CN101023339B - 光谐振分析设备 - Google Patents

Abstract

光学分析设备，特别适用于执行光栅耦合表面等离子体激元谐振(SPR)成像功能，包括旋转光源，能扫描越过投入到固定目标传感器(例如SPR传感器)的入射光的角度范围。例如由CCD照相机检测来自照射传感器的反射图像，并且例如由适合的算法处理所述图像和角扫描数据，以提供在所述传感器表面上发生的反应实时分析。

Description

光谐振分析设备

相关申请交叉引用

本申请要求获得美国临时申请号60/492061和60/492062的优先权，这两个专利的申请日期均为2003年8月1日，这儿结合这两个专利申请的披露作为参考。

发明领域

本发明一般涉及光谐振分析系统。特别地，本发明涉及用于进行使用照明的光栅耦合表面等离子体激元谐振成像的一种改进仪器和用于在传感器阵列表面上发生多次反应的实时分析的检测系统。

发明背景

光栅耦合表面.等离子体激元谐振(GCSPR)的基本工作原理利用了某一波长的光照射金属表面时所产生的表面电荷振动的优点。例如，一般由涂有高反射金属(例如金)薄层(～80纳米)的塑料光栅构成的传感器芯片配置有特殊的结合分子(例如抗体)阵列。当具有适当波长，偏振，入射角的光照射该芯片时，当来自光的能量耦合进该金属电子以激励表面.等离子体激元时，就会产生谐振状态。这样，这谐振状态是一种金属自由电子在金属/电介质界面的传播振荡。在这个例子中，该金属是金薄层，而电介质是含有待分析分子的水溶液，水溶液流过金属表面，与固定不动的结合分子接触。该表面.等离子体激元体含有与界面垂直的视场，视场沿界面传播。等离子体激元视场的最大振幅位于界面上，并在垂直于它的方向按指数衰减。对电介质的穿透度取决于激励光的波长，典型地在100-300纳米范围内。谐振状态由入射光束的反射率的较大下降来显示(当入射光耦合进表面等离子体激元时)。

因为来自溶液的分子结合到沉积在金属表面的材料中，沉积材料的反射率改变了，于是引起SPR谐振角的漂移。SPR可用于检测传感器芯片表面上的分子结合反应，因为SPR谐振状态取决于金属/介质界面上的折射率。这样，传感器芯片表面上的分子结合反应引起谐振状态的漂移，可根据实现通路监视它作为通路波长，入射角或强度的漂移。

然而，用角度扫描阵列成像来平行地测量许多采样的目前的光栅耦合SPR方法与其他角度扫描光谐振传感器方法(包括Kretchmann SPR成像方法)共有某些缺点。见Kretschmann，Z.Phyzik，241：313-24(1971)。与角度扫描阵列SPR相关的许多问题涉及到系统光学和以下情况：SPR阵列成像需要相对高程度数字化孔径成像系统，以容纳SPR扫描内包含的照射角范围，但对于在角扫描期间的每次单独曝光或图像帧，光线高度地集中于全孔径瞳孔的一小部分中。

用于SPR检测分析的传统透镜设计展示出称作为“步行”或“ROI漂移”的与扫描角有关的图像的缺点，在与扫描角有关的图像中，当扫描照射角(入射角)时，传感器芯片上感兴趣区域(ROI)的图像在检测器表面上移动。在视场的外围区域特别地表现出步行。这种影响是由于依赖孔径角和视场半径两者的高次像差引起的，并当物体面倾斜时更加恶化。这些像差普遍存在于传统的高程度数字化孔径成像系统中，但一般能容忍，仅在所有孔径角都同时存在时，会引起对比度和分辨力损失。然而，在阵列SPR中，它们会引起一个严重的问题，因为必须在传感器芯片仔细定义的位置上进行高精度反射测量作为照射角的函数。对于任何一次曝光仅使用一小部分透镜孔径瞳孔，但是，在角扫描期间，所用的部分移过该孔径，由此，改变检测器上的图像位置。

通过移动包括作为扫描角度函数的ROI的检测器像素以致能跟踪ROI图像移动，在某种程度上可以在软件中补偿ROI漂移效应。参见Zizlsperger and Knoll，Progr.Colloid Polym Sci.，109：244-253(1998年))。然而，对于步行效应的这种后事件数据处理补偿对首次产生更精确数据是一种不大适合的解决办法。

与当前SPR阵列仪器内的孔径瞳孔的上述严重的瞬间未填满相关的另一个问题是由各光表面之间的，特别在透镜元件表面之间的，多次反射引起的“热点”或图像闪耀的现象。虽然，即使使用防反射涂层，这样的多次反射在所有多元折射成像系统中也会引起漫射光和对比度损失，但是该效应一般是无害的。然而，在角扫描SPR成像系统中，在小部分的孔径瞳孔中的光强度的高集中性常常导致漫射光，这漫射光集中在检测器表面的图像区的相对较小区域内。这些集中区是“热点”。然而，当扫描照射角时，热点通常移过该图像。虽然，它们的强度只是检测器上的直接强度强度的非常小的一部分，热点能明显地调制与受到影响的ROI相关的表观反射比倾角。与未受影响的ROI相比，受影响的ROI具有变化相当大的SPR谐振角，由此导致系统中背景噪声的增加。

虽然文献中的其他人已经使用了成像，但是它经受与扫描有关的假象(scandependent artifact)，否则已经完全避免了扫描。例如，Zizlsperger和Knoll，infra.，已经描述了角扫描能导致大量“步行”的一种系统，这经过ROI的软件跟踪精巧地处理。Guedon等人已经描述了一种系统，该系统展现较差的成像和大量步行，但经过使用固定角和相对少而较大的ROI进行补偿。参见Guedon等人，Anal.Chem.，72：6003-6009(2000)和Lyon等人，Review of Scientific Instruments，70(4)：2076-2081(1999)。另一种办法是Knoll专利，U.S.Pat.No.5442448的双光栅法线入射成像，虽然这系统引入了额外复杂性。然而，固定角和波长的系统具有非常有限的动态范围，并易受源强度强度波动的影响。例如，即使用软件补偿，没有一种上述技术能够获得足够好的图像，以能在传感器表面上读取标识语或其他小标识符或索引特征，或甚至一个小的ROI。在例如这儿所期望的需要对目标和基准ROI的阵列的谐振角进行检测的系统中，需要较大的动态范围---即，需要检测变化很大的谐振角，该系统必须承担对于展现稳定反应物(immmobilized reactants)的目标ROI与展现裸露金属传感器表面的基准ROI的比较。这样的应用需要使目标ROI和基准ROI的谐振角相减，以补偿影响到两种ROI的系统波动，例如温度，压力，及体折射率的变化。

Steiner等人，在Journal of Molecular Structure，509：265-273(1999)中，讨论通过倾斜检测器CCD芯片改善SPR图像质量。虽然实现了能纠正对入射SPR成像系统的静态非法线角中发现的简单散焦的目的，它不能完全解决在具有显著动态范围的阵列传感器所需的宽入射角范围上采集图像时的图像“步行”问题。因为Steiner等人的仪器不能连续地进行角扫描，而是仅在单个简单的固定角上采集图像，还未注意到本申请中描述的“剩余步行”。

本发明是第一个描述和纠正了本技术领域中先前未知的这种不希望的剩余步行效应的。

令人惊呀地，本发明经过一整套“角扫描补偿成像”技术，已经解决了这些光学问题，这些技术包括检测器(CCD)芯片的适当地倾斜，使ROI漂移最小化的成像光学的特殊优化，改正片，和特殊对准技术。

因此，本发明针对一种改进的光谐振分析仪，该仪器适合于进行光栅耦合SPR分析，并适用于同时监视传感器表面上含有数百个分立反应区的阵列(例如目标ROI)。如下面描述的，与当前的仪器相比，本发明要提供许多优点，当前的仪器(通常)依赖上述Kretschmann型SP分析仪，并且限于可用反应现场的个数以及测量精度和动态范围。

另外，已经把本仪器设计成：能解决上面描述的、当前在光栅耦合SPR阵列分析领域中存在的许多问题，同样地，代表本领域中显著的进步。

发明内容

因此，本发明针对在光栅耦合表面.等离子体激元谐振中使用的一种改进的光谐振分析成像仪器。特别地，本发明组合了许多特征；这些特征除了对一个传感器表面上多达数千个分子结合反应提供实时的同时分析之外，还提供控制包括系统射流，温度控制，传感器扫描等反应参数中的改进，以及来自所扫描的传感器的数据收集和分析。另外，把本仪器设计成：使角扫描范围，角精度，图像保真度最优化，并能消除谐振假象。另外，本发明描述了新颖的方法，用于利用这儿描述的新颖仪器来监视传感器表面上发生的反应。

