SE531493C2 - Sensor - Google Patents

Description

lS 20 25 30 531 453 SPR är en populär teknik, som har visat sig vara både känslig och pålitlig. Applikationsomräden är till exempel mätning av koncentration av substanser i biologisk forskning, biokemisk forskning, kemisk forskning, klinisk diagnostik, livsmedelsanalys, miljömätningar etc. Kinetiska mätingar kan användas för att bestämma reaktionskonstanter såsosm (kan) och (kan). Afñnitetsrnätningar kan användas för att bestämma jämvikts-associationskonstanten (KA) och dissocationskonstanten (Kn), så även aviditet.

SPR är ett välkänt fenomen, vilket är en bunden elektromagnetisk våg, uppkommen på grund av oscillationer av elektroner i gränsen mellan ett plasma och ett dielektrikum. Ytplasmonen kan endast existera vid gränsen mellan plasmat (till exempel en metall) och dielektrikumet. En förändring av de optiska konstanterna hos dielekrikmmet, ändrar utbredningskonstanten för ytplasmonen. Ytplasmonen kan exciteras med hjälp av ljus om ljusets utbredingskonstant parallellt med ytan är lika med, eller nära, utbredningskonstanten för ytplasmonen. Normalt används Kreschmannkonfigurationen (71, där en tunn metallfilrn appliceras på ett prisma, vilket har ett högre brytningsindex än provet som mäts. Detta benämns också för ”backside illumination” (backsidebelysning) då inget ljus utbreder sig i provet. Ytplasmonen år exciterad med ett ”evanescent” fält under totalreflektion, det vill säga, vid en vinkel, normal till ytan, som år större än den kritiska vinkeln. Vid en speciell infallsvinkel, möter den komponent av vågvektorn som är parallell med ytan den reella delen av den komplexa vägvektorn för en ytplasmon, och därför kommer ljuset att kopplas till ytplasmonen och utbredas vid gränssnittet mellan plasmat och dielektrikumet.

Ytplasmonen kommer att àterstråla i prismat, och för en viss tjocklek av plasmat kommer en destruktiv interferens att uppstå, vilket leder till noll eller nära noll intensitet av det reflekterade ljuset. För en slät yta av plasmat, kommer det kopplade ljuset att bli absorberat i plasmat och generera värme. När molekyler binder nära gränssnittet (inom probdjupet för ytplasmonen) kan interaktionen detekteras genom ett skift i ytplasmonens resonansvillkor. Detta kan detekteras som ett skift i en 10 15 20 25 30 531 493 reflekterad ljusintensitet. Detta är också fallet när ett lager ändrar sin täthet på grund av konformationsändringar eller extern påverkan.

Det vanligaste sättet att konstmera en SFR-apparat är att använda ett prisma (triangulärt, halvcylíndrískt eller en godtycklig form) och applicera på prismat ett separat plant substrat vilket innehåller SPR~metallen. l detta fall är det nödvändigt att ha ett matchande brytningsindexmaterial mellan prismat och substratet för att få en god optisk koppling.

Materialet kan antingen vara en optogel [8] eller en brytningsindexmatchande vätska. Användandet av en optogel för med sig nackdelen med slitage, optisk irnperfektion och hög kostnad. Om en brytningsindexmatchande vätska används, är en omständlig procedur med applicering och rengöring nödvändig, förutom extra kostnaden. Det finns andra konfigurationer, till exempel ett prísma med förångad metallfilm [9] och SPR-ljusledare [10] som inte kräver ett optiskt kopplingsrnedium. Ytterligare en annan konfiguration som inte behöver använda ett optiskt kopplingsmedium, är en kapillär [l l]. I en annan konfiguration, ñberoptisk SPR [12-141, kan man avstå från att använda ett optiskt kopplingsmedium, men för fallet med en utbytbar probe, Så behövs ett kopplingsmedium.

Ytplasmonresonansfenomenet (SPR) var beskrivet redan 1959 [15] och SFR-apparater för tunn beläggningsanalys har blivit grundligt beskrivet sedan 1968 [l6, l7]. SPR-uppställningar för ”biosensing” användöS fÖISï 1982 [1] och för avbildande applikationer 1987 [18, l9]. Med avbíldandß SPR även benämnd SPR-mikroskopi, så uppkommer nya appIikatíOIICf, till exempel markörfri - realtid - multifläck biokemiska analyser [20, 2 l].

Vilket kan öka kapaciteten enormt. Píonjärarbetet avseende avbildande SPR utfördes av Knoll och andra, vilka undersökte ytor mönstrade med Langmuir-Blodgett-ñlmer [22, 23). De undersökte också de fysíkaliSka aspekterna av tekniken, inkluderande lateral upplösning B41» OCh föreslog olika upp ställningar, till exempel den roterande gitterkopplaren 1251. 10 15 25 30 531 493 De flesta SPR-uppställningar använder sig av ett plant mätsubstrat, brytningsíndexmatchande lager, och ett kopplingselement, till exempel, ett prisma. Användandet av en plan sensoryta med multipla sensorornråden arrangerade på ett två-dimensionellt sätt, innebär att det finns ett par något omståndliga (och dyra) sätt att låsa ut den optiska utsignalen från ytplasrnonresonansanordningen. I princip, så ñnns det två metoder att utföra en utlåsning, genom att mekaniskt avsöka sensorsubstratet, eller använda avbíldande optik. Inte bara utläsningen är komplex, utan fördelningen av undersökningsprover år ofta mycket komplex, med användandet av ventiler och kanaler eller dyra provtagningsrobotar.

Dock, så finns det tillvägagångssätt som inte använder sig av plant substrat. Chinowsky och andra använder ett sätt [l l), där ett kapillârrör används, US patent US6,480,282. Själva rörvåggen år då kopplingsmediet, och ingen brytningsindexmatchande vätska år nödvändig. Kapillären är användbar för multisensorkonfiguration, där den andra tekniken kan vara detektion av den kritiska vinkeln, fluorescens, kemilumiscens, absorption eller Ramanspridning. Den kan med svårighet användas som en axiell multiflåckssensor, och med stora svårigheter kan möjligen några mâttläckar separeras radiellt. Dock, har denna metod många nackdelar. Det är mycket svårt att att tåcka insidan av kapillårröret med en metall som har precis tjocklek, på grund av den lilla diametern och den långa längden. Kapillàrrör är normalt inte högprecisionsoptik, vilket kommer att förvränga optiska bilder.

Kapillåranordningen är användbar för en eller några få måtflåckar, och den lilla diametern innebär att det kommer att bli svårt att tillverka anordning med många mätflåckar. Kapilläranordningen har typisk! en relativt stor diameter, till exempel 400 pm, jârnfört med en tunn flödescell, till exempel 10 pm, vilket gör kapillârröret inefiektivt gällande små provvolymer, och masstransport.

En annan struktur som liknar kapillåranordriíngen är föreslagen av Nakaso Nobutaka, Japan patent JP2003-294616. Denna använder en 10 15 20 25 30 531 493 böjd kavitet, med en diameter på typsiskt 20 um, till exempel en cylinder, eller en del av en sfär, vilken är formad i en transparent klots. Klotsen har en typisk dimension på 2x2 mm. Och är typiskt utskuren från en glasskiva med tjocklek 0.2 mm. Olika klotsar, med olika igenkänningsmolekyler, kan staplas. Ytplasmonen exciteras radiellt inuti kaviteten. Ännu en annan struktur som använder sig av en böjd mätyta år föreslagen av Atushi och andra Japan Patent JP2003-075333. Denna anordning använder sig av böjda kaviteter för igenkånningsställßfl, företrädesvis många kaviteter används för en multiflåckssensor.

Kaviteten kan vara cylindrisk, sfårisk eller ha en godtycklig kurvatur, Och ytplasmonen exiteras radiellt, som är beskrivet av Chinowsky. Dock, är den yttre ytan, som träffs av det infallande ljuset, plan. Den föreslagna kaviteten är inte avsedd för multipla mätornràden.

Användandet av en liten radie för ytan där ytplasmonen finns, kommer inte bara att leda till dålig passning mellan vågvektor för ytplasmon och infallande ljus, utan också leda till svårigheter att uppnå små ljusstrålar och jämna reflektanskurvor.

En SPR-uppställning som använder sig av en konvex böjd SFR-stödjande yta år beskriven av Rooney och andra, Senors and Actuators B, 26 April 2006. Det finns också en beskrivning på en SFR-uppställning innehållande en rörfonnig bägare, där ett SFR-stödjande lager finns på den plana botten, EP 1 186881, Haya och andra 2002 (Fuji PhOtO Film Co).

Sammanfattning av uppfinningen I åtanke av de tíllkortakommanden hos ”prior surf-anordningar, är syftet med uppfinningen att ordna en förbättrad SFR-anordning och möjliggöra, till exempel, analys av multipla prover på ett enkelt sätt, och som även är enkel och billig att producera. 10 15 20 25 30 531 493 Detta syfte uppnås med en anordning som hävdas i krav 1, genom en sensorenhet innefattande en transparent sensorstruktur, bildande minst en vägg i en kavitet, där väggen är definierad av en konkav inneryta och en konvex ytteryta; där innerytan år försedd med med ett skikt ledande material, vilket kan stödja en ytplasmon; en ilödesstruktur i nämnda kavitet till bildandet av minst en avdelning för prov mellan flödesstrukturen och kavitetens innervâgg. Flödesstrukturen är passande tillhandahållen som en insats passande i kaviteten, där insatsen är konfigurerad och strukturerad för att tillhandahålla de nödvändiga kanalerna, avdelningar eller andra utrymmen nödvändiga för att rymma ett prov. Konñgurationen av insatsen gör den också idealisk för precis temperaturreglering av provet.

