CN103597335B - 利用具有可刷新表面的表面等离子体监测分析物的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明的技术提供利用具有可刷新表面的表面等离子体来进行分析物监测的示例性方法。通过在SPR生成系统的工作表面上沉积第一接合物质的新层来刷新SPR生成系统的工作表面。特别地，该方法包括：在工作表面上沉积第二接合物质，其中第二接合物质被配置为不可逆地接合到已经接合到工作表面的分析物上；在第二接合物质上沉积第二金属表面；以及在第二金属表面上沉积第一接合物质。

Description

利用具有可刷新表面的表面等离子体监测分析物的方法和系统

背景技术

提供以下描述以帮助读者理解。所提供的信息和引用的内容均不应当认为是现有技术。

在环境中遍布有污染物，因此，检测和识别微量污染物的能力越来越重要。对于很多污染物，由于低至十亿分之几的量级就可能是危险的浓度，因此要求高度的灵敏性。要求这种高灵敏性的情形的示例从对地下水中污染物的分析到血清中癌症治疗药物的分析。

发明内容

本发明的技术提供利用具有可刷新表面的表面等离子体来进行分析物监测的示例性方法。该方法包括针对分析物提供要监测的溶液，并且将要监测的溶液放置为与表面等离子体共振(SPR)生成系统的工作表面接触。该工作表面包括设置在玻璃表面上的金属表面，并且金属表面包括为分析物提供接合部位的第一接合物质。该方法还包括：在一段时间内以多个角度向金属表面照射光，测量在多个角度的每个角度上光的反射率以确定SPR角，并且监测在这段时间内SPR角的变化，以确定要监测的溶液内分析物的量是否超过分析物的预定阈值量。如果检测到的SPR角的变化率降低得比预定阈值时间更快，则要监测的溶液内分析物的量超过分析物的预定阈值量。该方法还包括：通过在SPR生成系统的工作表面上沉积第一接合物质的新层来刷新SPR生成系统的工作表面。

本发明的技术还提供利用具有可刷新表面的表面等离子体来进行分析物监测的示例性装置。该装置包括：在玻璃表面上沉积的第一金属表面、发射透过玻璃表面并且在第一金属表面处的光的光源、以及检测从第一金属表面反射的光的检测系统。该装置还包括腔室和用于控制该设备的控制系统，腔室包含为要监测的分析物提供接合部位的第一接合物质。控制系统被构造为使得要监测的溶液被放置为与第一金属表面接触，并且使得光源在一段时间内以多个角度在第一金属表面发射光。该控制系统还被构造为使得检测系统测量在多个角度的每个角度上光的反射率以确定SPR角，监测在该段时间内SPR角的变化并且响应于检测到SPR角的变化率比预定阈值时间降低得更快，确定要监测的溶液内要监测的分析物的量超过要监测的分析物的预定阈值量。该控制系统还被构造为通过使得在SPR生成系统的工作表面上沉积第一接合物质的新层来刷新SPR生成系统的工作表面。

前述发明内容仅仅是示例性的，且意图并非为任何限制。除了上述示例性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图以及下面的详细描述，其它的方面、实施方式以及特征将变得明显。

附图说明

根据结合附图的下列描述和所附权利要求，本公开的上述以及其它的特征将变得更加清楚。理解到这些附图仅描述了根据本公开的一些实施例，从而不被认为限制其范围，将通过使用附图用更多特征和细节来描述本公开。

图1示出根据示例性实施方式的表面等离子体共振(SPR)测量系统。

图2示出由根据示例性实施方式的SPR系统测量的反射率曲线。

图3示出根据示例性实施方式的使用具有可刷新表面的表面等离子体来分析物监测的方法。

图4示出SPR结构，该SPR结构包括在根据示例性实施方式的SPR测量系统的金属膜上沉积的多个层。

图5示出了例示根据示例性实施方式共振角随着时间的总变化的图。

图6示出了例示根据示例性实施方式共振角随着时间的变化率的图。

具体实施方式

在如下的详细描述中，参照形成了说明书的一部分的附图。在附图中，类似的附图标记通常表示类似部件，除非上下文有相反的说明。在详细的说明书、附图和权利要求中描述的例示性实施方式并非是限制性的。在不背离本文介绍的主题的精神或者范围的情况下，可以利用其它实施方式，并且可以进行其它改变。容易理解的是如这里总体描述并且在附图中例示的，本公开的多个方面可以按各种不同配置进行排列、替换、组合和设计，所有这些不同配置在这里是明确想得到的并且构成本公开的一部分。

已经使用了多种方法来检测这种污染物。例如，已经使用了表面增强拉曼光谱术(SERS)并且已经证明了其是用于进行污染物的定量和定性分析的极其灵敏的方法。类似于红外光谱的拉曼光谱由与被分析样品(分析物)的分子振动对应的波长分布带组成。根据拉曼光谱学，来自光源的光束被汇聚到分析物以产生非弹性散射辐射。该辐射被光学地收集并且引导到波长色散光谱仪，其中检测器将碰撞的光子的能量转换为电信号强度。通过分析该电信号强度，可以分析分析物并且检测污染物。

还可以使用表面等离子体共振(SPR)来检测污染物。这种系统被构造为使得来自光源的光束通过玻璃基板被汇聚到附着到该玻璃表面的金属膜。光束透过玻璃基板并且以高角度到达金属膜。当这个角度接近临界值(即，共振角)时，光能量在金属膜的表面上激励电子激发(即，表面等离子体)。金属表面附近的光学属性的变化使得共振角变化。通过监测共振角的变化，可监测和量化到金属表面的材料吸附。

