用于樣本陣列的自參考檢測(cè)與成像的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】提供一種用于檢測(cè)具有可檢測(cè)樣本和至少一個(gè)參考樣本的樣本陣列的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：電磁輻射源；感測(cè)表面，包括多個(gè)樣本域，其中，所述多個(gè)樣本域包括至少一個(gè)參考域；相位差產(chǎn)生器，配置成導(dǎo)入樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本的路徑長度的差異；以及成像光譜儀，配置成對(duì)樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本進(jìn)行成像。
【專利說明】用于樣本陣列的自參考檢測(cè)與成像的系統(tǒng)和方法
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及檢測(cè)與成像，更具體而言，涉及用于樣本陣列的光學(xué)檢測(cè)與成像的系統(tǒng)和方法。
[0002]表面等離子體共振(SPR)檢測(cè)是用于檢測(cè)分子吸收和相互作用的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)。SPR檢測(cè)被用于包含生物傳感器的多種多樣的化學(xué)系統(tǒng)。典型而言，SPR傳感器包括棱鏡支持薄金屬層的布置。配體分子被固定在薄金屬層的一側(cè)，以從該薄金屬層形成改性金屬表面。樣本被設(shè)置在改性金屬表面上。入射到樣本上的光束以共振方式激發(fā)薄金屬層中的表面等離子體。表面等離子體在平行于薄金屬層與棱鏡之間形成的界面(金屬/棱鏡界面)的方向擴(kuò)散。由于表面等離子體存在于薄金屬層與外部介質(zhì)(例如空氣或水)的邊界，因此表面等離子體的震蕩響應(yīng)于金屬與外部介質(zhì)的邊界的任何改變、諸如金屬表面上的分子的吸收。SPR現(xiàn)象典型地通過對(duì)薄金屬層的表面附近的折射率改變進(jìn)行感測(cè)來檢測(cè)。改性金屬表面的反射光譜可以通過測(cè)量作為入射光的入射角或者波長的函數(shù)的、反射光的強(qiáng)度來確定。SPR現(xiàn)象對(duì)在邊界的折射率改變的敏感性對(duì)于觀察并量化在薄金屬膜/樣本溶液界面的化學(xué)反應(yīng)是有用的。
[0003]典型而言，SPR系統(tǒng)在干涉儀中使用兩個(gè)不同的路徑。第一路徑可以被稱為參考臂，第二路徑可以被稱為樣本臂。從輻射源朝向參考的大方向被稱為參考臂，從輻射源朝向樣本的大方向被稱為樣本臂。來自輻射源的入射光被分離為兩個(gè)部分，第一部分經(jīng)由參考臂傳播并入射在參考樣本上，第二部分經(jīng)由樣本路徑傳播并入射在樣本上。在干涉儀中具有兩個(gè)不同的路徑使得系統(tǒng)易受到諸如振動(dòng)的環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致檢測(cè)與成像中的噪聲。在干涉儀配置中的SPR技術(shù)對(duì)于諸如振動(dòng)和溫度波動(dòng)的環(huán)境因素相對(duì)更敏感。振動(dòng)可能使干涉儀中的兩個(gè)臂之間未對(duì)準(zhǔn)，這可能導(dǎo)致經(jīng)由兩個(gè)不同的路徑傳播的光缺少相干性，因此影響檢測(cè)的靈敏度。
[0004]因此，期望具有用于樣本陣列的檢測(cè)與成像的改善的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一個(gè)實(shí)施例中,提供一種用于檢測(cè)具有可檢測(cè)樣本和至少一個(gè)參考樣本的樣本陣列的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:電磁輻射源；感測(cè)表面，包括多個(gè)樣本域，其中，所述多個(gè)樣本域包括至少一個(gè)參考域；相位差產(chǎn)生器，配置成導(dǎo)入樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本的路徑長度的差異；以及成像光譜儀，配置成對(duì)樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本進(jìn)行成像。
[0006]在另一個(gè)實(shí)施例中，提供用于對(duì)樣本陣列進(jìn)行檢測(cè)與成像的檢測(cè)與成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:寬帶光源，配置成照射樣本陣列；光學(xué)引擎；圖像獲取單元，配置成獲取圖像數(shù)據(jù)；以及信號(hào)處理單元，用于處理獲取的圖像數(shù)據(jù)。該光學(xué)引擎包括:SPR感測(cè)表面，具有樣本域和至少一個(gè)參考域；相位差產(chǎn)生器，配置成導(dǎo)入樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本的路徑長度的差異，圖像獲取單元配置成獲取圖像數(shù)據(jù)，信號(hào)處理單元用于處理獲取的圖像數(shù)據(jù)。
[0007]在一個(gè)示例中，提供一種用于對(duì)陣列中的樣本進(jìn)行成像的方法。該方法包括:提供入射輻射；用入射輻射照射樣本陣列中的樣本，以生成結(jié)果束，其中，樣本陣列包括參考樣本；導(dǎo)入樣本陣列的一個(gè)或更多的樣本的路徑差異；使結(jié)果樣本束與結(jié)果參考束進(jìn)行干涉，以形成干涉光譜；獲取干涉光譜；以及重構(gòu)一個(gè)或更多的樣本的光譜特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]當(dāng)參考附圖閱讀下面的【具體實(shí)施方式】時(shí)，本發(fā)明的上述和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，其中，各圖中同樣的附圖標(biāo)記代表同樣的部分，其中:
