何模式。

在一个多次反射周期内，光线在波导内移动的距离相当于传播常数的倒数。在具有折射指数Ng＝1.5的玻璃上的具有折射指数Ns＝2.2的一层典型的波导层和在真空中波长为633纳米时，其极限厚度为200纳米。在这种情况下，光线在接近超过总反射角时在玻璃和该层之间传播。所以需要大于400纳米的传播，以便在外界面上获得两次全反射。在11次全反射时已是4微米并在很大程度上限制了分辨力。

发明内容

所以本发明的目的是这样改进上述那种装置，该装置基于光学谐振范围内光特性变化的局部清晰(ortsaufgeloesten)的探测，使探测的信号质量得到改善和尤其是达到分辨率的提高。

这个目的是这样实现的，即本发明的装置包括一个这样设计的谐振平台，该谐振平台能够实现横向定位的谐振的激励。

本发明的另一个目的是这样改进上述那种方法，该方法基于光学谐振范围内光特性变化的局部清晰的探测，使探测的信号质量得到改善和尤其是达到分辨率的提高。

这个目的是这样实现的，在该方法中具有这种参数的光线被施加到一个谐振平台上，该参数可导致横向定位谐振的激励。

本发明包括一个带有一个椭圆计和一个谐振平台来实施椭圆光度法测量的装置，在该谐振平台上设置有用于在光线被施加到椭圆计上时激发横向定位谐振模式的机构。

在该谐振平台上设置的上述机构例如可包括一个谐振光栅，它的光栅周期是椭圆计的光源发出的光线波长的数量级。

带有谐振光栅的谐振平台可包括一个透明的基片，该基片涂覆至少一层介电层，且该谐振光栅设置在该层内或设置在界定该层的至少一个界面上。

如果该谐振平台在该装置中可围绕一根轴线相对于椭圆计的光线的入射平面可转动地支撑，并在旋转过的位置上可进行固定，则有利于进行测量，所述轴线在谐振平台表面上保持垂直。

上述类型的装置可包括一个待成像的椭圆计。

根据本发明，对一个表面上的物质的吸附或解吸附的测量可按下列步骤进行：

-制备椭圆计；

-制备带有横向定位模式谐振表面的基片；

-该表面与一种包括待测量物质的介质接触；

-通过将偏振光施加到该谐振平台进行横向定位模式的激励；

-与至少一个激发参数相关地确定谐振曲线的位置。

此外，在该表面与介质接触时可测定谐振曲线的位置作为参考而不用待测定的物质。

如果使用一种成像方法，则可局部清晰地确定参考曲线的位置。这就提供了把测定的局部清晰的位置数据处理成图象的可能性。

在椭圆光度法中测定常用的参数PSI和/或DELTA是有利的，其中PSI给出反射后s和p偏振的振幅变化的比例，而DELTA给出反射后偏振元件的相对相移(Delta)。

通过呈锥形地施加光线来实现横向定位模式的激励可使该方法达到最佳化。

下面对本发明的装置和本发明的方法一起进行讨论。

在本专利申请的范围内，表面等离子体(SPR)不算作横向定位谐振，因为它的传播通常持续多个微米，所以不可能实现紧接的谐振的高分辨率所需的激励。

在本专利申请中，每个光学谐振叫做横向定位的谐振，该谐振不是等离子体谐振，而且该谐振把与表面的谐振相互作用基本上最多限制在一个范围，该范围位于随传统的全反射而来的、而且是本领域普通技术人员所熟知的古斯-汉欣效应(Goos-Hnchen Effekt)的数量级内。

所谓的衰减谐振属于横向定位的谐振现象，该谐振例如可通过谐振的光栅获得。在谐振光栅的情况下，光栅周期位于用来激发谐振的光线的数量级内。在英语文献中被称为光子频率带隙结构的结构在传播中导致极大的损失，所以定位的模式在表面上具有高的场区。例如C.Adlar，E.R.Pike Sarkar在题为“Localisation of One Photon States”一文中进行了详细讨论，见《Physical Review Letters》，79卷，9期，1585～87页(1997年)。一些衰减的谐振器在谐振中显示出异常高的反射或传输。在专利申请WO 2001002839中公开了这种具有异常高反射的结构。这里要特别指出的是，这种结构用于荧光分析的范围是颇有成效的。与传统的波导结构比较，这种光栅结构具有这样的优点，所作用的光线几乎不在高折射的层内传播。

