CN103842799A - 用于样本阵列的自参考检测与成像的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于检测具有可检测样本和至少一个参考样本的样本阵列的系统。该系统包括：电磁辐射源；感测表面，包括多个样本域，其中，所述多个样本域包括至少一个参考域；相位差产生器，配置成导入样本阵列中的一个或更多的样本的路径长度的差异；以及成像光谱仪，配置成对样本阵列中的一个或更多的样本进行成像。

Description

用于样本阵列的自参考检测与成像的系统和方法

背景技术

本发明涉及检测与成像，更具体而言，涉及用于样本阵列的光学检测与成像的系统和方法。

表面等离子体共振（SPR）检测是用于检测分子吸收和相互作用的光学检测技术。SPR检测被用于包含生物传感器的多种多样的化学系统。典型而言，SPR传感器包括棱镜支持薄金属层的布置。配体分子被固定在薄金属层的一侧，以从该薄金属层形成改性金属表面。样本被设置在改性金属表面上。入射到样本上的光束以共振方式激发薄金属层中的表面等离子体。表面等离子体在平行于薄金属层与棱镜之间形成的界面（金属/棱镜界面）的方向扩散。由于表面等离子体存在于薄金属层与外部介质（例如空气或水）的边界，因此表面等离子体的震荡响应于金属与外部介质的边界的任何改变、诸如金属表面上的分子的吸收。SPR现象典型地通过对薄金属层的表面附近的折射率改变进行感测来检测。改性金属表面的反射光谱可以通过测量作为入射光的入射角或者波长的函数的、反射光的强度来确定。SPR现象对在边界的折射率改变的敏感性对于观察并量化在薄金属膜/样本溶液界面的化学反应是有用的。

典型而言，SPR系统在干涉仪中使用两个不同的路径。第一路径可以被称为参考臂，第二路径可以被称为样本臂。从辐射源朝向参考的大方向被称为参考臂，从辐射源朝向样本的大方向被称为样本臂。来自辐射源的入射光被分离为两个部分，第一部分经由参考臂传播并入射在参考样本上，第二部分经由样本路径传播并入射在样本上。在干涉仪中具有两个不同的路径使得系统易受到诸如振动的环境因素的影响，导致检测与成像中的噪声。在干涉仪配置中的SPR技术对于诸如振动和温度波动的环境因素相对更敏感。振动可能使干涉仪中的两个臂之间未对准，这可能导致经由两个不同的路径传播的光缺少相干性，因此影响检测的灵敏度。

因此，期望具有用于样本阵列的检测与成像的改善的系统和方法。

发明内容

在一个实施例中，提供一种用于检测具有可检测样本和至少一个参考样本的样本阵列的系统。该系统包括：电磁辐射源；感测表面，包括多个样本域，其中，所述多个样本域包括至少一个参考域；相位差产生器，配置成导入样本阵列中的一个或更多的样本的路径长度的差异；以及成像光谱仪，配置成对样本阵列中的一个或更多的样本进行成像。

在另一个实施例中，提供用于对样本阵列进行检测与成像的检测与成像系统。该系统包括：宽带光源，配置成照射样本阵列；光学引擎；图像获取单元，配置成获取图像数据；以及信号处理单元，用于处理获取的图像数据。该光学引擎包括：SPR感测表面，具有样本域和至少一个参考域；相位差产生器，配置成导入样本阵列中的一个或更多的样本的路径长度的差异，图像获取单元配置成获取图像数据，信号处理单元用于处理获取的图像数据。

在一个示例中，提供一种用于对阵列中的样本进行成像的方法。该方法包括：提供入射辐射；用入射辐射照射样本阵列中的样本，以生成结果束，其中，样本阵列包括参考样本；导入样本阵列的一个或更多的样本的路径差异；使结果样本束与结果参考束进行干涉，以形成干涉光谱；获取干涉光谱；以及重构一个或更多的样本的光谱特性。

附图说明

当参考附图阅读下面的具体实施方式时，本发明的上述和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中，各图中同样的附图标记代表同样的部分，其中：

图1是用于同时检测样本阵列的示例自参考检测与成像系统的框图；

图2是图1的光学引擎的示例的概要图；

图3是用于同时检测样本阵列的自参考表面等离子体共振（SPR）检测与成像系统的示例的概要图；

图4是配置用于自由溶液（free solution）的SPR的感测表面的示例的剖视图；

图5是配置用于定域的SPR的感测表面的示例的剖视图；

图6是配置用于纳米光栅SPR的感测表面的示例的剖视图；

图7是配置用于反射干涉分光法的感测表面的示例的剖视图；

图8是用于重构对于样本阵列的样本位置的光谱特性的图像的、用于对样本阵列自参考检测与成像的示例方法的流程图；

图9是用于对感测表面上的三个点的吸收系数的高斯分布的仿真结果的示例的图表；

图10是对应于对图11的三个点计算了傅里叶逆变换的图表；以及

图11是对于图10的三个点的检索的SPR的图表。

具体实施方式

提供了用于样本的自参考检测与成像的系统和方法。系统和方法可以配置用于同时检测多个样本。样本可以被设置在一维（1D）或者二维（2D）阵列中。样本可以设置在感测表面上的其各自的样本域中。一个或更多的样本域可以配置成接收参考样本。备选地，一个或更多的样本域可以配置成充当参考样本。在某些实施例中，同时检测可以包括以单次（single shot）或单帧检测样本。系统和方法可以适于样本的高处理量检测与成像。在一个实施例中，可以通过在第一方向（例如x方向）导入样本阵列的光谱分离，并在第二方向（例如y方向）对样本阵列成像，来重构多个样本的光谱特性的图像，其中第二方向不同于第一方向。

