專利名稱：波長可調(diào)諧表面等離子體激元諧振傳感器的制作方法
關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究或開發(fā)的聲明本工作由美國政府準(zhǔn)予資助，NIDCR許可1UO1 DE14971-01。
背景技術(shù)：
表面等離子體激元諧振(SPR)顯微鏡是一種通過激發(fā)表面等離子體激元(SP)來探測(cè)與感測(cè)表面相鄰的被探測(cè)區(qū)域化學(xué)和物理變化的技術(shù)。已經(jīng)開發(fā)出了多種基于SPR技術(shù)的傳感器，為表征金屬薄膜表面上存在的超薄膜的厚度和折射系數(shù)提供了一種靈敏的裝置。近年來，SP傳感器被廣泛地用于表征各種生物材料的化學(xué)和物理性質(zhì)以及實(shí)時(shí)地探測(cè)結(jié)合事件。例如，SP傳感器已經(jīng)被成功地用于表征大量表面的形態(tài)學(xué)，探測(cè)蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)與DNA之間以及蛋白質(zhì)與小分子之間的動(dòng)力學(xué)(kinetics)和動(dòng)態(tài)學(xué)(dynamics)，監(jiān)視抗體-抗原結(jié)合以及表征DNA雜交過程。
表面等離子體激元(surface plasmons)，也稱作表面等離子體激元波(surface plasmon waves)或等離子體激元極化振子(plasmonpolaritons)，是電荷密度波，其平行于導(dǎo)電或半導(dǎo)電薄膜與電介質(zhì)樣品層之間的界面?zhèn)鞑?。SP是通過將入射光子的輻射能耦合到導(dǎo)電材料，例如金屬，或者半導(dǎo)體材料內(nèi)存在的自由電子的振蕩模式中而產(chǎn)生的。SP高度集中在導(dǎo)電(或半導(dǎo)電)層的表面，且SP的電場強(qiáng)度在垂直于其傳播平面的方向上成指數(shù)地衰減。SP的空間分布能夠通過表征衰減長度加以量化地描述，衰減長度是指SP的強(qiáng)度衰減到其在導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)-電介質(zhì)樣品層界面上的數(shù)值的e-1倍的距離。衰減長度(L)由下式給出L=12Re(ksp2+ks2)---(I)]]>其中Re是圓括號(hào)內(nèi)量的實(shí)部，ksp是表面等離子體激元波矢，ks是臨近導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)的電介質(zhì)樣品層的波矢。對(duì)于由水構(gòu)成的電介質(zhì)樣品層和由金構(gòu)成的導(dǎo)電薄膜，波長為大約632.8nm的光的衰減長度等于83.1nm。SP高度集中的特性使得它們完美地適合于探測(cè)位于感測(cè)表面附近(≤約300nm)的感測(cè)區(qū)域內(nèi)折射系數(shù)的非常小的變化。
在傳統(tǒng)的SPR方法中，SP是通過入射光束的全內(nèi)反射產(chǎn)生的瞬時(shí)(evanescent)電磁波激發(fā)的。在Kretschmann-Raether幾何布置中，瞬時(shí)電磁波透過位于較高和較低折射系數(shù)電介質(zhì)層之間的金屬薄膜(≈50nm)并激發(fā)SP，SP平行于位于較低折射系數(shù)層附近的金屬膜的外表面?zhèn)鞑ァ榱双@得入射激發(fā)光和表面等離子體激元之間的波矢匹配條件，棱鏡是必需的。對(duì)于給定的電介質(zhì)樣品，具有特定波長并且以特定角度入射的光子將產(chǎn)生瞬時(shí)波，其透過金屬層并在金屬-電介質(zhì)樣品界面激發(fā)表面等離子體激元。因此反射光的強(qiáng)度將減小并能夠被監(jiān)測(cè)作為SP發(fā)生的信號(hào)。選擇地，在Otto SPR配置中，金屬層和棱鏡被空氣隙隔離，SP在金屬膜臨近棱鏡的一側(cè)上被激發(fā)。Otto SPR配置的缺點(diǎn)是，在實(shí)驗(yàn)上難以保持非常薄而恒定的空氣隙厚度。最后，在其他的SPR方法中，表面等離子體激元是通過當(dāng)光沿著具有薄金屬內(nèi)層的光纖或者波導(dǎo)管傳播時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)場產(chǎn)生的。
通過全內(nèi)反射激發(fā)SP是一種諧振現(xiàn)象，其取決于入射光的波矢(也就是，入射光束的波長和入射角)。此外，SP的激發(fā)取決于較高折射系數(shù)層、較低折射系數(shù)樣品層和用于將輻射能耦合到導(dǎo)體自由電子振蕩模式中的導(dǎo)電(或半導(dǎo)電)薄膜的折射系數(shù)和厚度。SP的色散方程由下式給出ksp=k0ϵcϵdϵc+ϵd---(II);]]>其中k0是自由空間波矢(k0＝ω/c)；εc和εd分別是導(dǎo)電(或半導(dǎo)電)薄膜和較低折射系數(shù)電介質(zhì)樣品層的復(fù)合介電常數(shù)，ω是角頻率。激發(fā)SP的諧振條件是，入射波矢(kpar)的平行分量必須等于表面等離子體激元波矢(ksp)kpar＝ksp(III)入射波矢的平行分量可以用光所入射的介質(zhì)的折射系數(shù)n、入射角θ和入射光束的波長λ通過形成SP的等式加以表示kpar=2πnsin(θ)λ---(IV)]]>將等式II和IV帶入等式III給出了如下的關(guān)系，其根據(jù)入射角和入射波束的波長表達(dá)形成表面等離子體激元的諧振條件2πnsin(θ)λ=k0ϵcϵdϵc+ϵd---(V)]]>由等式V可以顯見，對(duì)于給定的金屬膜厚度和電介質(zhì)層折射系數(shù)設(shè)定，諧振條件可以通過改變?nèi)肷浣腔蛘呷肷涔馐牟ㄩL或者同時(shí)改變兩者加以滿足。
在SP色散關(guān)系的推導(dǎo)中(等式II)，產(chǎn)生表面等離子體激元必須滿足的兩個(gè)附加條件變得顯而易見。首先，SP被p-偏振所以只能被p-偏振的入射光激發(fā)。其次，SP只有在由具有實(shí)異號(hào)介電常數(shù)(realpermittivites of opposite sign)的介質(zhì)構(gòu)成的界面上才被支持。
如等式II-V所示，臨近金屬薄膜的電介質(zhì)樣品層折射系數(shù)的改變會(huì)改變產(chǎn)生SP的諧振條件。諧振條件的這一個(gè)變化能夠通過測(cè)量反射入射波束的強(qiáng)度作為入射角、入射波束的波長或者兩者的函數(shù)直接地加以監(jiān)視。滿足諧振條件會(huì)導(dǎo)致反射波束的強(qiáng)度急劇衰減，這是由于入射波束的輻射能在金屬薄膜與較低折射系數(shù)層之間的界面上轉(zhuǎn)變成了SP造成的。由于SP的空間定位特性，SP也被用于激發(fā)光致發(fā)光材料。明確地講，是以激發(fā)電子躍遷產(chǎn)生熒光或光致發(fā)光的方式將SP的能量耦合到光致發(fā)光材料中。一個(gè)附加的探測(cè)器能夠被設(shè)置成與感測(cè)表面光學(xué)聯(lián)通，用于測(cè)量由SPR處理泵發(fā)的材料的熒光強(qiáng)度。衰減反射SPR方法與SPR誘導(dǎo)熒光的組合已經(jīng)被示范地提供用于表征在傳感器表面發(fā)生的化學(xué)和物理變化的靈敏裝置。
基于SPR的傳感器利用了SPR諧振條件對(duì)于位于金屬(或半導(dǎo)體)薄膜附近的較低折射系數(shù)電介質(zhì)樣品層的折射系數(shù)改變的依賴。在典型的感測(cè)裝置中，用于形成SP的諧振條件的變化被實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)并直接與金屬(或半導(dǎo)體)薄膜附近的感測(cè)表面上發(fā)生的化學(xué)或物理變化相聯(lián)系。基于SPR的傳感器可以通過操作感測(cè)表面的化學(xué)或物理性質(zhì)對(duì)材料和化合物進(jìn)行靈敏的探測(cè)。在這些裝置中，感測(cè)表面可以涂覆一種可顯示選擇性結(jié)合特性的材料，從而當(dāng)存在待感測(cè)的特殊材料時(shí)折射系數(shù)會(huì)變化。例如，感測(cè)表面能夠通過涂覆某種抗體的抗原而對(duì)特殊的抗體敏感。利用這些原理，SPR探測(cè)能夠成功地結(jié)合于大量商業(yè)上可獲得的生物傳感器件中，包括BIAcore有限公司制造的傳感器和掃描器件。
一般地，SPR光學(xué)配置包括(1)電磁輻射源，(2)具有第一折射系數(shù)的透光部件，(3)具有比透光部件的第一折射系數(shù)更小的第二折射系數(shù)的電解質(zhì)樣品層(探針區(qū))，(4)位于透光部件和電解質(zhì)樣品層(探針區(qū))之間的導(dǎo)電或半導(dǎo)電薄膜以及(5)探測(cè)器。在這一配置中，入射波束以一定的入射角度透過透明區(qū)域從而能夠在透光部件與導(dǎo)電薄膜之間的表面上經(jīng)歷全內(nèi)反射。反射的入射波束被收集和導(dǎo)向到探測(cè)器，該探測(cè)器能夠測(cè)量其強(qiáng)度作為時(shí)間的函數(shù)。如果滿足等式II-V列出的諧振條件，則輻射能量在導(dǎo)電或半導(dǎo)電薄膜與電介質(zhì)樣品層之間的界面上被轉(zhuǎn)移給SP，導(dǎo)致被反射入射波束的強(qiáng)度產(chǎn)生可以測(cè)量的降低。
基于SPR的傳感器可以采用多種不同的光學(xué)配置。示例光學(xué)配置在如下文獻(xiàn)中有說明Rothenhausler，B and W.Knoll(1988).“surface-plasmon microscopy.”Letters to Nature332(14)615-617，Hickel，W.and W.Knoll(1990).”surface plasmon microscopy of lipidlayers.”Thin Solid Films187349-356，Hickel，W.and W.Knoll(1991).“Time and spatially resolved surface plasmon optical investigation ofthe photodesorption of Langmuir-Blodgett multilayer assemblies.”Thin Solid Films199367-373，de Bruijn，H.E.，R.P.H.Kooyman，etal(1992)，”Choice of metal and wavelength for surface-plamonresonance sensors；some considerations.”Applied Optics31(4)440-442，de Bruijn，H.E.，R.P.H.Kooyman，et al(1993)，“Surfaceplasmon resonance microscopy；improvement of the resolution byrotation of the object.”Applied Optics32(13)2426-2430，de Bruijn，H.E.，R.P.H.Kooyman，et al(1994)，“Resolution in surface plamonmicroscopy.”Review of Scientific Imstruments65(9)2829-2837和Brockman，J.M.，B.P.Nelson，et al.(2001)“Surface plasmon resonanceimaging measurements of ultrathin organic films.”Annual Reviews ofPhysical Chemistrv51(1)41-47，本文引用它們的內(nèi)容作為與本專利申請(qǐng)的參考。
SPR感測(cè)裝置中最普通的配置包括基本上單色的、相干入射光束的角度調(diào)制。在該技術(shù)中，通過在系統(tǒng)地改變?nèi)肷浣嵌鹊耐瑫r(shí)測(cè)量被反射的、基本上單色的相干入射波束的強(qiáng)度形成表面等離子體激元諧振曲線。滿足SP諧振條件可導(dǎo)致入射波束的強(qiáng)度發(fā)生可測(cè)量的衰減，其相應(yīng)于反射波束強(qiáng)度對(duì)入射角度的曲線的最小值。與該最小值相應(yīng)的角度被稱作諧振角(θsp)，其取決于導(dǎo)電層表面附近的折射系數(shù)。材料吸附或結(jié)合在導(dǎo)電層附近的感測(cè)區(qū)域內(nèi)會(huì)改變感測(cè)區(qū)域的折射系數(shù)，導(dǎo)致θsp的數(shù)值發(fā)生可測(cè)量的偏移。因此，量化θsp的偏移為觀察和表征感測(cè)區(qū)域材料的組成和濃度提供了一種靈敏的方法。例如，已經(jīng)有研究證實(shí)，諧振角偏移與感測(cè)區(qū)域蛋白質(zhì)濃度之間存在線性關(guān)系。
盡管已經(jīng)證實(shí)了角度調(diào)制SPR技術(shù)的有效性，但是這些光學(xué)配置具有多種實(shí)際的限制。首先，角度調(diào)制光學(xué)配置需要使用復(fù)雜的光學(xué)部件旋轉(zhuǎn)組件用于可選擇地調(diào)節(jié)入射波束的入射角度。典型地，這種組件可以旋轉(zhuǎn)光源、波束成形光學(xué)元件(beam shaping optics)和偏振光學(xué)元件的組合體和/或旋轉(zhuǎn)光收集光學(xué)元件和探測(cè)器的組合體。需要使用這種復(fù)雜旋轉(zhuǎn)組件的光學(xué)配置是不理想的，因?yàn)樗鼈兂杀靖甙?、受空間限制并且需要頻繁的維護(hù)和重校準(zhǔn)。其次，使用復(fù)雜的光學(xué)部件旋轉(zhuǎn)組件會(huì)增加器件對(duì)由于環(huán)境溫度和壓力的波動(dòng)和變化導(dǎo)致的光學(xué)失準(zhǔn)的敏感性。最后，在角度調(diào)制SPR技術(shù)中使用相干光源，例如激光器，會(huì)在反射波束部件中產(chǎn)生有害的光學(xué)干涉。這種光學(xué)干涉是不期望的，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生條紋圖(fringe pattern)，顯著降低由SPR技術(shù)獲得的圖像的光學(xué)品質(zhì)。