这里举例讨论的结构包括一个具有折射指数ns＝1.52的玻璃基片(也可使用塑料)，在其上的一个表面可实现一个周期的表面光栅(光栅周期p＝360纳米，光栅深度为40纳米，连片与沟道比为1∶1)。该表面涂覆一层150纳米厚的Ta205层(折射指数nf＝2.1)。(其它的层材料例如TiO2，Nb2O3等可用相应的匹配参数)。如果例如构成一个层系统，则绝对不只限于高折射的材料。玻璃表面的光栅可再现在Ta2O5层的表面。与该层邻接的介质是水(nc＝1.33)。当波长为633纳米的光线以0°至6°的入射角作用到这种结构上且入射平面分别通过光栅矢量和该表面的法线占据时(非锥形的入射)，则产生在图1中用虚线示出的TE-偏振反射(电场矢量垂直于入射平面)和用实线示出的TM-偏振反射(电场矢量垂直于入射平面)。这两者以左边的Y轴计数(反射1相当于100％反射)。此外，图中按反射示出了相位移的相位差，它相当于从椭圆光度法中已知的Delta值(叉号)。其在右边的Y轴上计数。其中，对反射TM和Delta来说，都在4°至4.6°的范围内出现明显的变化。特别是Delta的斜率作为入射角的函数是有趣的，因为对传统的椭圆光度法来说，这个斜率决定测量系统的分辨力，亦即确定极小的尚可测出的层厚变化。为此，在常规的椭圆光度法中，有一个对谐振光栅结构不适用的函数关系。但发明人发现，借助理论的模拟可确定Delta曲线的移动的对应，然后根据Delta曲线即可很精确地确定层厚变化。对于在本专利申请范围内所观察的生物物质确定其在表面上的吸附时，为简化起见在第一实施例中假定其折射指数相当于涂层的折射指数。在表面上的生物淀积基本上与层厚的增加一致。在更精确地观察时，可假定一个与生物学吻合的指数和考虑连片壁的覆盖。但原则上这些毫不改变结果。图2表示在两个不同厚度(101纳米和100纳米)时在3.8°至4.3°范围内的椭圆光度法的常用参数Psi＝tan(R_TM/R_TE)和Delta。很明显，对淀积是可测出远高于1纳米的分辨率。从图中可估计出0.1纳米的分辨率是完全可以测量的。如果在两个偏振相关角度范围内存在足够(大于等于入射光强的1％)的反光信号则是有利的。在这种情况下，可很好地求出计算Delta和Psi值所需的商，而不干扰可能的、例如电子的背景。在这里所观察的实施例中，TM和TE偏振的反射在角度3.9°至4.3°范围内的值都大于1％。通过商TM/TE的形成可保证求出例如光强的波动。当然，应特别重视以有利的方式进行偏振的控制。

图3再次示出四种不同层厚(150纳米、150.1纳米、150.5纳米和151纳米)的相同函数Psi和Delta。粗线相当于150.1纳米的值。如图所示，分辨率达到0.1纳米和0.1纳米以下是不成问题的。

如上所述，在更精确一些的观察中，生物的精确指数(nb＝1.48)和材料被吸附的方式(光栅的侧壁也被覆盖)可一起进行计算。图4表示Psi和Delta作为一个带有1纳米生物覆盖的结构的入射角的函数(实线)以及没有这种覆盖、即带有150纳米层厚的初始结构的值(虚线)。这里也清晰表明可用相当高的精度测定层厚变化。

也可观察0°至2°角度范围内的反射的商。当然，此时TM偏振的反射信号大约在0.35％并且求商变得更关键。在这种情况中，最好考虑TE-偏振的绝对信号。DELTA在这个角度范围也呈现随层厚的增加而移动的特点，但两者都不很陡，所以不提供分辨率。

用这种方法可很好地进行成像的椭圆光度法。一个如上所述的本发明基片就这样可在局部清晰的和无标记的情况下进行有关被吸附材料方面的检查。因为这是无接触的，所以也可进行动态-测量。

