CN102713609B - 用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过使偏振的入射光入射到在薄介电膜中形成的生物材料结合层上以使偏振的入射光满足p波非反射条件来以高灵敏度量化小分子生物材料的分子相互作用的结合和离解动力且几乎不受由缓冲溶液引起的折射率变化影响的装置以及使用该装置的量化方法。

Description

用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于在浸液微流路径环境下通过采用椭圆偏振法和反射法来量化小分子生物材料的分子相互作用的结合和离解动力的装置和方法。更具体地，本发明涉及通过使偏振入射光入射到在薄介电膜中形成的生物材料结合层上使偏振入射光满足p波非反射条件而以高灵敏度量化小分子生物材料的分子相互作用的结合和离解动力且几乎不受由缓冲溶液引起的折射率变化影响的装置以及使用该装置的量化方法。
背景技术
反射法(reflectometry)和椭圆偏振法(ellipsometry)是用于通过量化从样品表面反射的反射光的反射系数或偏振状态的变化以及分析量化值来获得样品的厚度或光学物理性质的光度分析技术。采用上述技术的量化设备包括反射计和椭圆计。目前利用反射计和椭圆计来评价半导体行业的纳米薄膜制造工艺中的各种纳米级的薄膜厚度和物理性质。此外，反射计和椭圆计的应用扩展到生物行业，并且正在试图用于分析生物材料(诸如蛋白质、DNA、病毒和新药材料)的界面。
常规反射计的问题在于虽然其足以评价几纳米(nm)以上的纳米薄膜的厚度和物理性质，但是由于其在要求约1至0.001nm范围内的灵敏度的分析小分子生物材料方面的低测量灵敏度而具有低可靠性。与反射计相比，椭圆计的测量灵敏度为0.01nm以下。具体地，如与在半导体基底上方形成的具有高折射率的半导体相比具有相对较低折射率的氧化物膜的厚度测量，在折射率的差别较高的条件下，椭圆计具有高测量灵敏度。
然而，为了分析更小分子的生物材料，椭圆计需要提高灵敏度的量化方法。
用于提高分析生物材料时的测量灵敏度的常规技术包括表面等离子体共振(SPR)传感器(下文称为“SPR传感器”)，其中混合了反射法和表面等离子体共振技术。表面等离子体共振现象是指以下现象：金属表面中存在的电子被光波激发并在表面的法线方向上共同振动，此时光能被吸收。已知SPR传感器能够通过采用对光的偏振特性敏感的表面等离子体共振现象来测量与金属表面邻近的纳米薄膜的厚度和折射率变化，并且还通过采用不使用荧光材料的非标记方法实时测量生物材料的结合浓度的变化。
图1是示出用于分析生物材料的常规SPR传感器的构造的示图。如图1所示，常规SPR传感器主要包括棱镜10、薄金属膜20、微流路径30、光源40、偏振器50、检偏器60和光检测器70。常规SPR传感器具有涂在棱镜10的一个表面上的厚度为数十纳米的薄金属膜20(诸如金(Au)或银(Ag))，并具有形成在薄金属膜20上的微流路径30。此处，当将溶解生物材料样品32的缓冲溶液34注入到微流路径30中时，生物材料与在薄金属膜20的表面上形成的配体材料22相结合，从而形成预定厚度的结合层。
接下来，光源40产生的光被偏振器50偏振。偏振的入射光经由棱镜10以表面等离子体共振角(下文称为SPR角(spr))入射到薄金属膜20的界面上，以使其产生表面等离子体共振。此处，从薄金属膜20反射的反射光包括关于样品32的结合层的光学数据。即，在样品32结合至薄金属膜20并从薄金属膜20离解的过程中，分子相互作用的结合和离解动力(诸如结合浓度和结合层的厚度或折射率)发生了变化，因此改变了表面等离子体共振条件。
图2示出了在样品32与薄金属膜20结合的过程中呈现出的结合曲线和在样品32从薄金属膜20离解的过程中呈现出的离解曲线。在图2中，结合速率常数ka的升高意味着生物材料的快速吸收，而离解速率常数kd的降低意味着生物材料被缓慢地离解。换句话说，可以通过测量结合速率常数和离解速率常数获得平衡态的离解常数KD＝kd/ka。例如，通过测量小分子和新药候选材料与包括癌风险因素的蛋白结合或离解的特性，可以确定可用作致癌剂的小分子和新药候选材料是否可以用作新药。
接着，经由棱镜10和检偏器60，通过光检测器70检测包括诸如上面所述的光学数据的反射光。此处，光检测器70可以通过测量反射光的偏振分量(即，反射光的强度)的变化获得样品32的分子相互作用的结合和离解动力。
下面参考图3和图4描述用于分析生物材料的常规SPR传感器的问题。图3是示出显示出与常规反射系数相似特性的使用SPR传感器测量的椭偏常数(ellipsometric constant)Ψ的图。如图3所示，薄金属膜20形成为50nm厚度的薄Au膜，并且使用波长为633nm的光源40。此外，测量结合层的厚度为0nm和1nm。另外，测量结合层的折射率n为1.45，并且测量缓冲溶液34的折射率n为1.333和1.334。