SPR感測(cè)裝置中的另一種普通光學(xué)配置是波長調(diào)制。在波長調(diào)制光學(xué)配置中，在系統(tǒng)地改變?nèi)肷洳ㄊㄩL的同時(shí)監(jiān)測(cè)以固定角度入射的入射波束的反射光強(qiáng)度。在這些技術(shù)中，在改變?nèi)肷洳ㄊㄩL的同時(shí)，通過測(cè)量被反射入射波束的強(qiáng)度形成表面等離子體激元諧振曲線。相應(yīng)于反射波束強(qiáng)度對(duì)波長的曲線的最小值的波長被稱作諧振波長(λsp)，其指示諧振條件的滿足并且取決于位于導(dǎo)電層表面附近感測(cè)區(qū)域的折射系數(shù)。因此，量化λsp的偏移為觀察和表征感測(cè)區(qū)域材料的組成和濃度提供了一種靈敏的方法。SPR波長調(diào)制技術(shù)普遍地采用恒定的入射角，因此不需要使用龐大的光學(xué)旋轉(zhuǎn)組件。
用SPR進(jìn)行感測(cè)的另一種應(yīng)用是SPR成像技術(shù)，其中入射波束反射率的空間變化被測(cè)量作為時(shí)間的函數(shù)。在該技術(shù)中，使用校準(zhǔn)的單色光束激發(fā)SP，并通過二維陣列探測(cè)器，例如電荷耦合器件或照相機(jī)，監(jiān)測(cè)相應(yīng)于探針區(qū)的反射光。通過觀察被測(cè)量反射光強(qiáng)度的二維分布實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)探針區(qū)域中成分的差異。吸附或者結(jié)合到探針區(qū)特定區(qū)域上的材料的厚度和折射系數(shù)可以滿足SP諧振條件，從而有效地產(chǎn)生SP。因此，這些區(qū)域?qū)@示反射光強(qiáng)度衰減。相對(duì)地，探針區(qū)的其他區(qū)域可以由折射系數(shù)不滿足SP諧振條件從而不能有效形成SP的吸附或結(jié)合材料構(gòu)成。因此，這些區(qū)域?qū)@示出高入射波束反射率。具有不同化學(xué)和物理性質(zhì)的區(qū)域的反射率的差異可以形成表征整個(gè)探針區(qū)的圖像。通過改變成像角度或者SPR系統(tǒng)的波長能夠獲得探針區(qū)中各個(gè)區(qū)域的最大對(duì)比度。
Brockman，J.M.，B.P.Nelson，et al.(2001)“Surface plasmonresonance imaging measurements of ultrathin organic films.”AnnualReviews of Physical Chemistrv51(1)41-47描述了一種光學(xué)配置，據(jù)報(bào)道它能夠提高由SPR成像技術(shù)生成的圖像的質(zhì)量和靈敏度。作者公開了一種光學(xué)配置，包括校準(zhǔn)白色光源、偏振器、棱鏡——金薄膜樣品組件、窄帶干涉濾光器和電荷耦合器件(CCD)相機(jī)。該參考文獻(xiàn)顯示了5個(gè)SPR圖像，其相應(yīng)于5種不同的干涉濾光器透過不同波長的激發(fā)光。盡管作者報(bào)道SPR圖像質(zhì)量可以通過選擇具有合適透射性質(zhì)的干涉濾光器加以優(yōu)化，但是所公開的方法耗時(shí)，要通過人工除去和插入不同的干涉濾光器反復(fù)地調(diào)節(jié)圖像質(zhì)量。作者原理上依賴于角度掃描從而最佳地對(duì)比探針區(qū)的樣品。而且，除去和插入光學(xué)干涉濾光器需要重復(fù)對(duì)準(zhǔn)激發(fā)和探測(cè)光學(xué)配置。此外，參考文獻(xiàn)的方法局限于提供離散探測(cè)波長選擇的光學(xué)配置，且不能提供在連續(xù)的數(shù)值范圍上調(diào)諧激發(fā)或探測(cè)波長的能力。最后，所公開的方法使樣品暴露于波長不能用CCD相機(jī)探測(cè)的非常強(qiáng)的光下，這不利于SPR圖像的形成并且可能破壞探針區(qū)的材料。
從上文可以意識(shí)到，非常需要有一種方法和器件，其不需要使用角度調(diào)制SPR，特別是具有復(fù)雜旋轉(zhuǎn)組件的角度調(diào)制SPR光學(xué)配置，就能在薄導(dǎo)電(或半導(dǎo)電)膜中產(chǎn)生SP。進(jìn)一步，需要有具有連續(xù)可調(diào)諧干涉光源的波長調(diào)制SPR感測(cè)和/或成像的方法和器件。最后，需要能夠消除不理想光學(xué)干涉問題從而提供更高靈敏度和分辨率的可調(diào)諧SPR器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于感測(cè)、成像和表征探針區(qū)組成變化的方法、器件和器件部件。更特別地，本發(fā)明提供了用于探測(cè)位于感測(cè)表面附近的探針區(qū)折射系數(shù)變化的方法和器件，優(yōu)選地，該感測(cè)表面由支持SP形成的導(dǎo)電薄膜構(gòu)成。此外，本發(fā)明提供了用于在探針區(qū)產(chǎn)生表面等離子體激元并通過生成探針區(qū)的一個(gè)或多個(gè)表面等離子體激元諧振曲線和/或表面等離子體激元諧振圖像表征探針區(qū)組成的方法和器件。本發(fā)明的方法和器件可以用于探測(cè)和表征化學(xué)物質(zhì)，例如分子和離子，對(duì)探針區(qū)的吸附、吸收或結(jié)合，特別地該探針區(qū)具有選擇性結(jié)合親和性和/或其他選擇性化學(xué)或物理性質(zhì)。進(jìn)一步，本發(fā)明提供了波長可調(diào)諧SPR感測(cè)器件和成像器件，其能夠感測(cè)SPR發(fā)生和/或形成SPR所需的SP諧振波長隨時(shí)間變化的函數(shù)，特別是對(duì)于正在發(fā)生物理和/或化學(xué)變化的探針區(qū)的變化。本發(fā)明的波長可調(diào)諧SPR感測(cè)器件可以用于探測(cè)與感測(cè)表面接觸或臨近的溶液中的物質(zhì)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供不需要角度調(diào)諧的可調(diào)諧SPR感測(cè)和成像器件，特別是提供不需要傳統(tǒng)角度調(diào)制SPR光學(xué)配置中的用于改變?nèi)肷浣嵌鹊膹?fù)雜光學(xué)旋轉(zhuǎn)組件的器件。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供使光學(xué)干涉的發(fā)生最小的方法和器件，特別是消除使SPR圖像質(zhì)量惡化并使SPR感測(cè)結(jié)果模糊的條紋圖和斑點(diǎn)的方法和器件。本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供不需要預(yù)先探測(cè)標(biāo)記處理，例如熒光標(biāo)記或者放射性標(biāo)記處理，的用于探測(cè)材料，例如原子、分子、離子或原子、分子及離子集合，的方法和器件。
在一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種波長可調(diào)諧表面等離子體激元諧振傳感器，用于感測(cè)、監(jiān)視和表征探針區(qū)折射系數(shù)的改變。本發(fā)明的波長可調(diào)諧表面等離子體激元諧振傳感器提供具有可選擇調(diào)節(jié)波長分布的激發(fā)光和/或被探測(cè)光。一種示例性波長可調(diào)諧表面等離子體激元諧振傳感器包括一個(gè)非相干、多色光源，一個(gè)偏振器，一個(gè)SPR光學(xué)組件、一個(gè)探測(cè)器和一個(gè)可選擇調(diào)界波長選擇器。在這些實(shí)施例中，多色光源布置成與偏振器和SPR光學(xué)組件光學(xué)聯(lián)通。由光源產(chǎn)生的光沿著入射光傳播軸傳播，并被導(dǎo)向通過偏振器導(dǎo)致光具有選擇性偏振方向，優(yōu)選地基本上是p-偏振光或s-偏振光。優(yōu)選地，本發(fā)明的偏振器提供了一種容易在具有p-偏振取向和s-偏振取向的入射光之間進(jìn)行變換的裝置。具有所選偏振取向的光被導(dǎo)向到SPR光學(xué)組件上。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，SPR光學(xué)組件包括電介質(zhì)層，電介質(zhì)樣品層和位于電介質(zhì)層與電介質(zhì)樣品層之間的導(dǎo)電層。位于導(dǎo)電膜附近的電介質(zhì)樣品層構(gòu)成探針區(qū)。本發(fā)明的示例性SPR傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)位于多色光源與SPR光學(xué)組件之間的光學(xué)準(zhǔn)直元件用于準(zhǔn)直導(dǎo)向到SPR光學(xué)組件的光波束。
SPR光學(xué)組件以產(chǎn)生全內(nèi)反射的入射角進(jìn)行照射產(chǎn)生沿著反射光傳播軸傳播的光。在示例性配置中，沿著入射光傳播軸傳播的光或者沿著反射光軸傳播的光會(huì)通過位于光源和探測(cè)器之間的光路上的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器。在優(yōu)選實(shí)施例中，可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器透射的光具有所選的透射波長分布，從而在探針區(qū)附近的導(dǎo)電層表面上產(chǎn)生表面等離子體激元。通過探測(cè)器探測(cè)沿著反射光軸傳播的光，借此感測(cè)探針區(qū)的折射系數(shù)。任意地，用光收集元件收集沿著反射光軸傳播的光并聚焦到探測(cè)器以提高探測(cè)靈敏度和分辨率。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種量化從SPR光學(xué)組件反射的p-偏振入射光百分比反射率的裝置。在示例性實(shí)施例中，通過選擇性調(diào)節(jié)偏振器，SPR光學(xué)組件用p-偏振光和s-偏振光交替照射。用波長滿足SP諧振條件的p-偏振光照射SPR光學(xué)組件可將輻射能轉(zhuǎn)變成SP，其會(huì)降低反射p-偏振光的強(qiáng)度。因?yàn)閟-偏振光不形成SP，所以反射p-偏振光強(qiáng)度的降低可以通過比較所探測(cè)的p-偏振光與s-偏振光的強(qiáng)度用百分比反射率精確地加以表征，該p-偏振光與s-偏振光得自于用基本上p-偏振和s-偏振的光束交替地照射SPR光學(xué)組件。
在本發(fā)明中，可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器提供了對(duì)于表征SP諧振條件和測(cè)量SP形成所需諧振波長有用的波長調(diào)諧功能。進(jìn)一步，本發(fā)明的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器不再需要用于通過SPR方法感測(cè)探針區(qū)折射系數(shù)變化的角度調(diào)制。在本發(fā)明該方面的內(nèi)容中，波長調(diào)諧是指以滿足SP諧振條件并產(chǎn)生SP激發(fā)的方式選擇性改變?nèi)肷浜?或被探測(cè)光。因?yàn)镾P諧振條件取決于探針區(qū)的折射系數(shù)，所以本發(fā)明的波長可調(diào)諧SPR傳感器提供了一種探測(cè)和監(jiān)視探測(cè)區(qū)域物理和化學(xué)性質(zhì)，例如成分、結(jié)合親和性和反應(yīng)，的裝置。
優(yōu)選地，波長選擇器提供了一種可選擇調(diào)節(jié)的透射波長分布。本發(fā)明的透射波長分布可以用中心波長、帶寬和波長強(qiáng)度排布(profile)加以表征。本發(fā)明的示例性波長選擇器能夠在連續(xù)的數(shù)值上選擇性調(diào)節(jié)透射波長分布的中心波長。在本發(fā)明中，可以選擇可透過波長選擇器的光的中心波長、帶寬和/或波長強(qiáng)度分布，以提高SPR感測(cè)的選擇性或者分辨率。選擇地，可以選擇可透過波長選擇器的光的分布中心波長、帶寬和/或波長強(qiáng)度排布(profile)，以提高SPR圖像質(zhì)量(也就是探針區(qū)內(nèi)不同區(qū)域最佳折射系數(shù)對(duì)比度)。
為了觀察SP形成、表征SP諧振條件或者測(cè)量SP諧振波長，本發(fā)明的示例性SPR傳感器監(jiān)視從SPR光學(xué)組件反射的光強(qiáng)度的降低。本發(fā)明的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器提供了一種調(diào)節(jié)被探測(cè)光波長的裝置。這允許精確地測(cè)量諧振波長，還允許通過測(cè)量反射光強(qiáng)度作為波長選擇器所透射光波長的函數(shù)描繪SP諧振曲線?？蛇x擇調(diào)節(jié)被探測(cè)光波長的能力提供了本發(fā)明波長可調(diào)諧SPR傳感器的這一功能。因此，本發(fā)明的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器可以布置在從多色光源到探測(cè)器的校準(zhǔn)光光路上的任何位置。在一個(gè)實(shí)施例中，可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器位于多色光源與SPR光學(xué)組件之間，從而選擇性調(diào)節(jié)被導(dǎo)向到SPR光學(xué)組件并隨后被探測(cè)的激發(fā)光的波長分布。在另一個(gè)實(shí)施例中，可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器布置在SPR光學(xué)組件與探測(cè)器之間，從而選擇性調(diào)節(jié)被導(dǎo)向到探測(cè)器并被探測(cè)的激發(fā)光的波長分布。本發(fā)明還包括具有附加可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器的實(shí)施例，該選擇器可以位于多色光源與探測(cè)器之間光路上的任何位置。將可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器布置在光源與SPR光學(xué)組件之間的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是只有波長被探測(cè)器探測(cè)的光才暴露于SPR光學(xué)組件。降低導(dǎo)向到光學(xué)組件上的光強(qiáng)度有利于避免由于照射導(dǎo)致的光學(xué)組件的升溫。光學(xué)組件的這種溫度變化能夠改變探針區(qū)的折射系數(shù)并使SPR感測(cè)結(jié)果和圖像模糊。
