CN108449968A

CN108449968A - 手持野外便携式表面等离子体共振装置及其在化学和生物试剂的检测中的应用

Info

Publication number: CN108449968A
Application number: CN201680047083.7A
Authority: CN
Inventors: A·P·卡波; D·萨卡尔
Original assignee: A·P·卡波
Current assignee: Lacrey Science Co., Ltd.
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2036-06-10
Also published as: EP3308145A1; JP2018517154A; JP2021043209A; AU2016274855B2; EP3308145A4; EP3308145B1; US20180313754A1; JP7102485B2; ES2923051T3; KR102564947B1; US10859493B2; AU2016274855A1; WO2016201189A1; CA2989135A1; JP6790082B2; KR20180008895A; CN108449968B

Abstract

SPR检测装置具有光学系统，光学系统具有包括平面金属层的传感器构件，传感器构件可移除地安装到壳体。第一光学器件使入射光束以相对于传感器层的法线的预定范围的角指向金属层的后侧。第二光学器件将相应于入射光束的至少一个反射光束从金属层引导到换能器。换能器将进入的电磁辐射转换成电信号用于传输到信号处理器，其设置在壳体中并操作地连接到至少一个光电换能器，以便检测表面等离子体共振角。第一光学器件配置成使得至少一个入射光束跨越至少大约20°。

Description

手持野外便携式表面等离子体共振装置及其在化学和生物试剂的检测中的应用

技术领域

提供了利用表面等离子体共振的系统、方法和设备/装置，该表面等离子体共振用于测量非常小的溶质浓度。具体而言，提供了采取能够在实验室环境之外且特别是恶劣环境中方便地进行精确测量的便携式分析仪器的形式的系统以及特别是装置。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)系统是公知的，并且通常在实验室环境中用作台式分析系统。当入射光以特定角度射到表面上时，在金属的薄膜层中产生的表面等离子体振荡的现象出现。简单的检测系统可以检测表面等离子体的振荡或共振频率的变化，振荡或共振频率根据金属表面周围的环境而改变。这导致对例如与金属表面接触的溶液的浓度的微小变化的检测。仪器的核心本质上是光学的，采用光源、光学器件(透镜、棱镜)和光学检测器。

常见SPR系统采用Kretschmann配置，其中光被注入到一般采用半圆柱形棱镜(沿着轴切成两半的具有磨光的曲面和磨光的平面或平坦表面的圆柱体)的形状的玻璃基板中，使得入射光束以大于引起全内反射(TIR)的界面的临界角的角度射到棱镜的平坦表面上。50nm厚的金属(一般为金)的薄膜沉积在半圆柱形棱镜的平坦表面上。在特定的入射角(大于临界角)下，由TIR产生的消逝波穿透金层并与金属中的表面等离子体模耦合，从而将它们设置成振荡。表面等离子体(SP)是在金属表面上的自由电子的纵向振荡。通过检测入射角来探测这些表面等离子体模的频率是表面等离子体共振(SPR)光谱法的基础，这些表面等离子体模在该入射角下被发出。重要地注意到，光束在与玻璃介质的界面处射到金属膜上；这被称为下侧。然而，SP在金属层或膜的另一侧处被发出，该另一侧于是顶侧。SP在本质上也是逐渐消逝的，这意味着在顶侧的短距离内的、一般入射光束的波长的数量级的任何变化影响等离子体频率。为了使SPR用作生物或化学传感器，配体粘附到顶侧。当分析物粘合到这些配体时，在紧靠顶侧的这个金属(例如金)层中的变化被影响，导致SPR频率的变化。通过询问来自金层的下侧的这些变化，可以感测特定的目标分子。金属层的顶侧因此也是感测表面。

SPR系统常规地用在例如生物、化学和材料科学中。设备内在地是敏感的，并且当与配体/分析物化学物耦合时变得非常强大。在这种情况下，开发与感兴趣的分析物粘合的配体。配体继而以化学方式附接到金属表面，且正是分析物和配体的交互作用引起表面等离子体的共振频率的变化。这使系统变成特定的，即配体只与分析物起反应，并且其它组分对信号变化没有贡献。化学实验室例如将采用SPR系统作为一套其它仪器的部分，每个仪器倾向于彼此补充特定类型的测量，同时提供重叠的数据。与SPR协力地使用的其它类型的仪器和技术的示例将包括例如荧光光谱法、高效液相层析法(HPLC)、红外(IR)光谱法、X射线光电子光谱法(XPS)。尽管这些系统有时可以进行SPR不能进行的测量，SPR在它的内在敏感性方面是独特的且具有适当的配体开发特异性。开发特别粘合到感兴趣的分析物的配体使SPR成为用于非常小的浓度的特定检测的强大的平台。

进行了开发较小的设备的尝试(见例如美国专利No.7,148,968、US20100284012、CN102692397B)。然而，仍然需要真正便携式野外系统，其中设备和测试过程都不需要专门的设施或培训人员，并且其中这样的设备是自校准的。

发明内容

提供了SPR系统和装置/设备，其自包含有其自身的电源、是自校准的、具有内部处理器、并且可以无线地链接到智能电话或附近计算机以用于报告结果或额外的分析。另外提供了用于测量化学和生物试剂的方法，该化学和生物试剂是非常小的浓度(如果必要(例如纳摩尔))并且具有新配体/分析物化学性质。可以用多种方式使用便携式SPR系统，并且在这里给出的示例决不将其效用限制为这些，但仅仅区分几个可能的设备和传感器配置及操作方式。在战场中，士兵可能需要在专家到达现场之前知道可疑的封装是否包含TNT(2,4,6-三硝基甲苯)。对于野外便携式SPR系统，士兵可以从包含SPR系统的背包中移除一副纸牌的尺寸的小袋，撕开用TNT配体配备的封装传感器(例如被真空封装以抵抗污染)，将传感器插到小型设备中的狭槽内，并且暴露在所讨论的封装附近的传感器表面。设备将用“是”或“否”答案对TNT的存在或以更综合的形式对TNT的相对浓度做出反应。

在测试实验室、食品科学或制造地点或需要在长时间段期间的监控的任何其它设施中，一些组分(例如果糖)的浓度将需要在整个12小时时间段内在每小时基础上进行报告。在这种情况下，传感器将直列地插入材料(例如液体)流内。事实上，传感器可以在不同的制造点处放置在多个位置。

提供了可以采取探针的形式的小型SPR设备，其中探针的端部与传感器接口接口连接。为了节约，一个探针可从多个传感器接收数据。工人每隔一定时间可以将探针连接到传感器，接收关于例如在那个时刻粘合到传感器表面的果糖的数量的数据，将传感器从手持探针断开从而留下传感器在与材料流同一条线上的位置上，并且移动到下一传感器以用于数据读出。数据的这个集合可以被发送(利用无线连接性)到主机记录保持计算机。

在特定的实施例中，如果SPR系统采取可浸入到溶液的烧杯内的手持探针的形式，则其可以在环境现场测试中用于测试液体，例如地下水。附接到SPR传感器表面的配体可以用于检测来自以非常小的浓度的重金属、砷或其它污染物的地下水污染。

