CN101449135A - 基于偏振的干涉测量检测器 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种用于测定样品物质的光学性质的传感器及方法。所述传感器包括能够产生相对于入射面具有预定偏振方向的线性偏振光束的光源。所述线性偏振光束被样品反射并被分为第二和第三光束，其中所述第二和第三光束由第一光束的相互正交分量的组合投影组成。信号处理器测定第二和第三光束之间的强度差异以计算样品物质引起的相差。

Description

基于偏振的干涉测量检测器

交叉引用

本申请是2006年4月17日提交的序列号11/379,026的申请的部分继续申请，其全部内容以参考的方式引入此处，且本申请基于35USC§120要求该申请的优先权。

技术领域

本发明涉及亲和性生物和化学传感器，且基于两个正交的偏振分量之间的相移的测量，来定量分析液态和气态样品。

背景技术

科学家和企业都在不断地寻找方法来评价分子相互作用，并消除与使用标记来检测目标分子的位置所伴随的不确定性。在解决这些问题方面，无标记技术是至关重要的，因为这些技术允许研究者观察分子系统而无需使用从根本上改变相互作用的动力学的外部化学物质干扰它们。设计为分析这些分子相互作用的仪器的灵敏度是最被关心的，因为通常目标分子的制备和/或分离很困难且成本高、或仅以非常低的浓度存在于生物样品中。除了分析物量极小的问题外，还存在分析物具有众多种类的问题，例如，在期望具有结合特性的药物研究组合化学库中。理想的是研究出能够与高通量筛选方法整合的传感器。它也必须足够灵敏以快速并明确地检测出量非常少的目标分子。

发明内容

本发明公开了一种包括光源、传感器、光学延迟器、分束器和检测器的用于测定样品物质光学性质的系统。所述系统包括用于产生具有第一和第二光波的第一光束的光源，所述第一光波具有第一线偏振且所述第二光波具有第二线偏振，所述第一和第二线偏振相互正交，且所述第一和第二光波彼此同相(in phase)。所述第一线偏振(p-偏振)在入射面内，而所述第二线偏振(s-偏振)与入射面垂直。所述第一光波和第二光波的强度设置为预定的比率。所述系统还包括光学延迟器，其通过在所述第一和第二光波之间施加相对延迟而在第一和第二光波之间提供可变相移；和棱镜界面，用于在全内反射(TIR)或受抑全内反射(FTR)条件下从样品物质反射第一光束。

在所述第一光束被光学界面反射之后，使用偏振分束器将所述第一光束分为第二光束和第三光束，其中，所述第二和第三光束包括互相正交的偏振分量在分束器主轴上的组合投影(combined projection)。信号处理器测量第二和第三光束之间的强度差异以计算样品物质引起的相差，所述信号处理器接收来自第一检测器的第一强度测量值和来自第二检测器的第二强度测量值，其中所述第一和第二检测器分别测量第二和第三光束的强度。

用于所述系统的光源可以包括相干光束，其为线性偏振的且具有相对于传感器表面的平面以预定角度旋转的所述线偏振。入射角基于由于传感器表面的变化导致的第一和第二光波之间的最大相移来确定。所述光源可以是气体激光器、二极管泵浦式固态激光器、受激准分子灯(excimer lamp)、垂直腔面发射激光器、激光二极管或者可以提供具有约500-700纳米范围波长的线性偏振相干光的任何光源。

所述偏振分束器可以定向为使得所述第二和第三光束的强度基本相等或彼此相等。所述偏振分束器可以相对于光学界面的平面以约45度角定向。所述第一和第二光波的强度的预定比率为β，其中 $\mathrm{\β}=\frac{I_P^0}{I_P^1}=\frac{I_P^0}{I_S^0},$ 且其中I⁰ _P和I¹ _P分别为样品物质反射前后第一光波的强度，而I⁰ _S为第二光波的强度。

所述系统中的光学延迟器可以是菲涅耳菱形棱镜或直角棱镜，以在正交偏振分量之间提供基本90度的相移。

所述系统可以进一步包括一个或多个位于第一光束路径中的光学元件，其中该一个或多个光学元件在所述光束传送到分束器之前将基本椭圆偏振转换成基本圆偏振。

所述系统至少包括一个传感器(sensor)，且可以包括至少一个SPR换能器(transducer)。所述传感器可以包含传感物质，该传感物质包括生物分子，例如抗体、抗原、寡核苷酸、蛋白质、酶、受体、受体配体、有机分子和催化剂。可选择地，样品物质可以应用到换能器阵列上而随后通过传感器进行分析，各个换能器包含传感物质。所述样品物质可以包括核酸、蛋白质、多肽、有机分子、细菌和病毒颗粒。

本发明的系统能够检测至少5×10^-8折射率单位(Refractive IndexUnit)的表面折射率变化。当与分子特异性表面相结合时，所述系统能够检测至少50毫微微克的样品量或至少2,230,000个分子的100个氨基酸的肽。

本发明的另一方面是提供一种测定样品物质的光学性质的方法。所述方法包括以下步骤：将所述样品物质应用到包含传感物质的换能器的光学界面；产生具有第一和第二光波的第一光束，该第一光波具有第一线偏振且所述第二光波具有第二线偏振，所述第一和第二线偏振相互正交。在所述第一光束从传感器的表面反射之后，通过在所述第一和第二光波之间施加相对延迟，在第一和第二光波之间提供基本90度的相移。在TIR或FTR条件下所述第一光束从样品物质反射，因此在提供和反射步骤之后，第一光束被分为第二光束和第三光束，其中所述第二光束和第三光束包括所述第一光束的互相正交的偏振分量的组合投影或由所述第一光束的互相正交的偏振分量的组合投影组成。测量第二和第三光束之间的强度差异以计算样品物质引起的相差。