本發(fā)明可用的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器可以包括任何能夠透過所選分布透射波長并且基本上防止其它波長的光透過的器件或器件組件。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器是光學(xué)干涉濾光器，其可以圍繞垂直于入射平面的旋轉(zhuǎn)軸(也垂直于入射光傳播軸或反射光傳播軸)旋轉(zhuǎn)可調(diào)。在該實(shí)施例中，光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可調(diào)節(jié)透過光學(xué)干涉濾光器的光波長分布，特別是透射波長分布的中心波長。本發(fā)明的示例性可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器包括但不僅限于光學(xué)干涉濾光器、標(biāo)準(zhǔn)具(etalon)、Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、單色器、分光計(jì)、棱鏡、光柵和線性可變干涉濾光器。優(yōu)選的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器在測(cè)量諧振波長所需的中心波長范圍上提供基本上的相同的凈透射。優(yōu)選的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器具有關(guān)于s-和p-偏振光的良好表征的透射性質(zhì)。在離散波長操作中，波長調(diào)諧可用于產(chǎn)生導(dǎo)致探針區(qū)內(nèi)不同區(qū)域最佳對(duì)比度的SP。在波長掃描操作中，透射波長分布的中心波長可以連續(xù)變化，同時(shí)收集SPR測(cè)量結(jié)果或者圖像。
在本發(fā)明的SPR傳感器中使用可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器提供了調(diào)諧激發(fā)光、探測(cè)光或者兩者波長分布的能力。本器件和方法提供了連續(xù)調(diào)諧激發(fā)光、探測(cè)光或者兩者的波長分布或者波長主體范圍的能力，其優(yōu)選地在至少60nm的范圍上，更優(yōu)選地在數(shù)百納米的范圍上進(jìn)行調(diào)節(jié)。由本發(fā)明的這一屬性提供的波長調(diào)諧能力允許SPR諧振條件改變，從而被探測(cè)和表征作為時(shí)間的函數(shù)。SPR諧振條件的改變可以直接與探針區(qū)的折射系數(shù)相關(guān)。因此，本發(fā)明的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器提供的波長可調(diào)諧能力允許精確地量化探針區(qū)的物理和化學(xué)特性。進(jìn)一步，波長可調(diào)諧能力還提供了本發(fā)明SPR傳感器的寬闊動(dòng)態(tài)范圍。特別地，本發(fā)明的波長可調(diào)諧SPR傳感器和成像器件可以用于探測(cè)和表征非常寬范圍的具有不同折射系數(shù)、厚度和化學(xué)成分的材料。此外，使用本發(fā)明SPR傳感器的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器不需要用于探測(cè)SPR諧振條件變化或者確定諧振波長或諧振波長分布的角度調(diào)制。避免角度調(diào)制SPR光學(xué)配置是有利的，因?yàn)檫@些配置典型地需要空間上受限制的、成本昂貴的、對(duì)由環(huán)境壓力和溫度波動(dòng)和變化導(dǎo)致的失準(zhǔn)敏感的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)光學(xué)組件。進(jìn)一步，避免具有復(fù)雜旋轉(zhuǎn)組件的光學(xué)幾何布置(geometry)是有利的，因?yàn)檫@種組件需要頻繁的校準(zhǔn)和重校準(zhǔn)。
在本發(fā)明中使用非相干、多色光源具有多種優(yōu)點(diǎn)。首先，使用非相干光源避免了由從激發(fā)和反射波束產(chǎn)生的波束成分的光學(xué)干涉引發(fā)的問題。光學(xué)干涉會(huì)由于形成條紋圖和斑點(diǎn)而顯著惡化SPR感測(cè)結(jié)果和圖像。此外，非相干光源，例如鹵燈，價(jià)格低廉，顯示高度可重復(fù)的強(qiáng)度和容易光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。
本方法和器件能夠廣泛地應(yīng)用于任何SPR光學(xué)組件配置。本發(fā)明可使用的示例性SPR光學(xué)組件包括一個(gè)金屬薄膜，其與布置在Kretchmann光學(xué)幾何布置或Otto光學(xué)幾何布置中的棱鏡和電介質(zhì)樣品層接觸。選擇地，本發(fā)明的傳感器可以包括SPR光學(xué)組件，其包括波導(dǎo)管、光纖器件、光柵或者這些部件的任意組合。
本發(fā)明的方法和器件中可以使用任何能夠產(chǎn)生SP的光波長。一些SPR成像裝置優(yōu)選地使用波長接近電磁光譜紅外區(qū)(大約800nm-1200nm)的光，因?yàn)槟軌蛱峁┡c使用較高頻率的可見光的技術(shù)相比更高的折射系數(shù)靈敏度。此外，使用近紅外可以有利于某些應(yīng)用，其中被詢問的探針區(qū)含有在可見光區(qū)有吸收的物質(zhì)。在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明SPR傳感器和/或成像器件采用的光波長在大約845nm-857nm的范圍上選擇。
本發(fā)明的波長可調(diào)諧SPR傳感器可以用各種不同的操作模式加以操作。SPR操作模式相應(yīng)于不同類型的SPR測(cè)量、這些器件的不同功能方面和使用這些器件的不同方法。本發(fā)明的示例性SPR傳感器能夠以多種操作模式操作。
在一個(gè)可操作模式中，本發(fā)明的SPR傳感器能夠測(cè)量導(dǎo)致SP形成的諧振波長的分布。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器被調(diào)節(jié)以一種方式系統(tǒng)地改變被探測(cè)光的波長分布從而產(chǎn)生SPR諧振曲線。由本發(fā)明的方法和器件形成的優(yōu)選SP諧振曲線構(gòu)成百分比折射率對(duì)波長選擇器所透過波長分布中心波長的二維圖。量化諧振波長或諧振波長的分布可提供有關(guān)探針區(qū)組成的信息，因?yàn)橹C振條件強(qiáng)烈地依賴于探針區(qū)的折射系數(shù)。
在另一種操作模式中，本發(fā)明的SPR傳感器能夠監(jiān)視形成SP所需的諧振波長或者諧振波長分布的變化。監(jiān)視諧振波長分布的變化是有利的，因?yàn)槟芴峁┯嘘P(guān)探針區(qū)內(nèi)折射系數(shù)和組成變化的信息，例如由于化學(xué)物質(zhì)與探針區(qū)的某些部分結(jié)合導(dǎo)致的變化。在一個(gè)實(shí)施例中，SPR傳感器通過選擇透射波長的分布加以波長調(diào)諧，導(dǎo)致SP形成和反射光的衰減。反射光的強(qiáng)度和/或百分比折射率作為一定觀察間隔內(nèi)時(shí)間的函數(shù)加以監(jiān)視。相應(yīng)于探針區(qū)折射系數(shù)和化學(xué)組成改變的諧振條件的變化通過測(cè)量反射光的強(qiáng)度和/或百分比折射率的變化加以觀察和表征。選擇地，本發(fā)明的SPR傳感器能夠通過生成多個(gè)相應(yīng)于不同觀察間隔和/或不同實(shí)驗(yàn)條件的諧振曲線來測(cè)量諧振波長或者諧振波長的分布的變化。測(cè)量得到的諧振波長或諧振波長分布的偏移可能直接與探針區(qū)組成的相應(yīng)變化有關(guān)。在這些實(shí)施例中使用可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器有利于精確地量化諧振波長或諧振波長分布的偏移。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的波長可調(diào)諧SPR傳感器能夠作為SPR成像器件加以操作。在該實(shí)施例中，SPR傳感器包括一個(gè)二維探測(cè)器，例如電荷耦合器件或者二維二極管陣列。在優(yōu)選實(shí)施例中，具有能夠激發(fā)一個(gè)或多個(gè)SP的波長分布的p-偏振光束被導(dǎo)向到SPR光學(xué)組件，并測(cè)量反射光強(qiáng)度的第一二維分布。該反射光強(qiáng)度的第一二維分布構(gòu)成探針區(qū)的圖像。在一些實(shí)施例中，反射p-偏振光強(qiáng)度的分布必須被標(biāo)準(zhǔn)化以獲得最佳的SPR圖像，因?yàn)楸景l(fā)明的光源與波長選擇器的組合產(chǎn)生了波長依賴的透射強(qiáng)度。在本發(fā)明修正該效應(yīng)的方法中，一束s-偏振光被導(dǎo)向到SPR光學(xué)組件，并測(cè)量反射光強(qiáng)度的第二二維分布。p-和s-偏振取向之間的轉(zhuǎn)換優(yōu)選地通過調(diào)節(jié)位于多色光源與SPR光學(xué)組件之間的偏振器加以實(shí)現(xiàn)。比較第一和第二二維反射光強(qiáng)度分布可產(chǎn)生一個(gè)SPR圖像，其表征探針區(qū)。由本方法和器件產(chǎn)生的優(yōu)選SPR圖像由被測(cè)量百分比折射率的二維分布構(gòu)成。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，SPR圖像被修正用于區(qū)分本發(fā)明所用波長選擇器的s-和p-偏振透射性能，特別是作為旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)變化的透射性能。使用本發(fā)明的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器SPR成像器件有利于透過具有所選透射波長分布的光，從而提供具有更高光學(xué)質(zhì)量和清晰度的圖像。進(jìn)一步，本發(fā)明的SPR成像器件和方法能夠產(chǎn)生在高反射區(qū)域與衰減反射區(qū)域之間顯示高對(duì)比度的圖像。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供探測(cè)和表征探針區(qū)化學(xué)物質(zhì)之間化學(xué)或物理相互作用的方法。特別地，本發(fā)明的SPR傳感器可以采取具有在操作上與一個(gè)反應(yīng)器，例如流動(dòng)池(flow cell)或流動(dòng)反應(yīng)器，偶連的電介質(zhì)樣品層，該反應(yīng)器能夠有效地將化學(xué)物質(zhì)，例如原子、分子或離子，引入到樣品電介質(zhì)層和探針區(qū)內(nèi)。示例性反應(yīng)器能夠在與探針區(qū)接觸的其他傳輸介質(zhì)溶液中產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)流。探針區(qū)可以以如下的方式加以構(gòu)建，即顯示選擇性化學(xué)和/或物理性質(zhì)，例如選擇性結(jié)合親和性、化學(xué)反應(yīng)性和/或物理性質(zhì)。例如，第二探針區(qū)可以包括一個(gè)反應(yīng)器，其具有一個(gè)或多個(gè)固定在反應(yīng)器表面上的靶化學(xué)物質(zhì)，例如生物聚合體。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，薄導(dǎo)電層的感測(cè)表面被化學(xué)改性以提供選擇的親和性、反應(yīng)性、結(jié)合或其他的化學(xué)和/或物理性質(zhì)。將被選擇材料直接沉積在導(dǎo)電層的表面上，例如羧甲基葡聚糖，可以有利于生物聚合體，例如蛋白質(zhì)或寡核苷酸，共價(jià)附著在本發(fā)明的感測(cè)表面上。在這些實(shí)施例中，向反應(yīng)器引入一種或多種相互作用物質(zhì)可以產(chǎn)生靶與相互作用物質(zhì)之間的結(jié)合、化學(xué)反應(yīng)或物理相互作用，借此改變探針區(qū)的折射系數(shù)。使用本發(fā)明的SPR傳感器可以用于探測(cè)探針折射系數(shù)的變化，借此表征靶化學(xué)物質(zhì)和相互作用物質(zhì)的化學(xué)特性或者物理相互作用。