在某些实施例中，提供了用于包括可检测样本和至少一个参考样本的样本阵列的自参考检测系统。本申请中，可检测样本和参考样本的组合可以被称为样本。待检测的样本可以被称为可检测样本。在一个示例中，检测可以包括确定可检测样本的光谱特性。参考样本可以配置用于对检测可检测样本的光谱特性提供参考。系统包括电磁辐射源和包括多个样本域的感测表面，其中，多个样本域中的至少一个样本域是参考域。系统还可以包括相位差产生器，配置成导入样本阵列中的一个或更多的样本的路径长度的差异；成像光谱仪，配置成对样本阵列中的一个或更多的样本进行成像。

图1示出用于同时检测样本阵列中的两个或更多样本的自参考检测与成像系统10。系统10包括用于用电磁辐射14辐照样本阵列的电磁辐射源12。电磁辐射源12可以根据待检测的样本的类型，生成可见光或者近红外光。辐射源12的非限制性示例可以包括发光二极管、超辐射发光二极管、宽带光源、或者其组合。宽带光源可以在任何给定时间点的波长的范围发射连续光谱输出。宽带光源可以包含的源诸如但是不限于钨灯、白色光源、氙灯、金属卤化物灯、磷光体源、或者其组合。

来自辐射源12的辐射14可以指向光学引擎16。光学引擎16包括用于将辐射14指向感测表面（未示出）的光学布置。感测表面可以形成光学引擎16的一部分。系统10包括用于参考样本和可检测样本的公共光路。公共光路用作参考和样本路径这两者，可以用于对样本提供参考。入射辐射包括用于照射穿过公共光路的可检测样本和参考样本的小束波（beamlet），以照射样本。用于参考样本的入射小束波和用于可检测样本的入射小束波在相同的方向、即从辐射源12向感测表面的方向传播。来自样本的结果辐射包括来自穿过公共光路以到达检测器的可检测样本和参考样本的结果小束波。用于参考样本的入射小束波和来自可检测样本的入射小束波在相同的方向、即从感测表面向检测器的方向传播。系统10配置成提供样本30的参考，而不需要用于参考样本和可检测样本的分离光路。自参考不需要参考臂。系统10能够提供自参考的该能力将噪声最小化或消除，该噪声在两个不同的光路被用于诸如系统10的干涉仪系统时可能被导入。自参考可以由设置在感测表面上的一个或更多的参考样本提供。

感测表面可以包括用于设置样本的多个样本域。样本域可以包括一个或更多的可检测样本和至少一个参考样本。样本域可以作为1D或者2D阵列设置在感测表面上。样本可以被设置在一些或者所有的样本域中。设置样本的样本域可以选择为确定的几何图案。备选地，可以以不规律的方式选择样本域以设置样本。一个或更多的样本域可以包括参考样本，两个或更多的样本域可以包括可检测样本。可以选择样本域的阵列中的任何样本域来接收参考样本。配置成接收参考样本的样本域可以被称为“参考域”或者“参考样本域”。

在某些实施例中，参考样本可以包括具有确定的或已知的光谱吸收值的材料。已知的光谱吸收值可以包括已知的常数值或者已知的随时间变化的值。在SPR系统的情况下，参考样本的材料可以使得SPR现象落入参考域的表面的可检测范围外。材料可以是由此使SPR现象落入参考域的表面的可检测范围外的高或者低折射率材料。可检测范围是指其中SPR现象可以在系统中实现的折射率的范围。在一个示例中，系统的可检测范围可以在约1.32至约1.41的范围。在这种情况下，低折射率材料可以指包括低于1.32的折射率的材料，高折射率材料可以指包括在1.41以上的折射率的材料。在参考域包括SPR金属膜的示例中，参考域可以包括具有已知的光谱吸收的溶液。在这些实施例中，干涉光谱可以被处理以导致已知的光谱吸收值。

在某些其他实施例中，参考域可以配置成将入射辐射反射。在这些实施例中，参考域可以不包括参考样本，参考域其本身可以被用作参考样本，或者空气可以被用作参考样本。在一个实施例中，可以选择来自多个样本域的一个样本域作为参考域，可以不对样本域提供进一步的修改，可以没有样本设置在该样本域中。在该示例中，具有在系统中存在的空气的样本域可以被用作参考域。

在一个实施例中，参考域配置成充当参考样本，可以包括具有已知的光谱吸收值的材料的一个或更多的层或涂层。用于层或涂层的材料可以是具有系统的可检测范围外的折射率的、高或者低折射率材料。可以以层或者涂层的形式存在于参考域中的材料的非限制性示例可以包括介电氧化物（例如二氧化硅）、硫化锌、多孔硅、金、银、铝、和其他适当的高或者低折射率材料。

在基于全内反射的检测技术、诸如但是不限于SPR的情况下，参考域可以包括带有空气的玻璃、或者带有具有已知的光谱吸收的材料的玻璃。具有已知的光谱吸收的材料可以是高或者低折射率材料。在一个实施例中，材料可以是溶液的形式。参考域可以包括常规参考溶液。在一个实施例中，材料可以是一个或更多的层或者涂层的形式。在该实施例中，当沉积SPR金属膜（例如金膜）时，参考域的位置可能被遮蔽。在入射辐射到感测表面的大约垂直入射的情况下，参考域可以包括多层电介质构造，或者已知的或者具有约零光谱吸收的材料。

在一个实施例中，参考样本可以是非吸收样本。即，参考样本可以包括将入射辐射的主要部分反射的材料。在SPR系统的情况下，参考样本其自身可以展现最小的或者零表面等离子体共振（SPR）现象。