在本发明的又另一方面中，提供一种检测样品中分析物存在的方法，其包括以下步骤：将所述样品应用到包含传感物质的传感器的光学界面；从光学界面反射第一光束，其中所述第一光束具有第一和第二光波；在所述第一光束从光学界面反射之后，将其分成第二光束和第三光束；以及测量第二和第三光束之间的强度差异以计算样品引起的相差。

本发明的方法中，所述第一光束可以是线性偏振的和相干的。所述第一光束可以具有第一和第二光波。所述第一光波可以具有第一线偏振且所述第二光波可以具有第二线偏振。所述第一和第二线偏振相互正交。在被传感器表面反射之后，所述第一光束可以基本为椭圆偏振的且可以在将所述第一光束分为第二和第三光束之前被转化成基本圆偏振的光。通过在全内反射条件下从两个反射表面反射所述第一光束和/或通过调节第一光束的路径中的光学延迟器，提供90度或基本90度的相移。

在本发明的方法中，所述第一和第二光波的强度的预定比率为β，其中 $\mathrm{\β}=\frac{I_P^0}{I_P^1}=\frac{I_P^0}{I_S^0},$

且其中I⁰ _P和I¹ _P分别为样品物质反射前后第一光波的强度，而I⁰ _S为第二光波的强度。

在某些情况下，所述第二和第三光束的强度可以相等或基本相等。所述第二和第三光束可由互相正交的偏振分量在分束器主轴上的组合投影组成。

此处的系统可以包括固定在光学界面上的传感物质。这些物质可以包括，例如，生物分子，如抗体、抗原、寡核苷酸、蛋白质、酶、受体、受体配体、有机分子和催化剂。所述样品物质可以包括核酸、蛋白质、多肽、有机分子、细菌和病毒颗粒。样品物质可以应用到一个换能器或应用到换能器阵列上而随后通过传感器进行分析，各个换能器包含传感物质。

当与分子特异性表面结合时，本发明的方法能够检测至少5×10^-8折射率单位的表面折射率变化，且能够检测至少50毫微微克的样品量或至少2,230,000个分子的100个氨基酸的肽。所述分析可以在参比样品存在的情况下进行，在所述参比样品中可以有或没有分析物存在，及可以有或没有已知种类和量的分析物存在。

通过参考的引入

本说明书中提及的所有出版物和专利申请以引用的方式引入此处，就像各个单独的出版物或专利申请被具体地和单独地表示以参考的方式引入的程度一样。

附图说明

在所附的权利要求书中特别地给出了本发明的新特征。通过参考下述对其中利用本发明的原理的说明性的实施方式的详细说明和附图，将能够更好的理解本发明的特征和优点，附图中：

图1显示根据本发明的实施方式的使用菲涅耳菱体途径的TIR传感器。

图2显示采用直角棱镜配置的本发明的实施方式。

图3显示根据本发明的实施方式的传感器阵列。

图4显示用于可以按照本发明操作的传感应用中的生物传感器阵列芯片。

图5显示所述系统作为生物亲和性传感器的典型反应。

具体实施方式

人们已深入研究了基于对结合在传感器的表面的薄的受体膜上的分析物进行检测的光学传感器。使用光学全内反射(TIR)配置来测量渐逝场中的折射率变化在干涉计、椭率计和偏光器中是常见的。所有这些技术可被用于测量化学或生物的层状介质，因而达到无标记检测的目标。

内反射椭圆光度法(IRE)可用于液晶的定向和溶质在基质表面上的吸附，且可用于测量液体的折射率。测量是在入射角的全内反射区中进行的，由于灵敏度低，这对于厚度的测量是不利的。为了提高此类厚度测量的灵敏度，已发展出了实现表面等离子体共振(SPR)效应的方法，这是一种落入更一般的受抑全内反射(FTR)途径的方法。但是，在生物和化学传感装置中，仍需要用于同时测量厚度和折射率变化的高灵敏装置。

人们已使用几种方法来测量传感器界面的空间反射系数和总的强度。这些基于强度的技术受到光源强度波动和传感器表面相对小的反射系数的困扰。人们一直期望更高的检测灵敏度以提高检测性能。利用其他的因素可以实现高的灵敏度。人们已经发现：当折射率或表面上的结合层的厚度改变时，光波的相位可以比强度的改变更加剧烈。可以在传感器中使用几种方法测量在SPR过程中传感器界面的相位变化，甚至具有传感器阵列成像的能力。例如，人们已提出了基于SPR和外差干扰测量的组合的传感器，其具有极高的灵敏度和低噪声。

在TIR和FTR两种条件中，反射束的p-和s-偏振分量之间的相差在邻近介质的光学性质(例如折射率或亲和性敏感层的厚度)改变时发生快速漂移。此外，测量入射束的p-偏振分量的相移产生比测量与入射角变化相关的强度的SPR技术高得多的灵敏度。此外，所述相变方法允许使用金属涂布的换能器和没有专门的金属涂层的光学透明的换能器。

就所述系统的测量参数和整体结构而言，此处披露的方法对于TIR和FTR两种条件采用类似的方式。在传感应用中利用SPR现象已在几种不同的结构中得到证明。通常的途径使用Kretschman结构。相干的p-偏振的光波在TIR条件下在光学稠密物质(例如玻璃棱镜)和折射率比稠密介质低的稀疏介质(在此情况下为样品介质)之间的界面上反射。这两种介质之间的界面涂布有薄的导电金属膜，其起到光波吸收器的作用。当取决于光波的入射角、波长和介质的折射率的特定条件得到满足时，光波导致金属的表面等离子体激元电子发生共振振荡，因而在金属膜中吸收波的能量。在这些共振条件中，样品折射率的变化将引起p-偏振分量的光学相位明显变化，而s-偏振相位保持相对恒定。在共振条件下，与TIR条件相反，p-偏振光分量的大部分通过SPR效应在金属膜中吸收。此事实被基于强度的SPR传感器和椭率计利用，将反射光的强度最小值的条件与光学配置相关联并由此推导样品的折射率或层厚度。