在示例性實(shí)施例中，在引入相互作用物質(zhì)之前，SPR傳感器產(chǎn)生至少一個(gè)相應(yīng)于探針區(qū)折射系數(shù)的參考測(cè)量結(jié)果。相互作用物質(zhì)被引入到反應(yīng)器中，并允許與探針區(qū)的靶物質(zhì)相互作用。SPR傳感器產(chǎn)生至少一個(gè)分析測(cè)量結(jié)果，其與參考測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較從而探測(cè)出所述探針區(qū)折射系數(shù)的變化。在示例性實(shí)施例中，要重復(fù)地獲取分析測(cè)量結(jié)果并彼此進(jìn)行比較以表征折射系數(shù)作為時(shí)間函數(shù)的變化。該變化可能與相互作用物質(zhì)與靶物質(zhì)之間相互作用的化學(xué)和物理本質(zhì)相關(guān)。本發(fā)明的示例性方法能夠確定表征靶物質(zhì)與相互作用物質(zhì)之間相互作用的結(jié)合親和性、速度常數(shù)、平衡常數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)。
本發(fā)明的SPR感測(cè)和成像方法和器件可廣泛地用于探測(cè)和可視化表征任何能夠改變折射系數(shù)的材料。特別地，本發(fā)明特別有利于探測(cè)化學(xué)物質(zhì)，包括但不僅限于，生物聚合體，例如蛋白質(zhì)、多肽、寡核苷酸、糖蛋白、DNA、RNA、多聚糖、以及脂類及其集合體。本發(fā)明方法和器件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們提供了靈敏的探測(cè)方法，其不需要耗時(shí)、成本昂貴和可能嚴(yán)重影響標(biāo)記化學(xué)物質(zhì)化學(xué)和/或物理性質(zhì)的預(yù)探測(cè)化學(xué)標(biāo)記處理。本感測(cè)和成像方法的其它優(yōu)點(diǎn)是它們提供了非常高的時(shí)間分辨率，高達(dá)大約100fM的靈敏度，和需要非常小的樣品體積。
本發(fā)明提供了可廣泛應(yīng)用于任何測(cè)量技術(shù)或其它涉及SP形成的處理的方法和器件。特別地，本發(fā)明的波長可調(diào)諧器件提供了有效的SP激發(fā)。例如，本發(fā)明的波長可調(diào)諧器件可以用于有效地激發(fā)SPR探針區(qū)中的光致發(fā)光材料。在示例性實(shí)施例中，本發(fā)明的器件用于產(chǎn)生能夠激發(fā)探針區(qū)化學(xué)物質(zhì)，特別是結(jié)合于探針區(qū)的化學(xué)物質(zhì)，熒光或者磷光發(fā)射的SP。這些器件可以包括與該熒光材料光學(xué)聯(lián)通的第二探測(cè)器，其能夠量化SP誘發(fā)熒光的強(qiáng)度。選擇地，本發(fā)明的波長可調(diào)諧SP器件可以提供將能量傳遞到反應(yīng)區(qū)域材料的裝置，以誘發(fā)該材料中的化學(xué)或物理改變。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明體提供了一種感測(cè)探針區(qū)折射系數(shù)的方法，包括如下的步驟(i)使光從多色光源傳播通過偏振器，借此產(chǎn)生沿入射光傳播軸傳播的光；(ii)將所述光導(dǎo)向到光學(xué)組件上，該光學(xué)組件包括電介質(zhì)層、樣品電介質(zhì)層和位于電介質(zhì)層和電介質(zhì)樣品層之間的導(dǎo)電層，借此產(chǎn)生沿著反射光傳播軸傳播的光，其中所述電介質(zhì)樣品層臨近所述導(dǎo)電層的部分構(gòu)成探針區(qū)；(iii)使所述光通過位于所述光源與探測(cè)器之間光路上的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器；(iv)用所述探測(cè)器探測(cè)所述光，借此感測(cè)探針區(qū)的折射系數(shù)，和(v)調(diào)節(jié)所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器透過具有所選波長分布的光從而在與所述電介質(zhì)樣品層接觸的所述導(dǎo)電層的表面上產(chǎn)生表面等離子體激元。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生探針區(qū)圖像的方法，包括如下步驟(i)使光從多色光源傳播通過偏振器，借此產(chǎn)生沿入射光傳播軸傳播的光；(ii)將所述光導(dǎo)向到光學(xué)組件上，該光學(xué)組件包括電介質(zhì)層、樣品電介質(zhì)層和位于電介質(zhì)層和電介質(zhì)樣品層之間的導(dǎo)電層，借此產(chǎn)生沿著反射光傳播軸傳播的光，其中所述電介質(zhì)樣品層臨近所述導(dǎo)電層的部分構(gòu)成探針區(qū)；(iii)使所述光通過位于所述光源與探測(cè)器之間光路上的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器；(iv)用所述探測(cè)器探測(cè)所述光，借此產(chǎn)生所述探針區(qū)的所述圖像，和(v)調(diào)節(jié)所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器透過具有所選波長分布的光從而在與所述電介質(zhì)樣品層接觸的所述導(dǎo)電層的表面上產(chǎn)生表面等離子體激元。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種探測(cè)探針區(qū)折射系數(shù)變化的方法，包括如下步驟(i)使光從多色光源傳播通過偏振器，借此產(chǎn)生沿入射光傳播軸傳播的光；(ii)將所述光導(dǎo)向到光學(xué)組件上，該光學(xué)組件包括電介質(zhì)層、樣品電介質(zhì)層和位于電介質(zhì)層和電介質(zhì)樣品層之間的導(dǎo)電層，借此產(chǎn)生沿著反射光傳播軸傳播的光，其中所述電介質(zhì)樣品層臨近所述導(dǎo)電層的部分構(gòu)成探針區(qū)；(iii)使所述光通過位于所述光源與探測(cè)器之間光路上的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器，其中所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器被調(diào)節(jié)透過具有所選波長分布的入射光從而在與所述電介質(zhì)樣品層接觸的所述導(dǎo)電層的表面上產(chǎn)生表面等離子體激元；(iv)用所述探測(cè)器探測(cè)所述光，借此產(chǎn)生至少一個(gè)參考測(cè)量結(jié)果，(v)用所述探測(cè)器探測(cè)所述光，借此產(chǎn)生至少一個(gè)分析測(cè)量結(jié)果，和(vi)比較所述參考測(cè)量結(jié)果與所述分析測(cè)量結(jié)果從而探測(cè)所述探針區(qū)折射系數(shù)的所述變化。


圖1是顯示本發(fā)明SPR成像器件側(cè)視圖的示意圖，該器件在多色光源和SPR光學(xué)組件之間具有一個(gè)可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器。
圖2是顯示本發(fā)明SPR成像器件側(cè)視圖的示意圖，該器件在SPR光學(xué)組件與探測(cè)器之間具有一個(gè)可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器。
圖3是顯示由光學(xué)干涉濾光器構(gòu)成的示例性可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器側(cè)視圖的示意圖。如圖3所示，該光學(xué)干涉濾光器能夠選擇地圍繞垂直于入射面的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
圖4是中心波長作為兩個(gè)干涉濾光器傾斜角函數(shù)的圖示，兩個(gè)干涉濾光器的垂直入射中心波長為大約850nm(填色菱形)和大約880nm(空白菱形)。
圖5是基于Kretschmann SPR配置的示例性SPR成像器件的照片。
圖6是用于修正由偏振依賴地透過光學(xué)干涉濾光器的光獲得的SPR圖像的校準(zhǔn)曲線。
圖7是示例性SPR成像器件對(duì)樣品折射系數(shù)變化的預(yù)期響應(yīng)。
圖8顯示了最佳中心成像波長作為折射系數(shù)與水的基準(zhǔn)折射系數(shù)之間差異的函數(shù)。
圖9顯示了蔗糖溶液的一系列標(biāo)準(zhǔn)化圖像，該溶液具有一定范圍的通過本發(fā)明示例性傳感器測(cè)量的不同折射系數(shù)。
圖10顯示了示例性SPR傳感器實(shí)驗(yàn)響應(yīng)的圖示。如圖所示，該系統(tǒng)的響應(yīng)與小于3×10-3的折射系數(shù)的變化呈線性。
圖11顯示了信噪比作為未經(jīng)修正(A，下圖)和已修正(B，上圖)SPR數(shù)據(jù)平均像素?cái)?shù)目的函數(shù)。
圖12顯示了用以多個(gè)不同傾斜角布置的光學(xué)干涉濾光器獲得的硫醇圖(pattern)和水圖(pattern)的系列圖像。圖12A相應(yīng)于857nm的中心波長，圖12B相應(yīng)于852nm的中心波長，圖12C相應(yīng)于845nm的中心波長，圖12D相應(yīng)于830nm的中心波長和圖12E相應(yīng)于814nm的中心波長。
圖13A和B顯示了硫醇圖(pattern)的圖像，它們具有通過本發(fā)明示例性SPR傳感器產(chǎn)生的大約100μm(圖13A左側(cè))和大約50μm(圖13B右側(cè))的最小外形尺寸。
圖14A-D顯示了當(dāng)牛血清白蛋白(BSA)吸附到金表面上時(shí)產(chǎn)生的圖像。圖14A的圖像顯示了以水為背景的反應(yīng)器的小區(qū)域。圖14B的圖像顯示了具有2mg ml-1BSA磷酸緩沖鹽溶液(PBS)的反應(yīng)器的相同區(qū)域。圖14C的圖像顯示了在泵唧水通過反應(yīng)器除掉所有未結(jié)合蛋白質(zhì)之后以水為背景的相同區(qū)域。圖14D的圖像顯示了圖14A的圖像減去圖14C的圖像之后產(chǎn)生的差異圖像。
具體實(shí)施例方式
參考附圖，類似的數(shù)字表示類似的元件，在多個(gè)附圖中出現(xiàn)的相同數(shù)字表示相同的元件。此外，下文中，應(yīng)用如下的定義“化學(xué)物質(zhì)”一般和廣義地指一種或多種原子、分子和/或高分子的集合，無論其是中性還是被離子化。特別地，本發(fā)明所指的化學(xué)物質(zhì)包括但不僅限于生物聚合物。液態(tài)樣品中的化學(xué)物質(zhì)可以以多種形式存在，包括酸、堿、分子、離子、配位及溶劑化(solvated)形式?；瘜W(xué)物質(zhì)還包括分子的非共價(jià)結(jié)合聚合體?；瘜W(xué)物質(zhì)包括生物分子，也就是，來自生物源的分子，包括生物聚合物，以上的任何一種或者全部都可以處于上述的形式，或者作為兩個(gè)或多個(gè)分子的聚合體存在。
“透射波長分布”是指由波長選擇器，如光學(xué)干涉濾光器、單色器或者分光計(jì)，透射的不同波長光強(qiáng)度的二維分布。透射波長分布可以根據(jù)中心波長、帶寬和透射波長的強(qiáng)度排布加以表征。在本發(fā)明中，由探測(cè)器探測(cè)的透射波長分布通過組合光源與可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器的光學(xué)性質(zhì)加以確定。在示例性實(shí)施例中，被導(dǎo)向到SPR光學(xué)組件上的和/或通過探測(cè)器探測(cè)的光的透射波長分布基本上具有高斯強(qiáng)度分布和中心波長，其相應(yīng)于具有最大強(qiáng)度的光的波長。
本發(fā)明的波長可調(diào)諧SPR傳感器和成像器件提供具有可選擇調(diào)節(jié)透射波長分布的激發(fā)光和/或探測(cè)光。
“中心波長”是光透射波長分布的特性。在一些實(shí)施例中，中心波長是指透射波長分布的中點(diǎn)波長。在其他實(shí)施例中，中心頻率是指波長分布中具有最大強(qiáng)度的透射波長。在其他實(shí)施例中，中心波長是指透射波長分布的平均波長。對(duì)于具有高斯或者洛倫茲強(qiáng)度排布的波長分布，中心波長典型地相應(yīng)于透射波長分布中具有最大強(qiáng)度的波長。
“光源”是指能夠產(chǎn)生電磁輻射的任何器件或材料，或者多個(gè)能夠產(chǎn)生電磁輻射的任何器件或材料。本發(fā)明優(yōu)選的光源能夠產(chǎn)生處于電磁頻譜近紅外區(qū)(大約800nm-1200nm)的光。在示例性實(shí)施例中，本發(fā)明的光源產(chǎn)生非相干光，用于避免在SPR成像和感測(cè)應(yīng)用中受到光學(xué)干涉的影響。在本發(fā)明的方法和器件中使用的光源包括鹵燈、發(fā)光二極管、熒光燈、鎢絲極燈、灰體光源(grey body light source)和黑體光源(black body light source)。
“帶寬”是光反射波長分布的特性。帶寬可以根據(jù)透射波長分布的強(qiáng)度排布最大值一半處的全寬加以定義，其是指透射率等于最大透射率一半處的全寬度。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，探測(cè)光的帶寬主要由可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器，例如光學(xué)干涉濾光器，的透射性質(zhì)確定。本發(fā)明的示例性可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器的透射帶寬在大約1nm-100nm的范圍上，在一些實(shí)施例中更優(yōu)選地在大約1-20nm的范圍上選擇。使用能夠提供具有大帶寬(＞10nm)特征的透射波長分布的波長選擇器，在一些實(shí)施例中有利于提高信噪比。
“導(dǎo)電層”是指由導(dǎo)體材料，例如金屬，或者半導(dǎo)體材料構(gòu)成的層。導(dǎo)電層支持表面等離子體激元的形成，并用作本發(fā)明的感測(cè)表面。本發(fā)明優(yōu)選的導(dǎo)電層是薄(＜50nm)金或銀層。
