CN101243299A - 基于相移干涉测量术的光纤分析装置 - Google Patents

基于相移干涉测量术的光纤分析装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于光学干涉检测样品中的分析物的装置和方法。所述装置包括光源、检测器单元和一个或一个以上一次性检测器尖头。所述装置还包括将光从所述光源耦合到所述检测器尖头且从所述检测器尖头耦合到所述检测器单元的光耦合组件。

Description

基于相移干涉测量术的光纤分析装置
相关申请案的交叉参考
本申请案(a)是于2004年11月4日申请的美国专利申请案第10/981,901号的部分继续申请，其主张于2003年11月6日申请的美国临时申请案第60/518,068号和于2004年3月31日申请的美国临时申请案第60/558,381号的优先权；且同时(b)主张于2005年6月13日申请的美国临时申请案第60/690,324号和于2006年6月12日申请的美国实用申请案第11/423,671号的优先权。因此，出于所有目的，所有上述申请案的揭示内容整体以引用的方式并入本文中。
关于联邦资助的研究或开发的声明
不适用。
技术领域
本发明涉及检测样品中一种或一种以上分析物的存在、量或结合速率的装置和方法，且具体来说，涉及基于光纤干涉测量术的装置和方法。
背景技术
基于分析物-反分析物结合对成员之间的结合事件的诊断试验广泛用于医药、兽医、农业和研究应用中。通常使用这些方法检测样品中分析物的存在或量，和/或分析物与反分析物结合的速率。典型的分析物-反分析物对包括核酸的互补链、抗原-抗体对和受体-受体结合剂，其中分析物可为对的任一方成员，而反分析物分子为对方成员。
这种类型的诊断方法通常使用具有固定反分析物分子的固体表面，其中在界定检测区中样品分析物分子将特异性且以高亲和力结合于反分析物分子。在这类称为固相分析法的分析法中，在促进分析物与固定反分析物分子结合的条件下，将固体表面暴露于样品中。结合事件可(例如)通过指示结合事件的质量、反射率、厚度、颜色或其他特征的变化直接检测。当分析物用(例如)发色团或荧光或放射性标记预标记时，结合事件可通过检测区中可检测标记的存在和/或量来检测。或者，可在分析物在检测区中结合后用(例如)二级荧光标记反分析物抗体标记。
以引用的方式并入本文中的共同拥有的美国专利第5,804,453号(′453专利)揭示光纤干涉仪分析器件，这一器件经设计以检测与光纤端面结合的分析物。分析物检测是基于由分析物分子结合于表面所产生的光纤端面厚度的变化，其中更大量的分析物产生干涉信号中更大的与厚度相关的变化。干涉信号的变化归因于从光纤末端反射的光与从光纤末端所携带的结合层反射的光之间相移，尤其如′453专利的图7a和7b中所说明。
理想地，干涉分析器件应具有使用简单且经济、使用相同基本器件检测不同类型的分析物的灵活性和规模经济的优点。本发明提供这些优点中的一些或全部。
发明内容
一方面，本发明包括检测样品中分析物的装置，检测分析物包括检测分析物的存在、分析物的量或分析物与分析物结合分子的缔合和/或解离的速率。这一装置包括光源、检测器单元和一个或一个以上一次性检测器尖头。这一装置还包括使来自光源的光耦合于检测器尖头且使来自检测器尖头的反射光耦合于检测器单元的光学耦合组件。
检测器尖头包括两个相隔至少50nm的反射表面。来自光源的光导向两个反射表面并由其反射。干涉反射光束导向检测器单元。检测器尖头还包括分析物结合分子沉积物，放置这一沉积物以使得反射光束之间的干涉随与分析物结合分子结合的分析物而变化。
一方面，光学耦合组件包括用于光学耦合于光源的光源连接器组件(connectorassembly)、用于光学耦合于检测器单元的检测器连接器组件和用于光学耦合于检测器尖头的尖头连接器组件。一次性检测器尖头可以可拆除地附接到尖头连接器组件，从而有利于快速更换用过的尖头和使用不同类型的尖头。光源光纤组件使光源连接器组件光学耦合于尖头连接器组件，且检测器光纤组件使尖端连接器组件光学耦合于检测器连接器组件。
光学耦合组件优选由标准件构造。举例来说，连接器组件优选由标准光纤和诸如SMA套圈的光纤套圈构造。在一种设计中，尖头连接器组件包括多个套圈。各套圈光学耦合于检测器尖头且含有来自光源光纤组件与检测器光纤组件的光纤。在特殊设计中，光源光纤和检测器光纤各自对称排列在中心轴周围。举例来说，可能存在一个光源光纤和多个检测器光纤，其以光源光纤为中心的模式排列。
另一方面，一次性检测器尖头包括光纤部分和连接器结构。光纤部分具有近端和远端且传感元件形成于远端(即，由远端支撑)。近端光学耦合于尖头连接器组件。连接器结构固定地附接到光纤部分且可拆除地附接到尖头连接器。举例来说，其可滑到和滑离尖头连接器中的套圈，以此方式，光纤部分的近端可光学耦合于尖头连接器中所含的一个或一个以上光纤。
在一种特殊设计中，连接器结构包括其中连接光纤部分的中心孔。其还包括在尖头连接器的套圈(例如，SMA套圈)上方滑动的弹性夹持臂(gripping arm)。弹性夹持臂在套圈上保持足够的摩擦力以相对于套圈中光纤将这一光纤部分固持在适当位置。连接器结构在光纤部分的近端与套圈中光纤的正面之间的保持空气间隙。连接器结构包括大致与光纤部分的近端齐平的平坦啮合表面。平坦啮合表面与套圈末端的接触保持光纤部分的近端与尖头连接器中所含的光纤之间的空气间隙。
附图说明
参考以下描述和附随图式本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更透彻，其中：