具体而言，提供了用于检测装置的光学系统，其部分地可操作来确定化学物质浓度并采用表面等离子体共振。装置具有壳体，其可以是手持的，系统设置在壳体中或上。光学系统包括传感器构件，其包括平面金属层，传感器构件可移除地安装到壳体；第一光学元件，其设置在壳体中并被配置为使至少一个入射光束以相对于层的法线的预定范围的角度指向金属层的后侧；设置在壳体中的至少一个光电换能器；以及第二光学元件，其设置在壳体中并被配置为将对应于至少一个入射光束的至少一个反射光束从金属层引导到至少一个光电换能器。在特定的实施例中，入射光束可以包括多个波长。至少一个光电换能器将进入的电磁辐射转换成电信号以用于传输到信号处理器，其设置在壳体中并操作地连接到至少一个光电换能器，以便检测表面等离子体共振角。第一光学元件被配置为使得至少一个入射光束跨越至少大约20°。在特定的实施例中，光电换能器包括但不限于一个或替代地两个或更多个光电换能器设备，其在壳体中彼此间隔开。至少一个反射光束包括具有彼此间隔开的相应反射角范围的一对反射光束部分，而第二光学元件被配置为使反射光束部分中的第一个指向光电设备之一并且使反射光束部分中的第二个指向光电设备中的另一个。多路复用器可以设置在光电设备的下游。在另一实施例中，第一光学元件包括棱镜，并且金属层设置在棱镜的表面上，棱镜包括以相对于彼此的第一角定向的两个第一表面，并且第一表面均以相对于金属层的相应第二角定向。在两个第一表面位于金属层的输入或上游侧上的情况下，棱镜还包括位于金属层的输出或下游侧上并以相对于彼此的第一角定向的两个第二表面，第二表面均以相对于金属层的第二角中的相应角定向。第一光学元件可以包括但不限于两个或更多个激光束源，均被配置为使相应的入射光束经由第一表面中的相应表面指向传感器表面，至少一个光电换能器包括至少一个光电换能器设备。在另一实施例中，第二光学元件包括但不限于光束组合器，光电换能器构成至少一个电光换能器设备(例如连续光电换能器元件的单个平面阵列)。在又一实施例中，第一光学元件包括设置在相应的光束路径中并产生会聚到金属层上的相应焦线的相应光束的多个微透镜。第二光学元件伴随地包括设置在相应的光束路径中的相似的多个微透镜，以便使从相应的焦线发散的相应光束准直。

在另一实施例中，如在下面更详细地阐述的，第一光学元件包括扫描仪，其可以采用例如数字微镜设备。系统还可以包括一个或多个非SPR检测系统。所述非SPR检测系统可以采用例如荧光光谱法、红外光谱法、紫外-可见光谱法、阻抗光谱法、反射光谱法或循环伏安法。

系统还可以包括具有设置有金属传感器表面的传感器部分的表面等离子体共振检测设备的盖，其中盖包括适合于在与其不透液体地接触的传感器部分上插入的主体构件。主体构件包括至少一个毛细管回路，其包括微流控入口孔、与入口孔连通并能够与金属表面并列地设置的微流控室以及与室连通的微流控排水或排气通道。还提供了用于调制盖的微流控孔的长度的方法，其中微流控孔是毛细管孔，其中所述方法包括改变所述毛细管孔的表面特性。在特定的实施例中，通过用一个或多个表面活性剂涂覆所述毛细管孔的内壁或施加外部刺激(包括但不限于电压、电磁辐射和声波)来修改所述毛细管孔的表面特性。

盖的主体构件可以适合于耦合到传感器部分，使得入口孔和排水或排气通道与周围环境连通。在毛细管回路是第一毛细管回路的情况下，盖的主体构件可以用第二毛细管回路形成，第二毛细管回路包括入口通道、与入口通道连通并能够与金属表面并列地设置的额外的微流控室以及与额外的微流控室连通的额外的排水或排气通道。盖继而还包括设置在与额外的微流控室相对的入口通道的上游端处的微流控储器，储器包含具有预定的SPR特性的参考溶液。储器可以设置有用于实现将参考溶液从储器转移到入口通道和额外的微流控室的激活元件、触发、释放、易碎构件等。

还提供了上面阐述的所述盖。所述盖还可以进一步提供如上面所提到的一个或多个非SPR检测系统，其可以包括但不限于用于荧光光谱法、红外光谱法、紫外-可见光谱法、反射光谱法的系统和/或用于检测电化学特性的、可以采用循环伏安法和/或阻抗光谱法的系统。

还提供了用于检测测试流体中的目标生物或化学组分的存在和/或数量的方法，其包括在足以检测到所述目标生物或化学组分的存在和/或数量的条件下将参考流体和所述测试流体应用于上面阐述的系统。

具体而言，提供了检测方法，其包括：(a)提供具有壳体的表面等离子体共振设备，(b)将可替换模块化传感器部分附接到壳体，其中传感器部分包括第一平面金属层，(c)设置与所述第一金属层接触的参考流体；(d)其后操作设备以确定参考流体的第一表面等离子体参考角，(e)设置与所述第一金属层接触的测试流体；(d)其后操作设备以确定测试流体的第二表面等离子体参考角，(g)操作信号处理器以由第一表面等离子体参考角和第二表面等离子体参考角确定测试流体中的目标生物或化学组分的存在，(h)从壳体移除传感器部分，以及(i)将不同的模块化传感器部分附接到壳体，其中不同的模块化传感器部分包括第二平面金属层。参考流体可以是空气。信号处理器的操作可以包括操作信号处理器，以便确定目标生物或化学组分的浓度。

在参考流体是液体的情况下，该方法还包括将替换模块化盖附接到位于可替换模块化传感器部分之上的壳体，使得盖与可替换模块化传感器部分不透流体地接触。在操作设备以确定第一表面等离子体参考角之前，参考流体从盖中的储器流动或引导到第一金属层。与第一金属层接触的测试流体的设置包括将测试流体通过盖中的毛细管或微流控通道抽取到第一金属层。

该方法还包括提供非等离子体共振模块或更特别是设备，以及确定在所述测试流体中的目标生物或化学组分的存在和可选地浓度并利用所述非SPR模块比较使用SPR得到的结果。更特别地，提供了用于操作设备(具体而言是SPR检测设备)的方法，该操作设备用于测量用于检测流体组分的存在的SPR信号。该设备包括壳体和设置在壳体中的包括电磁辐射源的第一光学元件，并且还包括设置在壳体中并包括至少一个光电换能器的第二光学元件。设备还包括设置在壳体中并操作地连接到至少一个光电换能器的信号处理器。该方法包括：(i)将传感器部分附接到壳体，其中传感器部分包括平面金属层，(ii)设置与金属层接触的参考流体；(iii)其后操作第一光学元件以使至少一个入射光束以相对于该层的法线的预定范围的角度指向金属层的后侧，(iv)操作包括至少一个光电换能器的第二光学元件以根据参考流体的反射角来检测反射强度，(v)产生对参考流体的反射强度编码的第一电信号，(vi)操作信号处理器以由第一电信号检测参考流体的第一表面等离子体共振角，(vii)存储第一共振角，(viii)设置与金属层接触的测试流体，(ix)其后操作第一光学元件以使至少一个入射光束以相对于该层的法线的预定范围的角度指向金属层的后侧，(x)操作包括至少一个光电换能器的第二光学元件以根据测试流体的反射角来检测反射强度，(xi)产生对测试流体的反射强度编码的第二电信号，(xii)操作信号处理器以从第二电信号检测测试流体的第二表面等离子体共振角，以及(xiii)进一步操作信号处理器以由第一表面等离子体共振角和第二表面等离子体共振角确定测试流体中的目标生物或化学组分的存在。至少一个入射光束跨越至少大约20°。设备此外可以是SPR设备，也可以是用于进行非SPR测量或替代地产生非SPR数据(例如荧光、IR、UV/可见光、电化学特性)的设备。在有关方面中，该方法还可以包括使至少一个入射光束指向所述金属层的前侧以产生非SPR信号或能量刺激源。在特定实施例中，能量刺激源可以是电信号、微波和超声波。