与本发明的新颖特征包括在一起的是一种新颖的中继镜设计，这种中继镜设计明显地改进了整个视场上的成像，同时在扫描射线角时使图像移动(“步行”或“ROI漂移”)减少到最小，这依次极大地改善了所扫描的传感器表面的总分辨力。为了实现成像中令人惊呀的改进，关键的是：这儿描述的仪器能使整个集成光学系统达到罕有地精确对准，并特别是传感器，光源，和检测器(例如，CCD照相机)之间的对准，如下面进一步描述的。

更特别地，依据本发明，系统元件之间相互影响的关键方面包括照相机镜头的聚焦位置，检测器和传感器表面之间的距离，以及检测器相对于传感器表面的倾斜角。这儿描述的仪器的机械特征是按这样的一种方式互连接的：以使协调地执行优化光学设备性能所需的必需调整。这些机械调整较佳地借助于图像分析软件来执行，把该图像分析软件专门设计成：能分析临界数据并帮助快速调整各种参数，以快速优化仪器校正，用于改善图像质量并减少光学图像像差。

在一方面，本发明针对全密封的和集成的光栅耦合表面等离子体激元谐振分析设备。该设备包括框式支架，带有设计成能容纳传感器的目标区。在一个实施例中，该传感器可以是光栅耦合表面等离子体激元谐振芯片，适合用作衬底，在该衬底上可精确地排列数千个用于同时进光分析的分子结合反应现场。可如此地设计该设备，以使传感器可机械或手动地插进目标区。

本发明包括用于直接照射到传感器的光源，然后，光照射从传感器表面反射到下面将更详细地进行描述的新颖检测装置的传感器表面。在本发明的实施例中，传感器将保持固定，而将光源安装在仪器支架上，以允许从光源发射的光束引向反射传感器，以通过相对于传感器的多个角度(a plurality of angles)而移动。例如，在较佳实施例中，将光源可旋转地固定在支架上，这使从光源发射的光束能多个角度照射到传感器上。在一个特别较佳实施例中，光源以这样一种方式安装在密封设备的支架上：光源可按弓形通路移动，以使它能按双向(即正方向和反方向)图案从多个不同角度照射到目标区。该传感器表面定位在绕轴旋转的光源的光学顶点上，以便使沿传感器移动的强度强度波动减少到最小，该强度波动能引起信号噪声的增加。

在一个实施例中，光源包括发光二极管(LED)组件，用于产生指向传感器的照射。仅作为例子，LED组件可包含安装在PC板上的单一875纳米的LED，并可包含用于阻挡不想要的光线的分立孔径元件，然而，在这个设计中存在许多变化，包括宽广范围的合适LED波长。将本发明的LED透镜组件设计成：尽可能地模仿点光源，由此，使从LED管芯本身发射出的任何漫射光减少到最小，这写漫射光会导致准直较差的源光束，并引起多个源点，这两者都会导致谐振宽度的增加，并依次增加了SPR角噪声。通过研磨LED组件的前面，可有利地使其从圆顶形状修改成平坦的光学表面，以按预定通路引导所有光线穿过孔径，并到达准直透镜。

另外，本发明的光源还含有源光学组件，用于控制和优化从光源照射到传感器的光线的特性。在一个实施例中，源光学组件被密封在透镜管内，并进一步含有：适合于校准从光源发射的光照度的透镜，干扰滤光片，用于阻挡不想要的波长以及用于产生p-偏振光的装置。在一个实施例中，滤波片宽度为4纳米，选择它来防止SPR谐振轮廓的过度变宽，并也能防止相干性噪声(“斑点”)。在另一个实施例中，可增加第2个偏振滤光片(或替代地，可将现有偏振器旋转90度)，以产生S偏振光，因此能够消除强度变化的影响。透镜管还提供用于对准直透镜进行聚焦的装置。

在另一个实施例中，可将光源直接转动地安装到仪器支架上，或替代地使它经旋转臂与支架接触。旋转臂可包括框式支架，该框式支架旋转地安装到设备支架上。在这个实施例中，旋转臂包括：用于保护光源的装置和用于将光源连接到一个驱动装置的装置，该驱动装置，例如马达，用于移动旋转臂和光源。

在较佳实施例中，光源是与步进马达接触，并由它重新定位，该步进马达可直接安装到光源上或固定在设备支架上。在一个实施例中，把该马达固定到设备支架上，经直线臂(linear arm)与光源接触，以允许其从直线方向转变成附加在光源一端的有角度的方向，，并使其与该马达啮合，以致马达的动作能驱动该臂前后运动，依次使光源束近似地通过传感器表面中心围绕平行于传感器光栅凹槽的一个轴旋转。在一个实施例中，该臂是有螺纹的，通过马达的旋转运动使它移动。

在一个替代实施例中，这儿描述的仪器可包括线性扫描LED，其中，可将光源透镜系统刚性地固定到支架上，而LED可安装到由马达驱动的线性滑动块上。LED的运动改变了准直光照射在传感器上的角度。这个实施例具有几个优点，包括：需要较小马达以通过期望角度范围对光源光束重新定位；LED需要较短的距离以横越而递送相同动态范围，由于较小质量而减少振动，及较低成本以获得相等的扫描精度。

在利用旋转镜的另一个实施例中，源光学器件和LED可固定在支架上，使光照射在旋转镜上。在这个特殊实施例中，该仪器将含有用于精确控制镜子入射角的装置。这个特殊实施例的优点如同上面对线性LED所描述的。

在再又一个实施例中，线性源光学器件阵列可安装在支架上，并直接引向含有传感器的目标区域。源光学器件的几何位置，即离传感器的距离和它们之间的间距在任何两个相邻光学器件之间建立了入射光的最小要求角，以致具有足够数量的强度数据点来建立并符合SPR曲线。可以非常快速地顺序照射源光学器件，以增加数据收集速率。这个系统的关键优点是：它是固态的，几何结构稳定，并导致数据速率的增加。

其他的改变包括使所有源光学器件受照射，并以精确控制速率使一个移动孔径在它们上面通过，以致该孔径限制哪些光线照射在传感器上，还限制曝光时间。

在本发明一个实施例中，使由光源产生的准直光线以某一角度范围照射到传感器表面，并从该表面反射到检测器组件，该检测器组件被定位成能从传感器接收反射光。在一个实施例中，检测器安装到支架上，并被定向以接收从传感器表面反射的光。当对角范围进行扫描时，该反射光按在传感器表面上的每个ROI处发生反应的函数改变强度。把每个图像帧的信号输出转换成对每个ROI的两个值的测量：(1)由检测器接收的反射光强度，在含有ROI检测器象素上的总计，及(2)当由角编码器记录时，测量反射强度处的相应的入射角。当完成每个角扫描时，就将收集的信息转换成谐振量化算法，较佳地为Empirical Profile Fit(EPF)算法，这儿，上面对每个ROI描述的数据都适合于校正SPR轮廓，并且对每个ROI确定了曲线最小值位置。然后，依靠运行过程的连续角扫描，随时跟踪这些谐振位置。通过这儿描述的新颖仪器对SPR最低的实时监视，对多达数千的独立的ROI中的每一个处的传感器表面上发生的反应提供重要信息。特别地，对生物分子传感，SPR响应的时间相依性允许计算动能常数，kon和koff，这些常数描述了在传感器表面的每个ROI上发生的结合和分裂的反应。

在一个较佳实施例中，这儿描述的新颖检测器包括：新颖透镜组件，用于接收从传感器表面反射的光；电荷耦合装置(CCD)照相机；及多元件万向架组件，用于在多平面内调整照相机组件。这儿描述的新颖检测器组件也将较佳地包括透镜组件内的改正片，有助于减少对ROI图像漂移(“步行”效应)产生影响的图像像差，，且另外还包括被动型指形冷冻器，防止水汽沉积在检测器光学器件上，水汽沉积能引起强度波动。

