CN101498660B - 一种无标记检测生物芯片的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无标记探测生物芯片的方法，包括以下步骤：a.使偏振光入射到待测生物芯片上并透射，所述偏振光包括P偏振光分量和S偏振光分量；b.接收所述透射偏振光；c.根据步骤b接收到的透射偏振光中的P偏振光和S偏振光来探测和表征待测生物芯片的性质；本发明实现了对P、S偏振光透射系数相对变化的差值的探测，利用透射P、S偏振光穿透生物样品的特点，得到更多的关于生物大分子内部信息、结构的表征，并且本发明的装置结构简单，易于操作，能够高通量快速实现对生物分子反应的监测，不需要任何标记试剂，工作效率高。

Description

一种无标记检测生物芯片的方法和装置

技术领域

本发明涉及检测生物芯片的方法和装置，特别涉及一种可以对生物芯片进行无损伤、无标记检测的方法和装置。

背景技术

至今为止，在生物芯片检测技术领域中所使用的方案主要可以归结为两大类：间接探测与直接探测。所谓间接探测方案，需要引入外加标记，通过对外加标记的检测从而间接推断原来目标分子的性质、特点。其中，荧光标记方法无疑是间接探测方案中的典型代表，并且在生物芯片检测领域得到广泛的运用，如文献1：Fluorescence Imaging：Principles and Methods，Amersham Biosciences，63-0035-28，2000。虽然荧光标记的探测方法具有简单方便、易于操作、成像速度快、空间分辨率高等优点，但是鉴于间接检测方法即有标检测的原理，外加的荧光标记分子不可避免地破坏了目标源分子的功能、性质、结构，同时发射荧光的效率随反应物的不同而不同，另外光致漂白的问题也不能够忽视。所以这些瓶颈限制荧光标记方法即有标检测技术在生物芯片探测领域的进一步发展。

为了改善、解决有标探测的劣势，实现真正的无损伤检测，因此出现了无标探测——直接检测技术。它的主要机制是探测目标源分子所导致的物理性质的改变。表面等离子共振方法(简称SPR)、原子力显微镜方法、质谱方法、椭偏仪方法、斜入射光反射率差方法(简称OIRD)是无标检测技术中的典型代表。SPR方法主要是利用金属与介质界面所产生的表面等离子体激元共振的原理来检测生物芯片，如文献2：G.J.Wegner，H.J.Lee，and R.M.Corn，“Characterization and optimization of peptide arrays for the study of epitope-anitbody interactions using surface plasmon resonance imaging”，Anal Biochem，74，5161-5168，2002。但是在SPR方法中，对金属膜的质量要求较高，这就加大了实验可行性的难度。同时，SPR技术的探测灵敏度在偏离表面等离子激元共振峰时会急速下降，如文献3：G.Steiner，V.Sablinskas，A.Hubner，C.Kuhne，and R.Salzer，“Surface plasmon  resonance imaging of microstructured monolayers”，J Mol Struct，509，265-273，1999；K.F.Giebel，C.Bechinger，S.Herminghaus，M.Riedel，P.Leiderer，U.Weiland，and M.Bastmeyer，“Imaging of cell/substrate contact of living cells with surface plasmon resonance microscopy”，Biophys.J，76，509-516，1999。虽然已经证明利用原子力显微镜可以检测生物芯片，但是其实施成本高，并且具体实验难度大，如文献4：L.T.Mazolla，and S.P.A.Fodor，“Imaging biomolecule arrays by atomic force microscopy”，Biophys.J，68，1653-1660，1995。尽管质谱的探测技术具有无损伤探测、高灵敏度等特点，但是考虑到激光诱导沉积及离化，这种技术需要特殊的基底，这无疑提高了实验成本，加大了实验的难度，如文献5：M.Schena，Protein Microarray，pp.97-99，Jones and Bartlett Publisher，40 Tall Pine Drive Sudbury，2005。为了获得更优于椭偏仪的探测灵敏度，斜入射光反射率差技术(OIRD)被引入到生物芯片检测领域。起初这种高灵敏度的特殊的测量表面薄膜光学性质的探测方法，以其对相对反射率ΔR/R＝1×10^-5和覆盖角Δθ＝0.02变化的灵敏响应，在薄膜生长监控过程发挥着巨大的作用，如文献6：X.D.Zhu，H.B.Lu，G.Z.Yang，Z.Y.Li，B.Y.Yuan，and D.Z.Zhang，“Oblique-incidence optical reflectivity difference from a rough film of crystalline material”，Phys.Rev.B 57，2514-2544，1998。近年来，在生物芯片检测方面，如文献7：J.P.Landry，and X.D.Zhu，“Label-free detection of microarrays of biomolecules by oblique-incidence reflectivity difference microscopy”，Opt.Lett，29，581-583，2004所述：在实验中采用直径为3μm的光斑照射生物芯片，以硅光电二极管接收反射光，整套光路系统固定不动的，被测样品做二维扫描。整个系统包括P偏振的激光光源、光弹调制器、普克盒(Pockels cell)和透镜组成的入射光路系统，由透镜、检偏器和光电探测器组成的出射光路部分及数据采集和处理系统，文献中采用此装置在没有荧光标记的条件下分别进行了生物分子阵列合成反应检测、微阵列的光学性质的定量检测和水溶液中微阵列的检测。此种检测装置对于多阵元生物分子微阵列反应的监测需要的时间长，并且样品的移动给监测结果带来了难以避免的系统噪声，特别地，基于此种方法所探测的信息主要来自于样品表面，对于样品内部尤其是生物大分子内部结构性质的反映不够充分，同时生物样品表层的反射信号相对较弱，反射率差信号同时反 映了生物样品的介电常数(主要体现了生物大分子化学成分、质量密度、分子量、吸收性质等本征属性)与厚度(也即是生物分子的表面起伏、粗糙度等形貌信息)，也就是说反映生物大分子特性的两种参数是耦合在一起，这就为后期对于生物信号的分析、提取代来了相应的难度。另外，入射角度的调节也不是十分的方便。