“電介質(zhì)樣品層”是指位于導(dǎo)電層表面附近的電介質(zhì)層，該導(dǎo)電層表面上具有表面等離子體激元。本發(fā)明的電介質(zhì)樣品層包括靠近導(dǎo)電層感測(cè)表面的探針區(qū)。本發(fā)明的探針區(qū)包括臨近上面具有表面等離子體激元的導(dǎo)電層表面(感測(cè)表面)的體積(volume)，其深度由表面等離子體激元在電介質(zhì)樣品層中的衰減長度加以定義。本發(fā)明的SPR傳感器和成像器件能夠感測(cè)、監(jiān)視和調(diào)整探針區(qū)折射系數(shù)的變化。電介質(zhì)樣品層和探針區(qū)可以在操作上與流動(dòng)池和/或流動(dòng)反應(yīng)器相連，用于將材料引入到電介質(zhì)樣品層和/或探針區(qū)。在這些實(shí)施例中，選擇流動(dòng)池或流動(dòng)反應(yīng)器的流動(dòng)條件可以調(diào)節(jié)電介質(zhì)樣品層和探針區(qū)的組成。選擇地，電介質(zhì)樣品層和探針區(qū)可以在操作上與靜止池和/或靜止反應(yīng)器相連。
“可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器“是指能夠選擇透過波長選擇器的光波長分布的器件、器件部件或者光學(xué)部件的組合?！翱蛇x擇調(diào)節(jié)波長選擇器”還指能夠選擇基本上被阻止透射通過波長選擇器的光波長分布的器件、器件部件或者光學(xué)部件的組合。本發(fā)明的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器可以透過以中心波長、帶寬和強(qiáng)度分布為特征的透射波長分布。本發(fā)明的示例性可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器包括，但不僅限于，光學(xué)干涉濾光器、標(biāo)準(zhǔn)具、Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、光纖干涉濾光器、光纖器件、纖維Fabry-Perot濾光器、單色器、分光計(jì)、光柵和/或棱鏡、狹縫或者其任意組合。本發(fā)明的示例性光學(xué)干涉濾光器通過圍繞垂直于反射波束軸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)能夠可選擇調(diào)節(jié)透射波長的分布。
“表面等離子體激元諧振傳感器”或者“SPR傳感器”可以同義地使用，指任何能夠通過激發(fā)表面等離子體激元監(jiān)視、探測(cè)或者表征探針區(qū)折射系數(shù)變化的器件或器件部件。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，SPR傳感器探測(cè)位于上面集中有表面等離子體激元的感測(cè)表面附近的探針區(qū)折射系數(shù)的變化。示例性SPR傳感器包括SPR成像器件，其能夠產(chǎn)生相應(yīng)于探針區(qū)折射系數(shù)和/或組成的探針區(qū)圖像。選擇地，本發(fā)明的SPR傳感器產(chǎn)生能夠激發(fā)位于導(dǎo)電層一個(gè)或多個(gè)表面附近的光致發(fā)光材料的表面等離子體激元。
“SPR光學(xué)組件”是指能夠?qū)⑤椛淠荞詈系奖砻娴入x子體激元中的光學(xué)部件的任意組合。在示例性實(shí)施例中，本發(fā)明的SPR光學(xué)組件包括以Kretschmann光學(xué)配置或者Otto光學(xué)配置布置的電介質(zhì)層、電介質(zhì)樣品層和導(dǎo)電層。選擇地，本發(fā)明的SPR光學(xué)組件可以包括多個(gè)光學(xué)部件，包括但不僅限于，棱鏡、金薄膜、銀薄膜、半導(dǎo)體薄膜、流動(dòng)反應(yīng)器、靜止反應(yīng)器、微流器件、流體通道、光對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)或者這些部件的任意組合。
“傾斜角”是旋轉(zhuǎn)位置的特征。在示例性實(shí)施例中，傾斜角是指光學(xué)干涉濾光器相對(duì)于入射光傳播軸或反射光傳播軸入射法線的旋轉(zhuǎn)方向。明確地講，傾斜角是指在相對(duì)于入射光傳播軸或反射光傳播軸進(jìn)行測(cè)量時(shí)，被旋轉(zhuǎn)光學(xué)部件，例如光學(xué)干涉濾光器，的角度偏移。本發(fā)明示例性光學(xué)干涉濾光器的表面可以在0°到大約60°的傾斜角范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0°到大約35°的傾斜角范圍內(nèi)取向。
在隨后的說明中，將闡述本發(fā)明器件、器件部件和方法的眾多特殊細(xì)節(jié)，以便對(duì)本發(fā)明的精確特性進(jìn)行完全的解釋。然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然能夠不利用這些特殊的細(xì)節(jié)實(shí)踐本發(fā)明。
本發(fā)明提供了用于感測(cè)感測(cè)表面附近探針區(qū)折射系數(shù)和組成變化的方法、器件和器件部件。特別地，提供了波長可調(diào)諧SPR感測(cè)器件和成像器件，其能夠以恒定的入射角度探測(cè)SPR條件并產(chǎn)生SP諧振曲線。進(jìn)一步，本發(fā)明提供了產(chǎn)生樣品電介質(zhì)層內(nèi)探針區(qū)SPR圖像的方法和器件。
圖1示意性圖解了本發(fā)明SPR成像器件的側(cè)視圖，其在多色光源和SPR光學(xué)組件之間具有可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器。示例性SPR成像器件100包括與偏振器130光聯(lián)通的多色光源110，光學(xué)干涉濾光器140，SPR光學(xué)組件150和二維探測(cè)器155。如圖1所示，示例性SPR成像器件100在光源110和偏振器130之間可以選擇地包括光準(zhǔn)直元件170，其包括棱鏡175和針孔177。進(jìn)一步，SPR成像器件在光學(xué)組件150和探測(cè)器155之間可以選擇地包括收集和成像光學(xué)元件158。
來自光源110的入射光160通過準(zhǔn)直元件170加以準(zhǔn)直并沿著入射光傳播軸180傳播。入射光160通過被布置成與光傳播軸180交叉的偏振器130，其能夠選擇入射光160的偏振狀態(tài)。偏振器130優(yōu)選地能夠選擇入射光160的基本上p-偏振或s-偏振的取向，并能夠在所選p-偏振和s-偏振取向之間進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換。具有所選透射波長分布的偏振入射光160通過被布置成與光傳播軸180相交的光學(xué)干涉濾光器140。在圖1所示實(shí)施例中，光學(xué)干涉濾光器140可以圍繞垂直于入射光傳播軸180的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)(由于圖1是透視的，所以光學(xué)干涉濾光器140的旋轉(zhuǎn)軸沒有顯示，而是被定向?yàn)閺母綀D平面凸出)。圖1顯示了光學(xué)干涉濾光器140的兩個(gè)不同旋轉(zhuǎn)方向。在該實(shí)施例中，透射光的波長分布可以通過光學(xué)干涉濾光器140的旋轉(zhuǎn)可選擇地調(diào)節(jié)。在優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)干涉濾光器140安裝在選轉(zhuǎn)臺(tái)(圖1未顯示)上，從而使濾光器相對(duì)于入射光傳播軸的角度可選擇地變化，進(jìn)而改變通過濾光器的光波長。因此，光學(xué)干涉濾光器140的旋轉(zhuǎn)位置確定了被導(dǎo)向到光學(xué)組件150并隨后被探測(cè)器155探測(cè)到的光的波長分布。
具有所選波長的光200被導(dǎo)向到SPR光學(xué)組件150上，其包括以Kretschmann光學(xué)配置布置的棱鏡210、導(dǎo)電薄膜220和電介質(zhì)樣品層230。本發(fā)明的優(yōu)選導(dǎo)電薄層220是厚度為大約30nm-60nm的金或銀層。優(yōu)選的電介質(zhì)樣品層230包括探針區(qū)270，其在操作上偶連于反應(yīng)器或池，例如流動(dòng)池、靜止池、流動(dòng)池反應(yīng)器或靜止池反應(yīng)器，該反應(yīng)器或池能夠?qū)⒉牧弦氲綄?dǎo)電薄層220表面附近的探針區(qū)270。以產(chǎn)生全內(nèi)反射的角度照射SPR光學(xué)組件150可產(chǎn)生沿著反射光傳播軸250傳播的光240并被二維探測(cè)器155探測(cè)。選擇地，來自光學(xué)組件150的光在探測(cè)之前可以用光收集和聚焦元件158加以收集以提高探測(cè)的靈敏度和分辨率。
至少有一部分波長滿足SPR諧振條件的光不會(huì)被光學(xué)組件150反射。而是，該入射能量被轉(zhuǎn)變成感測(cè)表面260上的SP，其中該感測(cè)表面由與電介質(zhì)樣品層230接觸的導(dǎo)電層220的表面構(gòu)成?？刂戚椛淠苻D(zhuǎn)變成表面等離子體激元的諧振條件強(qiáng)烈依賴于感測(cè)表面260附近探針區(qū)270的折射系數(shù)。探測(cè)被光學(xué)組件150反射到探測(cè)器155上的光能夠表征哪些光波長被轉(zhuǎn)變成為SPR以及這一過程的范圍。如圖1所示，本發(fā)明SPR傳感器和成像器件的優(yōu)選光學(xué)幾何布置(geometry)具有恒定的入射角，當(dāng)入射波束照射SPR光學(xué)組件時(shí)，選擇入射角以產(chǎn)生全內(nèi)反射。然而，本發(fā)明還包括如下的實(shí)施例，其中入射角可選擇地調(diào)節(jié)。這些實(shí)施例相應(yīng)于角度和波長均可調(diào)的SPR傳感器和成像器件。
圖2顯示了具有另一種光學(xué)配置的SPR成像器件300。在該光學(xué)配置中，光學(xué)干涉濾光器140被布置成與反射光傳播軸250相交。類似于圖1所示的光學(xué)配置，光學(xué)干涉濾光器可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在示例性SPR成像器件300中，光學(xué)干涉濾光器140可圍繞垂直于反射光傳播軸250定向的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)(由于圖2是透視的，所以光學(xué)干涉濾光器140的旋轉(zhuǎn)軸沒有顯示，而是被定向?yàn)閺母綀D平面凸出)。在該實(shí)施例中，透射光的波長分布可以通過光學(xué)干涉濾光器140的旋轉(zhuǎn)選擇地調(diào)節(jié)。圖2只顯示了光學(xué)干涉濾光器140的一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。在示例性實(shí)施例中，光學(xué)干涉濾光器140安裝在選轉(zhuǎn)臺(tái)(圖2未顯示)上，從而使濾光器相對(duì)于反射光傳播軸的角度可選擇地改變，進(jìn)而改變通過濾光器的光波長。因此，光學(xué)干涉濾光器140的旋轉(zhuǎn)位置確定了被探測(cè)器155探測(cè)到的光的波長分布。如圖2所示，SPR成像器件300可以選擇地包括位于光源110和光學(xué)組件150之間的切斷濾光器(cutofffilter)302。在示例性實(shí)施例中，切斷濾光器302是700nm長透過濾光器(700nm long pass filter)和/或1000nm短透過濾光器(1000nm shortpass filter)，其降低了波長小于700nm的光的強(qiáng)度從而使入射光對(duì)光學(xué)組件150的加熱最小化。
為了產(chǎn)生SPR圖像，調(diào)節(jié)偏振器130使之透過p-偏振光，并調(diào)節(jié)光學(xué)干涉濾光器140使之透過波長分布滿足特殊探針區(qū)組成和折射系數(shù)之SP諧振條件的光。探測(cè)器155探測(cè)從光學(xué)組件150反射的光，借此產(chǎn)生相應(yīng)于p-偏振光的反射光強(qiáng)度的第一二維分布。在一些實(shí)施例中，反射p-偏振光的二維分布提供了探針區(qū)的SPR圖像。利用強(qiáng)度隨波長變化的光源和波長選擇器的組合常常需要將測(cè)得的p-偏振反射光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化，以便根據(jù)百分比反射率計(jì)算圖像。為了將相應(yīng)于p-偏振光的反射強(qiáng)度轉(zhuǎn)變成百分比反射率，需要調(diào)節(jié)偏振器130透過s-偏振光，從而產(chǎn)生相應(yīng)于s-偏振光的反射光強(qiáng)度的第二二維分布。通過獲取每個(gè)象素位置處p-偏振強(qiáng)度與s-偏振強(qiáng)度的比值產(chǎn)生根據(jù)百分比反射率的探針區(qū)圖像。
在更大的濾光器旋轉(zhuǎn)角上，干涉濾光器的偏振依賴透射效應(yīng)變得顯著。明確地講，與透射p-偏振光通過相同的干涉濾光器相比，透射s-偏振光的強(qiáng)度降低，中心波長偏移到更短的波長。結(jié)果，在更大的濾光器旋轉(zhuǎn)角度，標(biāo)準(zhǔn)化圖像必須包括這一效應(yīng)的修正因子。任何成像角度的修正因子都能夠通過在不產(chǎn)生表面等離子體激元的情況下測(cè)量通過濾光器的p-偏振和s-偏振光的強(qiáng)度簡單地加以確定。(p-偏振強(qiáng)度)/(s-偏振強(qiáng)度)比值本身能夠用于修正干涉濾光器的偏振依賴透射效應(yīng)。例如，所測(cè)得的每個(gè)百分比反射率數(shù)值可以除以相應(yīng)于透射光分布中心波長的p-偏振光強(qiáng)度與s-偏振光強(qiáng)度的比值，以修正偏振依賴透射效應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施例中，(p-偏振強(qiáng)度)/(s-偏振強(qiáng)度)修正因子以多個(gè)不同的成像角度加以測(cè)量，并用三次多項(xiàng)式函數(shù)加以匹配從而產(chǎn)生系統(tǒng)的修正曲線。然后使用修正曲線獲得透射波長任意分布的修正因子。