在常规SPR传感器的原理中，通过测量反射系数或椭偏常数Ψ(根据其可以知道反射光的强度变化)来测量示出最小反射系数的SPR角根据时间的偏移量。此处，如图3所示，如果满足了表面等离子体共振现象，则反射系数或椭偏常数Ψ具有最小值，并且SPR角接近59°。还可以看出随着结合层厚度的增加以及缓冲溶液34的折射率的升高，椭偏常数Ψ向右移动。图3示出了生物材料结合约1nm具有折射率1.45的情况与生物材料无结合并且仅当缓冲溶液34的折射率从1.333变化到1.334时存在SPR变化的情况的比较。从图3可以看出，这两种情况示出了SPR角具有相似的变化。换句话说，仅必须测量已从中去除缓冲溶液的折射率变化的纯结合和离解特性，但可以看出当测量生物材料的结合和离解特性时，由于缓冲溶液的折射率的变化，测量结果产生问题。
图4是示出常规问题的示图，其中，在样品结合和离解过程中出现的样品固有的结合和离解动力以及由缓冲溶液引起的折射率变化混在一起。图4(a)是示出在结合和离解过程中出现的样品32固有的结合和离解浓度的示图。图4(b)是示出由缓冲溶液34的折射率变化引起的SPR传感器的测量结果的变化的示图。图4(c)是示出在样品32固有的结合浓度和由缓冲溶液34引起的折射率变化混在一起的状态下通过SPR传感器测量的样品32的结合和离解浓度的示图。即，样品32对根据缓冲溶液34的折射率变化的效果(箭头所示)非常敏感，因此没有明确地出现仅纯样品32的结合和离解浓度。因此，通过仅分析纯样品32的结合和离解浓度难以计算样品32的结合和离解浓度。
另一方面，为了校正缓冲溶液34的折射率变化以及防止由样品32和缓冲溶液34之间的扩散引起的误差，正在使用一种校正方法，其使用精制阀装置和精制空气注入装置以及用作参考通道的两个或多个通道。然而，这种方法难以区分由缓冲溶液34的折射率变化引起的SPR角的变化和由纯结合和离解特性引起的SPR角的变化，并且这些变化可以总是用作测量误差因素。因此，常规SPR传感器在测量具有低分子量的材料(诸如小分子)的结合和离解特性中由于诸如上述方法的测量方法的限制而具有根本问题。
此外，常规SPR传感器需要高制造成本用于进行表面等离子体共振的传感器，因为其使用由贵金属(诸如金(Au)或银(Ag))制成的薄金属膜20。此外，薄金属膜20的问题在于，因为由于生产工艺表面粗糙度是不均匀的，所以折射率具有剧烈的变化，并且由于不稳定的光学特性而难以量化测量生物材料。
发明内容
技术问题
因此，鉴于现有技术中出现的上述问题而做出本发明，本发明的实施例提供了用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置和方法，其在浸液微流路径环境中不受由缓冲溶液引起的折射率变化的影响并且因为不使用具有不稳定光特性的薄金属膜而能够改进测量灵敏度。
本发明的另一实施例提供了用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置和方法，其通过使用被优化用于分析小分子生物材料的微流路径结构能够增加对结合和离解动力的研究的可靠性和有效性。
问题的解决方案
根据本发明的实施例，提供了用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置，该装置包括：微流路径结构100，包括支撑件110、在支撑件110上形成并由半导体或介电材料制成的基底120、在基底120上形成的薄介电膜130、配置成具有分别在一侧和另一侧上提供的入射窗142和反射窗144并且设置在支撑件110上的覆盖单元140以及在支撑件110中和在支撑件110和覆盖单元140之间形成的微流路径150；样品注入单元200，用于通过将包含生物材料的样品的缓冲溶液210注入到微流路径150中来在薄介电膜130上形成样品的结合层160；偏振生成单元300，用于将通过入射窗142偏振的入射光以满足p波非反射条件的入射角θ辐射到结合层160；以及偏振检测单元400，用于检测通过反射窗144入射的结合层160的反射光的偏振变化。
薄介电膜130包括半导体氧化物膜或由透明材料制成的玻璃膜。优选地，薄介电膜130的厚度为0至1000nm。
此外，微流路径结构100包括分别在支撑件110的一侧和另一侧上形成的多个流入路径152和多个流出路径154以及被配置成具有在覆盖单元140的内面中形成的多个阻挡肋(barrier rib)146且分别连接流入路径152和流出路径154的多通道的微流路径150。
此外，微流路径结构100形成单通道的微流路径150，并且可以在薄介电层130上进一步形成与样品相结合的多个不同的自组单层132。
此外，覆盖单元140的入射窗142和反射窗144的每一个都具有弯曲壳体形式，该弯曲壳体形式具有预定曲率。入射光和反射光以垂直的角度或者以入射光和反射光的每一个的偏振状态没有发生大改变的程度的几乎垂直的角度分别入射到入射窗142和反射窗144。