此处描述的是利用具有可更新的表面的表面等离子体来监测分析物的示例性方法和系统。这种方法和系统允许周期性地提供清洁表面以便分析吸附和监测这些分析物。

图1示出根据示例性实施方式的表面等离子体共振(SPR)测量系统100。SPR测量系统100包括光学和电子腔110。在实施方式中，光学和电子腔110是气密(airtight)腔。光学和电子腔110包括光源115、光检测设备125和玻璃基板130。在附加实施方式中，玻璃基板130可以由允许在基板和溶液之间的界面处将发射的光全内反射的任何基板代替。软件或者硬件控制程序通信地连接到光源115和光检测设备125以控制这些装置的功能。

在实施方式中，光源115是激光光源，诸如氦氖激光器或者其它适当激光器。光源115可以还包括被构造为发出滤波准直光的白炽灯、发光二极管、氙气灯，或者包括被构造为发出基本上单色并且良好准直的光的任何其它光源。光源115被构造为透过金属膜120处的玻璃基板130发射光束。所发射的光可以具有任意波长，只要金属膜120能够支持这种波长下的表面等离子体。如本领域已知的，金属膜120附着到玻璃基板130，因此，光束穿过玻璃基板130并且在给定角度范围上到达金属膜120。光束的至少一部分从金属膜120反射并且在光检测设备125处被接收。

当光束到达金属膜120的角接近临界值(即，共振角)时，光能量激励电子激发，在金属膜120的表面上产生表面等离子体。由金属膜120中自由电子的等离子振荡与由全内反射的光子产生的束缚电磁场之间发生的耦合而产生表面等离子体。这种耦合是由于入射光束的动量等于束缚电磁场的动量。耦合使得光源115产生的光束的光子被转换为表面等离子体。由于这些光子不被反射，所以在反射光中的共振角处产生可被光检测设备125检测到的“阴影”。

金属膜120的表面附近的光学属性的变化造成共振角变化。光检测设备125被配置为监测并且检测对共振角的任何变化。共振角的变化可能是由到金属膜120的表面的材料吸附导致的，如以下更详细讨论的。

在实施方式中，光检测设备125是电荷耦合器件光敏元件阵列。在其它实施方式中，光检测设备125可以包括光电二极管传感器、互补金属氧化物半导体传感器、或者被构造为允许同时测量一系列角度上的光信号的任何其它检测设备。

在实施方式中，光学和电子腔110可以包括表面等离子体吸附质监测器，如在C.S.Mayo和R.B.Hallock的题目为“ApparatusfortheStudyofMacromolecularAdsorption”的文章(Mayo,CS,和Hallock,RB,“ApparatusfortheStudyofMacromolecularAdsorption,”Rev.Sci.Instrum.60(1989))中描述的。

SPR测量系统100还包括输入腔140，输入腔140包括金属膜120并且被构造为使得源水或者任何其它物质或者要监测的水溶液与金属膜120接触。金属膜120包括金、银、铝、铜或者用于产生整个说明书中讨论的SPR效应的任何其它适当金属。在实施方式中，邻近玻璃基板130的金属膜120的初始层具有30到80纳米之间的厚度，并且以下更详细讨论的随后刷新的金属层可以具有1到200纳米之间的厚度。在实施方式中，金属膜120的长度和宽度可以在1到100毫米之间。输入腔140还包括第一输入/输出阀门145，通过阀门145源水可以被泵入和/或泵出输入腔140。

SPR测量系统100还包括腔室150，腔室150包括特定于所关注的分析物/污染物的化学化合物A。化学化合物A还能够不可逆地接合到金属膜120的金属表面，能够为分析物提供不可逆的接合部位(即，这种接合部位不允许在溶液内的分析物浓度减少时分析物的大量的解吸附)，以及能够为在要监测的源水或者其它物质或者水溶液中存在的其它材料提供很弱并且可逆的接合部位。在示例性实施方式中，分析物是砷，化学化合物A是聚乙烯基吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone)。在另一实施方式中，分析物是芘，化学化合物A是二硫代氨基甲酸杯[4]芳烃(dithiocarbamatecalix[4]arene)，并且金属膜是银。在第三实施方式中，分析物是屈(chrysene)，化学化合物A是腐植酸，并且金属膜是银。在第四实施方式中，化学化合物A是抗原，分析物是针对该抗原的抗体，并且金属膜是金。

SPR测量系统100的控制程序被配置为使得来自腔室150的化学化合物A被放置为与输入腔140内的金属膜120接触达充分时间，从而使得化学化合物A的层与金属膜120接合并且形成在金属膜120上。在实施方式中，吸附时间可以从针对小分子的30秒到针对诸如聚合物种宏分子的长达十小时。在金属膜120上充分形成化学化合物A的层之后，过量的未接合的化学化合物A可以被泵出输入腔140。可以通过监测化学化合物A的吸附率来确定形成充分良好形成的层。随着吸附率变得远小于(例如十分之一)当溶液被首先引入时的初始率，系统有可能基本上完成了吸附。在实施方式中，过量化学化合物A可以被泵回到腔室150中。在另选实施方式中，过量化学化合物A可以被泵入废物腔160中。