综上所述，目前在生物芯片检测领域中广泛使用的无论是有标记检测方法、还是无标检测技术，都各自存在着一些问题，为了更加直观、实时、高通量、无损伤、高灵敏度地探测生物芯片，有必要设计、发展新的无标检测手段，以解决其他检测技术中的瓶颈。

发明内容

因此，本发明的任务是克服现有技术中的困难，提供一种可以进行无标记探测生物芯片的方法；

本发明的另一任务是提供一种无标记探测生物芯片的装置。

一方面，本发明提供了一种无标记探测生物芯片的方法，包括以下步骤：

a.使偏振光入射到待测生物芯片上并透射，所述偏振光包括P偏振光分量和S偏振光分量；

b.接收所述透射偏振光；且

c.根据步骤b接收到的透射偏振光中的P偏振光分量和S偏振光分量建立P偏振和S偏振透射系数的相对变化的差值，来探测和表征待测生物芯片的厚度和介电常数，其中所述P、S偏振光的透射系数的相对变化Θ_p和Θ_s分别为：

${\mathrm{\Θ}}_p\≡\frac{t_p-t_{p0}}{t_{p0}}=\frac{{\mathrm{\δt}}_p}{t_{p0}}$

${\mathrm{\Θ}}_s\≡\frac{t_s-t_{s0}}{t_{s0}}=\frac{\mathrm{\δ}{t}_s}{t_{s0}}$

其中，t_p0和t_s0分别为待测生物芯片的透明基片部分对P偏振光和S偏振光的透射系数，t_p和t_s分别为透明基片上覆盖有生物样品薄膜时对P偏振光和S偏振光的透射系数；

所述P偏振和S偏振透射系数的相对变化的差值为：

${\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s=(\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}-1)[1+i\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0})}d({\mathrm{\ϵ}}_d+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s{\mathrm{\ϵ}}_0})]$

其中，d表示生物样品的厚度，λ₀是真空中的光波长，ε₀表示空气的介电常数，ε_s表示基底的介电常数，ε_d表示生物样品的介电常数。上述方法中，所述介电常数包括介电常数的实部和介电常数的虚部，而这几个物理参数，往往同生物芯片的许多性质相关，例如分子浓度、分子量、质量密度、化学成分、样品的吸收等。

上述方法中，还可以包括：

步骤d.根据步骤c的结果产生待测生物芯片的图像。

上述方法中，还可以在入射前对所述偏振光进行光弹调制和相位移动；同时，在接收所述偏振光时，先对其进行检偏，然后探测偏振光的强度和相位，并对探测的结果进行锁相放大。

上述方法中，所述步骤c还包括建立P偏振和S偏振激光的透射系数的相对变化的差值的步骤。

进一步地，所述步骤c还可以包括：

步骤c10.对所述透射系数的相对变化的差值进行对数转换。

进一步地，所述步骤c还包括：

步骤c20.根据所述透射系数的相对变化的差值的对数计算待测生物芯片介电常数。

进一步地，所述步骤c20还包括：

步骤c21.根据所述透射系数的相对变化的差值对数的虚部计算介电常数的实部；和

步骤c22.根据所述透射系数的相对变化的差值对数的实部计算介电常数的虚部。

进一步地，所述步骤c还可以包括：

步骤c30.根据所述透射系数的相对变化的差值的对数的虚部计算待测生物芯片的厚度。

进一步地，上述方法中，所述步骤d还可以包括：

步骤d10.根据所述透射系数的相对变化的差值成像。

进一步地，上述方法中，所述步骤d还可以包括：

步骤d20.根据所述透射系数的相对变化的差值的对数成像。

另一方面，本发明提供了一种无标记探测生物芯片的装置，包括：

偏振光发生装置，其发出的偏振光入射到待测生物芯片上并透射，所述偏振光包括P偏振光分量和S偏振光分量；

接收装置，用于接收透射的偏振光；

分析装置，其包括透射系数的相对变化的差值模块，用于根据所述接收装置接收到的偏振光中的P偏振光分量和S偏振光分量计算P偏振光和S偏振光的透射系数的相对变化的差值，来探测和表征所述待测生物芯片的厚度和介电常数，其中所述P、S偏振光的透射系数的相对变化Θ_p和Θ_s分别为：

${\mathrm{\Θ}}_p\≡\frac{t_p-t_{p0}}{t_{p0}}=\frac{{\mathrm{\δt}}_p}{t_{p0}}$

${\mathrm{\Θ}}_s\≡\frac{t_s-t_{s0}}{t_{s0}}=\frac{{\mathrm{\δt}}_s}{t_{s0}}$

其中，t_p0和t_s0分别为待测生物芯片的透明基片部分对P偏振光和S偏振光的透射系数，t_p和t_s分别为透明基片上覆盖有生物样品薄膜时对P偏振光和S偏振光的透射系数；

所述P偏振和S偏振透射系数的相对变化的差值为：  ${\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s=(\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}-1)[1+i\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0})}d({\mathrm{\ϵ}}_d+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s{\mathrm{\ϵ}}_0})]$

其中，d表示生物样品的厚度，λ₀是真空中的光波长，ε₀表示空气的介电常数，ε_s表示基底的介电常数，ε_d表示生物样品的介电常数。

上述装置中，所述介电常数包括介电常数的实部和介电常数的虚部。

上述装置中，还可以包括图像处理装置，用于根据所述分析装置的结果产生待测生物芯片的图像。

上述装置中，所述偏振光发生装置与所述待测生物芯片之间的光路上设有光弹调制器和移相器，所述接收装置包括检偏器、光电探测器和锁相放大器。

上述装置中，所述分析装置可以包括透射系数的相对变化的差值模块，用于根据接收装置接收到的偏振光计算P偏振光和S偏振光的透射系数的相对变化的差值。

进一步地，所述分析装置还可以包括对数转换模块，用于将所述透射系数的相对变化的差值模块得到的透射系数的相对变化的差值进行对数转换。

进一步地，所述分析装置还可以包括介电常数计算模块，用于根据所述透射系数的相对变化的差值的对数计算待测生物芯片的介电常数。

进一步地，所述介电常数计算模块还可以包括实部单元和虚部单元，所述实部单元用于根据所述透射系数的相对变化的差值对数的虚部计算介电常数的实部，所述虚部单元用于根据所述透射系数的相对变化的差值对数的实部计算介电常数的虚部。