Följdaktligen, sà är en ny konfiguration av en ytplasmonresonansuppställníng introducerad. En sensorenhetsanordning med konvex böjd ytteryta och konkav inneryta i en eller två dimensioner är använd (till exempel cylinder eller halvsfär).

Innerytan är, åtminstone delvis, belagd med ett ledande skikt, som har möjligheten att leda en ytplasmon. Anordningen är en utveckling från den plana strukturen med möjligheten att innefatta multipla igenkänníngsomràden i en eller tvâ dimensioner. Kurvaturerna av både de yttre och inre ytorna innebär att strukturen självt agerar som en optisk anordning, vilket eliminerar dyr optik för ljuskällor och detêkwrfif, till exempel en kollimerad infallande stråle kommer av de böjda yttre och inre ytorna att bli transformerad till flera vinklar, vilka innefattar intressanta vinklar, och vidare spridda till en detektor, utan användning av annan optik. Användandet av makroskopiska dimensioner som i den konventionella plana konfigurationen, innebär att en flödesstruktur kan lätt innefattas nära eller i kontakt med innerytan. Flödesstrukturen kan i sin enklaste form vara en vägg nära innerytan, inbyggd i den optiska strukturen. En sådan vägg kan minska provvolymer, utan att minska fördelen med makroskopisk storlek på sensorenheten. Med en insats, kan mångsidiga flödessystem formas, både för immobilisering av 10 15 20 25 30 531 493 igenkânningsrnolekyler och prov. Kurvaturen gör anordningen idealisk för rotation, där olika rader med igenkänningsomràden kan adresseras både optiskt och med flödescellerna i en enskild operation, elímerande dyra flödessystern. Speciellt, är den idealisk som en diagnostisk revolver, där en eller tler analyter mäts axiellt med en eller flera mätflàckar, och olika prov analyseras genom att rotera anordningen, med nya mätiläckar, för samma eller olika analyter. Ytplasmonen exiteras radiellt, och en utförandefonn år en sluten struktur, en annan är en öppen, där ett vinkelsegrnent av strukturen saknas, till exempel ett rör som är axiellt delat på hälften.

I en utförandeforrn, gör rotationssymmetri anordningen ideal för att monitorera substanser eller bildandet av nya substanser nära väggen.

Formen på anordningen gör den idealisk för multiflâck och detektion av stora områden. Formen gör det lätt att skanna hela anordningens inner-yta genom att antingen rotera anordningen eller genom att rotera ljuskällan och detektorn. Rotationssymmetri och makroskopiska dimensioner är idealiska för en insats innehållande ett ilödessystem med provdistibution.

Användandet av makroskopiska dimensioner leder till enklare optik där strålbredder från kommersiella komponenter kan användas med optisk utsignal som genererar ytplasmonresonansvinklar av intresse, till exempel för brytningsindex från till exempel 1.33 till 1.45. Ännu en fördel pä grund av innerytans relativt stora radie är en lite böjd ytpIaSmOIIVåE, och därför undviks oönskade optiska effekter, till exempel interferenser och dålig koppling till ytplasmonen.

Inte endast år den nya konfigurationen perfekt för mätningar med ytplasmonresonans, det leder också till ett mycket enklare instrument än vad som är tidigare standard. Frånvaron av en brytningsindexmatchande substans leder till lägre kostnader, mindre underhåll och enklare förfarande. De fysiska dimensionerna pä anordningen innebär att den är enkel att tillverka med hög precision och till en låg kostnad. Pâ grund av 10 15 20 30 531 493 att anordingen lätt kan förslutas, âr den också perfekt för hålsovàdliga substanser.

Uppfinningen kan lätt förses med en effektiv temperaturreglering. En symmetrisk konfiguration av ett SFR-rör / kärl reducerar temperaturgradienter, och därför är den användbar för noggrann temperaturreglering och högprecisionsmätningar.

Uppñnningen kan användas för ”biosensing” till exempel för monitorering av kemiska och biologiska reaktioner i realtid med markörfria molekyler.

En uppställning med en kollímerad ljuskälla i en ny konfiguration med guld som den SFR-stödjande metallen beskrivs både teoretiskt och experimentellt. Simuleringar av sensorresponsen baserad på oberoende upptagna optiska (ellipsometríska) data på guld, visar att den föreslagna optiska uppställningen fungerar som en ytkânslig differentiell refraldorneter, där prestanda är samma eller bättre än dagens instruments.

En sluten konfiguration av provområdet gör den också idealisk för gasmåtníngar.

Huvudfördelen med uppfinningen år: Enklare och billigare instrument och förbrukningsvaror kan produceras.

Elimineringen av ett brytningsindexmatchande skikt (som användes i Kretschmannkonfigurationen) innebär att handhavandet och byte av mätytor utföres enkelt.

En rotation- eller delvis rotatíonssymmetrisk mâtyta innebär alt den användas tillsammans med ett roterande lod som genererar slšll-lv Och en effektivare masstransport av analyter till den mâtande ytan.

Användandet av ett konískt lod och /eller kärl innebär att en gradient av de ímmobíliserade molekylerna enkelt kan genereras. Vidare, på grund av skilda masstransport förutsättningar, kan en gradient av dßfl fria 10 l5 20 25 30 531 493 analyten skapas. Dessa egenskaper gör det möjligt att utföra en effektiv interaktionsanalys.

Utförandet som ett cirkulärt kärl innebär att ett prov- och flödeshanteringssystem kan integreras inuti kaviteten. Även uppsamlingsavdelningen kan integreras, till exempel av såkflfhetSskä-l- SPR-röret, bägare eller kärl kan utnyttja fördelen mfid fíßn rotationssymmetriska symmetrin, där väggen agerar som ett kopplingsrnedium, vilket ökar utbredningsvektom parallell med ínnerytan av röret, vilket gör det möjligt att exitera en ytpIaSmOII- Användandet av väggen innebär att inget brytningsindêXmß-tflhaïïde medium, till exempel vätska, gel eller film, är nödvändig, vilket leder till en enkel och billig uppsättning. Vidare, hanteringen och byte av mâtytor är då mycket enkelt. En rotationssymmetrisk struktur av röret/ kärlet innebär att röret/ kårlet kan roteras och skannas över hela innerytan, vilket gör den idealisk för multi-flâck mätningar. En rotationssymmetfïsk konfiguration gör det möjligt att placera insater inuti kärlet/ röret, vilket lätt kan förseglas.

Om SPR-röret/kärlet är koniskt, blir en korresponderande konisk insats självpositionerad och självtätande, pá grund av att den Passar exakt 1 kaviteten, vilket gör den till en idealisk struktur för ett integrerat flödessystem, vilket kommer att visas i detalj nedan. Systemet kan Också göras läckagesäkert.

Det är också idealiskt när ett lod (fast eller roterande) anvåndS.

Rotationen av lodet relativt röret / kärlet gör det möjligt att monitorera interaktioner, formering av belåggningar, och konforrnationsförändrinåaf vid olika skjuv. SPR-kärlet kan effektivt användas för monitorering av polymerisations- och depolyrnerisationsprocessßf l3l> tm exempel hemostas. lO 15 20 25 30 531 493 10 Medan reflektansmätningar av p-polariserat ljus är den dominerande tekniken för SPR, kan ellipsometriska mätningar utföras, det vill säga polarisationstillständet, genom att använda både p- och s-polariserat ljus. Många ellipsometriska tekniker är välkända för plana strukturer, så som nolhellipsometri, ”off-nulP-ellipsornetri, roterande analysator etc, vilka alla kan användas i den föreslagna strukturen.

För en förbättring av responssígnalen, kan en ”sandwich- assay” användas, där en immobiliserad molekyl agerar som fångande molekyl för en analytmolekyl, och en tredje rnolekyl fästs till analyten antingen genom blandning i provet eller genom ett ytterligare reagenssteg. Den tredje molekylen kan vara en stor molekyl, eller ha ett högt brytningsindex, eller använda båda egenskaperna.

Vidare omfattning av användbarheten gällande den förevarande uppfinningen kommer att bli tydlig genom den detaljerade beskrivningen som ges härefter och de medföljande rítningama, vilka bara visas som illustration, och kan därför inte anses vara begränsande gällande den förevarande uppfinningen.

Uppfinningen är nu illustrerad med beskrivning av utföríngsførrnßf med referens till ritningarna och experiment, men det skall förstås att uppfininngen inte är begränsad till de specifikt visade utföríngsformerna, Kort beskrivning av ritningarna Fig. la visar en apparat för ytplasmonresonans med en linjeformad stråle (sned vy) utan något avbildande objektiv.

Fig. lb Visar en apparat för ytplasrnonresonansmätningar med en linjeformad stråle (vy från ovan) utan något avbildande objektiv.

Fig. 1c Visar en apparat för ytplasmonresonansmåtningar med än linjeformad stråle (sned vy) och ett avbildande objektiv. 10 15 20 25 30 531 493 11 Fig. ld Visar en apparat för ytplasmonresonansmämingar med en línjeformad stråle (vy från ovan) och ett avbíldande objektiv.