圖1是用于同時(shí)檢測(cè)樣本陣列的示例自參考檢測(cè)與成像系統(tǒng)的框圖；
圖2是圖1的光學(xué)引擎的示例的概要圖；
圖3是用于同時(shí)檢測(cè)樣本陣列的自參考表面等離子體共振(SPR)檢測(cè)與成像系統(tǒng)的示例的概要圖；
圖4是配置用于自由溶液(free solution)的SPR的感測(cè)表面的示例的剖視圖；
圖5是配置用于定域的SPR的感測(cè)表面的示例的剖視圖；
圖6是配置用于納米光柵SPR的感測(cè)表面的示例的剖視圖；
圖7是配置用于反射干涉分光法的感測(cè)表面的示例的剖視圖；
圖8是用于重構(gòu)對(duì)于樣本陣列的樣本位置的光譜特性的圖像的、用于對(duì)樣本陣列自參考檢測(cè)與成像的示例方法的流程圖；
圖9是用于對(duì)感測(cè)表面上的三個(gè)點(diǎn)的吸收系數(shù)的高斯分布的仿真結(jié)果的示例的圖表； 圖10是對(duì)應(yīng)于對(duì)圖11的三個(gè)點(diǎn)計(jì)算了傅里葉逆變換的圖表；以及 圖11是對(duì)于圖10的三個(gè)點(diǎn)的檢索的SPR的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0009]提供了用于樣本的自參考檢測(cè)與成像的系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)和方法可以配置用于同時(shí)檢測(cè)多個(gè)樣本。樣本可以被設(shè)置在一維(ID)或者二維(2D)陣列中。樣本可以設(shè)置在感測(cè)表面上的其各自的樣本域中。一個(gè)或更多的樣本域可以配置成接收參考樣本。備選地，一個(gè)或更多的樣本域可以配置成充當(dāng)參考樣本。在某些實(shí)施例中，同時(shí)檢測(cè)可以包括以單次(single shot)或單幀檢測(cè)樣本。系統(tǒng)和方法可以適于樣本的高處理量檢測(cè)與成像。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過在第一方向(例如χ方向)導(dǎo)入樣本陣列的光譜分離，并在第二方向(例如y方向)對(duì)樣本陣列成像，來重構(gòu)多個(gè)樣本的光譜特性的圖像，其中第二方向不同于第一方向。
[0010]在某些實(shí)施例中，提供了用于包括可檢測(cè)樣本和至少一個(gè)參考樣本的樣本陣列的自參考檢測(cè)系統(tǒng)。本申請(qǐng)中，可檢測(cè)樣本和參考樣本的組合可以被稱為樣本。待檢測(cè)的樣本可以被稱為可檢測(cè)樣本。在一個(gè)示例中，檢測(cè)可以包括確定可檢測(cè)樣本的光譜特性。參考樣本可以配置用于對(duì)檢測(cè)可檢測(cè)樣本的光譜特性提供參考。系統(tǒng)包括電磁輻射源和包括多個(gè)樣本域的感測(cè)表面，其中，多個(gè)樣本域中的至少一個(gè)樣本域是參考域。系統(tǒng)還可以包括相位差產(chǎn)生器，配置成導(dǎo)入樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本的路徑長度的差異；成像光譜儀，配置成對(duì)樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本進(jìn)行成像。
[0011]圖1示出用于同時(shí)檢測(cè)樣本陣列中的兩個(gè)或更多樣本的自參考檢測(cè)與成像系統(tǒng)
10。系統(tǒng)10包括用于用電磁輻射14輻照樣本陣列的電磁輻射源12。電磁輻射源12可以根據(jù)待檢測(cè)的樣本的類型，生成可見光或者近紅外光。輻射源12的非限制性示例可以包括發(fā)光二極管、超輻射發(fā)光二極管、寬帶光源、或者其組合。寬帶光源可以在任何給定時(shí)間點(diǎn)的波長的范圍發(fā)射連續(xù)光譜輸出。寬帶光源可以包含的源諸如但是不限于鎢燈、白色光源、氣燈、金屬齒化物燈、磷光體源、或者其組合。
[0012]來自輻射源12的輻射14可以指向光學(xué)引擎16。光學(xué)引擎16包括用于將輻射14指向感測(cè)表面(未不出)的光學(xué)布置。感測(cè)表面可以形成光學(xué)引擎16的一部分。系統(tǒng)10包括用于參考樣本和可檢測(cè)樣本的公共光路。公共光路用作參考和樣本路徑這兩者，可以用于對(duì)樣本提供參考。入射輻射包括用于照射穿過公共光路的可檢測(cè)樣本和參考樣本的小束波(beamlet)，以照射樣本。用于參考樣本的入射小束波和用于可檢測(cè)樣本的入射小束波在相同的方向、即從輻射源12向感測(cè)表面的方向傳播。來自樣本的結(jié)果輻射包括來自穿過公共光路以到達(dá)檢測(cè)器的可檢測(cè)樣本和參考樣本的結(jié)果小束波。用于參考樣本的入射小束波和來自可檢測(cè)樣本的入射小束波在相同的方向、即從感測(cè)表面向檢測(cè)器的方向傳播。系統(tǒng)10配置成提供樣本30的參考，而不需要用于參考樣本和可檢測(cè)樣本的分離光路。自參考不需要參考臂。系統(tǒng)10能夠提供自參考的該能力將噪聲最小化或消除，該噪聲在兩個(gè)不同的光路被用于諸如系統(tǒng)10的干涉儀系統(tǒng)時(shí)可能被導(dǎo)入。自參考可以由設(shè)置在感測(cè)表面上的一個(gè)或更多的參考樣本提供。
