專利名稱：光諧振分析設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光諧振分析系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明涉及用于進行使用照明的光柵耦合表面.等離子體激元諧振成像的一種改進儀器和用于在傳感器陣列表面上發(fā)生多次反應(yīng)的實時分析的檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光柵耦合表面.等離子體激元諧振(GCSPR)的基本工作原理利用了某一波長的光照射金屬表面時所產(chǎn)生的表面電荷振動的優(yōu)點。例如，一般由涂有高反射金屬(例如金)薄層(～80納米)的塑料光柵構(gòu)成的傳感器芯片配置有特殊的結(jié)合分子(例如抗體)陣列。當具有適當波長，偏振，入射角的光照射該芯片時，當來自光的能量耦合進該金屬電子以激勵表面.等離子體激元時，就會產(chǎn)生諧振狀態(tài)。這樣，這諧振狀態(tài)是一種金屬自由電子在金屬/電介質(zhì)界面的傳播振蕩。在這個例子中，該金屬是金薄層，而電介質(zhì)是含有待分析分子的水溶液，水溶液流過金屬表面，與固定不動的結(jié)合分子接觸。該表面.等離子體激元體含有與界面垂直的視場，視場沿界面?zhèn)鞑?。等離子體激元視場的最大振幅位于界面上，并在垂直于它的方向按指數(shù)衰減。對電介質(zhì)的穿透度取決于激勵光的波長，典型地在100-300納米范圍內(nèi)。諧振狀態(tài)由入射光束的反射率的較大下降來顯示(當入射光耦合進表面等離子體激元時)。
因為來自溶液的分子結(jié)合到沉積在金屬表面的材料中，沉積材料的反射率改變了，于是引起SPR諧振角的漂移。SPR可用于檢測傳感器芯片表面上的分子結(jié)合反應(yīng)，因為SPR諧振狀態(tài)取決于金屬/介質(zhì)界面上的折射率。這樣，傳感器芯片表面上的分子結(jié)合反應(yīng)引起諧振狀態(tài)的漂移，可根據(jù)實現(xiàn)通路監(jiān)視它作為通路波長，入射角或強度的漂移。
然而，用角度掃描陣列成像來平行地測量許多采樣的目前的光柵耦合SPR方法與其他角度掃描光諧振傳感器方法(包括Kretchmann SPR成像方法)共有某些缺點。見Kretschmann，Z.Phyzik，241313-24(1971)。與角度掃描陣列SPR相關(guān)的許多問題涉及到系統(tǒng)光學和以下情況SPR陣列成像需要相對高程度數(shù)字化孔徑成像系統(tǒng)，以容納SPR掃描內(nèi)包含的照射角范圍，但對于在角掃描期間的每次單獨曝光或圖像幀，光線高度地集中于全孔徑瞳孔的一小部分中。
用于SPR檢測分析的傳統(tǒng)透鏡設(shè)計展示出稱作為“步行”或“ROI漂移”的與掃描角有關(guān)的圖像的缺點，在與掃描角有關(guān)的圖像中，當掃描照射角(入射角)時，傳感器芯片上感興趣區(qū)域(ROI)的圖像在檢測器表面上移動。在視場的外圍區(qū)域特別地表現(xiàn)出步行。這種影響是由于依賴孔徑角和視場半徑兩者的高次像差引起的，并當物體面傾斜時更加惡化。這些像差普遍存在于傳統(tǒng)的高程度數(shù)字化孔徑成像系統(tǒng)中，但一般能容忍，僅在所有孔徑角都同時存在時，會引起對比度和分辨力損失。然而，在陣列SPR中，它們會引起一個嚴重的問題，因為必須在傳感器芯片仔細定義的位置上進行高精度反射測量作為照射角的函數(shù)。對于任何一次曝光僅使用一小部分透鏡孔徑瞳孔，但是，在角掃描期間，所用的部分移過該孔徑，由此，改變檢測器上的圖像位置。
通過移動包括作為掃描角度函數(shù)的ROI的檢測器像素以致能跟蹤ROI圖像移動，在某種程度上可以在軟件中補償ROI漂移效應(yīng)。參見Zizlsperger and Knoll，Progr.Colloid Polym Sci.，109244-253(1998年))。然而，對于步行效應(yīng)的這種后事件數(shù)據(jù)處理補償對首次產(chǎn)生更精確數(shù)據(jù)是一種不大適合的解決辦法。
與當前SPR陣列儀器內(nèi)的孔徑瞳孔的上述嚴重的瞬間未填滿相關(guān)的另一個問題是由各光表面之間的，特別在透鏡元件表面之間的，多次反射引起的“熱點”或圖像閃耀的現(xiàn)象。雖然，即使使用防反射涂層，這樣的多次反射在所有多元折射成像系統(tǒng)中也會引起漫射光和對比度損失，但是該效應(yīng)一般是無害的。然而，在角掃描SPR成像系統(tǒng)中，在小部分的孔徑瞳孔中的光強度的高集中性常常導致漫射光，這漫射光集中在檢測器表面的圖像區(qū)的相對較小區(qū)域內(nèi)。這些集中區(qū)是“熱點”。然而，當掃描照射角時，熱點通常移過該圖像。雖然，它們的強度只是檢測器上的直接強度強度的非常小的一部分，熱點能明顯地調(diào)制與受到影響的ROI相關(guān)的表觀反射比傾角。與未受影響的ROI相比，受影響的ROI具有變化相當大的SPR諧振角，由此導致系統(tǒng)中背景噪聲的增加。
雖然文獻中的其他人已經(jīng)使用了成像，但是它經(jīng)受與掃描有關(guān)的假象(scandependent artifact)，否則已經(jīng)完全避免了掃描。例如，Zizlsperger和Knoll，infra.，已經(jīng)描述了角掃描能導致大量“步行”的一種系統(tǒng)，這經(jīng)過ROI的軟件跟蹤精巧地處理。Guedon等人已經(jīng)描述了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)展現(xiàn)較差的成像和大量步行，但經(jīng)過使用固定角和相對少而較大的ROI進行補償。參見Guedon等人，Anal.Chem.，726003-6009(2000)和Lyon等人，Review of Scientific Instruments，70(4)2076-2081(1999)。另一種辦法是Knoll專利，U.S.Pat.No.5442448的雙光柵法線入射成像，雖然這系統(tǒng)引入了額外復雜性。然而，固定角和波長的系統(tǒng)具有非常有限的動態(tài)范圍，并易受源強度強度波動的影響。例如，即使用軟件補償，沒有一種上述技術(shù)能夠獲得足夠好的圖像，以能在傳感器表面上讀取標識語或其他小標識符或索引特征，或甚至一個小的ROI。在例如這兒所期望的需要對目標和基準ROI的陣列的諧振角進行檢測的系統(tǒng)中，需要較大的動態(tài)范圍---即，需要檢測變化很大的諧振角，該系統(tǒng)必須承擔對于展現(xiàn)穩(wěn)定反應(yīng)物(immmobilized reactants)的目標ROI與展現(xiàn)裸露金屬傳感器表面的基準ROI的比較。這樣的應(yīng)用需要使目標ROI和基準ROI的諧振角相減，以補償影響到兩種ROI的系統(tǒng)波動，例如溫度，壓力，及體折射率的變化。
Steiner等人，在Journal of Molecular Structure，509265-273(1999)中，討論通過傾斜檢測器CCD芯片改善SPR圖像質(zhì)量。雖然實現(xiàn)了能糾正對入射SPR成像系統(tǒng)的靜態(tài)非法線角中發(fā)現(xiàn)的簡單散焦的目的，它不能完全解決在具有顯著動態(tài)范圍的陣列傳感器所需的寬入射角范圍上采集圖像時的圖像“步行”問題。因為Steiner等人的儀器不能連續(xù)地進行角掃描，而是僅在單個簡單的固定角上采集圖像，還未注意到本申請中描述的“剩余步行”。
本發(fā)明是第一個描述和糾正了本技術(shù)領(lǐng)域中先前未知的這種不希望的剩余步行效應(yīng)的。
令人驚呀地，本發(fā)明經(jīng)過一整套“角掃描補償成像”技術(shù)，已經(jīng)解決了這些光學問題，這些技術(shù)包括檢測器(CCD)芯片的適當?shù)貎A斜，使ROI漂移最小化的成像光學的特殊優(yōu)化，改正片，和特殊對準技術(shù)。
因此，本發(fā)明針對一種改進的光諧振分析儀，該儀器適合于進行光柵耦合SPR分析，并適用于同時監(jiān)視傳感器表面上含有數(shù)百個分立反應(yīng)區(qū)的陣列(例如目標ROI)。如下面描述的，與當前的儀器相比，本發(fā)明要提供許多優(yōu)點，當前的儀器(通常)依賴上述Kretschmann型SP分析儀，并且限于可用反應(yīng)現(xiàn)場的個數(shù)以及測量精度和動態(tài)范圍。
另外，已經(jīng)把本儀器設(shè)計成能解決上面描述的、當前在光柵耦合SPR陣列分析領(lǐng)域中存在的許多問題，同樣地，代表本領(lǐng)域中顯著的進步。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明針對在光柵耦合表面.等離子體激元諧振中使用的一種改進的光諧振分析成像儀器。特別地，本發(fā)明組合了許多特征；這些特征除了對一個傳感器表面上多達數(shù)千個分子結(jié)合反應(yīng)提供實時的同時分析之外，還提供控制包括系統(tǒng)射流，溫度控制，傳感器掃描等反應(yīng)參數(shù)中的改進，以及來自所掃描的傳感器的數(shù)據(jù)收集和分析。另外，把本儀器設(shè)計成使角掃描范圍，角精度，圖像保真度最優(yōu)化，并能消除諧振假象。另外，本發(fā)明描述了新穎的方法，用于利用這兒描述的新穎儀器來監(jiān)視傳感器表面上發(fā)生的反應(yīng)。