Fig. le Visar en apparat för ytplasmonresonansmâtriingar med en linjeforrnad stràle (sidvy) och ett avbildande objektiv.

Fig. 2 Visar en apparat för ytplasmonresonansmâtningar med en fokuserad solfiäderfonnad stråle.

Fig. 3a Visar en apparat för ytplasmonresonansmåmingar med en gaussisk, cirkulär-t formad stråle, sídvy.

Fig. 3b Visar en apparat för ytplasmonresonansmåtriíngar med en gaussisk, cirkulârt formad stràle, perspektivvy.

Fig. 4 visar vinklarna för infallande och reflekterade strålar.

Fig. 5 visar en sensorenhet med ett edhesionslager och metallbelâggning.

Fig. 6 visar en sensorenhet med olika igenkânníngsomràden.

Fig. 7 visar en sensorenhet som mäter en polymerisation/ depolyïnerisation, med eller utan oscillatíon av bägaren / kârlet.

Fig. 8 visar en sensorenhet med en rnätñlm av en polymer för igenkänning av gas eller vätska.

Fig. 9a visar en sensorenhet innehållande skivor med olika igenkänníngslager. 10 15 20 25 30 531 453 v-»ïyïi Fig. 9b visar en sensorenhet innehållande skivor med olika ígenkänningslager, där det analyserade mediet flödar genom anordningen. i Fig. 9c visar en sensorenhet innehållande skivor med olika igenkánníngslager passande till ett rör.

Fig. 10a visar en apparat där sensorenheten roterar.

Fig. 10b visar en apparat där ett roterande lod är införd i sensorenheten.

Fig. 100 visar en apparat där ett roterande lod är införd i en roterande sensorenhet.

Fig. 1 1 visar en sensorenhet med en konisk form.

Fig. 12a visar en anordning med en utbytbar radiell flödesínsats.

Fig. 12b visar en anordning med en radiell flödesinsats.

Fig. 12:: visar en anordning med en ilödesinsats som använder sig av tätningar.

Fig. 13a visar en axiell flödesinsats.

Fig. 13b visar en anordning med en axiell flödesínsats.

Fig. 14 visar relationen mellan reflektans och den inre ínfallsvinkeln för tre olika våglängder (633, 733 och 833 nm) för två olika effektiva brytningsindex (1330 och 1.333).

Fig. 15 visar den reflekterade intensiteten vid detektorn för två olika brytningsindex av provet (n=1.33 och n=l.34), pà grund av ytpl-HSIIIOHCÛ 10 15 20 25 30 531 493 13 på insidan av väggen på en cylindrisk anordning, där en monokromatísk ljuskålla på 633 nm används.

Fig. 16 visar relationen mellan den yttre infallsvinkeln (luft-glas- gränssnitt) och den inre infallsvinkeln (SFR-vinkeln).

Fig. 17 visar rörelsen av punktens position (i mm/ °) jämfört med infallsvínkeln (SFR-vinkeln) för olika innerdiametrar av anordnirigen.

Fig. 18 visar rörelsen av punktens position (i urn/mRIU) jäinfört infallsvinkeln (SFR-vinkeln) för olika irmerdiarnetrar av anordningen.

Fig. 19 visar skillnaden i riktning för ytplasmonens utbredningsvektor på grund av utbredningslångden och kurvaturen pà ytan av anordningen.

Fig. 20a-c visar anordningen med ett lock eller två lock.

Fíg; 21 visar anordningen placerad i en hållare.

Fig. 22a~c illustrerar detektorsignalen från experiment med apparaten med olika brytningsindex på proven.

Fig. 23a illustrerar en sprângskiss av sensorenheten som ett vinkelsegment, här som ett halvt rör med en flödesiiisats.

Fig. 231) illustrerar en språngskiss av sensorenheten byggd från två eller fler delar, med en flödesinsats.

Fig. 24 illustrerar en sensorenhet där åtminstone en sensoryta är dubbelkrökt.

Fig. 25 illustrerar en genomskârning av en rotationssymmetrisk sensorenhet med en integrerad flödesstrukur. . l0 15 20 25 30 531 493 14 Fig. 26a illustrerar en utföringsfonn med en termiskt styrd sensorenhet. v Fig. 26b illustrerar en utföringsform där vârmeflödet år styrt till sensorenheten med rör.

Fig. 26:: illustrerar en utföringsform där det finns olika temperaturer på olika platser på sensorenheten, skapande en temperaturgradíent.

Fig. 27 illustrerar en utföríngsforrn där värmeflöde transporteras med en vätska nära sensorytan.

Fig. 28 illustrerar en utföringsform för mätningar av polarisationstillstàndet.

Detaljerad beskrivning av föredragna utfóringsformer SFR-teknik Ytplasmonen exiteras av en elektromagnetisk våg, i det synliga området, benämnt ljus, vilkets elektriska fält kan beskrivas: É :_ 'ÉoeiUf-F-m) (1) Där E är det varierande elektriska fältet i tid och rum, Eo en fâltstyrkekonstant, k utbredningskonstanten, rrumsvektørn, 60 vínkelfrekvensen, och t tiden. Ytplasmonen exlteras av elektriska fältets komponent som är parallell med infallsplanet, dvs p-polaríserat ljuS, även benämnd ”transverse magnetic” (TM).

Utbredningskonstanten ges av: 1<=k°-N=í°-1v :EN c Å 10 15 20 25 30 531 493 f5 Där ko, är utbredningskonstanten i fria rymden, N är ett effektivt brytningsindex, c hastighetetn i fria rymden, och A våglängden i fria rymden.

Utbredningskonstanten för en plasmon kan beräknas från Mazfinvells ekvationer, och är för det halv-oändliga fallet givet av (26): k __kN __ '8m(w>'5a si' _ o sr _ ko :m'(“_w)'_'“"+ 8” (3) Där Ks? är den (komplexa) ytplasmonens utbredningskonstant, NsP är det effektiva (komplexa) brytningsindex för ytplasmonen, sm(co) är den frekvensberoende dielektricitetsfilnktíonen (komplex) för metallen som stödjer plasmonen, och ef, är den effektiva dielektricitetsfunktionen för det omgivande mediet (normalt reelt, men kan vara frekvensberoende och komplext). Den effektiva dielektricitetsfunlctionen monitoreras (viktat inom ytplasmonens probdjup) med ytplasmonen. Funktionen för Vägning är exponentiellt avklíngande, och given av: (4) i Där z är rumskoordinaten ut frän ytan, och 6 är det karakteristiska probdjupet.

Det karakteristiska probdjupet är en funktion av våglängden och polarisationsbenägenheten för materialet, och år vid resonans given av! (5) Ytplasmonen utbreder sig utmed gränssnittet och dess intensitet avkiíngar exponentiellt: 10 l5 20 25 30 531 493 .I 6% ___f_ L» Ioce (ö) Där x är koordinaten längs gränssnittet parallell med utbredningen, och Ls» år en karakteristisk utbredningslångd, vilken ges av: 1 Ä 1 1 Lsf>=_'__"“" Im sm (w) - e, em (m) + sa Det finns i princip tre olika sätt att mäta förändringar av SPR- utbredningsvektorn. Först, genom att mäta den reflekterade intensiteten (reflektans) vid en flank på SPR-svackan för en speciell våglängd och infallsvinkel. För det andra, genom att mäta intensiteten på det reflekterade ljuset jämfört med vinkeln på det infallande ljuset i 41: (7) (vinkelupplöst). För det tredje, genom att mäta intensiteten på det reflekterade ljuset för olika våglängder vid en speciell vinkel (väglängdsupplöst).

För noll-dimensionellt SPR (mätning pä en punkt) så kräver intensitetsmätningar bara en enpunkts-detektor (ett element). För en- dimensionell SPR-mätning (mätning av en linje) kräver intensitetsmätningar en en-dimensionell (linje) detektor för att göra en omeddelbar mätning av positionen av en SPR-svacka. Om en två- dimensionell (matris) detektor används, kan en tvädirnensionell mätyta monitoreras. lntensitetsmätningar har nackdelen att bara en liten del av SPR-svackan kan mätas. Detta kan leda till falska tolkningar, om, till exempel svackan breddas eller är påverkad av en drivande offset. Om hela svackan mätes, som är fallet för vinkel- och vàglängds-upplöst, Så elimineras eller åtminstone minskas dessa nackdelar signifikant.

Om vinkel- eller våglängd-upplösning används, så elimineras en dimension av mätytan och ersätts med en SPR-svacka, dvs en två- dimensionell detektor kan monitorera en linje, och en linje-detektor kan l0 15 '20 25 30 531 493 monitorera en punkt. l detta fall är en dimension använd för längdskalan (reeel bild) och en dimension används för svackan (antingen vinkel eller våglängd). Dock, om SPR-röret/kärlet roteras, kan en fullt två- dímensionell yta monitoreras med en tvä-dimensionell detektor, mätande hela SPR-svackan, och en linje kan monitoreras med en en-dimensionell detektor, genom att använda denna skanningsteknik.

Den föredragna detektionsmetoden för SPR-röret/kärlet är vinkelupplöst.