所述途径使用单一光束配置并通过观察包含在该光束中的、由相互作用的TIR/SPR表面反射的正交偏振分量(即，p-和s-偏振，所述p-偏振在入射面内而所述s-偏振与入射面垂直)的强度来监测层状介质中的任何变化，且其中光束的偏振分量发生强度和相位改变，对强度和相位改变的观察通过在稳态传感器条件下得到所述偏振之间基本90°的相移而优化。

此处所述的方法利用配有全内反射(TIR)或受抑全内反射(FTR)条件的基于偏振的干涉测量(PBI)，以使得能够达到先前通过其它竞争技术不能达到的灵敏度水平。同一光束的两种偏振状态(s-偏振和p-偏振)的干涉测量与FTR组合提高表面折射率变化的灵敏度到至少5×10^-8折射率单位(RIU)，其允许在与分子特异性表面结合时，检测至少50毫微微克的样品，或至少2,230,000个分子的100个氨基酸的肽。

本方法可在TIR或FTR任一条件下应用。当邻近换能器表面的介质的介电性能改变时，入射束的p-和s-偏振分量之间的相差发生快速的漂移。当表面上的结合层的折射率或厚度改变时，p-偏振分量的相位的变化比强度更加剧烈。这一差异使得能够使用以特定可调节角度倾斜的单个的基本线性的偏振束对换能器表面上或非常邻近区域中的折射率变化进行灵敏的检测。当两个分量为相位正交或90°异相时，能够达到最高的灵敏度。正交偏振分量与偏振分束器和差分信号处理方案的组合提供了对小相移的直接的、高度灵敏的测量和多路阵列成像检测。

本发明提供用于以能够进行高灵敏度水平的高吞吐量筛选的阵列形式来评价多元互补化学性质(multiple complementary chemistries)的方法。除了个体化医疗(特别是癌症)、检测生物和化学战剂/损伤和工业过程的质量控制之外，此种装置潜在的用途为：血液中的传染性疾病筛选和空气中病毒或细菌颗粒的检测、药物开发应用的药代动力学研究和初步结合研究。

传染性疾病筛选的一些实例可以包括：全菌、全病毒或病毒颗粒、全传染性寄生虫或其其它生命周期同源物的鉴别；对抗具体的细菌或病毒毒株的抗体、来自传染物质的排泄的/分泌的抗原或核酸标志物、或者来自宿主或致疾物质的疾病蛋白质生物标志物的鉴别。传染性疾病筛选可用于诊断目的或用于血液供给的安全性监测。个体化医疗可以使用目标疾病状态引起的抗体、蛋白质、肽、核酸和小的有机分子的鉴定。在药物研究和开发中，本发明可以用于：筛选核酸、抗体、蛋白质、肽和合成的有机分子，以鉴别适合发展成为候选药物的活性分子；在整个临床前和临床研究中检测生物样品中的候选药物；以及临床和社区环境中受试者的安全性监测，用于检测和定量。

其他可能的用途可以包括：空气和水的质量监测。可用于监测颗粒物、污染物、毒素、工业废物、废弃的生物制剂或无机健康危害因素。

图1显示本发明的一个实施方式的光学TIR传感器10。传感器10包括光源100、半波片200、菲涅耳菱体300、偏振分束器400、两个光电检测器500和600、以及与样品800相互作用的包含特定传感器材料的滑块700。

光源100可以是能够提供基本单色相干辐射的任何光源，例如激光器。优选地，所述光源为气体激光器、二极管泵浦式固态激光器、受激准分子灯、垂直腔面发射激光器或激光二极管。优选地，光源100是在500-700纳米波长范围内提供基本单色相干辐射的任何光源。光源100用于产生基本线性偏振的光束S。半波片200用于旋转光束S的偏振并使所述光束S的偏振以偏离垂直轴45度定向。结果，信号S1包含s-和p-偏振分量，其中s-和p-偏振之间的相差为零度。

菲涅耳菱体300用于在信号S1的s-和p-偏振分量之间引入基本90度的相差。本发明也可以考虑其他已知的在信号S1的s-和p-偏振分量之间引入90度的相移的方法。包含特定传感器材料的滑块700置于菲涅耳菱体表面中的一个(R1或R2或两者)上。优选地，滑块700由对光源100的波长基本透明的材料制成。优选地，滑块700由具有比样品更高的折射率的材料制成。优选地，滑块700由玻璃、塑料、硅或陶瓷制成。滑块700中的传感器材料与样品800相互作用。当信号S1被菱体/滑块的界面反射时，该相互作用在s-和p-偏振分量之间产生相移。滑块700和样品800与所述菱体300光耦合以确保最低限度的损失和保持全内反射条件。

可选择地，滑块700和棱镜300为单个组件的一部分，因此不需要使用折射率匹配液(index matching fluid)。在一个实施方式中，为了特殊应用，来自光源100的光束的入射角可以在最佳TIR/FTR角度附近变化。所述入射角根据由传感器表面上的变化导致的第一和第二光波之间的最大相移确定。所述入射角的精确值可以由产生传感器的最大灵敏度和在期望的动态范围内仪器响应的近似线性(即使操作条件发生改变，例如，新的芯片、金属或生物涂层的折射的变化等)的条件来确定。在这一实施方式中，与入射角成比例地改变的信号在该频率下进行调制。然后，抖动频率被过滤掉且不会影响测量的DC信号。优选地，频率明显高于测量过程的特征时间。