與本發(fā)明的新穎特征包括在一起的是一種新穎的中繼鏡設(shè)計，這種中繼鏡設(shè)計明顯地改進了整個視場上的成像，同時在掃描射線角時使圖像移動(“步行”或“ROI漂移”)減少到最小，這依次極大地改善了所掃描的傳感器表面的總分辨力。為了實現(xiàn)成像中令人驚呀的改進，關(guān)鍵的是這兒描述的儀器能使整個集成光學系統(tǒng)達到罕有地精確對準，并特別是傳感器，光源，和檢測器(例如，CCD照相機)之間的對準，如下面進一步描述的。
更特別地，依據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)元件之間相互影響的關(guān)鍵方面包括照相機鏡頭的聚焦位置，檢測器和傳感器表面之間的距離，以及檢測器相對于傳感器表面的傾斜角。這兒描述的儀器的機械特征是按這樣的一種方式互連接的以使協(xié)調(diào)地執(zhí)行優(yōu)化光學設(shè)備性能所需的必需調(diào)整。這些機械調(diào)整較佳地借助于圖像分析軟件來執(zhí)行，把該圖像分析軟件專門設(shè)計成能分析臨界數(shù)據(jù)并幫助快速調(diào)整各種參數(shù)，以快速優(yōu)化儀器校正，用于改善圖像質(zhì)量并減少光學圖像像差。
在一方面，本發(fā)明針對全密封的和集成的光柵耦合表面等離子體激元諧振分析設(shè)備。該設(shè)備包括框式支架，帶有設(shè)計成能容納傳感器的目標區(qū)。在一個實施例中，該傳感器可以是光柵耦合表面等離子體激元諧振芯片，適合用作襯底，在該襯底上可精確地排列數(shù)千個用于同時進光分析的分子結(jié)合反應(yīng)現(xiàn)場?？扇绱说卦O(shè)計該設(shè)備，以使傳感器可機械或手動地插進目標區(qū)。
本發(fā)明包括用于直接照射到傳感器的光源，然后，光照射從傳感器表面反射到下面將更詳細地進行描述的新穎檢測裝置的傳感器表面。在本發(fā)明的實施例中，傳感器將保持固定，而將光源安裝在儀器支架上，以允許從光源發(fā)射的光束引向反射傳感器，以通過相對于傳感器的多個角度(a plurality of angles)而移動。例如，在較佳實施例中，將光源可旋轉(zhuǎn)地固定在支架上，這使從光源發(fā)射的光束能多個角度照射到傳感器上。在一個特別較佳實施例中，光源以這樣一種方式安裝在密封設(shè)備的支架上光源可按弓形通路移動，以使它能按雙向(即正方向和反方向)圖案從多個不同角度照射到目標區(qū)。該傳感器表面定位在繞軸旋轉(zhuǎn)的光源的光學頂點上，以便使沿傳感器移動的強度強度波動減少到最小，該強度波動能引起信號噪聲的增加。
在一個實施例中，光源包括發(fā)光二極管(LED)組件，用于產(chǎn)生指向傳感器的照射。僅作為例子，LED組件可包含安裝在PC板上的單一875納米的LED，并可包含用于阻擋不想要的光線的分立孔徑元件，然而，在這個設(shè)計中存在許多變化，包括寬廣范圍的合適LED波長。將本發(fā)明的LED透鏡組件設(shè)計成盡可能地模仿點光源，由此，使從LED管芯本身發(fā)射出的任何漫射光減少到最小，這寫漫射光會導致準直較差的源光束，并引起多個源點，這兩者都會導致諧振寬度的增加，并依次增加了SPR角噪聲。通過研磨LED組件的前面，可有利地使其從圓頂形狀修改成平坦的光學表面，以按預(yù)定通路引導所有光線穿過孔徑，并到達準直透鏡。
另外，本發(fā)明的光源還含有源光學組件，用于控制和優(yōu)化從光源照射到傳感器的光線的特性。在一個實施例中，源光學組件被密封在透鏡管內(nèi)，并進一步含有適合于校準從光源發(fā)射的光照度的透鏡，干擾濾光片，用于阻擋不想要的波長以及用于產(chǎn)生p-偏振光的裝置。在一個實施例中，濾波片寬度為4納米，選擇它來防止SPR諧振輪廓的過度變寬，并也能防止相干性噪聲(“斑點”)。在另一個實施例中，可增加第2個偏振濾光片(或替代地，可將現(xiàn)有偏振器旋轉(zhuǎn)90度)，以產(chǎn)生S偏振光，因此能夠消除強度變化的影響。透鏡管還提供用于對準直透鏡進行聚焦的裝置。
在另一個實施例中，可將光源直接轉(zhuǎn)動地安裝到儀器支架上，或替代地使它經(jīng)旋轉(zhuǎn)臂與支架接觸。旋轉(zhuǎn)臂可包括框式支架，該框式支架旋轉(zhuǎn)地安裝到設(shè)備支架上。在這個實施例中，旋轉(zhuǎn)臂包括用于保護光源的裝置和用于將光源連接到一個驅(qū)動裝置的裝置，該驅(qū)動裝置，例如馬達，用于移動旋轉(zhuǎn)臂和光源。
在較佳實施例中，光源是與步進馬達接觸，并由它重新定位，該步進馬達可直接安裝到光源上或固定在設(shè)備支架上。在一個實施例中，把該馬達固定到設(shè)備支架上，經(jīng)直線臂(linear arm)與光源接觸，以允許其從直線方向轉(zhuǎn)變成附加在光源一端的有角度的方向，，并使其與該馬達嚙合，以致馬達的動作能驅(qū)動該臂前后運動，依次使光源束近似地通過傳感器表面中心圍繞平行于傳感器光柵凹槽的一個軸旋轉(zhuǎn)。在一個實施例中，該臂是有螺紋的，通過馬達的旋轉(zhuǎn)運動使它移動。
在一個替代實施例中，這兒描述的儀器可包括線性掃描LED，其中，可將光源透鏡系統(tǒng)剛性地固定到支架上，而LED可安裝到由馬達驅(qū)動的線性滑動塊上。LED的運動改變了準直光照射在傳感器上的角度。這個實施例具有幾個優(yōu)點，包括需要較小馬達以通過期望角度范圍對光源光束重新定位；LED需要較短的距離以橫越而遞送相同動態(tài)范圍，由于較小質(zhì)量而減少振動，及較低成本以獲得相等的掃描精度。
在利用旋轉(zhuǎn)鏡的另一個實施例中，源光學器件和LED可固定在支架上，使光照射在旋轉(zhuǎn)鏡上。在這個特殊實施例中，該儀器將含有用于精確控制鏡子入射角的裝置。這個特殊實施例的優(yōu)點如同上面對線性LED所描述的。
在再又一個實施例中，線性源光學器件陣列可安裝在支架上，并直接引向含有傳感器的目標區(qū)域。源光學器件的幾何位置，即離傳感器的距離和它們之間的間距在任何兩個相鄰光學器件之間建立了入射光的最小要求角，以致具有足夠數(shù)量的強度數(shù)據(jù)點來建立并符合SPR曲線?？梢苑浅？焖俚仨樞蛘丈湓垂鈱W器件，以增加數(shù)據(jù)收集速率。這個系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)點是它是固態(tài)的，幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并導致數(shù)據(jù)速率的增加。
其他的改變包括使所有源光學器件受照射，并以精確控制速率使一個移動孔徑在它們上面通過，以致該孔徑限制哪些光線照射在傳感器上，還限制曝光時間。
在本發(fā)明一個實施例中，使由光源產(chǎn)生的準直光線以某一角度范圍照射到傳感器表面，并從該表面反射到檢測器組件，該檢測器組件被定位成能從傳感器接收反射光。在一個實施例中，檢測器安裝到支架上，并被定向以接收從傳感器表面反射的光。當對角范圍進行掃描時，該反射光按在傳感器表面上的每個ROI處發(fā)生反應(yīng)的函數(shù)改變強度。把每個圖像幀的信號輸出轉(zhuǎn)換成對每個ROI的兩個值的測量(1)由檢測器接收的反射光強度，在含有ROI檢測器象素上的總計，及(2)當由角編碼器記錄時，測量反射強度處的相應(yīng)的入射角。當完成每個角掃描時，就將收集的信息轉(zhuǎn)換成諧振量化算法，較佳地為Empirical Profile Fit(EPF)算法，這兒，上面對每個ROI描述的數(shù)據(jù)都適合于校正SPR輪廓，并且對每個ROI確定了曲線最小值位置。然后，依靠運行過程的連續(xù)角掃描，隨時跟蹤這些諧振位置。通過這兒描述的新穎儀器對SPR最低的實時監(jiān)視，對多達數(shù)千的獨立的ROI中的每一個處的傳感器表面上發(fā)生的反應(yīng)提供重要信息。特別地，對生物分子傳感，SPR響應(yīng)的時間相依性允許計算動能常數(shù)，kon和koff，這些常數(shù)描述了在傳感器表面的每個ROI上發(fā)生的結(jié)合和分裂的反應(yīng)。
在一個較佳實施例中，這兒描述的新穎檢測器包括新穎透鏡組件，用于接收從傳感器表面反射的光；電荷耦合裝置(CCD)照相機；及多元件萬向架組件，用于在多平面內(nèi)調(diào)整照相機組件。這兒描述的新穎檢測器組件也將較佳地包括透鏡組件內(nèi)的改正片，有助于減少對ROI圖像漂移(“步行”效應(yīng))產(chǎn)生影響的圖像像差，，且另外還包括被動型指形冷凍器，防止水汽沉積在檢測器光學器件上，水汽沉積能引起強度波動。