在某些实施例中，配置成接收可检测样本的一个或更多的样本域可以功能化。在这些实施例中，样本域可以用诸如配体分子的功能化材料被固定。

诸如微流体芯片的微流体设备18可以可操作地耦合到感测表面，以向感测表面提供样本。微流体设备18可以配置成向感测表面上的对应的样本域提供样本。在参考样本需要被设置在参考域中的实施例中，微流体芯片可以分别向参考域和样本域提供参考和有效的样本。可以提供微流体控制器20来控制微流体设备18的微流体操作。可选地，样本处理单元21的可以可操作地耦合至微流体斩波18。样本处理单元21可以耦合至微流体设备18的流体端口，用于向/从微流体设备18传输样本，或者用于从微流体设备18带走废流。样本处理单元21可以包括用于存储样本溶液的腔室或试剂池、用于传输样本的流经端口、抽送设备、以及样本流控制器。样本处理单元21可以配置成基于由系统10检测样本，来修改样本的传输。样本处理单元21可以配置成容纳包含液体和气体样本的各种样本。样本处理单元21可以包括对样本准备和处理的预备，诸如但是不限于计量、混合和稀释。样本处理单元21可以包括用于加热或者冷却样本的热敏元件。

在某些实施例中，可以在入射辐射或者结果辐射中导入相位差或者路径长度差。可以使用在共同转让的美国专利申请号12/914,622、名为“Systems and methods for detection and imaging of two-dimensional sample arrays”（“用于二维样本阵列的检测与成像的系统和方法”）中详细说明的相位差产生器来导入相位差。相位差可以通过在激发源与感测表面之间设置相位差产生器，来导入入射辐射中。相位差可以通过在感测表面与检测器之间设置相位差产生器，被导入结果辐射中。相位差可以被导入除了成像方向以外的方向。相位差可以在导入了相位差的方向，被用于样本的光谱分离。相位差可以在第一方向被导入入射辐射14或者结果反射辐射中。作为结果，在第一方向来自样本域的结果反射的束可能被相分离。应该注意的是，结果反射辐射包括从参考样本和有效的样本反射的束。

在1D阵列样本的情况下，相位差可以导入1D阵列样本中的每个样本中。参考样本可以设置在1D阵列的样本域中的一个。在一个示例中，一个或更多的样本域可以合并，合并的样本域可以被用作参考域。

在包括多行和多列的2D阵列样本的情况下，可以有一个或更多的参考样本。在一个示例中，样本的每行可以包括其自身的参考样本。在该示例中，相位差可以被导入行的每个元素中。每行的参考样本可以设置在该特定行中。在一个示例中，参考样本可以相对于行中的其他样本对称地定位。不同行中的参考样本的位置可以相同或者不同。在一个示例中，穿过x方向，每行中的第一样本域可以包括参考样本。在另一个示例中，一个或更多的参考样本可以位于各种行中的不同位置。

可以通过分析由相位有差异的参考束干涉与样本束形成的干涉光谱来检测样本。来自光学引擎16的干涉光谱由图像获取单元22接收。图像获取单元22获取包含光谱域中的干涉的图像数据。图像获取单元22可以包含检测器和光栅的组合。在一个实施例中，光栅每mm包括3600线，然而，还可以选择每mm光栅线的其他值。在一个实施例中，光栅可以以确定的角倾斜，来获得频率的额外空间分离。在一个实施例中，相位差可以在x方向导入，成像可以在y方向执行。

图像获取单元22可以包含额外的光学元件、诸如用于准直或对辐射聚焦的透镜。获取的图像可以使用信号处理单元24处理。图形用户界面（GUI）26可以被用于提供用户界面，以允许用户与检测系统10交互。

信号处理单元24可以包括微处理器、微控制器和数字信号处理器（DSP）。系统10还可以包括用于临时存储至少一个或更多的图像的存储设备（未示出）。存储设备可以包括但是不限于与处理器关联的任何适当的硬盘驱动器存储器、诸如ROM（只读存储器）、RAM（随机存取存储器）或者CPU（中央处理单元）的DRAM（动态随机存取存储器）；或者任何适当的光盘驱动器存储器设备、诸如DVD或者CD；或者zip驱动器或者存储卡。存储设备可以位于远离信号处理单元244或者成像设备，并仍然能经由任何适当的连接设备或者通信网络访问，通信网络包含但是不限于局域网、有线网络、卫星网络和互联网，不管是否是硬连线还是无线。

图2示出光学引擎16内的光学布置的示例。光学引擎16包括光学布置，用于将辐射14的一部分从辐射源12指向样本32的阵列30。阵列30中的一个或更多的样本32可以是参考样本。样本32可以是化学或者生物样本。在一个实施例中，样本32可以是化学或者生物活性的样本。化学或者生物活性的样本32在其分别接触化学或者生物实体时，可以生成确定的响应。在一个示例中，样本32可以具有时间不变光学性质。样本32可以包括光学活性的材料。在一个示例中，样本32可以能够将入射辐射吸收、透射、或者反射。

样本阵列30可以设置在感测表面34上。感测表面34可以包括含有样本32的多个样本域36。阵列30可以是样本32的不同尺寸，诸如但是不限于4×4阵列、6×6阵列、或者8×8阵列。在2D阵列的情况下，阵列30的每行可以包括对应的参考样本。行中的参考样本可以设置在该行的样本域中的一个。例如，行38、40、42和44可以在分别由附图标记46、48、50和52代表的样本位置包括参考样本。尽管示出为2D阵列，但在替代实施例中，样本阵列可以是线状阵列。在1D阵列的情况下，可以选择一个样本域作为参考域。不同样本的位置可以从一个行到另一行变化。例如，穿过x方向，行33的第一样本可以是参考样本，而行35可以具有第二样本作为参考样本等。

在某些实施例中，通过在相同的感测表面34上设置可检测样本和参考样本，提供用于可检测样本和参考样本的公共光路，这可以通过减小测量中的噪声来增强整个检测与成像系统的灵敏度。例如，在相同的感测表面34上设置参考样本和可检测样本，可以去除由振动或者温度波动导致的任何不期望的噪声。