图1展示生物探针和其装置的基本系统设置；
图2展示根据本发明的一个实施例所形成的光学组件；
图3A和3B展示7个波峰和波谷级范围内(3A)和光谱可见光部分范围内(3B)的干扰波部分；
图4A展示根据本发明构造的光学耦合组件；
图4B展示图4A的光学耦合组件的尖头连接器中光纤的排列；
图5A是图4的尖头连接器和检测器尖头的透视图；
图5B是插入检测器尖头中的尖头连接器的横截面图；
图5C是尖头连接器与检测器尖头之间的光学耦合的详细视图；
图6展示三种分子的顺序结合；
图7展示由抗体缔合和解离所产生的缔合和解离曲线；
图8展示在不同浓度下与抗原结合的两种抗体的曲线；
图9展示对酰胺键形成具有特异性的双氨基聚乙二醇(PEG)(MW 3300)的固定化。使用PEG(MW 8000)作为阴性对照来监测PEG聚合物的非特异性结合；和
图10展示与大分子结合的小分子、阴性对照和基线测量。
具体实施方式
定义
除下述术语外且这些术语如下所定义，权利要求书和说明书中所使用的术语都根据所属领域的技术人员所理解的常用含义解释。权利要求书和说明书中所列举的数值范围应理解为包括界定所列举的范围的界限。
术语“活体内”指发生在生物体内的过程。
“分析物结合”分子指任何能够参与与分析物分子的特异性结合反应的分子。实例包括(但不限于)(例如)抗体-抗原结合反应和核酸杂交反应。
“特异性结合反应”指饱和的通常可逆的结合反应，且其可与一种过量的反应物竞争。特异性结合反应的特征在于特异性结合反应中参与物之间的形状、电荷和其他结合决定因素的互补性。
“抗体”指通过所属领域所已知的任何方法制备的或以后开发的具有两个重链和两个轻链的免疫球蛋白分子，且其包括多克隆抗体，诸如那些通过接种诸如山羊、小鼠、兔子等的哺乳动物所产生的多克隆抗体。术语包括使用基因工程方法、诸如那些使用(例如)用人类免疫球蛋白基因重建的超氧化物歧化酶(SOD)小鼠的方法产生的抗体，以及已使用所属领域已知的表面重塑技术(resurfacing technique)人化的抗体。
“抗体片段”指由化学裂解或基因工程技术产生的抗体分子的片段，以及单链可变片段(single chain variable fragment，SCFv)，诸如那些使用组合基因库和噬菌体呈现技术产生的片段。根据本发明使用的抗体片段通常保留结合同源抗原的能力，且因此包括可变序列和抗原组合位点。
“小分子”指分子量小于约500道尔顿的有机化合物。小分子是用于筛选以鉴别药物铅化合物的有效起始物质，药物铅化合物然后可通过传统药物化学、结构活性关系研究最优化来创造新药物。小分子药物化合物具有通常可口服生物利用的益处。小分子的实例包括以下数据库中的列的化合物：MDL/ACD(http:∥www.mdli.com/)、MDL/MDDR(http:∥www.mdli.com/)、SPECS(http:∥www.specs.net/)、中国天然产物数据库(ChinaNatural Product Database，CNPD)(http:∥www.neotrident.com/)和国家新药筛选中心(National Center for Drug Screening)(http:∥www.screen.org.cn/)的化合物样品数据库。
本申请案中所使用的缩写包括以下各者：“ss”指单链；“SNP”指单核苷酸多态性；“PBS”指磷酸盐缓冲盐水(0.01 M磷酸盐缓冲液，0.0027 M氯化钾和0.137 M氯化钠，pH 7.4)；“NHS”指N-羟基琥珀酰亚胺；“MW”指分子量；“硫-SMCC”指4-[N-马来酰亚胺甲基]环己烷-1-甲酸硫琥珀酰亚胺酯。
须注意，除非上下文另有明确规定，否则如说明书和附加权利要求书中所使用，单数形式“-”包括复数指示物。
优点和实用性
本发明的优点和实用性通过参考下文更详细描述的图和实例来说明。这些包括在不使用标记、成本不递减且无潜在毒性的情况下实时监测分析物结合反应的能力。另一优点包括使用可见光波长光源实践方法的能力。其他优点由允许结合反应以极小量样品体积(包括以“活体外”空间)监测且允许捆扎光纤以进行结合反应的高度复用分析的检测器尖头的光纤性质提供。
图1的示意图展示根据本发明构造的干涉装置20。就最基本元件来说，装置包括光源22；光学组件26，其充当传感元件或检测器尖头且将参考以下图2、4和5进一步详述；和检测器单元28，其检测由从光学组件26反射的干涉光波所产生的干涉信号。
来自光源22的光导向光学组件26并反射通过由短划线30所指示的光学耦合组件回到检测器。在一优选实施例中，耦合组件包括将来自光源的光传送到光学组件26的第一光纤组件32(为方便起见，称为光源光纤组件)和将来自光学组件26的反射光传送到检测器的第二光纤组件34(检测器光纤组件)。视情况，光学耦合器36可能用于使光纤组件32、34光学耦合于光学组件26。
装置中的光源可为白色光源，诸如产生广谱范围内(例如，400nm或以下到700nm或以上)、通常在至少100nm光谱范围内的光的发光二极管(light emitting diode，LED)。或者，光源可以是多个各具有不同特征波长的光源，诸如设计在可见光范围内不同选定波长下发光的LED。相同功能可通过单光源实现，例如具有用于将具有选定波长的光导向光学组件的合适滤光片的白色光源。