[0013]感測(cè)表面可以包括用于設(shè)置樣本的多個(gè)樣本域。樣本域可以包括一個(gè)或更多的可檢測(cè)樣本和至少一個(gè)參考樣本。樣本域可以作為ID或者2D陣列設(shè)置在感測(cè)表面上。樣本可以被設(shè)置在一些或者所有的樣本域中。設(shè)置樣本的樣本域可以選擇為確定的幾何圖案。備選地，可以以不規(guī)律的方式選擇樣本域以設(shè)置樣本。一個(gè)或更多的樣本域可以包括參考樣本，兩個(gè)或更多的樣本域可以包括可檢測(cè)樣本?？梢赃x擇樣本域的陣列中的任何樣本域來接收參考樣本。配置成接收參考樣本的樣本域可以被稱為“參考域”或者“參考樣本域”。
[0014]在某些實(shí)施例中，參考樣本可以包括具有確定的或已知的光譜吸收值的材料。已知的光譜吸收值可以包括已知的常數(shù)值或者已知的隨時(shí)間變化的值。在SPR系統(tǒng)的情況下，參考樣本的材料可以使得SPR現(xiàn)象落入?yún)⒖加虻谋砻娴目蓹z測(cè)范圍外。材料可以是由此使SPR現(xiàn)象落入?yún)⒖加虻谋砻娴目蓹z測(cè)范圍外的高或者低折射率材料?？蓹z測(cè)范圍是指其中SPR現(xiàn)象可以在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的折射率的范圍。在一個(gè)示例中，系統(tǒng)的可檢測(cè)范圍可以在約1.32至約1.41的范圍。在這種情況下，低折射率材料可以指包括低于1.32的折射率的材料，高折射率材料可以指包括在1.41以上的折射率的材料。在參考域包括SPR金屬膜的示例中，參考域可以包括具有已知的光譜吸收的溶液。在這些實(shí)施例中，干涉光譜可以被處理以導(dǎo)致已知的光譜吸收值。
[0015]在某些其他實(shí)施例中，參考域可以配置成將入射輻射反射。在這些實(shí)施例中，參考域可以不包括參考樣本，參考域其本身可以被用作參考樣本，或者空氣可以被用作參考樣本。在一個(gè)實(shí)施例中，可以選擇來自多個(gè)樣本域的一個(gè)樣本域作為參考域，可以不對(duì)樣本域提供進(jìn)一步的修改，可以沒有樣本設(shè)置在該樣本域中。在該示例中，具有在系統(tǒng)中存在的空氣的樣本域可以被用作參考域。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，參考域配置成充當(dāng)參考樣本，可以包括具有已知的光譜吸收值的材料的一個(gè)或更多的層或涂層。用于層或涂層的材料可以是具有系統(tǒng)的可檢測(cè)范圍外的折射率的、高或者低折射率材料?？梢砸詫踊蛘咄繉拥男问酱嬖谟趨⒖加蛑械牟牧系姆窍拗菩允纠梢园ń殡娧趸?例如二氧化硅)、硫化鋅、多孔硅、金、銀、鋁、和其他適當(dāng)?shù)母呋蛘叩驼凵渎什牧稀?br> [0017]在基于全內(nèi)反射的檢測(cè)技術(shù)、諸如但是不限于SPR的情況下，參考域可以包括帶有空氣的玻璃、或者帶有具有已知的光譜吸收的材料的玻璃。具有已知的光譜吸收的材料可以是高或者低折射率材料。在一個(gè)實(shí)施例中，材料可以是溶液的形式。參考域可以包括常規(guī)參考溶液。在一個(gè)實(shí)施例中，材料可以是一個(gè)或更多的層或者涂層的形式。在該實(shí)施例中，當(dāng)沉積SPR金屬膜(例如金膜)時(shí)，參考域的位置可能被遮蔽。在入射輻射到感測(cè)表面的大約垂直入射的情況下，參考域可以包括多層電介質(zhì)構(gòu)造，或者已知的或者具有約零光譜吸收的材料。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，參考樣本可以是非吸收樣本。即，參考樣本可以包括將入射輻射的主要部分反射的材料。在SPR系統(tǒng)的情況下，參考樣本其自身可以展現(xiàn)最小的或者零表面等離子體共振(SPR)現(xiàn)象。
[0019]在某些實(shí)施例中，配置成接收可檢測(cè)樣本的一個(gè)或更多的樣本域可以功能化。在這些實(shí)施例中，樣本域可以用諸如配體分子的功能化材料被固定。
[0020]諸如微流體芯片的微流體設(shè)備18可以可操作地耦合到感測(cè)表面，以向感測(cè)表面提供樣本。微流體設(shè)備18可以配置成向感測(cè)表面上的對(duì)應(yīng)的樣本域提供樣本。在參考樣本需要被設(shè)置在參考域中的實(shí)施例中，微流體芯片可以分別向參考域和樣本域提供參考和有效的樣本?？梢蕴峁┪⒘黧w控制器20來控制微流體設(shè)備18的微流體操作?？蛇x地，樣本處理單元21的可以可操作地耦合至微流體斬波18。樣本處理單元21可以耦合至微流體設(shè)備18的流體端口，用于向/從微流體設(shè)備18傳輸樣本，或者用于從微流體設(shè)備18帶走廢流。樣本處理單元21可以包括用于存儲(chǔ)樣本溶液的腔室或試劑池、用于傳輸樣本的流經(jīng)端口、抽送設(shè)備、以及樣本流控制器。樣本處理單元21可以配置成基于由系統(tǒng)10檢測(cè)樣本，來修改樣本的傳輸。樣本處理單元21可以配置成容納包含液體和氣體樣本的各種樣本。樣本處理單元21可以包括對(duì)樣本準(zhǔn)備和處理的預(yù)備，諸如但是不限于計(jì)量、混合和稀釋。樣本處理單元21可以包括用于加熱或者冷卻樣本的熱敏元件。
[0021]在某些實(shí)施例中，可以在入射輻射或者結(jié)果輻射中導(dǎo)入相位差或者路徑長度差?？梢允褂迷诠餐D(zhuǎn)讓的美國專利申請(qǐng)?zhí)?2/914，622、名為“Systems and methods fordetection and imaging of two-dimensional sample arrays”(“用于二維樣本陣列的檢測(cè)與成像的系統(tǒng)和方法”)中詳細(xì)說明的相位差產(chǎn)生器來導(dǎo)入相位差。相位差可以通過在激發(fā)源與感測(cè)表面之間設(shè)置相位差產(chǎn)生器，來導(dǎo)入入射輻射中。相位差可以通過在感測(cè)表面與檢測(cè)器之間設(shè)置相位差產(chǎn)生器，被導(dǎo)入結(jié)果輻射中。相位差可以被導(dǎo)入除了成像方向以外的方向。相位差可以在導(dǎo)入了相位差的方向，被用于樣本的光譜分離。相位差可以在第一方向被導(dǎo)入入射輻射14或者結(jié)果反射輻射中。作為結(jié)果，在第一方向來自樣本域的結(jié)果反射的束可能被相分離。應(yīng)該注意的是，結(jié)果反射輻射包括從參考樣本和有效的樣本反射的束。