偏振分束器400用于组合信号S2的s-和p-偏振分量的投影。分束器400可以为组合正交偏振分量的任何分束器。在某些实施方式中，分束器400为立方分束器。通过检测器500和600检测s-和p-偏振分量的分离的投影。检测器500和600为接收光信号并产生含有与光信号同样信息的电信号的任何光电检测器，例如，光电二极管(PD)或电荷耦合器件(CCD)。

检测器500和600产生的电信号被传送到信号处理单元900。所述信号处理单元900读取两个检测器上的功率差异。该差异直接与s-和p-偏振分量之间的相移成比例。s-和p-偏振分量之间的相移是光学性质(例如，滑块700上的传感器材料的折射率或厚度)的变化指标。

图2显示根据本发明的一个实施方式的传感器系统30。传感器系统30包括：线性偏振光源314、半波片320、直角棱镜310、偏振分束器340，和检测器350和360。光源314可以是提供基本单色相干辐射的任何光源，例如激光器。在某些实施方式中，所述光源为气体激光器、二极管泵浦式固态激光器、受激准分子灯、垂直腔面发射激光器或激光二极管。在某些实施方式中，光源100是在532-680纳米波长范围内提供基本单色相干辐射的任何光源。优选地，光源314为提供波长范围的可调谐激光器。光源314用于产生基本线性偏振的光束I。半波片320用于以45度旋转光信号I的偏振并产生信号I1。半波片320也可用于调节在TIR/SPR传感表面的s-和p-偏振之间的相对的光强度以根据下述公式(13)进行信号优化。光束I1包含之间具有零度相差的s-和p-偏振分量两者。

光束I1被发送到棱镜310，在此它获得椭圆偏振。传感器系统30也包括主体玻璃基板370、应用有生物亲和性涂层的金属膜390，其与样品380相互作用。优选地，金属膜390为金膜。直角棱镜310可以旋转以适应液体或气体操作，或不同波长的光源。光束I1在棱镜的表面318经历TIR状态，在所述棱镜内部被第二TIR表面322反弹且作为光束I2离开所述棱镜。光束I2为椭圆偏振的。波片311、312用于获得具有基本圆偏振(基本90度相移)的光束I3。在某些实施方式中，所述波片中的一个以快轴相对于入射面成45度固定。任选地，波片316可用于获得基本90度的相差。当测量的样品缓冲液的折射率的范围太宽而单独通过在棱镜中的TIR反射不能获得基本90度相位时，这两种方法都可以使用。偏振分束器340组合光束I3的s-和p-偏振分量的投影。分束器340可以为组合单个光束的正交偏振分量的任何分束器。优选地，分束器340为立方分束器。

s-和p-偏振分量的组合投影通过它们各自的检测器350和360进行检测。检测器350和360为接受光信号并产生包含与光信号同样信息的电信号的任何光电检测器，例如，光电二极管(PD)或电荷耦合器件(CCD)。检测器350和360产生的电信号被传送到信号处理单元330。信号处理单元330读取两个检测器上的功率差异。该差异直接与s-和p-偏振分量之间的相移成比例。s-和p-偏振分量之间的相移是光学性质(例如，金属膜390上的传感器材料的折射率或厚度)的变化指标。

任选地，棱镜310可以旋转以适应不同类型的样品。在操作过程中，如果样品基准导致初始临界SPR角的显著变化，那么最佳操作可能需要旋转棱镜310。任选地，棱镜310在测量的过程中可以动态旋转。所显示的结构使得棱镜310的输入和输出光束即使在棱镜旋转的情况下也保持平行，由此避免在操作的过程中进行额外的动态调整。

本发明的方法利用了此事实：当在全内反射(TIR)或受抑全内反射(FTR)条件下光学界面的折射率的比率发生改变时，s-和p-偏振之间的偏振态或相对相位和各单独偏振分量的强度也发生变化。本发明的方法通过在这些分量之间施加基本90度的相移试图得到变化的s-和p-偏振分量之间的最大可能差异。

对于纯TIR条件，p-和s-偏振分量之间的光学相移(δ)表示为：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{\δ}}_p-{\mathrm{\δ}}_s=2\·{\tan }^{-1}\left[\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_i\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i-n_2^2/n_1^2}}{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}\right]---\left(1\right)$

其中，θ_i为特定的TIR/FTR界面上的光束入射角；n₂和n₁分别为样品介质和棱镜310的折射率。对于简单系统，通过内置的静态增益补偿系统，入射角可以对于给定的仪器而固定；或者入射角是可变的，从而适应缓冲溶液和SPR条件的范围，以在更加复杂的传感器系统中达到最高可能的灵敏度。

对于SPR，s-和p-偏振的反射系数可表示为：

$r_P=\left|r_P\right|e^{i{\mathrm{\δ}}_P},$

$r_S=\left|r_S\right|e^{i{\mathrm{\δ}}_S}---\left(2\right)$

而且，p-和s-偏振分量之间的相差为：

δ＝δ_P-δ_S                  (3)

其可以从全复波反射关系(overall complex reflection relation)(2)得到。

一般而言，所述入射到传感表面上的基本线性偏振的光束在离开棱镜310时转变成椭圆偏振光。光束的电磁矢量通过下式描述：

E_S＝a₁·cos(τ+δ_S)         (4)

E_P＝a₂·cos(τ+δ_P)                      (5)