此外，覆盖单元140的入射窗142和反射窗144的每一个都具有平板形状。入射光和反射光可以以垂直的角度或者以入射光和反射光的每一个的偏振状态没有发生大改变的程度的几乎垂直的角度分别入射到入射窗142和反射窗144。
此外，优选地，覆盖单元140整体由玻璃或透明合成树脂材料制成。
此外，结合层160是多层膜，包括适合于各种生物材料、固定材料以及包括与固定材料结合的小分子的各种生物材料的结合特性的自组单层132。
此外，偏振生成单元300包括用于辐射预定光的光源310和用于偏振辐射光的偏振器320。此处，光源310辐射单色光或白光，并且其可以是具有可变波长结构的激光器或激光二极管。
此外，偏振生成单元300可以包括用于向偏振器320提供平行光的准直透镜330、用于通过聚集穿过偏振器320的平行光来增加入射光量的聚焦透镜340以及用于相位延迟入射光的偏振分量的第一补偿器350中的至少一种。此处，偏振器320和第一补偿器350可以旋转配置或者可以进一步配备有其他偏振调制装置。
此外，偏振检测单元400可以包括配置成偏振反射光的检偏器410、配置成通过检测偏振的反射光获得预定光学数据的光检测器420以及电连接至光检测器420并配置成基于光学数据导出量化值的操作处理器430。进一步地，光检测器420可以包括CCD型固态阵列、光电倍增管和硅光电二极管中的任何一种。进一步地，操作处理器430通过获得关于椭圆偏振法的相位差的椭偏常数Ψ或Δ来导出包括样品的结合浓度、结合常数和离解常数的量化值。
此外，偏振检测单元400可以进一步包括用于相位延迟反射光的偏振分量的第二补偿器440和用于形成反射光光谱的分光镜450中的至少一种。此处，检偏器410和第二补偿器440可以旋转配置或者进一步配备有其他偏振调制装置。
根据本发明的另一方面，提供了量化分子相互作用的结合和离解动力的方法，该方法包括：第一步骤S 100，样品注入单元200将包括小分子生物材料的样品的缓冲溶液210注入到微流路径结构100的微流路径150中；第二步骤S200，将样品结合至微流路径结构100的薄介电膜130，从而形成结合层160；第三步骤S300，偏振生成单元300偏振预定光并使偏振光通过微流路径结构100的入射窗142以满足p波非反射条件的入射角入射到结合层160上；第四步骤S400，结合层160的反射光通过微流路径结构100的反射窗144入射到偏振检测单元400；以及第五步骤S500，偏振检测单元400采用椭圆偏振法或反射法检测反射光的偏振状态。
此外，在第一步骤S100中，将包括不同浓度样品的缓冲溶液210注入到包括多通道的微流路径结构100的相应微流路径150中。
此外，在第二步骤S200中，样品与在薄介电膜130上形成的多个不同的自组单层132相结合，从而形成不同的结合层160。
此外，第五步骤S500包括检偏器410偏振反射光的步骤、光检测器420通过检测偏振的反射光获得预定光学数据的步骤以及操作处理器430通过基于光学数据获得椭圆偏振法的椭偏常数Ψ或Δ来导出包括样品的结合浓度、结合常数和离解常数的量化值的步骤。
本发明的有益效果
如上所述，根据本发明的用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置和方法，使用薄介电膜来替代薄金属膜进行样品的结合。因此，仅样品中固有的结合和离解动力可以被精确地测量，而几乎不受由缓冲溶液引起的折射率变化的影响。此外，一个优点在于通过使用由便宜的半导体或介电材料制成的基底和薄介电膜可以显著降低制造成本。
此外，根据本发明，在p波非反射条件下采用椭圆偏振法和反射法，并且通过使用激光器或激光二极管提供具有大光量的入射光。因此，增加了信噪比，从而可以进行高灵敏度测量。此外，优点在于当采用椭圆偏振法时，在p波非反射条件中可以进行使用振幅比Ψ的量化测量，并且可通过以除p波非反射条件之外的角度测量相位差Δ进行高灵敏度测量。
此外，本发明的微流路径结构包括被优化用于分析小分子生物材料的微流路径以及由多个自组单层组成的多通道或单通道。因此，可以提供各种实验条件，其中，将具有变化浓度的样品注入到多通道微流路径中或者改变自组单层的结合程度。因此，一个优点在于可以改进生物材料分析实验的有效性。
此外，因为可以在浸液微流路径环境中以非标记方式实施生物材料的高灵敏度测量，所以本发明可以用于各种行业领域，诸如生物、药物治疗、食品和环境。
尽管已经结合一些示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不背离本发明的技术宗旨的情况下可以以各种形式修改和改变本发明。显然，所有这些修改或者改变或者这两者都落在所附权利要求的范围内。
附图说明
根据结合附图所作的下列详细描述将更清楚地理解本发明的上述特征和其他优点，其中：
图1是示出用于分析生物材料的常规SPR传感器的构造的示图；
图2是示出在样品与薄金属膜结合或者从薄金属膜离解的过程中结合浓度的变化的示图；
图3是示出使用常规SPR传感器测量的椭偏常数Ψ结果的示图；