附图说明

图1是用于表面等离子体共振(SPR)检测的一般或已知的光学系统的示意图。

图2A是根据本发明的所公开的SPR设备的方框图。

图2B是所述SPR设备的三维描绘。

图3是示出不同的SPR吸收线如何占据光学检测器上的图像中的不同位置的图。

图4A是测量一滴水溶液的SPR反应的光学系统的图。

图4B示出了在由图4A的系统产生的图像中的SPR吸收线的相对位置。

图5A是测量空气的SPR反应的光学系统的图。

图5B示出了在由图5A的系统产生的图像中的SPR吸收线的相对位置。

图6A是用于得到空气和液体(例如水)的SPR信号的光学系统的图。

图6B示出了在由图4A的系统产生的图像中的两个SPR吸收线的相对位置。

图7A是用于得到空气和液体(例如水)的SPR信号的另一光学系统的图。

图7B示出了在由图4A的系统产生的图像中的两个SPR吸收线的相对位置。

图8是在传感器棱镜406的极大放大的标度上的图，其示出了SPR信号线(入口)和用于得到空气和液体(例如水)的SPR信号的相关光束路径。

图9A是用于得到空气和液体(例如水)的SPR信号的又一光学系统的图。

图9B示出了三个图像场，每个图像场描绘在由图9A的系统产生的图像中的两个SPR吸收线的相对位置。

图10是具有微流控盖的SPR设备的示意性截面视图。

图11是具有根据本发明的另一微流控盖的SPR设备的示意性截面视图。

图12是组合设备的示意图。

图13是并入SPR和荧光检测系统的盖的示意图。

具体实施方式

现在将通过示例的方式参考附图中所示的实施例来更详细地描述系统。应记住，下面描述的实施例仅通过示例的方式呈现并且不应被解释为将创造性概念限制为任何特定的物理配置。

在提供一定范围的值的情况下，应理解，在该范围的上限和下限之间的每个居中值(除非上下文另外清楚地规定，否则为下限的单位的十分之一)和在那个规定范围中的任何其它规定或居中值被包括在本发明内。可以独立地包括在较小范围内的这些较小范围的上限和下限也被包含在本发明内，受到在规定范围内的任何特别排除的限制。在规定范围包括限制中的一个或两个的情况下，不包括那两个被包括的限制的范围也被包括在本发明内。

除非另有规定，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与通常由本发明所属的领域中的普通技术人员理解的相同的含义。尽管类似或等效于本文所述的那些方法和材料的任何方法和材料也可以在本发明的实践或测试中使用，现在描述优选的方法和材料。

在本公开内容中引用的所有公布物和专利通过引用被全部并入本文。在本文中没有什么应被解释为承认本发明由于在先发明而没有资格先于这样的公开。在通过引用并入的材料矛盾或与本说明书不一致的程度上，说明书将取代任何这样的材料。

必须注意，如在本文中和在所附权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”以及“所述”包括复数参考，除非上下文另外清楚地规定。

除非另有指示，否则在一系列元件前面的术语“至少”应被理解为指代该系列中的每个元件。本领域中的技术人员只不过使用常规实验就将认识到或能够确定本文所述的发明的特定实施例的很多等效形式。这样的等效形式被规定为由本发明包含。通过这个说明书和所附权利要求，除非上下文另外要求，否则词语“包括(comprise)”和变型例如“包括(comprises)”以及“包括(comprising)”将被理解为暗示包括了规定的整数或步骤或一组整数或步骤，但不排除任何其它整数或步骤或者整数或步骤的组。因此，术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“包含”、“具有”等应扩展地或开放地且没有限制地被领会。术语“金属的薄层膜”、“金属薄膜”、“金属层”、“含金属的层”可互换地被使用。

图1、4A和5A描绘了包括输入光学器件10的SPR系统，输入光学器件10产生会聚入射光束12并将光束引导到金属16的薄膜的后表面14或下侧，金属16设置在具有折射率R1的光学基板17(例如玻璃)上，以用于对感兴趣的分析物(离子、分子、病毒颗粒等)的存在的定性检测和可选地浓度的定量检测。与金属薄膜接触并被限定为金属薄膜的顶侧的介质具有折射率R2。会聚反射光束18由输出光学器件20采集并聚焦到光电换能器22、一般是具有像素化光学元件的平面或2D阵列的电荷耦合设备上。如在上面提到的和如下面更详细阐述的，图1描绘了一般SPR系统，图4A是测量一滴水溶液的SPR反应的光学系统的图，并且图5A是测量空气的SPR反应的光学系统的图。

野外便携性

Cappo等人的美国专利7,395,103描述了用作用于测量泪液膜中的组分的探针的便携式手持SPR设备。其它专利描述了小型SPR系统，其简单地基于它们的尺寸而适用于便携性，即使它们并不有意地打算这么做。

本文提供了并入且超过实验室仪器的特征的小型手持SPR系统。需要实验室形式的改进形式，因为在野外中的敏感分析仪器(例如SPR)的使用需要特殊的注意以确保在不太理想的条件下的准确测量。

在图2A中示出了本小型系统的方框图，并且在图2B中示出了三维描绘。“前端”或传感器部分110附接到单元的壳体112并与测试溶液或流体进行接触，并提供了将溶液输送到传感器表面114的手段。传感器部分110包含传感器表面114，一般是沉积在铬或其它衬垫材料的薄层(～2nm)之上的玻璃上的金真空的50nm层，所以金粘附得很好。“玻璃”可以是具有反射小面的在操作波长(例如塑料)处透明的任何其它材料(包括在全内反射下操作的那些材料)，使得进入的光的入射角在SPR现象的范围内以对给定条件出现(折射率、传感器材料、波长等)。在壳体112中的激光源116(例如在3.8mm或5.6mm型TO封装的633nm下的可见激光二极管)产生询问激光束。上游或输入光学系统118调节空间剖面中的激光束，并且将光束输送到感应表面或层114以询问边界或所吸收的分子，并且具有成像光学器件的下游或输出光学系统120将反射光束引导到光电传感器(未单独地在图1中示出)或焦平面阵列，例如单色的(因为只有一个波长)、高分辨率(“HD”)的、具有小像素尺寸(～1微米)的电荷耦合设备。具有这些属性的图像传感器允许设备在检测浓度的小变化时具有非常高的亲合性，因为SPR线运动可以在非常小的程度上被检测到。另外，安装在前端中的是温度传感器122，其收集在传感器表面114中和周围的一个或多个位置处的温度数据并为热电冷却器提供反馈环以维持恒定的温度。信号处理单元124由微处理器、计算机或其它电子设备实现，并从输出光学器件120的焦平面阵列接收视频图像信号。软件配置信号处理单元124以处理原始视频图像数据来精确地确定SPR角最小值。来自传感器122的温度数据被实时地馈送到SPR最小值计算中以校正整个测量过程中的温度变化。另外，由参考流体(例如空气)确定的参考信号存储在存储器126中，并同时被提供到信号处理器124以通过报告在来自样品或目标测试流体的SPR信号与参考流体的SPR信号之间的差异来产生单值结果(即浓度)。信号处理单元124可以经由发射机128无线地链接到智能电话或附近的计算机(未示出)以用于报告结果、记录保持和/或额外的分析。替代地或另外地，设备可以设置有连接到信号处理器124的显示器130，以用于向用户提供测试结果的报告。