SPR测量系统100还可以包括清洁水腔155。在实施方式中，清洁水腔155包括基本上没有分析物的水，使得在与金属膜120接触时，清洁水将不造成共振角偏移。另选地，SPR测量系统100可以不包括清洁水腔155，并且相反地，输入腔140可以简单地连接到清洁水源。

SPR测量系统100的控制程序被配置为使得清洁水被移入到输入腔140中并且被引入到金属膜120的金属膜/化学化合物A表面。接着使用光学和电子腔110的部件可测量控制反射率曲线和共振角。图2示出利用根据示例性实施方式的表面等离子体测量系统测量的反射率曲线。反射率曲线的x轴指示来自光源115的光束在金属膜120上的入射角。反射率曲线的y轴指示来自光源115的光被从金属膜120反射并且在光检测设备125处检测的光的比例。θ_spr指示被反射的光的比例明显减少时的共振角。

SPR测量系统100还包括腔室170，腔室170包括特定于所关注的分析物/污染物的化学化合物B。特定于该分析物的化学化合物B也能够不可逆地接合到金属膜120的金属上并且能够为分析物提供接合部位。在实施方式中，化学化合物B可以与化学化合物A相同或者是与化学化合物A不同。在示例性实施方式中，化学化合物B是聚乙烯吡咯烷酮。在另一个实施方式中，化学化合物A和B可以用于形成两亲物(amphiphile)(尾对头/头对尾)的双层或者两种单独化合物的双层。这种构造允许双层的一侧接合到金属膜120，而双层的另一侧为分析物提供接合部位并且促进分析物或者金属对双层的不可逆接合。双层帮助避免单个化学化合物A或者B的两端接合，这种接合抑制分析物吸附。在附加实施方式中，SPR测量系统100可以包括用于存储用于形成双层或者提供附加接合部位的附加化合物的附加腔室。

在另一个实施方式中，可以从SPR测量系统100省略腔室170，并且可以使用化学化合物A和腔室150代替化学化合物B和腔室170。

SPR测量系统100的控制程序被配置为使得来自腔室170的化学化合物B被放置为与输入腔140内的分析物/化学化合物A/金属膜120的金属表面接触达充分时间，从而使得化学化合物B的层与暴露的分析物/化学化合物A/金属膜120的金属表面接合并形成在暴露的分析物/化学化合物A/金属膜120的金属表面上。化学化合物B与表面接合所需要时间可以从几秒到数小时。在实施方式中，可以使用较小的分子来保持化学化合物B的层薄并且减少吸附时间。可以影响吸附时间的其它变量包括化学化合物B的浓度、化学化合物B的扩散速率、分析物对化学化合物B的接合强度、系统的温度、系统的pH值和分析物表面的清洁度。诸如更高的浓度、更快的扩散速率、更高的接合强度、更高的温度、适当的pH值和更大清洁度这些因素可以减少吸附时间。

在分析物/化学化合物A/金属表面上充分形成化学化合物B的层之后，过量的未接合的化学化合物B可以被泵出输入腔140。在实施方式中，过量化学化合物B可以被泵回到腔室170中。在另选实施方式中，过量化学化合物B可以被泵入到废物腔160中。

SPR测量系统100还可以包括金属腔室165，金属腔室165包括处于胶体形式的金属。在实施方式中，在金属腔室165中存储的金属是和金属膜120相同的金属。在另选实施方式中，在金属腔室165中存储的金属可以是与金属膜120不同的金属，只要金属腔室165的金属能够与期望的分析物不可逆地接合。金属腔室165中存储的金属可以包括金、银、铝、铜或者任何其它适当金属，用于产生整个本说明书中讨论的SPR效应。

SPR测量系统100的控制程序被配置为使得来自金属腔室165的金属被放置为与输入腔140内的金属膜120的表面上的化学化合物B接触达充分时间，从而使得金属的层与金属膜120的表面上的化学化合物B的层接合。将金属与化学化合物B接合所需要的时间可以从几秒到数小时。在实施方式中，可以使用更小的分子来保持金属层较薄并且减少吸附时间。可以影响吸附时间的其它变量包括金属的浓度、金属的扩散速率、金属对化学化合物B的接合强度、系统的温度、系统的pH值和表面的清洁度。更高的浓度、扩散速率、接合强度、温度、和pH值以及更大清洁度将减少吸附时间。

在金属层充分地接合到金属膜120上的化学化合物B的层之后，过量的未接合的金属被泵出输入腔室140。在实施方式中，过量的金属可以被泵回到腔室165中。在另选实施方式中，过量金属可以被泵入废物腔160中。

图3示出根据示例性实施方式的使用具有可刷新的表面的表面等离子体来进行分析物监测的方法。在操作300，特定于被监测的分析物的化学化合物A被沉积在类似于图1的SPR测量系统100的SPR测量系统的金属膜的表面上。根据实施方式，化学化合物A能够不可逆地接合到金属膜的表面，为分析物提供不可逆的接合部位，并且为在要监测的源水或者其它水溶液中存在的其它材料提供很弱并且可逆的接合部位。在示例性实施方式中，分析物是砷，化学化合物A是聚乙烯基吡咯烷酮。在另一实施方式中，分析物是芘，化学化合物A是二硫代氨基甲酸杯[4]芳烃，并且金属膜是银。在第三实施方式中，分析物是屈(chrysene),并且化学化合物A是腐植酸，并且金属膜是银。在第四实施方式中，化学化合物A是抗原，分析物是针对该抗原的抗体，并且金属膜是金。

