CN110023739B - 基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置及测量方法 - Google Patents

基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置及测量方法，并且根据本发明的一个实施方式，该装置包括微通道结构，包括支撑体和形成在支撑体上并具有固定有用于检测第一样本的第一生物粘附材料的样本检测层的至少一个微通道；形成在微通道结构的上部上的截顶金字塔形棱镜；将包含第一样本的缓冲溶液注入微通道的样本注入单元；以满足p波非反射条件的入射角将通过棱镜偏振的入射光发射到微通道上的偏振光产生单元；以及检测偏振入射光中从样本检测层反射的第一反射光的偏振变化的偏振光检测单元，其中棱镜在棱镜的上界面对入射到棱镜上的偏振入射光中的从棱镜的下边界面和注入微通道的缓冲溶液的边界面反射的第二反射光全反射。

Description

基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置及测 量方法
技术领域
本发明涉及基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置及测量方法。
背景技术
反射测量法和椭偏测量法是一种测量从样本表面反射的反射光的反射率或偏振态的变化并分析测量值以找出样本的厚度和光学性质的光学分析技术。
使用上述测量方法的测量设备包括反射仪和椭偏仪(ellipsometer)。测量设备用于在制造半导体工业的纳米薄膜的过程中评估各种纳米级薄膜的厚度和物理性质。此外，正在努力将应用范围扩展到生物工业，以将它们应用于诸如蛋白质、DNA、病毒和新药物材料的生物材料的界面分析。
现有技术的反射仪足以评估尺寸为几纳米(nm)以上的纳米薄膜的厚度和物理性质。然而，存在的问题在于，用于分析需要灵敏度在大约1至0.001纳米范围内的低分子量生物材料的测量灵敏度低，因此可靠性降低。与反射仪相比，椭偏仪具有 0.01nm以下的测量灵敏度。特别是，与高折射率半导体基板上的半导体相比，在测量具有相对小的折射率的氧化物膜的厚度的情况下，在折射率相对大的条件下测量灵敏度高。
然而，为了使用椭偏仪来分析低分子生物材料，需要具有提高灵敏度的测量方法。
作为现有技术中用于在分析生物材料时提高测量灵敏度的技术，其中结合了反射仪和表面等离子体共振技术的表面等离子共振传感器(下文中称为“SPR”传感器) 是已知的。
表面等离子共振(SPR)现象被认为是这样的现象：当金属表面上的电子被光波激发以在表面的法线方向上共同振动时，光能此时被吸收。众所周知，SPR传感器不仅能够利用对光的偏振特性敏感的表面等离子共振现象来测量与金属表面接触的纳米薄膜的厚度和折射率变化，而且能够以不使用荧光材料的非标记方式实时测量生物材料的吸附浓度变化。
SPR传感器被制造为具有这样的结构，其中几十纳米的金属薄膜涂覆在诸如玻璃的材料上并且生物材料可以接合到其上并且使用当溶解在缓冲溶液中的样本被接合到传感器时共振角改变的原理。通过测量反射率获得共振角。当光入射到SPR传感器上时，玻璃材料用作入射介质，并且光穿过与生物材料接合的薄膜层，使得缓冲溶液最终用作基板。
利用这种结构，对应于基板材料的缓冲溶液的折射率直接影响共振角的偏移以及通过待测样本的粘附而对生物薄膜层的改变。因此，为了仅测量纯键合动力学(bindingkinetics)，需要独立地测量并校正缓冲溶液的折射率。
为了校正缓冲溶液的折射率变化并防止由于样本和缓冲溶液之间的扩散引起的误差，已经使用了利用精密阀装置、空气注入装置和两个或更多通道(其中一个通道用作参考通道)来校正误差的方法。然而，难以区分由于缓冲溶液的折射率变化引起的SPR角度变化与由于纯吸附和解离特性引起的SPR角度变化，并且这可能总是充当导致测量误差的因素。因此，由于如上所述的测量方法的限制，现有技术的SPR 传感器在测量诸如小分子的具有小分子量的材料的吸附和解离特性方面具有基本困难。
此外，现有技术的SPR传感器使用诸如金(Au)和银(Ag)的贵金属的金属薄膜用于表面等离子共振，使得传感器的制造成本昂贵。此外，金属薄膜的问题在于，表面粗糙度根据制造工艺而不均匀，从而折射率的变化很严重，由于光学性质不稳定而难以定量测量生物材料，并且与参考通道相比，包括由位置不同灵敏度特性不同而导致的误差。
为了改善SPR传感器的缺点，当在诸如硅的基板材料上形成生物材料粘合剂传感器层，并且在p波非反射(non-reflection)条件下通过椭偏测量法测量在液浸微通道环境下穿过缓冲溶液被反射在基板材料上的光的幅度和相位时，可以获得测量幅度对缓冲溶液的折射率变化不敏感但是对生物材料的键合动力学敏感的信号。当测量在液浸微通道环境下吸附到基板材料上的生物材料的联结特性时，与SPR测量相反，缓冲溶液用作入射介质，并且从基板材料反射穿过生物材料吸附层的光。
在这种测量条件下，测量的椭偏角对作为缓冲溶液的入射介质的折射率变化不敏感而仅对生物薄膜和基板材料的变化敏感。在诸如硅的具有稳定折射率的基板的情况下，所测量的椭偏角Ψ获得仅对生物薄膜的变化敏感的信号，并且椭偏角Δ表示仅对缓冲溶液的折射率敏感的信号，使得可以同时测量生物薄膜的厚度和缓冲溶液的折射率。然而，当使用平行于诸如棱镜的平面入射结构的基板时，需要去除从棱镜和缓冲溶液之间的界面反射的光，并且仅需要使用从基板反射的光。为了使样本的使用量最小化，需要减小棱镜表面和基板材料之间的间隔。在这种情况下，两个反射光被定位得非常接近，因此难以将光分离并且光起到测量误差的作用。因此，需要一种具有新结构的测量方法，该新结构用于将从诸如棱镜的平面入射结构中的棱镜和缓冲溶液之间的界面反射的光与从包括传感器的基板材料反射的光区分开。