进一步地，上述装置中，所述分析装置包括形貌模块，用于根据所述透射系数的相对变化的差值对数的虚部计算待测生物芯片的厚度。

上述装置中，所述图像处理装置可以根据所述透射系数的相对变化的差值成像。

上述装置中，所述图像处理装置可以根据所述透射系数的相对变化的差值的对数成像。

本发明的优点在于：

1.实现了对P、S偏振光透射系数相对变化的差值的探测，利用透射P、S偏振光穿透生物样品的特点，得到更多的关于生物大分子内部信息、结构的表征。此特点优于OIRD方法只能对生物样品表层信息进行探测的特点。生物样品信息的差异对于透射率差信号的影响要大于反射率差信号，也就是说透射率差信号对于生物大分子性质的探测要比反射率差信号更为灵敏。同时透射光的强度对于透明的生物芯片来说要大于反射光的强度，就这一点而言，利用透射率差的检测得到的信号的强度要优于OIRD方法所得到的信号强度，从而进一步提高探测信号的灵敏度。在对数坐标系下，透射率差信号能够实现在自身光路最简单配置条件下，对于反映生物大分子的介电常数、厚度(表面起伏)两类不同信息的一定 程度上的分离：透射率差的实部只与介电常数的虚部相关，透射率差的虚部与生物分子的表面起伏信息及介电常数的实部相关，但这种相关性是简单的线性相关性，这是反射率差信号所不能比拟的；

2.通过对样品台的旋转可以实现对入射角度更加方便的调整(0°～90°)，从而以最佳的入射角进行探测，以期得到最佳的灵敏度；

3.装置结构简单，易于操作，能够高通量快速实现对生物分子反应的监测，不需要任何标记试剂，工作效率高。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1透射率差进行无标记生物芯片检测原理图；

图2入射光在透明基底中的透射示意图；

图3入射光在透明样品和基底中的透射示意图；

图4.一种使用透射率差进行无标记生物芯片检测的装置。

具体实施方式

图1是一种无标记检测生物芯片的装置，包括光路上顺序设置的激光器101、P偏振的起偏器102、光弹调制器103、移相器104、会聚系统105、待测生物芯片106、收集系统107、检偏器108和光电探测器109。激光器101输出的激光顺序经过各个光学元件后，被光电探测器109接收。

下面以上述装置为例，对本发明的透射率差方法进行理论分析：

根据矩阵光学理论，对上述光路中的各光学元件可以用矩阵形式进行表示：

P偏振的起偏器P： $P=E_0\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)---(1-1)$

其中，E₀表示初始的光强振幅。

主轴方向同水平方向成45度角的光弹调制器M`为：

其中，AsinΩt表示光弹调制器对于P、S偏振分量之间相位差的调制；A为一常数，表征P、S偏振分量之间的最大相位差；Ω为光弹调制器的调制频率；t表示时间。

其中， 

为旋转变换矩阵。

移相器  $G_{\frac{1}{2}\mathrm{\λ}}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{i{\mathrm{\φ}}_0}\end{array}\right)---(1-3)$

其中φ₀表示移相器能够引入的P、S偏振分量之间的附加相位差。

待测生物芯片的信息B： $B=\left(\begin{array}{cc}{t}_p& 0\\ 0& t_s\end{array}\right)---(1-4)$

其中t_p、t_s表示待测生物芯片的P、S偏振分量的透射系数，均为复数，可以分别表示为 

其中|t_p|、|t_s|分别为P、S偏振光透射系数的模，φ_p、φ_s表示P、S偏振光透射系数的相位。

检偏器G_analysis： $G_{\mathrm{analysis}}=\left(\begin{array}{cc}{\cos }^2\mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}& {\sin }^2\mathrm{\α}\end{array}\right)---(1-5)$

其中α表示检偏器的透振方向同竖直方向的夹角。

激光在通过各个光学元件后的场分布E为以上各个矩阵之积：

$E=\mathrm{PM}{G}_{\frac{1}{2}\mathrm{\λ}}B{G}_{\mathrm{analysis}}=E_0{e}^{i\frac{\mathrm{\φ}}{2}}\left(\begin{array}{c}\left|t_p\right|e^{i{\mathrm{\φ}}_p}\cos \frac{\mathrm{\φ}}{2}\\ \left|t_s\right|e^{i({\mathrm{\φ}}_s+{\mathrm{\φ}}_0+\frac{\mathrm{\π}}{2})}\sin \frac{\mathrm{\φ}}{2}\end{array}\right)---(1-6)$

其中，φ＝AsinΩt。

经过光电二极管探测的光强I为：

$I={\left|E\right|}^2=$

$I_0[{\left|t_p\right|}^2{\cos }^2\mathrm{\α}\frac{1+\cos \mathrm{\φ}}{2}+{\left|t_s\right|}^2{\sin }^2\mathrm{\α}\frac{1-\cos \mathrm{\φ}}{2}+\frac{1}{2}|t_p\left|\right|t_s\left|\sin 2\mathrm{\α}\sin \mathrm{\φ}\sin ({\mathrm{\φ}}_p-{\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_s)\right]---(1-7)$

其中，I₀＝|E₀|²，表示初始光强；φ_p表示P偏振光透射系数的相位部分、φ_s为S偏振光透射系数的相位部分，φ₀表示相移器引入的P、S偏振分量之间的附加相位差。