检测器优选是能够记录来自光学组件的反射干涉光的光谱的光谱仪，诸如电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)。或者，当光源用于将不同的选定波长导向光学组件时，检测器可以是用于记录各不同照射波长下光强的简单光检测器。在又一实施例中，检测器可包括多个滤光片，其允许检测在干涉反射波的多个选定波长的每一个下的光强(例如，来自白色光源)。
图2展示根据本发明的一个实施例构造的光学组件26的光学功能件。光学组件26包括短光纤29，光学组件的其余部分形成于其上。光纤29的另一端分别光学耦合于光纤组件32和34。可见，组件26包括具有第一反射表面42与第二反射表面40的透明光学元件38。根据本发明的重要特征，两个反射表面之间的光学元件的厚度“d”为至少50nm且优选至少100nm。例示厚度介于约100-5,000nm之间，优选400-1,000nm之间。第一反射表面42由诸如分子44的分析物结合分子层形成，这些分子有效与分析物分子46特异性且以高亲和力结合。也就是说，分析物和反分析物分子是上述类型的结合对的相对成员，其可包括(不限于)抗原-抗体对、互补核酸和受体-结合剂对。
光学元件的折射率优选类似于第一反射表面的折射率，如此来自光学组件的下远端的反射主要发生在由分析物结合分子形成的层，而不是光学元件和分析物结合分子之间的界面。类似地，当分析物分子与光学组件的下层结合时，来自组件下端的反射主要发生在由分析物结合分子和结合分析物形成的层，而不是界面区。一种形成光学元件的例示性材料是SiO2，例如折射率为约1.4-1.5的高质玻璃。光学元件也可由诸如聚苯乙烯或聚乙烯等折射率优选在1.3-1.8范围内的透明聚合物形成。
光学组件中的第二反射表面以折射率大体上比光学元件高的透明材料层形成，如此这一层用于反射被导向光学组件的部分光。第二层的折射率优选大于1.8。第二层的一种例示性材料是折射率等于2.1的Ta2O5。所述层通常通过常规气相沉积涂布或成层法形成于光学元件上达到小于50nm、通常介于5nm和30nm之间的层厚度。
第一(分析物结合)层的厚度经设计以使基于特定硬件和光学组件的总敏感性最优化。使用常规固定化学将分析物结合分子层以化学方式(例如共价地)附接到光学元件的下表面。举例来说，多种含用于化学附接到SiO2的硅氧烷基和用于附接诸如蛋白质(例如，抗原、抗体)或核酸的生物分子的羟基、胺、羧基或其他反应基团的双官能试剂。同样也为人们熟知的是，蚀刻或以其他方式处理玻璃表面以增加可借以使分析物结合分子结合的羟基的密度。当光学元件由诸如聚苯乙烯等聚合物形成时，可利用多种方法暴露可利用的化学活性表面基团，诸如胺、羟基和羧基。
优选在稠密涂布光学元件的远表面的条件下形成分析物结合层，如此分析物分子与这一层的结合迫使层的厚度变化，而不是填充于层中。分析物结合层可为单层或多层基质。
分析物的存在、浓度和/或与光学组件的结合速率能够通过来自光学组件中两个反射表面的反射光束的干涉测量。尤其，当分析物分子连接或脱离表面时，第一反射层的平均厚度因此而改变。因为所有其他层的厚度仍相同，所以由从两个表面反射的光波形成的干扰波因这厚度变化而相移。
假设存在两个反射光束：第一光束从分析物结合分子和结合分析物与周围介质之间的远端界面的第一表面反射；而第二光束从光学元件(第一层)与高折射率层(第二层)之间的近界面的第二表面反射。干扰波的总波长依赖性强度为：
I = I 1 + I 2 + 2 I 1 I 2 cos ( 2 πΔ λ )
当I是强度时，I1和I2是两个干涉光束的强度，Δ是光程差，且λ是波长。
当(2πΔ/λ)＝Nπ时，如果N是整数0、1、2......，那么曲线处于波峰或波谷。第一层的厚度d＝Δ/2n。因此，在波峰或波谷(极值)时，λ＝4nd/N。对N的数个第一批值，即，0、1、2......7且假设d为770nm来说，等式为：
N＝0：λ＝∞(波峰)
N＝1：λ＝4nd＝4,496.80nm(波谷)
N＝2：λ＝2nd＝2,248.40nm(波峰)
N＝3：λ＝4nd/3＝1,498.9nm(波谷)
N＝4：λ＝nd＝1,124.20nm(波峰)
N＝5：λ＝4nd/5＝899.36nm(波谷)
N＝6：λ＝2nd/3＝749.47nm(波峰)
N＝7：λ＝4nd/7＝642nm(波谷)
N＝8：λ＝nd/2＝562nm(波峰)
N＝9：λ＝4nd/9＝499.64nm(波谷)
N＝10：λ＝4nd/10＝449.6nm(波峰)
可见并进一步说明于图3A和3B中，至少三个波峰/波谷(N＝7-9)出现在可见光谱范围内。
如果使用第7级波谷计算分子层厚度的变化，那么当附接到第一层的分子层增加0nm到10nm时，第7级波谷将移动650.74nm。因此，第7级波谷的实际相移与厚度变化之间的比率(650.74-642.40)/10＝0.834。
相反，如果两个反射层之间的最初间隔完全由光纤末端的分析物结合分子组成，那么假设这一层的厚度为25nm，那么第1级波峰将出现在146nm处，显然在可见光谱范围之外，如此器件将仅看到0级波谷和第1级波峰之间的区的部分，而不会看到任何波峰，从而使得很难精确测量干扰波的光谱特征移动。
直到反射层的总厚度接近约100nm第1级波峰才会出现在可见光谱内。假设总厚度变化高达50nm，那么光学元件的厚度可小到50nm，但优选在数百纳米左右，如此干扰波的周期的相移或变化可通过更高级数的波峰或波谷(例如，当N＝3-10时)的光谱位置的移动容易地测量。
实际厚度与测量相移之间的比率视为测量敏感性的关键因素。可了解如何可以调节光学元件的厚度和其折射率以改进并最优化敏感性以适应电子设备和光学设计。