在一個特別較佳實施例中，對透鏡組件進行特殊設(shè)計，以用于這兒描述的新穎光學諧振分析設(shè)備中。特別地，該透鏡組件已經(jīng)過特別設(shè)計，當光源掃描過照射角范圍時，以維持CCD照相機上的圖像穩(wěn)定性。當進行角掃描時，使用傳統(tǒng)透鏡系統(tǒng)的傳感器分析導致“步行”或目標點(目標ROI)已經(jīng)移動或產(chǎn)生相對于傳感器表面上它們實際點的移動的外形。這導致至少部分地測量基準ROI(裸金屬)，而不僅是目標ROI，依次直接地導致測量噪聲的增加。把本發(fā)明的透鏡組件設(shè)計成能減少這種ROI漂移效應(yīng)和產(chǎn)生的SRP噪聲，由此允許更精確地讀取和分析在傳感器表面發(fā)生的反應(yīng)。本發(fā)明的光學系統(tǒng)進一步適合于在偏軸運行的情況下，或目標面傾斜的情況下，在整個傳感器表面上提供精確的成像。
這兒描述的新穎透鏡系統(tǒng)含有傳感器成像透鏡，它具有單色雙遠心設(shè)計，帶有利于選擇的放大倍數(shù)，以將整個SPR傳感器區(qū)圖像投影到檢測器的圖像接收光敏感區(qū)(例如，CCD芯片區(qū))。本光學系統(tǒng)隨意地包括傾斜改正片，設(shè)計成能與適當傾斜的目標面(傳感器)和圖像面(CCD檢測器)一起使用。該光學設(shè)計充分考慮了傳感器窗口，含水樣本層，以及檢測照相機窗口。不像傳統(tǒng)的透鏡設(shè)計，本發(fā)明的新穎透鏡組件特別設(shè)計成在照明掃描角(上述大動態(tài)范圍所需的)的整個范圍內(nèi)，使工作波長上圖像步行減少到最小。本透鏡組件包括物鏡部分，它產(chǎn)生無限大的傾斜目標平面圖像，其后跟著成像部分，成像部分捕獲這個虛像，并在影像面上建立一個實際的、也傾斜的、縮小的圖像，該影像面與兩維檢測器表面相一致。光學和成像部分兩者共用一個通用的中間孔徑平面，該孔徑平面位于這兩部分之間的空間。槽形孔徑光闌(aperture stop)插在這個平面內(nèi)的物鏡部分和成像部分之間。下面將進一步詳細描述該透鏡組件的新穎方面。
本發(fā)明的光分析設(shè)備較佳地也包括旋轉(zhuǎn)編碼器，用于精確地確定上述的光源的入射角，即，光線照射在傳感器表面上的角度。該旋轉(zhuǎn)編碼器較佳地固定在該設(shè)備內(nèi)，并按這樣的一種方式與光源接觸，以確定它相對于傳感器表面的角度。然后，將該信息傳遞到諧振量化算法(即，EPF算法)，這兒，使數(shù)據(jù)符合于各種目標斑點(ROI)的校正SPR曲線，并隨時跟蹤曲線最小值位置。在較佳實施例中，旋轉(zhuǎn)編碼器包括樞軸，編碼器外殼，和編碼器。
線性編碼器也可用作為上面描述的旋轉(zhuǎn)編碼器的替代品，且這將需要從線性到角度單位的轉(zhuǎn)換，以跟蹤移動源光學器件的位置，如上描述。在另一個替代實施例中，可使用能以高精度直接確定角度變化的步進馬達來替代旋轉(zhuǎn)馬達。
本發(fā)明光學分析設(shè)備的其他實施例還包括復雜的流體系統(tǒng)，用于將各種液體試劑和樣本溶液傳送到和離開傳感器表面。在本發(fā)明一個實施例中，在實驗運行之前，可通過清洗和沖刷本設(shè)備以及從系統(tǒng)中清除氣泡，來準備本設(shè)備的流體系統(tǒng)，所述氣泡對傳感器表面上發(fā)生的反應(yīng)，以及該儀器精確地收集和解釋反射光學數(shù)據(jù)的能力會產(chǎn)生負面影響。與傳感器接觸后，將流體系統(tǒng)設(shè)計成能允許用戶將這些液體引導到廢液接收器，或替代地，引導這些液體經(jīng)過系統(tǒng)返回，以與傳感器再接觸或從該設(shè)備取回。
在本發(fā)明一個較佳實施例中，流體系統(tǒng)含有獨立樣本和緩沖劑通路，以當同時在建立SPR基線(例如，對著緩沖劑溶液)時，允許用戶能同時準備兩條液體通路，以及準備一條特殊液體通路線。因此，能在剛好與傳感器表面接觸之前，將樣本引進該系統(tǒng)，由此，維持了敏感樣本的完整性，特別是對于當從例如低溫，厭氧性儲存等的最佳儲存條件中移出時趨向快速退化的樣本。
另外，在本發(fā)明較佳的流體系統(tǒng)中，樣本和緩沖劑通路兩者通向4路調(diào)整閥門，該調(diào)整閥門置于與傳感器相當近的位置。該調(diào)整閥用于使樣本/緩沖劑混合減少到最小，這對動力學值的精確確定是非常關(guān)鍵的。
較佳流體系統(tǒng)的其他特征將包括樣本注入站(SIS)，用作為使樣本進入該系統(tǒng)和使廢液離開該系統(tǒng)的嚙合點。依據(jù)這個特征，樣本注射針機械地浸入溶液內(nèi)，然后用泵將樣本吸入，并注入傳感器。該注射針可機械或手動地操作。SIS給用戶有選擇權(quán)將樣本排出成廢液，收集樣本，或在傳感器區(qū)再循環(huán)樣本。如這兒所述的使樣本再循環(huán)的能力是特別有利的，其中用戶可以僅獲得小量的特殊樣本或一些樣本。這兒所述的SIS的靈活性可隨意地允許用戶連接到自動取樣器(例如，樣本庫或樣本圓盤傳送帶)，用于將大量的多種樣本自動地注入到系統(tǒng)內(nèi)。
這兒描述的最佳的流體系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是“不工作”(on the fly)樣本裝載的能力，通過使用兩個分離泵這就成為可能，一個泵驅(qū)動緩沖劑溶液，而一個泵驅(qū)動樣本，在緩沖劑經(jīng)過該系統(tǒng)運行的同時，允許用戶準備該樣本。在許多場合下，使用本發(fā)明儀器是有利的，以允許緩沖劑溶液通過該系統(tǒng)獨立地運行幾分鐘或更長時間，以建立一條基線。另外，在樣本裝載是與時間相依的情況中，例如，在樣本準備、混合等之間的時間內(nèi)，并由于敏感樣本隨時間退化和/或隨溫度而改變需要短的裝載時間的情況中，獨立緩沖劑和樣本液體通路允許只要在注入和引向傳感器之前的幾分或甚至幾秒鐘時間來準備和裝載樣本。如上所述的樣本再循環(huán)也有利于當允許樣本保持經(jīng)過系統(tǒng)再循環(huán)時，速率特別慢的樣本有足夠長的時間來觀察足夠響應(yīng)，以計算精確的締合常數(shù)kON。
另外，如果反應(yīng)過程較慢，那么再循環(huán)特別有利于小量樣本可連續(xù)地與傳感器表面相接觸，反之，如果這個選項不可用，則用戶必須獲得更大量的樣本，如果并非不可能的話，這將是困難的或成本高得驚人的。這樣，再循環(huán)樣本的“無止境的供給”在接觸時間和流速兩方面都提供足夠的靈活性，以允許監(jiān)視非常慢或有限制質(zhì)量傳遞的反應(yīng)。
四路閥門的使用特別有利于本發(fā)明的流體系統(tǒng)，因為(1)當系統(tǒng)同時在運行和準備樣本注入時，它能維持緩沖劑和樣本濃度的完整性，及(2)四路閥門的位置，即，緊鄰于傳感器，使緩沖劑/樣本界面的任何混合減少到最小。
本發(fā)明的流體系統(tǒng)還包括由注入泵驅(qū)動的“氣泡沖擊波”高速脈動流。當將一個新流動池(含有一個新的傳感器芯片)投入運行時，通常的情況是在充滿緩沖劑后，氣泡仍保留在流動池的間隙內(nèi)。在樣本切換和其他液體傳送操作期間，也會不注意地引進氣泡。這些氣泡妨礙了受影響ROI上的結(jié)合反應(yīng)的精確測量，必須除去這些氣泡，這可能是困難的，特別在含有傳感器的流動池的尺寸減少時，這在本發(fā)明領(lǐng)域是普通的。已經(jīng)演示了簡單地應(yīng)用超過臨界移除流速(CriticalDislodgement Flow rate(CDR))的非常高的液體流速能除去氣泡，這些氣泡是由流動池表面的不同類型濕張力或由幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)誘獲的。氣泡已經(jīng)在本發(fā)明中確定當氣泡從一個“粘附”現(xiàn)場流向下個時，通常需要多次應(yīng)用高流動脈沖，以消除氣泡。為了從流動池中除去氣泡，流體系統(tǒng)結(jié)合了正向活塞泵(注射泵)，用于將“氣泡沖擊波”或高流速脈沖供給傳感器單元，例如，經(jīng)低流阻液體通道。另外，氣泡的實時監(jiān)視能終止液體運行并“毀滅”可能積聚的任何氣泡。
為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且在傳感器表面發(fā)生的結(jié)合反應(yīng)時產(chǎn)生精確和相一致的數(shù)據(jù)，特別有利于的是依據(jù)本發(fā)明，用戶有能力在與傳感器接觸的樣本和溶液的溫度上進行某些控制，以控制傳感器周圍環(huán)境以及傳感器本身的溫度，特別是在分析時發(fā)生結(jié)合反應(yīng)的傳感器表面的溫度。另外，期望能允許用戶在高于和低于環(huán)境溫度的各種溫度下進行實驗。為了促進上述的溫度控制，本發(fā)明的設(shè)備可有利地含有熱處理室，該熱處理室包含傳感器所在的目標區(qū)熱處理室，并包含了至少一部分上述流體系統(tǒng)。在一個較佳實施例中，熱處理室包括比例積分微商(PID)控制的熱電設(shè)備模塊，含有循環(huán)風扇，散熱器，熱熔絲，和傳感器。熱處理室較佳地襯著絕緣泡沫，以維持熱處理室內(nèi)的熱穩(wěn)定。這種絕緣能防止傳感器區(qū)，化學反應(yīng)，及引入溶液的溫度波動，這些溫度波動可能是由環(huán)境或由儀器的操作引起的。在熱處理室內(nèi)較佳地還包括被動型預(yù)加熱器，用于維持輸入液體的熱穩(wěn)定性。這些被動型預(yù)加熱器經(jīng)過使在密封環(huán)境內(nèi)的空氣循環(huán)，以及通過液體管道管壁的傳導，把熱量傳給液體或從液體引入熱量，嚴密地跟蹤熱處理室的溫度。施加散熱器混合物以充滿管子和預(yù)加熱器之間的微小間隙。