利用Bessel展开：

cos(A sin Ωt)＝J₀(A)+2J₂(A)cos 2Ωt

(1-8)

sin(A sin Ωt)＝2J₁(A)sinΩt

其中，J_n(A)为第一类Bessel函数，满足

$J_n\left(A\right)=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^m}{m!(n+m)!}{\left(\frac{A}{2}\right)}^{n+2m}$

$=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^m}{\mathrm{\Γ}(m+1)\mathrm{\Γ}(n+m+1)}{\left(\frac{A}{2}\right)}^{n+2m}$

n＝0、1、2...，式中Γ(n+1)＝n！，称为Γ函数

所以光强I可以化简为：

I＝I_DC+I(Ω)+I(2Ω)

$I_{\mathrm{DC}}=I_0({\left|t_p\right|}^2{\cos }^2\mathrm{\α}\frac{1-J_0\left(A\right)}{2}+{\left|t_s\right|}^2{\sin }^2\mathrm{\α}\frac{1+J_0\left(A\right)}{2})---(1-9)$

I(Ω)＝I₀|t_p||t_s|sin2αsin(φ_p-φ₀-φ_s)J₁(A)sinΩt

I(2Ω)＝I₀(|t_p|² cos²α-|t_s|² sin²α)J₂(A)cos 2Ωt

其中，A为一常数，表征P、S偏振分量之间的最大相位差，I_DC表示直流信号，I(Ω)表示基频信号，I(2Ω)表示倍频信号，

分别引入P、S偏振光的透射率差Θ_p和Θ_s的定义：

${\mathrm{\Θ}}_p\≡\frac{t_p-t_{p0}}{t_{p0}}=\frac{{\mathrm{\δt}}_p}{t_{p0}}$

(1-10)

${\mathrm{\Θ}}_s\≡\frac{t_s-t_{s0}}{t_{s0}}=\frac{\mathrm{\δ}{t}_s}{t_{s0}}$

其中，由于待测生物芯片包括有透明基片部分和覆盖有样品的部分，t_p0和t_s0分别为透明基片部分对P偏振光和S偏振光的透射系数。t_p和t_s分别为透明基片上覆盖有生物样品薄膜时对P偏振光和S偏振光的透射系数。透射系数的绝对变化δt_p和δt_s远小于透射率t_p和t_s本身，所以分别将t_p和t_s以t_p0和t_s0为中心作泰勒展开，并且只保留δt_p和δt_s的线性项，则有：

${\left|t_p\right|}^2{\cos }^2\mathrm{\α}-{\left|t_s\right|}^2{\sin }^2\mathrm{\α}\≈{\left|t_{p0}\right|}^2{\cos }^2\mathrm{\α}(1+2\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\δ}{t}_p}{t_{p0}}\right))-{\left|t_{s0}\right|}^2{\sin }^2\mathrm{\α}(1+2\mathrm{Re}\left(\frac{{\mathrm{\δt}}_s}{t_{s0}}\right))---(1-11)$

$\left|t_p\right|\left|t_s\right|\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}\sin ({\mathrm{\φ}}_p-{\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_s)$

$\≈\left|t_{p0}\right|\left|t_{s0}\right|\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}|1+\frac{{\mathrm{\δt}}_s}{t_{s0}}||1+\frac{{\mathrm{\δt}}_p}{t_{p0}}|\sin ({\mathrm{\φ}}_{p0}+\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_p-{\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_{s0}-\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_s)---(1-12)$

$\≈\left|t_{p0}\right|\left|t_{s0}\right|\left(\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}\right)({\mathrm{\φ}}_{p0}-{\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_{s0}+\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_p-\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_s)$

其中， 

和 

分别为P、S偏振光对背底的透射系数的相位部分。

首先将激光聚焦到生物芯片上的透明基片部分，调节检偏器光轴与P偏振方向的夹角α和移相器使倍频信号和基频信号都接近为零，即要求：

|t_p0|²cos²α＝|t_s0|²sin²α

(1-13)

同样，由于δt_p和δt_s远小于透射率t_p和t_s， 

和 

可以近似用Im(Θ_p)和Im(Θ_s)来表示：

因此：

${\left|t_p\right|}^2{\cos }^2\mathrm{\α}-{\left|t_s\right|}^2{\sin }^2\mathrm{\α}\≈2{\left|t_{p0}\right|}^2{\cos }^2\mathrm{\α}(\mathrm{Re}\left(\frac{{\mathrm{\δt}}_p}{t_{p0}}\right)-\mathrm{Re}\left(\frac{{\mathrm{\δt}}_s}{t_{s0}}\right))---(1-15)$

$=2{\left|t_{p0}\right|}^2{\cos }^2\mathrm{\αRe}\{{\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s\}$

所以可得经过简化的直流信号、基频信号和倍频信号分别为：

I_DC≈I₀|t_p0|²cos²α

I(Ω)≈2I₀|t_p0|²cos²αIm{Θ_p-Θ_s}J₁(A)        (1-17)

I(2Ω)≈2I₀|t_p0|²cos²αRe{Θ_p-Θ_s}J₂(A)

在图1所示的光路中，光弹调制器使得P、S偏振分量之间的最大相位差为π，即A＝π，代入上述各式中，最终可以得到：

$\mathrm{Im}\{{\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s\}\≈\frac{1}{2J_1\left(\mathrm{\π}\right)}\left(\frac{I\left(\mathrm{\Ω}\right)}{I_{\mathrm{DC}}}\right)$

$\mathrm{Re}\{{\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s\}\≈\frac{1}{2J_2\left(\mathrm{\π}\right)}\left(\frac{I\left(2\mathrm{\Ω}\right)}{I_{\mathrm{DC}}}\right)---(1-18)$