Om ett kollimerat (parallellt) eller något divergent eller konvergent ljus används, kommer ljusstrålen att träffa ytterväggen pä röret/ kärlet och brytas in emot innerytan med ett kontiniuum av infallsvinklar på. grund av strålens bredd. Den totalreflekterade strålen kommer vidare att brytas vid ytterytan och skapa en divergen stràle, där SPR-svackan (vinkelmässigt) lätt monitoreras med en fotodetektor eller en fotografisk ñlm. Relationen mellan infallsvinkel, a, vid ytterytan och infallsvinkeln , 6, vid innerytan ges av: . r 'n , s1nl9= " °-s1na (3) Där ra och n är radierna för respektive yttre och inre ytor, och no är brytningsindex för det omgivande mediet utanför anordningen (normalt luft) och n; är brytningsindex för anordningen. Från ekvation 8 följer att det finns bara ett begränsat antal infallsvinklar, 9, vid innerytan, beroende av värdena ro, n, nu och ni. För fallet där substratets brytningsindex är högre än kvoten mellan den yttre radien och inre radien, âr det inte möjligt att erhålla infallsvinklar vid innerytan (det förutsätts att omgivningen är luft).

Om kollirnerat ljus används, kommer bredden på strålen att leda till en ändlig måtfläck, där olika positioner på den böjda ytan häníÖrS 'du en specifik infallsvínkel. Detta medför att positionen vid resonans kommer att ändras när resonansvillkoren ändras. Ändringen beror av kvoten mellan inre och yttre radierna, men kan för de flesta fall negligeras. 10 15 20 25 531 493 Iš 'lypiskg för ett kronglasrör med 12 mm yttercliameter och 8 mm inner-diameter, är förflyttningen av mätfläcken 100 um för varje grad resonansvíllkoren skiftas. Detta motsvarar approximativt 10 um för 1000 uRIU, dvs förflyttningen är av samma storleksordning som utbredningslängden för plasmonen. Detta medför att för de flesta syften ' kommer förflyttningen av mätfläcken inte vara signifikant.

Närvaron av en böjd yta på röret innebär att ytplasmonen kommer att ”byta riktning” längs ytan, vilket möjligen kan leda till en lägre koppling mellan plasmonen och det irifallande ljuset. Den karakteristiska utbredningslängden för plasmonen år typiskt 2 um och 20 pm för våglängderna 633 nm repektive 900 nm, och för ett 400 um diameter kapíllärrör är avvikelsen för plasmonen vid den karakteristiska utbredningslängden 0.6 respektive 6 grader. Detta innebär att för långa våglängder kommer krökningen att ínterferera med ytplasmonkopplingen, men för kortare våglängder bör krökningen ha liten effekt. För ett 8 mm innerdiameter-kärl är avvikelsen bara 0-03 respektive 0.3 grader, och därför är effekten från krökningen försumbar.

Användandet av andra ledande material med kortare ytplasmon- utbredningslångder, leder till lägre känslighet på grund av brfiddflílïâ av svackan. En föredragen innerradie är mer än 1 mm och företrädesvis 3 till 8 mm, och är typiskt mindre än 20 mm, företrädesvis mindre än 10 mm.

Ellipsometrisk teknik En användbar mätteknik är att utföra en ellipsometrisk läsning, dvs följa förändringar i polarisationstillståndet. Med andra ord, den relativa fasen och amplituden mellan reflektionskoefficienterna för p-polaríserat och s- polarisarat ljus mäts. S-polariserat ljus är det elektriska fältets komponent vinkelrät mot ínfallsplanet, vilket också benämns ”tranSVCYSC electrical” (TE). Ellipsometriska egenskaper är ofta uttryckta i de komplexa (reela och imaginära talen) reflektionskoefñcienterna: 10 15 20 25 531 493 19 R R , _ _ P = Ei = ípe os' ö” = tan(\P)e'^ (9) Där R man? = f' ( ) *E (10) och A =5p ~6S (11) Dvs polarisationstíllståndet kan uttryckas i de ”ellipsometríska vinklarna” EV och A. Polarisationstillstàndet kan mätas me dbåde kompenserande (noll-ellipsometri) och icke-kompenserande (fotometrisk) ellipsometriska system. Den kompenserade ellipsometern kan använda sig av en polarisator-kompensator-prov-analysator~uppsättning (PCSA), där ljuskâllan är placerad före en roterande polarísator, följd av en fix kompensator (vanligtvis en kvartsvågplatta vid 45°). Mellan kornpensatorn och analysatorn är provet placerat, vilket innefattar både SPR- stödjande skikt och provet som skall testas. Analysatorn, som är en polarísator, vilken även roterar. Fotodetektom år placerad efter analysatorn. Polarisatorn och analysatorn roteras oberoende av varandra tills utsläckning uppträder. Kompensatorn introducerar ett fasskift mellan p- och s-polariserat ljus. De ellipsornetriska vinklarna kan hittas som: (12) A = 2P + 90° (13) 10 15 20 25 30 531 493 Där A och P år azimuter för analysatom respektive polarisatorn. Den kompenserade ellipsometern âr inte begränsad till denna uppställning. lcke-kompenserad ellipsorneter kan uppnås på flera sätt. Ett är med fasta azimuter nära utsiâckning och mätning av ljusintensitet på detektorn. En annat sätt år att använda sig av en roterande analysator (RAE), där polarisatorn är fixerad och kompensatorn är fritt val. Genom att mäta både amplitud och fas (med hänsyn till azimuten hos analysatorn) vid detektorn, kan de ellipsomteriska vinkarnalïfoch A bestämmas.

Ellipsometriska mätningarna kan utföras med avbildande optik.

Den föreslagna konfigurationen på anordningen innebär att det är möjligt att mäta förändringar i optiska parametrar med en extrem hög noggrannhet, utan att använda något optiskt kopplingsmedium, eller använda komplex optik, vilket gör systemet mycket kostnadseffektivt. Det är även möjligt att använda en dívergent stràle som är föreslaget av Chinowsky och andra [l 11, men det kräver ytterligare optik. För detta fall kan mätfläcken vara fokuserad och dess position kommer att vara oberoende av det effektiva brytningsindex hos provmediet.

Genom att använda ett kärl eller ett rör, kan ett integrerat flödessystem placeras i kârlet, vilket leder till en kompakt, precis och kostnadseffektiv lösning. Den makroskopiska formen på kärlet innebär att den har en stor mätarea, idealisk för rnulti-fläck-mätningar. Möjligheten att enkelt rotera röret/ kärlet innebär att hela sensor arean kan skannas extremt fort. En rotation av röret/ kärlet ger också. möjligheten att använda centrifugalkraften att flytta prov. En typisk flödescellshöjd är företrädesvis mellan 10 och 100 um och ännu fördelaktigare mellan 20 och 50 um. 10 15 20 30 531 453 21 Formen pä insatsen gör den användbar för temperaturreglering av provet.

Det finns àtinmstone tre skäl till temperaturreglering: 1) Reaktionskinetik är temperaturberoende, 2) Likna In Vívo förutsättningar, till exempel 37 grader C, 3) Baslinjen för en SFR-signal är temperaturberoende. Om en reaktion följer Arrhenius regel sä ger varje temperaturökning på 7 (eller 10) grader en fördubbling av reaktionshastígheten. För fallet v vattenbaserad buffer, SPR-baslinj en kommer att ändras ungefär -lOO microbrytningsindexenheter för varje grad C. En ökning avltemperaturen kommer att minska brytningsindex på grund av termisk expansion.

Konfigurationen av uppfinningen gör det möjligt att placera en termisk styrning nära mätytan och således kan en god termisk kontakt uppnås, vilket leder till precis termisk reglering. En utföringsfonn använde sig av en vätska, till exempel vatten, vatten/ glykol, etc, för att överföra värme / kyla till provområdet. Provvârmarenheten i insatsen placeras mycket nära (typiskt inom 1 mm) taket pà flödescellen, vilket gör temperaturreglering mycket snabb och precis.

Temperaturregleringssvåtska flyter i den yttre delen av provtemperaturenheten, vilket leder till mycket låg termisk resistans till provet. Temperaturregleringssvätskan är företrädesvis vårmd och kyld med ett termoelektriskt element. Men, andra temperaturreglerande anordningar som kompressor / kondensor, eller bara kranvatten är alternativ. Om endast vârmning är nödvändigt så. är ett resistivt (J oule vármníng) att föredra. Andra utföringsfonner med endast värmning, använder resistiv upphettning nåra provområdet, utan att använda církulerande vätskor, och använder sig endast av termisk ledning för att temperera provet.

En annan utföringsforrn använder två eller fler temperturstyrande vätskor, som när de växlas in till provtemperaturenheten skapar snabba temperatur-steg eller precisa temperaturramper med avseende på tid. Ännu en annan utföringsform använder olika temperaturer pä olika platser pà provtemperaturenheten, vilket kommer att skapa en 10 15 20 25 30 531 493 22* våldefinierad temperaturgradient på grund av den tenniska ledningsförmàgan i provtemperaturenheten.

På grund av rotatíonsymmetrín och makroskopiska radien och en relativt kort höjd, är röret mycket enkelt att tillverka med höga optiska standarder och hög mekanisk precision. Dimensionerna på röret/ kårlet gör det enkelt att påföra den nödvändiga ytplasmonstödj ande metallfilmen med hög precision till en låg kostnad.