图4至图6是示出在样品结合和离解过程中出现的样品中固有的结合和离解动力与由缓冲溶液引起的折射率变化混在一起的常规问题；
图7是示出根据本发明实施例的用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置的构造的示意图；
图8是示出根据本发明的多通道微流路径结构的实例的透视图；
图9是多通道微流路径结构的分解透视图；
图10是示出根据本发明的多通道微流路径结构的另一实例的透视图；
图11是示出根据本发明的单通道微流路径结构的实例的分解透视图；
图12是示出根据本发明的量化分子相互作用的结合和离解动力的方法的流程图；
图13是示出在薄介电膜由氧化硅膜形成的情况下根据缓冲溶液折射率的变化的椭偏常数Ψ和Δ的变化的示图；
图14是示出在薄介电膜由氧化硅膜形成的情况下根据样品结合层厚度的变化的椭偏常数Ψ和Δ的变化的示图；
图15是示出在基底由玻璃材料制成的情况下根据样品结合层厚度的变化的椭偏常数Ψ和Δ的变化的示图；以及
图16是示出在基底由硅(Si)制成的情况下根据氧化硅膜或结合材料的厚度变化的椭偏常数Ψ和Δ的变化的示图。
<附图中主要元件的附图标号的描述>
100、100′：微流路径结构        110：支撑件
112：凹槽单元                   120：基底
130：薄介电膜              140：覆盖单元
132：自组单层              142：入射窗
144：反射窗                146：阻挡肋
150：微流路径              152：流入路径
154：流出路径              160：结合层
200：样品注入单元          210：缓冲溶液
300：偏振生成单元
310：光源                  320：偏振器
330：准直透镜              340：聚焦透镜
350：第一补偿器            410：检偏器
400：偏振检测单元
420：光检测器              430：操作处理器
440：第二补偿器            450：分光镜
具体实施方式
下文，参考附图详细描述本发明的一些实施例。相同的附图标号表示相同的元件。
[用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置的构造]
首先，参考附图描述根据本发明实施例的用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置的构造。
图7是示出根据本发明实施例的用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置的构造的示意图。如图7所示，根据本发明实施例的用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置主要包括微流路径结构100和样品注入单元200，提供浸液微流路径环境；以及光学系统，包括提供入射光的偏振生成单元300和检测反射光的偏振变化的偏振检测单元400。
本发明通过采用椭圆偏振法和反射法测量包括小分子的生物材料的结合和离解动力。在本发明的装置中，在样品注入单元200中，将包括生物材料的样品(未示出)的缓冲溶液210注入到微流路径结构100中。此处，如后面所描述的，微流路径结构100可以具有由多通道或单通道形成的微流路径150。
图8是示出根据本发明的多通道微流路径结构的实例的透视图，以及图9是多通道微流路径结构的分解透视图。如图8和图9所示，微流路径结构100包括支撑件110、基底120、薄介电膜130和覆盖单元140。微流路径结构100被配置成具有多个微流路径150以形成多通道。
支撑件110具有如图9所示的方形板形状，并且在长度方向上形成有凹槽单元112。在凹槽单元112中形成基底120和薄介电膜130。此外，在凹槽单元112的一侧和另一侧上形成微流路径150的流入路径152和流出路径154。此处，通过采用半导体蚀刻技术或曝光技术形成凹槽单元112、流入路径152和流出路径154。
基底120具有方形板形状，并且其形成在支撑件110的凹槽单元112中。根据本发明，基底120由硅(Si)制成，其在532nm下具有约为4.1285+i0.0412的复折射率并提供稳定的物理性质且具有低成本。然而，基底120可以由硅(Si)以外的半导体或介电材料制成。