实际上，为了使手持单元包含所有上述属性，大部分部件在尺寸上是小型的，所有这些都在相应领域中的当前最新技术水平内。图2B示出了封装在手持设备中并在图2A的方框图中描绘的部件的三维模型。

自参考

在SPR中使用的测量技术主要相对于参考或缓冲溶液来完成。换句话说，当在实验室中在台式SPR设备上执行测量时，流体通过配管被泵送并通过小流体通道与感测表面直接接触。这个通道将是组件的部分，其用适当的密封物跨传感器表面(被限定为配体所附接的金属薄膜的顶侧)以防止泄漏并被称为流动池(flow cell)。一般测量然后将涉及在传感器表面之上使缓冲溶液通过，随后是待测量的流体通过。数据记录将根据时间来完成，并且首先将得到缓冲液的信号和稍后在测试中的流体的信号中的变化。如果对具有类似的组分但在浓度上较高的流体进行被注入到传感器表面的随后的测量，则每个测量将显示与浓度成比例的信号中的变化。经处理的数据的信号中的变化表示SPR角的变化。如果所测量的每个溶液的浓度是已知的，则将证明作为浓度的函数的SPR反应，并且当在相同的条件下测量未知的浓度时，可以确定其浓度。

常规实验室SPR系统在野外中做得不好，因为它是庞大的，需要AC功率，附接到桌上型计算机，并且有流动池系统的额外附接。在野外便携式系统中，如与实验室设置相比较，流动池系统是不方便的，因为它增加额外的部件(泵、配管)，并且用在探针的顶端处的传感器简单地探测液体是更可取的。但因为SPR是相对测量，需要某个基线来确定浓度。作为示例，假设希望精确地确定水中的盐的浓度。在具有流动池的台式系统中，精确盐溶液被制造并跨传感器表面流动，产生SPR角变化的线性系列的数据点与盐浓度的关系曲线。当使未知的数量通过感测表面时，可以从实验数据中通过估计未知的数据点落在这组未知数据中的地方来推断出未知物的浓度。例如，在10mM的盐水的步骤中范围从500mM到600mM的浓度将产生具有在这个范围内增加的SPR角的一组数据点。如果552mM盐水的未知溶液被注入，则这个数据点位于校准溶液的550mM和560mM之间。利用某个数据处理，可以预测未知溶液的值。

在野外情况中，将探针浸入到缓冲液或校准溶液中是可能的，但是非常不方便的。其需要两个步骤测量过程，并且外部溶液必须被携带并保持没有污染物。在执行测量之前，传感器被操纵以与溶液接触，读数被采集并保存在设备中，并且然后通过使传感器与未知溶液接触来完成实际测量。

自参考或自校准系统在野外便携式系统中是特别有利的。这可以用几种方式来完成，因为参考信号可以由水(图4A、4B)、一些其它溶液或甚至由围绕传感器表面的空气(图5A、5B)产生。作为SPR信号如何根据与感测表面接触的介质而改变的示例，如果具有折射率R3的水放置成与传感器表面接触，则SPR现象出现时的入射角相对于传感器表面法线是55度(图4A)。在这个角下，光几乎完全被吸收到金属(例如金)薄膜内，并且因而产生的反射显示接近零的强度。除了水以外的具有大大地不同的折射率(R2)的流体(例如乙醇)例如(按照SPR标准，水的折射率1.33与乙醇的折射率1.36的差异非常大，因为SPR测量一般被限制为第4到第6小数位变化)呈现信号位置上的大变化，因为SPR现象出现时的入射角可能是43度。(参见示出不同的SPR信号线的图3。)超过具有较大的折射率的这个变化将产生超过43度的信号，并且可以使仪器超出具有+/-10度的一般动态范围的范围，并且通常将SPR光学系统设计有在从以55度为中心的从45到65度的SPR范围内的总检测范围的液体感测的预期。

当周围介质是空气时，SPR也可以出现，在图5A中在1.0–R2处并且在图4A中水滴缺乏的情况下的空气的折射率产生在33度(图5A)下的SPR最小值，其远远不是最大的液体SPR最小值。然而，来自空气的这个SPR最小值信号可以被用为测量的相对校准点，并可以紧接着在测量之前被记录。

在那种情况下，设计SPR系统，使得其同时采集来自空气和来自水的SPR信号，并且使用充当基线的空气进行相对测量。这产生极其实际且方便的系统：只要新传感器被插入野外便携式仪器内，它就可以从周围空气中立即得到其参考信号，并且接着继续进行感兴趣的分析物的测量。在这两个信号之间的差异与一组校准数据(由在SPR空气信号和分析物的增加的浓度的SPR信号之间的差异组成)比较，并且未知的浓度被确定。

自参考系统的其它优点涉及传感器光学器件和用于将传感器光学器件保持在仪器中的机械系统的制造容限。与在具有流动池系统的台式系统中不同，系统传感器可以用于通过在冲洗来运行多个实验而不曾有物理地在野外便携式系统中的干扰硬件，设想传感器一般在任何测量之前改变，因为在缺乏流动系统的情况下，将没有冲洗传感器表面的手段。那意味着相对测量更难，而没有自参考系统，因为传感器的移除和插入可以被解释为SPR信号中的变化，因为变化一般非常小。换句话说，可能不使用一个传感器对参考信号进行可靠的测量，移除该传感器并插入另一传感器以用于分析物的测量。

为了更清楚地展示优点，考虑利用野外便携式设备来测试分析物的两个浓度，并且在这些测量的每个中，在缺乏流动池系统的情况下且作为必要的便利设施，传感器必须改变为在第二测量上的新传感器。该过程将如下：设备被开启，并且新传感器从无污染物封装打开并插入设备内。设备采集空气信号和分析物(1)信号。传感器被移除并丢弃，并且过程对采集空气信号和分析物(2)信号的第二新传感器重复。实际上，当比较接近的两个浓度时，SPR角的变化难以置信地小。在没有自参考空气信号的情况下，移除一个传感器并插入新传感器的行动可以使测量混淆，并且来自每个测量的两个SPR信号可能与它们的浓度无关是可能的。传感器的移除和新传感器的插入可以导致第二表面在与第一表面确切地相同的位置上，并可移动或倾斜(传感器本身具有可引起这些的制造容限)。作为结果，射到传感器表面的光束将在与第一传感器的不同角下，因此反射或SPR角将不表示相对于第一传感器的浓度变化，并且也将包含不希望有的失准信息。即使制造容限可以保持小以比0.1mm更好，SPR角的变化对感兴趣浓度的一般变化是在第3或第4小数位中的读数的分数。因为过度严格的容限很难且不实际，自参考系统变成必需品。