图4A展示分析装置20的例示性执行420。在这一实例中，光学元件26以一次性尖头426(图4中所示，与装置的其余部分脱离)执行且设计装置以一次用尽8个一次性尖头426。以光纤组件和连接器的集合430执行光学耦合组件30。其可拆除地附接到光源22、检测器尖头426和检测器单元28。这一模块化执行允许不同类型的光学耦合组件430与同一光源22和/或检测器单元28一起使用，且也允许不同类型的检测器尖头426与同一光学耦合组件430一起使用。可对检测器单元28进行的相应软件修改以适应这些变化。
在这一实例中，为从光源20运作到检测器单元28，56根光纤412通过标准SMA光纤连接器411耦合于光源22。56根光纤以8束排列，每束7根光纤。各束端接于光学耦合于另一光纤连接器431的光纤连接器413。为方便起见，光纤连接器431将称为光源连接器431(或总称为光源连接器组件)，因为其使光源20光学耦合于检测器尖头426。从各光源连接器431传到相应检测器尖头的光纤束含有单光纤。因此，各光纤连接413-431使连接器413中的7根光纤耦合于连接器431中的单光纤。总连接使连接器组件413中的56根光纤耦合于光源连接器组件431中的8根光纤。光闸435位于两个连接器组件413-431之间。
各连接器413的束中使用7根光纤以改进光源22提供的光的均一性。每束使用7根产生总共56根从光源22接收光的光纤。这56根光纤可以产生更均匀的耦合于光源连接器431的单光纤的每一根的光的方式排列。使用光闸435控制任一时刻被照明的检测器尖头426，下文将进一步描述。
在光学耦合组件430中，光源连接器431通过光纤组件432(称为光源光纤组件)耦合于连接器436(称为尖头连接器或总称为尖头连接器组件)，连接器436然后耦合于一次性检测器尖头426。光源光纤组件432包括8束光纤，每束1根光纤。每束的1根光纤端接于独立尖头连接器436。尖头连接器436还含有通往检测器单元28的光纤束434。在这一实例中，尖头连接器436与检测器单元的连接器(检测器连接器组件433)之间的光纤组件434含有8束光纤，每束7根光纤。因此，各尖头连接器436含有1根来自光源光纤组件432的光纤和7根来自检测器光纤组件434的光纤。
这些光纤如图4B所示排列。检测器光纤434以光源光纤432为中心的模式排列。使用这一模式减小光纤432、434与检测器尖头26中光纤部分29(参考，图2)之间失配的敏感性。使来自光源光纤432的光耦合于检测器尖头中的光纤部分29，其中其传播到干涉结构并被反射返回而由检测器光纤434收集。将如图5中所述，这一实例中光学耦合是穿过小空气间隙的直接光纤-光纤耦合。光纤的横向失配可导致耦合减小，但光纤的对称排列减小横向失配的敏感性。
重新回到图4A，来自尖头连接器436的8个光纤束434端接于单检测器连接器433，检测器连接器433光学耦合于检测器单元28以允许分析干涉信号。
在光学耦合组件430中，连接器411、413、431、436和433优选基于标准连接器，通常为SMA连接器。即使不使用整个连接器结构，连接器也应优选使用至少一个端接相关光纤束的标准套圈(例如，SMA套圈)。光学耦合组件430中所使用的光纤在这一实例中全部是多模光纤。
图5A-5C展示尖头连接器436和一次性检测器尖头426的更多细节。图5A是展示插入检测器尖头426中的尖头连接器436的透视图。图5B是插入检测器尖头426中的尖头连接器436的横截面图。图5C是尖头连接器436与检测器尖头426之间的光学耦合的详细视图。
首先参考图5B，一次性检测器尖头426包括光纤部分520和连接器结构530。光纤部分520具有近端522和远端524。近端522光学耦合到尖头连接器436中的光纤。传感结构形成于远端524上。传感结构(图5中未详细展示5)通常包括两个反射表面，其经放置以使得耦合于光纤部分的近端522中的光以产生干涉信号的方式被反射。传感结构进一步包括分析物结合分子的沉积物。分析物分子与沉积物的结合使得干涉信号变化。例示性传感结构展示于图2中。
干涉的变化可由不同物理现象引起。举例来说，分析物结合可引起光程长或两个反射表面之间的物理距离的变化。或者，分析物结合可引起位于两个反射表面之间的材料的折射率和光学吸收的变化。分析物结合也可使得分析物结合分子层膨胀，从而产生干涉变化。
连接器结构530固持光纤部分520且允许可拆除地附接到尖头连接器436。在这一特殊情况下，尖头连接器436中的光纤525固持于套圈527(准确的说，SMA套圈)中。连接器结构530经设计以使得套圈527可滑到连接器结构530中，然后将通过摩擦固持在适当位置，从而允许光纤部分520与套圈527中的光纤525之间光学耦合。连接器结构530优选经设计以使得可用手将其附接到和脱离套圈527。
图5B中所示的连接器结构包括光纤部分520固定连接其中的中心孔541。连接器结构还包括弹性夹持臂543，弹性夹持臂543在套圈527上方滑动且在套圈上保持足够摩擦力以相对于套圈527中的光纤525将光纤部分520固持在适当位置。使啮合套圈的弹性夹持臂的边缘523倾斜以有利于套圈插入连接器结构中。
在这一特殊设计中，不使用缓和(détente)。相反，适当轴向间距是通过套圈527和连接器结构530的设计来实现。如图5C的详情所示，连接器结构530包括平坦啮合表面547，平坦啮合表面547大致与光纤部分520的近面522齐平，其中公差小于+/-1mm。当插入时，套圈527接触啮合表面547。使光纤位于套圈和连接器结构530中，如此当进行接触时，光纤具有正确的轴向定位。