其中，δ₁和δ₂分别为s-和p-偏振的相移，且：

$\mathrm{\τ}=\mathrm{\ωt}-\stackrel{\→}{k}\·\stackrel{\→}{r}---\left(6\right)$

如果两个检测器D₁和D₂正交定位且相对于入射面旋转Ψ角，就能够获得它们之间的功率差异如下：

$D_2-D_1=\mathrm{\ΔI}=\frac{1}{2}(a_1^2-a_2^2)\cos 2\mathrm{\Ψ}+a_1{a}_2\sin 2\mathrm{\Ψ}\cos \mathrm{\δ}---\left(7\right)$

如果检测器以角Ψ定位，如

$\tan 2{\mathrm{\Ψ}}^{*}=\frac{a_2^2-a_1^2}{2a_1{a}_2\cos \mathrm{\δ}},$

那么D₁-D₂＝0。

现在假定下述的假设存在：

a₂＝a₂₀+Δa₂， $\frac{\mathrm{\&Delta;}{a}_2}{a_{20}}<<1---\left(8\right)$

δ＝δ₀+Δδ， $\frac{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}{{\mathrm{\&delta;}}_0}<<1---\left(9\right)$

此处，a₂₀和δ₀指的是初始的或稳态的条件。由此，得出：

$\mathrm{\&Delta;I}{|}_0=\frac{1}{2}(a_1^2-a_{20}^2)\cos 2\mathrm{\&Psi;}+a_1{a}_{20}\sin 2\mathrm{\&Psi;}\cos {\mathrm{\&delta;}}_0$      (10)

$\mathrm{\&Delta;I}{|}_{a_2,\mathrm{\&delta;}}\&ap;\frac{1}{2}\cos 2\mathrm{\&Psi;}(a_1^2-a_{20}^2+2a_{20}\mathrm{\&Delta;}{a}_2)+a_1(a_{20}+\mathrm{\&Delta;}{a}_2)\sin 2\mathrm{\&Psi;}\cos ({\mathrm{\&delta;}}_0+\mathrm{\&Delta;\&delta;})$    (11)

因此由于换能器表面上的变化导致的差分强度的变化为：

R＝[Δa₂(a₁sin 2Ψ cosδ₀-a₂₀ cos 2Ψ)]-{a₁a₂₀ sin 2Ψ sin δ₀ sin Δδ}     (12)

在等式(12)中，第一个括弧指的是响应R的“强度”组成，而第二个括弧与响应R的“相位”组成对应。在TIR过程中，强度不改变而仅相移发生漂移。但是在SPR事件过程中，强度和相位均发生变化。然而，已表明：强度组成可以忽略，由此传感器响应简化为：

R＝-a₁a₂₀ sin 2Ψ sin δ₀ sin Δδ          (13)

所提及的途径的关键概念是将对于相位变化的响应最大化。

当符合以下这些条件时，相移组成被最大化：

$\sin 2\mathrm{\&Psi;}\&RightArrow;1\&DoubleRightArrow;\mathrm{\&Psi;}\&RightArrow;\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}---\left(14\right)$

$\sin {\mathrm{\&delta;}}_0\&RightArrow;1\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&delta;}}_0\&RightArrow;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}---\left(15\right)$

a₂₀＝a₁                         (16)

如前所述，条件(15)指的是相位正交或基本90°相移。条件(14)表示检测器以偏离入射面45°定位。在SPR事件过程中，条件(14)和(16)也可通过旋转位于传感棱镜前面的半波片以补偿光束的p-偏振分量在金属表面的吸收而得到满足。旋转角η可以给定如下：

$\tan \mathrm{\&eta;}=\mathrm{\&beta;}=\frac{I_P^0}{I_P^1}=\frac{I_P^0}{I_S^0},---\left(17\right)$

其中，I⁰ _P和I¹ _P为传感表面反射之前和之后p-偏振分量的强度，且I⁰ _S为s-偏振分量的强度。

最终，最大响应对应于圆偏振且表示为：

$R=-a_1^2\sin \mathrm{\&Delta;\&delta;}=I_0\sin \mathrm{\&Delta;\&delta;}---\left(18\right)$

为了获得期望的基本90°的相差，在光路中可以使用各种延迟相位的方法。获得期望的相移的具体实例通过变化下述参数而实施：棱镜310的折射率、棱镜内部任意非传感器TIR/FTR界面上的折射率比、入射角θ_i和棱镜内部TIR/FTR反射的数目。

例如，可变的波片为z-切(Z-cut)的双折射材料，例如结晶石英。波片设计为使折射率相对于光轴以倾斜角α在n₀和n_e之间的范围内变化，其中：

$n_e=\sqrt{n_0^2{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}+n_e^2{\sin }^2\mathrm{\&alpha;}}$

当波片定位与光束垂直(α＝0)时，波片的折射率为n₀；而当与光束平行定位时，折射率值为n_e。因此，相位可以在偏振分束器340调节为基本90°而与金属膜390上源自SPR的相差无关。

此外，如果偏振不是完全的圆偏振，而是垂直的或水平压缩的椭圆(s和p之间仍基本90°相移)，那么可将半波片置于棱镜前方以在传感表面相互作用之后平衡两个偏振分量的强度，从而产生期望的圆偏振。

还有另一个获得圆偏振的途径是通过使用液晶偏振旋转器，其给出一种响应于信号读数来控制偏振角度的方便的方法。例如，施加的电压可以通过反馈回路调节以在两个偏振分量之间提供接近于零的差分读数。

因此，可使用各种不同的方法得到最大的输出信号和相差正交。例如，可以使用两个或多个反射表面以在两个偏振分量之间提供基本90°的相移。这可通过设计具有在每次反射时提供TIR条件的合适的折射率的特殊棱镜而达到。通过SPR途径，可以使用特别设计的具有两次或多次反射的棱镜在s-和p-偏振之间提供基本90°的相移。如果任何预期的样品缓冲液的折射率的范围太宽，则不使用可变的波片316就不能获得基本90°的相移。此外，两个λ/4的波片(311，312)可置于棱镜310之后以将椭圆偏振束转化为圆偏振束，由此得到基本90°的相移。