在操作310，基本上没有分析物的清洁水被引入SPR测量系统，使得清洁水被放置为与化学化合物A/金属膜的金属表面接触，并且利用SPR测量系统测量反射率曲线。在实施方式中，通过在金属膜和玻璃基板之间的界面发射光束，其中该光束接着被从该界面反射并且被光检测设备检测，来确定反射率曲线。光束在界面上的入射角在一系列角度上改变，反射幅度被光检测设备检测并且与对应的入射角相关联。被反射并且在光检测设备接收的光的比例远远小于其它入射角时的入射角被确定为共振角(如图2所例示)。

在操作315中，确定是否存在SPR信号(例如，是否检测到共振角)。如果SPR信号不存在，则SPR测量系统被确定为是有缺陷的并且在操作320更换系统。如果确实存在SPR信号，则在操作325中，去除清洁水并且将要监测的水溶液的新样本引入到化学化合物A/金属膜的金属表面。在操作330，当化学化合物A/金属膜的金属表面与水溶液的新样本接触时，随着时间监测由从金属膜反射的光源产生的反射率曲线。

在操作335，监测SPR共振角和/或其变化率。通过使用以下函数，SPR共振角的变化Y和其变化率ΔY/Δt可以通常被描述为时间t和吸附浓度C的函数：

Y＝Y_o[1-exp(-kCt)](k＞0)算式(1)

ΔY/Δt＝kCY_oexp(-kCt)算式(2)

t_C＝3/kC算式(3)

初始地，在时间t＝0，SPR共振角的偏移为零。在t>0，SPR共振角的变化率首先较大，但是接着随着用于分析物的可用接合部位被用尽，SPR共振角的变化率减小直至其接近零为止。当t＝t_C时，总角度变化达到其最终值的约95％，如式3所指示的。此时，角度变化率是其初始率的约5％。请注意，在附加实施方式中，根据系统、分析物、溶液等的设计需要，可以使用不同于95％/5％的百分比。通过监测SPR共振角的偏移及其变化率，可导出最终SPR共振角。另外，SPR共振角的变化率能够指示吸附浓度C。

随着分析物的吸附，SPR共振角渐进地靠近其最终值。吸附的渐进阶段(asymptoticstage)可被估计为当SPR共振角的变化率降低到初始变化率的预定百分比时的时间。在实施方式中，初始变化率的预定百分比可以小于其初始变化率的5％。此时，角度偏移是其最终值的95％，即，Y＝0.95Y_o。在另选实施方式中，基于系统的具体设计需要，初始变化率的预定百分比可以是其它百分比。

在操作335，当SPR共振角的变化率到达初始变化率的预定百分比(例如其初始变化率的5％)所需要的时间充分小而不超过预定阈值时间时，系统被确定为呈现“快速动力学”。在实施方式中，快速动力学情形独立于共振角的总变化，并且仅依赖于分析物浓度C和分析物的吸附常数k，如在算式1和2中描述的。在实施方式中，通过响应于引入控制溶液(例如，具有预定阈值量的分析物的溶液)测量SPR共振角的变化，可以预先地确定预定阈值时间。例如，如果分析物的不可接受的高浓度的阈值量级是十亿分(ppb)之100，则通过使用这种溶液(即，具有100ppb的分析物的溶液)可以预确定吸附(例如，在分析实验室中)。如果在这个示例中，100ppb溶液花费30秒达到其渐进吸附值(即，SPR共振角的变化率达到其初始变化率的预定百分比(例如，其初始值的5％)时的点)，则被测试的溶液达到其初始变化率的预定百分比的检测时间小于30秒，将可以确定吸附处理呈现快速动力学。

如果SPR共振角的变化率达到其初始变化率的预定百分比所需要的时间小于预定阈值时间，则在操作350，确定在水溶液中分析物的量超过分析物的预定阈值量。可选地，可以触发通知。该通知可以包括警报、光、文字消息、电子邮件或者本领域技术人员已知的任何其它通知。

如果不呈现快速动力学，则在操作340，确定在引入溶液之前化学化合物A/金属膜的金属表面是否具有用于分析物的充足的可用接合部位。如果反射率曲线和/或SPR共振角的总变化大于包含分析物的溶液所预期的预定总变化，则在操作340确定化学化合物A/金属膜的金属表面具有足量的可用接合部位，并且在操作345，将水溶液的样本去除以不与化学化合物A/金属膜的金属表面接触。该方法可以接着返回操作310。在示例性实施方式中，如果总变化大于总预期变化的80％，则可以确定化学化合物A/金属膜的金属表面不饱和。在另选实施方式中，根据具体系统的设计需要，可以使用总预期变化的任何百分比作为用于确定化学化合物A/金属膜的金属表面不饱和/具有可用接合部位的阈值。

如果反射率曲线和/或SPR共振角的总变化小，并且反射率曲线和/或SPR共振角到达其初始变化率的预定百分比(例如其初始变化率的5％或者基于系统的设计需要而选择任何其它百分比)的时间超过预定时间限制，则在操作340确定化学化合物A/金属膜的金属表面不具有足量的可用接合部位。在实施方式中，如果反射率曲线和/或SPR共振角的总变化小于总预期变化的80％，则可以认为反射率曲线和/或SPR共振角的总变化小。在另选实施方式中，根据具体系统的设计需要，可以使用总预期变化的任何百分比作为用于确定化学化合物A/金属膜的金属表面饱和/缺少充足的可用接合部位的阈值，只要该百分比不超过用于确定化学化合物A/金属膜的金属表面不饱和的百分比。