薄介电膜130用于使小分子生物材料样品(未示出)与其相结合并从其上离解下来，并且用于反射入射光。如图9所示，在基底120上形成薄介电膜130。此处，薄介电膜130可以由透明和薄膜材料(包括半导体氧化物膜或玻璃膜)制成。而且，优选地，薄介电膜130的厚度为0至1000nm。另一方面，薄介电膜130的最常见实例包括通过自然地氧化硅(Si)而生长的厚度为几纳米的氧化硅(SiO)膜。在532nm下氧化硅膜的折射率约为1.461，并且与由硅(Si)制成的基底120的折射率大不相同。因此，根据本发明，氧化硅膜有助于增加测量灵敏度。此外，由光学玻璃制成的玻璃膜可被用作薄介电膜130。与诸如金(Au)或银(Ag)的薄金属膜相比，由氧化硅膜和玻璃膜形成的薄介电膜130可以具有恒定的折射率。因此，优点在于可以提供稳定的光特性，并且可以降低本发明的制造成本。
如图5至图6b所示，覆盖单元140配备有分别在支撑件110的一侧和另一侧上提供的入射窗142和反射窗144。此处，入射窗142和反射窗144以具有预定曲率的弯曲壳体形式形成，以使入射光和反射光可以垂直入射到入射窗142和反射窗144上。如图9所示，覆盖单元140进一步配备有用于形成微尺度的微流路径150的多个阻挡肋146。仅覆盖单元140的入射窗142和反射窗144可以由诸如玻璃或透明合成树脂的透光材料制成，但是优选为了便于制造，通过采用模塑方法整体形成覆盖单元140的整个结构，包括入射窗142、反射窗144和阻挡肋146。另一方面，合成树脂材料可以包括例如丙烯酸树脂，诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。诸如磷酸硅聚合物(PDMS)和聚二甲硅氧烷的基于硅(Si)的材料也可以用作合成树脂材料。
微流路径150是包括样品的缓冲溶液210在其中流动以及从其中排出的通路。形成多个微流路径150。即，因为覆盖单元140的阻挡肋146之间的每个空间都与如上所述在支撑件110中形成的流入路径152和流出路径154相通，所以在微流路径结构100中形成多个微流路径150。此处，微流路径150的宽度为1mm以下的微尺度。
图10是示出了根据本发明的多通道微流路径结构的另一实例的透视图。如图10所示，在多通道微流路径结构100′中，覆盖单元140′的入射窗142′和反射窗144′可以具有平板形状。在这种情况下，图7的偏振生成单元300和偏振检测单元400使入射光和反射光以入射光和反射光中每一个的偏振状态没有发生较大改变的程度的几乎垂直的角度分别入射到发射窗142′和反射窗144′或者将入射光和反射光固定到入射光和反射光分别垂直入射到入射窗142′和反射窗144′的相应位置。
图11是示出根据本发明的单通道微流路径结构的实例的分解透视图。如图11所示，单通道的微流路径结构100″包括一个微流路径150″。即，微流路径结构100″包括在覆盖单元140″的两端上形成的一对阻挡肋146″以及在支撑件110中形成的一个流入路径152″和一个流出路径154″，从而形成单通道的微流路径150″。此外，在薄介电膜130上形成多个不同的自组单层(SAM)132。自组单层132由单体形成，其中单体由头部基团和尾部基团组成并自发通过分子的化学结合方法进行排列。此处，自组单层132中的每一个都可以通过化学转换自组单层132的尾部基团的官能团而具有不同的界面特性。即，自组单层132中的每一个都具有与样品不同的结合和离解程度的传感器结构，并且自组单层132可以同时测量生物材料的各种结合和离解动力。
如图7所示，样品注入单元200将包括由小分子生物材料制成的样品(未示出)的缓冲溶液210注入到微流路径150的流入路径152中。样品注入单元200包括阀装置(未示出)，其被配置成以预定浓度在缓冲溶液210中溶解样品并将缓冲溶液210注入到微流路径150中或者切断样品的注入。此处，样品注入单元200可以在样品具有不同浓度或者具有时滞的状态下将缓冲溶液210注入到每个通道的微流路径150中。另一方面，当将缓冲溶液210注入到微流路径150中时，一些样品(未示出)结合在薄介电膜130上，从而形成预定厚度的结合层160。此处，结合层160可以是多层膜，其由适合于各种生物材料、固定材料和包括结合于固定材料的小分子的各种生物材料的结合特性的自组单层132组成。
如图7所示，偏振生成单元300用于将通过微流路径结构100的入射窗142偏振的入射光辐射到结合层160。偏振生成单元300可以包括作为基本元件的光源310和偏振器320，并且可以进一步包括准直透镜330、聚焦透镜340或第一补偿器350。此处，偏振器320和第一补偿器350可以旋转配置，或者可以进一步包括其他偏振调制装置。另一方面，偏振入射光具有p波和s波偏振分量，并且为了增加信噪比，可以将几乎接近p波的光入射到结合层160上。在本发明中，必须以满足p波非反射条件的入射角θ辐射入射光。在椭偏方程中，可以通过p波的反射系数比Rp与s波的反射系数比Rs的比率来表示复反射系数比(即，ρ＝Rp/Rs)。p波非反射条件是指使p波的反射系数比Rp的值接近0的条件。p波非反射条件与常规SPR传感器的表面等离子体共振条件相似，并且是使本发明的测量灵敏度最大的条件。