[0022]在ID陣列樣本的情況下，相位差可以導(dǎo)入ID陣列樣本中的每個(gè)樣本中。參考樣本可以設(shè)置在ID陣列的樣本域中的一個(gè)。在一個(gè)示例中，一個(gè)或更多的樣本域可以合并，合并的樣本域可以被用作參考域。
[0023]在包括多行和多列的2D陣列樣本的情況下，可以有一個(gè)或更多的參考樣本。在一個(gè)示例中，樣本的每行可以包括其自身的參考樣本。在該示例中，相位差可以被導(dǎo)入行的每個(gè)元素中。每行的參考樣本可以設(shè)置在該特定行中。在一個(gè)示例中，參考樣本可以相對(duì)于行中的其他樣本對(duì)稱地定位。不同行中的參考樣本的位置可以相同或者不同。在一個(gè)示例中，穿過X方向，每行中的第一樣本域可以包括參考樣本。在另一個(gè)示例中，一個(gè)或更多的參考樣本可以位于各種行中的不同位置。
[0024]可以通過分析由相位有差異的參考束干涉與樣本束形成的干涉光譜來檢測(cè)樣本。來自光學(xué)引擎16的干涉光譜由圖像獲取單元22接收。圖像獲取單元22獲取包含光譜域中的干涉的圖像數(shù)據(jù)。圖像獲取單元22可以包含檢測(cè)器和光柵的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，光柵每_包括3600線，然而，還可以選擇每_光柵線的其他值。在一個(gè)實(shí)施例中，光柵可以以確定的角傾斜，來獲得頻率的額外空間分離。在一個(gè)實(shí)施例中，相位差可以在χ方向?qū)耄上窨梢栽趛方向執(zhí)行。
[0025]圖像獲取單元22可以包含額外的光學(xué)元件、諸如用于準(zhǔn)直或?qū)椛渚劢沟耐哥R。獲取的圖像可以使用信號(hào)處理單元24處理。圖形用戶界面(GUI) 26可以被用于提供用戶界面，以允許用戶與檢測(cè)系統(tǒng)10交互。
[0026]信號(hào)處理單元24可以包括微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。系統(tǒng)10還可以包括用于臨時(shí)存儲(chǔ)至少一個(gè)或更多的圖像的存儲(chǔ)設(shè)備(未示出)。存儲(chǔ)設(shè)備可以包括但是不限于與處理器關(guān)聯(lián)的任何適當(dāng)?shù)挠脖P驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)器、諸如ROM(只讀存儲(chǔ)器)、RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)或者CPU (中央處理單元)的DRAM (動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器);或者任何適當(dāng)?shù)墓獗P驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)器設(shè)備、諸如DVD或者CD ;或者zip驅(qū)動(dòng)器或者存儲(chǔ)卡。存儲(chǔ)設(shè)備可以位于遠(yuǎn)離信號(hào)處理單元244或者成像設(shè)備，并仍然能經(jīng)由任何適當(dāng)?shù)倪B接設(shè)備或者通信網(wǎng)絡(luò)訪問，通信網(wǎng)絡(luò)包含但是不限于局域網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，不管是否是硬連線還是無線。
[0027]圖2示出光學(xué)引擎16內(nèi)的光學(xué)布置的示例。光學(xué)引擎16包括光學(xué)布置，用于將輻射14的一部分從輻射源12指向樣本32的陣列30。陣列30中的一個(gè)或更多的樣本32可以是參考樣本。樣本32可以是化學(xué)或者生物樣本。在一個(gè)實(shí)施例中，樣本32可以是化學(xué)或者生物活性的樣本。化學(xué)或者生物活性的樣本32在其分別接觸化學(xué)或者生物實(shí)體時(shí)，可以生成確定的響應(yīng)。在一個(gè)示例中，樣本32可以具有時(shí)間不變光學(xué)性質(zhì)。樣本32可以包括光學(xué)活性的材料。在一個(gè)示例中，樣本32可以能夠?qū)⑷肷漭椛湮?、透射、或者反射?br> [0028]樣本陣列30可以設(shè)置在感測(cè)表面34上。感測(cè)表面34可以包括含有樣本32的多個(gè)樣本域36。陣列30可以是樣本32的不同尺寸，諸如但是不限于4X4陣列、6X6陣列、或者8X8陣列。在2D陣列的情況下，陣列30的每行可以包括對(duì)應(yīng)的參考樣本。行中的參考樣本可以設(shè)置在該行的樣本域中的一個(gè)。例如，行38、40、42和44可以在分別由附圖標(biāo)記46、48、50和52代表的樣本位置包括參考樣本。盡管示出為2D陣列，但在替代實(shí)施例中，樣本陣列可以是線狀陣列。在ID陣列的情況下，可以選擇一個(gè)樣本域作為參考域。不同樣本的位置可以從一個(gè)行到另一行變化。例如，穿過χ方向，行33的第一樣本可以是參考樣本，而行35可以具有第二樣本作為參考樣本等。