图1是现有专利的示意图，该专利在诸如硅的基板材料上制造传感器层并在液浸微通道环境下使用椭偏测量法以改善SPR传感器的问题。如图1所示，根据现有专利的生物材料联结特性传感器大致由棱镜100、微通道结构200、偏振光产生单元300 和偏振光检测单元400构造。在这种情况下，根据现有专利的生物材料联结特性传感器的微通道结构200将吸附层530设置在基板510或介电薄膜520上，以形成液浸微通道210环境。在这种情况下，当其中溶解有生物材料的样本1的缓冲溶液50被注入到微通道210中时，生物材料被吸附到形成在吸附层530的表面上的配体2材料上以形成具有预定厚度的吸附层。
从偏振光产生单元300产生的偏振入射光经由棱镜的入射面110以引起p波非反射条件的角度入射到缓冲溶液50和基板510的界面上。在这种情况下，从基板510 反射的反射光包括关于缓冲溶液和样本1的吸附层的折射率的光学数据。也就是说，当样本1被吸附到配体2上或从配体2上解离时，诸如吸附浓度的分子粘合和解离动力学、吸附层的厚度或折射率、或缓冲溶液的折射率变化并且因此测量的椭偏角改变。此外，包括光学数据的反射光由偏振光检测单元400检测。在这种情况下，偏振光检测单元400根据反射光的偏振分量(即，椭偏角)测量变化，以计算出样本1的分子键合和解离动力学以及缓冲溶液的折射率。
图2例示了表示样本1吸附到金属薄膜30上的过程的吸附曲线和表示离解过程的解离曲线。结合速率常数ka越大，生物材料的吸附越快，并且解离速率常数kd越小，解离越慢。
即，测量结合速率常数和解离速率常数以计算平衡状态下的解离常数 (KD＝kd/ka)。例如，通过测量结合在包含致癌诱导因子的蛋白质上的或从包含致癌诱导因子的蛋白质解离的新药候选物质的特征，可以确定可用作致癌抑制剂的具有低分子量的新药候选材料是否能够用作新药。
在下文中，将参照图3和图4描述根据现有技术的生物材料分析传感器的特性和限制。当使用如图3所示的棱镜入射结构入射光时，光以大约70.85°(＝θ2)的倾斜角入射到界面上并且当光按照缓冲溶液的折射率变化(0.0002)从棱镜入射到缓冲溶液上时，角度变化可以大约为-0.024°。p波非反射条件为大θ2＝70.85°。然而，由于缓冲溶液的折射率变化引起的当前角度变为70.826°(小了0.024°)。因此，如图4所示，呈现了Ψ和Δ的曲线图，并且p波非反射角几乎不随折射率的变化而变化，使得Ψ和Δ的值可以在70.826°(小了0.24°)处测量。
在图4中，在实线曲线图中，当缓冲溶液50具有不同的折射率时，缓冲溶液50 的折射率是1.3330，虚线曲线图对应于缓冲溶液50的折射率1.3332。作为当使用棱镜结构时入射角变化的测量结果，如图4所示，Ψ值的变化用于抵消垂直入射结构的微小变化，从而几乎不表现出变化。但是，Δ表现出很大的变化。相位差的椭偏常数Δ仅根据缓冲溶液的折射率变化而敏感地改变，但几乎不受联结特性的影响，因此仅能以高灵敏度测量缓冲溶液的折射率的变化。薄膜材料的厚度越小，椭偏常数Δ的变化越大。当测量折射率变化以应用于应用研究来分析材料的物理性质或联结特性的变化时，与现有技术的SPR测量方法相比，可以以超高灵敏度测量折射率。
当连续供应的缓冲溶液和由于用于样本的溶剂而折射率改变的缓冲溶液通过微通道被供应到传感器时，可以同时测量缓冲溶液的纯键合动力学和折射率变化。
然而，如图3所示，当棱镜的底表面和基板材料之间的间隔小时，难以将从棱镜和缓冲溶液的界面反射的光与从基板材料反射的光分离。由于在p波非反射条件下测量，因此可能存在的问题在于，由于从基板材料反射的光的强度比从棱镜和缓冲溶液的界面反射的光的强度弱，所以引起测量误差。
发明内容
技术问题
本发明是为了解决现有技术的问题而进行的，并且本发明的目的在于提供一种基于梯形入射结构棱镜入射型硅的具有高灵敏度的液浸微通道测量装置及测量方法。
具体地，本发明的目的是提供一种基于梯形入射结构棱镜入射型硅的具有高灵敏度的液浸微通道测量装置及测量方法，其使用梯形入射结构棱镜将从棱镜和测量介质的界面反射的光与从基板材料反射的光完全分离。
此外，本发明的目的是解决现有技术的测量方法的问题，即从棱镜和测量介质的界面反射的光比从基板材料反射的光具有更高的能量并且难以分离，这可能导致测量误差，并且当使用光阑分离光时，在依据折射率的变化而变化的不同角度测量的测量范围受到限制。
具体地，为了最小化样本的消耗，本发明的另一目的是提供一种基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置及测量方法，其最小化通道高度并提供具有多通道的微通道，从而能够提供改变样本浓度或改变自组装单层膜的粘合度的各种实验条件。
此外，本发明的目的是提供一种基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置及测量方法，其可以以高灵敏度以非标记方式测量生物粘附材料，以广泛应用于诸如生物、医疗、食品和环境的各个行业。
同时，在本发明中要实现的技术目的不限于上述技术目的，并且本领域技术人员从下面描述中将明显地理解其他未提及的技术目标。