J₁(π)＝0.2846，J₂(π)＝0.4854

根据以上理论分析： 

的参数项体现了生物样点的透射率信息。同时，考虑到本领域中，用来检测的生物芯片材料都是透明或半透明的，例如GST蛋白生物芯片、脱氧核糖核酸生物芯片、IgG蛋白芯片等，其透射光的强度一般要大于反射光，透射光穿透于生物大分子内部，因此，在某种程度上透射光信号的改变不仅反映了生物大分子的表面信息，更为重要的是它体现了生物分子的内部属性，换句话说，通过对透射光的探测有可能得到更高的灵敏度及更多的关于生物分子内部信息的反映。通过菲涅耳公式及传输矩阵，比较偏振光的反射率与透射率，当样品的厚度较大时透射信号所反映的生物样品的属性要多于反射信号，生物大分子的自身属性能够极大地引起透射信号经过样品前后的差别。

在上面理论的基础上，进一步分析透射率差信号的物理体现——透射率差信号与生物样品物理信息的联系，并提出一种三层模型，该三层模型中，入射光先后经过介质(空气)-生物样品-基底(玻片)，并且先后经过三 次折射后出射，即介质(空气)与生物样品之间、生物样品与透明基底之间、以及透明基底与介质(空气)之间，如图2和图3所示，其中，图2表示入射偏振光在待测生物芯片透明基片部分的透射，图3表示入射偏振光在待测生物芯片上覆盖有生物样品薄膜部分的透射。

图2中，根据P、S偏振光透射系数的Fresnel公式，有：

$t_{p0}=\frac{2n_0\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}}{n_s\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}+n_0\cos {\mathrm{\θ}}_s}$

(2-1)

$t_{s0}=\frac{2n_0\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}}{n_0\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}+n_s\cos {\mathrm{\θ}}_s}$

其中，角标0表示空气体系，角标s表示基底，θ_inc为入射角，θ_s为基底中的折射角，n₀表示空气的折射率，n_s表示基底的折射率。

图3中，角标d表示生物样点体系，d表示生物样点的厚度，θ_d为生物样品内的折射角。ε₀表示空气的介电常数，ε_s表示基底的介电常数，ε_d表示生物样品的介电常数。介电常数同折射率之间的关系为：ε＝(n)^1/2，不考虑磁效应。

将生物样品近似为一薄膜体系：

薄膜对于S偏振光的特征矩阵M_s为：

$M_s=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& -\frac{i}{p_d}\sin \mathrm{\δ}\\ -i{p}_d\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]\≡\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}^{,}& m_{12}^{,}\\ m_{21}^{,}& m_{22}^{,}\end{array}\right]---(2-2)$

$p_d=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\μ}}_d}}\cos {\mathrm{\θ}}_d,$ δ＝k₀n_ddcosθ_d， $k_0=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0},$ $n_d=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\μ}}_d}$

其中，δ为光在生物样品中传播的相位差，k₀为真空中的波矢，n_d为生物样品的折射率，且同介电常数成开方关系。μ_d表示生物样品的磁导率。

由于在光频波段没有磁化机制，因此μ_d＝μ_s＝μ₀＝1，其中μ_s和μ₀分别为透明基底和空气中的磁导率。当膜厚远小于波长时：

cosδ＝cos(2πdcosθ_d/λ)≈1

(2-3)

sinδ＝sin(2πdcosθ_d/λ)≈δ

因此，特征矩阵M_s可以简化为：

$M_s\≈\left[\begin{array}{cc}1& -\frac{i}{p_d}\mathrm{\δ}\\ -i{p}_d\mathrm{\δ}& 1\end{array}\right]\≡\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}^{,}& m_{12}^{,}\\ m_{21}^{,}& m_{22}^{,}\end{array}\right]---(2-4)$

则，上述三层模型对S偏振光的透射率t_s可以表示为：

$t_s=\frac{2p_0}{(m_{11}^{,}+m_{12}^{,}{p}_s)p_0+(m_{21}^{,}+m_{22}^{,}{p}_s)}=\frac{2p_0}{(1-\frac{i}{p_d}\mathrm{\δ}{p}_s)p_0+(-i{p}_d\mathrm{\δ}+p_s)}---(2-5)$

其中， $p_0=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}},$ $p_d=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_d}\cos {\mathrm{\θ}}_d,$ $p_s=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}\cos {\mathrm{\θ}}_s,$

$n_0=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0},$ $n_s=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s},$ $n_d=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_d}$

利用 

改写t_s0：

$t_{s0}=\frac{2p_0}{p_0+p_s}---(2-6)$

用公式(2-5)除以公式(2-6)，同时略去高阶小量0(δ²)，可得：

$\frac{t_s}{t_{s0}}=\frac{p_d(p_0+p_s)}{p_d(p_0+p_s)-\mathrm{i\δ}(p_s{p}_0+p_d^2)}=1+i\frac{\mathrm{\δ}(p_s{p}_0+p_d^2)}{p_d(p_0+p_s)}---(2-7)$

由于：t_s＝t_s0(1+Θ_s)        (2-8)

所以： ${\mathrm{\Θ}}_s=i\frac{\mathrm{\δ}(p_s{p}_0+p_d^2)}{p_d(p_0+p_s)}---(2-9)$

同理，对于P偏振光：

生物样品(等价于薄膜体系)对于P偏振光的特征矩阵为：

$M_p=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& -\frac{i}{q_d}\sin \mathrm{\δ}\\ -i{q}_d\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]\≡\left[\begin{array}{cc}{n}_{11}^{,}& n_{12}^{,}\\ n_{21}^{,}& n_{22}^{,}\end{array}\right]---(2-10)$

$q_d=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\μ}}_d}}/{\cos \mathrm{\θ}}_d,$ δ＝k₀n_dcosθ_d， $k_0=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0},$ $n_d=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_d{\mathrm{\μ}}_d}$

考虑(2-3)式，因此：

$M_p=\left[\begin{array}{cc}1& -\frac{i}{q_d}\mathrm{\δ}\\ -{\mathrm{iq}}_d\mathrm{\δ}& 1\end{array}\right]\≡\left[\begin{array}{cc}{n}_{11}^{,}& n_{12}^{,}\\ n_{21}^{,}& n_{22}^{,}\end{array}\right]---(2-11)$