可以采集SPR空气信号和在水的范围内的信号的实际系统的挑战涉及置于光学系统和检测系统上的要求。在水和空气处的SPR信号之间的差异相当大，并且与进入的光束的角展度直接相关。

在现代SPR系统的设计中，参考图1，金属薄膜层16是在具有折射率R1的玻璃17上沉积到50nm的厚度的真空，并使用单色(或准单色)光从背侧或下侧14(前侧或顶侧或金属薄膜侧24是配体被附接且分析物接触的地方)被询问。在相对于金属薄膜表面的下侧的特定入射角下，SPR现象出现并且在那个角下的所有入射光被吸引到金属薄膜(例如金薄膜)内。当测量具有R2的折射率的样品时，SPR发生的角(“SPR(θ)”)是未知的并且是感兴趣的参数。早期SPR系统在几个角度下扫描单个激光束以探测传感器表面并确定SPR(θ)——反射光束强度减小到几乎零时的角。今天的典型系统使用射在金属薄膜16的背侧14上的会聚光束12，其探测在光的会聚椎体或数值孔径(NA＝sin(θ/2))内的所有角。理想地，对水、溶剂、空气和气体等预期的覆盖SPR(θ)的光的锥体将给出最终灵活性。实际限制防止这些，因为需要光的有限锥体以及对光学部件尺寸、复杂度和成本的考虑。产生具有非常宽的视场角的高质量会聚光束12并不是不重要的。此外，一般是二维检测器阵列(例如CCD或CMOS摄像机)的检测系统以某些尺寸(例如¹/₂”CCD是4mm x 6mm)生产，并且宽角度反射光束一旦被重新准直就将充满相对小的检测器区域。这可以使用压缩光学器件通过缩小图像以适合检测器22来进行补偿，然而分辨率将受损害，因为SPR信号图像的移动将覆盖较少的像素。

为了克服这些，具有合理的锥角(～NA＝0.2)的基于研究的SPR系统可以实际上绕着在传感器表面的前面的聚焦位置旋转SPR棱镜并同时旋转检测器(由于反射，以2倍的速率)以采集所反射的图像。这允许从实际上大部分SPR(θ)和当然空气和液体采集。

小手持便携式系统然而不能负担得起任何移动部分的花费。存在光学和检测系统的本文公开的几个配置，其可以便于在SPR系统中的允许仪器的大动态范围(SPR(θ)的大范围)的入射和反射光束的大角展度。本文所述的其它配置通过采集在动态范围之外的信号(即在具有接近水的折射率的折射率的液体的动态范围之外的空气信号)的增加的益处来允许常规动态范围。(多个)入射光束的有效角展度足以采集空气参考信号(具有折射率R2＝1.0)和液体测试样品信号(具有折射率R3)。

如图3所示，SPR信号在检测器平面上的其它明亮的场中作为暗线出现。暗线表示光到金属薄膜内的吸收，并且亮场是光从金属薄膜的下侧的其它角度的反射。如图4A和4B中描绘的，从纯水(R3＝1.33)采集SPR信号需要大约55度的入射角(相对于表面法线)；从空气中，大约33度(图5A和5B)。这意味着入射角的角范围需要是至少大约20度，或替代地至少大约22度或至少大约28度。这暗示0.24的数值孔径。因为手持设备很小，激光束的直径是～2mm，并且如此产生会聚光束的聚焦透镜将是至少这个直径。从简单的几何结构中，使用0.24的NA的这个透镜的焦距将是f＝4mm和f/#＝2。这是相对快的光学系统，如果简单的(单元件)透镜被使用，并且因此性能将在最终图像质量中受损害。将需要多元件透镜来校正像差。

图6A和6B示出了具有将输出信号馈送到多路复用器306(MUX)的双检测器302和304的系统300。对于f/2光学系统，即具有将覆盖空气(R2＝1.0)的SPR信号和溶液(R3代替R2)的SPR信号的足够大的会聚角的光学系统，系统300包括很好地校正的输入和输出光学器件308和310。一般使用圆柱形透镜312和314，因为SPR光学系统产生进入光学基板317内的会聚或输入光束316，将聚焦线输送到金属薄膜318的下侧，并且因此输入和输出光学器件308和310包括多元件(双合或三合)透镜或甚至非圆柱形(非球面圆柱形等效)透镜312、314。利用使足够大的会聚角投射到传感器表面318上的输入光束316，反射将是相等的且是相对的以产生对称地成形的会聚输出光束320，并且通过输出光学器件310准直这个光束产生大于一般检测器尺寸(CCD或CMOS传感器)的相对大的直径。虽然反射光束的压缩可以使用额外的透镜(反扩束器)来完成，分辨率将减小。SPR信号的采集由2个二维图像传感器或检测器302和304实现，一个针对来自空气(R2＝1.0)的参考SPR信号而一个针对来自在测试中的溶液(R3)522的SPR信号。这两个图像信号经由多路复用器306来组合并被提供到信号处理器(124，图2A和B)。

图7A和7B示出具有单个图像检测器352并具有光束组合器354的系统350。多元件输出光学器件356穿过具有折射率R1的光学基板将会聚输入光束358引导到金属薄膜362的下侧360上，而会聚输出光束364由多元件输出光学器件366准直以形成携带具有折射率R2(例如空气)的参考的且紧接着在其后的时刻具有折射率R3的测试流体(例如水溶液)的SPR信号的宽平行光束368。通过使用光束组合器立方体(分束器)354来光学地组合光束368。

在图8中描绘的替代方法中，在传感器棱镜406(其为具有折射率R1的光学基板)的输入侧上的内反射小面或表面402和404将会聚或输入光束408输送到金属薄膜410的下侧并混合或相对地成一角度。金属薄膜的相对或顶侧与折射率R2联系。双小面输入侧可以输送在标称33度入射角下的输入光束408的第一部分412和在标称55度入射角下的输入光束408的第二部分414。传感器棱镜406的输出小面416和418是输入小面402和404的镜像图像并向检测器阵列420输送由分开可辨别的距离426的具有折射率R2和R3的样品产生的两个不同的SPR信号422和424。输入光束408可以由双源光束428和430产生。在那种情况下，一个光源432将光束428输送到SPR棱镜的棱镜小面或表面402以产生具有相对于金属薄膜410的法线的33度入射角的光束部分412。从第一源432水平地移动的另一光源434(可选地，分成两个的单个源)将光束430输送到棱镜小面或表面404，使得相对于金属薄膜法线的光束部分414的入射角是55度。在替代的方法中，输入光束408是宽到足以在一个狭缝中覆盖两个小面402和404的单个光束。两个SPR信号(一个参考以及一个测量)以这些方式被同时输送到检测器阵列420并进行处理，使得因而产生的测量将涉及在这两者之间的像素间距中的差异，并且当与校准表进行比较时，未知的样品浓度可以精确地被测量。