图3显示本发明的一个实施方式，其中样品413为样品换能器的阵列，例如图4中显示的AlphaSniffer病毒芯片950。芯片950示于图4中。图4中的病毒芯片950可以在对光源100(图1)或314(图2)基本透明的任意基板上。在一个实施方式中，芯片950在玻璃或SF11基板上。芯片950具有类似于其他芯片实验室(Lab-on-Chip)或生物芯片(Bio-Chip)途径的性质。在一个实施方式中，芯片950可具有在暴露于分析液体的表面上的开放式“亲和力传感要素”或可构建作为芯片组件的一部分的流体通道。流体通路可以是单通道或多通道的。优选具有载体流(缓冲液)。优选地，所述样品在递送到芯片之前除气以避免在芯片表面上或紧邻区域中形成气泡。

图3显示使用本发明的方法处理多个样品换能器380(见图4)的亲和性生物和化学传感器40。传感器40包括换能器阵列413，换能器阵列413包含换能器元件380的阵列和用于各元件以构成换能器阵列413的相应金属膜层390(未示出)。光束被该阵列反射并保持各个元件380的相位和强度信息。分束器440用于组合s-和p-偏振分量的投影，它们然后通过检测器415和414进行检测。检测器414和415包括光电检测器阵列或CCD照相机。使用类似于上述方法的技术，检测器414和415利用差分信号分析工具获得“图像差”。“图像差”包含阵列413中的各个换能器元件380的相位信息。

图5显示使用体现本发明的装置分析的样品试验结果。将缓冲液中浓度为0.3mg/mL的120μL抗生物素蛋白溶液三次顺序地注射到涂布有生物素标记的BSA的传感表面。增量响应为当缓冲液流过所述换能器时，抗生物素蛋白结合到换能器的表面引起的响应与系统的初始响应之间的差异。增量响应的递增增加说明：所述换能器的表面未被抗生物素蛋白样品的第一次注射饱和，且在随后注射的过程中存在额外的结合。所述方法也允许通过改变注射的分析物的体积和浓度以及样品暴露于换能器表面的时间来研究反应的速率。

此处披露的系统和方法可用于评价一个样品或多个样品中的多元互补化学性质。样品优选在性质上为流体性的(例如，液体、气体等)。可以从动物获得的流体样品的实例包括但不限于全血、血清、汗水、泪液、耳流出物、痰、淋巴液、骨髓悬液、尿液、唾液、精液、阴道流出物、脑脊液、脑液、腹水、乳汁、呼吸、肠和泌尿生殖道的分泌物、以及羊水。

可以对样品进行分析以基于分析物的互补化学性质检测和/或鉴别样品中的特定分析物。互补化学性质的实例包括但不限于：抗体抗原相互作用，包括夹心抗体相互作用；受体配体相互作用，包括小分子、肽和蛋白质；与天然和合成的受体的相互作用；核酸的相互关系以及组分之间的其他相互作用，例如，非受体介导的蛋白质/蛋白质、肽、小的有机分子或无机分子的相互作用。

例如，为了分析抗体抗原相互作用，换能器可以由生物膜(例如，传感器材料)构成，其中所述生物膜包含用于检测在例如血液、血浆、唾液、尿液、胆汁等的任意生物流体或其他介质混合物中的互补化学性质的抗体或抗原，或涂布有该抗体或抗原。例如，通过使用由具有与目标多肽或蛋白质特异结合的抗体的生物膜组成的换能器，上述装置可用于检测样品中的多肽或蛋白质。这些实施方式的有用的应用包括：传染性疾病的诊断(包括血液供给安全性)、医学诊断、个体化医疗(例如癌症的鉴定和诊断)、生物/化学损伤或生物/化学武器检测(包括检测基于蛋白的和小分子的毒素和毒物)、以及免疫研究。对于这些广泛应用中的任一种，所述仪器可用于检测病毒或与疾病相关的抗原、宿主免疫球蛋白、病毒颗粒和/或细菌。

与酶联免疫吸附测定(ELISA)相比，本发明提出的系统表现出独特的优点，包括：由于不需要与另外的指示抗体和活化酶一起孵育，因而能够更加快速地得到结果；且可以进行实时监测；还明显降低分析过程的复杂性。这里还提出降低由于例如血液等复杂混合物的非特异性结合产生的背景信号，类似用于ELISA研究的阻断过程的简单步骤—没有目标分析物存在的复杂混合物流过换能器，测定非特异性结合，然后加入含有目标分析物的复杂混合物，从而引起目的分析物的特异性信号。此外，可以得出关于目标分析物与在生物传感器上的结合分子的结合和解离速度的信息。

在某些实施方式中，此处所述系统和方法可用于检测受体配体相互作用。在此实施方式中，受体或配体结合到所述换能器的表面上且测定配体与它的结合。一般利用例如色度/荧光或放射性标记的指示系统监测这些相互作用。此处所述的方法和系统可用于药物开发的实时、多重组合化学筛选，结合和解离常数的药代动力学、生物化学动力学研究，可能产生不需要的产物或副反应的工业过程的质量控制，监测化学反应的完成、催化作用、离子注入和基础化学研究。其中，在催化过程(如在铂上进行氢化反应)中使用贵重金属的情况中，通过将催化表面直接整合为换能器，可以进行过程的实时分析和评价。药物开发和生物学研究中的动力学研究可通过固定目标生物分子(例如酶)进行，并允许测定特别小的分子或假定存在的生物靶的结合和解离或处理速率。也可以将合成的受体固定(即，例如在这之中有修饰的卟啉、环糊精)以检测能够选择性结合的小分子。