三层模型对P偏振光的透射率t_p可以表示为：

$t_p=\frac{2q_0}{(n_{11}^{,}+n_{12}^{,}{q}_s)q_0+(n_{21}^{,}+n_{22}^{,}{q}_s)}=\frac{2q_0}{(1-\frac{i}{q_d}\mathrm{\δ}{q}_s)q_0+(-i{q}_d\mathrm{\δ}+q_s)}---(2-12)$

利用 

改写t_p0：

$t_{p0}=\frac{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0}{q}_s}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}(q_s+q_0)}---(2-13)$

用公式(2-12)除以(2-13)，同时略去高阶小量0(δ²)，可得：

$\frac{t_p}{t_{p0}}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}{q}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{q}_s}}[1+\mathrm{i\δ}\frac{q_s{q}_0+q_d^2}{q_d(q_0+q_s)}]---(2-14)$

由于：t_p＝t_p0(1+Θ_p)        (2-15)

所以： ${\mathrm{\Θ}}_p=\mathrm{i\δ}\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_s}{\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}}\frac{q_0{q}_s+q_d^2}{q_d(q_0+q_s)}+\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_s}{\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}}-1---(2-16)$

根据公式(2-9)和公式(2-16)，透射率差表示为：

${\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_s}{\cos {\mathrm{\θ}}_0}-1+\mathrm{i\δ}[\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_s}{\cos {\mathrm{\θ}}_0}\frac{q_0{q}_s+q_d^2}{q_d(q_0+q_s)}-\frac{p_s{p}_0+p_d^2}{p_d(p_0+p_s)}]---(2-17)$

将p₀，p_d，p_s，q₀，q_d，q_s， 

带入公式(2-17)并且进行化简：

${\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s=\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\ϵ}}_0{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}/{\mathrm{\ϵ}}_s}}{\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}}-1$

$+i{k}_{0}d\{\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\ϵ}}_0{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}/{\mathrm{\ϵ}}_s}[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_s}(1-{\mathrm{\ϵ}}_0{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}/{\mathrm{\ϵ}}_d)+{\mathrm{\ϵ}}_d\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}\sqrt{1-{\mathrm{\ϵ}}_0{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}/{\mathrm{\ϵ}}_s}]}{\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}[\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0-{{\mathrm{\ϵ}}_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}/{\mathrm{\ϵ}}_s}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}]}$

$-\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_s-{{\mathrm{\ϵ}}_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}+{\mathrm{\ϵ}}_d-{{\mathrm{\ϵ}}_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_0{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}}}\}$ $(2-18)$

为了看清Θ_p-Θ_s与薄膜厚度d和介电常数ε_d的关系，可以将上式进一步表示成：

${\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s=A\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}\right)+i\frac{2\mathrm{\πd}}{{\mathrm{\λ}}_0}[B\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}\right){\mathrm{\ϵ}}_d+\frac{C\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_d}+D\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}\right)]---(2-19)$

其中A，B，C，D是与入射角度θ_inc相关的参量，λ₀是真空中的光波长。

上述公式(2-19)反映了透射率差信号与生物样品的厚度d以及其介电常数ε_d相关，而众所周知，生物样品的厚度d和介电常数ε_d同生物样品的表面形貌起伏及其生物分子的浓度、分子量、质量密度、化学成分的本征属性息息相关；同时，公式(2-19)还体现了P、S偏振光透射率差方法探测的角度相关性，进一步而言，即透射率差信号的角度相关性，通过使用角度可调的二维样品扫描平台，以实现入射角度的连续可调，从而达到最佳的入射角度、最佳的灵敏度。

例如，在入射角度为零的条件下，此时光路的搭建最为简单，反映生物样品相关的透射率差信号的表达式(2-19)可以化简为：

${\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s=(\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}-1)[1+i\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0})}d({\mathrm{\ϵ}}_d+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s{\mathrm{\ϵ}}_0})]---(2-20)$

此时，透射率差信号同生物样点的厚度d，介电常数ε_d呈现较为简单的线性 关系。可以将透射率差信号进行对数转换，经过对数坐标变换后，得到：

$\lg (\frac{{\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}-1}-1)=i[\lg \left(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0})}\right)+\mathrm{lgd}+\lg ({\mathrm{\ϵ}}_d+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s{\mathrm{\ϵ}}_0})]---(2-21)$

由此，当介电常数为复数时，我们可以实现生物样点介电常数ε_d虚部的分离，我们可以十分直观地得到：透射率差的实部只与介电常数的虚部相关，而介电常数的虚部恰恰体现了生物样点的吸收性质，更进一步的，透射率差的虚部与生物大分子表面的形貌起伏(即厚度d)及介电常数ε_d的实部呈现简单的线性相关性，在生物样品介电常数的实部为常数的情况下，透射率差信号还实现了生物样品内部本征属性及其表面形貌起伏信息的分离，为后期的数据分析提供了方便。

综上所述，透射率差信号比传统的反射率差信号更加直观、简便；同时在对于生物大分子内部信息的探究程度上，透射率差信号所给出的生物分子信息也要多于反射率差信号，换句话说，透射率差信号不仅能反映生物大分子的表层信息，更重要的是这种探测手段深入到了生物样品的内部，也就是说生物分子性质上的不同对于透射率差信号的影响要大于反射率差信号，以上也就是透射率差信号同反射率差信号的区别所在。另外，由于微弱信号技术的引入，透射率差信号探测亦能达到相当的灵敏度、精度。

下面结合具体实施例对本发明做进一步地解释和说明。

实施例1

基于上面的理论推导和分析，使用本发明所述的方法对谷胱甘肽-S-转移酶(Glutathione S-Transferase，简称GST)蛋白生物芯片进行了无标记 检测，探测GST在生物芯片中的分布。使用的装置结构如图4所示，该装置由偏振光发生装置、二维x-z方向扫描样品台406、接收装置和分析装置组成。其中偏振光发生装置依次包括He-Ne激光器401、起偏器402、光弹调制器403和移相器404、会聚单元405；接收装置包含在光路上顺次设置的收集单元407、检偏器408和光电探测器409。光电探测器409电连接到第一锁相放大器410和第二锁相放大器411，两个锁相放大器采集的信号由分析装置412来处理。