圖3是光學(xué)干涉濾光器140的放大圖，顯示了多個(gè)相對(duì)于入射光傳播軸180或反射光傳播軸250發(fā)現(xiàn)入射的旋轉(zhuǎn)方向。明確地講，顯示了相應(yīng)于第一傾斜角350和第二傾斜角360的旋轉(zhuǎn)方向。第一傾斜角350小于第二傾斜角360。如圖3所示，在本發(fā)明一些實(shí)施例的內(nèi)容中，傾斜角是指光學(xué)干涉濾光器的角度方向與垂直于入射光傳播軸或反射光傳播軸的方向的角度偏差。另一種表達(dá)是，傾斜角是90度減去由濾光器表面定義的平面法線與入射波束軸之間的夾角。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，光學(xué)干涉濾光器透過的光，具有以中心波長、帶寬和波長強(qiáng)度排布為特征的波長分布。優(yōu)選的帶寬范圍為大約1nm-30nm，優(yōu)選的波長強(qiáng)度排布基本上為高斯形或者洛倫茲形。示例性光學(xué)干涉濾光器提供的中心頻率在大約60nm的范圍上，優(yōu)選地在大約100nm的范圍上可調(diào)諧。
在一個(gè)實(shí)施例中，光濾光器140的旋轉(zhuǎn)將透射波長分布的中心波長向較短的波長偏移。在示例性實(shí)施例中，其中光學(xué)干涉濾光器包括Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具，且光學(xué)干涉濾光器的中心波長由下式給出λcenter(θtitlt)=(λcenter(0))(1-(sin2θtiltn2))0.5;---(VI)]]>其中λcenter是透射光分布的中心波長，θtilt是傾斜角，λcenter(0)是相對(duì)于反射或入射光傳播軸垂直入射的中心波長，n是光學(xué)干涉濾光器的折射系數(shù)。對(duì)于由Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具構(gòu)成的光學(xué)干涉濾光器，n是濾光器的半波長厚層(half wavelength thick layer of the filter)。
一種在本發(fā)明SPR傳感器和成像器件中可用的示例性光學(xué)干涉濾光器，當(dāng)垂直入射時(shí)(濾光器表面法線與入射光軸之間的角度)在大約10nm的半最大帶寬上具有全寬度。圖4顯示了對(duì)于兩個(gè)垂直入射的中心波長為大約850nm(填充菱形)和大約880nm(空白菱形)的干涉濾光器，中心波長作為傾斜角函數(shù)的圖示。如圖4所示，當(dāng)傾斜角從0°變到35°時(shí)，通過濾光器的中心波長偏移大了約65nm。中心波長的改變與用等式VI預(yù)測(cè)的數(shù)值一致。波長的強(qiáng)度分布在傾斜角高達(dá)大約35°時(shí)仍基本上保持高斯強(qiáng)度排布。然而，隨著濾光器從0°傾斜到大約20°，高斯強(qiáng)度分布的寬度增加了大約4％。傾斜角超過大約20°時(shí)，強(qiáng)度分布的寬度隨角度增加得更快，另外增加達(dá)20％。
獲得最佳圖像樣品所需的波長調(diào)諧范圍用3層SPR模型加以估計(jì)，其中最佳圖像樣品的折射系數(shù)從裸金上的水的水線改變大約5×10-5-3×10-3(在大約850nm，折射系數(shù)等于1.328)。這些計(jì)算的結(jié)果表明，用于表征SP諧振波長預(yù)期改變的最佳波長范圍為大約845-857nm。該范圍跨度小于15nm，因此容易被單個(gè)光學(xué)干涉濾光器提供的波長偏移范圍所覆蓋。
本發(fā)明的SPR傳感器和成像器件可以由孤立裝置(stand-alone)構(gòu)成。選擇地，本發(fā)明的SPR傳感器和成像器件可以集成到其他器件中，或者用作裝置中的器件部件。本發(fā)明的傳感器可以偶連于反應(yīng)器、流動(dòng)池、靜止池、流動(dòng)池反應(yīng)器、靜止池反應(yīng)器、微流器件、生物系統(tǒng)分析儀、用于表征分子間相互作用的裝置和藥物掃描裝置。流動(dòng)池在操作上與本發(fā)明的傳感器和成像器件偶連，用于將化學(xué)物質(zhì)傳送到探針區(qū)。例如，本發(fā)明的SPR傳感器可以和微流液體傳送器件相結(jié)合將材料引入到探針區(qū)內(nèi)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，本發(fā)明傳感器的感測(cè)表面包括一個(gè)微流流動(dòng)池壁。在液流連續(xù)流過表面的條件下或者靜止流動(dòng)條件下可以進(jìn)行SPR感測(cè)測(cè)量。利用微流流動(dòng)系統(tǒng)是有利的，因?yàn)樗軐?duì)樣品傳遞到探針區(qū)的時(shí)間點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間提供精確的控制。
這里引用本專利申請(qǐng)所引用的全部參考文獻(xiàn)的全部內(nèi)容作為參考，這些內(nèi)容與本專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容一致。本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可知，除了本文特殊說明的之外，其他的方法、器件、器件元件、材料、處理程序和技術(shù)也能夠應(yīng)用于實(shí)踐本文廣義公開的本發(fā)明，而無需進(jìn)行過多的實(shí)驗(yàn)。所有在技術(shù)上已知的與本文特別說明的在功能上等價(jià)的方法、器件、器件元件、材料、程序和技術(shù)都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
實(shí)例1示例性SPR傳感器的表征本發(fā)明SPR傳感器感測(cè)探針區(qū)折射系數(shù)變化的能力通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究加以證實(shí)。明確地講，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供能夠靈敏地探測(cè)和表征探針區(qū)折射系數(shù)變化的SPR傳感器。進(jìn)一步，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有大動(dòng)態(tài)范圍的SPR傳感器，其能夠探測(cè)具有寬范圍折射系數(shù)的材料。
為了獲得前述目標(biāo)，示例性SPR傳感器的探測(cè)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍用計(jì)算機(jī)建模，并通過監(jiān)視低濃度蔗糖溶液的折射系數(shù)加以估計(jì)。這些研究中采用的示例性SPR傳感器是基于Kretschmann配置并且如圖5所示。多色光源是150W石英鹵燈(Dolan-Jenner，Lawrence，MA)，其偶連于多光纖導(dǎo)管(multi-fiber light pipe)(Edmund IndustrialOptics，Barrington，NJ)。來自光源的光通過消色差透鏡(EdmundIndustrial Optics，Barrington，NJ)加以收集并聚焦在針孔處(直徑100μm，Edmund Industrial Optics，Barrington，NJ)。第二消色差透鏡(Edmund Industrial Optics，Barrington，NJ)收集來自針孔的光并形成校準(zhǔn)波束。該經(jīng)過擴(kuò)展和校準(zhǔn)的波束通過偏振器(Edmund IndustrialOptics，Barrington，NJ)。該偏振器安裝在機(jī)動(dòng)化旋轉(zhuǎn)臺(tái)上(NewportCorporation，Irvine，CA)，從而能夠方便地獲得p-偏振和s-偏振圖像。該光隨后通過干涉濾光器(Edmund Industrial Optics，Barrington，NJ)，其在近紅外選擇一個(gè)窄帶(10nm FWHM)的工作波長從而最佳地對(duì)比樣品中的折射系數(shù)范圍。濾光器安裝在機(jī)動(dòng)化旋轉(zhuǎn)臺(tái)上(NewportCorporation，Irvine，CA)從而可以改變?yōu)V光器表面相對(duì)于準(zhǔn)直源波束的角度，進(jìn)而改變通過濾光器的光波長。將濾光器從垂直入射旋轉(zhuǎn)大約35°的傾斜角，使通過濾光器的波長向較短波長改變大約70nm。
SPR光學(xué)組件包括棱鏡、金薄膜和流動(dòng)反應(yīng)器。棱鏡的進(jìn)入和離開表面被定制打磨(custom ground)(Matthew’s Optical，Poulsbo，WA)從而與以64.8°的入射角入射到金屬表面的源波束垂直。從SPR光學(xué)組件反射的光通過成像透鏡(Edmund Industrial Optics，Barrington，NJ)，從而在CCD探測(cè)器(Retiga EX，QImaging，Burnaby，Canada)上形成聚焦圖像(放大率＜1)。樣品詢問的區(qū)域是圓形的，直徑為大約16mm。用Labview 6.1(National Instruments，Austin，TX)書寫在機(jī)器內(nèi)部的軟件執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取。
使用光源與干涉濾光器的組合，其提供隨中心波長改變的入射光強(qiáng)度，需要通過s-偏振信號(hào)將p-偏振信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化。進(jìn)一步，干涉濾光器的偏振依賴透射效應(yīng)在較大的濾光器旋轉(zhuǎn)角度處變得顯著。與透射p-偏振光相比，透射s-偏振光的強(qiáng)度降低，且中心波長隨著傾斜角增加偏移到較短的波長。結(jié)果，在較大的濾光器旋轉(zhuǎn)角度處，標(biāo)準(zhǔn)化圖像必須包括這一效應(yīng)的修正因子。修正因子通過在不形成表面等離子體激元的情況下測(cè)量通過光學(xué)干涉濾光器的p-偏振和s-偏振光的強(qiáng)度加以確定。(p-偏振強(qiáng)度)/(s-偏振強(qiáng)度)比值本身能夠用于修正干涉濾光器的偏振依賴透射效應(yīng)。每個(gè)測(cè)得的百分比反射率數(shù)值除以修正因子以修正偏振依賴透射效應(yīng)。
圖6是用于修正由偏振依賴地透過干涉濾光器的光獲得的SPR圖像的校正曲線。圖6中的菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示了在不形成表面等離子體激元的情況下對(duì)于10個(gè)不同的濾光器旋轉(zhuǎn)角度，p-偏振光強(qiáng)度的總和除以s-偏振光強(qiáng)度的總和。為了估計(jì)修正程序中的可變性，數(shù)據(jù)從源波束的5個(gè)不同區(qū)域獲得。圖6所示圖示的每個(gè)點(diǎn)是400個(gè)像素的平均值。數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差隨著傾斜角的增加而增加，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度小于24°時(shí)，≤1％，角度為36°時(shí)為6％。不同次運(yùn)行之間的變化相當(dāng)?shù)男。瑢?duì)于所有的濾光器傾斜角≤0.6％。此外，圖6還顯示了由數(shù)據(jù)獲得的3次多項(xiàng)式修正曲線。從圖示可以明顯看出，旋轉(zhuǎn)角度小于25°時(shí)的修正因子較小(小于1.3)，但對(duì)于較大的旋轉(zhuǎn)角度則快速增加，在36°時(shí)高達(dá)2.3。使用3層菲涅耳模型，為跨度為4個(gè)數(shù)量級(jí)，1×10-6-1×10-2，的探針區(qū)折射系數(shù)計(jì)算了示例性SPR傳感器的預(yù)期響應(yīng)。該計(jì)算假定水的基準(zhǔn)折射系數(shù)在大約850nm等于1.328。SPR傳感器對(duì)樣品折射系數(shù)改變的預(yù)期響應(yīng)如圖7所示。圖7所示的數(shù)據(jù)考慮到我們的濾光器其實(shí)驗(yàn)測(cè)得的透射帶為大約10nm。每個(gè)菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)相應(yīng)于裝置對(duì)于給定的樣品折射系數(shù)在樣品折射系數(shù)變化的最佳中心成像波長處改變的預(yù)期響應(yīng)。方形數(shù)據(jù)點(diǎn)相應(yīng)于裝置在設(shè)定為853nm的單一中心波長下的預(yù)期響應(yīng)。SPR傳感器預(yù)期在高達(dá)大約3×10-3的折射系數(shù)變化上具有線性響應(yīng)(作為對(duì)比，單層牛血清白蛋白在Au表面上的吸附相應(yīng)于大約1×103的折射系數(shù)變化)。還要注意，當(dāng)以853nm的單一中心波長獲取數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)傳感器響應(yīng)的影響。圖8顯示了最佳中心成像波長作為從水的基準(zhǔn)折射系數(shù)的折射系數(shù)改變的函數(shù)。853nm的成像波長只對(duì)大約3×103的折射系數(shù)變化是最佳的。然而，對(duì)于＜3×103的折射系數(shù)變化，在853nm的中心成像波長處測(cè)得的響應(yīng)接近在最佳中心成像波長處的預(yù)期。對(duì)于更大的折射系數(shù)變化，在853nm的中心成像波長處測(cè)得的響應(yīng)顯著小于在最佳中心成像波長處的預(yù)期，對(duì)于0.01的樣品折射系數(shù)變化，降低高達(dá)大約10％。