Den förevarande uppfinningen tillhandahåller en anordning och apparat för mätning av brytningsindex nåra innerytan av ett rör, bägare eller kärl eller dela därav, baserat på ytplasrnonresonans. Sensorytan kan utgöras av en eller flera måtareor, i axiell eller radiell eller diagonell riktning eller en kombination av dessa riktningar. Provet under utredning kan studeras i en gasformig, vätska eller fast omgivning. Anordningen kan kan användas för koncentration av gaser eller analyter i en VätSka- Anordningen kan också användas för analyser av interaktioner mellan molekyler, till exempel biornolekyler. Anordningen kan användas för mätning av förändringar i konforrnationen av ett prov, till exempel koagulering av blod. Anordningen kan användas för monitorering av formation av skikt.

Definitioner Avsikten med denna uppfinning är att en ”flödesstruktur” år menat varje struktur som samverkar med innerytan av sensorenheten på sådant sätt att en reducerad provvolym i enhetens kavitet tillhandahålls.

Icke-begränsande exempel pá en sådan flödesstruktur är en insats 80111 bildar ett ríngformat utrymme i en cylindrisk sensor-enhet, eller en inSaïS försedd med spår eller fördjupningar bildande ílödeskanaler när insatsen vilar mot innerytan av sensorenheten. 10 l5 20 25 30 531 493 23 Funktionen av en sådan insats är att styra provet, begränsa utbredningen av provet inom enheten, eller justera höjden från mätytan av till exempel en flödescell, tillhandahållet av av insatsen, för att styra flödeshastigheten längs mätytan.

En ”kavitet” skall menas ett utrymme som är omgiven av någonting, ehuru sä behöver det inte, men kan, vara totalt omgiven.

Ett ”avdelning” skall menas ett område där ett prov finns, dvs området bildas i samverkan mellan en insats och innerytan på sensorenheten.

Uppfinningen kommer nu att bli beskriven, men inte begränsad, med referens till ritningarna.

Fig. la illustrerar en utföringsform av uppfinningen i form av en aPPafat där en kollimerad íngångsstràle 300 som härrör sig från ett belysningssystem 400 träffar en sensorenhet 100, innehållande ett testprov 200, så att ett flytande prov eller gas, riktas med hjälp av en struktur 610, och det reflekterade ljuset 330 mäts av ett detektionssystem 500. Sensorenheten 100 har ett transparent substrat 103, typiskt ett plastmaterial eller glas, vilket är rotationssyrnmetriskt eller delvis rotationssyinmetriskt. Substratets 103 inneryta är belagd med ett tunt, typiskt 50 nm, ledande skikt 110 med ett frielektronliknande material, typiskt guld eller silver, vilket kan leda en ytplasmon. Det infallande ljuset 300 bryts 310 vid den yttre ytan På substratet 103, över till innerytan och det ledande skiktet 110, där ljuset antingen retlekteras 320 eller absorberas i det ledande skiktet 110 genom en ytplasmon, eller en kombination av båda. Det reflekterade ljuset 320 bryts sedan vid den yttre ytan pà substratêt 103» bildande en ljussträle 330 vilken träffar ett detektorsystem 500. Det optiska detektorsystemet 500 innefattar en fotonkånslig anordning, till exemPel en ”charge coupled device” (CCD), ”charge injection device” CID, CMOS- krets, fotodiod etc. För fallet med användandet av fotodetektorn 510, den optiska signalen utvärderas med en elektronisk anordning 800, lO 15 20 25 30 531 493 24 företrädesvis ett datorsystem innefattande en analog till digital- omvandlare. Belysníngssystemet 400 innefattar minst en ljuskälla 410, men även flera är möjliga, vilka kan vara en laser, lysdiod (LED), urladdningslampa (till exempel xenon), wolfram halogen lampa etc, eller en ”array” eller matris av elementen. Ljuskållan 410 kan skapa polariserat ljus, till exempel vissa lasrar, eller ett polariserande element 420 kan sättas in på godtycklig plats i ljusgángen. Polarisationen är företrädesvis p-polariserad Vtransverse magnetic mode”) med hänsyn till den inre ytan på sensorenheten 100 för reflektionsmåtningar. Det polariserande elementet 420 kan vara ett polariserande ark, Glan~Taylor- prisma, Glan-Thompson-prisma, eller en ekvivalent anordning. Dock, måste inte ljusstrålen nödvändigtvis vara polariserad, men det kommer att förbättra signal till brusiörhállandet. Ljusstïålen 300 är i denna konfiguration expanderad med ett optískt element 430, till exempel linser eller diffraktjva optiska element (DOEYS), eller en kombination av båda, skapande ett linjernönster, vilket gör det möjligt att simultant monitorera en linje (axiellt) vid sensorytan 110.

Fig. lb illustrerar samma konfiguration som ñg. la, men sedd från Ovan- Fig. le illustrerar en apparat med avbildande optik 520. Avbíldaflde optiken 520 avbildar sensorytan 1 10 azciellt. Den avbildande optiken samlar vinkelspektrat 335 från varje punkt på sensorytan och fokuserar strålarna på detektorn 510. Den avbildande optiken 520 minimerar effekter från diffraktion på grund av ojämn fördelning längs màtytan 110, eller på grund av hinder för den optiska vågutbredningen. Den avbildande optiken 520 innefattar företrädesvis minst en cylínderlins eller en ekvivalent DOE.

Fig. Id, illustrerar samma konfiguration som tig. 10, men Sett från Ovan- Fig. le, illustrerar samma konfiguration som fig. lc, men med C11 genornskärning av sensorenheten. lO 15 20 30 531 493 25 Fig. 2, illustrerar en apparat som använder en konvergent stråle (solfiäderformad stråle), 300 och 310, för att fokusera på en speciell fläck på sensorytan 1 10. Genom att använda en konvergent stràle, kan positionen av rnätfläcken vara liten och oberoende av resonansvillkoret, dvs alla infallsvinklar träffar samma punkt på. sensorytan 1 10.

Fig. Sa, illustrerar en apparat med en kollimerad ellr nästan kollímerad stråle 300 från en ljuskålla 400. Ljuskållan är företrädesvis en laser eller LED. Krökningen av substratet 103 omvandlar den kollimerade strålen 300 till en konvergent stràle 310, med hänsyn till ytnormalen av sensorytan 110. Den kollimerade strálen kommer, på grund av fysikaliska lagar, att ha en gaussisk intensitetsprofil, vilket inte är någon nackdel, utan snarare en fördel, vilket gör det möjligt att belysa bara de vinklar där ytplasmonen kan exiteras. Testprovet 200 styrs av en struktur 610.

Fig. 3b, illustrerar konfigurationen i fig. Sa, men sett med en perpektív vy.

Fig. 4, illustrerar den optiska gångvâgen i sensorenheten 100.

Substratet 103 har ett brytningsindex på n; och en ytter- och innerdiameter r., respektive n. Omgivande medium, typiskt luft, har ett brytningsindex nu. En infallande stràle 300 träffar substratet 103 med en infallsvinkel, ot, relativt ytnorrnalen. lnfallsvinkeln, ot, styrs av höjden, h, från en centrumlinje, CL, parallell med strålen 300, genom formeln: . h a = arcsm - rO Strålen 300 bryts till en bruten stràle 310 med en vinkel ß relativt ytnorrnalen enligt Snells lag: (14) lO 15 20 25 30 531 493 26 n0sina=n,-sinß (15) Den brutna strålen 310 kommer att träffa innerytan på substratet med en infallsvinkel 6. Vinkeln q benämns resonansvínkeln Bsp vid matchande impuls med det infallande ljuset 310 och ytplasmonen. Enligt optiska lagar är den reflekterade strålens 320 utgångsvinkel 6 lika med den infallande stràlens 310 infallsvinkel 6. På grund av symmetri kommer de infallande och brutna vinklarna, [i respektive a, vid substrat-omgivníngs- gränssnittet för den utgående strålen 320 och 330 vara samma SOm dßfl brutna och infallsvinkeln ß respektive a för den infallande strålen 300.

Substratet 103 är belagd med ett ledande skikt 110 med brytningsindex ng. Testprovet 200 är vanligtvis en gas eller vätska med ett effektivt brytningsindex na, vilken styrs mot det ledande skiktet 110 medest en flödesstyrande struktur 610.

Fig. 5 illustrerar sensorenheten 100 med ett vidhâftningslager 105 mellan substratet 103 och det ledande skiktet 110. Vidhäftníngslagret år tunt, typiskt mindre än 2 nm och företrädesvis 0.5 nm, vilket innebär att» det är tjockt nog för att förvissa sig om bra vidhäftning och tillräckligt tunn, för att inte störa ytplasrnonen. Vidhåftningslagret 105 är typiskt titan eller krom.

Molekylärt igenkänningslager Fig. 6. illustrerar sensorenlieten 100 med en eller flera molekylära igenkänningsarea/ areor ISOa-c. De molekylära igenkännÅngSBICOma 130 a-c år typiskt specifika för respektive analyter 140a-c. Den molekylära igenkänningsarean 130 är typiskt fäst till det ledande skiktet 110 med ett förbindelselager 120. Förbindelselagret 120 är typiskt 611 alkantíol med en kolkedjelängd större än tre och företrädesvis 16, tiolgrupperna används av för att fästa till guldytan. Förbíndelselagret 120 kan innefatta en hydrogel 210, som visas i Fig. 7. Förbíndelselagret 120 kan innefatta avidin/ streptavidin biotin molekyler. När analytmolekylerna 140 binder till igenkänningslagret 130, Så kommer lO 15 20 25 30 53'l 493 27" normalt dipolerna vid analysfrekvensen inom probdjupet av ytan att öka och följdaktligen ökar det effektiva brytningsindexet ns för testprovet 200. Ökningen av n; kommer att öka utbredningskonstanten för ytplasmonen, dvs resonansvillkoret kommer att ändras. Testprovet 200 år hållen mellan subtratet och strukturen 610.