在操作355，去除水溶液的样本，以不与化学化合物A/金属膜的金属表面接触。在操作360，在金属膜的分析物饱和表面上沉积化学化合物B。在实施方式中，包括化学化合物B的溶液被移动到包括金属膜的分析物饱和表面在内的腔室中，并且化学化合物B吸附到金属膜的分析物饱和表面上。在化学化合物B已经被充分沉积到金属膜的分析物饱和表面上使得在该表面上布置有化学化合物B的层之后，化学化合物B溶液被从该腔室中去除。如以上讨论的，依赖于多种变量，化学化合物B充分吸附到金属膜的分析物饱和表面所需要的时间可以从几秒钟到数小时变化。在实施方式中，当金属膜的分析物饱和表面的大约80％被化学化合物B覆盖时，化学化合物B的沉积/吸附是充分的。在实施方式中，化学化合物B的吸附/沉积层的厚度小于4纳米，尽管也可以是更大的厚度，并且当化学化合物B的吸附率降低到其初始吸附率的5％时，确定沉积是充分的。

在实施方式中，化学化合物B是特定于所关注的分析物/污染物的，并且能够不可逆地接合到所关注的分析物/污染物并且接合到金属膜的金属上。化学化合物B可以与化学化合物A相同。在示例性实施方式中，化学化合物B是聚乙烯吡咯烷酮。在另一个实施方式中，使用化学化合物B来形成两亲物的双层或者两种单独化合物的双层。

在操作365，在金属膜的表面上沉积化学化合物B之后，在金属膜的表面上沉积胶体金属。在实施方式中，包括胶体金属的溶液被移到包括金属膜的表面在内的腔室中，胶体金属吸附到先前在金属膜的表面上沉积的化学化合物B。在胶体金属已经被充分沉积到金属膜的表面上使得在该表面上形成胶体金属的层之后，将胶体金属溶液从该腔室中去除。胶体金属充分沉积/吸附到化学化合物B的层所需要的时间可以从几秒钟到数分钟变化。在实施方式中，当化学化合物B的层的大约80％被胶体金属覆盖时，胶体金属的沉积/吸附是充分的。在实施方式中，化学化合物B的层将大约完全覆盖有胶体金属，使得胶体金属层具有1到100nm的厚度。

在实施方式中，胶体态金属能够不可逆地接合到化学化合物B。在示例性实施方式中，该胶体金属可以包括金、银、铝、铜或者任何其它适当金属，用于产生整个说明书中讨论的SPR效应。

在操作370，在金属膜的表面上沉积化学化合物A。在实施方式中，包括化学化合物A的溶液被移到包括金属膜的表面在内的腔室中，化学化合物A吸附到金属膜的表面上先前沉积的胶体金属上。在化学化合物A已经被充分沉积到胶体金属层的表面上之后，从腔室去除化学化合物A溶液，并且该方法可以返回到操作310。如以上讨论的，依赖于多种变量，化学化合物A充分吸附到金属膜的表面上的胶体金属层所要求的时间可以从几秒钟到数小时变化。在实施方式中，当胶体金属层的表面的大约80％被化学化合物A覆盖时，化学化合物A的沉积/吸附是充分的。在实施方式中，化学化合物A的吸附/沉积层的厚度小于4纳米，尽管更大的厚度是可能的，并且当化学化合物A的吸附率降低到其初始吸附率的5％时，确定沉积是充分的。

在实施方式中，化学化合物A特定于所关注的分析物/污染物，并且能够不可逆地接合到该分析物以及接合到先前沉积的胶体金属。化学化合物A可以与化学化合物B相同。在示例性实施方式中，化学化合物A是聚乙烯吡咯烷酮。在另选实施方式中，化学化合物A可以包括能够不可逆地接合到分析物和接合到先前沉积的胶体金属的二硫代氨基甲酸杯[4]芳烃、腐植酸、抗体、抗原或者本领域技术人员已知的任何其它物质，

图4根据例示实施方式示出SPR结构400，其包括在SPR测量系统的金属膜上沉积的多个层。SPR结构400包括玻璃基板410、与玻璃基板410相邻的金属膜420、以及与金属膜420接触的水溶液470。在实施方式中，金属膜420具有大约50纳米(nm)的深度。在另一个实施方式中，金属膜420可以具有30纳米到80纳米之间的厚度，并且1毫米到100毫米之间的长度和宽度。

在图4的实施方式中，金属膜420的表面被刷新三次。这仅仅是示例性实施方式，根据关联的SPR测量系统的具体操作需要，金属膜420的表面可以被刷新更少或者更多次。

在金属膜420的表面上沉积化学化合物A层430。在实施方式中，化学化合物A层430具有大约1nm到10nm之间的深度。在另一个实施方式中，化学化合物A层430具有高达40nm的深度。在化学化合物A层430的表面上沉积分析物层440。在实施方式中，分析物层440具有大约1到10nm之间的深度。在分析物层440上沉积化学化合物B层450。在实施方式中，化学化合物B层450具有大约1nm到10nm之间的深度。在化学化合物B层450上沉积胶体态金属层460。在实施方式中，胶体金属层460具有大约1nm的深度。在其它实施方式中，胶体金属层可以具有1nm到200nm的深度。