[0029]在某些實(shí)施例中，通過在相同的感測(cè)表面34上設(shè)置可檢測(cè)樣本和參考樣本，提供用于可檢測(cè)樣本和參考樣本的公共光路，這可以通過減小測(cè)量中的噪聲來增強(qiáng)整個(gè)檢測(cè)與成像系統(tǒng)的靈敏度。例如，在相同的感測(cè)表面34上設(shè)置參考樣本和可檢測(cè)樣本，可以去除由振動(dòng)或者溫度波動(dòng)導(dǎo)致的任何不期望的噪聲。
[0030]感測(cè)表面34可以是光譜改性的表面，可以將入射樣本束54的至少一部分反射、吸收、或者透射?？梢曰谡皇褂玫奶囟z測(cè)技術(shù)來選擇感測(cè)表面34。檢測(cè)技術(shù)的非限制性示例可以包含表面等離子體共振(SPR)，諸如但是不限于定域的SPR (LSPR)、納米光柵SPR、無標(biāo)記(label-free)SPR、或者其他技術(shù)，諸如但是不限于反射干涉分光法(RIfS)。在LSPR的情況下，感測(cè)表面34可以包含透射基板。金屬構(gòu)造可以設(shè)置在透射基板上。在RifS的情況下，感測(cè)表面34可以包含透射基板。在納米光柵SPR的情況下，感測(cè)表面34可以包括具有設(shè)置在透射基板的一側(cè)上的納米光柵的透射基板。
[0031]樣本域36可以通過處理感測(cè)表面34的對(duì)應(yīng)的部分，形成在感測(cè)表面34上。處理可以包括的制造技術(shù)諸如但是不限于將感測(cè)表面34的至少對(duì)應(yīng)于樣本域36的部分蝕刻、構(gòu)圖、或者功能化。在一個(gè)實(shí)施例中，可以蝕刻感測(cè)表面的頂折射率層的部分，以形成用于形成樣本域36的溝槽。在SPR檢測(cè)的情況下，樣本域36可以涂有諸如但是不限于金或者銀的薄金屬膜，當(dāng)用激發(fā)輻射輻照樣本域時(shí)能夠進(jìn)行SPR。在一個(gè)示例中，薄金屬膜可以具有約0.001微米至約I微米范圍的厚度，提供用于SPR。樣本域的體積可以是對(duì)于檢測(cè)化學(xué)或者生物制劑足夠的體積，低至微升、或者微微升。
[0032]在某些實(shí)施例中，感測(cè)表面34上的樣本域36可以用一個(gè)或更多的功能劑功能化。功能劑可以包括對(duì)關(guān)注的化學(xué)或者生物制劑敏感并針對(duì)關(guān)注的化學(xué)或者生物制劑的特定抗體、蛋白質(zhì)、DNA序列、配體分子或氨基酸酸序列的涂層。功能劑可以以層或者涂層的形式存在，還被稱為功能化的涂層。通過改變功能劑，該系統(tǒng)和方法可以用于預(yù)定制劑的線性檢測(cè)或者閾值檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)可以基于樣本的至配體的結(jié)合位點(diǎn)的競(jìng)爭性結(jié)合。相同或者不同的配體可以設(shè)置在樣本陣列30的不同的樣本域36中。功能劑可以設(shè)置在感測(cè)表面34的離散區(qū)域中。這些離散區(qū)域可以對(duì)應(yīng)于樣本域36。因此，功能劑可以以離散樣本結(jié)合區(qū)域的陣列的形式存在。不同的樣本域36可以包括相同或者不同的功能劑。例如，一個(gè)或更多的樣本域36可以包括不同于其他樣本域的配體分子。在一個(gè)實(shí)施例中，所有不同的樣本域36可以包括不同的配體分子。配體可以包括生物聚合物、抗原、抗體、核酸和激素配體中的一個(gè)或更多。在一個(gè)示例中，為了測(cè)量抗體結(jié)合，抗原可以固定在樣本域36上，感測(cè)表面可以暴露至含有關(guān)注的抗體的溶液，結(jié)合繼續(xù)進(jìn)行。
[0033]功能化材料可能由于陣列30中的樣本的高濃度、或者由于將感測(cè)表面34長時(shí)間暴露至樣本溶液而飽和。在功能化材料飽和的情況下，需要重新產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的樣本域36或者感測(cè)表面34以繼續(xù)檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以重新產(chǎn)生感測(cè)表面34來允許檢測(cè)系統(tǒng)被反復(fù)使用，因而減少要求的工作材料，導(dǎo)致成本顯著降低。在一個(gè)示例中，重新產(chǎn)生感測(cè)表面34可以通過適用與之前使用的不同溶液來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)示例中，感測(cè)表面34可以暴露至諸如氫氧化鈉的底液中，或者暴露至諸如具有PH2.0的甘氨酸氯化氫緩沖液的酸性溶液中，以重新產(chǎn)生感測(cè)表面。重新產(chǎn)生配體大幅降低了傳感器部件的成本。在一個(gè)實(shí)施例中，重新產(chǎn)生配體使得能夠檢測(cè)不同的樣本溶液。在該實(shí)施例中，在檢測(cè)樣本域中的現(xiàn)有樣本溶液之后，并在提供樣本域中的下個(gè)樣本溶液之前，重新產(chǎn)生配體。
[0034]在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)微流體設(shè)備的流動(dòng)池(flow cell，未示出)可以可操作地耦合至感測(cè)表面34，以向感測(cè)表面34上的一個(gè)或更多的樣本域36提供樣本32。每個(gè)流動(dòng)池可以對(duì)應(yīng)于感測(cè)表面34上的一個(gè)或更多的樣本域36。每個(gè)流動(dòng)池可以包括至少一個(gè)流體通道。