示例性SPR傳感器的實(shí)驗(yàn)響應(yīng)用一系列低濃度蔗糖(Sigma-Aldrich Inc.，St.Louis，MO)溶液加以研究。每種蔗糖溶液的折射系數(shù)用折射計(jì)(Milton Roy Company，Ivyland，PA)加以測(cè)量。該系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸鈉石灰玻璃顯微鏡載玻片(slides)(Fisher Scientific，Hampton，NH)，在NanostripTM溶液中清洗，然后沉積1nm Cr和450nm Au。在成像系統(tǒng)上使用之前，在1∶1∶5的30％過氧化氫、氨水和ddI水溶液中清洗涂布了Au的載玻片。然后在黑暗、氮?dú)夥障聦⑤d玻片放置在0.2mM乙烯基乙二醇端接的硫醇溶液(ethyleneglycol-terminated thiol solution)中24-72小時(shí)以形成無污垢自組裝單層。圖9顯示了各種折射系數(shù)溶液的一系列標(biāo)準(zhǔn)化圖像。所有的圖像都是用大約850nm的中心成像波長獲取的。圖像A-D顯示了溶液折射系數(shù)分別為1.3338、1.3343、1.3346和1.3354的流動(dòng)反應(yīng)器的相同區(qū)域。在引入每種蔗糖溶液之后，用ddI水沖洗反應(yīng)器和系統(tǒng)。每次ddI水沖洗之后，區(qū)域的信號(hào)分析顯示有微小的非特異吸附，信號(hào)的變異≤7％。圖10顯示了示例性SPR傳感器實(shí)驗(yàn)響應(yīng)的圖示。如圖所示，系統(tǒng)的響應(yīng)對(duì)于＜3×103的折射系數(shù)變化是線性的。
示例性SPR傳感器的探測(cè)極限用ddI水樣品加以研究。在大約3分鐘的周期上以2s的間隔和1.2s的曝光時(shí)間獲取圖像。p-偏振圖像用s-偏振圖像加以標(biāo)準(zhǔn)化，從而用s-偏振圖像和100象素區(qū)域上的平均數(shù)據(jù)獲得百分比反射率。水樣品顯示出50％的反射率，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.13％。因此，該裝置的探測(cè)極限大約為該標(biāo)準(zhǔn)偏差的4倍，或者說是0.5％。該反射率相應(yīng)于在大約5×10-5的折射系數(shù)內(nèi)可探測(cè)變化的下限。
通過在＞100個(gè)象素上取平均獲得的信噪比(SNR)沒有進(jìn)一步增加，除非對(duì)SPR傳感器中暫時(shí)變化的信號(hào)也進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。然而使用適當(dāng)?shù)膮⒖紭?biāo)準(zhǔn)化，SNR如預(yù)期地隨信號(hào)強(qiáng)度的平方增加。圖11顯示了SNR比值作為未經(jīng)修正(A，下圖)和已經(jīng)修正(B，上圖)SPR數(shù)據(jù)平均象素?cái)?shù)目的函數(shù)。該數(shù)據(jù)由以2s間隔獲取的源波束的100個(gè)圖像(800ms曝光時(shí)間)構(gòu)成。明確地講，我們的信號(hào)強(qiáng)度增加102的因子將使SNR或者大約5×10-6的探測(cè)極限增加10的因子。此外，SNR可以通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件改性使源強(qiáng)度增加而進(jìn)一步增加。
實(shí)例2硫醇圖的SPR圖像和金表面上的牛血清白蛋白為了估計(jì)本發(fā)明SPR成像器件的靈敏度和空間分辨率，通過示例性SPR傳感器產(chǎn)生硫醇圖的SPR圖像。金表面(包括從FisherScientific電子波束沉積到標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡載玻片上的大約1nm的Cr和大約45nm的金)上的硫醇圖用聚二甲基硅氧烷(PDMS)印記規(guī)程(stamping protocol)制得。將所采用的規(guī)程最佳化，從而使材料從PDMS印記向表面的轉(zhuǎn)移最小，并在表面上產(chǎn)生單層的硫醇。所有的圖像都用p-偏振光獲取。圖12顯示了一系列用處于多個(gè)不同傾斜角的光學(xué)干涉濾光器獲取的硫醇和水圖的圖像。圖12A相應(yīng)于857nm的中心波長，圖12B相應(yīng)于852nm的中心波長，圖12C相應(yīng)于845nm的中心波長，圖12D相應(yīng)于830nm的中心波長和圖12E相應(yīng)于814nm的中心波長。十六烷硫醇(hexadecanethiol)層相應(yīng)于圖像的光亮區(qū)域，水層相應(yīng)于黑暗區(qū)域。通過與印記接觸產(chǎn)生的方形區(qū)域大約為500μm×212μm。如圖12A-12E所示，隨著濾光器從該樣品的最佳位置偏離，不同折射系數(shù)區(qū)域之間的對(duì)比度降低。如圖12A所示，本發(fā)明的SPR傳感器能夠產(chǎn)生具有折射系數(shù)的探針區(qū)域的高視覺品質(zhì)圖像。
為示例性SPR傳感器實(shí)驗(yàn)地確定了小于大約50μm的橫向分辨率上限。圖13顯示了最小外形尺寸為大約100μm(A，左側(cè))和大約50μm(B，右側(cè))的硫醇圖的圖像。該圖像顯示了一維透視縮小(foreshortened)了因子為0.43的圖像。在表面等離子體激元傳播方向上，確定出橫向分辨率的下限為＞50μm。這與已知的表面等離子體激元在近紅外區(qū)金上的傳播長度一致。
圖14A-D顯示了當(dāng)牛血清白蛋白(BSA)吸附到金表面上時(shí)產(chǎn)生的圖像。所有的圖像都用p-偏振光和大約853nm的中心波長獲取。圖14A顯示了以水為背景的反應(yīng)器的小區(qū)域的圖像(RIwater在大約850nm為大約1.328)。圖14B顯示了具有2mg ml-1BSA磷酸緩沖鹽溶液(PBS)的反應(yīng)器的相同區(qū)域的圖像。圖14C顯示了在泵唧水通過反應(yīng)器除掉所有未結(jié)合蛋白質(zhì)之后以水為背景的相同區(qū)域的圖像。圖14D顯示了圖14A的圖像減去圖14C的圖像之后產(chǎn)生的差異圖像。折射系數(shù)的變化是由于蛋白質(zhì)吸附到Au表面上(對(duì)于水中的BSA單層，RI為大約1.331)。該折射系數(shù)變化相應(yīng)于大約26％的百分比反射率變化。這些測(cè)量結(jié)果顯示，本發(fā)明的SPR傳感器能夠靈敏地探測(cè)由于蛋白質(zhì)吸附到探針區(qū)內(nèi)導(dǎo)致的折射系數(shù)變化。
權(quán)利要求
1.一種表面等離子體激元諧振傳感器，用于感測(cè)探針區(qū)的折射系數(shù)，其包括多色光源，用于產(chǎn)生沿著入射光傳播軸傳播的光；偏振器，其與所述多色光源光聯(lián)通，用于選擇所述光的偏振狀態(tài)；光學(xué)組件，其與所述多色光源光聯(lián)通，所述光學(xué)組件包括一個(gè)電介質(zhì)層、一個(gè)電介質(zhì)樣品層和一個(gè)位于所述電介質(zhì)層和所述電介質(zhì)樣品層之間的導(dǎo)電層，其中用所述光的所述光學(xué)組件的照射可以產(chǎn)生沿著反射光傳播軸傳播的光，其中所述電介質(zhì)樣品層臨近所述導(dǎo)電膜的部分構(gòu)成探針區(qū)；探測(cè)器，其與所述光學(xué)組件光聯(lián)通，用于探測(cè)沿著所述反射光軸傳播的所述光，借此感測(cè)所述探針區(qū)的折射系數(shù)；和可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器，其位于所述光源與所述探測(cè)器之間的光路上，用于透射光，該光具有選擇的透射波長分布從而在與所述電介質(zhì)樣品層接觸的所述導(dǎo)電層表面上產(chǎn)生表面等離子體激元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)位于所述光學(xué)組件與所述探測(cè)器之間的光收集與聚焦元件，所述光收集與聚焦元件用于收集沿著反射光傳播軸傳播的所述光并將沿著反射光傳播軸傳播的光聚焦在所述探測(cè)器上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)用于準(zhǔn)直來自所述多色光源的光的準(zhǔn)直光學(xué)元件，其中所述準(zhǔn)直光學(xué)元件位于所述多色光源與所述光學(xué)組件之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述準(zhǔn)直光學(xué)元件包括第一棱鏡、針孔和第二棱鏡，其每一個(gè)都位于所述多色光源與所述光學(xué)元件之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器位于所述光學(xué)組件與所述探測(cè)器之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器位于所述多色光源與所述光學(xué)組件之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器是光學(xué)干涉濾光器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光學(xué)干涉濾光器是Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光學(xué)干涉濾光器是線性可變干涉濾光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光學(xué)干涉濾光器能夠可調(diào)節(jié)地圍繞垂直于所述入射光傳播軸的軸線旋轉(zhuǎn)，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇地調(diào)節(jié)透射波長的分布。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇調(diào)節(jié)透射波長分布的中心波長。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述透射波長分布的中心波長由下式給出λcenter(θtitlt)=(λcenter(0))(1-(sin2θtiltn2))0.5,]]>其中λcenter是透射波長分布的所述中心波長，θtilt是傾斜角，λcenter(0)是相對(duì)于反射或入射光傳播軸垂直入射的中心波長，n是光學(xué)干涉濾光器的折射系數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光學(xué)干涉濾光器能夠可調(diào)節(jié)地圍繞垂直于所述反射光傳播軸的軸線旋轉(zhuǎn)，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇地調(diào)節(jié)透射波長的分布。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇調(diào)節(jié)透射波長分布的中心波長。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述透射波長分布的中心波長由下式給出λcenter(θtitlt)=(λcenter(0))(1-(sin2θtiltn2))0.5,]]>其中λcenter是透射波長分布的所述中心波長，θtilt是傾斜角，λcenter(0)是相對(duì)于反射或入射光傳播軸垂直入射的中心波長，n是光學(xué)干涉濾光器的折射系數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求7的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光學(xué)干涉濾光器能夠可調(diào)節(jié)地圍繞垂直于所述入射光傳播軸的軸線旋轉(zhuǎn)，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇地調(diào)節(jié)基本上被阻止透過所述光學(xué)干涉濾光器的波長的分布。
17.根據(jù)權(quán)利要求7的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光學(xué)干涉濾光器能夠可調(diào)節(jié)地圍繞垂直于所述反射光傳播軸的軸線旋轉(zhuǎn)，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇地調(diào)節(jié)基本上被阻止透過所述光學(xué)干涉濾光器的波長的分布。