感测表面34可以是光谱改性的表面，可以将入射样本束54的至少一部分反射、吸收、或者透射。可以基于正被使用的特定检测技术来选择感测表面34。检测技术的非限制性示例可以包含表面等离子体共振（SPR），诸如但是不限于定域的SPR（LSPR）、纳米光栅SPR、无标记（label-free）SPR、或者其他技术，诸如但是不限于反射干涉分光法（RIfS）。在LSPR的情况下，感测表面34可以包含透射基板。金属构造可以设置在透射基板上。在RifS的情况下，感测表面34可以包含透射基板。在纳米光栅SPR的情况下，感测表面34可以包括具有设置在透射基板的一侧上的纳米光栅的透射基板。

样本域36可以通过处理感测表面34的对应的部分，形成在感测表面34上。处理可以包括的制造技术诸如但是不限于将感测表面34的至少对应于样本域36的部分蚀刻、构图、或者功能化。在一个实施例中，可以蚀刻感测表面的顶折射率层的部分，以形成用于形成样本域36的沟槽。在SPR检测的情况下，样本域36可以涂有诸如但是不限于金或者银的薄金属膜，当用激发辐射辐照样本域时能够进行SPR。在一个示例中，薄金属膜可以具有约0.001微米至约1微米范围的厚度，提供用于SPR。样本域的体积可以是对于检测化学或者生物制剂足够的体积，低至微升、或者微微升。

在某些实施例中，感测表面34上的样本域36可以用一个或更多的功能剂功能化。功能剂可以包括对关注的化学或者生物制剂敏感并针对关注的化学或者生物制剂的特定抗体、蛋白质、DNA序列、配体分子或氨基酸酸序列的涂层。功能剂可以以层或者涂层的形式存在，还被称为功能化的涂层。通过改变功能剂，该系统和方法可以用于预定制剂的线性检测或者阈值检测。在一个实施例中，检测可以基于样本的至配体的结合位点的竞争性结合。相同或者不同的配体可以设置在样本阵列30的不同的样本域36中。功能剂可以设置在感测表面34的离散区域中。这些离散区域可以对应于样本域36。因此，功能剂可以以离散样本结合区域的阵列的形式存在。不同的样本域36可以包括相同或者不同的功能剂。例如，一个或更多的样本域36可以包括不同于其他样本域的配体分子。在一个实施例中，所有不同的样本域36可以包括不同的配体分子。配体可以包括生物聚合物、抗原、抗体、核酸和激素配体中的一个或更多。在一个示例中，为了测量抗体结合，抗原可以固定在样本域36上，感测表面可以暴露至含有关注的抗体的溶液，结合继续进行。

功能化材料可能由于阵列30中的样本的高浓度、或者由于将感测表面34长时间暴露至样本溶液而饱和。在功能化材料饱和的情况下，需要重新产生对应的样本域36或者感测表面34以继续检测。在一个实施例中，可以重新产生感测表面34来允许检测系统被反复使用，因而减少要求的工作材料，导致成本显著降低。在一个示例中，重新产生感测表面34可以通过适用与之前使用的不同溶液来实现。在一个示例中，感测表面34可以暴露至诸如氢氧化钠的底液中，或者暴露至诸如具有pH2.0的甘氨酸氯化氢缓冲液的酸性溶液中，以重新产生感测表面。重新产生配体大幅降低了传感器部件的成本。在一个实施例中，重新产生配体使得能够检测不同的样本溶液。在该实施例中，在检测样本域中的现有样本溶液之后，并在提供样本域中的下个样本溶液之前，重新产生配体。

在一个实施例中，多个微流体设备的流动池（flow cell，未示出）可以可操作地耦合至感测表面34，以向感测表面34上的一个或更多的样本域36提供样本32。每个流动池可以对应于感测表面34上的一个或更多的样本域36。每个流动池可以包括至少一个流体通道。

在实施例中，当不同的样本域36可以包括不同的配体分子时，不同的样本域36可以对准具有对应的配体分子的对应的流体通道。在实施例中，当参考样本包括分离样本溶液时，微流体设备可以配置成提供参考样本。备选地，参考样本可以分开提供，而不使用多个流动池。例如，每个流体通道可以对准特定样本域28，使得一个或更多的流体通道可以对准参考域。在实施例中，当对应于参考样本的样本域其自身配置成用作参考样本时，微流体设备可以不包括对应于参考域的流体通道。

尽管未示出，但可以提供定义器（definer）组件来定义样本域36的几何形状和数量。另外，样本域36与其中间区域的对比度可以由定义器组件确定。在某些实施例中，定义器组件可以设置在感测表面34的选择的区域中。例如，定义器组件可以设置在围绕样本域36的区域中。具有定义器组件的区域可以不包括样本。在SPR检测与成像的情况下，定义器组件可以被用于创建在SPR传感器表面积（样本域36）中发生的表面等离子体共振外的对比度。配置单独传感器域周围的定义器组件和单独样本域，以便定义器组件的反射率不同于单独样本域的反射率。

简单而言，定义器组件可以是适当材料的经构图的膜。定义器组件可以包含光吸收材料。用于定义器组件的适当的材料可以包含光吸收金属、或者半导体、或者诸如光致抗蚀剂聚合物的聚合物的层。在一个实施例中，感测表面34上的样本域36可以由定义器组件定义。配合感测表面34的定义器组件可以定义感测表面34上的样本域36。例如，定义器组件可以在感测表面34上形成连续提高的构造，由这些提高的构造封闭的面积可以被定义为样本域36。定位并调节样本32的2D阵列30可以通过选择定义器组件的适当构图的膜来完成。创建对比度能使样本域容易地与非样本域面积区分开。除了区分样本域36的面积与非样本域的面积，定义器组件还可以最小化或防止邻近样本域36之间、或者样本域36与感测表面34之间的污染。例如，定义器组件可以在垂直于基板的方向，在样本域上方形成提高部。在水基样本溶液的情况下，期望定义器组件为疏水性或者被疏水化，以便水溶液良好地含在样本域36内，而不存在与邻近样本32交叉污染的可能性。