如前所述，原则上每种光学谐振现象都适用于产生横向定位的模式。所以本发明的范围不限于已详细讨论的具有反射异常的谐振光栅。

至今为止的讨论只限于非锥形照射的情况。所谓非锥形照射指的是光线入射时入射平面与栅格条保持垂直，即光栅矢量位于入射平面内。如果光栅矢量从入射平面旋转出来，则叫做锥形照射。发明人强调指出，锥形照射有利地在本发明的范围内应用。其中必须注意谐振角是以光栅矢量从入射平面旋转出来的光栅旋转角的值即角度值变化的。如前面已经讨论过的那样，测量精度的限制因素是Delta斜率。下表给出Delta斜率与光栅旋转角的测出的关系。表中最后一列中把这个测量值转换成灵敏度。

光栅旋转角度O[°]	谐振的入射角[°]	谐振中测出的Delta斜率Δ/	计算的灵敏度[pg/mm2]
				10	33.5	200	1

15	29.3	330	0.65
				20	25.6	430	0.5

具有谐振的各式各样的光栅几何形状都可使用。也可使用在x和y方向内例如具有不同光栅周期的正交光栅。那些在很小入射角时具有谐振的结构是特别有利的。这时，椭圆光度法例如可配置一个一般的荧光扫描仪。当然，已经生产出能够选择入射角的荧光扫描仪(例如Tecon公司生产)。上述的无标签(labelfrei)的方法也可考虑配置这种扫描仪。

总的来说，用本发明达到的灵敏度与完全的SPR测量的灵敏度是相同的。如上所述，可通过光栅旋转把灵敏度设定到要求的值。为此，在可调谐的SPR传感器情况中无需复杂的辅助机构例如接通电场(专利DE 100 19 359)。与SPR比较，这里不需要通过一个棱镜在使用浸渍油的情况下来输入光线。同样也摒弃了金属膜的使用。金属膜的缺点在于必须使用硫醇作为生物原子(Bindungspartner)的激活剂，而且金膜的光学特性是不能可靠再现的。在没有金属和浸渍油的情况下，处理变得明显简便和快捷。

为了SPR传感器上的反应层厚度的定量，必须在动力学之前确定每个传感器上的金膜的参数即厚度、指数和消光，因为这些参数一般是随产品批量而变的。在谐振平台的情况下则不存在这个问题；与SPR比较，谐振平台的特点在于例如在反应动力学的情况下可用较少的测量费用和较高的精度测量Ta2O5上的层厚。

在许多沟道中的反应动力学的测量同时也可在光栅耦合元件上进行，就象通常在一个SPR传感器上用成像的SPR那样。其中在恒定入射角情况下测出层厚变化过程中的Delta变化并从中确定层厚动力学。

Claims (11)

1.实施椭圆光度法测量的装置，具有椭圆计和谐振平台，在该谐振平台上设置有机构，通过该机构在光线射到椭圆计上时可激发横向定位的谐振模式。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机构包括谐振光栅，它的光栅周期是椭圆计的光源发出的光线波长的数量级。

3.按权利要求2所述的装置，其特征在于，所述谐振平台包括透明的基片，该基片涂覆至少一层介电层，并且所述谐振光栅设置在该层内或设置在界定该层的界面中的至少一个界面上。

4.按权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，在所述装置内的谐振平台可围绕一根轴线相对于椭圆计的光线的入射平面可转动地支撑，并在旋转过的位置上可进行固定，所述轴线在谐振平台表面上保持垂直。

5.按前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述椭圆计是一种待成像的椭圆计。

6.对在一个表面上的物质的吸附或解吸附进行测量的方法，包括如下步骤：

-制备椭圆计；

-制备带有横向定位模式谐振表面的基片；

-该表面与一种包括待测量物质的介质接触；

-通过将偏振光施加到该谐振平台上进行横向定位模式的激励；

-根据至少一个激励参数确定谐振曲线的位置。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，在该表面与该介质接触时确定谐振曲线的位置作为参考而不用待测定的物质。

8.按权利要求6和7中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考曲线位置的测定是在局部清晰的情况下进行的。

9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，测定的局部清晰的位置数据被处理成图像。

10.按权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，测定椭圆光度法中的常用参数PSI和/或DELTA，其中PSI给出反射后s和p偏振的振幅变化的比例，而DELTA则给出反射后偏振元件的相对相移(Delta)。

11.按权利要求6至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述光线呈锥形地施加来激发横向定位模式。

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