技术方案
作为实现上述技术目的的技术方案，根据本发明的第一示例性实施方式，一种基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置包括：微通道结构，其包括支撑体和至少一个微通道，至少一个微通道形成在支撑体上并具有固定有第一生物粘附材料的样本检测层以检测第一样本；截顶金字塔形棱镜，其形成在微通道结构的上部上；样本注入单元，其将包含第一样本的缓冲溶液注入微通道中；偏振光产生单元，其以满足p波非反射条件的入射角将通过棱镜偏振的入射光照射到微通道上；以及偏振光检测单元，其检测偏振入射光中从样本检测层反射的第一反射光的偏振变化。
在这种情况下，棱镜从棱镜的上界面完全反射入射到棱镜上的偏振入射光中的第二反射光，该第二反射光是从棱镜的下界面和注入微通道的缓冲溶液的界面反射的。
此外，根据本发明的第一示例性实施方式，基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置包括：微通道结构，其包括支撑体、第一微通道和第二微通道，该第一微通道形成在支撑体上并具有固定有第一生物粘附材料的第一样本检测层以检测第一样本，该第二微通道具有固定有第二生物粘附材料的第二样本检测层以检测第二样本；截顶金字塔形棱镜，其形成在微通道结构的上部上；样本注入单元，其将包含第一样本或第二样本的缓冲溶液分别注入第一微通道和第二微通道；偏振光产生单元，其以满足p波非反射条件的入射角将通过棱镜偏振的入射光照射到第一微通道和第二微通道上；以及偏振光检测单元，其检测偏振入射光中从第一样本检测层或第二样本检测层反射的第一反射光的偏振变化。
在这种情况下，偏振光产生单元包括分束器，该分束器将入射光划分成入射到第一样本检测层上的第一入射光和入射到第二样本检测层上的第二入射光。
此外，第一入射光和第二入射光从棱镜的下界面折射到第一微通道和第二微通道，然后被划分成从第一样本检测层或第二样本检测层反射的第一反射光和由棱镜和注入微通道的缓冲溶液的下界面反射的第二反射光。在这种情况下，棱镜从棱镜的上界面对第二反射光全反射。
此外，根据本发明的第三示例性实施方式，基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量方法包括：第一步骤，通过样本注射单元将缓冲溶液注入包括至少一个微通道的微通道结构中，该至少一个微通道具有固定有第一生物粘附材料的样本检测层以检测第一样本；第二步骤，将缓冲溶液中包含的第一样本吸附到样本检测层的第一抗体上；第三步骤，使偏振光产生单元对通过在微通道结构上方形成的截顶金字塔形棱镜的入射面以满足p波非反射条件的入射角要入射到微通道上的光进行偏振；第四步骤，使偏振光检测单元检测偏振入射光中从样本检测层反射的第一反射光的偏振变化；以及第五步骤，基于第一反射光的偏振变化，检测吸附在样本检测层上的第一样本的浓度。
在这种情况下，棱镜从棱镜的上界面对入射到棱镜上的入射光中的第二反射光全反射，该第二反射光是从棱镜的下界面和注入微通道的缓冲溶液的界面反射的。
技术效果
如上所述，根据本发明的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置及测量方法可以提供具有高灵敏度的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置及测量方法。
具体地，梯形入射结构棱镜用于将从棱镜和测量介质的界面反射的光与从基板材料反射的光完全分离，以允许高灵敏度测量。
此外，可以解决现有技术的测量方法的问题，即从棱镜和测量介质的界面反射的光比从基板材料反射的光具有更高的能量并且难以分离，这可以导致测量误差，并且当使用光阑分离光时，在依据折射率的变化而变化的不同角度测量的测量范围受到限制。
具体地，可以通过最小化通道的高度来使样本的消耗最小化。
此外，提供具有多通道的微通道，使得可以通过改变要注入多通道微通道的样本的浓度或改变自组装单层膜的吸附度来提供各种实验条件。
此外，本发明可以以高灵敏度在液浸微通道环境下以非均匀染色方式测量生物粘附材料，以广泛应用于生物、医疗、食品和环境等各种工业中。
尽管已经结合上述示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，能够做出各种修改或变型，并且显然，修改和变型落入所附权利要求的范围内。
同时，在本公开中要实现的技术目的不限于上述效果，并且本领域技术人员从下面描述中将明显地理解其他未提及的效果。
附图说明
图1是例示了现有专利中已知的用于测量生物材料的联结特性的传感器的截面图。
图2是例示了在将样本吸附到金属薄膜上和离解的过程中吸附浓度变化的示意图。
图3是用于解释现有技术的问题的基于棱镜入射型硅的液浸微通道测量传感器的示意图。
图4是通过使用现有专利中已知的用于测量生物材料的联结特性的传感器根据生物材料的吸附和缓冲溶液的折射率变化来测量椭偏常数Ψ和Δ而获得的曲线图。
图5是例示了根据本发明示例性实施方式的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置的构造的示意图。
图6a-6b是例示了根据本发明示例性实施方式的梯形入射结构棱镜和微通道结构的图。
图7是用于更详细地说明根据本发明示例性实施方式的梯形入射结构棱镜和第一结构的立体图。
图8是用于更详细地说明根据本发明示例性实施方式的第二结构的截面图。