在一个特别较佳实施例中，对透镜组件进行特殊设计，以用于这儿描述的新颖光学谐振分析设备中。特别地，该透镜组件已经过特别设计，当光源扫描过照射角范围时，以维持CCD照相机上的图像稳定性。当进行角扫描时，使用传统透镜系统的传感器分析导致“步行”或目标点(目标ROI)已经移动或产生相对于传感器表面上它们实际点的移动的外形。这导致至少部分地测量基准ROI(裸金属)，而不仅是目标ROI，依次直接地导致测量噪声的增加。把本发明的透镜组件设计成：能减少这种ROI漂移效应和产生的SRP噪声，由此允许更精确地读取和分析在传感器表面发生的反应。本发明的光学系统进一步适合于在偏轴运行的情况下，或目标面倾斜的情况下，在整个传感器表面上提供精确的成像。

这儿描述的新颖透镜系统含有传感器成像透镜，它具有单色双远心设计，带有利于选择的放大倍数，以将整个SPR传感器区图像投影到检测器的图像接收光敏感区(例如，CCD芯片区)。本光学系统随意地包括倾斜改正片，设计成能与适当倾斜的目标面(传感器)和图像面(CCD检测器)一起使用。该光学设计充分考虑了传感器窗口，含水样本层，以及检测照相机窗口。不像传统的透镜设计，本发明的新颖透镜组件特别设计成：在照明扫描角(上述大动态范围所需的)的整个范围内，使工作波长上图像步行减少到最小。本透镜组件包括物镜部分，它产生无限大的倾斜目标平面图像，其后跟着成像部分，成像部分捕获这个虚像，并在影像面上建立一个实际的、也倾斜的、缩小的图像，该影像面与两维检测器表面相一致。光学和成像部分两者共用一个通用的中间孔径平面，该孔径平面位于这两部分之间的空间。槽形孔径光阑(aperture stop)插在这个平面内的物镜部分和成像部分之间。下面将进一步详细描述该透镜组件的新颖方面。

本发明的光分析设备较佳地也包括旋转编码器，用于精确地确定上述的光源的入射角，即，光线照射在传感器表面上的角度。该旋转编码器较佳地固定在该设备内，并按这样的一种方式与光源接触，以确定它相对于传感器表面的角度。然后，将该信息传递到谐振量化算法(即，EPF算法)，这儿，使数据符合于各种目标斑点(ROI)的校正SPR曲线，并随时跟踪曲线最小值位置。在较佳实施例中，旋转编码器包括枢轴，编码器外壳，和编码器。

线性编码器也可用作为上面描述的旋转编码器的替代品，且这将需要从线性到角度单位的转换，以跟踪移动源光学器件的位置，如上描述。在另一个替代实施例中，可使用能以高精度直接确定角度变化的步进马达来替代旋转马达。

本发明光学分析设备的其他实施例还包括复杂的流体系统，用于将各种液体试剂和样本溶液传送到和离开传感器表面。在本发明一个实施例中，在实验运行之前，可通过清洗和冲刷本设备以及从系统中清除气泡，来准备本设备的流体系统，所述气泡对传感器表面上发生的反应，以及该仪器精确地收集和解释反射光学数据的能力会产生负面影响。与传感器接触后，将流体系统设计成：能允许用户将这些液体引导到废液接收器，或替代地，引导这些液体经过系统返回，以与传感器再接触或从该设备取回。

在本发明一个较佳实施例中，流体系统含有独立样本和缓冲剂通路，以当同时在建立SPR基线(例如，对着缓冲剂溶液)时，允许用户能同时准备两条液体通路，以及准备一条特殊液体通路线。因此，能在刚好与传感器表面接触之前，将样本引进该系统，由此，维持了敏感样本的完整性，特别是对于当从例如低温，厌氧性储存等的最佳储存条件中移出时趋向快速退化的样本。

另外，在本发明较佳的流体系统中，样本和缓冲剂通路两者通向4路调整阀门，该调整阀门置于与传感器相当近的位置。该调整阀用于使样本/缓冲剂混合减少到最小，这对动力学值的精确确定是非常关键的。

较佳流体系统的其他特征将包括样本注入站(SIS)，用作为使样本进入该系统和使废液离开该系统的啮合点。依据这个特征，样本注射针机械地浸入溶液内，然后用泵将样本吸入，并注入传感器。该注射针可机械或手动地操作。SIS给用户有选择权：将样本排出成废液，收集样本，或在传感器区再循环样本。如这儿所述的使样本再循环的能力是特别有利的，其中用户可以仅获得小量的特殊样本或一些样本。这儿所述的SIS的灵活性可随意地允许用户连接到自动取样器(例如，样本库或样本圆盘传送带)，用于将大量的多种样本自动地注入到系统内。

这儿描述的最佳的流体系统的另一个优点是“不工作”(on the fly)样本装载的能力，通过使用两个分离泵这就成为可能，一个泵驱动缓冲剂溶液，而一个泵驱动样本，在缓冲剂经过该系统运行的同时，允许用户准备该样本。在许多场合下，使用本发明仪器是有利的，以允许缓冲剂溶液通过该系统独立地运行几分钟或更长时间，以建立一条基线。另外，在样本装载是与时间相依的情况中，例如，在样本准备、混合等之间的时间内，并由于敏感样本随时间退化和/或随温度而改变需要短的装载时间的情况中，独立缓冲剂和样本液体通路允许只要在注入和引向传感器之前的几分或甚至几秒钟时间来准备和装载样本。如上所述的样本再循环也有利于：当允许样本保持经过系统再循环时，速率特别慢的样本有足够长的时间来观察足够响应，以计算精确的缔合常数kON。

另外，如果反应过程较慢，那么再循环特别有利于小量样本可连续地与传感器表面相接触，反之，如果这个选项不可用，则用户必须获得更大量的样本，如果并非不可能的话，这将是困难的或成本高得惊人的。这样，再循环样本的“无止境的供给”在接触时间和流速两方面都提供足够的灵活性，以允许监视非常慢或有限制质量传递的反应。

四路阀门的使用特别有利于本发明的流体系统，因为：(1)当系统同时在运行和准备样本注入时，它能维持缓冲剂和样本浓度的完整性，及(2)四路阀门的位置，即，紧邻于传感器，使缓冲剂/样本界面的任何混合减少到最小。

本发明的流体系统还包括由注入泵驱动的“气泡冲击波”高速脉动流。当将一个新流动池(含有一个新的传感器芯片)投入运行时，通常的情况是：在充满缓冲剂后，气泡仍保留在流动池的间隙内。在样本切换和其他液体传送操作期间，也会不注意地引进气泡。这些气泡妨碍了受影响ROI上的结合反应的精确测量，必须除去这些气泡，这可能是困难的，特别在含有传感器的流动池的尺寸减少时，这在本发明领域是普通的。已经演示了：简单地应用超过临界移除流速(CriticalDislodgement Flow rate(CDR))的非常高的液体流速能除去气泡，这些气泡是由流动池表面的不同类型湿张力或由几何结构不连续诱获的。气泡

已经在本发明中确定：当气泡从一个“粘附”现场流向下个时，通常需要多次应用高流动脉冲，以消除气泡。为了从流动池中除去气泡，流体系统结合了正向活塞泵(注射泵)，用于将“气泡冲击波”或高流速脉冲供给传感器单元，例如，经低流阻液体通道。另外，气泡的实时监视能终止液体运行并“毁灭”可能积聚的任何气泡。

为了保持系统的稳定性，并且在传感器表面发生的结合反应时产生精确和相一致的数据，特别有利于的是：依据本发明，用户有能力在与传感器接触的样本和溶液的温度上进行某些控制，以控制传感器周围环境以及传感器本身的温度，特别是在分析时发生结合反应的传感器表面的温度。另外，期望能允许用户在高于和低于环境温度的各种温度下进行实验。为了促进上述的温度控制，本发明的设备可有利地含有热处理室，该热处理室包含传感器所在的目标区热处理室，并包含了至少一部分上述流体系统。在一个较佳实施例中，热处理室包括比例积分微商(PID)控制的热电设备模块，含有：循环风扇，散热器，热熔丝，和传感器。热处理室较佳地衬着绝缘泡沫，以维持热处理室内的热稳定。这种绝缘能防止传感器区，化学反应，及引入溶液的温度波动，这些温度波动可能是由环境或由仪器的操作引起的。在热处理室内较佳地还包括被动型预加热器，用于维持输入液体的热稳定性。这些被动型预加热器经过使在密封环境内的空气循环，以及通过液体管道管壁的传导，把热量传给液体或从液体引入热量，严密地跟踪热处理室的温度。施加散热器混合物以充满管子和预加热器之间的微小间隙。