具体来说，光纤部分520与套圈中的光纤525之间保持空气间隙553。空气间隙减小横向失配的敏感性(与光纤相互直接对接耦合的情形相比)，且套圈中光纤的同心排列(参考，图4B)进一步减小横向失配的敏感性。空气间隙也减小来自两个光纤-空气界面的不需要的反射和干涉。空气间隙优选小于100nm或介于2μm与5mm之间。
在这种特殊执行中，连接器结构530为单一整体结构。因此，检测器尖头426仅具有两个部件(除尖头上的结合化学外)：光纤部分520和整体连接器结构530。此外，光纤部分520足够短且得到连接器结构530的足够支撑以使得含有传感结构的未支撑部分不易活动。此有利于自动操作，因为可以更容易地预测传感结构的位置。
图4和5的装置可以如下的自动方式操作。归因于检测器尖头连接器436和检测器尖头426的设计，可编程机器人器件以将尖头连接器436插入检测器尖头426中。然后，将检测器尖头426浸没在溶液中以便分析。不同尖头可附接到各尖头连接器中，且各尖头可浸没在不同溶液中。操作光闸435以一次照明一个检测器尖头426。如果时间t1时将8个通道标记为A-H，那么，可开启光闸435A同时关闭光闸435B-H。这提供对检测器尖头426A的照明，检测器尖头426A产生干涉信号，干涉信号由检测器单元28分析。时间t2时，可关闭光闸435A且可开启光闸435B，从而提供对检测器尖头426B的照明等。可使用其他类型的复用器。可编程照明的顺序且优选与检测器单元428所进行的分析同步。然后，机器人器件将用过的尖头更换成新的尖头，重复循环以进一步分析。其他执行可使用不同数目的检测器尖头，例如96个以匹配当前可用的阵列。
更具体来说，本发明中所述的装置可用于以下应用：
(i)用尖头上所携带的抗物种抗体(anti-species antibody)筛选融合瘤表达细胞株中具有高抗体表现的细胞株；
(ii)用尖头上所携带的抗原表征抗这一抗原的高亲和力抗体；
(iii)用尖头上所携带的蛋白质鉴别并表征这一蛋白质的结合搭配物(DNA、RNA、蛋白质、碳水化合物、有机分子)；
(iv)用尖头上所携带的碳水化合物或糖基部分鉴别并表征这一碳水化合物的结合搭配物(诸如，DNA、RNA、碳水化合物、碳水化合物、有机分子)；
(v)用尖头上所携带的认为参与多蛋白复合的蛋白质表征复合体形成的结合组分和/或动力学；
(vi)用尖头上所携带的小蛋白结合分子鉴别并表征这一分子的蛋白结合剂；
(vii)用尖头上所携带的抗体使用一组分析物标准物构造分析物的校正曲线。使用这一校正曲线，然后可确定未知溶液(细胞培养上清液、生物样品、处理混合物等)中分析物的浓度。
(viii)用尖头上所携带的例如ssDNA或RNA的单链核酸鉴别与核酸特异性结合的分子。
使用温度控制块，也可使用装置和方法监测结合并表征溶液中固定ssDNA与寡核苷酸的结合从而进行SNP分析。
虽然以下实例说明本发明的各种方法和中请案，但无论如何不打算限制本发明的范畴。
实例
以下是进行本发明的特定实施例的实例。这些实例仅出于说明的目的提供，而无论如何不打算限制本发明之范畴。虽然已做出努力以确保关于所使用的数字(例如，量、温度等)的准确性，但当然，应允许一定程度的实验误差和偏差。
除非另有说明，本发明的实践将使用所属技术领域内的蛋白质化学、生物化学、重组DNA技术和药理学的常规方法。这些技术完整说明于文献中。参考，例如T.E.Creighton，Proteins：Structures and Molecular Properties(W.H.Freeman and Company，1993)；A.L.Lehninger，Biochemistry(Worth Publishers，Inc.，current addition)；Sambrook等人，Molecular Cloning：A Laboratory Manual(第2版，1989)；Methods In Enzymology(S.Colowick和N.Kaplan编，Academic Press，Inc.)；Remington′s Pharmaceutical Sciences，第18版(Easton，Pennsylvania：Mack Publishing Company，1990)；Carey和Sundberg AdvancedOrganic Chemistry第3版.(Plenum Press)第A卷和第B卷(1992)。
实例1：小分子-蛋白结合反应
这一实例证明检测蛋白质与固定于感应器尖头上的小分子结合和后续多个抗体结合的能力。这一试验使用光纤尖头上的双层构型。第一Ta2O5层的厚度为25nm且第二SiO2层的厚度为770nm。光纤购自Ocean Optics(Dunedin，Florida)。人工将其切成40mm长的节段。将这些节段的两端抛光到标准镜面性能。此处所使用的抛光方法与用于光学透镜和反射镜的方法如出一辙。这些光纤节段的一个表面外置于光学涂布室以涂布Ta2O5层和SiO2层。这一供应商使用由Leybold制造的离子束辅助物理气相沉积(ion-beam assisted physical vapor deposition，IAPVD)涂布机。IAPVD是抗反射和光学滤光片的常用涂布技术。实验步骤包括以下步骤(除非另有说明，否则所有步骤都是在室温下进行)：
用生物素衍生的聚合物单层涂布光纤尖头。使用经生物素标记的脂质(custom)制备聚合物单层。使用这种脂质在水溶液表面上形成脂质单层。使用UV光使单层交联15分钟。然后，使干净干燥的光纤与漂浮的薄膜接触，且使生物素聚合物吸附于光纤尖头上。然后，将光纤在60C下干燥1小时。然后，将光纤保存在周围条件下。