图9是例示了根据本发明的用于同时测量缓冲溶液的折射率和分子联结特性的方法的流程图。
图10a-10b是例示了根据本发明示例性实施方式的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置中偏振的入射光的路径的图。
具体实施方式
在下文中，将在下面参照附图更全面地描述本发明的示例性实施方式，以便本领域技术人员容易实施。然而，本发明能够以各种不同的形式实现，并非不限于这里描述的示例性实施方式。因此，为了清楚地描述本发明，省略了与描述无关的部分。贯穿说明书，相似的附图标记指代相似的元件。
在整个说明书和所附权利要求中，当描述一元件“联接”到另一元件时，该元件可以“直接联接”到另一元件或通过第三元件“电联接”到另一元件。另外，除非明确相反的描述，否则当部件包括任意元件时，将理解为暗示包括所提及的元件但不排除任何其他元件。此外，还可以理解的是，不预先排除一个或更多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在或添加。
此外，在本说明书中，“单元”包括由硬件实现的单元、由软件实现的单元、以及由硬件和软件二者实现的单元。此外，可以使用两个或更多个硬件来实现一个单元，或者可以通过一个硬件来实现两个或更多个单元。
在本说明书中，被描述为由终端或装置执行的一些操作或功能也可以由连接到相应终端或装置的服务器来执行。类似地，描述为由服务器执行的一些操作或功能也可以在连接到服务器的终端或装置上执行。
【基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置的构造】
在下文中，将参照附图详细描述根据本发明示例性实施方式的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置的构造。
图5是例示了根据本发明示例性实施方式的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置的构造的示意图。
参照图5，根据本发明示例性实施方式的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置包括梯形入射结构棱镜100、微通道结构200、偏振光产生单元300 和偏振光检测单元400。
本发明的示例性实施方式使用椭偏测量法测量包括低分子量材料的生物粘附材料的键合和解离动力学，并且具有含有生物粘附材料的样本(未示出)的缓冲溶液(缓冲液)50注入到微通道结构200中的结构。在这种情况下，在微通道结构200中，微通道210可以由多通道构造。
首先，梯形入射结构棱镜100对入射到棱镜100上的光进行折射。在这种情况下，梯形入射结构棱镜100的侧面具有梯形形状并形成两个或更多个光学平面。具体地，在本发明的示例性实施方式中，棱镜100可以具有截顶金字塔形状。
因此，如图5所示，根据本发明示例性实施方式的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置将从棱镜100和测量介质的界面反射的光14与从基板材料反射的光12分别分离，以能够进行高灵敏度测量。
更具体地说，从偏振光产生单元300入射的偏振入射光10穿过梯形入射结构棱镜100的界面110，然后被分成光12和光14，光12通过流过微通道210的缓冲溶液 50的折射率以预定角度折射以入射到棱镜100的下界面处的吸附层530上，光14被棱镜100的下界面反射。
在现有技术中，存在的问题在于，难以将在棱镜100和介质的界面处反射的光 14与被折射以入射到吸附层530上的光12分离，因此，光在棱镜100和介质之间的界面处反射的光14被折射并且与入射在吸附层530上的光12一起被偏振光检测单元 400检测。因此，测量误差是由从棱镜100和介质的界面反射的、具有相对高能量的光14引起的，并且测量灵敏度降低。
相反，根据本发明的示例性实施方式，棱镜100具有截顶金字塔形状。因此，在由偏振光产生单元300入射的偏振入射光10中，从棱镜100和介质的界面反射的光 14从梯形入射结构棱镜100的上界面110被全反射，并且未被偏振光检测单元400 检测到。也就是说，偏振光检测单元400仅检测被折射以入射到吸附层530上以被反射的光12，从而可以以高灵敏度测量吸附到吸附层530上的或从吸附层530解离的样本的浓度。
同时，在本发明的示例性实施方式中，作为棱镜，可以主要使用光学玻璃，并且例如，棱镜可以是BK7或SF10，但不限于此。
微通道结构200形成在梯形入射结构棱镜100下方。具体地，在本发明的示例性实施方式中，微通道结构200包括多个微通道210，包含样本的缓冲溶液通过多个微通道210流动或者排出。在这种情况下，微通道210的宽度可以在大约几微米的范围内或者为1mm以下的微米级。此外，多个微通道210中的每一个包括流入通路210a、微通道210c和流出通路210b。也就是说，通过连接第一流入通路210a、第一微通道 210c和第一流出通路210b形成第一微通道210。
在下文中，将参照图6a-6b至图8更详细地描述根据本发明示例性实施方式的微通道结构200。
图6a是例示了根据本发明示例性实施方式的梯形入射结构棱镜和微通道结构的图，并且图6b是例示了根据本发明示例性实施方式的梯形入射结构棱镜和微通道结构的分解立体图。