附图简述

图1显示装有外盖的本发明的光谐振分析设备(100)。该设备的设计给用户提供进入试剂/缓冲剂瓶(50)，样本管(40)，及芯片门(110)的便利通路，芯片门用于将传感器(或含有传感器芯片的流动池)插入该设备内，而不必拆开外盖。可由用户键入连接到该设备的计算机的命令来控制所有其他设备功能。

图2显示移去外盖的图1的设备。可见到该设备的主要部件，包括光源组件(10)，包括旋转臂，检测组件(20)，和热处理室(30)。

图3显示安装到旋转臂(9)上并与检测器组件(20)有关的光源组件(10)的一个实施例。箭头表示从光源(11)照射到传感器(112)的照射方向(向下箭头)，及从传感器(112)反射的照射方向和检测器组件(20)的方向(向上箭头)。

图4是带有安装在其上的光源(11，例如LED组件)和源光学器件组件(13)的旋转臂(9)的视图。还显示：线性滑块(14)，用于将旋转臂(9)连接到驱动马达(12)(未示出)，旋转臂(9)的基板(18)，滚柱轴承(17)，及光源组件支架(19)，用于将光源(11)固定到旋转臂(9)。

图5是检测器组件(20)的横截面图，示出透镜组件(未示出)的外壳(22)，内，中和外万向架(分别为23，25和27)，改正片(21)，被动型指形冷冻器(26)的两末端，检测器窗口(28，例如，CCD窗口)，检测器(24，例如，CCD照相机)，和槽孔径(130)

图6是位于检测器的透镜组件(安装在图5所示外壳22内)内的检测器光学器件的各种元件图。透镜组件的元件包括：物镜部分(125)，槽孔径(130)，成像部分(125)，改正片(21)，及检测器窗口(28)，紧靠检测器的光敏元件(113，例如，CCD芯片)。这样，将透镜组件插入在传感器(112)和用于传感器反射的图像的接收器(即检测器的传感元件(113))之间。数字26表示被动型指形冷冻器(图5的26)的透镜组件内的元件排列中的相对位置。X，Y，和Z表示由万向架控制的检测器组件的运动平面。

图7是流体控制图，显示缓冲剂容器(50)和样本溶液容器(40)及各种通路的位置，可以经过这些通路引导每种溶液穿过该设备流到目标区(含有传感器112)并返回到原样本管(40)、分立的回收管(64)或废液接收器(63)。传感器通常包含在流动池(flow cell)内，而配置流动池使之有能与设备的流体系统相接的入口和出口，它是可经过入口门(图1中的110)插进光学分析设备(100)的一种可变设备。图7还显示热处理室(30)、环绕预加热器(38)、四路阀门(36)和含有传感器(112)的目标区的相对位置。

图8是依据本发明的一部分光学分析设备的部分剖面正面透视图，显示热处理室外壳的位置和预加热器(38)，四路阀门(36)(隐藏)，顶板组件(34)，绝缘板(32)，和传感器芯片托架(112)的位置。

具体实施方式

本发明针对一种改进的光谐振分析仪，特别用在光栅耦合表面等离子体激元谐振(GCSPR)，能同时测量反应现场阵列。特别地，本发明组合了许多特征，除了允许实时分析多达数千个分子结合交互作用之外，还提供在控制反应参数方面的改进，反应参数包括：系统流体控制，温度控制，传感器扫描，及来自所扫描的传感器的数据收集和分析。

分析设备可以是全自动化的，并且由设备内含有的软件自动地控制和执行所有光学扫描操作。本质上，一旦将缓冲剂，样本，和传感器装载到该设备内，用户就可将实验参数，例如，时间、温度、液体流速等，键入到连接到该设备的计算机，该设备能经过编程以立即或在设定时间执行全部化验和分析，并在化验进行时能提供实时结合数据。

特别地，本发明针对全集成光栅耦合表面等离子体激元谐振分析设备。下面将参考附图描述本发明的特别较佳实施例。然而将立即理解：为了特殊目的，可以改变或修改所描述的设计特征，并且这儿描述的分析设备的许多替代实施例的产品由于本披露而变得有可能。所有这样的改变，修改及附加实施例是这儿所期望的，并倾向于落在本描述和附加权利要求书的范围内。不打算以任何方式用下面的描述来限制本发明的范围。

图1显示本发明的一个实施例，只含有用户需要与之接触的该设备本身的部件，即，缓冲剂/试剂瓶(50)，样本管(40)，以及传感器(或流动池)装料门(110)。所有其他功能都自动执行，并由带有由用户经计算机键入的参数和指令的计算机程序来控制。

参考图2，本设备包括包含在设备内的框式支架(70)，还包括目标区(未示出)，设计成能经传感器装料门(110)接受传感器单元(例如含有传感器的流动池)。在一个实施例中，传感器单元包括光栅耦合表面等离子体激元谐振(GCSPR)芯片，适合于进行和分析多种分子结合交互作用。一种典型的流动池包括：反应区，在其内部安置有传感器芯片；邻近于反应区一个末端的输入口，经过输入口可引入溶液(缓冲剂，试剂溶液，样本溶液等)使之流过反应区；及输出口，邻近于与输入口相对的反应区的另一个末端，经过输出口，从反应区流出的液体溶液能直接流出传感器芯片，待收集，喷射到废液瓶，或经输入口再次循环，以额外接触传感器。将输入和输出口如此地配置，以致当把流动池插入分析设备内时，输入输出口与分析设备的内部流体系统相连，由此，与本设备内含有的样本容器和其他液体储存器及接收器建立通信。

另外，图2描述了与本发明相关的许多特征的相互关系。特别地，图2显示：旋转光源组件(10)；检测器组件(20)；内部流体系统的螺形压缩泵(62)；及热处理室组件(30)，它包含储藏传感器的目标区。一旦把传感器装载进设备内，光源(10)就将光束引导到传感器上(未示出)。在一个较佳实施例中，传感器是含有反射金表面的光栅耦合SPR芯片，在该反射金表面上印刻或沉积有目标ROI阵列，能由本设备的照射和反射检测组件对目标ROI阵列进行扫描。ROI通常由能与样本溶液内的分析物交互作用的一些结合的半个(binding moieties)(例如，抗体、相似法则(aptamer)、单链DNA(脱氧核糖核酸)分子、及类似物)的集中而构成。流动池和流体系统设计成：通过流过支持这样的ROI的传感器表面引进这样的溶液，并同时处在固定的目标区，用于接收来自光源的照射，并将传感器图像反射到检测器组件，检测器组件将实时输出表示在传感器表面上发生的结合或其他化学反应事件的光数据。

再参考图2，在一个特殊较佳实施例中，光源组件(10)旋转地安装到设备支架(70)上。枢轴安装允许来自光源的光束能移过相对目标区的一个角度范围。替代地，光源可安装到其本身旋转地安装到支架上的构件上。例如通过安装在设备支架上的步进马(12)达实现光源组件的自动旋转，该设备能精确地记录由它在光源组件上的作用而影响的光束角度的变化。

一旦已放置好传感器并开始运行，光源就以某一预定角度开始并在某角度范围内继续按弓形的通路或图案将光束引导到传感器上。从传感器表面反射的光引向固定的检测单元(20)，该固定的检测单元含有透镜组件(22)和例如CCD照相机的检测器(24)。

图3是本发明分析设备基本元件的正面透视图。特别地，图3显示经旋转臂(9)安装的光源组件(10)，旋转臂依次安装到轴(15)上，旋转臂(9)可绕轴(15)旋转。将轴(15)安装到设备支架(未示出)上，以致整个光源组件可按弓形的通路移动。由某类型的角位置编码器(例如，旋转编码器组件(120))报告光源角位置变化的数据，角位置编码器可位于安装光源的枢轴点处。编码的角位置数据与由检测器(24)接收的谐振数据一起输出到计算机，该计算机应用谐振量化算法并报告传感器表面上产生的现象。对于SPR数据，较佳地，该设备应用EPF算法进行SPR曲线确定，如在共同待审和共同赋予的美国临时专利申请号60/492061中描述的，该专利申请日期为2003年8月1日。