附圖簡述

圖1顯示裝有外蓋的本發(fā)明的光諧振分析設(shè)備(100)。該設(shè)備的設(shè)計給用戶提供進入試劑/緩沖劑瓶(50)，樣本管(40)，及芯片門(110)的便利通路，芯片門用于將傳感器(或含有傳感器芯片的流動池)插入該設(shè)備內(nèi)，而不必拆開外蓋?？捎捎脩翩I入連接到該設(shè)備的計算機的命令來控制所有其他設(shè)備功能。
圖2顯示移去外蓋的圖1的設(shè)備?？梢姷皆撛O(shè)備的主要部件，包括光源組件(10)，包括樞軸臂，檢測組件(20)，和熱處理室(30)。
圖3顯示安裝到樞軸源臂(9)上并與檢測器組件(20)有關(guān)的光源組件(10)的一個實施例。箭頭表示從光源(11)照射到傳感器(112)的照射方向(向下箭頭)，及從傳感器(112)反射的照射方向和檢測器組件(20)的方向(向上箭頭)。
圖4是帶有安裝在其上的光源(11，例如LED組件)和源光學器件組件(13)的樞軸源臂(9)的視圖。還顯示線性滑塊(14)，用于將樞軸臂(9)連接到驅(qū)動馬達(12)(未示出)，樞軸臂(9)的基板(18)，滾柱軸承(17)，及光源組件支架(19)，用于將光源(11)固定到樞軸臂(9)。
圖5是檢測器組件(20)的橫截面圖，示出透鏡組件(未示出)的外殼(22)，內(nèi)，中和外萬向架(分別為23，25和27)，改正片(21)，被動型指形冷凍器(26)的兩末端，檢測器窗口(28，例如，CCD窗口)，檢測器(24，例如，CCD照相機)，和槽孔徑(130)圖6是位于檢測器的透鏡組件(安裝在圖5所示外殼22內(nèi))內(nèi)的檢測器光學器件的各種元件圖。透鏡組件的元件包括物鏡部分(125)，槽孔徑(130)，成像部分(125)，改正片(21)，及檢測器窗口(28)，緊靠檢測器的光敏元件(113，例如，CCD芯片)。這樣，將透鏡組件插入在傳感器(112)和用于傳感器反射的圖像的接收器(即檢測器的傳感元件(113))之間。數(shù)字26表示被動型指形冷凍器(圖5的26)的透鏡組件內(nèi)的元件排列中的相對位置。X，Y，和Z表示由萬向架控制的檢測器組件的運動平面。
圖7是流體控制圖，顯示緩沖劑容器(50)和樣本溶液容器(40)及各種通路的位置，可以經(jīng)過這些通路引導每種溶液穿過該設(shè)備流到目標區(qū)(含有傳感器112)并返回到原樣本管(40)、分立的回收管(64)或廢液接收器(63)。傳感器通常包含在流動池(flow cell)內(nèi)，而配置流動池使之有能與設(shè)備的流體系統(tǒng)相接的入口和出口，它是可經(jīng)過入口門(圖1中的110)插進光學分析設(shè)備(100)的一種可變設(shè)備。圖7還顯示熱處理室(30)、環(huán)繞預(yù)加熱器(38)、四路閥門(36)和含有傳感器(112)的目標區(qū)的相對位置。
圖8是依據(jù)本發(fā)明的一部分光學分析設(shè)備的部分剖面正面透視圖，顯示熱處理室外殼的位置和預(yù)加熱器(38)，四路閥門(36)(隱藏)，頂板組件(34)，絕緣板(32)，和傳感器芯片托架(112)的位置。
具體實施例方式
本發(fā)明針對一種改進的光諧振分析儀，特別用在光柵耦合表面等離子體激元諧振(GCSPR)，能同時測量反應(yīng)現(xiàn)場陣列。特別地，本發(fā)明組合了許多特征，除了允許實時分析多達數(shù)千個分子結(jié)合交互作用之外，還提供在控制反應(yīng)參數(shù)方面的改進，反應(yīng)參數(shù)包括系統(tǒng)流體控制，溫度控制，傳感器掃描，及來自所掃描的傳感器的數(shù)據(jù)收集和分析。
分析設(shè)備可以是全自動化的，并且由設(shè)備內(nèi)含有的軟件自動地控制和執(zhí)行所有光學掃描操作。本質(zhì)上，一旦將緩沖劑，樣本，和傳感器裝載到該設(shè)備內(nèi)，用戶就可將實驗參數(shù)，例如，時間、溫度、液體流速等，鍵入到連接到該設(shè)備的計算機，該設(shè)備能經(jīng)過編程以立即或在設(shè)定時間執(zhí)行全部化驗和分析，并在化驗進行時能提供實時結(jié)合數(shù)據(jù)。
特別地，本發(fā)明針對全集成光柵耦合表面等離子體激元諧振分析設(shè)備。下面將參考附圖描述本發(fā)明的特別較佳實施例。然而將立即理解為了特殊目的，可以改變或修改所描述的設(shè)計特征，并且這兒描述的分析設(shè)備的許多替代實施例的產(chǎn)品由于本披露而變得有可能。所有這樣的改變，修改及附加實施例是這兒所期望的，并傾向于落在本描述和附加權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。不打算以任何方式用下面的描述來限制本發(fā)明的范圍。
圖1顯示本發(fā)明的一個實施例，只含有用戶需要與之接觸的該設(shè)備本身的部件，即，緩沖劑/試劑瓶(50)，樣本管(40)，以及傳感器(或流動池)裝料門(110)。所有其他功能都自動執(zhí)行，并由帶有由用戶經(jīng)計算機鍵入的參數(shù)和指令的計算機程序來控制。
參考圖2，本設(shè)備包括包含在設(shè)備內(nèi)的框式支架(70)，還包括目標區(qū)(未示出)，設(shè)計成能經(jīng)傳感器裝料門(110)接受傳感器單元(例如含有傳感器的流動池)。在一個實施例中，傳感器單元包括光柵耦合表面等離子體激元諧振(GCSPR)芯片，適合于進行和分析多種分子結(jié)合交互作用。一種典型的流動池包括反應(yīng)區(qū)，在其內(nèi)部安置有傳感器芯片；鄰近于反應(yīng)區(qū)一個末端的輸入口，經(jīng)過輸入口可引入溶液(緩沖劑，試劑溶液，樣本溶液等)使之流過反應(yīng)區(qū)；及輸出口，鄰近于與輸入口相對的反應(yīng)區(qū)的另一個末端，經(jīng)過輸出口，從反應(yīng)區(qū)流出的液體溶液能直接流出傳感器芯片，待收集，噴射到廢液瓶，或經(jīng)輸入口再次循環(huán)，以額外接觸傳感器。將輸入和輸出口如此地配置，以致當把流動池插入分析設(shè)備內(nèi)時，輸入輸出口與分析設(shè)備的內(nèi)部流體系統(tǒng)相連，由此，與本設(shè)備內(nèi)含有的樣本容器和其他液體儲存器及接收器建立通信。
另外，圖2描述了與本發(fā)明相關(guān)的許多特征的相互關(guān)系。特別地，圖2顯示旋轉(zhuǎn)光源組件(10)；檢測器組件(20)；內(nèi)部流體系統(tǒng)的螺形壓縮泵(62)；及熱處理室組件(30)，它包含儲藏傳感器的目標區(qū)。一旦把傳感器裝載進設(shè)備內(nèi)，光源(10)就將光束引導到傳感器上(未示出)。在一個較佳實施例中，傳感器是含有反射金表面的光柵耦合SPR芯片，在該反射金表面上印刻或沉積有目標ROI陣列，能由本設(shè)備的照射和反射檢測組件對目標ROI陣列進行掃描。ROI通常由能與樣本溶液內(nèi)的分析物交互作用的一些結(jié)合的半個(binding moieties)(例如，抗體、相似法則(aptamer)、單鏈DNA(脫氧核糖核酸)分子、及類似物)的集中而構(gòu)成。流動池和流體系統(tǒng)設(shè)計成通過流過支持這樣的ROI的傳感器表面引進這樣的溶液，并同時處在固定的目標區(qū)，用于接收來自光源的照射，并將傳感器圖像反射到檢測器組件，檢測器組件將實時輸出表示在傳感器表面上發(fā)生的結(jié)合或其他化學反應(yīng)事件的光數(shù)據(jù)。
再參考圖2，在一個特殊較佳實施例中，光源組件(10)旋轉(zhuǎn)地安裝到設(shè)備支架(70)上。樞軸安裝允許來自光源的光束能移過相對目標區(qū)的一個角度范圍。替代地，光源可安裝到其本身旋轉(zhuǎn)地安裝到支架上的構(gòu)件上。例如通過安裝在設(shè)備支架上的步進馬(12)達實現(xiàn)光源組件的自動旋轉(zhuǎn)，該設(shè)備能精確地記錄由它在光源組件上的作用而影響的光束角度的變化。
一旦已放置好傳感器并開始運行，光源就以某一預(yù)定角度開始并在某角度范圍內(nèi)繼續(xù)按弓形的通路或圖案將光束引導到傳感器上。從傳感器表面反射的光引向固定的檢測單元(20)，該固定的檢測單元含有透鏡組件(22)和例如CCD照相機的檢測器(24)。