此外，图7是用于更详细地说明根据本发明示例性实施方式的梯形入射结构棱镜和第一结构的立体图。图8是用于更详细地说明根据本发明示例性实施方式的第二结构的截面图。
参照图6a和图6b，根据本发明示例性实施方式的微通道结构由第一结构200a 和第二结构200b来构造。
在这种情况下，第一结构200a形成在梯形入射结构棱镜100下方。具体地，在本发明的示例性实施方式中，上述梯形入射结构棱镜100a和第一结构200a可以整体制造，但是本发明不限于此。此外，第一结构200a和第二结构200b可以彼此分离，并且第二结构200b包括微通道层200c。
同时，第一结构200可以由诸如玻璃或透明合成树脂材料的可渗透材料形成。在这种情况下，合成树脂材料的示例包括诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的丙烯酸树脂。此外，也可以使用诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅基材料。
更具体地说，如图7中所示，第一结构200a包括在第一结构200a的一侧上形成的多个流入通路210a和在第一结构的另一侧上形成的多个流出通路210b。此外，流入通路210a从形成在第一结构的一侧上的第一入口212连接到形成在第一结构的下部中的第二入口214，并且流出通路210b从形成在第一结构的下部的第一出口216 连接到形成在第一结构的另一侧的第二出口218。
同时，多个流入通路210a和多个流出通路210b形成为连接到在第二结构200b 中形成的微通道层200c的多个微通道210c。具体地，第二入口214形成为邻接微通道210c的一侧，以将第一流入通路210a连接到微通道210c。
此外，第一出口216形成为邻接微通道210c的另一侧，以将流出通路210b连接到微通道210c。
也就是说，第一流入通路210a、第一微通道210c和第一流出通路210b形成为彼此连接。因此，含有通过第一流入通路210a注入的样本的缓冲溶液50穿过第一微通道210c以排出到第一流出通道200b。
换句话说，根据本发明示例性实施方式的第二结构200b包括微通道层200c，并且微通道层200c包括多个微通道210c。同时，微通道210c可以由诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的丙烯酸树脂形成，但不限于此。
此外，根据本发明示例性实施方式的第二结构200b包括在由多个微通道210c形成的凹槽的底表面上的样本检测层500。在这种情况下，样本检测层500具体包括基板510、在基板上形成的介电薄膜520和吸附层530。
基板510可以使用在655nm处具有大约3.8391+i0.018186的复折射率的硅Si，并且以低成本提供恒定且稳定的物理性质。然而，基板510的材料不限于此，并且可以使用半导体或除硅之外的介电材料。
介电薄膜520形成在基板上方。介电薄膜520使用包括半导体氧化物膜或玻璃膜的透明薄膜材料。在这种情况下，介电膜的厚度理想地为0nm至1000nm。
最常见的介电薄膜520的示例是氧化硅膜SiO2，它是通过自然地氧化硅以生长到几纳米的厚度而得到的。氧化硅膜的折射率在655nm处约为1.456，这与由硅形成的基板510的折射率显著不同，并且有助于提高本发明的测量灵敏度。
此外，介电薄膜520可以使用由光学玻璃形成的玻璃膜。与诸如金和银的金属薄膜相比，由硅、氧化硅膜或玻璃膜形成的介电薄膜520可以制造成具有恒定的折射率，从而提供稳定的光学性能并降低生产成本。
根据本发明示例性实施方式的吸附层530可以由自组装薄膜和生物薄膜中的至少一种来构造。此外，可检测特定样本的生物粘附材料可以被固定到吸附层530。
在这种情况下，吸附层530用于吸附或解离低分子量生物粘附材料的样本(未示出)并对入射光进行反射。
换句话说，通过流入通路210a流动的缓冲溶液中所包含的样本可以吸附到吸附层530上或者从吸附层530解离。
再次参照图5，根据本发明示例性实施方式的偏振光产生单元300用于通过如图5所示的梯形入射结构棱镜100将偏振入射光10照射到微通道210c中的吸附层530 上。
偏振光产生单元300包括作为基本组件的光源310和偏振器320，并且还包括准直透镜330、聚焦透镜340或第一补偿器350。
在这种情况下，偏振器320和第一补偿器350可以可旋转地构造，或者可以进一步包括另一偏振光调制单元。同时，偏振入射光具有p波和s波偏振分量，并且可以接收接近p波的光以增加信噪比。在这种情况下，在本发明中，入射光需要以满足p 波非反射条件的入射角θ照射。椭偏等式中的复反射系数比(ρ)由p波反射系数比(Rp) 与s波反射系数比(Rs)之比表示，即ρ＝Rp/Rs。p波非反射条件是指p波反射系数比(Rp)具有接近0的值的条件。p波非反射条件类似于现有技术的SPR传感器的表面等离子体共振条件并且是本发明的测量灵敏度最大化的条件。
光源310照射红外线、可见光或紫外线的波长范围内的单色光或照射白光。光源310使用各种灯、发光二极管(LED)、激光器、激光二极管(LD)等。在这种情况下，光源310可以包括根据光学系统的结构改变波长的结构。同时，反射光的光信号可以在上述p波非反射条件附近具有相对小的强度。在这种情况下，可以通过使用激光或激光二极管(LD)以高光量照射光来实现高灵敏度测量，以增加信噪比。
偏振器320具有偏振板以使从光源310照射的光偏振。在这种情况下，偏振分量是平行于入射面的p波和垂直于入射面的s波。