将生物传感器尖头浸没在50μg/ml于PBS(Invitrogen，Carlsbad，CA；目录号14190078)中的链霉亲和素(streptavidin)链霉亲和素(Pierce Biotechnology，Rockford IL；目录号21122)中9分钟，然后用PBS简单清洗。
将同一尖头浸在10μg/mL于PBS中的兔子抗链霉亲和素溶液(AbCam，Cambridge，MA；目录号ab6676-1000)中36分钟，然后用PBS简单洗涤。
最后，将尖头浸没在50μg/mL于PBS中的驴抗兔子抗体溶液抗体(JacksonImmunoResearch，West Grove，PA；目录号711-005-152)中25分钟。在PBS溶液中进行最后10分钟的清洗。
图6展示这一顺序结合试验的实时反应曲线。纵轴是第7级波谷相移，以纳米为单位。显然，展示链霉亲和素与生物素的结合已固定在尖头上，且接着，抗链霉亲和素抗体与链霉亲和素和第二抗体与这个第一抗体结合。可见在900秒时链霉亲和素层从尖头解离(光学厚度的小幅减小)。
实例2：生物分子相互作用的动力学和亲和力的生物分子互相作用分析
这一实例说明使用本发明进行生物分子互相作用分析(biomolecular interactionanalysis，BIA)，从而测量生物分子相互作用的动力学和亲和力。使用如实例1中所述的相同尖头构型。实验步骤包括以下步骤(除非另有说明，否则所有步骤都是在室温下进行)：
使用以下程序制备经巯基硅烷涂布的尖头。将干净干燥的光纤在室温下在甲苯：己酸∶巯基丙基三氧硅烷(mercaptopropyltrioxysilane)(体积比10∶2∶1)的混合物中培育24小时。将光纤用10mL甲苯清洗2次，每次5分钟。然后，将光纤用10mL乙醇清洗1次并在氩气蒸气中干燥并保存在周围条件下。
首先，通过浸没在兔子IgG(Jackson ImmunoResearch，West Grove，PA；目录号309-005-003)于PBS中的10μg/ml溶液中1小时使生物传感器尖头衍生。
将涂布尖头浸在10μg/ml于PBS中的山羊抗兔子抗体溶液(Jackson hnmunoResearch，West Grove，PA；目录号111-005-003)中且保留15分钟。
将尖头移出并在PBS中洗涤。为促进第二抗体与第一抗体的解离，将PBS人工搅拌20分钟。
然后，再次将尖头浸在相同山羊抗兔子溶液中以展示山羊抗兔子与兔子IgG的可重现缔合。
图7展示由兔子IgG和山羊抗兔子缔合和解离所产生的缔合和解离曲线。纵轴也是第7级波谷相移。相移与平均厚度直接相关，其中比率为0.834。可靠检测缔合和解离曲线的能力对测量相互作用动力学和亲和力来说至关重要。
实例3：由抗体-抗原结合和释放曲线计算亲和力常数
这一实验证明由两种抗体和其抗原的测量缔合和解离曲线计算亲和力常数。将专用抗体标记为Ab-1和Ab-2。抗原的分子量为约30,000道尔顿。使用如实例1中所述的相同尖头构型。使用如实例2中所述的相同巯基硅烷光纤制备。实验步骤包括以下步骤(除非另有说明，否则所有步骤都是在室温下进行)：
活化光纤尖头以共价连接抗原。通过将感应器尖头浸没在50μL硫-SMCC(PierceBiotechnology，Rockford JL；目录号22322)于DMF(Sigma-Aldrich Chemical Company，St Louis，MO；目录号494488)中的50mg/mL溶液中2小时活化巯基硅烷涂布光纤。将感应器尖头在DMF中简单清洗并干燥；
通过将活化尖头浸没在抗原于PBS中的20μg/mL溶液中20分钟，使抗原与活化光纤尖头共价结合。将尖头用PBS清洗2分钟。PBS清洗后，用100μM乙醇胺(pH8.5)(Sigma-Aldrich Chemical Company，St Louis，MO；目录号E9508)水溶液使尖头中止持续5分钟，然后再次在PBS中清洗2分钟。
将同一尖头浸没在用于缔合试验的抗体中，记录实时结合数据持续9-15分钟(取决于抗体特性和浓度)。一旦记录下这些数据，就将尖头再次浸没在PBS中并搅拌以测量解离曲线(即，固定抗原与结合抗体之间的解离)持续9-15分钟。使用不同浓度的抗体(25nM，150nM和430nM)和鉴别为Ab-1和Ab-2的两种不同抗体重复结合(结合曲线)和解离(解离曲线)的测量。
图8展示不同浓度下的缔合和解离曲线。25nM Ab-2的试验未完成，因为在这一浓度下缔合极其缓慢。这些所说明的曲线是原始数据曲线。
通过将原始数据与第1级指数函数相拟合，从这些曲线推导出K缔合、K解离和KD。通过求两组数据的平均值，获得如下动力学和亲和力系数：
    Ab-1     Ab-2
    K缔合＝1.35×105(M-1S-1)     K缔合＝2.01×105(M-1S-1)
    K解离＝5.55×10-5(S-1)     K解离＝8.15×10-5(S-1)
    KD＝K解离/K缔合＝3.99×10-9(M)     KD＝K解离/K缔合＝4.45×10-9(M)
实例4：NHS酯活化尖头
使用如实例1中所述的相同尖头构型。使用如实例2中所述的相同巯基硅烷光纤制备。通过将感应器尖头浸没在50μL硫-SMCC(Pierce Biotechnology，Rockford JL；目录号22322)于DMF(Sigma-Aldrich Chemical Company，St Louis，MO；目录号494488)中的50mg/mL溶液中2小时活化巯基硅烷涂布光纤。将感应器尖头在DMF中简单清洗并干燥。