圖3是本發(fā)明分析設(shè)備基本元件的正面透視圖。特別地，圖3顯示經(jīng)樞軸臂(9)安裝的光源組件(10)，樞軸臂依次安裝到軸(15)上，樞軸臂(9)可繞軸(15)旋轉(zhuǎn)。將軸(15)安裝到設(shè)備支架(未示出)上，以致整個光源組件可按弓形的通路移動。由某類型的角位置編碼器(例如，旋轉(zhuǎn)編碼器組件(120))報告光源角位置變化的數(shù)據(jù)，角位置編碼器可位于安裝光源的樞軸點處。編碼的角位置數(shù)據(jù)與由檢測器(24)接收的諧振數(shù)據(jù)一起輸出到計算機，該計算機應(yīng)用諧振量化算法并報告?zhèn)鞲衅鞅砻嫔袭a(chǎn)生的現(xiàn)象。對于SPR數(shù)據(jù)，較佳地，該設(shè)備應(yīng)用EPF算法進行SPR曲線確定，如在共同待審和共同賦予的美國臨時專利申請?zhí)?0/492061中描述的，該專利申請日期為2003年8月1日。
在圖3所示的實施例中，可旋轉(zhuǎn)的源臂(9)由步進馬達(12)驅(qū)動。該馬達可固定在設(shè)備支架上，并包括用于嚙合光源或可旋轉(zhuǎn)源臂的裝置。在一個替代實施例中，步進馬達可安裝到光源或可旋轉(zhuǎn)源臂上，并配備有能嚙合固定支架的裝置。在圖3所示的實施例中，步進馬達安裝到設(shè)備的支架上，并與可旋轉(zhuǎn)源臂(9)接觸，這樣，光源組件(10)經(jīng)過安裝在一個末端處的直線臂(16)經(jīng)過直線滑塊機構(gòu)(14)到)可旋轉(zhuǎn)源臂(9)，并且在其相對的末端處與步進馬達嚙合。當馬達運轉(zhuǎn)時，驅(qū)動直線臂前后移動，由此，將光源定位在相對于傳感器(112)的各種角度上。直線臂(16)可以是平滑的，或可是螺紋狀的，在該情況中，步進馬達可包括用于容納螺紋臂的裝置，并將以旋轉(zhuǎn)型移動來操縱直線臂?？梢允褂煤兴欧R達和磁驅(qū)動系統(tǒng)的各種其他方法。
在圖3所示的實施例中，步進馬達(12)能精確地記錄由它運行產(chǎn)生的光入射角的變化(Δθ)。替代地，旋轉(zhuǎn)安裝的光源組件可配備有用于精確報告光源角度變化的旋轉(zhuǎn)編碼器。然后將角度數(shù)據(jù)與來自檢測照相機(24)的反射強度數(shù)據(jù)一起饋送給諧振量化算法，如先前描述的。在一個較佳實施例中，編碼器經(jīng)樞軸(15)安裝到旋轉(zhuǎn)源臂(9)上，并由安裝在編碼器外殼(120)內(nèi)的軸承支撐。為了保證從一次分析到下次分析中讀出相一致的角度，旋轉(zhuǎn)編碼器包括內(nèi)置索引標志，以在每次分析開始處能精確地確定基準點。
圖4顯示含有本發(fā)明可旋轉(zhuǎn)源臂(9)的光源組件(10)的一個實施例的詳圖。旋轉(zhuǎn)源臂(9)包括基板(18)，用于旋轉(zhuǎn)地將旋轉(zhuǎn)源臂固定到設(shè)備上；用于將光源安裝到支架(19)的裝置；直線滑塊(14)，用于將組件(10)連接到一臺固定的馬達，在運行時，該馬達使光源組件(10)作旋轉(zhuǎn)運動。示出線性滾柱軸承(17)，可含有該部件以保證該組件能相對于支架作無振動的移動。
在運行中，馬達(圖3中的12)使(照射)光源能按弓形的通路或圖案在傳感器(112)上移動，以連續(xù)地改變撞擊到傳感器(112)上的照射角度。如此，改變光源角度能改變撞擊到傳感器的入射光的角度。傳感器放置在光源角度范圍的光學頂點，這樣，當光源移過它角范圍時，光的準直束保持固定在芯片表面上的一個位置上。這在本發(fā)明中特別有利于它有助于保證當入射角被掃描且未使測量諧振模型(profile)(這將導致明顯的假的諧振角度漂移)失真時，相對于傳感器表面上固定不動的感興趣(ROI)的區(qū)域，準直束強度的空間不均勻性充分地保持固定。
在一個替代實施例中，光源本身可旋轉(zhuǎn)地直接安裝到設(shè)備支架上。在另一個實施例中，光源組件的樞軸點(圖3的15)可以在馬達或其他旋轉(zhuǎn)致動裝置的位置處。
如圖4中所見的，光源組件包括例如LED組件(11)的光源，用于產(chǎn)生引導到傳感器的照射。在一個實施例中，LED組件包括安裝在PC板上的單一875納米LED，并可進一步包括用于阻擋不想要光線的分立孔徑元件(未示出)。然而，單波長光源(或窄帶波長光源)不是嚴格的，而一個波長范圍可適用于執(zhí)行這兒期望的SPR分析。應(yīng)較佳地包括LED外殼的調(diào)整機構(gòu)，以將光源對準在準直源光束產(chǎn)生2度橫向偏移角所需的軸偏離位置。較佳地把封裝LED的任何塑料外殼研磨成平面式并應(yīng)高度拋光，以能除去LED管芯前面的多余塑料和表面不完整部分。這允許精確準直并使由塑料表面的不完整部分引起的光散射減少到最小。已發(fā)現(xiàn)，塑料封裝的、許多可大批量得到的LED上的原始球形表面的作用如同在普通應(yīng)用中引導LED光束的低質(zhì)量的透鏡，但這樣一種設(shè)計通過降低光束準直，明顯地干擾SPR系統(tǒng)內(nèi)諧振模型清晰度。使LED塑料外殼在光學上變平能明顯地和令人驚呀地降低SPR噪聲。這樣，最佳地是當使用LED光源時，獲取無塑料封裝的LED，或獲取平坦封裝的LED，或研磨所獲得的LED的塑料封裝以展示光學上平坦的覆蓋物。
如圖4所見的，光源還包括源光學器件組件(13)，用于優(yōu)化引導到傳感器表面上的、由LED產(chǎn)生的光特性。在一個實施例中，源光學器件組件被密封在透鏡管(13)管中，并進一步包括球面像差校正透鏡，用于將光對準到僅受LED管芯的發(fā)射區(qū)尺寸限制的程度。源光學器件組件還典型地包括干擾濾光片，用于擋住不想要的光線；及近紅外線偏振器(未示出)，其取向能在傳感器上提供P偏振入射。傳統(tǒng)結(jié)合的偶極子型消色差透鏡通常對這種應(yīng)用提供充分的球面像差校正。透鏡管還提供用于對準直透鏡聚焦以優(yōu)化由LED產(chǎn)生的光束的校正。
在本發(fā)明一個較佳實施例中，光源束偏離光學器件的中心線一小段距離(例如，本發(fā)明的原型儀器標尺上的約2.3毫米)，該距離將導致角光束偏斜(skew)約2度。這偏離用于減少從儀器上各種光表面的反射光引起的任何雙重反射。特別地，非連續(xù)光痕分析已演示檢測器面上的散射光的集中斑點(下面更詳細討論的“熱點”)能導致光學組件內(nèi)的各對光表面之間發(fā)生的多組雙重反射，特別在檢測器組件的成像透鏡內(nèi)。當SPR角在掃描過程上變化時，這些熱點移動，導致在特殊ROI上SPR諧振形狀的附加失真，并因此導致SPR分析的不準確。
本發(fā)明的較佳光學系統(tǒng)將含有一個特征或三個特征的組合，以使熱點或圖像閃耀的發(fā)生減少到最少(1)檢測器組件的成像透鏡組件內(nèi)的所有透鏡表面都涂上高效多層防反射涂層，防反射涂層調(diào)諧到光源的工作波長，即較佳單波長實施例中的875納米，(2)作為本發(fā)明一個新穎方面，軸偏橫向光束偏斜，也就是，上面描述的光源偏離，和(3)與橫向光束偏斜相結(jié)合，在成像透鏡內(nèi)的軸偏槽形孔徑光闌。已發(fā)現(xiàn)這些功能大大地減少現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)已知的熱點。
如上所述，本發(fā)明的光學分析設(shè)備還可包括精密旋轉(zhuǎn)編碼器(未示出)，用于高精度地報告光源的位置，并由此報告在傳感器表面上正有照射撞擊處的角度。在一個實施例中，旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在設(shè)備支架上，且在安裝到支架的它樞軸點處安裝到光源組件上。在一個較佳實施例中，旋轉(zhuǎn)編碼器包括樞軸，編碼器外殼，和編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器將有關(guān)光源角度的數(shù)據(jù)報告給一臺計算機，該計算機已編程成能解釋相應(yīng)于每張照相機圖像的發(fā)射光源的角位置。每次全角度掃描的角度數(shù)據(jù)和照相機圖像數(shù)據(jù)輸入進一種適當?shù)乃惴▋?nèi)，用于實時確定傳感器芯片上每個ROI處的SPR諧振角。
如圖2所見的，本發(fā)明的光學分析設(shè)備包括檢測組件(20)，用于當傳感器陣列表面上進行反應(yīng)時，接收從傳感器表面反射的光線，并分析這些光線，以測量多達數(shù)千個反應(yīng)現(xiàn)場或ROI中的每一個的光諧振角的變化。
圖5是適用于依據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備的檢測器組件(20)的橫截面圖。在一個較佳實施例中，檢測器包括成像透鏡組件(22)，含有孔徑(130)，用于接收從傳感器(圖3和6的112)的表面反射的照射；內(nèi)(23)，中(25)，和外(27)萬向架組件，用于按多個自由度調(diào)整檢測組件；檢測器，例如單色電荷耦合裝置(CCD)照相機(24)，含有安裝在檢測器內(nèi)的、例如CCD芯片(未示出)的光敏傳感器元件；改正片(21)，用于減少與上述步行效應(yīng)相關(guān)的像差；CCD窗口(28)，用于保護檢測器傳感元件(例如CCD照相機內(nèi)的CCD芯片)，并通過給傳感元件提供惰性氣氛允許照相機低溫工作；及被動指形冷凍器(26)，用于減少在CCD窗口(28)成核位置產(chǎn)生污染水汽的凝結(jié)，該指形冷凍器可比周圍環(huán)境更冷。當存在這樣的冷凝點時，使光散射并在受影響的ROI處引進掃描角度依賴信號的波動。