光源310辐射具有与红外线、可见光或紫外线相同的波长带的单色光，或者辐射白光。可以将各种灯、发光二极管(LED)、激光器或激光二极管(LD)用作光源310。此处，光源310可以包括能够根据光学系统的结构改变波长的结构。另一方面，在上述p波非反射条件附近，反射光的光信号的量可能相对较小。在这种情况下，可以通过使用激光器或激光二极管(LD)辐射具有大光量的光来增加信噪比，从而能够实现高灵敏度测量。
偏振器320包括偏振板并且偏振由光源310辐射出的光。此处，偏振光的分量包括与入射表面平行的p波和与入射表面垂直的s波。
准直透镜330接收来自光源310的光并且向偏振器32提供平行光。此外，聚焦透镜340可以通过聚集穿过偏振器320的平行光来增加入射光的量。此外，第一补偿器350起到相位延迟入射光的偏振分量的作用。
如图7所示，偏振检测单元400用于通过反射窗144接收由结合层160反射的光并检测反射光的偏振状态的变化。偏振检测单元400包括检偏器410、光检测器420和操作处理器430(即，基本元件)，并且可以进一步包括第二补偿器440和分光镜450。此处，检偏器410对应于偏振器320并且包括偏振板。检偏器410可以通过再次偏振反射光来控制反射光的偏振程度或者偏振面的方向。此外，检偏器410可以根据光学系统的结构旋转配置，或者其可以进一步包括能够执行诸如偏振分量的相位变化或清除的功能的偏振调制装置。
光检测器420用于通过检测偏振的反射光获得光学数据并将该光学数据转化成电信号。此处，光学数据包括关于反射光偏振状态变化的信息。CCD型固态阵列、光电倍增管(PMT)或硅光电二极管可用作光检测器420。
操作处理器430起到通过获取来自光检测器420的电信号来导出量化值的作用。操作处理器430具有嵌入其中的采用反射法和椭圆偏振法的预定解释程序。操作处理器430可以通过提取和解释转化成电信号的光学数据来导出量化值，诸如样品的结合浓度以及结合层160的厚度、结合常数、离解常数和折射率。此处，优选地，为了提高测量灵敏度，操作处理器430通过获取关于椭圆偏振法的相位差的椭偏常数Ψ或Δ来导出量化值。
第二补偿器440起到通过相位延迟控制反射光的偏振分量的作用。第二补偿器440可以旋转配置，或者可以进一步包括其他偏振调制装置。
在光源310是白光光源的情况下，使用分光镜450。分光镜450使反射光形成光谱，分离具有窄区域波长的反射光，并且将其发送到光检测器420。此处，光检测器420可以通过使用2维图像传感器(诸如CCD型固态阵列)获得关于反射光分布的光学数据。
[量化分子相互作用的结合和离解动力的方法]
下文，描述量化分子相互作用的结合和离解动力的方法和原理。
图12是示出根据本发明的量化分子相互作用的结合和离解动力的方法的流程图。如图12所示，本发明的量化方法经历了第一步骤S100至第五步骤S500。
在第一步骤S100中，如图7所示，样品注入单元200在缓冲溶液210中溶解包括小分子的生物材料样品(未示出)，并将它们注入到微流路径结构100的微流路径150中。此处，样品注入单元200可以将包括不同浓度的样品的缓冲溶液210注入到多通道的相应微流路径150中。此外，样品注入单元200可以利用针对相应微流路径150的时滞注入缓冲溶液210。而且，样品注入单元200可以将缓冲溶液210注入到一些微流路径150中，并且可以不使用其余的微流路径150。
在第二步骤S200中，将生物材料的样品(未示出)结合至薄介电膜130，从而形成结合层160。与上面不同，样品可以结合至图11所示单通道微流路径结构100″中形成的多个不同的自组单层132，从而形成具有不同结合特性的结合层160。
在第三步骤S300中，由光源310辐射的预定光通过偏振器320进行偏振，然后通过微流路径结构100的入射窗142入射到结合层160上。此处，偏振的入射光具有p波和s波偏振分量。另一方面，入射光必须具有满足p波非反射条件的入射角θ。
在第四步骤S400中，由结合层160反射的反射光通过微流路径结构100的反射窗144入射到偏振检测单元400上。此处，反射光处于椭圆偏振状态。
在第五步骤S500中，偏振检测单元400检测反射光的偏振状态。更具体地，首先，检偏器400接收来自结合层160的椭圆偏振反射光，并仅传播符合偏振特性的光。
接着，光检测器420通过检测反射光的偏振分量的变化获得预定的光学数据，将该光学数据转化成电信号，并将电信号传送至操作处理器430。
接着，具有嵌入其中的使用反射法或椭圆偏振法的程序的操作处理器430通过提取和解释转化成电信号的光学数据来导出量化值，诸如样品的结合浓度、结合和离解常数以及折射率。此处，在本发明中，操作处理器430通过获得椭圆偏振法的振幅比Ψ和相位差Δ来导出量化值。除了非常接近p波非反射角的角度，相位差Δ的值具有极好的灵敏度，比振幅比Ψ的值的灵敏度大10倍。可以通过测量相位差Δ的值来提高测量灵敏度。然而，在p波非反射角下，相位差Δ几乎无变化，而振幅比Ψ的值的灵敏度大幅提高。具体地，p波非反射角下的振幅比Ψ的值的变化对于量化测量来说是有利的，因为其具有仅响应于结合材料的厚度或折射率的变化的线性变化而不考虑作为基底材料的薄介电膜。