除了或者代替定义器组件，滤波组件（未示出）可以被用于滤掉或吸收未从样本域36反射的任何光。例如，滤波组件可以阻断从围绕样本域36的面积反射的光（例如通过将光吸收）。阻断不期望的光会减小检测器的负载，并通过减小噪声增强设备的性能。滤波组件可以设置在样本臂中的任何位置。在一个实施例中，滤波组件可以设置得比感测表面34更接近检测器66。在另一个实施例中，滤波组件可以设置在感测表面34上。在一个实施例中，滤波组件可以由与定义器组件相同的材料制成。滤波组件可以具有与定义器组件类似的形状/图案。在一个实施例中，滤波组件和定义器组件可以集成，以形成一个构造。在该实施例中，集成构造可以由光吸收材料制成。

辐射源12提供指向感测表面34上的样本阵列30并与样本32相互作用的样本束40。样本束的尺寸可以足够大到覆盖样本阵列30。备选地，束40可以指向多点光产生器光学系统，以生成两个或更多空间展开的离散点。在一个示例中，空间展开的离散点入射到2D阵列的样本上。在一个示例中，每个空间展开的离散点对应于来自样本32的阵列的样本。

尽管未示出，但光学引擎16还可以包含其他光学元件，诸如透镜、滤波器、准直器等。例如，透镜每个可以设置在参考臂中，样本臂将辐射指向检测器。

通过附图标记60总体标注的结果样本辐射可以是反射辐射或者透射辐射。

在某些实施例中，可以使用相位差产生器62将相位差导入入射辐射14或者结果辐射60。路径长度差可以转为干涉光谱中的相位差。来自各种可检测样本的结果辐射60与来自参考样本的结果辐射干涉，并生成干涉光谱。导入相位差提供了条件，在该条件下，来自参考样本和可检测样本的结果束之间可能发生干涉，使从感测表面34出现的束的强度变化。导入入射辐射14或者结果辐射60中的相位差可以存在于干涉光谱中。在检测器66接收的束的强度可能依赖于可检测样本和参考样本中束的路径长度的差异。

相位差产生器62可以导入入射辐射14中的入射样本小波束与参考小束波之间的相位差。在某些其他实施例中，相位差产生器62可以导入从参考样本与可检测样本反射的结果小束波之间的相位差。在这些实施例中，结果辐射60在到达检测器66之前，可能通过相位差产生器62。在参考样本与可检测样本之间获得的相位差可以被用于相对于与这些样本位置对应的样本的光谱特性，将各种样本位置进行空间分离。在一个示例中，各种样本位置的光谱特性可以使用傅里叶变换来重构。

相位差可以在第一方向导入，成像可以在不同于第一方向的第二方向进行。在不同于导入了相位差的方向进行成像会在第一和第二方向（例如x和y方向）两者对样本32解析。在一个示例中，相位差产生器62可以在x方向导入相位差，成像可以在y方向完成。在该示例中，相位差产生器62便于沿着x方向对样本32解析，检测器对沿着y方向设置的样本32进行解析并空间分离。

除了由相位差产生器62导致的相移外，在样本域36中设置的样本32还可以有助于结果样本辐射中的相移。由样本32生成的相移可以是由相移产生器62生成的相移的小部分。由样本32贡献的小相移分量可以使干涉图案中的对应的条纹位移。条纹的位移对应于在该样本域36的样本32的性质。由样本32导致的结果辐射中的额外的位移可能对于确定样本32的化学或者光学性质是有用的。

对例如2D阵列样本的样本32的位置的成像可以通过使用诸如但是不限于傅里叶变换的信号处理算法，重构样本32的吸收光谱来获得。关于参考样本的位置的信息可以提供给检测器66。包括样本的结果辐射60和参考结果辐射可以由检测器66分开识别。在某些实施例中，样本32可以被单次成像。傅里叶变换可以被用于从获取的光谱确定空间分离的点（样本32），而不移动任何机械部分或者参考束，因而改善成像速度。

结果参考与样本辐射60之间的干涉光谱可以使用成像光谱仪64分析并成像。成像光谱仪64可以包含光谱分离检测器66和光栅68。光谱分离检测器66可以是2D检测器。使用检测器66和光栅68来分离干涉光谱中的光谱频率。检测器66检测从样本32的2D阵列反射的光的光学性质的改变。检测器66可以检测样本中的分析物浓度、或者化学或者生物成分。

成像光谱仪64可以可操作地耦合至测量由检测器66获取的干涉光谱的信号处理单元70。在SPR检测与成像的情况下，可以通过维持入射角恒定，并测量作为波长的函数的SPR效果，来使用共振的波长灵敏度。反射光谱由于SPR效果，在可见光至红外线波长中展现明显最小值。在一个实施例中，当由于在样本-金属膜界面折射率的改变，吸收样本分子到金属表面上时，反射最小值的位置在波长中位移。检测系统可以被用于研究从气相以及从液体溶液在化学改性金属表面上的吸收。尤其是，可以原样用检测系统监控从水溶液吸收生物分子，诸如DNA、蛋白质、抗体和酶。有利地，本发明的检测系统提供波长稳定性和测量的可重复性、快速数据获取率和高信噪输出、以及扩大的光谱范围。