[0035]在實(shí)施例中，當(dāng)不同的樣本域36可以包括不同的配體分子時(shí)，不同的樣本域36可以對(duì)準(zhǔn)具有對(duì)應(yīng)的配體分子的對(duì)應(yīng)的流體通道。在實(shí)施例中，當(dāng)參考樣本包括分離樣本溶液時(shí)，微流體設(shè)備可以配置成提供參考樣本。備選地，參考樣本可以分開提供，而不使用多個(gè)流動(dòng)池。例如，每個(gè)流體通道可以對(duì)準(zhǔn)特定樣本域28，使得一個(gè)或更多的流體通道可以對(duì)準(zhǔn)參考域。在實(shí)施例中，當(dāng)對(duì)應(yīng)于參考樣本的樣本域其自身配置成用作參考樣本時(shí)，微流體設(shè)備可以不包括對(duì)應(yīng)于參考域的流體通道。
[0036]盡管未示出，但可以提供定義器(definer)組件來定義樣本域36的幾何形狀和數(shù)量。另外，樣本域36與其中間區(qū)域的對(duì)比度可以由定義器組件確定。在某些實(shí)施例中，定義器組件可以設(shè)置在感測(cè)表面34的選擇的區(qū)域中。例如，定義器組件可以設(shè)置在圍繞樣本域36的區(qū)域中。具有定義器組件的區(qū)域可以不包括樣本。在SPR檢測(cè)與成像的情況下，定義器組件可以被用于創(chuàng)建在SPR傳感器表面積(樣本域36)中發(fā)生的表面等離子體共振外的對(duì)比度。配置單獨(dú)傳感器域周圍的定義器組件和單獨(dú)樣本域，以便定義器組件的反射率不同于單獨(dú)樣本域的反射率。
[0037]簡單而言，定義器組件可以是適當(dāng)材料的經(jīng)構(gòu)圖的膜。定義器組件可以包含光吸收材料。用于定義器組件的適當(dāng)?shù)牟牧峡梢园馕战饘佟⒒蛘甙雽?dǎo)體、或者諸如光致抗蝕劑聚合物的聚合物的層。在一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)表面34上的樣本域36可以由定義器組件定義。配合感測(cè)表面34的定義器組件可以定義感測(cè)表面34上的樣本域36。例如，定義器組件可以在感測(cè)表面34上形成連續(xù)提高的構(gòu)造，由這些提高的構(gòu)造封閉的面積可以被定義為樣本域36。定位并調(diào)節(jié)樣本32的2D陣列30可以通過選擇定義器組件的適當(dāng)構(gòu)圖的膜來完成。創(chuàng)建對(duì)比度能使樣本域容易地與非樣本域面積區(qū)分開。除了區(qū)分樣本域36的面積與非樣本域的面積，定義器組件還可以最小化或防止鄰近樣本域36之間、或者樣本域36與感測(cè)表面34之間的污染。例如，定義器組件可以在垂直于基板的方向，在樣本域上方形成提高部。在水基樣本溶液的情況下，期望定義器組件為疏水性或者被疏水化，以便水溶液良好地含在樣本域36內(nèi)，而不存在與鄰近樣本32交叉污染的可能性。
[0038]除了或者代替定義器組件，濾波組件(未示出)可以被用于濾掉或吸收未從樣本域36反射的任何光。例如，濾波組件可以阻斷從圍繞樣本域36的面積反射的光(例如通過將光吸收)。阻斷不期望的光會(huì)減小檢測(cè)器的負(fù)載，并通過減小噪聲增強(qiáng)設(shè)備的性能。濾波組件可以設(shè)置在樣本臂中的任何位置。在一個(gè)實(shí)施例中，濾波組件可以設(shè)置得比感測(cè)表面34更接近檢測(cè)器66。在另一個(gè)實(shí)施例中，濾波組件可以設(shè)置在感測(cè)表面34上。在一個(gè)實(shí)施例中，濾波組件可以由與定義器組件相同的材料制成。濾波組件可以具有與定義器組件類似的形狀/圖案。在一個(gè)實(shí)施例中，濾波組件和定義器組件可以集成，以形成一個(gè)構(gòu)造。在該實(shí)施例中，集成構(gòu)造可以由光吸收材料制成。
[0039]輻射源12提供指向感測(cè)表面34上的樣本陣列30并與樣本32相互作用的樣本束40。樣本束的尺寸可以足夠大到覆蓋樣本陣列30。備選地，束40可以指向多點(diǎn)光產(chǎn)生器光學(xué)系統(tǒng)，以生成兩個(gè)或更多空間展開的離散點(diǎn)。在一個(gè)示例中，空間展開的離散點(diǎn)入射到2D陣列的樣本上。在一個(gè)示例中，每個(gè)空間展開的離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)于來自樣本32的陣列的樣本。
[0040]盡管未示出，但光學(xué)引擎16還可以包含其他光學(xué)元件，諸如透鏡、濾波器、準(zhǔn)直器等。例如，透鏡每個(gè)可以設(shè)置在參考臂中，樣本臂將輻射指向檢測(cè)器。[0041]通過附圖標(biāo)記60總體標(biāo)注的結(jié)果樣本輻射可以是反射輻射或者透射輻射。
[0042]在某些實(shí)施例中，可以使用相位差產(chǎn)生器62將相位差導(dǎo)入入射輻射14或者結(jié)果輻射60。路徑長度差可以轉(zhuǎn)為干涉光譜中的相位差。來自各種可檢測(cè)樣本的結(jié)果輻射60與來自參考樣本的結(jié)果輻射干涉，并生成干涉光譜。導(dǎo)入相位差提供了條件，在該條件下，來自參考樣本和可檢測(cè)樣本的結(jié)果束之間可能發(fā)生干涉，使從感測(cè)表面34出現(xiàn)的束的強(qiáng)度變化。導(dǎo)入入射輻射14或者結(jié)果輻射60中的相位差可以存在于干涉光譜中。在檢測(cè)器66接收的束的強(qiáng)度可能依賴于可檢測(cè)樣本和參考樣本中束的路徑長度的差異。
[0043]相位差產(chǎn)生器62可以導(dǎo)入入射輻射14中的入射樣本小波束與參考小束波之間的相位差。在某些其他實(shí)施例中，相位差產(chǎn)生器62可以導(dǎo)入從參考樣本與可檢測(cè)樣本反射的結(jié)果小束波之間的相位差。在這些實(shí)施例中，結(jié)果輻射60在到達(dá)檢測(cè)器66之前，可能通過相位差產(chǎn)生器62。在參考樣本與可檢測(cè)樣本之間獲得的相位差可以被用于相對(duì)于與這些樣本位置對(duì)應(yīng)的樣本的光譜特性，將各種樣本位置進(jìn)行空間分離。在一個(gè)示例中，各種樣本位置的光譜特性可以使用傅里葉變換來重構(gòu)。