在图3所示的实施例中，旋转臂(9)由步进马达(12)驱动。该马达可固定在设备支架上，并包括用于啮合光源或旋转臂的装置。在一个替代实施例中，步进马达可安装到光源或旋转臂上，并配备有能啮合固定支架的装置。在图3所示的实施例中，步进马达安装到设备的支架上，并与旋转臂(9)接触，这样，光源组件(10)经过安装在一个末端处的直线臂(16)经过直线滑块机构(14)到)旋转臂(9)，并且在其相对的末端处与步进马达啮合。当马达运转时，驱动直线臂前后移动，由此，将光源定位在相对于传感器(112)的各种角度上。直线臂(16)可以是平滑的，或可是螺纹状的，在该情况中，步进马达可包括用于容纳螺纹臂的装置，并将以旋转型移动来操纵直线臂。可以使用含有伺服马达和磁驱动系统的各种其他方法。

在图3所示的实施例中，步进马达(12)能精确地记录由它运行产生的光入射角的变化(Δθ)。替代地，旋转安装的光源组件可配备有用于精确报告光源角度变化的旋转编码器。然后将角度数据与来自检测照相机(24)的反射强度数据一起馈送给谐振量化算法，如先前描述的。在一个较佳实施例中，编码器经枢轴(15)安装到旋转臂(9)上，并由安装在编码器外壳(120)内的轴承支撑。为了保证从一次分析到下次分析中读出相一致的角度，旋转编码器包括内置索引标志，以在每次分析开始处能精确地确定基准点。

图4显示含有本发明旋转臂(9)的光源组件(10)的一个实施例的详图。旋转臂(9)包括：基板(18)，用于旋转地将旋转臂固定到设备上；用于将光源安装到支架(19)的装置；直线滑块(14)，用于将组件(10)连接到一台固定的马达，在运行时，该马达使光源组件(10)作旋转运动。示出线性滚柱轴承(17)，可含有该部件以保证该组件能相对于支架作无振动的移动。

在运行中，马达(图3中的12)使(照射)光源能按弓形的通路或图案在传感器(112)上移动，以连续地改变撞击到传感器(112)上的照射角度。如此，改变光源角度能改变撞击到传感器的入射光的角度。传感器放置在光源角度范围的光学顶点，这样，当光源移过它角范围时，光的准直束保持固定在芯片表面上的一个位置上。这在本发明中特别有利于：它有助于保证：当入射角被扫描且未使测量谐振模型(profile)(这将导致明显的假的谐振角度漂移)失真时，相对于传感器表面上固定不动的感兴趣(ROI)的区域，准直束强度的空间不均匀性充分地保持固定。

在一个替代实施例中，光源本身可旋转地直接安装到设备支架上。在另一个实施例中，光源组件的枢轴点(图3的15)可以在马达或其他旋转致动装置的位置处。

如图4中所见的，光源组件包括例如LED组件(11)的光源，用于产生引导到传感器的照射。在一个实施例中，LED组件包括安装在PC板上的单一875纳米LED，并可进一步包括用于阻挡不想要光线的分立孔径元件(未示出)。然而，单波长光源(或窄带波长光源)不是严格的，而一个波长范围可适用于执行这儿期望的SPR分析。应较佳地包括LED外壳的调整机构，以将光源对准在准直源光束产生2度横向偏移角所需的轴偏离位置。较佳地把封装LED的任何塑料外壳研磨成平面式并应高度抛光，以能除去LED管芯前面的多余塑料和表面不完整部分。这允许精确准直并使由塑料表面的不完整部分引起的光散射减少到最小。已发现，塑料封装的、许多可大批量得到的LED上的原始球形表面的作用如同在普通应用中引导LED光束的低质量的透镜，但这样一种设计通过降低光束准直，明显地干扰SPR系统内谐振模型清晰度。使LED塑料外壳在光学上变平能明显地和令人惊呀地降低SPR噪声。这样，最佳地是当使用LED光源时，获取无塑料封装的LED，或获取平坦封装的LED，或研磨所获得的LED的塑料封装以展示光学上平坦的覆盖物。

如图4所见的，光源还包括源光学器件组件(13)，用于优化引导到传感器表面上的、由LED产生的光特性。在一个实施例中，源光学器件组件被密封在透镜管(13)管中，并进一步包括球面像差校正透镜，用于将光对准到仅受LED管芯的发射区尺寸限制的程度。源光学器件组件还典型地包括：干扰滤光片，用于挡住不想要的光线；及近红外线偏振器(未示出)，其取向能在传感器上提供P偏振入射。传统结合的偶极子型消色差透镜通常对这种应用提供充分的球面像差校正。透镜管还提供用于对准直透镜聚焦以优化由LED产生的光束的校正。

在本发明一个较佳实施例中，光源束偏离光学器件的中心线一小段距离(例如，本发明的原型仪器标尺上的约2.3毫米)，该距离将导致角光束偏斜(skew)约2度。这偏离用于减少从仪器上各种光表面的反射光引起的任何双重反射。特别地，非连续光痕分析已演示：检测器面上的散射光的集中斑点(下面更详细讨论的“热点”)能导致光学组件内的各对光表面之间发生的多组双重反射，特别在检测器组件的成像透镜内。当SPR角在扫描过程上变化时，这些热点移动，导致在特殊ROI上SPR谐振形状的附加失真，并因此导致SPR分析的不准确。

本发明的较佳光学系统将含有一个特征或三个特征的组合，以使热点或图像闪耀的发生减少到最少：(1)检测器组件的成像透镜组件内的所有透镜表面都涂上高效多层防反射涂层，防反射涂层调谐到光源的工作波长，即较佳单波长实施例中的875纳米，(2)作为本发明一个新颖方面，轴偏横向光束偏斜，也就是，上面描述的光源偏离，和(3)与横向光束偏斜相结合，在成像透镜内的轴偏槽形孔径光阑。已发现这些功能大大地减少现有技术系统内已知的热点。

如上所述，本发明的光学分析设备还可包括精密旋转编码器(未示出)，用于高精度地报告光源的位置，并由此报告在传感器表面上正有照射撞击处的角度。在一个实施例中，旋转编码器安装在设备支架上，且在安装到支架的它枢轴点处安装到光源组件上。在一个较佳实施例中，旋转编码器包括：枢轴，编码器外壳，和编码器。旋转编码器将有关光源角度的数据报告给一台计算机，该计算机已编程成能解释相应于每张照相机图像的发射光源的角位置。每次全角度扫描的角度数据和照相机图像数据输入进一种适当的算法内，用于实时确定传感器芯片上每个ROI处的SPR谐振角。

如图2所见的，本发明的光学分析设备包括检测组件(20)，用于当传感器阵列表面上进行反应时，接收从传感器表面反射的光线，并分析这些光线，以测量多达数千个反应现场或ROI中的每一个的光谐振角的变化。

图5是适用于依据本发明的分析设备的检测器组件(20)的横截面图。在一个较佳实施例中，检测器包括成像透镜组件(22)，含有：孔径(130)，用于接收从传感器(图3和6的112)的表面反射的照射；内(23)，中(25)，和外(27)万向架组件，用于按多个自由度调整检测组件；检测器，例如单色电荷耦合装置(CCD)照相机(24)，含有安装在检测器内的、例如CCD芯片(未示出)的光敏传感器元件；改正片(21)，用于减少与上述步行效应相关的像差；CCD窗口(28)，用于保护检测器传感元件(例如CCD照相机内的CCD芯片)，并通过给传感元件提供惰性气氛允许照相机低温工作；及被动指形冷冻器(26)，用于减少在CCD窗口(28)成核位置产生污染水汽的凝结，该指形冷冻器可比周围环境更冷。当存在这样的冷凝点时，使光散射并在受影响的ROI处引进扫描角度依赖信号的波动。

较佳检测器将是按下列要求选择的CCD照相机：(a)在工作波长处具有足够的量子效率，(b)对恒定的暗信号偏置和响应(可需要或可不需要冷却)有较佳的温度稳定性；(c)具有足够低的暗噪声和读出噪声，足够的模-数转换(ADC)分辨力，以致正常SPR测量条件下的信号基本上是有限的光子散粒噪声；(d)具有足够的像素量，以能清晰地分辨传感器目标ROI；(e)能足够快地读出，以跟上角扫描率；及(f)具有尽可能大的像素电子井容量，以使所述散粒噪声减少到最小。更特别地，应如此地选择像素量和像素电子井容量，以使含有ROI图像的所有像素的总合成电荷容量达到最大。虽然较佳实施例使用CCD照相机，但是还可以用其他固态阵列照相机作为检测器，例如CMOS照相机。