本装置中采用的是功率为4mW，波长为632.8nm的He-Ne激光器作为光源，出光孔径为3mm，从激光器401出射的激光束经由起偏器402(New Focus5524)校正偏振方向后变成偏振方向平行于入射面的P偏振光；而后再经过光弹调制器403(Hinds Ins trument PEM90^TM)产生P和S偏振光的周期性调制，调制频率为50KHz；从光弹调制器403出射的偏振调制光经由一直径为25.4mm的石英多级半波片构成的移相器404引进P和S偏振态间的可调节位相补偿；然后经过包含有光束展宽透镜组的会聚单元405将激光光束聚焦到样品台6上，其中光束展宽透镜组由准直镜筒和一组凹透镜、凸透镜构成，所述准直镜筒的长度可调，其总长度最大为134mm，光束展宽透镜组的适用波长范围450-680nm、扩束比为5-6倍、入射光斑和出射光斑直径分别为4mm和24mm；

经过GST生物芯片的透射激光首先经过收集单元407，此收集单元407亦由透镜组及准直镜组成，其结构安排及配件与会聚单元405相同，实现聚焦。随后激光经检偏分析仪408(CVI Laser CPAD-10.0-425-675)调节后由 光电信号探测器409接收；光电信号探测器409分别电连接至采集一级谐频的第一锁相放大器410和采集二级谐频的第二锁相放大器411(Stanford Research Systems SR830 DSP)。两个锁相放大器采集输出的一级谐频和二级谐频可以被分析装置读取和处理；

本装置中的分析装置412为计算机，该机算计配置有数据采集卡(PCI-6220)、BNC适配器(BNC-2110)和LabVIEW编写的采集程序，锁相放大器输出的电信号首先经由BNC适配器进行分通道处理，每一个锁相放大器输出的信号都被分成振幅信息和位相信息两个部分，然后将每个锁相放大器的振幅信息和位相信息分别送入数据采集卡采集，最后把采集到的数据传送给采用LabVIEW编写的数据处理程序计算P、S偏振光的透射率差，并根据透射率差的虚部成像，该图像中包含有表面形貌(厚度)和介电常数实部的信息，因此，可以用来了解蛋白质在生物芯片中的分布。

本实施例中，所述样品台406采用市场上购买的不锈钢台面、可以实现x-z方向二维手动、步进电机控制调节的平台，调节精度为1μm，二维行程为50mm；在测量之前，还可以对激光的入射角度进行优化，根据公式(2-19)，可以计算出透射率差在什么样的入射角度时可以达到极值，以此优选的入射角度进行无标记透射率差测量，可以提高测量精度。

本实施例透射率差无标记检测装置中的移相器404还可以使用普克盒(型号Cleveland Crystal IMPACT10)，可以将灵敏度提高一个数量级。

采用本发明的装置在检测精度为1μm时，可以在40分钟之内完成一次对7×7生物蛋白(GST)芯片阵列的生物样品的监测，其中阵元的直径为 100μm，间距为100μm，并且检测灵敏度达到2×10^-5rad。

如果本实施例的生物芯片的厚度d是均匀的，则可以根据公式(2-20)，由透射率差的实部和虚部分别计算出生物芯片介电常数的虚部和实部，从而得到介电常数。

实施例2

使用实施例1所述的透射率差装置监测核酸生物芯片中核酸的浓度分布，所述生物芯片采用脱氧核糖核酸生物芯片，其他安排与实施例1中的相同，计算出透射率差信号，并且可以根据透射率差对核酸生物芯片进行成像，这种图像中同时包含了样品的厚度和介电常数等信息。本实施例中透射率差信号的灵敏度与实施例1中的相同。

而如果生物芯片中脱氧核糖核酸的浓度分布非常均匀，则其介电常数肯定也是均匀的，则还可以根据透射率差的虚部成像，由于介电常数的实部为常数，根据公式(2-21)，该图像就表示了生物芯片的表面形貌。

实施例3

本实施例中，生物芯片分别为IgG(immunoglobulin-G)蛋白芯片和加入IgG抗体发生抗体-抗原反应后的蛋白芯片，透射率差无标记监测装置与实施例1中的相同。在实验过程中，先对IgG蛋白芯片进行透射率差方法的扫描；然后加入IgG抗体，对发生抗体-抗原反应后的蛋白芯片进行透射率差方法的原位扫描，将最终所得的透射率差信号进行“减”操作。这样就可以根据 最终的结果判断抗体-抗原反应是否发生。根据透射率差信号的强弱，可以反应抗体-抗原反应的相对强度。

实施例4

本实施例中，生物芯片分别为脱氧核糖核酸芯片和进行杂交反应后的核酸芯片，测量装置的结构与实施例1相同。按照与实施例3类似的方法，可以分别对杂交反应前、后的生物芯片进行扫描，得到反应前、后两组基、倍频信号，由于杂交反应的发生导致这两组基、倍频的数值会有不同程度的变化，通过两组数值的差别就可以判断杂交反应是否发生以及反应的相对强弱。

实施例5

采用实施例1的装置还可以用来了解样品厚度的相关信息。根据前面的理论推导，当已知生物样品的介电常数后就可以根据公式(1-18)，(2-19)，(2-20)和(2-21)得到生物芯片的厚度信息，由此可以反映生物样品的表面形貌。

本领域技术人员应当理解，由于介电常数同生物分子的浓度、分子量、质量密度和化学成份等本征属性息息相关，所以，在保证生物芯片各种参数中只有一个参数可能发生变化的情况下，根据透射率差是否变化，可以判断该参数是否发生了变化，或者是否发射了使该参数变化的生物或化学反应。