通过形成稳定酰胺键，可使含胺分子与这一表面共价结合。虽然不含游离胺的分子不通过NHS部分固定，但这些分子仍可通过非特异性结合与表面结合。这一非特异性结合可为多层，而通过NHS酯的共价固定化应为由NHS酯的可用性和可及性控制的单层。
在这组实验中，使用双氨基PEG(MW 3300)(Shearwater Polymers，San Carlos，CA)作为与活化表面共价结合的试验化合物。使用不包游离氨基的PEG(MW 8000)(Sigma-Aldrich Chemical Company，St Louis，MO；目录号04162)作为阴性对照。使用这一阴性对照寻找任何可能与这一表面上的PEG聚合物固有非特异性或多层结合。
图9展示已用试验分子处理活化巯基硅烷尖头的时程。活化尖头展示暴露于0.1mg/mL于PBS中的双氨基PEG(MW 3300)之后光学厚度显著增加。当用PBS缓冲液替换双氨基PEG溶液时，这一增加停止。暴露于不含胺的于PBS中的0.1mg/mL PEG(MW8000)中的活化尖头展示光学厚度最初增加较小，但痕迹快速变平坦。由此可推断，PEG聚合物不具有固有非特异性结合且由双氨基PEG所见的结合归于胺基的特异性共价固定。
实例5：使用NHS酯化学的抗体衍生的尖头
这一实例说明与固定高分子量分子结合的低分子量分子的结合。使用如实例4中所述的相同NHS酯端接表面和如实例1所述的相同尖头构型，将抗生物素抗体固定于3根光纤。抗体的固定化是通过在室温下将活化光纤浸没在20μg/mL小鼠抗生物素抗体(Biodesign，Saco MN；目录号H61504M)于PBS中的溶液中1小时来实现。将尖头用PBS清洗2分钟。PBS清洗后，用100μM乙醇胺(pH 8.5)(Sigma-Aldrich ChemicalCompany，St Louis，MO；目录号E9508)水溶液使尖头中止5分钟，然后再次在PBS中清洗2分钟。
将第1根光纤暴露于200μg/mL生物素(Pierce Biotechnology，Rockford IL；目录号29129)于PBS中的溶液中。对第2根和第3根光纤进行使用蔗糖(Sigma-Aldrich ChemicalCompany，St Louis，MO；目录号S8501)(2mg/mL)和PBS的溶液的对照以确定基线噪声。来自这些试验的数据展示于图10中。当光学厚度增加时可视为生物素结合，而暴露于蔗糖未展示高于基线(PBS)的可检测的增加。
使用以相同方式固定于上述抗生物素抗体的不相干抗体(来自Calbiochem，SanDiego CA的抗Lewis Y抗体；目录号434636)进行另一种阴性对照。将这一固定抗体暴露于200μg/ml生物素溶液中。缺乏与这一抗体结合的生物素表明与抗生物素抗体结合的生物素是特异性相互作用的结果而不归因于非特异性结合。
虽然已参考优选实施例和多种替代实施例特定展示且描述本发明，但相关领域的技术人员应了解，在不脱本发明的精神和范畴的情况下，可对本发明进行各种形式以及细节方而的变化。
因此，出于所有目的，本说明书的主体中所引用的所有参考文献、颁布专利和专利申请案其整体以引用的方式并入本文中。

Claims (35)

1.一种一次性检测器尖头，其包含：
具有近端和远端的光纤部分；
形成于所述光纤部分的远端上的第一反射表面和第二反射表面，所述反射表面经定位而使得以产生干涉信号的方式来反射耦合到所述光纤部分的近端中的光；
邻近所述反射表面形成于所述光纤部分上的分析物结合分子的沉积物，其中分析物分子与所述分析物结合分子沉积物的结合引起所述干涉信号的变化；和
固定附接到所述光纤部分的连接器结构，所述连接器结构用于可拆除地附接于光学耦合组件的尖头连接器以便将所述光纤部分的近端光学耦合到一个或一个以上包含在所述尖头连接器中的光纤。
2.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述分析物结合分子的沉积物为形成于所述光纤部分的远端的尖头上的分析物结合分子层，由此当所述光纤部分的远端浸没在溶液中时，所述分析物结合分子层与所述溶液接触。
3.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述分析物结合分子的沉积物为形成于所述光纤部分的远端的尖头上的分析物结合分子层，且所述第一反射表面包括所述分析物结合分子层，由此当所述光纤部分的远端浸没在溶液中时，所述分析物结合分子层与所述溶液接触。
4.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述第一反射表面和所述第二反射表面间隔开至少50nm。
5.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述连接器结构在所述光纤部分的近端与包含在所述尖头连接器中的光纤之间保持空气间隙。
6.根据权利要求5所述的一次性检测器尖头，其中所述空气间隙小于100nm。
7.根据权利要求5所述的一次性检测器尖头，其中所述空气间隙介于2μm与5mm之间。
8.根据权利要求5所述的一次性检测器尖头，其中所述空气间隙减小所述光学耦合对于所述光纤部分的近端与包含在所述尖头连接器中的光纤的横向失配的敏感性。