Fig 7. illustrerar ett polyrnerlager 210, fibrin etc. Polymerbildandet kan övervakas tillsammans med en reometer, dvs bägaren eller kårlet roterar eller oscillerar, till exempel fn' oscillationsreorneter (FOR).

Fig. 8 illustrerar en sensorenhet 100 med ett polymerlager 1 15 som igenkänningslagret. Polymerlagret 1 15 âr känsligt för testprovet 200, vilket är antingen en gas eller vätska. Polymeren 115 kommer antingen att bli tätare eller mindre tät vid kontakt med provet 200. En tätare polymerfilm kommer att öka det effektiva brytningsíndexet na.

Polyrnerfilrnen kan göras av polyfloiiroalkylsiloxan, och gaserna kan vara halogenerade kolväten såsom trikloretylen, koltetraklorid, klorofonn, metulenkloricl etc.

Fig. 92. illustrerar sensorenheten 100 innefattande skivor IOOa-j innefattande olika mätlager 130a-j företrädesvis fästa till ett förbindelselager 120, dock kan förbindelselagret utelämnas.

Fig. 9b illustrerar sensorenheten 100 innefattande skivor IOOa-j innefattande olika polymer mâtlager 1 15a-j.

Fig. 9c illustrerar sensorenheten 100 innefattande skivor IOOa-j innefattande olika polyrner rnätlager 1 15a-j, insatta i ett rör.

Roterbar sensorenhet Fig. 10a illustrerar en sensorenhet 100, som roterar. Rotationen av sensorenheten 100 innebär att hela mätytan 1 10 kan Skaflnas- E” roterande sensorenhet 100 innebär att ytkoncentratíonen på insidan av lO 15 20 30 531 493 28 anordningen monitoreras snabbt för många mätfläckar eller till exempel gradienter.

Fig 10b illustrerar samma uppställning visad i Fig- 10% YDCYI mfid ett roterbart lod 600 insatt i kaviteten av sensorenheten. Det roterande lodet introducerar skjuv i testprovet 200. Lodet kommer också att minska provvolymen för testprovet 200. Lodet 600 kan också vara fixerad för att reducera provvolymen.

Fig 10c illustrerar samma uppsättning visad i Fig. IOb, men med ett roterande eller fixerat lod 600 och en roterande eller fixerad sensorenhet 100.

Fig. 11 illustrerar en liknande uppställning som Fig 10b, men med en konisk sensorenhet 100 och ett koniskt lod 600. Den koniska uppstâllningen kommer att introducera olika skjuv längs axeln, vilket kommer att, till exempel, påverka en polymerisationsprocess monitorerad med ytplasrnonresonans. Detta år speciellt intressant för studier av hemostassystem. Den koniska sensorenheten 100 kommer att uppnå ett större dynamiskt område med skjuv om den koniska formen på substratet 103 och lodet år olika, som är illustrerati Fig. 11.

Mikroflödesinsats Fig. 12a illustrerar en sensorenhet 100 med en flödesinsats 610 som skall sättas in i substratet 103.

Fig. 12b illustrerar sensor-enheten 100 med flödesinsatsen 610.

Flödesinsatsen 610 har racliellalkanaler 615, som kan anvåndaS föl' både ímmobiliserade molekyler för igenkânningslagret, eller för analytmolekyler. Substratet 103 kan vara koniskt för att säkerställa god tätning mot en konisk insats 610, men substratet 103 kan också vara cylindrískt, med användandet av en cylindrisk insats 610. Substratet kunde vara gjort av ett elastiskt material, till exempel silikongummí, 61161' 10 15 20 25 30 531 453 ort av ett stelt material med elastiska tätningar 1 15, SOm illustreras i Fig. 12c.

Fig. 12c illustrerar flödesinsatsen 610 med elastiska tätningar 618, till exempel o-ringar. Substratet 103 och insatsen 610 kan antingen ha en konisk eller cylindrisk form.

Fig. 13a-b illustrerar sensorenheten 100 med en flödesinsats 620 innefattande axiella flödeskanaler 625. Insatsen kan bilda en kavitet 107 vilken kan innehålla en uppsamlingsavdelning 210 efter utförd analys.

Uppsamlingsavdelningen kan tömmas med en kanal 627.

Flödeskanalema 625 kan matas med individuella rör 626, som kan bli fyllda, till exempel med ett externt rör, nål eller sprutspets. Röret 626 kan vara tâtat med ett membran eller en ordinâr elastisk tätning.

Rotation av nàgondera enheterna 103 och 610 eller rören kan agera som ventiler, byte av flödesceller.

SFR-kurvor Fig. 14 illustrerar beräkningar av reflektansen, dvs kvoten mellan det infallande ljuset 310 vid mâtytan 110 och det reflekterade ljuset 320 från mâtytan 1 10 kontra infallsvínkeln vid substratets 103 inneryta, för tre olika våglängder, 633 nm, 733 nm, respektive 833 nm, och för två olika effektiva brytningsindex, ns, (m år lika med 1.330 respektive 1.333) för testprovet 200. Det ledande skiktet 1 10 är för detta fall guld med en tjocklek av 50 nm. Substratet 103 âr för detta fall BK7-glas, med ett brytningsindex n1 på approximativt 1.5. Positionen av SFR-kurvor är en funktion av det effektiva brytningsindex m sett av ytplasmonen.

Fig. 15 illustrerar simuleringar av den reflekterade intensiteten vid en detektor 510 visad i Fig. 3, för en våglängd på 633 nm, där substratet 103 är tillverkat avBK7-glas, och en 50 nm tjockt ledande lager 110 gort av guld år applicerat på. insidan av substratet 103. Brytningsindßx ns av testprovet 200 är 1.33, respektive 1.34. Den avtagande intensiteten vid kanterna av detektorn 510 är en effekt av den gaussiska formen på 10 l5 20 25 30 531 493 irigångsstràlen 300. Den írregulâra formen på kurvorna hänför sig från fotoniskt hagelbrus.

Infallsvinklar vid ytter- och inner-ytor Infallsvinkeln, 6, vid substratets 103 inneryta, beror på infallsvinkeln, ot, vid den yttre ytan, brytningsindex för den omgivande miljön och subtratet, no respektive m, och kvoten mellan radierna för inner och ytter-ytorna, r; respektive ro, enligt ekvation 8.

Fig. 16 illiistrerar infallsvinkeln , ot, vid substratets 103 yttre yta, som on funktion av infallsvinkeln, 6, vid innerytan, för olika kvoter mellan ytter och innerradierna, 1.2, 1.33, 1.5, 1.71 och 2, för ett substrat 103 tillverkat av Schott Duran glas i luft. Om kvoterna år mindre än kVOtCYUQ mellan brytningsindex för substratet 103 och omgivningen, är det ínïê möjligt att erhålla alla infallsvinklar, 6, vid innerytan.

För en kollimerad íngàngsstråle 300 med en fysikalisk bredd, finns det en mångfald med infallsvinklar, 6, längs substratets 103 innefYïa, Vilket innebär att resonansvinkeln 65» kommer att uppträda vid olika platser längs innerytan. Förflyttxiirigen av måtflåcken som en funktion av infallsvinkeln (till exempel resonansvinkeln) vid substratets 103 inneryta ges i Fig. 17 för olika värden på innerdiameter (6, 7, 8, 9 och lO mm) med enyttercliarneter på. l2 mm, för substratet tillverkat av Schott D11? 211 glas. Användandet av approxirnationen med en förändring på lO-ö brytningsíndexenheter motsvarar 10-4 grader resonansskift för Bsp, leder till en mätfläcksförflyttning illustrerad i Fig. 18. Villkoren är de Sarnmâ- som för Fíg. 17.

Utbre dningsvektorns dåliga passning Fig. 19 illusterar dålig passning mellan ytplasmonenvågvektorn, ksp ooh den parallella komponenten för det exiterancle ljuset vid Sïârïêfl KSPlÛl och vid utbredningslängden ksv(Lsx-) för ytplasmonen, på grund av krökninge av substratet 103. Den vinkelmässiga dåliga paSSïlíflgen l i - 10 15 20 25 30 531 493 31 radianer) vid den karakteritíska utbredníngslängden ges av å. Där Q ges av formeln: Sluten kavitet Fig. 20a-c illustrerar hur sensorenheten 100 kan vara sluten i en eller båda ändar med hjälp av ett lock 190.

Fig. 21 illustrerar en sensorenhet 100 placerad i en hållare 900 som säkerställer exakta positioner.

EXEMPEL l Experiment Fig. 21 illustrerar signalen från detektorn 500, sett på en dator 800 från en utförandeforrn av uppfinningen av ytplasmonresonansapparaten som illustreras i Fig. Sa-b. Utförandeforrnen använder en monokromatisk ljuskälla innehållande en 5 mW HeNe-laser (Melles-Griot) 400, emitterande koherent och p-polariserat (med hänsyn till sensor-ytan) ljus 300 vid en våglängd av 633 nm. Ljuset 300 träffar den yttre ytan av substratet 103 tillverkat av Duran-glas (Schott) med ett brytningsindex på 1.5, och med ytter- och inner-diametrar på 15mm repektive 10 mm.