替代使用来自空气的SPR信号，刚好在测量之前将被释放的单独校准溶液可以保持在仪器的头部内的玻璃瓶中。这种方法更适合于下面参考图11所述的微流控浸渍系统。

在图9A和9B所示的又一实施例中，用于自参考的技术包括用于输送并采集来自金属薄膜表面454的光的输入和输出双凸微透镜阵列450和452。准直光束456被输入到双凸(圆柱形)透镜阵列450内。这产生会聚光束458、460、462，其在金属薄膜表面454的下侧上产生多个聚焦线，每个聚焦线可以用于产生它自己的SPR信号。当检测到时，相应的会聚光束464、466、468被发送到双凸透镜阵列452，其准直分别在470、472、474处的每个光束，将多个SPR信号发送到检测器476。如果SPR系统在常规Kretschmann配置中被建立，则双凸透镜阵列450的设计要求每个透镜元件450具有增加的焦距以适应倾斜表面。利用适当的分段，一个光束458、460或462可以用于参考样品(被示为具有折射率R2的空气)，而其它光束用于具有折射率R3和R4的测试样品476和478，产生在图9B中的SPR参考信号480和测试样品信号482和484。事实上，根据透镜元件450和452的数量，可得到不同溶液的多个读数连同参考信号。这可以完成下面所述的微流控系统的设计的适当修改，并得到每个通道(SPR信号)的特异性，单独配体应用于金属薄膜表面454的不同部分。这允许在单个测量过程(图9B)中检测多个分析物都在同一时刻完成。在确切地同一时间采集所有SPR信号可以被证明是准确的测量系统的重要方面。因为SPR是极其敏感的技术，所以如果参考或样品随着时间而变化，作为外力(例如活性污染由于本地环境而出现)的结果，则同时信号采集将移除时间相关变量，从而当将信号与参考进行比较或将信号相互比较时产生更准确的测量结果。

虽然将部分移动被认为是不实际的，覆盖所需范围的扫描仪可以使用数字微镜设备(DMD)。这些是小半导体设备，其具有可以单独地旋转的微小尺寸的镜的矩形阵列。在这个情况下，激光将射到DMD上，并且电子器件将控制微镜以跨过角的范围将光束扫描到来自参考和样品的SPR信号。

自参考的另一手段可以是在SPR源光束中使用多个波长。吸收出现的SPR角取决于波长。例如红色和绿色激光都通过使用光束组合器立方体在重叠的入射光束中被使用，红光的SPR(θ)不同于绿光并导致例如在图7B中所示的图像中的两个暗线。在这两个信号之间的间隔将用作参考。然而，与来自空气或相对于在测试下的溶液的其它校准溶液的信号不同，其中在这两条暗线之间的间隔很大，不同波长的信号几乎一个挨着一个。距离取决于波长(任何波长可以在从紫外光到可见光到红外光的SPR中使用)，但实际上彼此分辨出这两个信号可能很难。然而，通过系统运行两个波长可以提供有用的(或重叠的)校准信息并且设备成本轻微增加。

浸渍探针

为了使手持SPR系统方便地用在用于测试所获得的液体的领域中，能够将手持顶端浸入到液体内是更优选的。由Cappo等人在美国专利7,395,103中所述的SPR探针是接触型探针，即传感器表面意在暂时接触湿表面且在接触时进行测量。当样品是充满例如液体的烧杯时，接触探针呈现困难。SPR传感器表面一般是平面的，并且邻接它们的是某种反射小面以将进入的光引导到要出现的SPR的适当的角。'103专利描述了具有两个倾斜表面的传感器表面，倾斜表面在全内反射下作为镜像表面被使用以将光输送到传感器并将它反射到检测器。如果将这个感应表面浸入到只接触液体的样品烧杯内并且传感器表面应出现；如果液体接触其破坏全内反射的小面且光不再反射到感应表面或检测器。即使这些倾斜表面被涂覆有反射薄膜(例如铝化)，由于小尺寸和部件的紧密配合，触摸传感器棱镜的小面或侧面的液体可以通过毛细管作用被芯吸到设备内，从而引起对仪器的灾难性损坏。

常规和商业SPR仪器一般使用“流动池”来将液体输送到由泵系统组成的传感器表面以通过配管将流体从烧杯抽取到端口内，该端口通到具有与感应表面直接接触的一个开放端的小池或室。液体由于泵的作用而从出射口通过室被推动或流到配管内并通常进入废物容器内。使用这个系统，实验者可以随后使几种液体跨表面流动，并记录SPR信号的动态变化(其可以与诸如分子结合和解离之类的这样事物相关)。可以通过歧管系统或通过在泵正运行时将配管简单地放置到不同的烧杯中来改变不同的液体。这在比如化学实验室中具有增加的方便性，并且仪器变成黑盒，并且只有进入配管的化学物质是有益的。

为了使手持SPR系统用作浸渍探针，实现这点的一种方式是将手持系统连接到具有配管和室的流动池系统。配管可以插入烧杯中，并且某种泵系统可以被合并。然而，在期望最小化部件的领域中，需要电功率和时间来配置实验。全合一系统是高度合乎需要的——抽取流体、将样品输送到感应表面并进行测量(都在小型化尺寸下)的一个整体设备。

在图10中示出了替代方案，图10示出了在具有折射率R1的传感器棱镜504之上滑动的“鼻锥体”或盖构件502。盖构件502包含被配置成将液体输送到具有折射率R2的薄膜金属表面508的顶侧的至少一个微流控路径506。盖502可以是利用具有小毛细管孔的常规手段制造的塑料部分，并且可以是在测量之后丢弃的一次性构件。盖构件502可以被配置成封装整个手持SPR系统(未示出)或如在图10中描绘的在至少在传感器棱镜504之上的不透液体的配合中的其优良部分，使得没有液体可以穿透仪器的壳体510。微流控路径506是将测试溶液(具有折射率R2)输送到位于薄膜金属表面508上的聚焦线处或之上的小室512的毛细管孔。毛细管孔的长度可以由在待检测的系统中的动作中的表面力规定。可以通过改变毛细管的内壁的表面特性、通例如用表面活性剂(例如聚合物和表面活性剂)涂覆和/或外部刺激(包括但不限于电压、电磁辐射(例如光)和声波)来调节管的长度，使得管对于样品收集足够长，并且足够短使得样品到达传感器表面。作为结果，设备可以被设计成满足可能出现的任何特殊情况的需要。在特定的实施例中，盖可以通过用将增加与待收集的样品的接触角并使样品收集到达区域从难变得更容易的材料涂覆内壁而被设计有较长的毛细管长度。当然必须选择不干扰分析物的检测的涂覆材料。盖构件502还包括微流控路径514以排出空气并使溶液流出。

由于SPR是温度相关的，温度传感器和热电冷却器516(和图2中的122)嵌在SPR棱镜504之下以将温度数据实时地馈送到信号处理器(例如图2中的124)并补偿最终结果。

可以通过使用两通道SPR系统将参考溶液引入到金属薄膜表面上来得到参考信号，由此，在金属薄膜表面上的两个部位被询问。例如，在上面所述的双凸透镜系统中，一个通道(聚焦线)将具有其自身的对具有折射率R3的测试溶液的微流控路径，并且另一通道具有对具有折射率R2的参考溶液的单独微流控路径。如在图11中描绘的，具有折射率R2的参考溶液可以存在于小的易碎玻璃瓶522中的鼻锥体型盖构件520内部，并通过推柱塞524以打破玻璃瓶而被释放。溶液沿着毛细管孔525行进到相邻于金属薄膜表面530并与测试溶液(折射率R3)室532隔离的室528。

在特定的实施例中，为了对在远程位置上的水体采样，样品被通到测试烧杯中，针对大颗粒进行过滤，并且将SPR手持系统插入烧杯。溶液通过毛细管作用被抽取到小孔中并被输送到传感器。设计微流控系统，以便包括通风、自封闭阀，所以我们可以从一个液体浸到另一液体而不产生气泡。