[0044]相位差可以在第一方向?qū)?，成像可以在不同于第一方向的第二方向進(jìn)行。在不同于導(dǎo)入了相位差的方向進(jìn)行成像會(huì)在第一和第二方向(例如χ和y方向)兩者對(duì)樣本32解析。在一個(gè)示例中，相位差產(chǎn)生器62可以在χ方向?qū)胂辔徊睿上窨梢栽趛方向完成。在該示例中，相位差產(chǎn)生器62便于沿著χ方向?qū)颖?2解析，檢測(cè)器對(duì)沿著y方向設(shè)置的樣本32進(jìn)行解析并空間分離。
[0045]除了由相位差產(chǎn)生器62導(dǎo)致的相移外，在樣本域36中設(shè)置的樣本32還可以有助于結(jié)果樣本輻射中的相移。由樣本32生成的相移可以是由相移產(chǎn)生器62生成的相移的小部分。由樣本32貢獻(xiàn)的小相移分量可以使干涉圖案中的對(duì)應(yīng)的條紋位移。條紋的位移對(duì)應(yīng)于在該樣本域36的樣本32的性質(zhì)。由樣本32導(dǎo)致的結(jié)果輻射中的額外的位移可能對(duì)于確定樣本32的化學(xué)或者光學(xué)性質(zhì)是有用的。
[0046]對(duì)例如2D陣列樣本的樣本32的位置的成像可以通過使用諸如但是不限于傅里葉變換的信號(hào)處理算法，重構(gòu)樣本32的吸收光譜來獲得。關(guān)于參考樣本的位置的信息可以提供給檢測(cè)器66。包括樣本的結(jié)果輻射60和參考結(jié)果輻射可以由檢測(cè)器66分開識(shí)別。在某些實(shí)施例中，樣本32可以被單次成像。傅里葉變換可以被用于從獲取的光譜確定空間分離的點(diǎn)(樣本32)，而不移動(dòng)任何機(jī)械部分或者參考束，因而改善成像速度。
[0047]結(jié)果參考與樣本輻射60之間的干涉光譜可以使用成像光譜儀64分析并成像。成像光譜儀64可以包含光譜分離檢測(cè)器66和光柵68。光譜分離檢測(cè)器66可以是2D檢測(cè)器。使用檢測(cè)器66和光柵68來分離干涉光譜中的光譜頻率。檢測(cè)器66檢測(cè)從樣本32的2D陣列反射的光的光學(xué)性質(zhì)的改變。檢測(cè)器66可以檢測(cè)樣本中的分析物濃度、或者化學(xué)或者生物成分。
[0048]成像光譜儀64可以可操作地耦合至測(cè)量由檢測(cè)器66獲取的干涉光譜的信號(hào)處理單元70。在SPR檢測(cè)與成像的情況下，可以通過維持入射角恒定，并測(cè)量作為波長的函數(shù)的SPR效果，來使用共振的波長靈敏度。反射光譜由于SPR效果，在可見光至紅外線波長中展現(xiàn)明顯最小值。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)由于在樣本-金屬膜界面折射率的改變，吸收樣本分子到金屬表面上時(shí)，反射最小值的位置在波長中位移。檢測(cè)系統(tǒng)可以被用于研究從氣相以及從液體溶液在化學(xué)改性金屬表面上的吸收。尤其是，可以原樣用檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控從水溶液吸收生物分子，諸如DNA、蛋白質(zhì)、抗體和酶。有利地，本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)提供波長穩(wěn)定性和測(cè)量的可重復(fù)性、快速數(shù)據(jù)獲取率和高信噪輸出、以及擴(kuò)大的光譜范圍。
[0049]成像光譜儀64可以耦合至可以形成信號(hào)處理單元70的一部分的檢測(cè)電路。在一個(gè)示例中，檢測(cè)電路可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。另外，檢測(cè)電路可以放大從成像光譜儀64接收的信號(hào)。檢測(cè)電路可以包含的組件諸如但是不限于數(shù)據(jù)處理器，該數(shù)據(jù)處理器用于從諸如光譜儀的檢測(cè)器66接收干涉圖案的測(cè)量，并用于對(duì)其進(jìn)行分析，其中，分析包括確定干涉光譜的參數(shù)。該參數(shù)的非限制性示例可以包含頻率、相位、和干涉條紋的強(qiáng)度。
[0050]檢測(cè)器66可以是光檢測(cè)器、光譜儀、或者電荷耦合設(shè)備(CXD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、光電二極管(諸如雪崩光電二極管)、固態(tài)光電倍增管(PMT)、圖像接收器、或者用于在選擇的波長范圍測(cè)量從樣本反射的光的照相機(jī)。在實(shí)施例中，當(dāng)檢測(cè)器66是CCD或者照相機(jī)時(shí)，檢測(cè)器66可以記錄從樣本反射光的光譜。對(duì)于感測(cè)表面34上的每個(gè)樣本32，在2D光譜儀中有對(duì)應(yīng)的列或者行，以測(cè)量感測(cè)表面34上的對(duì)應(yīng)樣本的干涉光譜。如果成像在感測(cè)表面34上在y方向(例如列的方向)完成，那么列中的不同樣本被單獨(dú)識(shí)別。然而，對(duì)于設(shè)置在χ方向(例如行方向)的樣本32，通過使用相位差產(chǎn)生器62導(dǎo)入相位差，行中的不同樣本被分開識(shí)別。在使用傅里葉變換的成像之后，樣本的2D陣列中的樣本32被檢測(cè)器單獨(dú)識(shí)別。
[0051]計(jì)算機(jī)(未示出)可以被用于處理并顯示信號(hào)，可以形成信號(hào)處理單元70的一部分。計(jì)算機(jī)可以被用于產(chǎn)生各種定量和定性測(cè)量。例如，在定量測(cè)量中，橫坐標(biāo)可以代表時(shí)間，縱坐標(biāo)可以代表分析物的濃度的百分比。此外，計(jì)算機(jī)可以具有光譜庫，該光譜庫存儲(chǔ)關(guān)于各種元素或化學(xué)化合物的光譜特性的信息。該光譜庫可以被用于通過將從未知的樣本接收的光譜信息與保留在庫中的光譜模式比較來識(shí)別未知的樣本，并可以通過比較做出對(duì)未知物質(zhì)的識(shí)別。