成像光谱仪64可以耦合至可以形成信号处理单元70的一部分的检测电路。在一个示例中，检测电路可以将电流信号转换为电压信号。另外，检测电路可以放大从成像光谱仪64接收的信号。检测电路可以包含的组件诸如但是不限于数据处理器，该数据处理器用于从诸如光谱仪的检测器66接收干涉图案的测量，并用于对其进行分析，其中，分析包括确定干涉光谱的参数。该参数的非限制性示例可以包含频率、相位、和干涉条纹的强度。

检测器66可以是光检测器、光谱仪、或者电荷耦合设备（CCD）、互补金属氧化物半导体（CMOS）、光电二极管（诸如雪崩光电二极管）、固态光电倍增管（PMT）、图像接收器、或者用于在选择的波长范围测量从样本反射的光的照相机。在实施例中，当检测器66是CCD或者照相机时，检测器66可以记录从样本反射光的光谱。对于感测表面34上的每个样本32，在2D光谱仪中有对应的列或者行，以测量感测表面34上的对应样本的干涉光谱。如果成像在感测表面34上在y方向（例如列的方向）完成，那么列中的不同样本被单独识别。然而，对于设置在x方向（例如行方向）的样本32，通过使用相位差产生器62导入相位差，行中的不同样本被分开识别。在使用傅里叶变换的成像之后，样本的2D阵列中的样本32被检测器单独识别。

计算机（未示出）可以被用于处理并显示信号，可以形成信号处理单元70的一部分。计算机可以被用于产生各种定量和定性测量。例如，在定量测量中，横坐标可以代表时间，纵坐标可以代表分析物的浓度的百分比。此外，计算机可以具有光谱库，该光谱库存储关于各种元素或化学化合物的光谱特性的信息。该光谱库可以被用于通过将从未知的样本接收的光谱信息与保留在库中的光谱模式比较来识别未知的样本，并可以通过比较做出对未知物质的识别。

在一个实施例中，图像稳定单元（未示出）可以耦合至光学引擎16，用于通过计数、减小或者消除环境噪声来稳定图像。例如，使空腔温度稳定或者条纹锁定（fringe locking）可以减小或最小化系统性噪声、比如温度噪声或者机械噪声。在另一个实施例中，可以通过对信号进行时间积分或者平均来改善SNR。SNR还可以通过将感测表面温度稳定来改善。

检测与成像系统可以被用于不同检测技术，以对于1D或者2D阵列的样本获得单次/同时检测。可以根据不同应用将感测表面改性。另外，可以基于应用改变其他布置、诸如照相机与检测器的相对位置。

在某些实施例中，SPR成像系统被提供用来同时检测与成像两个或更多的样本。例如，SPR成像系统可以被用于检测一个或更多的分析物、诸如生物分子的浓度，或者分析物溶液中一个或更多的分析物的结合率和/或解离率。在某些实施例中，样本阵列可以被提供用来同时检测溶液中两个或更多不同分析物的浓度、或者来自两个或更多不同分析物溶液的单个分析物的浓度。多分析物格式还可以被用于检测溶液中分析物的反应速率。在一个实施例中，SPR成像系统包括宽带光源。在该实施例中，不同波长的SPR曲线可以对于样本阵列以单次成像测量。

图3示出用于对样本阵列（例如样本的2D阵列）SPR检测与成像的SPR成像系统80的示例。系统80包括用于发射宽带辐射的宽带光源82。辐射源82使用光纤86光学耦合至准直器84。来自准直器84的准直的辐射或者样本辐射93使用反射镜88指向SPR感测表面90。在一个实施例中，SPR感测表面90可以由涂有一个或更多的薄金属膜的棱镜91制成。感测表面90可以包括样本域的阵列。样本域的阵列可以被用于设置包含一个或更多的参考样本的多个样本。在棱镜91中经历内部反射的入射辐射93被薄金属膜反射，并反射到感测表面90上的样本域外。薄膜可以包括金属，诸如但是不限于金、银或者铜。棱镜91可以由玻璃制成，不过还可以使用对于将入射束93内部反射并透射结果反射的SPR束95具有适当的光学性质的各种其他材料。

在一个实施例中，定义器组件和SPR现象所需的金属的材料可以选择性设置在或者构图在感测表面90上。即，配置成接收样本的感测表面90的某些部分可以包含金，而其他部分可以不包含金，但是可以包含定义器组件的材料。

在一个实施例中，可以使用相位差产生器92在入射辐射93中感应出相位差。来自各种样本的结果辐射95与来自参考样本的结果辐射干涉，生成干涉光谱94。干涉光谱94被成像光谱仪96获取。光谱仪96包括检测器98、光栅100和诸如柱面透镜102的一个或更多的光学元件。干涉束94通过柱面透镜102，由单色仪124接收。在示出的实施例中，单色仪106包括柱面镜108和光栅100。从单色仪106反射的光被检测器98接收。

干涉束94通过可以将干涉光谱分离并衍射为不同波长的光的光栅100。不同波长的光然后入射到检测器98上。

SPR成像系统80可以包含其中具有出束口的大体封闭的外壳，以将束对准成像光谱仪96。宽带光源可以设置在外壳内，检测器可以设置在外壳外。

如图4所示，SPR中的感测表面112可以配置用于自由溶液（无标记）SPR。样本域114可以是封闭体积（例如通道、空腔），该封闭体积包括一个或更多的功能化制剂，诸如但是不限于配体分子。样本域114中的一个可以配置成接收样本溶液，或者充当参考样本。

如图5所示，SPR中的感测表面120可以配置用于定域的SPR（LSPR）。样本域122可以包括至少设置在样本域的一部分的导电构造124。样本域122中的一个可以配置成接收样本溶液，或者充当参考样本。备选地，能够存在以实现SPR现象的诸如但是不限于金或者银的薄金属膜可以被构图/组织化，以形成导电构造。在一个实施例中，可以使用经构图的膜。