較佳檢測器將是按下列要求選擇的CCD照相機(a)在工作波長處具有足夠的量子效率，(b)對恒定的暗信號偏置和響應(yīng)(可需要或可不需要冷卻)有較佳的溫度穩(wěn)定性；(c)具有足夠低的暗噪聲和讀出噪聲，足夠的模-數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)分辨力，以致正常SPR測量條件下的信號基本上是有限的光子散粒噪聲；(d)具有足夠的像素量，以能清晰地分辨?zhèn)鞲衅髂繕薘OI；(e)能足夠快地讀出，以跟上角掃描率；及(f)具有盡可能大的像素電子井容量，以使所述散粒噪聲減少到最小。更特別地，應(yīng)如此地選擇像素量和像素電子井容量，以使含有ROI圖像的所有像素的總合成電荷容量達到最大。雖然較佳實施例使用CCD照相機，但是還可以用其他固態(tài)陣列照相機作為檢測器，例如CMOS照相機。
為了最優(yōu)化數(shù)據(jù)收集及從傳感器表面反射的照射分析，較佳的是檢測器組件利用專門校正的高數(shù)字化孔徑雙遠心透鏡系統(tǒng)。“遠心”表示從物體面或影像面所見的透鏡孔徑光闌處于無限大。換句話說，來自物體面(或圖像面)的所有點的接收光錐區(qū)指向相同路徑，即，它們的軸是平行的?！斑h心”意指這對于物體側(cè)(傳感器芯片)和圖像側(cè)(檢測器傳感元件)兩者是都真的。聚焦遠心(telecentricity)不是基本的，但在本發(fā)明中非常有用，特別在物體側(cè)，因為在整個掃描角度范圍內(nèi)陣列上所有ROI的無失真圖像必須是可用的。用遠心設(shè)計，在物體面內(nèi)各處，透鏡孔徑都以相同方式直接映射到入射角，并且透鏡的孔徑光闌的全部區(qū)域都能用于容納所有區(qū)域點上的角度掃描范圍(即，傳感器芯片上的所有表面)。如上所述的，有關(guān)本發(fā)明的雙遠心表示聚焦遠心也在檢測器上，并有利于本發(fā)明，因為它使檢測器傳感元件(CCD芯片)上的入射角極值(extremes)減少到最小，并有助于避免在極值掃描角的不同ROI之間的檢測器靈敏度發(fā)生較大變化。在本發(fā)明中，通過使每半個透鏡系統(tǒng)分別具有遠心而實現(xiàn)雙聚焦遠心，因此，中間的孔徑光闌(即，槽)似乎是無限大，如從物體空間(傳感器芯片)和從圖像空間(CCD芯片)兩者所見的。
用橫向放大來設(shè)計這特殊的透鏡系統(tǒng)，以使SPR傳感器芯片有效寬度匹配于所選CCD芯片的面積，并進行特殊優(yōu)化，以使幾乎10度掃描角度范圍(物體側(cè)數(shù)字孔徑0.10)上的整個傳感器區(qū)的圖像移動(RIO漂移)減少到最小。這優(yōu)化也考慮到應(yīng)用窄波長范圍，如由在干擾濾光片的最大值的一半處的4納米全寬(FWHM)確定的。所需要的有限光譜帶寬消除了對色差控制的需要，這允許對所有元件使用簡單的高分度鏡類型，并因此可減少成本。產(chǎn)生的剩余色差是不明顯的。這特別有利，因為設(shè)計自由度不消耗對色差和失真的控制。同樣因為在色差校正系統(tǒng)中，單鏡片的反射率高于多鏡片的平均反射率，只需要少數(shù)幾個透鏡元件來控制ROI的漂移像差。實際上，還不清楚，在一種比得上的透鏡設(shè)計中以任何合理成本可達到兩種要求(即，ROI漂移消除和寬帶色彩校正)。的確，可大批量得到的遠心CCD透鏡，通常是消色差透鏡，不能接近用本發(fā)明達到的步行要求。
圖6介紹含有本發(fā)明檢測組件內(nèi)的新穎透鏡系統(tǒng)的各種元件的視圖。在圖6所示的實施例中，定位在目標區(qū)傳感器(112)和檢測器傳感元件(113)之間的透鏡組件包括物鏡部分(120)，由下列部件構(gòu)成反射元件121-124，槽孔徑(130)；由反射元件126-129構(gòu)成的成像部分(125)，，改正片(21)，和檢測器窗口(28)。圖6中的元件26表示上面參考圖5描述的被動指形冷凍器元件的相對位置。圖6還示出當光線從光源(未示出)照射到傳感器芯片(112)時的光通路(虛線)，然后光線被反射離開傳感器，經(jīng)過透鏡光學器件(120，125)，槽孔徑(130)，和改正片(21)，經(jīng)過檢測器窗口(28)，并到檢測器傳感元件(113)。
這特殊透鏡組件設(shè)計是特別有利的，因為當樞軸臂掃描經(jīng)過角度范圍時，標準的“現(xiàn)成的”透鏡系統(tǒng)和傳統(tǒng)遠心透鏡設(shè)計不能在CCD照相機上維持足夠的圖像穩(wěn)定性，這對于這兒描述的光學分析設(shè)備的最優(yōu)化性能是必需的。如上所概括，照相機詢問傳感器上感興趣區(qū)域(ROI)，這相應(yīng)于待分析的目標。由于高次像差取決于傳統(tǒng)透鏡系統(tǒng)的視場尺寸(field size)和孔徑大小，當掃描照射角度時，固定在傳感器上的ROI的光學圖像在檢測器表面上移動或“步行”，導致測量噪聲的增加。這特別在軸偏離視場點處及偏離透鏡軸的較大掃描角處發(fā)生。在照射全孔徑光闌而不是像本案中照射小點狀區(qū)的傳統(tǒng)照射系統(tǒng)中，像差可靠地包括場曲，散光，和彗差(coma)。重要地，依據(jù)Scheimpflug原理，物體場的傾斜(例如，在目前較佳配置中一般為21度)和所產(chǎn)生的圖像面傾斜增加了減少測量噪聲的難度。然而在角掃描SPR中，上面提到的這些像差分類不能直接應(yīng)用或使用，在設(shè)計過程中要求將作為入射角函數(shù)的圖像漂移進行數(shù)字式最小化。注意，像差不取決于視場半徑和孔徑角度，例如簡單失真，通常不影響到SPR結(jié)果。
特殊設(shè)計和優(yōu)化上面描述的雙遠心透鏡組件以解決這兒描述的步行問題，該組件含有物鏡部分和成像部分，每部分含有4個元件，每個元件含有高效多層防反射涂層，帶有插入在其間的專門配置的孔徑光闌。在最佳實施例中，透鏡組件的跟蹤長度是272毫米。
雙遠心設(shè)計能容納大角度掃描范圍(對于10度總機械移動，±5度)，同時使物鏡部分和成像部分的鏡片元件尺寸減少到最小。(參見圖6)。保持所限制的元件尺寸依次減小透鏡成本和重量，并有利于像差控制。
如圖6中描述的，選擇槽形孔徑(130)，而不是傳統(tǒng)圓孔徑光闌。雖然透鏡得到足夠好的校正以允許在物體空間(相應(yīng)于圖像空間中的0.18)中使用0.10數(shù)字孔徑(NA)的全圓形孔徑，但是這兒描述的SPR應(yīng)用不要求使用整個孔徑。因此，較佳地定孔徑的尺寸以減少由來自傳感器和其他表面的漫散射引起的雜散光，并有助于消除由多鏡面反射引起的剩余“熱點”。該孔徑還允許增加傳感器上基準標記的空間分辨力，這些基準標記設(shè)計成(a)通過幫助確定ROI點沉積在傳感器表面時的印刷區(qū)的實際位置而增強可用性，及(b)當應(yīng)用自動-點-搜索算法時，用作為確定點本身位置的基準位置。
在任何一個傳感器照射角度上，從傳感器表面反射的零次光在孔徑面上占據(jù)一個相當小的斑點，以致瞬時孔徑原理上限制到位于當前掃描角中心的一個小圓內(nèi)。這個小圓必須足夠大以(1)包圍光源的有限對準角，并更重要地，(2)大到足以避免圖像分辨力的過多衍射斑點，這會妨礙小ROI區(qū)的有效成像及輔助傳感器芯片特征(例如，蝕刻或否則沉積在傳感器表面上的基準標記和識別文字)的有效成像。因這種要求的圓形孔徑區(qū)在一次角掃描期間線性地移過孔徑面，較佳的合成最小孔徑采用細長槽的形狀。由期望的角SPR掃描長度確定該槽的長度，同時選擇該槽的寬度，以使圖像內(nèi)的衍射的假象減少到最少。
因此，如圖6中所見的，本發(fā)明的新穎孔徑光闌較佳地具有圓形或方形末端的槽的形狀。通過消除相應(yīng)于透鏡孔徑的不需要部分的角度上的漫射光，這種改進可使漫射光背景減少到最小，并增加視在的SPR諧振深度。典型孔徑的寬度和長度分別相應(yīng)于物體空間的約3度和13度。較佳地，槽孔徑橫向偏移2度，偏離光軸約2毫米，以匹配于光源偏移以及容納用于消除如上所述的多反射熱點的橫向光束偏斜。另外，透鏡元件上的多層防反射涂層可部分地抑制熱點。槽孔徑可以在固定的位置上，也可以是移動的，以便于光學對準過程。
如圖6所指出，在傳感器芯片上的平均SPR角度，即，在中間掃描時來自光源的照射照射到傳感器芯片表面時的角度，約為21度。因此，透鏡軸設(shè)置在離芯片表面的法線為21度的角度處，以最佳地容納以這個角為中心的角掃描范圍。為在整個視場獲得最佳圖像質(zhì)量，檢測器表面對于透鏡軸傾斜約12度，如所示的。通過光線跟蹤優(yōu)化以及使用步行最小標準進行調(diào)整而選擇該精密角度，但也可通過已知的Scheimpflug條件近似地給出。
依據(jù)本發(fā)明，為了進一步優(yōu)化整個視場內(nèi)的，即，傳感器芯片上的所有ROI的，圖像質(zhì)量，由視場和圖像面傾斜(即，21度的標準傳感器傾斜和12度的標準檢測元件傾斜)產(chǎn)生的剩余ROI圖像偏移和其他像差都可由約1毫米厚的、傾斜約20度的平面玻璃改正片(21)進行額外補償?？墒÷栽摳恼?，將使圖像質(zhì)量和步行性能有一些降低，但寧可包含該改正片。在本發(fā)明的工作實施例中，橫向放大約為0.57以使傳感器芯片寬度匹配于CCD芯片尺寸。因為視場傾斜，縱向放大較低，約為0.53.