为了最优化数据收集及从传感器表面反射的照射分析，较佳的是检测器组件利用专门校正的高数字化孔径双远心透镜系统。“远心”表示从物体面或影像面所见的透镜孔径光阑处于无限大。换句话说，来自物体面(或图像面)的所有点的接收光锥区指向相同路径，即，它们的轴是平行的。“远心”意指：这对于物体侧(传感器芯片)和图像侧(检测器传感元件)两者是都真的。聚焦远心(telecentricity)不是基本的，但在本发明中非常有用，特别在物体侧，因为在整个扫描角度范围内阵列上所有ROI的无失真图像必须是可用的。用远心设计，在物体面内各处，透镜孔径都以相同方式直接映射到入射角，并且透镜的孔径光阑的全部区域都能用于容纳所有区域点上的角度扫描范围(即，传感器芯片上的所有表面)。如上所述的，有关本发明的双远心表示：聚焦远心也在检测器上，并有利于本发明，因为它使检测器传感元件(CCD芯片)上的入射角极值(extremes)减少到最小，并有助于避免在极值扫描角的不同ROI之间的检测器灵敏度发生较大变化。在本发明中，通过使每半个透镜系统分别具有远心而实现双聚焦远心，因此，中间的孔径光阑(即，槽)似乎是无限大，如从物体空间(传感器芯片)和从图像空间(CCD芯片)两者所见的。

用横向放大来设计这特殊的透镜系统，以使SPR传感器芯片有效宽度匹配于所选CCD芯片的面积，并进行特殊优化，以使几乎10度扫描角度范围(物体侧数字孔径0.10)上的整个传感器区的图像移动(RIO漂移)减少到最小。这优化也考虑到应用窄波长范围，如由在干扰滤光片的最大值的一半处的4纳米全宽(FWHM)确定的。所需要的有限光谱带宽消除了对色差控制的需要，这允许对所有元件使用简单的高分度镜类型，并因此可减少成本。产生的剩余色差是不明显的。这特别有利，因为设计自由度不消耗对色差和失真的控制。同样因为在色差校正系统中，单镜片的反射率高于多镜片的平均反射率，只需要少数几个透镜元件来控制ROI的漂移像差。实际上，还不清楚，在一种比得上的透镜设计中以任何合理成本可达到两种要求(即，ROI漂移消除和宽带色彩校正)。的确，可大批量得到的远心CCD透镜，通常是消色差透镜，不能接近用本发明达到的步行要求。

图6介绍含有本发明检测组件内的新颖透镜系统的各种元件的视图。在图6所示的实施例中，定位在目标区传感器(112)和检测器传感元件(113)之间的透镜组件包括：物镜部分(120)，由下列部件构成：反射元件121-124，槽孔径(130)；由反射元件126-129构成的成像部分(125)，，改正片(21)，和检测器窗口(28)。图6中的元件26表示上面参考图5描述的被动指形冷冻器元件的相对位置。图6还示出当光线从光源(未示出)照射到传感器芯片(112)时的光通路(虚线)，然后光线被反射离开传感器，经过透镜光学器件(120，125)，槽孔径(130)，和改正片(21)，经过检测器窗口(28)，并到检测器传感元件(113)。

这特殊透镜组件设计是特别有利的，因为当旋转臂扫描经过角度范围时，标准的“现成的”透镜系统和传统远心透镜设计不能在CCD照相机上维持足够的图像稳定性，这对于这儿描述的光学分析设备的最优化性能是必需的。如上所概括，照相机询问传感器上感兴趣区域(ROI)，这相应于待分析的目标。由于高次像差取决于传统透镜系统的视场尺寸(field size)和孔径大小，当扫描照射角度时，固定在传感器上的ROI的光学图像在检测器表面上移动或“步行”，导致测量噪声的增加。这特别在轴偏离视场点处及偏离透镜轴的较大扫描角处发生。在照射全孔径光阑而不是像本案中照射小点状区的传统照射系统中，像差可靠地包括场曲，散光，和彗差(coma)。重要地，依据Scheimpflug原理，物体场的倾斜(例如，在目前较佳配置中一般为21度)和所产生的图像面倾斜增加了减少测量噪声的难度。然而在角扫描SPR中，上面提到的这些像差分类不能直接应用或使用，在设计过程中要求将作为入射角函数的图像漂移进行数字式最小化。注意，像差不取决于视场半径和孔径角度，例如简单失真，通常不影响到SPR结果。

特殊设计和优化上面描述的双远心透镜组件以解决这儿描述的步行问题，该组件含有物镜部分和成像部分，每部分含有4个元件，每个元件含有高效多层防反射涂层，带有插入在其间的专门配置的孔径光阑。在最佳实施例中，透镜组件的跟踪长度是272毫米。

双远心设计能容纳大角度扫描范围(对于10度总机械移动，±5度)，同时使物镜部分和成像部分的镜片元件尺寸减少到最小。(参见图6)。保持所限制的元件尺寸依次减小透镜成本和重量，并有利于像差控制。

如图6中描述的，选择槽形孔径(130)，而不是传统圆孔径光阑。虽然透镜得到足够好的校正以允许在物体空间(相应于图像空间中的0.18)中使用0.10数字孔径(NA)的全圆形孔径，但是这儿描述的SPR应用不要求使用整个孔径。因此，较佳地定孔径的尺寸以减少由来自传感器和其他表面的漫散射引起的杂散光，并有助于消除由多镜面反射引起的剩余“热点”。该孔径还允许增加传感器上基准标记的空间分辨力，这些基准标记设计成：(a)通过帮助确定ROI点沉积在传感器表面时的印刷区的实际位置而增强可用性，及(b)当应用自动-点-搜索算法时，用作为确定点本身位置的基准位置。

在任何一个传感器照射角度上，从传感器表面反射的零次光在孔径面上占据一个相当小的斑点，以致瞬时孔径原理上限制到位于当前扫描角中心的一个小圆内。这个小圆必须足够大以：(1)包围光源的有限对准角，并更重要地，(2)大到足以避免图像分辨力的过多衍射斑点，这会妨碍小ROI区的有效成像及辅助传感器芯片特征(例如，蚀刻或否则沉积在传感器表面上的基准标记和识别文字)的有效成像。因这种要求的圆形孔径区在一次角扫描期间线性地移过孔径面，较佳的合成最小孔径采用细长槽的形状。由期望的角SPR扫描长度确定该槽的长度，同时选择该槽的宽度，以使图像内的衍射的假象减少到最少。

因此，如图6中所见的，本发明的新颖孔径光阑较佳地具有圆形或方形末端的槽的形状。通过消除相应于透镜孔径的不需要部分的角度上的漫射光，这种改进可使漫射光背景减少到最小，并增加视在的SPR谐振深度。典型孔径的宽度和长度分别相应于物体空间的约3度和13度。较佳地，槽孔径横向偏移2度，偏离光轴约2毫米，以匹配于光源偏移以及容纳用于消除如上所述的多反射热点的横向光束偏斜。另外，透镜元件上的多层防反射涂层可部分地抑制热点。槽孔径可以在固定的位置上，也可以是移动的，以便于光学对准过程。

如图6所指出，在传感器芯片上的平均SPR角度，即，在中间扫描时来自光源的照射照射到传感器芯片表面时的角度，约为21度。因此，透镜轴设置在离芯片表面的法线为21度的角度处，以最佳地容纳以这个角为中心的角扫描范围。为在整个视场获得最佳图像质量，检测器表面对于透镜轴倾斜约12度，如所示的。通过光线跟踪优化以及使用步行最小标准进行调整而选择该精密角度，但也可通过已知的Scheimpflug条件近似地给出。

依据本发明，为了进一步优化整个视场内的，即，传感器芯片上的所有ROI的，图像质量，由视场和图像面倾斜(即，21度的标准传感器倾斜和12度的标准检测元件倾斜)产生的剩余ROI图像偏移和其他像差都可由约1毫米厚的、倾斜约20度的平面玻璃改正片(21)进行额外补偿。可省略该改正片，将使图像质量和步行性能有一些降低，但宁可包含该改正片。在本发明的工作实施例中，横向放大约为0.57以使传感器芯片宽度匹配于CCD芯片尺寸。因为视场倾斜，纵向放大较低，约为0.53.