图5示出根据示例性实施方式共振角随着时间的总变化的图。图6示出根据示例性实施方式共振角随着时间的变化率的图。在图5和图6例示的实施方式中，响应于水溶液的三种样本被引入到SPR测量系统，随着时间测量共振角的变化。引入第一和第二样本导致共振角的相对小并且逐渐的变化。例如，引入第一样本导致经过约200秒共振角约0.05度的变化，引入第二样本导致经过约500秒共振角约0.05度的变化。对于两种样本，在引入每种样本起的大约158秒之后吸附率降低到初始吸附率的大约5％。

相反，引入第三样本导致共振角的相对大和迅速的变化。例如，引入第三样本导致经过约80秒共振角变化约0.15度，在引入该样本起仅54秒之后吸附率降低到初始速率的大约5％，这几乎比前两种样本快三倍。响应于引入第三样本，相对迅速地实现共振角的变化率的降低表示在第三样本中存在的分析物的量远远大于在第一样本和第二样本中的量。

示例

示例1：SPR测量系统100包括银的金属膜、聚乙烯吡咯烷酮的化学化合物A、和水溶液中的分析物砷。

根据这种实施方式，光源115是发射波长为633nm的光的氦氖激光器，玻璃基板是具有1.72折射率的SF10玻璃，并且金属膜120是具有-.059+4.2313i的折射率和50纳米的初始厚度的银。具有1.33折射率的清洁水被放置为与金属膜120接触，测量SPR角并且发现其为54.66°。在去除清洁水之后，十亿分之(ppb)3的化学化合物A的水溶液被引入到金属膜表面，使得化学化合物A将吸附到金属膜的表面。根据这个实施方式，化学化合物A是聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。再次测量SPR角。在30分钟之后，SPR角稳定在54.86°，增加了0.4°。化学化合物A/PVP溶液被去除并且用清洁水代替。SPR角保留在54.86°。水测试溶液被引入并且针对砷进行测试。在这个例子中，水测试溶液包含非常低浓度的砷(小于10ppb)。在第一小时SPR角增加0.01°。SPR角的小量的增加不触发通知，因为SPR角的吸附率低于30分钟中0.3度的通知阈值。

水测试溶液接着被去除并且化学化合物A/PVP溶液被第二次引入。在30分钟之后，化学化合物A/PVP溶液造成SPR角增加到55.07°，其指示1.7nm的PVP层厚度。化学化合物A/PVP溶液接着被去除并且被胶体银的溶液代替，这在10分钟之后将SPR角降低到54.95°。SPR角的这种变化对应于2nm的银层厚度。胶体银的溶液接着被去除，化学化合物A/PVP溶液被重新引入并且被允许吸附达30分钟，使得SPR角增加到55.15°。SPR角的变化对应于大约1.7nm厚的PVP层的沉积/吸附。

引入新的水测试溶液，此时包含100ppb的砷。在前两分钟SPR角增加0.02°。在一小时之后，SPR角稳定在55.23°。初始变化率(每小时0.60°)高于三十分钟0.3度的通知阈值，造成触发通知。

化学化合物A/PVP溶液再次被引入并且循环重复，SPR角在0.28°到0.37°之间的范围增加，依赖于测试溶液中砷的量。在反复20次之后，SPR角达到61.63°，但是最小反射信号的深度变得非常弱。在第21次反复时，不再能够检测到最小反射信号，这指示电场不再能够穿透第21次刷新层到达当前表面。在此时，化学化合物A/PVP溶液被去除，并且发送通知指示该单元需要被替换。

示例2：SPR测量系统100包括金的金属膜、牛血清白蛋白(BSA)的化学化合物A和牛IgG免疫球蛋白的分析物。

根据这种实施方式，光源115是发射波长为633nm的光的氦氖激光器，玻璃基板130是具有1.72折射率的SF10玻璃，并且金属膜120是具有-.227+3.31i的折射率和50纳米的初始厚度的金。具有1.33折射率的清洁水被放置为与金属膜120接触，测量SPR角并且其为57.75°。在去除清洁水之后，十亿分之(ppb)3的化学化合物A的盐水溶液被引入到金属膜表面，使得化学化合物A将吸附到金属膜的表面。根据这个实施方式，化学化合物A是BSA。

再次测量SPR角。在90分钟之后，SPR角稳定在58.93°，从初始测量值57.75°增加1.18°。BSA溶液被去除并且用清洁水代替。SPR角保留在58.93°。牛IgG免疫球蛋白的水测试溶液被引入并且针对兔抗牛血清白蛋白(RABSA)进行测试。在这个例子中，水测试溶液不包含兔抗牛血清白蛋白，使得在五小时期间中SPR角不变化。

水测试溶液接着被去除并且包含10ppbRABSA的溶液被引入。在90分钟之后，RABSA溶液造成SPR角增加到59.94°，这指示1.0nm的RABSA层厚度。这种增加大于90分钟0.4度的通知阈值；因此触发通知。RABSA溶液接着被去除并且被胶体金的溶液代替，这在10分钟之后将SPR角降低到59.42°。SPR角的这种变化对应于2.0nm的金层厚度。胶体金的溶液接着被去除，BSA溶液被重引入并且被允许吸附达90分钟，造成SPR角增加到60.66°。SPR角变化对应于大约6.0nm厚的BSA层的沉积/吸附。

引入新的水测试溶液，此时包含1ppb的RABSA，其比2ppb的告警级别低。在前90分钟中SPR角增加0.2°，这低于90分钟0.4度的通知阈值。

化学BSA溶液再次被引入并且循环重复，SPR角在0.2°到1.2°之间的范围增加，依赖于测试溶液中RABSA的量。在反复10次之后，SPR角达到72.75°，但是最小反射信号的深度变得非常弱。在第11次反复时，不再能够检测到最小反射信号，指示电场不再能够穿透第11次刷新的层到达当前表面。在此时，BSA溶液被去除，并且发送通知指示该单元需要被替换。