也如圖5所見并在圖6中指出位置，本發(fā)明的透鏡組件較佳地包括被動型指形冷凍器(26)，以增加檢測器組件對數(shù)據(jù)分析的靈敏度。特別地，把經(jīng)檢測器窗口(28)和改正片(21)之間的空間內(nèi)的熱表面除氣的氣載污染水汽吸入最冷表面，最冷表面通常是檢測器窗口。不均勻地沉積在檢測器窗口或改正片上的水汽會引起強度波動，強度波動將導致增加SPR信號內(nèi)的噪聲和漂移。為了解決這個問題，由高熱導金屬(例如銅)制成的被動型指形冷凍器導線連接到在空間外的大的熱質(zhì)量體，并設(shè)計成能維持環(huán)境溫度，以保證指形冷凍器在空間中是最冷的主體，并由此將水汽吸引到它上面，而不是吸引到或沉積在檢測器窗口或改正片上。
如圖5中所見，可通過使用多個萬向架(即，固定到檢測器組件的內(nèi)萬向架(23)；固定在內(nèi)萬向架的中間萬向架(25)；及固定在設(shè)備支架上的外萬向架(27))調(diào)整檢測器組件(20)在和沿多條軸的位置或取向。特別地，使用萬向架使檢測器(24)內(nèi)的圖像記錄檢測器傳感元件與傳感器按6個方向(X，Y，Z，(見圖6)ρ，σ，和)對準。這種對準是必需的，以使檢測器傳感元件(例如，CCD照相機芯片)的有效區(qū)與由光學系統(tǒng)形成的傳感器陣列的縮小的和傾斜的圖像精確地一致。通過使照相機相對于內(nèi)萬向架移動來調(diào)整沿X或Y軸的取向。通過相對于傳感器位置來微調(diào)檢測器的位置而達到沿Z軸的取向(即，透鏡組件的光軸)。由內(nèi)萬向架調(diào)整繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度ρ，由中間萬向架調(diào)整繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度σ，并通過調(diào)整檢測器相對于內(nèi)萬向架的位置，通過例如，相對于傳感器平面，旋轉(zhuǎn)檢測器組件來調(diào)整繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。在一個最佳實施例中，透鏡組件的調(diào)整與檢測器無關(guān)，允許精細地調(diào)整到達檢測器傳感元件的反射傳感器圖像。
萬向架有益于調(diào)整檢測器組件的取向，以優(yōu)化傳感器反射和由檢測器傳感元件接收的圖像之間的匹配。一旦已經(jīng)優(yōu)化了這相對關(guān)系，就相對于接收傳感器的目標區(qū)的位置來固定檢測器組件。因此，在掃描操作時，只有光源能移動(即，改變?nèi)肷涔庹丈湓趥鞲衅魃系慕嵌?，而傳感器和檢測器組件基本上維持固定，或盡可能地固定。一旦調(diào)整好，例如，就用固定螺桿鎖住或固定檢測器組件；并且如此地設(shè)計目標區(qū)，以使流動池(帶有并入的傳感器)在正確的位置上不移動，該正確的位置用于反射來自光源的入射照射，并且該正確的位置還與并入在分析設(shè)備內(nèi)的流體系統(tǒng)相嚙合。傳感器和檢測器相對于可移動光源的不可移動性避免了在運行時調(diào)整檢測器相對于光源的位置的需要，并避免在后數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)處理中用補償算法對圖像通路的波動進行補償?shù)男枰?br> 如圖2中一部分所見的，本發(fā)明的儀器也可包括復雜的流體系統(tǒng)(60)，用于將試劑和樣本引導到傳感器表面。在圖7描述的較佳實施例中，把該流體系統(tǒng)設(shè)計成在試劑和樣本已經(jīng)與傳感器接觸后，允許用戶將流出含有傳感器(112)的流動池的液體引導到廢液接收器(63)，或替代地，引導到收集器(64)，或返回到樣本儲存器(40)，用于隨意地再循環(huán)到傳感器區(qū)(112)，或從設(shè)備中取回。
如圖7中所見，加到緩沖劑儲存器(50)(與流體系統(tǒng)成一體)內(nèi)的試劑(例如，清洗液)由例如螺形壓縮泵(62)從儲存器中吸出，并注入流體系統(tǒng)。然而，用于吸取或推進液體通過管道系統(tǒng)的任何已知方法都可使用，例如真空，強迫通風，電動力學等。在較佳特征中，使試劑通過除氣系統(tǒng)(80)(如上所述，除氣系統(tǒng)也集成進流體系統(tǒng))，然后引導到傳感器(112)的表面。也如圖1和2所見，該設(shè)備還包括相鄰于緩沖劑儲存器(50)的樣本區(qū)(40)。如圖2所見，樣本區(qū)(40)經(jīng)樣本注射針(42)與流體系統(tǒng)結(jié)合。把樣本區(qū)設(shè)計成能分別地將許多樣本(例如，分析和檢測抗體)儲存在密封在樣本區(qū)內(nèi)的分立的樣本管(未示出)中。如用上述試劑，由注射針將樣本從一個管內(nèi)吸出，例如經(jīng)過螺形壓縮泵。樣本引導到傳感器表面，隨后與該表面接觸，或進一步引導到廢液接收器(63)，通過該系統(tǒng)返回以便再循環(huán)并再與傳感器接觸，返回到它原來的樣本管(40)，以從設(shè)備中取回；或引導到專門的樣本回收管(64)。另外，如圖7所見，本發(fā)明的流體系統(tǒng)可利用多通道閥門，例如，如描述的6路閥門(66)，用于引導液體通過專門通道。該設(shè)備還可包括附加線路(65)，用于通過與包含在該設(shè)備內(nèi)的穿板接頭(bulkhead union)(67)連接而附加緩沖劑。
并入本發(fā)明光學分析設(shè)備的流體系統(tǒng)還最佳地包括“氣泡沖擊波(bubbleblast)”除氣單元(80)，能提供由注射泵(65)驅(qū)動的高速脈沖流。這樣的氣泡沖擊波系統(tǒng)用于克服設(shè)計成能接收可替代的流動池的系統(tǒng)內(nèi)固有的一個問題，即，以致能經(jīng)常改變傳感器(含在流動池內(nèi))。當將一種新流動池投入運行時，通常的情況是在填充進緩沖劑后，氣泡還留在池隙內(nèi)。在樣本切換或其他流體操作期間，也可不利地引入氣泡。這些氣泡妨礙在受影響ROI上的測量，必須加以消除。這些氣泡難以除掉，特別在本發(fā)明中減小流動池的尺寸的情況下。已經(jīng)確定超過了臨界驅(qū)逐流速(CDF)的非常高的液體流速的簡單應(yīng)用能驅(qū)除由流動池表面上的濕張力或由幾何不連續(xù)性引起的氣泡。
例如，要求CDF以驅(qū)除由傳感器表面不均勻表面特性在平面池內(nèi)引起的氣泡，這樣，氣泡的下游側(cè)的濕張力(τ1)大于上游側(cè)的濕張力(τ2)，由下列公式近似地給出CDF＝Wh2{τ2-τ1}/(6ηL)其中，W是池的寬度，h是池隙高度，η是液體的粘度，而L是氣泡沿流動軸的額定長度。雖然，能粗略地估計出濕張力差Δτ2-τ1的上限，，但是在實際中遇到的實際值通常是通過實驗來找出的。該分析清晰地示出幾何縮放比例，然而，發(fā)現(xiàn)這縮放比例與氣泡存放的其他機制相類似。雖然當間隙高度減小時，臨界流動快速地降低，但是與臨界流動相關(guān)的壓降增加。同樣，氣泡長度的反相依賴性顯示如果在短距離內(nèi)存在濕張力差，則難以除去非常小的氣泡(即，短氣泡)。
已經(jīng)確定當氣泡從一個“撞擊”點移動到下一個時，通常需要多次應(yīng)用高流動脈沖，以消除氣泡。為了從流動池中除去氣泡，流體系統(tǒng)并入了正向活塞泵(注射泵)，用于將“氣泡沖擊波”或一連串高流速脈沖，例如，經(jīng)低流阻流體通路，施加給傳感器池。另外，實時監(jiān)視氣泡能中斷流體運行，并毀滅可能積聚的任何氣泡。
SPR分析極敏感于溫度和溫度波動，這樣，必須盡可能嚴格地控制這個參數(shù)。為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及在傳感器表面發(fā)生的結(jié)合反應(yīng)上產(chǎn)生精確和相一致的數(shù)據(jù)，重要的是用戶必須控制所披露的設(shè)備的內(nèi)部環(huán)境溫度。因此，已經(jīng)設(shè)計可選的熱處理室，如圖2所見，用于合并進依據(jù)本發(fā)明的光學分析設(shè)備，以允許用戶快速地和精確地調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)的溫度，調(diào)整通過流體系統(tǒng)的試劑和樣本的溫度，并控制傳感器表面上結(jié)合反應(yīng)的溫度。
另外，期望允許用戶在環(huán)境溫度以上和以下的各種溫度下進行實驗。為了實現(xiàn)這個目的，如在圖2中所見的，熱處理室包圍著目標區(qū)(傳感器位于該目標區(qū)內(nèi))并包圍至少一部分上述流體系統(tǒng)。在較佳實施例中，熱處理室包括比例積分微商(PID)-控制的熱電設(shè)備模塊，該模塊包括循環(huán)風扇，散熱器，熱保險絲，及傳感器。
圖8中描述一個較佳的熱處理室。該熱處理室有利地排列著絕緣泡沫(32)，絕緣泡沫能維持熱處理室內(nèi)的熱穩(wěn)定性。這絕緣層保護傳感器區(qū)，在傳感器表面引入的液體，及在傳感器表面發(fā)生的反應(yīng)，不受由環(huán)境或由儀器運行引起的溫度波動的影響。圖8中畫出的是熱處理室內(nèi)的頂板組件(34)，用于精確地定位和安全地將傳感器保持在目標區(qū)中的位置上；以及用于將傳感器傳送到目標區(qū)的機構(gòu)。在這張圖中，用數(shù)字36表示鄰近于傳感器區(qū)的4路閥門(圖7中的36)?？砂鈧鞲衅?未示出)，用于確定傳感器(流動池)相對于頂板的精確位置。還示出用于維持輸入液體的熱穩(wěn)定性的被動型預(yù)加熱器。例如由有散熱片的銅制成的這些被動型預(yù)加熱器經(jīng)密閉環(huán)境內(nèi)的循環(huán)空氣嚴密地跟蹤熱處理室的溫度，并經(jīng)過嵌入熱交換塊凹槽內(nèi)的液體管道壁的熱傳導，將熱量傳到或傳離液體。
被動型熱交換的一個替代是用附加伺服環(huán)路的液體流動的主動加熱和冷卻的使用。然而，依據(jù)成本和簡單性，并因為被動型熱交換器不會引入由有缺點的反饋控制引起的溫度循環(huán)或噪聲，所以被動型熱交換器是較好的。使用被動型熱交換器的困難在于熱量流出或流入熱交換器要求溫度的有限差異。該差異與所需的熱通量成比例，并因此，取決于液體流速，熱容量，及期望的液體溫度的增加或減少。