也如图5所见并在图6中指出位置，本发明的透镜组件较佳地包括被动型指形冷冻器(26)，以增加检测器组件对数据分析的灵敏度。特别地，把经检测器窗口(28)和改正片(21)之间的空间内的热表面除气的气载污染水汽吸入最冷表面，最冷表面通常是检测器窗口。不均匀地沉积在检测器窗口或改正片上的水汽会引起强度波动，强度波动将导致增加SPR信号内的噪声和漂移。为了解决这个问题，由高热导金属(例如铜)制成的被动型指形冷冻器导线连接到在空间外的大的热质量体，并设计成能维持环境温度，以保证指形冷冻器在空间中是最冷的主体，并由此将水汽吸引到它上面，而不是吸引到或沉积在检测器窗口或改正片上。

如图5中所见，可通过使用多个万向架(即，固定到检测器组件的内万向架(23)；固定在内万向架的中间万向架(25)；及固定在设备支架上的外万向架(27))调整检测器组件(20)在和沿多条轴的位置或取向。特别地，使用万向架使检测器(24)内的图像记录检测器传感元件与传感器按6个方向(X，Y，Z，(见图6)ρ，σ，和

)对准。这种对准是必需的，以使检测器传感元件(例如，CCD照相机芯片)的有效区与由光学系统形成的传感器阵列的缩小的和倾斜的图像精确地一致。通过使照相机相对于内万向架移动来调整沿X或Y轴的取向。通过相对于传感器位置来微调检测器的位置而达到沿Z轴的取向(即，透镜组件的光轴)。由内万向架调整绕X轴的旋转角度ρ，由中间万向架调整绕Y轴的旋转角度σ，并通过调整检测器相对于内万向架的位置，通过例如，相对于传感器平面，旋转检测器组件来调整绕Z轴的旋转角度

在一个最佳实施例中，透镜组件的调整与检测器无关，允许精细地调整到达检测器传感元件的反射传感器图像。

万向架有益于调整检测器组件的取向，以优化传感器反射和由检测器传感元件接收的图像之间的匹配。一旦已经优化了这相对关系，就相对于接收传感器的目标区的位置来固定检测器组件。因此，在扫描操作时，只有光源能移动(即，改变入射光照射在传感器上的角度)，而传感器和检测器组件基本上维持固定，或尽可能地固定。一旦调整好，例如，就用固定螺杆锁住或固定检测器组件；并且如此地设计目标区，以使流动池(带有并入的传感器)在正确的位置上不移动，该正确的位置用于反射来自光源的入射照射，并且该正确的位置还与并入在分析设备内的流体系统相啮合。传感器和检测器相对于可移动光源的不可移动性避免了在运行时调整检测器相对于光源的位置的需要，并避免在后数据收集数据处理中用补偿算法对图像通路的波动进行补偿的需要。

如图2中一部分所见的，本发明的仪器也可包括复杂的流体系统(60)，用于将试剂和样本引导到传感器表面。在图7描述的较佳实施例中，把该流体系统设计成：在试剂和样本已经与传感器接触后，允许用户将流出含有传感器(112)的流动池的液体引导到废液接收器(63)，或替代地，引导到收集器(64)，或返回到样本储存器(40)，用于随意地再循环到传感器区(112)，或从设备中取回。

如图7中所见，加到缓冲剂储存器(50)(与流体系统成一体)内的试剂(例如，清洗液)由例如螺形压缩泵(62)从储存器中吸出，并注入流体系统。然而，用于吸取或推进液体通过管道系统的任何已知方法都可使用，例如真空，强迫通风，电动力学等。在较佳特征中，使试剂通过除气系统(80)(如上所述，除气系统也集成进流体系统)，然后引导到传感器(112)的表面。也如图1和2所见，该设备还包括相邻于缓冲剂储存器(50)的样本区(40)。如图2所见，样本区(40)经样本注射针(42)与流体系统结合。把样本区设计成能分别地将许多样本(例如，分析和检测抗体)储存在密封在样本区内的分立的样本管(未示出)中。如用上述试剂，由注射针将样本从一个管内吸出，例如经过螺形压缩泵。样本引导到传感器表面，随后与该表面接触，或进一步引导到废液接收器(63)，通过该系统返回以便再循环并再与传感器接触，返回到它原来的样本管(40)，以从设备中取回；或引导到专门的样本回收管(64)。另外，如图7所见，本发明的流体系统可利用多通道阀门，例如，如描述的6路阀门(66)，用于引导液体通过专门通道。该设备还可包括附加线路(65)，用于通过与包含在该设备内的穿板接头(bulkhead union)(67)连接而附加缓冲剂。

并入本发明光学分析设备的流体系统还最佳地包括“气泡冲击波(bubbleblast)”除气单元(80)，能提供由注射泵(65)驱动的高速脉冲流。这样的气泡冲击波系统用于克服设计成能接收可替代的流动池的系统内固有的一个问题，即，以致能经常改变传感器(含在流动池内)。当将一种新流动池投入运行时，通常的情况是：在填充进缓冲剂后，气泡还留在池隙内。在样本切换或其他流体操作期间，也可不利地引入气泡。这些气泡妨碍在受影响ROI上的测量，必须加以消除。这些气泡难以除掉，特别在本发明中减小流动池的尺寸的情况下。已经确定：超过了临界驱逐流速(CDF)的非常高的液体流速的简单应用能驱除由流动池表面上的湿张力或由几何不连续性引起的气泡。

例如，要求CDF以驱除由传感器表面不均匀表面特性在平面池内引起的气泡，这样，气泡的下游侧的湿张力(τ₁)大于上游侧的湿张力(τ₂)，由下列公式近似地给出

CDF＝Wh²{τ₂-τ₁}/(6ηL)

其中，W是池的宽度，h是池隙高度，η是液体的粘度，而L是气泡沿流动轴的额定长度。虽然，能粗略地估计出湿张力差Δτ2-τ1的上限，，但是在实际中遇到的实际值通常是通过实验来找出的。该分析清晰地示出几何缩放比例，然而，发现这缩放比例与气泡存放的其他机制相类似。虽然当间隙高度减小时，临界流动快速地降低，但是与临界流动相关的压降增加。同样，气泡长度的反相依赖性显示：如果在短距离内存在湿张力差，则难以除去非常小的气泡(即，短气泡)。

已经确定：当气泡从一个“撞击”点移动到下一个时，通常需要多次应用高流动脉冲，以消除气泡。为了从流动池中除去气泡，流体系统并入了正向活塞泵(注射泵)，用于将“气泡冲击波”或一连串高流速脉冲，例如，经低流阻流体通路，施加给传感器池。另外，实时监视气泡能中断流体运行，并毁灭可能积聚的任何气泡。

SPR分析极敏感于温度和温度波动，这样，必须尽可能严格地控制这个参数。为了维持系统的稳定性，以及在传感器表面发生的结合反应上产生精确和相一致的数据，重要的是用户必须控制所披露的设备的内部环境温度。因此，已经设计可选的热处理室，如图2所见，用于合并进依据本发明的光学分析设备，以允许用户快速地和精确地调整系统内的温度，调整通过流体系统的试剂和样本的温度，并控制传感器表面上结合反应的温度。

另外，期望允许用户在环境温度以上和以下的各种温度下进行实验。为了实现这个目的，如在图2中所见的，热处理室包围着目标区(传感器位于该目标区内)并包围至少一部分上述流体系统。在较佳实施例中，热处理室包括比例积分微商(PID)-控制的热电设备模块，该模块包括：循环风扇，散热器，热保险丝，及传感器。

图8中描述一个较佳的热处理室。该热处理室有利地排列着绝缘泡沫(32)，绝缘泡沫能维持热处理室内的热稳定性。这绝缘层保护传感器区，在传感器表面引入的液体，及在传感器表面发生的反应，不受由环境或由仪器运行引起的温度波动的影响。图8中画出的是：热处理室内的顶板组件(34)，用于精确地定位和安全地将传感器保持在目标区中的位置上；以及用于将传感器传送到目标区的机构。在这张图中，用数字36表示邻近于传感器区的4路阀门(图7中的36)。可包含光传感器(未示出)，用于确定传感器(流动池)相对于顶板的精确位置。还示出用于维持输入液体的热稳定性的被动型预加热器。例如由有散热片的铜制成的这些被动型预加热器经密闭环境内的循环空气严密地跟踪热处理室的温度，并经过嵌入热交换块凹槽内的液体管道壁的热传导，将热量传到或传离液体。

被动型热交换的一个替代是用附加伺服环路的液体流动的主动加热和冷却的使用。然而，依据成本和简单性，并因为被动型热交换器不会引入由有缺点的反馈控制引起的温度循环或噪声，所以被动型热交换器是较好的。使用被动型热交换器的困难在于热量流出或流入热交换器要求温度的有限差异。该差异与所需的热通量成比例，并因此，取决于液体流速，热容量，及期望的液体温度的增加或减少。