整合其它分析技术

如早些时候规定的，化学实验室常常具有可以使用不同的技术来产生相同的结果的补充设备的主机。有时结果重叠或一个仪器可以提供另一仪器缺乏的信息。当使用任何分析仪器时，访问使用不同的技术来确保结果中的置信度的其它仪器是有用的。存在可以测量非常小的浓度的很多不同的仪器。然而，有时必须用另一仪器确认测量或确认仪器的过程的部分如所预期的出现。

例如，在使用配体配备传感器表面的SPR系统中，假如它是蛋白质或其它化学组分，则配体是否粘合到表面不能是确定的。在配体不粘合到传感器表面的情况下，测量是无结果的。作为示例，硼酸(配体)一般通过硫醇化学物质粘合到SPR传感器表面，用于用作糖传感器。粘合配体的过程需要几种化学物质在一段时间期间涂敷到传感器表面并构建子组装单层，最后一层是硼酸。除了测试具有感兴趣的分析物的配体并得到良好或混杂的结果以外，没有知道硼酸实际上粘附到传感器的方式。检查硼酸粘合到传感器表面的一种方法是在另一分析仪器(例如可以测量表面的基本组分的x射线光电子光谱法(XPS))中分析所准备的表面。如果配体粘合到SPR传感器表面，则仪器将在这种情况下显示具有高浓度的硼的光谱。有配体实际上粘合到传感器表面的这个信息排除了传感器是料想不到的结果的源的任何忧虑，并节省将浪费在使用不正确地配备的传感器进行测试上的实验时间。

其它分析化学技术的整合对提供额外或重叠的数据以有助于测量的置信度的野外便携式系统将是极大的优点。在特定的实施例中，荧光光谱法是具有与SPR的某些相似性的常见技术，因为可以使用配体/分析物化学性质。事实上，可以使用相同的配体，然而在荧光光谱法中，配体溶解在溶液中并与分析物交互作用。当用特定波长的光(例如紫外光)被照亮时，溶液发荧光，通常发射在宽光谱中的其它波长。通过过滤光谱并查看例如蓝光和绿光的强度，一般相对强度的比被采用，并且从这个比我们可以推断出分析物的浓度。在荧光光谱法和SPR光谱法之间的差异是，荧光在溶液中完成而SPR在表面上完成，SPR内在地是更敏感的。

SPR和荧光光谱法共同具有配体/分析物化学技术的事实导致具有SPR和荧光的组合仪器。在SPR中，从背侧照亮传感器表面(光穿过玻璃基板到金属表面并反射)，而在荧光法中，从前侧照亮传感器(光射到金属表面并从金属表面反射且不穿透基板)。在手持设备中，然后使用在图10中所述的盖502，这个部分可以延伸以容纳荧光分光镜的元件，即，小UV源(例如发光二极管(LED))、用于分离所产生的荧光光谱的带通滤波器和用于测量感兴趣的波长的相对强度的电子检测器。给定最新技术，在可以在稍微大于1平方毫米下得到的LED源(例如Phillips Lumileds Luxeon p/n LHUV-0385)中并使用在大约相同的尺寸下集成二维阵列检测器(例如Omnivision p/n OV07191-A20A、640x 480CMOS图像传感器)，可能将整个荧光分光计构建到盖502中以结合包括附接到传感器的配体的SPR系统来使用。也可以为了节约而经由反射镜的系统将来自荧光信号的反射光发送到在SPR系统中使用的二维阵列。在这种情况下，两个不同的测量出现在同一样品上，1)配体与位于金属表面的顶部上的溶液中的分析物交互作用，并且溶液在用UV光照射时发荧光，以及2)配体和分析物在金属表面上交互作用，引起SPR共振角的变化。

这个双重使用系统变得非常强大，因为可以使用两种不同的技术在几乎确切地相同的时间进行测量。明显的益处包括单个样品配备、传感器配备和更多可比较的结果，因为将在确切地相同的时间考虑在其它情况下导致不一致的测量(例如温度)的任何变量。不是立即明显的其它益处也可产生。

其它分析仪器可以集成到手持SPR设备内，并且不限于发荧光。例如，其它光谱法技术，其中宽带光源被输送到表面且反射光根据波长被测量；某些波长由指示组分的表面样品吸收。辐射源可以是紫外光、可见光或红外光，在这种情况下技术可以被称为UV-VIS光谱法或IR光谱法。在UV-VIS或IR光谱法配置的修改中，也可以执行反射光谱法，其中光按照颗粒尺寸从表面散射。在另一实施例中，除了SPR以外，还可以执行电化学法。电化学法包括阻抗光谱法和循环伏安法。电化学法还需要金属薄膜，并且从传感器表面的“前侧”执行，而SPR将从“后侧”询问样品，允许例如SPR和阻抗光谱法的同时测量。

图12描绘了在使用一个传感器表面的组合设备中的小型部件，其中配体分析物对存在于金膜的顶部上。SPR测量如前所述地执行，其中会聚输入光束601穿过具有折射率R1光学基板602行进并在包含配体分析物对的测试样本603的位置处聚焦到线图像。光从金膜604反射，并且产生共振角SPR(θ)605。荧光分光计部分由发射紫外光的窄带的UV LED 606组成，紫外光朝着具有折射率R2的样品603但从金膜的相对侧被引导，作为SPR测量。UV光束与包含配体/分析物对的样品交互作用。反射光束携带UV激发和宽带荧光光谱607。这个光束穿过双带通滤波器，其发射窄带蓝光和窄带绿光，同时阻止UV激发光束608。光学楔形物609在不同的角度下分散绿光和蓝光，每个光射在CMOS检测器610的相应一半上。来自CMOS检测器的每侧的强度值被记录，并且辐射测量计算得到浓度。

图13所示的两个系统都合并到类似于502(见图10)、毛细管孔702的701的盖和包含配体/分析物对705的样本内。示出了具有UV LED 703的荧光系统，检测臂704包含双带通滤波器、光学楔形物和CMOS检测器。

示出了具有在光学基板706上从金膜709反射的输入光束707的SPR部分，折射率R1产生SPR信号光束708。带小面的SPR棱镜被示为708。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于检测装置的光学系统，所述检测装置用于确定化学物质浓度并且至少采用表面等离子体共振，所述装置具有壳体，所述系统设置在所述壳体中或所述壳体上，所述系统包括：

传感器构件，其包括平面金属层，所述传感器构件能够拆卸地安装到所述壳体；

第一光学元件，其设置在所述壳体中并且被配置为使至少一个入射光束以相对于所述层的法线的预定范围的角指向所述金属层的后侧；

至少一个光电换能器，其设置在所述壳体中；以及

第二光学元件，其设置在所述壳体中并且被配置为将对应于所述至少一个入射光束的至少一个反射光束从所述金属层引导到所述至少一个光电换能器，

所述至少一个光电换能器将进入的电磁辐射转换成电信号以用于传输到信号处理器，所述信号处理器设置在所述壳体中并且操作地连接到所述至少一个光电换能器，以便检测表面等离子体共振角，所述第一光学元件被配置为使得所述至少一个入射光束跨越至少大约20°。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述至少一个光电换能器包括在所述壳体中彼此间隔开的两个光电换能器设备。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述至少一个反射光束包括具有彼此间隔开的相应反射角范围的一对反射光束部分，所述第二光学元件被配置成使所述反射光束部分中的第一个指向所述光电设备中的一个并且使所述反射光束部分中的第二个指向所述光电设备中的另一个。