准直透镜330接收来自光源310的光，以向偏振器320提供平行光。此外，通过偏振器320的平行光由聚焦透镜340会聚，以增加入射光的量。此外，第一补偿器 350用于使入射光的偏振分量的相位滞后。
如图5所示，偏振光检测单元400接收从吸附层530反射的反射光12，并检测偏振状态的变化。偏振光检测单元400包括分析器410、光电检测器420和处理器430 作为基本组件，并且可选地包括第二补偿器440和光谱仪450。对应于偏振器320的分析器410具有偏振板，以使反射光再次偏振，从而控制反射光的偏振度或偏振面的取向。此外，分析器410可以依据光学系统的结构可旋转地构造，或者可以进一步设置有可以执行偏振分量的相变或消除的偏振调制单元。
光电检测器420检测偏振反射光以获得光学数据并将光学数据转换成电信号。在这种情况下，光学数据包括关于反射光的偏振状态的变化的信息。光电检测器420 可以是CCD型固态成像元件、光电倍增管(PMT)或硅光电二极管。
处理器430从光电检测器420接收电信号以推导出测量值。处理器430包括使用反射测量法和椭偏测量法的预定解释程序，使得处理器430提取并解释转换为电信号的光学数据，以推导出诸如样本的吸附浓度、吸附层160的厚度、吸附常数、解离常数和折射率的测量值。为了提高测量灵敏度，处理器430可以通过计算用于椭偏测量法的相位差的椭偏常数Ψ和Δ来理想地推导出测量值。
第二补偿器440使反射光的偏振分量的相位延迟以控制偏振分量。第二补偿器440可以可旋转地构造或可选地包括另一偏振调制单元。
当光源310是白光时，使用光谱仪450。光谱仪用于解析反射光并分离具有窄带波长的反射光，以将分离出的反射光发送到光电检测器420。在这种情况下，光电检测器420是诸如CCD型固态成像元件的二维图像传感器，并获得关于反射光分布的光学数据。
尽管未在图中例示出，但是本发明的示例性实施方式还可以包括样本注入单元。在这种情况下，样本注入单元(未示出)将包含样本的缓冲溶液或缓冲溶液注入到微通道210或从微通道210排出。
【基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置的测量方法】
在下文中，将参照附图描述同时测量缓冲溶液的折射率和分子联结特性的方法及其原理。
图9是例示了根据本发明的用于同时测量缓冲溶液的折射率和分子联结特性的方法的流程图。如图9所示，本发明的测量方法包括第一步骤S100至第五步骤S500。
如图5所示，在第一步骤S100中，样本注入单元将包含低分子量材料的生物粘附材料的样本(未示出)溶解到缓冲溶液50中，并将样本注入到微通道结构100的微通道210中。在这种情况下，样本注入单元可以将包含具有不同浓度的样本的缓冲溶液50注入到多通道中的每个微通道210中。
此外，样本注入单元可以以一定时间间隔将缓冲溶液50注入每个微通道210中。此外，缓冲溶液50可以仅注入到一些微通道210中，并且可以不使用其余的微通道 210。
在第二步骤S200中，将生物粘附材料的样本(未示出)吸附到基板510或介电薄膜520上以形成吸附层530。
与此不同，样本可以吸附在形成在图8的单个微通道210c上的多个不同的自组装单层膜上或相同的自组装单层膜上的多个吸附层上，以形成具有不同联结特性的吸附层。
在第三步骤S300中，从光源310照射的预定光被偏振器310偏振，并通过梯形入射结构棱镜100入射到吸附层530上。在这种情况下，偏振入射光10穿过梯形入射结构棱镜100并且按照位于棱镜100下边缘的微通道210c中的缓冲溶液50的折射率以预定角度折射，然后入射到吸附层530上。在这种情况下，偏振入射光具有p 波和s波偏振分量。同时，入射光需要具有满足p波非反射条件的入射角θ。
在第四步骤S400中，从吸附层530反射的反射光通过棱镜100入射到偏振光检测单元400中。在这种情况下，反射光是椭圆偏振状态。同时，在偏振入射光10中，从棱镜的下界面反射的光14从梯形入射结构棱镜100的上界面被全反射，使得光14 的路径不被引导到偏振光检测单元400。
在第五步骤S500中，偏振光检测单元400检测反射光的偏振状态。更具体地说，首先，分析器410接收在吸附层530上被椭圆偏振的反射光，以仅使根据偏振特性的光通过。
接下来，光电检测器420检测反射光的偏振分量的变化以获得预定的光学数据，将光学数据转换为电信号，并将电信号发送到处理器430。
接下来，包括使用反射测量法或椭偏测量法的程序的处理器430提取并解释转换为电信号的光学数据，以推导出诸如样本的吸附浓度、吸附和解离常数、样本的折射率和缓冲溶液的折射率的值。
在这种情况下，在本发明中，处理器430计算关于椭偏测量法的相位差的椭偏常数Δ，以测量缓冲溶液的折射率的测量值，并测量关于幅度比的椭偏常数Ψ，以计算键合动力学。这是因为关于相位差的椭偏常数Δ仅对缓冲溶液的折射率变化敏感，并且在p波非反射条件下几乎不受联结特性的影响，因此可以仅测量缓冲溶液的折射率变化。此外，关于幅度比的椭偏常数Ψ对材料的联结特性高度敏感。
因此，流动的缓冲溶液中包含的样本的联结特性被测量为Ψ，同时其内溶解有样本的缓冲溶液的折射率变化或者含有添加以用于溶解样本的溶剂(诸如DMSO)的缓冲溶液的折射率变化被确定为Δ,，从而仅确定纯联结特性。
实验例
图10a-10b是例示了根据本发明示例性实施方式的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置中偏振的入射光10的路径的图。