在某些实施方式中，此处所述的系统和方法以极高的灵敏度检测和/或监测核酸(例如，DNA)杂交。这可用于例如检测目标核酸序列与在阵列上的探针的杂交。核酸杂交的分析也可用于测定病毒载量，并且如果存在足够数量(几十万)的分子来记录信号，则不需要核酸扩增的步骤，这与其他系统需要数十亿计的分子相反。此外，此处所述的系统和方法可用于实时检测样品中的这些分析物(例如，目标核酸序列)。

通过本发明可以进行的分子目标分析的其他形式包括：检测建筑物空气供给系统中病毒颗粒或其他生物源颗粒、化学和生物战剂、水和食物质量，监测原料和废物流中或环境生命维持系统和发电厂泄出物中的化学污染物。在液体或气体样品中也可以检测全菌。因此，除了个体化医疗(特别用于癌症)、生物和化学战剂/损伤的检测和工业过程的质量控制之外，本发明涉及血液中传染性疾病的筛选和空气中病毒或细菌颗粒的检测、药物开发应用的药代动力学研究和初步结合研究。

此处的任一实施方式中，装置可配置为能够使用在离散的位点具有不同的探针或样品的换能器阵列进行高通量筛选。例如，可以开发具有10-1000个要素的芯片以分析小核多态性(small nuclearpolymorphism)(SNPs)或用于产前筛查的特殊遗传标志物，或测定对于不同用药方案的癌症敏感性，或评价心理疾病的遗传性质，或分析来自众多传染性疾病患者(例如丙型肝炎或HIV)的血液样品。分析速率部分取决于芯片上的离散位点的数目，并且也取决于样品的体积。在某些实施方式中，芯片设计为具有超过但不限于10、100、1,000或10,000个离散的位点。在某些实施方式中，此处的仪器在1-2分钟内分析最多、但不限于120μL的样品，或者在2-5分钟内分析最多、但不限于500μL的样品。离散的位点可以具有含有例如血液或其他体液、水、气体物质等的样品。各个离散的位点可以具有地址以使得从独特位点的一个样品收集的数据可以与特定的样品(例如，从患者X收集的样品)相关联。

虽然这里已示出并描述了本发明的优选实施方式，但是对于本领域技术人员明显的是：这些实施方式仅通过举例的方式给出。许多的变型、变化和替换对于本领域的技术人员来说是显而易见的而不脱离本发明的范围。应当理解的是：在实施发明时也可以应用此处描述的本发明的实施方式的替代方式。下述的权利要求用于限定本发明的范围且由此本发明也包括这些权利要求的范围内的方法和结构及其等效物。

Claims (73)

1.一种测定样品物质的光学性质的系统，该系统包括：

光源，其用于产生具有第一和第二光波的第一光束，所述第一光波具有第一线偏振且所述第二光波具有第二线偏振，所述第一和第二线偏振基本上相互正交，所述第一和第二光波彼此同相；

光学延迟器，其通过在所述第一和第二光波之间施加相对延迟而在第一和第二光波之间提供共90度的相移；

光学界面，其用于在全内反射条件下从样品物质反射第一光束；

偏振分束器，其用于在所述第一光束被光学界面反射之后将第一光束分为第二光束和第三光束，所述第二和第三光束由互相正交的偏振分量在分束器主轴上的组合投影组成；

信号处理器，其用于测量第二和第三光束之间的强度差异以计算样品物质引起的相差，所述信号处理器接收来自第一检测器的第一强度测量值和来自第二检测器的第二强度测量值，所述第一和第二检测器分别测量第二和第三光束的强度。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括线性偏振的且相对于入射面以预定角度旋转的相干光。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光源为气体激光器、二极管泵浦式固态激光器、受激准分子灯、垂直腔面发射激光器或激光二极管。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光源为提供具有约500-700纳米范围内的波长的线性偏振相干光的任何光源。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏振分束器被定向为使所述第二和第三光束的强度基本相等。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏振分束器相对于光学界面的平面以45度角定向。

7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述预定角度相对于入射面基本上为45度。

8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一和第二光波的强度的预定比率为β，其中 $\mathrm{\&beta;}=\frac{I_P^0}{I_P^1}=\frac{I_P^0}{I_S^0},$

且其中I⁰ _P和I¹ _P分别为样品物质反射前后第一光波的强度，而I⁰ _S为第二光波的强度。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述用于提供总的90度相移的光学延迟器为菲涅耳菱形棱镜。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述用于提供总的90度相移的光学延迟器为直角棱镜。

11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个或多个位于第一光束路径中的光学元件，其中该一个或多个光学元件在所述光束传送到分束器之前，将光束的偏振从基本椭圆偏振转换成基本圆偏振。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器包括至少一个SPR换能器。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品物质涂布到包含传感物质的换能器上。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述传感物质包括生物分子。

15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述传感物质选自抗体、抗原、寡核苷酸、蛋白质、酶、受体和受体配体。

16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述传感物质包括有机分子。

17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述传感物质包括催化剂。

18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品物质涂覆到换能器阵列上，各个换能器包含传感物质。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品物质涂覆到换能器阵列芯片上。

20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品物质包括核酸。

21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品物质选自蛋白质和多肽。

22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品物质包括病毒颗粒。

23.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品物质包括细菌。

24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品物质包括有机分子。

25.根据权利要求1所述的系统，其中，其检测至少5×10^-8折射率单位的表面折射率变化。

26.根据权利要求1所述的系统，其中，其检测至少50毫微微克的样品。

27.一种测定样品物质的光学性质的方法，该方法包括：

将所述样品物质涂覆到包含传感物质的换能器的光学界面；

产生具有第一和第二光波的第一光束，该第一光波具有第一线偏振且所述第二光波具有第二线偏振，所述第一和第二线偏振相互正交；

通过在所述第一和第二光波之间施加相对延迟在第一和第二光波之间提供共90度的相移；

在光学界面反射第一光束；

在所述第一光束从光学界面反射之后，将第一光束分成第二光束和第三光束，所述第二和第三光束由互相正交的偏振分量在分束器主轴上的组合投影组成；以及

测量第二和第三光束之间的强度差异以计算样品物质引起的相差。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第一光束为相对于入射面以预定角度旋转的线性偏振的相干光束。