Glassubstratet är sputtrar med ungefär 0.5 nm krom som agerar som vidhäftningslagret 105_för ytplasmonstödjande metallskiktet 110.

Ytplasmonstödj ande rnetallskiktet 110 år sputtrat till en tjocklek på 50 nm. Båda rnetallskikten 105 och 110 är deponerat med ”physical vapor y depositíon”~teknik (PVD). Prov 200 innehåller socker-lösningar sträckande från noll till 5% vikt/vikt socker i avjoniserat vatten (Millipore) i steg om 1%. Sockerlösningarna 200 får följande brytningsindext 1-3330, 1-3337, 13359, 13379, 13388 och 13403. Det reflekterade ljusmönstret 330 från sensorytan träffar CCD-kameran 500 (Orbis 2, Spectra Source Ino).

Datorn 800 är en ordinär PC. 10 15 20 25 30 531 493 k.. 52 Fig. 22b, illustrerar signalen fråndetektorn 500, med brusreducering av datorn 800 för två brytningsindex (1.33 och 1.34) av provet 200.

Fig. 23a, illustrerar en exploderad vy av sensorenheten 100 som ett v ”vinkelsegment” av substratet 103, här som ett halvt rör. Minst en, men inte begränsad till en, insats 610 placeras i kaviteten, antingen i direktkontakt med ytan och användande av flödeskanaler i insatsen 610, eller i närhet av ytan med eller utan en struktur för att styra flödet av använd gas eller vätska. Användandet av ett ”vinkelsegment” av substratet innebär att bildandet av vidhäftningslagret 105 som visas i Fig. 5 och ledande skiktet 110 kan enkelt ordnas med traditionell fysikalisk ångdeponering (PVD), som förångning, elektronstråle och sputter. Vidare, en vinkeluppbrytning av strukturen innebär att det kommer att vara en öppen stor kavitet, vilken kommer att hjälpa formationen av molekylära igenkånníngslager 130 som visas i Fig. 6, med ett flertal tekniker, som mjuka litograñstämpel etc.

Fig. 23b, illustrerar en exploderad vy av scnsorenheten 100 som sammansatt av två, men inte begränsad till detta tal, substrat 103 och 104, bildande en stor kavitet, för vilken en flödesstyrande del 610 är införd, antingen i kontakt med innerytan eller i närheten. Flödesstyrande delen har lämpligen integrerade flödeskanaler när den är i kontakt med den krökta ytan. Uppstållningen är inte begränsad till detta för fallet när insatsen 610 i kontakt med ytan. För icke-kontakt-fallet kan insatsen 610 lämpligen rotera eller oscillera i den stora kaviteten bildad av substraten 103 och 104, eller vice versa när substraten 103 och 104 rör sig tillsammans, eller båda insatsen 610 och båda substraten 103 och 104 rör sig.

Fig. 24, illusterar en sensorenhet 100 med en dubbelkrökt yta 107, till exempel botten av ett provrör, med ett ytplasmonstödjande ledande skikt 1 10, där ytplasmonen kan exiteras i många riktningar. 10 15 20 25 30 531 493 33 Fig. 25, illustrerar en sensorenhet 100 med en integrerad flödesstruktur 61 1 inuti det optiska substratet 103. Kaviteten som är bildad mellan substratet 103 och flödesstrukturen 611 är fyld med ett prov 200. Det ytplasmonstödjande ledande skiktet 1 10 finns på den konkava ytan av väggen.

Fig. 26a illustrerar en sensorenhet 100 med en tlödesstruktur 610 införd i det optiska substratet 103. Kaviteten som âr bildad mellan substratet 103 och flödesstrukturen 610 är fylld med prov 200. De rnolekylära igenkänningsonirådena 130 är placerade på det yplasrnonstödjande skiktet 110, vilket finns vid den konkave ytan av väggen av subtratet 103. Flödesstrukturen innefattar en temperaturregleringsenhet 700 med syftet att hålla provet på en _ kontrollerad temperatur vid sensorytan. Temperatur kan antingen hållas konstant eller rampas. Den termíska styrenheten består í stort sett av två delar. En provtemperaturenhet 710 vilken utför den lokala värmevärclíngen vid sensorytan, och en vårme/kyla-alstrande enhet 720, vilken förser provtemperaturenheten med värme eller kyla.

Provtemperturenheten 710 âr i en enkel utíöringsform. typiskt en bit _ metall, och í en mer avancerad utföringsforni en insats tillverkad av till exempel polyrnerer, keramer, metall eller en kombination av dessa material med kanaler för vätska som transporterar värmeflödet.

Värme/ kyl alstrande enheten år typiskt en termoelektrisk krets (till exempel Peltier-element), men kan också vara en konventionell kompressor med värmare /kondensor eller för fallet när endast vârmning är nödvändig, ett reistivt element. Vid användandet av ett resistivt element, kan enheten vara integrerad med provtemperaturenheten 710, bildande en enhet. För att uppnå snabba temperaturrarnper, olika temperaturer kan tillhandahållas simultant vid den värme/ kyla- alstrande enheten 720, ochdessa temperaturlager kan växlas in till provstyrningsenheten 710.

Fig. 26b, illustrerar en temperaturregleringsenhet 700, där provtemperturenheten 710 och värme/kyla-alstrande enhetfin 720 ål' 10 l5 20 25 30 531 493 34 separerade med rör, inlopp 733 och utlopp 736 transporterande vätskan för termisk styrning.

Fig. 26c, illustrerar en temperaturregleringsenhet 700, där provtemperaturenheten 710 har två (eller fler) separerade temperaturzoner 723 och 726, skapande en temperatur-gradient mellan dem.

Fig, 27, visar provtemperaturenheten 710 införd i substratet 103, med temperaturreglerande vätska 732 nära provet 200, därför erhålls snabb och precis temperaturreglering av provet.

Typiska fasta temperaturer är 15 och 37 grader Celsius.

Fig. 28, visar en ellipsometrisk uppställning, dvs mätning av polarisationstíllstàndet. Ljuskällan 420, vilken kan vara monokromatisk eller rnultispektral, tillhandahåller både p- och s-polariserat ljus. Denna grundläggande uppställning kan användas till kompenserad Såväl SOm okompenserad ellipsornetrí. Den okornpenserade ellipsometern visas som en PCSA-uppställníng. I detta fall är kompensatorn 460, vilken är en kvartvàgkångsplatta, satt till 45° för att introducera ett fasskift mellan p- och s-polariserat ljus. Både polarisatorn 450 och analysatom 550 roteras tills ljuset vid detektorn 510 försvinner. Uppställníngen kan också användas för ”off-null", där både analysatorn 550 och polarísawrn 450 är fasta vid azimuter nära noll ljus vid detektorn 510. En roterande analysator ellipsometer, RAE, uppnås med en fast polarisator 450, vanligen vid 45°, och en roterande analysator 550. l detta fall är kompensatorn 460 ett fritt val. Ljuskällan 410 och detektorn 510 kan användas för avbildning. 15 20 25 30 531 453 3 5 REFERENSER: 10.

Nylander, C., B. Liedberg, and T. Lind, Gas Detection by Means of Surface Plasmon Resonance. Sensors and Actuators, 1983. p. 79-88.

Abdelghani, A., et al., Surface Plasmon Resonance Fiber-Optic Sensor for Gas Detection. Sensors and Actuators B - Chemical, 1997. 838-39: p. 407-410.

Tengvall, P. and I. Lundström, Determínation of polymerízation/coagulation in a fluid. 1998, GLOBAL I-IEMOSTASIS INST MGR AB (SE); TENGVALL PENTTI (SE); LUNDSTROEM INGEMAR (SE).

Vikinge, T.P., et al. Blood plasma coagulation studied by surface plasmon resonance. in Bios'98. 1998. Stockholm.

Hansson, K.M., et al., Surface Plasmon Resonance (SPR) Analysis of Coagulation in Whole Blood with Application in Prothrombin Time Assay. Biosensors Bs Bioelectronics, 1999. 14: p. 671-682.

Vikinge, T.P., et al., Blood Plasma Coagulation Studíed by Surface Plasmon Resonance. Journal of Biomedics! Optics, 2000. 5: p. 51-55.

Kretschmann, E. and H. Raether, Radíative Decay of Non Radiatíve Surface Plasmons Excited by Light. Zeitsßhfift fiif Naturforschung, 1968. 23 A: p. 2135-2136.

Sjölander, S., et al., Optical bíosensor system. 1988, Pharmacia Biosensor AB.

Melendez, J., et al., A Commercial Solution for Surface Plasmon Sensíng. Sensors and Actuators B - Chemical, 1995- 35-36: p. 212-216.

Kax-Isen, S.R., et al., First-order surface plasman reßvfidflf-'e sensor system based on a planar light pípe. SGIISOIS and Actuators B - Chemical, 1996. 32: p. 137-141. 15 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 531 493 Chinowsky, T.M. and S.S. Yee, Surface Plasmon Resflndflêe Sensing in Capíllaries. Electronics Letters, 1999. 35(19): p. 1659-1661.