具体而言，图10a例示了包括由BK7形成的梯形入射结构棱镜的硅基液浸微通道测量装置的示例，并且图10b例示了包括由SF10形成的梯形入射结构棱镜的硅基液浸微通道测量装置的示例。
在现有技术中，存在的问题在于，依据折射率的变化而改变的不同角度的测量范围受到限制。
然而，如图10a-10b所示，根据本发明示例性实施方式的包括梯形入射结构棱镜的硅基液浸微通道测量装置可以使用偏振光检测单元400检测具有不同入射角的第一入射光10和第二入射光20。也就是说，与现有技术相比，允许更宽范围的入射角，并且还扩大了依据折射率的变化而改变的不同角度的可测量范围。
如上所述，根据本发明示例性实施方式的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置使用梯形入射结构，通过从作为光的前进方向的梯形棱镜的上表面全反射从棱镜和介质的界面反射的光，来仅分离和检测从基板材料反射的光，以实现高灵敏度测量。
在现有技术的测量方法中，从棱镜和测量介质的界面反射的光具有比从基板材料反射的光更高的能量，并且几乎不分离从而导致测量误差。此外，当使用隔膜来分离光时，存在问题。然而，使用梯形入射结构棱镜，可以将从棱镜和测量介质的界面反射的光与从基板材料反射的光完全分离。
在需要使样本消耗最小化的新药候选材料搜索的实验中，需要最小化通道的高度。此外，在梯形入射结构的情况下，通道的高度可以比倾斜入射结构的高度降低更多(在使用棱镜和微通道的界面和硅表面的倾斜的结构中，需要倾斜结构的最小高度)。
此外，本发明的微通道结构包括微通道，该微通道与被优化用于分析生物粘附材料的梯形棱镜结构组合，并且由形成有多通道或多个自组装单层膜的单通道来构造。因此，通过改变待注入多通道微通道的样本浓度或改变自组装单层膜的吸附度来提供各种实验条件，从而可以增加生物粘附材料的分析实验的效率。
此外，本发明可以以高灵敏度在液浸微通道环境下按照非未标记(non-leveling)方式测量生物粘附材料，以广泛应用于各种工业，例如生物、医疗、食品和环境。同时，根据本发明示例性实施方式的基于梯形入射结构棱镜入射型硅的液浸微通道测量方法可以以诸如程序模块的包括可由计算机执行的命令的记录介质的形式实现以自动化。计算机可读介质可以是计算机可访问的任意可用介质，并且包括所有易失性和非易失性介质，以及可移动和不可移动介质。此外，计算机可读介质可以包括所有计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括通过用于存储诸如计算机可读命令、数据结构、程序模块和其他数据的信息的任意方法或技术来实现的所有易失性和非易失性介质、以及可移动和不可移动介质。
例如，记录介质可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁带、磁盘、闪存和光学数据存储装置。此外，计算机可读记录介质分布在通过计算机通信网络连接的计算机系统中，并且计算机可读代码存储在其中并以分布式方式执行。
通信介质通常包括计算机可读命令、数据结构、程序模块或诸如载波或其他传输机制的变型数据信号的其他数据，并且还包括任意信息传送介质。
本发明的上述描述仅是示例性的，并且本领域技术人员理解，在不改变本发明的基本特征的技术精神的情况下，可以将本发明容易地修改为另一特定类型。因此，应该理解，上述实施方式旨在从各个意义上都是示例性的，并非限制性的。例如，被描述为单数形式的部件可以体现为分散的、或者分散的部件可以体现为组合形式。
本发明的范围由下面要描述的权利要求而不是详细描述来表示，并且应该将权利要求的含义和范围以及源自其等同物的所有修改或变型形式解释为落入本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种基于截顶金字塔形棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置，所述液浸微通道测量装置包括：
微通道结构，其包括支撑体和至少一个微通道，所述至少一个微通道形成在所述支撑体上并具有固定有第一生物粘附材料的样本检测层以检测第一样本；
截顶金字塔形棱镜，其形成在所述微通道结构的上部上；
样本注入单元，其将包含所述第一样本的缓冲溶液注入到所述微通道中；
偏振光产生单元，其以满足p波非反射条件的入射角将通过所述截顶金字塔形棱镜偏振的入射光照射到所述微通道上，其中，所述入射光从所述截顶金字塔形棱镜的下界面折射到所述微通道；以及
偏振光检测单元，其检测偏振入射光中折射到所述微通道且从所述样本检测层反射的第一反射光的偏振变化，
其中，所述截顶金字塔形棱镜的上界面对入射到所述截顶金字塔形棱镜上的偏振入射光中的第二反射光进行全反射，该第二反射光是从所述截顶金字塔形棱镜的下界面和注入到所述微通道中的缓冲溶液之间的界面反射的，
其中，所述截顶金字塔形棱镜将所述第一反射光与所述第二反射光完全分离以使所述偏振光检测单元仅检测所述第一反射光。
2.根据权利要求1所述的液浸微通道测量装置，其中，所述第一反射光相对于所述截顶金字塔形棱镜的上界面沿与第二反射光不同的方向行进。
3.根据权利要求1所述的液浸微通道测量装置，其中，所述截顶金字塔形棱镜的上界面被抛光以被平坦化，使得所述第二反射光从所述截顶金字塔形棱镜的上界面全反射。
4.根据权利要求1所述的液浸微通道测量装置，所述液浸微通道测量装置还包括：