4.根据权利要求2所述的光学系统，还包括设置在所述光电设备的下游的多路复用器。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一光学元件包括棱镜，所述金属层设置在所述棱镜的表面上，所述棱镜包括相对于彼此以第一角定向的两个第一表面，所述第一表面各自相对于所述金属层以相应第二角定向。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述两个第一表面位于所述金属层的输入或上游侧上，所述棱镜还包括位于所述金属层的输出或下游侧上并且相对于彼此以所述第一角定向的两个第二表面，所述第二表面各自相对于所述金属层以所述第二角中的相应角定向。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一光学元件包括扫描仪。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述入射光束包括多个波长。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二光学元件包括光束组合器，并且其中，所述至少一个光电换能器构成至少一个电光换能器设备。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一光学元件包括设置在相应光束路径中并产生会聚到所述金属层上的相应焦线的相应光束的多个微透镜，所述第二光学元件包括设置在相应的光束路径中并使从所述相应焦线发散的相应光束准直的相似的多个微透镜。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述系统还包括一个或多个非表面等离子体共振检测系统。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述非等离子体共振检测系统采用荧光光谱法、红外光谱法、紫外-可见光谱法、阻抗光谱法、反射光谱法和/或循环伏安法。

13.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述系统还包括盖，所述盖具有设置有金属传感器表面的传感器部分，所述盖包括主体构件，所述主体构件适合于与所述传感器部分以不透液体的接触插于所述传感器部分之上，所述主体构件包括至少一个毛细管回路，所述毛细管回路包括微流控入口孔、与所述入口孔连通并能够与所述金属表面并列地设置的微流控室、以及与所述室连通的微流控排水或排气通道。

14.一种用于检测在测试流体中的目标生物或化学组分的存在和/或数量的方法，其包括在足以检测到所述目标生物或化学组分的存在和/或数量的条件下将参考流体和所述测试流体应用于权利要求1所述的系统。

15.一种检测方法，包括：

提供具有壳体的表面等离子体共振设备；

将可替换模块化传感器部分附接到所述壳体，其中，所述传感器部分包括第一平面金属层；

设置与所述第一平面金属层接触的参考流体；

其后操作所述设备以确定用于所述参考流体的第一表面等离子体参考角；

设置与所述第一平面金属层接触的测试流体；

其后操作所述设备以确定用于所述测试流体的第二表面等离子体参考角；

操作信号处理器以从所述第一表面等离子体共振角和所述第二表面等离子体共振角确定在所述测试流体中的目标生物或化学组分的存在和可选地确定其浓度；

从所述壳体拆卸所述传感器部分；以及

将不同的模块化传感器部分附接到所述壳体，其中所述不同的模块化传感器部分包括第二平面金属层。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述参考流体是空气。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括提供非表面等离子体共振设备，以及确定在所述测试流体中的目标生物或化学组分的存在和可选地确定其浓度。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述参考流体是液体，还包括将替换模块化盖附接到所述可替换模块化传感器部分之上的所述壳体，使得所述盖与所述可替换模块化传感器部分不透流体地接触，设置与所述金属层接触的所述参考流体包括：在操作所述设备以确定所述第一表面等离子体参考角之前使所述参考流体从所述盖中的储器流到所述第一金属层，设置与所述第一金属层接触的所述测试流体包括：将所述测试流体通过所述盖中的毛细管或微流控通道抽取到所述第一金属层。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括提供非表面等离子体共振设备，以及独立地确定在所述测试流体中的目标生物或化学组分的存在和可选地确定其浓度。

20.一种用于操作用于检测流体组分的存在的方法，其中，所述设备包括壳体和设置在所述壳体中的包括电磁辐射源的第一光学元件，所述设备还包括设置在所述壳体中并包括至少一个光电换能器的第二光学元件，所述设备还包括设置在所述壳体中并操作地连接到所述至少一个光电换能器的信号处理器，所述方法包括：

将传感器部分附接到所述壳体，其中，所述传感器部分包括平面金属层；

设置与所述金属层接触的参考流体；

其后操作所述第一光学元件以使至少一个入射光束以相对于所述层的法线的预定范围的角指向所述金属层的后侧；

操作包括所述至少一个光电换能器的所述第二光学元件以根据用于所述参考流体的反射角来检测反射强度；

产生对用于所述参考流体的所述反射强度进行编码的第一电信号；

操作所述信号处理器以根据所述第一电信号检测用于所述参考流体的第一表面等离子体共振角；

存储所述第一共振角；设置与所述金属层接触的测试流体；

其后操作所述第一光学元件以使至少一个入射光束相对于所述层的所述法线以所述预定范围的角指向所述金属层的后侧；

操作包括所述至少一个光电换能器的所述第二光学元件以根据用于所述测试流体的反射角来检测反射强度；

产生对用于所述测试流体的所述反射强度进行编码的第二电信号；操作所述信号处理器以根据所述第二电信号来检测用于所述测试流体的第二表面等离子体共振角；以及

进一步操作所述信号处理器以根据所述第一表面等离子体共振角和所述第二表面等离子体共振角来确定所述测试流体中的目标生物或化学组分的存在。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括操作所述第一光学元件以附加地使所述入射光束指向所述金属层的前侧。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，对荧光性进行测量。

23.一种用于表面等离子体共振检测设备的盖，所述盖具有设置有金属传感器表面的传感器部分，所述盖包括主体构件，所述主体构件适合于与所述传感器部分以不透液体的接触插于所述传感器部分之上，所述主体构件包括至少一个毛细管回路，所述毛细管回路包括微流控入口孔、与所述入口孔连通并能够与所述金属表面并列地设置的微流控室以及与所述室连通的微流控排水或排气通道。

24.根据权利要求23所述的盖，其中，所述毛细管回路是第一毛细管回路，所述主体构件用第二毛细管回路形成，所述第二毛细管回路包括入口通道、与所述入口通道连通并能够与所述金属表面并列地设置的额外的微流控室、以及与所述额外的微流控室连通的额外的排水或排气通道，所述第二毛细管回路还包括设置在与所述额外的微流控室相对的所述入口通道的上游端处的微流控储器，所述储器包含具有预定的SPR特性的参考溶液。

25.根据权利要求23所述的盖，其中所述储器设置有用于使所述参考溶液能够从所述储器转移到所述入口通道和所述额外的微流控室的激活元件。

26.根据权利要求23所述的盖，其中，所述主体构件适合于耦合到所述传感器部分，使得所述入口孔和所述排水或排气通道与周围环境连通。

27.一种用于调节根据权利要求23所述的盖的微流控孔的长度的方法，其中，所述微流控孔是毛细管孔，其中，所述方法包括改变所述毛细管孔的表面特性。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，通过用一个或多个表面活性剂涂覆所述毛细管孔的内壁或通过施加外部刺激来修改所述毛细管孔的所述表面特性。

29.根据权利要求27所述的方法，其中，通过施加外部刺激来修改所述毛细管孔的所述表面特性，所述外部刺激选自由电压、电磁辐射和声波组成的组。

Claims