9.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述尖头连接器包括含有所述光纤的套圈，且当所述检测器尖头可拆除地附接到所述尖头连接器时，所述连接器结构啮合所述套圈。
10.根据权利要求9所述的一次性检测器尖头，其中所述套圈为SMA套圈。
11.根据权利要求9所述的一次性检测器尖头，其中所述连接器结构包含：
中心孔，所述光纤部分附接到所述中心孔中；和
弹性夹持臂，其用于在所述套圈上滑动且在所述套圈上保持足够摩擦力以将所述光纤部分固持在相对于所述尖头连接器中的光纤的适当位置中。
12.根据权利要求11所述的一次性检测器尖头，其中使所述弹性夹持臂的啮合边缘倾斜以有利于所述套圈插入所述连接器结构中。
13.根据权利要求9所述的一次性检测器尖头，其中所述连接器结构在所述光纤部分的近端与包含在所述尖头连接器中的光纤之间保持空气间隙。
14.根据权利要求13所述的一次性检测器尖头，其中所述空气间隙介于2μm与5mm之间。
15.根据权利要求13所述的一次性检测器尖头，其中所述空气间隙减小所述光学耦合对于所述光纤部分的近端与包含在所述尖头连接器中的光纤的横向失配的敏感性。
16.根据权利要求13所述的一次性检测器尖头，其中所述连接器结构包括与所述光纤部分的近端大致齐平的平坦啮合表面，由此所述平坦啮合表面与所述套圈的接触在所述光纤部分的近端与包含在所述尖头连接器中的光纤之间保持所述空气间隙。
17.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述连接器结构包含：
中心孔，所述光纤部分附接到所述中心孔中；和
弹性夹持臂，其用于在所述套圈上滑动且在所述套圈上保持足够摩擦力以将所述光纤部分固持在相对于所述尖头连接器中的光纤的适当位置中。
18.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述连接器结构为整体结构。
19.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述连接器结构可以手动方式附接和脱离所述尖头连接器。
20.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述光纤部分足够短且由所述连接器结构充分支撑以使得所述光纤部分的任何未受支撑部分都不易活动。
21.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述尖头连接器中所含的光纤包含：
一个或一个以上输入光纤和一个或一个以上输出光纤，其中所述输入光纤和所述输出光纤对称排列在中心轴周围。
22.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述尖头连接器中所含的光纤包含：
一个输入光纤；和
两个或两个以上输出光纤，其以所述输入光纤为中心的方式排列。
23.根据权利要求1所述的一次性检测器尖头，其中所述光纤部分包含多模光纤。
24.一种用于检测分析物的装置，其包含光学耦合组件，所述组件具有：
光源连接器组件，其用于光学耦合到光源；
尖头连接器组件，其可拆除地附接到一个或一个以上一次性检测器尖头，其中所述一次性检测器尖头产生随分析物分子与所述检测器尖头上的分析物结合分子的结合而变化的干涉信号；
光源光纤组件，其用于将所述光源连接器组件光学耦合到所述尖头连接器组件；
检测器连接器组件，其用于光学耦合到分析所述干涉信号的检测器单元；和
检测器光纤组件，其用于将所述尖头连接器组件光学耦合到所述检测器连接器组件。
25.根据权利要求24所述的装置，其中：
所述光源连接器组件包括一个或一个以上含有所述光源光纤组件中所含的光纤的一端的套圈；
所述尖头连接器组件包括一个或一个以上含有所述光源光纤组件中所含的光纤的另一端与所述检测器光纤组件中所含的光纤的一端的套圈；和
所述检测器连接器组件包括一个或一个以上含有所述检测器光纤组件中所含的光纤的另一端的套圈。
26.根据权利要求24所述的装置，其中所述尖头连接器组件包括N个套圈，N＞1，每个套圈用于啮合一个检测器尖头且每个套圈包括一个或一个以上包含在所述光源光纤组件中的光纤和一个或一个以上包含在所述检测器光纤组件中的光纤。
27.根据权利要求26所述的装置，其中N＝8。
28.根据权利要求26所述的装置，其中N＝96。
29.根据权利要求26所述的装置，其中所述光源连接器组件包括N个套圈且所述检测器连接器组件包括少于N个套圈。
30.根据权利要求26所述的装置，其中对所述N个套圈中的每一个来说，所述光源光纤和所述检测器光纤对称排列在中心轴周围。
31.根据权利要求26所述的装置，其中对所述N个套圈中的每一个来说，所述光源光纤实际上包括一个光源光纤且所述检测器光纤包括两个或两个以上以所述光源光纤为中心的方式排列的检测器光纤。
32.根据权利要求26所述的装置，其中对所述N个套圈中的每一个来说，光源光纤的数目与检测器光纤的数目不同。
33.根据权利要求24所述的装置，其进一步包含：
光闸，其将来自所述光源的光导向N个一次性检测器尖头中的任一个，N＞1，其中所述尖头连接器组件可拆除地附接到所述N个一次性检测器尖头。
34.根据权利要求24所述的装置，其中所述光源光纤组件包括N个光纤，所述N个光纤光学耦合到多于N个来自所述光源的光纤。
35.根据权利要求24所述的装置，其中所述光源光纤组件仅含有多模光纤且所述检测器光纤组件仅含有多模光纤。
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