LSPR的共振条件可依赖于导电构造124周围的折射率和介电常数。入射辐射与导电构造124的表面上的定域的等离子体相互作用。可以通过测量结果投影至样本域并经由样本域的导电构造传输的干涉光谱的改变，来检测共振条件的改变。在一个示例中，生物反应可使导电构造124的介电常数改变，可以利用该改变用于检测。在另一个示例中，可以使用LSPR检测围绕导电构造发生的抗原-抗体反应。在另一个实施例中，可以在薄金属膜上设置隔离的颗粒。导电构造的非限制性示例可以包含银颗粒。颗粒可以是纳米粒子或微米粒子。

图6示出包括透射基板132（诸如玻璃基板）的纳米光栅SPR布置。布置包括设置在透射基板132上的光栅构造136。光栅构造136可以以构图膜的形式存在。样本溶液可以设置在存在于由基板132和光栅构造136形成的感测表面的样本域138中，以产生SPR现象。样本域138中的一个可以配置成接收样本溶液，或者充当参考样本。检测膜134的非限制性示例可以包括金膜、银膜、铜膜、或者其组合。在一个示例中，光栅构造可以包括设置在银膜的金膜。光栅构造136可以包含但是不限于金、银、铜、或者其组合。光栅构造136可以是周期性金属光栅构造。在一个实施例中，光栅构造136在光栅之间可以包括50至500nm的间距。光栅构造136可以使用如下制造技术制造，该制造技术诸如但是不限于纳米压印技术、电子束光刻、紫外光刻、干涉光刻、或者配置成实现纳米度量构造的其他纳米技术。

对于表面等离子体共振的波长的位移可以被用于检测生化分子，并由此实现低成本、小型和便携平面SPR检测器。有利地，纳米光栅SPR可以便于实现低成本、小型和便携平面表面等离子体共振检测器。

尽管主要参考了SPR技术讨论了方法和系统，但在一个实施例中，该技术可以适用于反射干涉分光法（RIfS）来分析样本的2D阵列。在该实施例中，相位差产生器可以设置在结果样本束或者参考束的束路径中，这是基于在薄膜的宽带光的干涉的物理方法，其可以被用于调查分子相互作用。RIfS与SPR同样，是无标记技术，其允许对结合伙伴之间的相互作用进行时间分辨观察，而不使用荧光或者放射性的标记。

图7示出当自参考系统采用RIfS设备150的示例。设备150包括具有样本域155的感测表面154。感测表面154可以包括设置在透射基板158的多层构造156。在一个示例中，多层构造156包括多个层。多个层的各种层可以包括二氧化硅层、高折射率层（诸如但是不限于氧化钽层）。入射到样本上的束可以在多层构造156的两个相邻的层之间形成的相界至少部分反射并透射。从各种样本反射的束可以叠加，导致干涉光谱。一个或更多的样本可以配置成充当参考样本。在一个实施例中，多层构造156的一个或更多的层可以使用功能剂160功能化，以便于该层的一部分与目标分子相互作用。功能化的层与目标分子的相互作用可能对功能化的层的厚度和折射率提供改变。光学厚度是物理厚度和折射率的积，光学厚度（路径长度）可以通过改变该层的物理厚度和折射率来改变。多个层中的一个或更多的层的光学厚度的改变可能导致干涉光谱的调制。监控干涉光谱随着时间的调制可以被用于观察目标分子的结合行为。

在图3-7中示出的布置可以被用于图1和2的光学引擎16，以提供自参考检测与成像系统。在这些实施例中，感测表面上的一个或更多的样本可以是参考样本。相位差可以在第一方向导入，该第一方向不同于在第一方向将样本光谱分离的成像方向。

图8示出用于同时自参考检测样本阵列的方法的示例。该方法可以用于对样本阵列中的样本重构光谱特性的图像。在步骤170中，用入射辐射照射样本阵列中的样本。入射辐射可以由单个源、诸如宽带光源提供。来自样本的结果样本束可以是反射或者透射束。在步骤172中，可以在第一方向导入样本阵列中的路径差异。可以在参考束与样本束之间的束路径导入路径差异。路径差异可以在垂直于光谱仪的光栅的刻划方向的方向导入。假定穿过行中的样本的方向是第一方向，该第一方向也是垂直于光栅的刻划方向的方向。可以设置相位差产生器，使得相位差产生器的部分具有平行于第一方向的不同路径。通过这样，设置在特定行中的样本将具有在其对应的入射束或者结果反射的束中感应的路径长度差。可以通过样本束与参考束的干涉来形成干涉光谱。在步骤174中，可以获取干涉光谱。干涉光谱可以由检测器接收。通过在由检测器接收光谱前经由光栅传递干涉光谱，可以在干涉光谱中生成光谱差异。在一个示例中，可以使用2D检测器来光谱解析特定列的样本。步骤176-186说明用于从获取的干涉光谱重构样本的光谱特性的方法步骤。在步骤176中，可以使用信号处理算法来重构阵列的图像。在一个示例中，可以使用接收的干涉光谱的傅里叶逆变换来重构阵列的图像。可以计算傅里叶逆变换来重构样本位置（如附图标记178所示）。有利地，使用感应的路径长度差，在重构的图像中阵列中的不同样本是可分开识别的。

在步骤180中，可以在重构的图像上执行滤波，以分离单独样本位置。单独样本位置可以根据由单独样本使用的频率而滤波。在一个实施例中，如附图标记182所示的窗口技术可以被用于分离单独样本点。在另一个实施例中，可以使用时频分析来分析数据，以确定不同样本点的光谱和/或内容。在步骤184中，可以检索每个样本的吸收光谱。在一个实施例中，可以适用傅里叶变换来检索对应于样本的不同空间位置的频率。在步骤186中，频率可以转换为波长，以确定吸收（例如SPR下陷（SPR dip））、或者透射的量。