[实验实例]
图13是示出在薄介电膜由氧化硅膜形成的情况下根据缓冲溶液折射率的变化的椭偏常数的变化的示图。在图13中，光源310具有532nm的波长，并且厚度为2nm的氧化硅膜用作薄介电膜130。根据图13，可以看出与p波非反射条件相对应的入射角约为72，在该角度下，椭偏常数Ψ和Δ的值突然发生变化。还可以看出，在未形成结合层160(0nm)的情况下，根据缓冲溶液210的折射率变化(1.333，1.334)，椭偏常数Ψ和Δ的值几乎没有变化。意味着可以只测量样品中固有的结合和离解动力，因为使用了提供稳定光特性的薄介电膜130。
此外，在缓冲溶液210的折射率是定值(1.333)并且结合层160的厚度从0nm变化到1nm的情况下，在p波非反射角下振幅比Ψ值的变化是灵敏的，并且除了非常接近p波非反射角的角度，相位差Δ的灵敏度是极好的。
图14是示出在薄介电膜由氧化硅膜形成的情况下根据样品结合层的厚度变化的椭偏常数Ψ和Δ的变化的示图。图14示出了缓冲溶液210的折射率是定值(1.333)并且结合层160的厚度是0nm至3nm的情况。根据图14可以看出，在与p波非反射条件相对应的约72°的入射角下，椭偏常数Ψ和Δ的值有变化。根据图14可以看出，在p波非反射角下，振幅比Ψ值的变化是灵敏的，并且除了非常接近p波非反射角的角度，相位差Δ的灵敏度是极好的。
图15是示出在基底120由玻璃材料制成且没有使用薄介电膜(0nm)的情况下根据样品结合层的厚度变化的椭偏常数Ψ和Δ的变化的示图。在图15中，光源310具有532nm的波长，并且玻璃膜(SF 10)用作基底120。根据图15可以看出，与p波非反射条件相对应的入射角约为52.5，在该角度下，椭偏常数Ψ和Δ的值突然发生变化。与上面的实验类似，可以看出椭偏常数Ψ和Δ的值根据结合层160的厚度变化(1nm至4nm)而变化。此外，根据图15，可以看出在p波非反射角下，振幅比Ψ值的变化是灵敏的，并且除了非常接近p波非反射角的角度，相位差Δ的灵敏度是极好的。
图16是示出在基底由硅(Si)制成的情况下根据氧化硅膜或吸收材料的厚度变化的椭偏常数Ψ和Δ的变化的示图。根据图16，可以看出在p波非反射角下，相位差Δ几乎没有变化，而振幅比Ψ的值具有显著的变化。此处，可以看出振幅比Ψ值的变化具有响应于结合在基底材料上的薄膜的厚度或反射率的变化的线性变化。如果入射光的波长和介质的折射率已知，则基于振幅比Ψ的值，可以进行量化测量。因此，如果使用根据本发明的用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置和方法，可以开发出与对周围环境变化敏感的SPR传感器不同的生物传感器，该生物传感器能够仅量化分析仅符合结合特性的变化。

Claims (17)

1.一种用于量化分子相互作用的结合和离解动力的装置，包括：
微流路径结构(100)，包括：支撑件(110)；基底(120)，形成在所述支撑件(110)上并由半导体或介电材料制成；薄介电膜(130)，形成在所述基底(120)上；覆盖单元(140)，被配置成具有分别设置在一侧和另一侧上的入射窗(142)和反射窗(144)并且所述覆盖单元140设置在所述支撑件(110)上；以及微流路径(150)，形成在所述支撑件(110)中以及所述支撑件(110)和所述覆盖单元(140)之间；
样品注入单元(200)，用于通过将包含生物材料的样品的缓冲溶液(210)注入到所述微流路径(150)中而在所述薄介电膜(130)上形成样品的结合层(160)；
偏振生成单元(300)，用于将通过所述入射窗(142)偏振的入射光以满足p波非反射条件的入射角θ辐射到所述结合层(160)；以及
偏振检测单元(400)，用于检测通过所述反射窗(144)入射的所述结合层(160)的反射光的偏振的变化，
其中，所述微流路径结构(100)包括：多个流入路径(152)和多个流出路径(154)，分别形成在所述支撑件(110)的一侧和另一侧上；以及多通道的所述微流路径(150)，被配置成具有形成在所述覆盖单元(140)的内面中的多个阻挡肋(146)并且分别连接所述流入路径(152)和所述流出路径(154)，
其中，所述覆盖单元(140)的所述入射窗(142)和所述反射窗(144)中的每一个都具有弯曲壳体形式或具有平板形状，所述弯曲壳体形式具有预定曲率；以及所述入射光和所述反射光以垂直角度或者以所述入射光和所述反射光中的每一个的偏振状态没有较大改变的程度的几乎垂直的角度分别入射到所述入射窗(142)和所述反射窗(144)上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述薄介电膜(130)包括半导体氧化物膜或者由透明材料制成的玻璃膜。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述薄介电膜(130)的厚度为0至1000nm。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述覆盖单元(140)由玻璃或透明合成树脂材料整体制成。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述结合层(160)是多层膜，包括适合于各种生物材料、固定材料以及包括结合至所述固定材料的小分子的各种生物材料的结合特性的自组单层(132)。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述偏振生成单元(300)包括：