Jorgenson, R.C., et al. Surface Plasmon Resonance fiber optic biosensors. in Europtrode 2. 1994.

Jorgenson, R.C., et al. Surface Plasmon .Resonance fiber optic sensor long-term stabílity and robustness studies. in Europtrode 2. 1994.

Jorgenson, R.C., US Patent, Fiber Optic Sensor and Methods and apparatus relatlng thereto, in Patent no. 5,359,681, S.S.

Yee, Editor. 1994: USA.

Tur-badar, T., Complete Adsorptíon of Light by Thin Metal Films. Proc. Phys. Soc. Lond., 1959. 73: p. 40-44.

Otto, A., Excitation of Nonradiatíve Surface Plasma Wave-S ïfl Silver by the Method of Frustrated Total Reflection. Z. Physik, 1968. 216: p. 398-410.

Kretschmann, E., Die Bestimmung Optischer Konstanten von Metallen Durch Anregung von Oberflächenplasmaschwíngungen. Z. Physik, 1971. 241: p. 313-324.

Yeatman, E. and E. Ash, Surface Plasmon Microscopy.

Electronics Letters, 1987. 23(20): p. 1091-1092.

Yeatman, E.M. and E.A. Ash, Surface plasman scanning microscopy. Proceedings of SPIE, 1988. 897(Scanning Microscopy Technologies and Applications. Sympofiium date? 13-15 January 1988]: p. 100-107.

Jordan, C.E. and R.M. Com, Surface Plasmon Resonance Imaging Measurements of Electrostatic Biopolymer Adsorption onto Chemícally Modifled Gold Surfaces.

Analyuc-.n Chemistry, 1997. eemfp. 1449-1456.

Jordan, C.E., et al., Surface Plasmon Resonance Imaging Measurements of DNA Hybridization Adsorption and Streptavidin/DNA Multilayevj Formation at Chemically 22. 23. 24. 25. 26. 531 453 37 Modifíed Gold Surfaces. Analytical Chemistry, 1997. 69(24): p. 4939-4947.

Rothenhäusler, B. and W. Knoll, Surface-plasman microscopy.

Nature, 1988. 332: p. 615-617.

Hickel, W., B. Rothenhäusler, and W. Knoll, Surface plasmon microscopic characterizatíon of external sur-faces. Jlillfllfll Of Applied Physics, 1989. 66(10): p. 4832-4836.

Rothenhäusler, B. and W. Knoll, Interferometric determination of the complex wave vector of plasman surface poldrífßns- Journal of Optical Society of America B, 1988. 5(7): p. 1401- 1405.

Fernandez, U., T.M. Fischer, and W. Knoll, Surface-plasman microšcopy with grating couplers. Optics Communications, 1993. 102: p. 49-52.

Raether, H., Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratíngs. Springer Tracts in Modern Physics, ed. G. Höhler. 1988, Heidelberg: Springer-Verlag.

Claims (1)

1. 531 493 KRAV: l. Sensorenhet för en ytplasmonresonansenhet (SFR-enhet), l0 lS 20 25 30 innefattande: a) en transparent sensorstruktur (100) bildande åtminstone en vägg i en kavitet, där väggen definieras av en konkav inneryta och en konvex ytteryta, där; b) innerytan âr utrustad med ett skikt (110) ledande material som kan stödja en ytplasmon; c) en flödesstnlktur (600; 610; 61 l) inâmnda kavitet som bildar minst en avdelning för prov mellan flödesstruktllfßn och inner-väggen av kaviteten. . Enheten enligt krav 1, där kvoten mellan radierna av nämnda inner- och ytterytor är definierade så att infallsvinkeln på nämnda inneryta i nämnda vägg är nåra eller större än den kritiska vinkeln, och lämpligen innefattar vinklarna kring resonansvinkfiïn för nämnda ytplamonresonans där det är en signifikant minskning av reflekterat ljus. . Enheten enligt krav l, där kaviteten utgöres av ett rör, ett kärl, ett longitudínellt delat rör, lämpligen ett halvt rör, eller en bägare. . Enheten enligt något av kraven 1-3, där nämnda kavitet är rotationssymmetrisk eller utgöres av ett vínkelsegment av en rotationssymmetrísk struktur. . Enheten enligt något av kraven 1-4 där nämnda sensoranordning i huvudsak är en sluten struktur, till exempel har en bøften OCh lock, dvs är ett slutet kärl, bägare eller behållare. 10 15 20 25 30 531 493 39 6. Enheten enligt nagot av kraven 1-5, där nämnda radie av kurvaturen av nämnda inneryta är större än ett visst värde, typiskt 1 mm, och är lämpligen 3 till 8 mm, och âr typiskt mindre än 20 mm, lämpligen mindre än 10 mm. 7. Enheten enligt något av kraven l-6. där nämnda kurvaturer har olika radier vid olika positioner längs den longitudinella axeln. 8. Enheten enligt något av kraven 1-7, där kavíteten har en konisk form, eller är en del av en konisk form. 9. Enheten enligt något av kraven 1-8, där nämnda ledande material på innerytan är täckt med en eller flera specifika eller icke- specifika områden innefattande adsorption eller reaktionslager för molekyler eller atomer. lOEnheten enligt något av kraven 1-9, där nämnda flödesstruktur innefattar en eller flera flödesceller i radiell, axiell eller godtyckliga riktningar jämfört med nämnda longitudinella axel för nämnda sensorenhet. l 1 .Enheten enligt något av kraven l-10, där nämnda ílödesstruktur är ett lod, vilken är fixerad, roterbar, eller kan sättas i oscillation. l2.Enheten enligt krav 1 1, där radien på insatsen varierar över dess längd. l3.Enheten enligt krav ll eller 12, där avståndet mellan nämnda lod och nämnda irineryta varierar längs nämnda longitudinella axel, så att olika skjuv kan skapas för vätskorna när lodet och sensorenheten har olika vinkelhastighet. l4.Enheten enligt något av kraven 1- 13, där nämnda kavitfit innefattar en uppsamlingsavdelning. 10 l5 20 25 30 531 493 40 läEnheten enligt något av kraven 1-14, där nämnda flödesstruktur innefattar en provtemperaturenhet vilken reglerar temperaturen på. provet. l6.Enheten enligt något av kraven 1- 15, där nämnda provtemperamrenhet genererar en temperaturgradient över provet. 17 .Ytplasmonresonansapparat, innefattande a) en ljuskâlla b) en sensorenhet enligt något av kraven l ~ 14. c) en detektor för detektering av reflekterat ljus från sensor-enheten; och d) en processorenhet l8.Apparaten enligt krav 17, som vidare innefattar möjlighet för kollímerat ljus. 19.Apparaten enligt krav 17 e1ler18, där nämnda sensorenhet är roterbar relativt nämnda ljuskälla och detektor för att positionera olika mätflâckar på. nämnda sensorenhet, eller vice versa, nämnda ljuskälla och detektor är roterbara. 20.Apparaten enligt något av kraven 17-19, som vidare innefattar utföranden att generera linjeformat ljus längs Senßßöfeflhetefls nämnda longitudinella axel. ZLAppaIaten enligt något av kraven 17-20, där olika flödeskanaler år valbara genom att rotera sensorenheten, eller genom att rotera ljuskållan och detektorn. 22.Apparaten enligt något av kraven 17-21, där nämnda ljuskälla är rörlig länge sensorenhetens longitudinella axel. l0 15 20 25 30 531 493 41 23.Apparaten enligt något av kraven 17-21, där nämnda detektor är rörlig längs sensorenhetens longitudinella axel. 24.En metod för att detektera händelser på en yta genom att anväfida ytplasmonresonans, innefattande placerande av ett prov med en analyt av intresse i en sensorenhet enligt krav 1; mätning av reflektansen från nämnda sensorenhet vid en eller flera vinklar. 25.Metoden enligt krav 24, där alla vinklar av intresse mäts samtidigt. 26.Metoden enligt krav 24 eller 25, där vinklarna av intresse är vinklarna där reflektansen är reducerad på grund av ytplasrnonre sonansen. 27 .Metoden enligt något av kraven 24-26, där vinklarna av intresse innefattar vinklarna kring den kritiska vinkeln för att iölja bulkbrytningsindex. 28.Metoden enligt något av kraven 24~27, som innefattar att följa en referenssignal, som passerar genom en vägg i sensorßrlhßiên Och inte är totalreflekterad. 29.Metoden enligt något av kraven 24-27, där en referenssignal följs, retlekterad på den yttre kurvaturen, vilken mäter intensiteten av ljus såväl som position för rör/kärl relativt nämnda sensoranordning. 30.Metoclen enligt något av kraven 24-29, där positionen år bestämd av Brewstervinkeln för nämnda reflekterade ljus, lämpligen med en vägd tyngdpunkts-algoritrn. 53 'l 493 _ , 4.? 31 .Metoden enligt något av kraven 24-30, där förändringen av polarísationstillstånd för den reflekterade strålningen bestäms, dvs en ellipsometrisk mätning. 5 32.Metoden enligt något av kraven 24-3 l, som innefattar bindning av minst en rnolekyl till analytmolekylen i provet för att förbättra responssignalen genom att bilda ett komplex vilket antingen a) har större volym; eller b) de dielektriska egenskaper vilka skiljer sig från det 10 omgivande mediet.