预加热器的最终目标是使液体尽可能地接近与热处理室的温度相同的温度，并由此接近传感器的温度。然而，使热量流进或流出管道需要热处理室内的液体和空气之间的温度差。因为进入传感器流动池的液体和规定的传感器温度之间的任何温度差将改变传感器的期望温度，这提出一个重要的问题。精确的SPR响应具有高度的温度依赖性。因此，如果预加热器具有足够的热质量，则它的作用如同散热器或热储存器，但是液体和热处理室温度在极端下长期运行将引起储存器的最终的加热或冷却，导致热SPR漂移。而且，如此高的热质量阻碍调整热处理室温度的快速热平衡，这也是需要的。

这儿描述的新颖解决方案是将每条液体线的流体热交换器分成多个热绝缘的，及串连连接的分段。依据这种设计，分段热交换器的总尺寸和流体死容积引人注目地小于设计成达到相同出口管温度误差的单段的总尺寸和流体死容积。结果，这样的第一级传送使液体流到达热处理室温度所需的总热量流中的大部分，同时将温度误差减少到它原值的一小部分，但用远低于热处理室温度的模块温度进行运行，并使液体流远低于期望的温度。类似的下一级使误差减少相似的因子，依此类推。

如下示意地示出，可以评估在等温空气流内的单个热交换器分段的性能。热量从等温空气流传导到例如铝或铜等高导热材料的有散热片的模块，并将热量带进穿过导热模块内的通道或穿过与导热模块有良好热接触的管子内的液体流。

框图：空气一到-分段-到-水热交换器部分的热分析。

在上述方案中，在稳态条件下，Q是在温度TAIR从空气传送给分段内液体流的热功率。液体体积流量率为F，密度为ρ，而热容量为c_p。到有散热片的导热模块的强迫空气传热系数为h，有效面积为A，液体管的温度调节系数为f_TA。注意：f_TA是流量率F的函数。求解图中所示的一套公式，得到一个分段的出口温度T_OUTLET：

T_OUTLET＝T_INLET+{f_TA h A/(h A+F ρc_pf_TA)}(T_AIR-T_INLET)

其中T_INLET是该特殊分段的入口温度。

可按“温度误差缩减因数”R来重写上述的公式，定义为

R≡(T_AIR-T_OUTLET)/(T_AIR-T_INLET)

结果是

R＝1-[1/f_TA+1/β]^-1

其中β是分段的相对空气热传递效率的无量纲测量值，由下式给出

β＝h A/(F ρc_p)

在所有情况下，限制液体温度调节系数fTA(F)如下：

0＜f_TA＜1

并且因为β＞0，所以R也经受相同的限制：

0＜R＜1

典型地设计分段以致fTA＞0.9且β＞6，所以单级R值为R＜0.22。这意味着：多级被动型热交换器的每个独立分段能将温度差异减少到它先前值的约20％或更小。

在某一给定液体流速时，每个热交换器分段起作用而使液体温度和热处理室温度之间的差异降低一个固定因子R，R总是小于一，并通常为0.20或更小。总共n个多级热绝缘分段串连连接，由此，液体温度按几何学上Rn下降。通过适当地选择分段数，有可能减少对于传感器的液体温度失配成为可接受的程度，或甚至为一个可忽略的值，以致使SPR信号上的任何有害影响减少到最小或消除。已经发现3到4分段通常是合适的，在温度平衡，流体死容积，和流速之间提供最佳平衡。

如上所述的，为了用本设备产生精确的SPR数据，有利地使用户有能力控制在传感器表面发生结合反应的环境温度。在这方面，也有利地，当在试剂和样本接触传感器之前流过流体系统时，使用户有能力控制试剂和样本的温度。为了实现运行的温度敏感元件上的这种控制，较佳地具有密封在上面描述的热处理室内的、合并进光学分析设备的任何流体系统中的至少一部分。较佳地，密封在热处理室内的这部分流体系统是最接近结合反应发生的部分，即，接近于传感器，并包括传感器本身。

从上面描述中，结合依据本发明的特征的SPR的许多不同实施例和其他光学分析仪都是可能的。所有这样的实施例，包括这儿披露的特别较佳设计的显而易见的变化，都倾向于落在本发明的范围内，如由下面的权利要求所定义的。

结合上面阐述的所有出版物和文档作为参考。

Claims (22)

1.一种阵列表面等离子体激元谐振分析仪，包括：

(a)反射表面等离子体激元谐振传感器阵列；

(b)光源组件，其设置成把光的准直束投射到所述反射表面等离子体激元谐振传感器阵列上，以提供所述传感器阵列的反射阵列图像，并且在角范围内扫描所述光的准直束的入射角；

(c)检测器组件，其定向为在所述角范围内接收所述传感器阵列的所述反射阵列图像，所述检测器组件包括两维的检测器传感元件和透镜组件，其中所述检测器传感元件根据Scheimpflug条件相对于透镜组件的光轴倾斜，所述透镜组件用于将所述表面等离子体激元谐振传感器阵列的反射阵列图像聚焦在所述倾斜的检测器传感元件上，并且

其中，所述透镜组件包括物镜部分，其设置成产生无限大的倾斜的反射阵列的虚像，在其后布置有成像部分，该成像部分设置成将倾斜的反射阵列的虚像转化成所述倾斜检测器传感元件上倾斜的实像。

2.按照权利要求1所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述物镜部分和成像部分两者共用一个通用的中间孔径平面，所述孔径平面位于所述物镜部分和成像部分之间的空间内，其中插有槽形孔径光阑。

3.按照权利要求1所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述透镜组件包括传感器成像双远心透镜组件。

4.按照权利要求1所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述透镜组件包括折射改正片。

5.按照权利要求4所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述透镜组件包括定位在检测器窗口和所述折射改正片之间的被动型指形冷冻器。

6.按照权利要求1所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述传感元件是CCD芯片。

7.按照权利要求1所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述反射表面等离子体激元谐振传感器阵列中的反射表面等离子体激元谐振传感器是光栅耦合表面表面等离子体激元谐振传感器。

8.按照权利要求1所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述光源组件包括光源和用于校准从所述光源发射出的光线的源光学器件。

9.按照权利要求8所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述光源是一个发光二极管或多个发光二极管。

10.按照权利要求9所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述光源是发射窄带波长的发光二极管。

11.按照权利要求9所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述一个或多个发光二极管被密封在塑料材料内，并且其中所述塑料材料是光学上平坦的或制造成光学上平坦的，以使得由所述塑料材料引起的光失真减少到最小。

12.按照权利要求8所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述光源组件设置在可旋转的旋转臂上，用以在所述角范围内扫描光的准直束的入射角。

13.按照权利要求12所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，由所述光源发射出经准直的光束偏离于所述源光学器件的中心轴。

14.按照权利要求13所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述经准直的光束偏离于所述源光学器件的中心轴，以提供2度的横向光束偏斜。

15.按照权利要求8所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述源光学器件被固定，并且所述光源可移动以在所述角范围内扫描光的准直束的入射角。

16.按照权利要求8所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述源光学器件和所述光源被固定，且其中所述光源设置成使光线照射在旋转镜上，以在所述角范围内扫描光的准直束的入射角。

17.按照权利要求1所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，进一步包括：

(d)流体系统，包括：

(i)一个或多个溶液储存器和/或溶液输入连接器；

(ii)供给管，将所述一个或多个溶液储存器和/或溶液输入连接器连接到目标区；

(iii)移除管，使所述目标区与从废液接收器，溶液储存器，和收集容器的组中选择的一个或多个元件相连接；

(iv)一个或多个泵，用于推进液体使之流过所述供给和移除管。

18.按照权利要求17所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，所述流体系统(d)进一步包括气泡冲击波装置，用于清除来自流体系统的俘获空气气泡。

19.按照权利要求17所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，把所述流体系统的一部分和所述目标区密封在热处理室内。

20.按照权利要求19所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，使用一个或多个被动型热交换器来控制被传导到所述目标区的液体温度。

21.按照权利要求20所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，还包括散热器，所述散热器包括一连串分段的被动型热交换器。

22.按照权利要求19所述的阵列表面等离子体激元谐振分析仪，其特征在于，使用一个或多个主动型加热或冷却环路来控制被传导到所述目标区的液体温度。

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