在此可以已经使用了一个或者更多个流程图。使用流程图不意味着限制所进行的操作的顺序。这里描述的主题有时示出包含在不同的其它部件中的或与不同的其它部件连接的不同部件。应理解的是这种描绘的架构仅仅是示例性的，并且事实上可以实现能达到相同功能的很多其它架构。在概念方面，实现相同功能的部件的任何设置是有效地“相关联”的，从而实现期望的功能。因此，在此组合在一起以实现具体功能的任意两个部件可以被视为彼此“相互关联”使得实现期望的功能，而与结构或者中间部件无关。类似地，被这样关联的任意两个部件也可以被视为彼此“可操作地连接”或者“可操作地耦合”，以实现期望功能，并且能够被这样关联的任意两个部件也可以被认为是彼此“可操作地可耦合的”，以实现期望功能。可操作耦合的具体示例包括但是不限于物理上可配合的和/或物理上交互的部件和/或无线可交互和/或无线交互和/或逻辑交互和/或逻辑可交互的部件。

关于这里的实质上任意复数和/或单数术语的使用，为适于上下文和/或应用，本领域技术人员可以将复数转换为单数和/或将单数转换为复数。为了清楚起见，这里可以明确地阐述各种单数/复数置换。

本领域技术人员应该理解，通常，这里使用的术语，尤其是所附权利要求书中使用的术语(例如所附权利要求书的主体部分)通常意在作为“开放式”术语(例如，术语“包括”应该被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应该被解释为“至少具有”，术语“包含”应该被解释为“包含但不限于”等)。本领域技术人员应进一步理解，如果目的在于引入特定数目的权利要求记载，这样的目的应该明确地记载于权利要求中，如果没有这样的记载，则这样的目的不存在。例如，为了便于理解，下述的所附权利要求可以包含引导语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求记载。然而，即使同一个权利要求包括引导语“一个或更多个”或“至少一个”以及不定冠词例如“一个”或“一”(例如，“一个”或“一”通常应该被解释为表示“至少一个”或“一个或更多个”)，这些短语的使用也不应该被解释为暗示通过不定冠词“一个”或“一”的权利要求记载的引导对任何包括这样引入的权利要求记载的特定权利要求限制为仅包括一个这样的记载的发明；对于用于引入权利要求记载的定冠词也同样适用。此外，即使明确记载了特定数量的引入权利要求记载，本领域技术人员也应该认识到这样的记载通常应该被解释为表示至少为所记载数量(例如，没有其它修改地简单记载“两个记载”通常表示至少两个记载或者两个或更多个记载)。此外，在使用类似约定“A、B和C等中的至少一个”的那些示例中，通常这样的结构意在在某种意义上让本领域技术人员能够理解约定(例如“具有A、B和C中的至少一个的系统”应该包括但不限于只有A、只有B、只有C、有A和B、有A和C、有B和C、和/或有A、B和C等的系统)。在使用“A、B或C等中的至少一个”的类似约定的那些示例中，通常这样的结构意在在某种意义上让本领域技术人员能够理解约定(例如，“具有A、B或C中的至少之一的系统”应该包括但不限于只有A、只有B、只有C、有A和B、有A和C、有B和C、和/或有A、B和C等的系统)。本领域技术人员还应该理解，表示两个或更多个另选术语的几乎任何转折词和/或词组，无论在说明书、权利要求书还是在附图中，都应该被理解为预想到包括术语中的一个、术语中的另一个或两个术语的可能性。例如，词组“A或B”应该理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。

为了例示和说明的目的对示例性实施方式提供了前述描述。不旨在对所公开的精确形式进行穷举或者限制，并且鉴于以上教导可以进行修改和变型或者修改和变型可以从所公开的实施方式的实施中获得。本发明的范围旨在由所附的权利要求和它们的等同物限定。

Claims (17)

1.一种用于检测至少一种分析物的方法，所述方法包括以下步骤：

针对所述至少一种分析物提供要监测的溶液；

将所述要监测的溶液放置为与表面等离子体共振SPR生成系统的工作表面接触，其中，所述工作表面包括设置在玻璃表面上的第一金属表面，并且其中，所述第一金属表面包括第一接合物质，该第一接合物质被构造为为所述分析物提供接合部位；

在一段时间内以多个角度向所述第一金属表面照射光；

测量在所述多个角度的每个角度上所述光的反射率以确定SPR角；

在所述一段时间内监测所述SPR角的变化，以确定所述要监测的溶液内所述分析物的量是否超过所述分析物的预定阈值量，其中，如果检测到的所述SPR角的变化率的降低比预定阈值时间发生得更快，则所述要监测的溶液内所述分析物的量超过所述分析物的所述预定阈值量；以及