光学装置，其调节通过所述截顶金字塔形棱镜入射的所述入射光的量。
5.根据权利要求4所述的液浸微通道测量装置，其中，所述光学装置还包括：
焦点形成装置，其用于在所述截顶金字塔形棱镜的倾斜表面上形成所述入射光的焦点。
6.根据权利要求5所述的液浸微通道测量装置，其中，所述焦点形成装置是透镜和反射镜中的任何一种。
7.根据权利要求1所述的液浸微通道测量装置，其中，所述样本检测层包括：
基板；
介电薄膜，其形成在所述基板上方；以及
吸附层，其形成在所述介电薄膜上方，
其中，用于检测所述第一样本的第一生物粘附材料被固定至所述吸附层。
8.根据权利要求7所述的液浸微通道测量装置，其中，所述第一反射光还包括从所述介电薄膜反射的光。
9. 根据权利要求7所述的液浸微通道测量装置，其中，所述介电薄膜由透明半导体氧化物膜和玻璃膜中的任何一种来构造，并且所述介电薄膜的厚度为0 nm至1000 nm。
10.根据权利要求7所述的液浸微通道测量装置，所述液浸微通道测量装置还包括：
浓度计算单元，其基于所述第一反射光的偏振变化来计算吸附在所述吸附层上的第一样本的厚度或浓度。
11.根据权利要求1所述的液浸微通道测量装置，其中，所述微通道结构还包括第二微通道，在所述第二微通道中形成固定有第二生物粘附材料的第二样本检测层以检测第二样本。
12.一种基于截顶金字塔形棱镜入射型硅的液浸微通道测量装置，所述液浸微通道测量装置包括：
微通道结构，其包括支撑体、第一微通道和第二微通道，该第一微通道形成在所述支撑体上并具有固定有第一生物粘附材料的第一样本检测层以检测第一样本，该第二微通道形成在所述支撑体上并具有固定有第二生物粘附材料的第二样本检测层以检测第二样本；
截顶金字塔形棱镜，其形成在所述微通道结构的上部上；
样本注入单元，其将包含所述第一样本的缓冲溶液和包含所述第二样本的缓冲溶液分别注入到所述第一微通道和所述第二微通道中；
偏振光产生单元，其以满足p波非反射条件的入射角将通过所述截顶金字塔形棱镜偏振的入射光照射到所述第一微通道和所述第二微通道上；以及
偏振光检测单元，其检测偏振入射光中从所述第一样本检测层或所述第二样本检测层反射的第一反射光的偏振变化，
其中，所述偏振光产生单元包括分束器，该分束器将所述入射光划分成入射到所述第一样本检测层上的第一入射光和入射到所述第二样本检测层上的第二入射光，所述第一入射光和所述第二入射光均被划分成第一反射光和第二反射光，其中，所述第一反射光是所述第一入射光或所述第二入射光从所述截顶金字塔形棱镜的下界面折射到所述第一微通道或所述第二微通道并且从所述第一样本检测层或所述第二样本检测层反射形成的，所述第二反射光是由所述截顶金字塔形棱镜的下界面和注入所述第一微通道或所述第二微通道中的缓冲溶液之间的界面反射形成的，并且所述截顶金字塔形棱镜的上界面对所述第二反射光进行全反射，
其中，所述截顶金字塔形棱镜将所述第一反射光与所述第二反射光完全分离以使所述偏振光检测单元仅检测所述第一反射光。
13.根据权利要求12所述的液浸微通道测量装置，其中，所述第一样本检测层和所述第二样本检测层分别包括：
基板；
介电薄膜，其形成在所述基板上方；以及
吸附层，其形成在所述介电薄膜上方，
其中，用于检测所述第一样本的所述第一生物粘附材料或用于检测所述第二样本的所述第二生物粘附材料被固定至所述吸附层。
14.根据权利要求13所述的液浸微通道测量装置，所述液浸微通道测量装置还包括：
浓度计算单元，其基于所述第一反射光的偏振变化来计算吸附在所述吸附层上的所述第一样本或所述第二样本的厚度或浓度。
15.一种使用根据权利要求1-11中任一项所述的液浸微通道测量装置执行基于截顶金字塔形棱镜入射型硅的液浸微通道测量方法，所述液浸微通道测量方法包括以下步骤：
第一步骤，通过样本注射单元将缓冲溶液注入到包括至少一个微通道的微通道结构中，所述至少一个微通道具有固定有第一生物粘附材料的样本检测层以检测第一样本；
第二步骤，将所述缓冲溶液中包含的第一样本吸附到所述样本检测层的第一抗体上；
第三步骤，使偏振光产生单元对通过在所述微通道结构上方形成的截顶金字塔形棱镜的入射面以满足p波非反射条件的入射角入射到所述微通道上的光进行偏振；
第四步骤，使偏振光检测单元检测偏振入射光中从所述样本检测层反射的第一反射光的偏振变化；以及
第五步骤，基于所述第一反射光的偏振变化，检测吸附在所述样本检测层上的第一样本的浓度，
其中，所述截顶金字塔形棱镜的上界面对入射到所述截顶金字塔形棱镜上的入射光中的第二反射光进行全反射，该第二反射光是从所述截顶金字塔形棱镜的下界面和注入到所述微通道中的缓冲溶液之间的界面反射的，
其中，在所述第四步骤中，所述截顶金字塔形棱镜将所述第一反射光与所述第二反射光完全分离以使所述偏振光检测单元仅检测所述第一反射光。
16.根据权利要求15所述的液浸微通道测量方法，其中，所述截顶金字塔形棱镜的上界面被抛光以平坦化，使得所述第二反射光从所述截顶金字塔形棱镜的上界面全反射。
17.根据权利要求15所述的液浸微通道测量方法，其中，所述第三步骤还包括由光学装置调节通过所述截顶金字塔形棱镜入射的入射光的量的步骤。
18.根据权利要求17所述的液浸微通道测量方法，其中，所述光学装置还包括反射装置，所述反射装置包括透镜和反射镜中的任何一个，并且所述第三步骤还包括在所述截顶金字塔形棱镜的倾斜表面上形成所述入射光的焦点的步骤。
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