18.根據(jù)權(quán)利要求7的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光學(xué)干涉濾光器具有第一和第二基本上平行的端部，且所述第一端部的傾斜角在0°到大約35°的范圍上選擇。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述透射波長的分布用中心波長加以表征，且所述中心波長可以在大約65nm的范圍上加以調(diào)諧。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述透射波長的分布用帶寬加以表征，且所述帶寬的數(shù)值從大約1nm-大約100nm的范圍內(nèi)選擇。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器由一個(gè)單色器構(gòu)成。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器由一個(gè)分光計(jì)構(gòu)成。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器由一個(gè)棱鏡構(gòu)成。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器由一個(gè)光柵構(gòu)成。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述探測(cè)器是一個(gè)電荷耦合器件。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述電介質(zhì)層具有第一折射系數(shù)，其中所述電介質(zhì)樣品層具有小于第一折射系數(shù)的第二折射系數(shù)，且其中沿著所述入射光傳播軸傳播的所述光在與所述光學(xué)組件相互作用時(shí)經(jīng)歷了全內(nèi)反射。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述電介質(zhì)層是一個(gè)棱鏡。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)流動(dòng)池，其在操作上與所述光學(xué)組件相連用于將樣品引入到所述探針區(qū)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述電介質(zhì)樣品層是由所述流動(dòng)池提供的樣品。
30.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述導(dǎo)電層由金膜構(gòu)成。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述第一折射系數(shù)層和所述導(dǎo)電層構(gòu)成一個(gè)波導(dǎo)管。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述第一折射系數(shù)層和所述導(dǎo)電層構(gòu)成一個(gè)光纖。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，包括一個(gè)表面等離子體激元成像器件。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述光源是非相干光源。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)在操作上與所述光學(xué)組件相連的微流流動(dòng)池，用于將樣品引入到所述探針區(qū)。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的表面等離子體激元諧振傳感器，其中與所述第二層相接觸的所述導(dǎo)電層的所述表面構(gòu)成所述微流流動(dòng)池的一個(gè)側(cè)面。
37.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中所述導(dǎo)電層的所述表面被改性以提供可選擇的結(jié)合親和性。
38.根據(jù)權(quán)利要求1的表面等離子體激元諧振傳感器，其中與所述電介質(zhì)樣品層接觸的所述導(dǎo)電層的所述表面被改性以提供可選擇的吸附特性。
39.一種感測(cè)探針區(qū)折射系數(shù)的方法，包括如下的步驟使光從多色光源通過偏振器，借此產(chǎn)生沿著入射光傳播軸傳播的光；將所述光導(dǎo)向到光學(xué)組件上，所述光學(xué)組件包括電介質(zhì)層、電介質(zhì)樣品層和位于所述電介質(zhì)層和所述電介質(zhì)樣品層之間的導(dǎo)電層，借此產(chǎn)生沿著反射光傳播軸傳播的光，其中所述電介質(zhì)樣品層臨近所述導(dǎo)電層的部分構(gòu)成所述探針區(qū)；使光通過位于所述光源和探測(cè)器之間的光路上的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器；用所述探測(cè)器探測(cè)所述光，借此感測(cè)所述探針區(qū)的所述折射系數(shù)，和調(diào)節(jié)所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器以透射具有所選波長分布的光，從而在與所述電介質(zhì)樣品層接觸的所述導(dǎo)電層表面上產(chǎn)生表面等離子體激元。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟包括系統(tǒng)地改變由所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器透射的波長分布的步驟。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟包括如下步驟透射光通過具有第一波長分布的所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器，借此產(chǎn)生所述探針區(qū)的第一圖像；透射光通過具有第二波長分布的所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器，借此產(chǎn)生所述探針區(qū)的第二圖像；比較所述第一和第二圖像的光譜品質(zhì)；和選擇由所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器透射的所述入射光的波長分布以提高所述圖像的光譜品質(zhì)。
42.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述可選擇波長選擇器位于所述光源與所述光學(xué)組件之間。
43.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述可選擇波長選擇器位于所述光源與所述探測(cè)器之間。
44.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述可選擇波長選擇器是一個(gè)光學(xué)干涉濾光器。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述光學(xué)干涉濾光器是Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟包括圍繞垂直于所述入射光傳播軸的軸線調(diào)節(jié)所述光學(xué)干涉濾光器的步驟，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇調(diào)節(jié)透射光波長的分布。
47.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟包括圍繞垂直于所述反射光傳播軸的軸線調(diào)節(jié)所述光學(xué)干涉濾光器的步驟，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇調(diào)節(jié)透射光波長的分布。
48.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟包括圍繞垂直于所述入射光傳播軸的軸線調(diào)節(jié)所述光學(xué)干涉濾光器的步驟，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇調(diào)節(jié)基本上被阻止透過所述光學(xué)干涉濾光器的波長分布。
49.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟包括圍繞垂直于所述反射光傳播軸的軸線調(diào)節(jié)所述光學(xué)干涉濾光器的步驟，其中所述光學(xué)干涉濾光器的旋轉(zhuǎn)可選擇調(diào)節(jié)基本上被阻止透過所述光學(xué)干涉濾光器的波長分布。
50.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述使光通過偏振器的步驟產(chǎn)生沿著所述入射光傳播軸傳播的具有p-偏振狀態(tài)的光。
51.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中沿著所述入射光傳播軸傳播的所述光在與所述光學(xué)組件相互作用時(shí)經(jīng)歷了全內(nèi)反射。
52.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，進(jìn)一步包括校準(zhǔn)來自所述多色光源的光的步驟。
53.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，進(jìn)一步包括將沿著所述反射光傳播軸傳播的所述光聚焦到所述探測(cè)器的步驟。
54.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述光具有電磁波譜近紅外區(qū)內(nèi)的波長。
55.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述光學(xué)組件包括一個(gè)在操作上與所述探針區(qū)相連的流動(dòng)池，用于將化學(xué)物質(zhì)傳遞到所述探針區(qū)內(nèi)。
56.根據(jù)權(quán)利要求55的方法，進(jìn)一步包括使化學(xué)物質(zhì)流動(dòng)通過所述流動(dòng)池的步驟，借此改變所述探針區(qū)的組成。
57.根據(jù)權(quán)利要求55的方法，進(jìn)一步包括使化學(xué)物質(zhì)流動(dòng)通過所述流動(dòng)池的步驟，借此改變所述探針區(qū)的折射系數(shù)。
58.使化學(xué)物質(zhì)流動(dòng)通過所述流動(dòng)池的步驟，借此改變所述探針區(qū)的厚度。
59.根據(jù)權(quán)利要求55的方法，其中所述流動(dòng)池使一個(gè)微流流動(dòng)池。
60.一種產(chǎn)生探針區(qū)圖像的方法，包括如下步驟使光從多色光源通過偏振器，借此產(chǎn)生沿著入射光傳播軸傳播的光；將所述光導(dǎo)向到光學(xué)組件上，所述光學(xué)組件包括電介質(zhì)層、電介質(zhì)樣品層和位于所述電介質(zhì)層和所述電介質(zhì)樣品層之間的導(dǎo)電層，借此產(chǎn)生沿著反射光傳播軸傳播的光，其中所述電介質(zhì)樣品層臨近所述導(dǎo)電層的部分構(gòu)成所述探針區(qū)；使光通過位于所述光源和探測(cè)器之間的光路上的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器；用所述探測(cè)器探測(cè)所述光，借此產(chǎn)生所述探針區(qū)的所述圖像，和調(diào)節(jié)所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器以透射具有所選波長分布的光，從而在與所述電介質(zhì)樣品層接觸的所述導(dǎo)電層表面上產(chǎn)生表面等離子體激元。
61.根據(jù)權(quán)利要求60的方法，其中所述探測(cè)器是電荷耦合器件。
62.一種探測(cè)探針區(qū)折射系數(shù)改變的方法，包括如下步驟使光從多色光源通過偏振器，借此產(chǎn)生沿著入射光傳播軸傳播的光；將所述光導(dǎo)向到光學(xué)組件上，所述光學(xué)組件包括電介質(zhì)層、電介質(zhì)樣品層和位于所述電介質(zhì)層和所述電介質(zhì)樣品層之間的導(dǎo)電層，借此產(chǎn)生沿著反射光傳播軸傳播的光，其中所述電介質(zhì)樣品層臨近所述導(dǎo)電層的部分構(gòu)成所述探針區(qū)；使光通過位于所述光源和探測(cè)器之間光路上的可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器，其中所述可選擇調(diào)節(jié)波長選擇器被調(diào)節(jié)透射具有所選波長分布的入射光，從而在與所述電介質(zhì)樣品層接觸的所述導(dǎo)電層的表面上產(chǎn)生表面等離子體激元；用所述探測(cè)器探測(cè)所述光，借此產(chǎn)生至少一個(gè)參考測(cè)量結(jié)果，用所述探測(cè)器探測(cè)所述光，借此產(chǎn)生至少一個(gè)分析測(cè)量結(jié)果，和比較所述參考測(cè)量結(jié)果和所述分析測(cè)量結(jié)果，從而探測(cè)所述探針區(qū)折射系數(shù)的所述變化。
63.根據(jù)權(quán)利要求62的方法，其中所述光學(xué)組件進(jìn)一步包括一個(gè)流動(dòng)池，用于將化學(xué)物質(zhì)引入到所述探針區(qū)。
64.根據(jù)權(quán)利要求63的方法，進(jìn)一步包括將化學(xué)物質(zhì)引入到所述探針區(qū)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于感測(cè)、成像和表征探針區(qū)組成變化的方法、器件和器件部件。更特別地，本發(fā)明提供了用于探測(cè)探針區(qū)折射系數(shù)變化的方法和器件，其中該探針區(qū)臨近感測(cè)表面，優(yōu)選地臨近于由導(dǎo)電薄膜構(gòu)成的支持表面等離子體激元形成的感測(cè)表面。此外，本發(fā)明提供了用于在探針區(qū)內(nèi)產(chǎn)生表面等離子體激元并通過形成探針區(qū)的一個(gè)或多個(gè)表面等離子體激元諧振曲線和/或表面等離子體激元諧振圖像表征探針區(qū)組成的方法和器件。
文檔編號(hào)G01N21/55GK1717581SQ200380104088
公開日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月28日
發(fā)明者保羅·雅格, 伊萊恩·S.·付 申請(qǐng)人:華盛頓大學(xué)