通过在所述SPR生成系统的所述工作表面上沉积所述第一接合物质的新层，来刷新所述SPR生成系统的所述工作表面，

其中，所述刷新所述SPR生成系统的所述工作表面包括：

去除所述要监测的溶液以不与所述工作表面接触；

在所述工作表面上沉积第二接合物质，其中，所述第二接合物质被构造为不可逆地接合到已经接合到所述工作表面的分析物；

在所述第二接合物质上沉积第二金属表面；以及

在所述第二金属表面上沉积所述第一接合物质。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

将控制溶液放置为与所述SPR生成系统的所述工作表面接触；

确定反射率曲线的形状是否指示在所述工作表面处存在SPR，其中，在所述第一金属表面与所述控制溶液接触时，通过向所述第一金属表面照射光而生成所述反射率曲线；以及

在确定所述反射率曲线的形状与在所述工作表面处存在SPR兼容之后，执行放置所述要监测的溶液以与所述工作表面接触。

3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：响应于检测到所述SPR角的变化率的降低比所述预定阈值时间发生得更快，发出通知，其中基于针对控制溶液的SPR角的变化率的预期降低来确定所述预定阈值时间。

4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述第一金属表面上沉积所述第一接合物质，其中，在所述第一金属表面上沉积所述第一接合物质包括将所述第一金属表面设置为与包括所述第一接合物质的溶液接触。

5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：通过在所述一段时间内测量在所述多个角度的每个角度上所述光的反射率来生成反射率曲线，并且从所述反射率曲线确定SPR反射率最小值角度。

6.根据权利要求1所述的方法，所述SPR角的变化率对应于所述分析物到所述第一接合物质的吸附的变化率。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，响应于所述SPR角的变化率的降低速率降低到低于所述变化率的第二预定阈值降低速率，执行所述刷新所述SPR生成系统的所述工作表面。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积第二接合物质的步骤包括引入第二溶液到所述工作表面，其中，所述第二溶液包括所述第二接合物质，并且其中，所述沉积第二金属表面包括在所述第二接合物质上沉积金属纳米颗粒的胶体，并且其中，所述第一接合物质和所述第二接合物质中的至少一种包括聚乙烯吡咯烷酮。

9.一种用于刷新表面等离子体共振SPR生成系统的工作表面的方法，所述方法包括：

去除要监测的溶液以不与所述SPR生成系统的工作表面接触，其中，所述工作表面包括设置在玻璃表面上的第一金属表面，其中所述第一金属表面包括被构造为为分析物提供接合部位的第一接合物质，其中所述SPR生成系统还包括光源，所述光源被构造为在一段时间内以多个角度向所述第一金属表面照射光，并且测量在所述多个角度的每个角度上所述光的反射率以确定SPR角；

在所述工作表面上沉积第二接合物质，其中所述第二接合物质被构造为不可逆地接合到已经接合到所述工作表面的所述分析物；

在所述第二接合物质上沉积第二金属表面；以及

在所述第二金属表面上沉积所述第一接合物质。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一金属表面在第一腔室中，并且其中所述玻璃表面被封闭在第二气密腔室中。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一金属表面包括金、银、铝或者铜中的至少一种，并且其中所述第一接合物质包括聚乙烯吡咯烷酮。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一接合物质包括聚乙烯吡咯烷酮。

13.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：

在一段时间内以多个角度向所述第一金属表面照射光；

测量在所述多个角度的每个角度上所述光的反射率以确定所述SPR角；以及

在所述一段时间内监测所述SPR角的变化，以确定所述要监测的溶液内所述分析物的量是否超过所述分析物的预定阈值量，其中，如果检测到的所述SPR角的变化率的降低比预定阈值时间发生得更快，则所述要监测的溶液内所述分析物的量超过所述分析物的所述预定阈值量。

14.一种用于检测至少一种分析物的装置，所述装置包括：

设置在玻璃表面上的第一金属表面；

光源，所述光源被构造为发射透过所述玻璃表面并且到达所述第一金属表面处的光；

检测系统，所述检测系统被构造为检测从所述第一金属表面反射的光；

腔室，所述腔室被构造为包含第一接合物质，该第一接合物质被构造为为要监测的至少一种分析物提供接合部位；以及

控制系统，所述控制系统被构造为：

使得要监测的溶液被放置为与所述第一金属表面接触；

使得所述光源在一段时间内以多个角度发射到达所述第一金属表面处的光；

使得所述检测系统测量在所述多个角度的每个角度上所述光的反射率以确定SPR角，并且监测在所述一段时间内所述SPR角的变化；以及

响应于检测到所述SPR角的变化率比预定阈值时间降低得更快，确定所述要监测的溶液内所述要监测的分析物的量超过所述要监测的分析物的预定阈值量；以及

刷新工作表面，其中，为了刷新所述工作表面，所述控制系统还被构造为：

使得所述要监测的溶液被去除以不与所述第一金属表面接触；

使得在所述第一金属表面上沉积第二接合物质，其中，所述第二接合物质被构造为不可逆地接合到已经先前接合到所述第一金属表面的所述要监测的分析物；

使得在所述第二接合物质上沉积第二金属表面；以及

使得在所述第二金属表面上沉积所述第一接合物质。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第一金属表面在第一腔室中，其中，所述玻璃表面被封闭在第二气密腔室中，其中，所述第一金属表面包括金、银、铝或者铜中的至少一种，并且其中，所述第一接合物质包括聚乙烯吡咯烷酮。

16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述控制系统还被构造为响应于检测到所述SPR角的变化率比所述预定阈值时间降低得更快，发出通知，并且其中，所述SPR角的所述变化率对应于所述要监测的分析物到接合物质的吸附的变化率。

17.根据权利要求14所述的装置，其中，所述控制系统还被构造为：

通过在所述一段时间内测量在所述多个角度的每个角度上所述光的反射率生成反射率曲线；以及

从所述反射率曲线确定SPR反射率最小值角度。