光源(310)，用于辐射预定光；以及
偏振器(320)，用于偏振所辐射的光。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光源(310)辐射单色光或者白光。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光源(310)是具有可变波长结构的激光器。
9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述偏振生成单元(300)包括以下元件中的至少一种：
准直透镜(330)，用于向所述偏振器(320)提供平行光；
聚焦透镜(340)，用于通过聚集穿过所述偏振器(320)的所述平行光来增加所述入射光的量；以及
第一补偿器(350)，用于相位延迟所述入射光的偏振分量。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述偏振器(320)和所述第一补偿器(350)被旋转配置或者进一步配备有其他偏振调制装置。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述偏振检测单元(400)包括：
检偏器(410)，被配置成偏振所述反射光；
光检测器(420)，被配置成通过检测所偏振的反射光来获取预定的光学数据；以及
操作处理器(430)，电连接至所述光检测器(420)并被配置成基于所述光学数据导出量化值。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述光检测器(420)包括CCD型固态阵列、光电倍增管和硅光电二极管中的任何一种。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述操作处理器(430)通过获取椭偏常数Ψ或Δ来导出所述量化值，所述量化值包括所述样品的结合浓度、结合常数以及离解常数。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述偏振检测单元(400)进一步包括以下元件中的至少一种：
第二补偿器(440)，用于相位延迟所述反射光的偏振分量；以及
分光镜(450)，用于使所述反射光形成光谱。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述检偏器(410)和所述第二补偿器(440)被旋转配置或者进一步配备有其他偏振调制装置。
16.一种量化分子相互作用的键联和离解动力的方法，所述方法包括：
第一步骤S100，样品注入单元(200)将包含小分子生物材料的样品的缓冲溶液(210)注入到微流路径结构(100)的微流路径(150)中；
第二步骤S200，将所述样品结合至所述微流路径结构(100)的薄介电膜(130)，由此形成结合层(160)；
第三步骤S300，偏振生成单元(300)偏振预定光，并且通过所述微流路径结构(100)的入射窗(142)以满足p波非反射条件的入射角将偏振光入射到所述结合层(160)上；
第四步骤S400，所述结合层(160)的反射光通过所述微流路径结构(100)的反射窗(144)入射到偏振检测单元(400)上；以及
第五步骤S500，偏振检测单元(400)采用椭圆偏振法或反射法检测所述反射光的偏振状态，
其中，在所述第一步骤S100中，将包含不同浓度的所述样品的所述缓冲溶液(210)注入到包括多通道的所述微流路径结构(100)的相应微流路径(150)中，
其中，在所述第二步骤S200中，将所述样品结合至形成在所述薄介电膜(130)上的多个不同的自组单层(132)，从而形成不同的结合层(160)。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第五步骤S500包括：
检偏器(410)偏振所述反射光的步骤；
光检测器(420)通过检测所偏振的反射光获得预定的光学数据的步骤；以及
操作处理器(430)通过基于所述光学数据获得椭圆偏振法的椭偏常数Ψ或Δ来导出量化值的步骤，所述量化值包括所述样品的结合浓度、结合常数和离解常数。
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