有些生物芯片对入射激光具有选择性吸收，因此，可以调整实施例1所 述装置中入射激光的波长，使之位于生物芯片的吸收区内，由此利用透射率差方法可以检测生物芯片在某一波段的吸收情况。透射率差信号的强弱反映了样品吸收的强弱。

上面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行了详尽的说明和解释，本领域的技术人员应当理解，上述实施例并非对本发明保护范围的限制，根据实施例的讲述，本发明还可以用于监测生物芯片或样品的各种物理、化学、和生化参数及反应情况，本发明的保护范围以权利要求为准。

Claims (20)

1.一种无标记探测生物芯片的方法，包括以下步骤：

a.使偏振光入射到待测生物芯片上并透射，所述偏振光包括P偏振光分量和S偏振光分量；

b.接收所述透射偏振光；且

c.根据步骤b接收到的透射偏振光中的P偏振光分量和S偏振光分量建立P偏振和S偏振透射系数的相对变化的差值，来探测和表征待测生物芯片的厚度和介电常数，其中所述P、S偏振光的透射系数的相对变化Θ_p和Θ_s分别为：

${\mathrm{\Θ}}_p\≡\frac{t_p-t_{p0}}{t_{p0}}=\frac{{\mathrm{\δt}}_p}{t_{p0}}$

${\mathrm{\Θ}}_s\≡\frac{t_s-t_{s0}}{t_{s0}}=\frac{{\mathrm{\δt}}_s}{t_{s0}}$

其中，t_p0和t_s0分别为待测生物芯片的透明基片部分对P偏振光和S偏振光的透射系数，t_p和t_s分别为透明基片上覆盖有生物样品薄膜时对P偏振光和S偏振光的透射系数；

所述P偏振和S偏振透射系数的相对变化的差值为： ${\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s=(\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}-1)[1+i\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0})}d({\mathrm{\ϵ}}_d+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s{\mathrm{\ϵ}}_0})]$

其中，d表示生物样品的厚度，λ₀是真空中的光波长，ε₀表示空气的介电常数，ε_s表示基底的介电常数，ε_d表示生物样品的介电常数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电常数包括介电常数的实部和介电常数的虚部。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括：

步骤d.根据步骤c的结果产生待测生物芯片的图像。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在入射前对所述偏振光进行光弹调制和相位移动；在接收所述偏振光时，先对其进行检偏，然后探测偏振光的强度和相位，并对探测的结果进行锁相放大。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤c包括：

步骤c10.对所述透射系数的相对变化的差值进行对数转换。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤c包括：

步骤c20.根据所述透射系数的相对变化的差值的对数计算待测生物芯片介电常数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤c20包括：

步骤c21.根据所述透射系数的相对变化的差值的对数的虚部计算介电常数的实部；和

步骤c22.根据所述透射系数的相对变化的差值的对数的实部计算介电常数的虚部。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤c包括：

步骤c30.根据所述透射系数的相对变化的差值的对数的虚部计算待测生物芯片的厚度。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤d包括：

步骤d10.根据所述透射系数的相对变化的差值成像。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤d包括：

步骤d20.根据所述透射系数的相对变化的差值的对数成像。

11.一种无标记探测生物芯片的装置，包括：

偏振光发生装置，其发出的偏振光入射到待测生物芯片上并透射，所述偏振光包括P偏振光分量和S偏振光分量；

接收装置，用于接收透射的偏振光；

分析装置，其包括透射系数的相对变化的差值模块，用于根据所述接收装置接收到的偏振光中的P偏振光分量和S偏振光分量计算P偏振光和S偏振光的透射系数的相对变化的差值，来探测和表征所述待测生物芯片的厚度和介电常数，其中所述P、S偏振光的透射系数的相对变化Θ_p和Θ_s分别为：

${\mathrm{\Θ}}_p\≡\frac{t_p-t_{p0}}{t_{p0}}=\frac{{\mathrm{\δt}}_p}{t_{p0}}$

${\mathrm{\Θ}}_s\≡\frac{t_s-t_{s0}}{t_{s0}}=\frac{{\mathrm{\δt}}_s}{t_{s0}}$

其中，t_p0和t_s0分别为待测生物芯片的透明基片部分对P偏振光和S偏振光的透射系数，t_p和t_s分别为透明基片上覆盖有生物样品薄膜时对P偏振光和S偏振光的透射系数；

所述P偏振和S偏振透射系数的相对变化的差值为： ${\mathrm{\Θ}}_p-{\mathrm{\Θ}}_s=(\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}-1)[1+i\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0})}d({\mathrm{\ϵ}}_d+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_s{\mathrm{\ϵ}}_0})]$

其中，d表示生物样品的厚度，λ₀是真空中的光波长，ε₀表示空气的介电常数，ε_s表示基底的介电常数，ε_d表示生物样品的介电常数。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述介电常数包括介电常数的实部和介电常数的虚部。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，还包括图像处理装置，用于根据所述分析装置的结果产生待测生物芯片的图像。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述偏振光发生装置与所述待测生物芯片之间的光路上设有光弹调制器和移相器，所述接收装置包括检偏器、光电探测器和锁相放大器。

15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述分析装置包括对数转换模块，用于将所述透射系数的相对变化的差值的模块得到的透射系数的相对变化的差值进行对数转换。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述分析装置包括介电常数计算模块，用于根据所述透射系数的相对变化的差值的对数计算待测生物芯片的介电常数。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述介电常数计算模块包括实部单元和虚部单元，所述实部单元用于根据所述透射系数的相对变化的差值的对数的虚部计算介电常数的实部，所述虚部单元用于根据所述透射系数的相对变化的差值的对数的实部计算介电常数的虚部。

18.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述分析装置包括形貌模块，用于根据所述透射系数的相对变化的差值的对数的虚部计算待测生物芯片的厚度。

19.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述图像处理装置根据所述透射系数的相对变化的差值成像。

20.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述图像处理装置根据所述透射系数的相对变化的差值的对数成像。

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