图9-11示出对于感测表面上的三个点的图像重构的仿真结果。假定在第一点和第二点的样本分别在675nm和705nm具有SPR现象。进一步假定第三点是在715nm具有SPR的缓冲。第一点与第二点的距离为0.0678mm，第一点与第三点的距离为0.135mm。图9示出对于三个点的吸收系数的高斯分布，曲线194代表对于第一点的高斯分布，曲线196代表对于第二点的高斯分布，曲线198代表对于作为缓冲的第三点的高斯分布。三个曲线示出在SPR波长下的下陷。即，对于第一点（曲线194），SPR下陷在675nm；对于第二点（曲线196），SPR下陷在705nm；对于第三点（曲线198），SPR下陷在715nm。使用数值的仿真和信号处理方法，确定在样本或点之间的检索的空间距离。

图10示出分别对应于第一、第二和第三点的曲线200、202和204。三个虚线矩形206、208和210代表计算了傅里叶逆变换的SPR曲线194、196和198（参见图8）中的区域。通过计算傅里叶逆变换，检索对于三个点的空间位置。在一个实施例中，可以执行窗口技术来分离空间位置。

图11示出对于三个点的检索的SPR。一旦三个点被隔离（如图8所示），执行傅里叶变换来检索对应于三个空间位置的频率。这些频率接下来被转换为波长，用以确定SPR下陷。在示出的实施例中，示出分别对应于感测表面上的第一、第二和第三点的检索的SPR曲线212、214和216，与原始的SPR曲线194、196和198比较。在处理中，可以完成数据的重新采样，以移除数据中的非线性。

该系统和方法可以被用于各种应用，例如分子生物学和医疗诊断中，其中需要确定生物活性分子的至其对应的结合伙伴特定结合，例如DNA、蛋白质。基于特定分子结合事件的电检测，亲和传感器可以被用于监控例如最多样的样本中的分子、病毒、细菌和细胞，诸如临床样本、食物样本和诸如植物的环境样本，由此该监控以时间效率的方式执行。系统和方法可以被用于的领域有分子检测和生物分子的浓度分析、生化反应的动能和平衡分析、发酵处理的控制、配体细胞相互作用的评价、临床分析、和细胞降级。在亲和性和动能两个方面，系统和方法可以被用于确定活性浓度、筛查、和表征。不像荧光和光学发光方法，在SPR中不需要染料标记的样本，也不需要抗体来测试蛋白质。

本文公开的系统和方法不要求重复用于多个样本的每个样本的方法步骤，配置成同时检测（与成像）样本阵列中的多个样本。方法不要求用于同时检测多个样本的系统的部分的机械运动。没有机械运动便于延长仪器的寿命，并给系统提供对机械振动的相对免疫，该机械振动由移动仪器或者仪器部件导致。此外，自参考便于对于样本和参考使用公共路径，而不是对于样本和参考的两个分离路径。自参考样本使用设置在感测表面上的一个或更多的样本，使得系统不容易振动，该振动可能还影响采用分离的样本和参考路径的系统。在干涉仪中具有1个路径而不是两个提供了不太复杂且更耐用的系统设计，并将束未对准最小化。

用于样本阵列的大量的SPR曲线可以在单次成像。对2D SPR的傅里叶变换方法提供了增强的信噪输出、可重复性和空间分辨率。同时处理单个帧中的多个样本（多个点）允许更高的帧率，因而改善了信噪比。有利地，监控或者检测可以实时执行。说明并要求的方法可以被用于分析任何结合反应，包含但是不限于涉及生物分子的结合反应。对于抗体结合亲和性测量而言，抗原典型地被固定在感测表面上。感测表面暴露至含有关注的抗体的溶液，结合继续进行。一旦发生了结合，感测表面被暴露至（例如最初没有游离抗体的）缓冲溶液，并连续实时监控解离率。

虽然已示出并说明了本发明的仅仅某些特征，但本领域的技术人员可以想到很多变化和改变。因此，要理解的是添附的权利要求旨在覆盖落入本发明范围的所有该变化和改变。

Claims (10)

1.一种用于检测具有可检测样本和至少一个参考样本的样本阵列的系统，包括：

电磁辐射源；

感测表面，包括多个样本域，其中，所述多个样本域包括至少一个参考域；

相位差产生器，配置成导入所述样本阵列中的一个或更多的样本的路径长度的差异；以及

成像光谱仪，配置成对所述样本阵列中的一个或更多的样本进行成像。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述参考域包括所述参考样本。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述参考样本包括确定的光谱吸收。

4.如权利要求2所述的系统，其中，所述参考样本包括具有高于或者低于可检测范围的折射率的材料。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述参考域包括一个或更多的层或者金属的涂层或者电介质材料。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述检测系统包括用于所述可检测样本和参考样本的公共光路。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述感测表面包括多个参考域。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述样本阵列包括一个或更多的行和列，所述样本阵列的每行或每列包括对应的参考样本。

9.一种用于对样本阵列进行检测与成像的系统，包括：

宽带光源，配置成照射所述样本阵列；

光学引擎，包括：

       表面等离子体共振（SPR）感测表面，具有样本域和至少一个参考域；

       相位差产生器，配置成导入所述样本阵列中的一个或更多的样本的路径长度的差异；

图像获取单元，配置成获取图像数据；以及

信号处理单元，配置成处理所获取的图像数据。

10.一种用于对阵列中的样本进行成像的方法，包括：

提供入射辐射；

用所述入射辐射照射所述样本阵列中的样本，以生成结果束，其中，所述样本阵列包括参考样本；

导入所述样本阵列的一个或更多的样本中的路径差异；

使结果样本束与结果参考束进行干涉，以形成干涉光谱；

获取所述干涉光谱；以及

重构所述一个或更多的样本的光谱特性。

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