29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第二和第三光束的强度基本相等。

30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第二和第三光束的强度相等。

31.根据权利要求27所述的方法，其中，所述预定角度相对入射面基本为45度。

32.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第一和第二光波的强度的预定比率为β，其中 $\mathrm{\&beta;}=\frac{I_P^0}{I_P^1}=\frac{I_P^0}{I_S^0},$ 且其中I⁰ _P和I¹ _P分别为样品物质反射前后第一光波的强度，而I⁰ _S为第二光波的强度。

33.根据权利要求27所述的方法，进一步包括：在将所述第一光束分为第二光束和第三光束之前，将所述第一光束的偏振从基本椭圆偏振转换成基本圆偏振。

34.根据权利要求27所述的方法，其中，所述基本90度相移是通过在全内反射条件下从两个或更多个反射面反射所述第一光束提供的。

35.根据权利要求27所述的方法，其中，所述样品物质包括核酸。

36.根据权利要求27所述的方法，其中，所述样品物质选自蛋白质和多肽。

37.根据权利要求27所述的方法，其中，所述样品物质包括病毒颗粒。

38.根据权利要求27所述的方法，其中，所述样品物质包括细菌。

39.根据权利要求27所述的方法，其中，所述样品物质包括有机分子。

40.根据权利要求27所述的方法，其中，所述传感物质包括生物分子。

41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述传感物质选自抗体、抗原、寡核苷酸、蛋白质、酶、受体和受体配体。

42.根据权利要求40所述的方法，其中，所述传感物质包括有机分子。

43.根据权利要求27所述的方法，其中，所述传感物质包括催化剂。

44.根据权利要求27所述的方法，其中，所述样品物质引起的相差为至少5×10^-8折射率单位的表面折射率变化。

45.根据权利要求27所述的方法，其中，检测至少50毫微微克的样品物质。

46.一种检测样品中分析物存在的方法，该方法包括：

将所述样品涂覆到包含传感物质的传感器的光学界面；

从光学界面反射第一光束，其中所述第一光束具有第一和第二光波；

在所述第一光束被光学界面反射之后，将其分成第二光束和第三光束；以及

测量第二和第三光束之间的强度差异以计算样品引起的相差。

47.根据权利要求46所述的方法，进一步包括：将所述样品引起的相差与参比样品引起的相差进行比较。

48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述参比样品没有分析物存在。

49.根据权利要求47所述的方法，其中，所述参比样品具有已知的分析物存在。

50.根据权利要求47所述的方法，其中，所述参比样品具有已知量的分析物存在。

51.根据权利要求46所述的方法，其中，所述第一光波具有第一线偏振且所述第二光波具有第二线偏振，所述第一和第二线偏振相互正交。

52.根据权利要求46所述的方法，进一步包括：通过在所述第一和第二光波之间施加相对延迟而在第一和第二光波之间提供相移。

53.根据权利要求52所述的方法，其中，所述相移基本为90度。

54.根据权利要求52所述的方法，其中，所述相移为90度。

55.根据权利要求46所述的方法，其中，所述第二和第三光束由互相正交的偏振分量在分束器主轴上的组合投影组成。

56.根据权利要求46所述的方法，其中，所述第一光束为相对于入射面以预定角度旋转的线性偏振的相干光束。

57.根据权利要求46所述的方法，其中，所述第二和第三光束的强度基本相等。

58.根据权利要求46所述的方法，其中，所述第二和第三光束的强度相等。

59.根据权利要求56所述的方法，其中，所述预定角度相对入射面基本为45度。

60.根据权利要求56所述的方法，其中，所述第一和第二光波的强度的预定比率为β，其中 $\mathrm{\&beta;}=\frac{I_P^0}{I_P^1}=\frac{I_P^0}{I_S^0},$

且其中I⁰ _P和I¹ _P分别为样品物质反射前后第一光波的强度，而I⁰ _S为第二光波的强度。

61.根据权利要求46所述的方法，进一步包括：在将所述第一光束分为第二光束和第三光束之前，将所述第一光束的偏振从基本椭圆偏振转换成基本圆偏振。

62.根据权利要求53所述的方法，其中，所述基本90度相移是通过在全内反射条件下从两个反射表面反射所述第一光束提供的。

63.根据权利要求46所述的方法，其中，所述分析物包括核酸。

64.根据权利要求46所述的方法，其中，所述分析物选自蛋白质和多肽。

65.根据权利要求46所述的方法，其中，所述分析物包括病毒颗粒。

66.根据权利要求46所述的方法，其中，所述分析物包括细菌。

67.根据权利要求46所述的方法，其中，所述分析物包括有机分子。

68.根据权利要求46所述的方法，其中，所述传感物质包括生物分子。

69.根据权利要求68所述的方法，其中，所述传感物质选自抗体、抗原、寡核苷酸、蛋白质、酶、受体和受体配体。

70.根据权利要求68所述的方法，其中，所述传感物质包括有机分子。

71.根据权利要求46所述的方法，其中，所述传感物质包括催化剂。

72.根据权利要求46所述的方法，其中，所述相差为至少5×10^-8折射率单位的表面折射率变化。

73.根据权利要求46所述的方法，其中，检测至少50毫微微克的分析物。

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