預(yù)加熱器的最終目標是使液體盡可能地接近與熱處理室的溫度相同的溫度，并由此接近傳感器的溫度。然而，使熱量流進或流出管道需要熱處理室內(nèi)的液體和空氣之間的溫度差。因為進入傳感器流動池的液體和規(guī)定的傳感器溫度之間的任何溫度差將改變傳感器的期望溫度，這提出一個重要的問題。精確的SPR響應(yīng)具有高度的溫度依賴性。因此，如果預(yù)加熱器具有足夠的熱質(zhì)量，則它的作用如同散熱器或熱儲存器，但是液體和熱處理室溫度在極端下長期運行將引起儲存器的最終的加熱或冷卻，導致熱SPR漂移。而且，如此高的熱質(zhì)量阻礙調(diào)整熱處理室溫度的快速熱平衡，這也是需要的。
這兒描述的新穎解決方案是將每條液體線的流體熱交換器分成多個熱絕緣的，及串連連接的分段。依據(jù)這種設(shè)計，分段熱交換器的總尺寸和流體死容積引人注目地小于設(shè)計成達到相同出口管溫度誤差的單段的總尺寸和流體死容積。結(jié)果，這樣的第一級傳送使液體流到達熱處理室溫度所需的總熱量流中的大部分，同時將溫度誤差減少到它原值的一小部分，但用遠低于熱處理室溫度的模塊溫度進行運行，并使液體流遠低于期望的溫度。類似的下一級使誤差減少相似的因子，依此類推。
如下示意地示出，可以評估在等溫空氣流內(nèi)的單個熱交換器分段的性能。熱量從等溫空氣流傳導到例如鋁或銅等高導熱材料的有散熱片的模塊，并將熱量帶進穿過導熱模塊內(nèi)的通道或穿過與導熱模塊有良好熱接觸的管子內(nèi)的液體流。
框圖空氣-到-分段-到-水熱交換器部分的熱分析。
在上述方案中，在穩(wěn)態(tài)條件下，Q是在溫度TAIR從空氣傳送給分段內(nèi)液體流的熱功率。液體體積流量率為F，密度為ρ，而熱容量為cp。到有散熱片的導熱模塊的強迫空氣傳熱系數(shù)為h，有效面積為A，液體管的溫度調(diào)節(jié)系數(shù)為fTA。注意fTA是流量率F的函數(shù)。求解圖中所示的一套公式，得到一個分段的出口溫度TOUTLETTOUTLET＝TINLET+{fTAh A/(h A+FρcpfTA)}(TAIR-TINLET)其中TINLET是該特殊分段的入口溫度。
可按“溫度誤差縮減因數(shù)”R來重寫上述的公式，定義為R≡(TAIR-TOUTLET)/(TAIR-TINLET)結(jié)果是R＝1-[1/fTA+1/β]-1其中β是分段的相對空氣熱傳遞效率的無量綱測量值，由下式給出β＝h A/(Fρcp)在所有情況下，限制液體溫度調(diào)節(jié)系數(shù)fTA(F)如下0＜fTA＜1并且因為β＞0，所以R也經(jīng)受相同的限制
0＜R＜1典型地設(shè)計分段以致fTA＞0.9且β＞6，所以單級R值為R＜0.22。這意味著多級被動型熱交換器的每個獨立分段能將溫度差異減少到它先前值的約20％或更小。
在某一給定液體流速時，每個熱交換器分段起作用而使液體溫度和熱處理室溫度之間的差異降低一個固定因子R，R總是小于一，并通常為0.20或更小?？偣瞡個多級熱絕緣分段串連連接，由此，液體溫度按幾何學上Rn下降。通過適當?shù)剡x擇分段數(shù)，有可能減少對于傳感器的液體溫度失配成為可接受的程度，或甚至為一個可忽略的值，以致使SPR信號上的任何有害影響減少到最小或消除。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)3到4分段通常是合適的，在溫度平衡，流體死容積，和流速之間提供最佳平衡。
如上所述的，為了用本設(shè)備產(chǎn)生精確的SPR數(shù)據(jù)，有利地使用戶有能力控制在傳感器表面發(fā)生結(jié)合反應(yīng)的環(huán)境溫度。在這方面，也有利地，當在試劑和樣本接觸傳感器之前流過流體系統(tǒng)時，使用戶有能力控制試劑和樣本的溫度。為了實現(xiàn)運行的溫度敏感元件上的這種控制，較佳地具有密封在上面描述的熱處理室內(nèi)的、合并進光學分析設(shè)備的任何流體系統(tǒng)中的至少一部分。較佳地，密封在熱處理室內(nèi)的這部分流體系統(tǒng)是最接近結(jié)合反應(yīng)發(fā)生的部分，即，接近于傳感器，并包括傳感器本身。
從上面描述中，結(jié)合依據(jù)本發(fā)明的特征的SPR的許多不同實施例和其他光學分析儀都是可能的。所有這樣的實施例，包括這兒披露的特別較佳設(shè)計的顯而易見的變化，都傾向于落在本發(fā)明的范圍內(nèi)，如由下面的權(quán)利要求所定義的。
結(jié)合上面闡述的所有出版物和文檔作為參考。
權(quán)利要求
1.一種光學分析儀，包括(a)框式支架；(b)安裝到所述框式支架上的目標區(qū)，被配置成能接收并可靠地將含有反射傳感器的流動池約束在基本上穩(wěn)定的位置上；(c)光源組件，它含有光源和用于聚焦從所述光源中發(fā)射過來的光線的源光學器件，對所述光源組件進行定向以把光束投射到所述反射傳感器上，并且將所述光源組件以可旋轉(zhuǎn)的方式安裝到所述框式支架上，從而使得準許改變所述光源相對于所述傳感器的位置的取向；(d)用于改變所述光源組件的取向的裝置；(e)用于記錄所述光源組件的取向角度變化的裝置；(f)安裝到所述框式支架上的檢測器組件，被定向成接收從所述傳感器反射過來的光線。
2.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，所述反射傳感器是光柵耦合表面等離子體激元諧振(SPR)傳感器。
3.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，所述裝置(d)是手動調(diào)整裝置。
4.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，所述裝置(d)是馬達裝置。
5.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，所述裝置(d)是步進型馬達。
6.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，所述裝置(e)是從含有來自步進馬達，旋轉(zhuǎn)編碼器，和線性編碼器的精確角度變化數(shù)據(jù)的組中選擇的。
7.按照權(quán)利要求6所述光學分析儀，其特征在于，所述裝置(e)包括內(nèi)置索引標志，在所述每次光學分析開始處提供一個基準點。
8.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，所述光源是一個發(fā)光二極管(LED)或多個LED。
9.按照權(quán)利要求8所述光學分析儀，其特征在于，所述光源是能發(fā)射窄帶波長的LED。
10.按照權(quán)利要求8所述光學分析儀，其特征在于，所述LED或多個LED被密封在塑料材料內(nèi)，及其中所述塑料材料是光學上平坦的或制造得光學上平坦的，以使由所述塑料材料引起的光失真減少到最小。
11.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，所述光源束偏離于所述光學器件的中心軸，以提供足以消除從儀器的光學表面反射的光線引起的雙重反射。
12.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，所述光源束偏離于所述光學器件的中心軸，以提供2度的橫向光束偏斜。
13.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，所述檢測器組件(f)安裝在多個萬向架上，允許改變檢測器組件相對于所述傳感器位置的取向。
14.按照權(quán)利要求13所述光學分析儀，其特征在于，所述檢測器組件(f)包括含有檢測器傳感元件的檢測器；及透鏡組件，用于將所述傳感器的反射圖像聚焦在所述檢測器傳感元件上，所述透鏡組件被定位在所述檢測器傳感元件和所述目標區(qū)之間。
15.按照權(quán)利要求14所述光學分析儀，其特征在于，所述透鏡組件包括一個或多個反射元件，孔徑光闌，改正片，及檢測器窗口。
16.按照權(quán)利要求15所述光學分析儀，其特征在于，所述透鏡組件是雙遠心透鏡組件。
17.按照權(quán)利要求15所述光學分析儀，其特征在于，所述檢測器組件進一步包括定位在所述檢測器窗口和所述改正片之間的被動型指形冷凍器。
18.按照權(quán)利要求15所述光學分析儀，其特征在于，所述檢測器組件和所述透鏡組件的反射元件的取向有效地使所述傳感器的反射圖像的尺寸匹配于所述檢測器傳感元件的尺寸。
19.按照權(quán)利要求15所述光學分析儀，其特征在于，可相對于所述傳感器的位置單獨地調(diào)整所述檢測器和所述透鏡組件。
20.按照權(quán)利要求15所述光學分析儀，其特征在于，所述檢測器是CCD照相機，而所述傳感元件是CCD芯片。
21.按照權(quán)利要求1所述光學分析儀，其特征在于，進一步包括(g)流體系統(tǒng)，包括(i)一個或多個溶液儲存器和/或溶液輸入連接器；(ii)供給管，將所述一個或多個儲存器和/或輸入連接器連接到所述目標區(qū)；(iii)移除管，使所述目標區(qū)與從所述廢液接收器，溶液儲存器，收集容器，及目標區(qū)的組中選擇的一個或多個元件相連接；(iv)一個或多個泵，用于推進液體使之流過所述供給和移除管。
22.按照權(quán)利要求21所述光學分析儀，其特征在于，所述流體系統(tǒng)(g)進一步包括氣泡沖擊波裝置，用于清除來自流體系統(tǒng)的俘獲空氣氣泡。
23.按照權(quán)利要求21所述光學分析儀，其特征在于，把所述流體系統(tǒng)的一部分和所述目標區(qū)密封在熱處理室內(nèi)。
24.按照權(quán)利要求23所述光學分析儀，其特征在于，使用一個或多個被動型熱交換器來控制被傳導到所述目標區(qū)的液體溫度。
25.按照權(quán)利要求24所述光學分析儀，其特征在于，所述散熱器包括一連串分段的被動型熱交換器。
26.按照權(quán)利要求23所述光學分析儀，其特征在于，使用一個或多個主動型加熱或冷卻環(huán)路來控制被傳導到所述目標區(qū)的液體溫度。
全文摘要
光學分析設(shè)備，特別適用于執(zhí)行光柵耦合表面等離子體激元諧振(SPR)成像功能，包括旋轉(zhuǎn)光源，能掃描越過投入到固定目標傳感器(例如SPR傳感器)的入射光的角度范圍。例如由CCD照相機檢測來自照射傳感器的反射圖像，并且例如由適合的算法處理所述圖像和角掃描數(shù)據(jù)，以提供在所述傳感器表面上發(fā)生的反應(yīng)實時分析。
文檔編號G01N21/55GK101023339SQ200480022256
公開日2007年8月22日 申請日期2004年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月1日
發(fā)明者D·H·特雷西, J·M·布洛克曼, K·S·費拉拉, M·申克, R·克爾斯坦, S·E·科恩, G·鮑德雷, P·涂克斯布瑞, P·赫德林頓, E·皮科薩 申請人:百艾括爾股份公司