[0052]在一個(gè)實(shí)施例中，圖像穩(wěn)定單元(未示出)可以耦合至光學(xué)引擎16，用于通過計(jì)數(shù)、減小或者消除環(huán)境噪聲來穩(wěn)定圖像。例如，使空腔溫度穩(wěn)定或者條紋鎖定(fringelocking)可以減小或最小化系統(tǒng)性噪聲、比如溫度噪聲或者機(jī)械噪聲。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間積分或者平均來改善SNR。SNR還可以通過將感測(cè)表面溫度穩(wěn)定來改善。
[0053]檢測(cè)與成像系統(tǒng)可以被用于不同檢測(cè)技術(shù)，以對(duì)于ID或者2D陣列的樣本獲得單次/同時(shí)檢測(cè)?？梢愿鶕?jù)不同應(yīng)用將感測(cè)表面改性。另外，可以基于應(yīng)用改變其他布置、諸如照相機(jī)與檢測(cè)器的相對(duì)位置。
[0054]在某些實(shí)施例中，SPR成像系統(tǒng)被提供用來同時(shí)檢測(cè)與成像兩個(gè)或更多的樣本。例如，SPR成像系統(tǒng)可以被用于檢測(cè)一個(gè)或更多的分析物、諸如生物分子的濃度，或者分析物溶液中一個(gè)或更多的分析物的結(jié)合率和/或解離率。在某些實(shí)施例中，樣本陣列可以被提供用來同時(shí)檢測(cè)溶液中兩個(gè)或更多不同分析物的濃度、或者來自兩個(gè)或更多不同分析物溶液的單個(gè)分析物的濃度。多分析物格式還可以被用于檢測(cè)溶液中分析物的反應(yīng)速率。在一個(gè)實(shí)施例中，SPR成像系統(tǒng)包括寬帶光源。在該實(shí)施例中，不同波長的SPR曲線可以對(duì)于樣本陣列以單次成像測(cè)量。
[0055]圖3示出用于對(duì)樣本陣列(例如樣本的2D陣列)SPR檢測(cè)與成像的SPR成像系統(tǒng)80的示例。系統(tǒng)80包括用于發(fā)射寬帶輻射的寬帶光源82。輻射源82使用光纖86光學(xué)耦合至準(zhǔn)直器84。來自準(zhǔn)直器84的準(zhǔn)直的輻射或者樣本輻射93使用反射鏡88指向SPR感測(cè)表面90。在一個(gè)實(shí)施例中，SPR感測(cè)表面90可以由涂有一個(gè)或更多的薄金屬膜的棱鏡91制成。感測(cè)表面90可以包括樣本域的陣列。樣本域的陣列可以被用于設(shè)置包含一個(gè)或更多的參考樣本的多個(gè)樣本。在棱鏡91中經(jīng)歷內(nèi)部反射的入射輻射93被薄金屬膜反射，并反射到感測(cè)表面90上的樣本域外。薄膜可以包括金屬，諸如但是不限于金、銀或者銅。棱鏡91可以由玻璃制成，不過還可以使用對(duì)于將入射束93內(nèi)部反射并透射結(jié)果反射的SPR束95具有適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)性質(zhì)的各種其他材料。
[0056]在一個(gè)實(shí)施例中，定義器組件和SPR現(xiàn)象所需的金屬的材料可以選擇性設(shè)置在或者構(gòu)圖在感測(cè)表面90上。即，配置成接收樣本的感測(cè)表面90的某些部分可以包含金，而其他部分可以不包含金，但是可以包含定義器組件的材料。
[0057]在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用相位差產(chǎn)生器92在入射輻射93中感應(yīng)出相位差。來自各種樣本的結(jié)果輻射95與來自參考樣本的結(jié)果輻射干涉，生成干涉光譜94。干涉光譜94被成像光譜儀96獲取。光譜儀96包括檢測(cè)器98、光柵100和諸如柱面透鏡102的一個(gè)或更多的光學(xué)元件。干涉束94通過柱面透鏡102，由單色儀124接收。在示出的實(shí)施例中，單色儀106包括柱面鏡108和光柵100。從單色儀106反射的光被檢測(cè)器98接收。
[0058]干涉束94通過可以將干涉光譜分離并衍射為不同波長的光的光柵100。不同波長的光然后入射到檢測(cè)器98上。
[0059]SPR成像系統(tǒng)80可以包含其中具有出束口的大體封閉的外殼，以將束對(duì)準(zhǔn)成像光譜儀96。寬帶光源可以設(shè)置在外殼內(nèi)，檢測(cè)器可以設(shè)置在外殼外。
[0060]如圖4所示，SPR中的感測(cè)表面112可以配置用于自由溶液(無標(biāo)記)SPR。樣本域114可以是封閉體積(例如通道、空腔)，該封閉體積包括一個(gè)或更多的功能化制劑，諸如但是不限于配體分子。樣本域114中的一個(gè)可以配置成接收樣本溶液，或者充當(dāng)參考樣本。
[0061]如圖5所示，SPR中的感測(cè)表面120可以配置用于定域的SPR(LSPR)。樣本域122可以包括至少設(shè)置在樣本域的一部分的導(dǎo)電構(gòu)造124。樣本域122中的一個(gè)可以配置成接收樣本溶液，或者充當(dāng)參考樣本。備選地，能夠存在以實(shí)現(xiàn)SPR現(xiàn)象的諸如但是不限于金或者銀的薄金屬膜可以被構(gòu)圖/組織化，以形成導(dǎo)電構(gòu)造。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用經(jīng)構(gòu)圖的膜。
[0062]LSPR的共振條件可依賴于導(dǎo)電構(gòu)造124周圍的折射率和介電常數(shù)。入射輻射與導(dǎo)電構(gòu)造124的表面上的定域的等離子體相互作用?？梢酝ㄟ^測(cè)量結(jié)果投影至樣本域并經(jīng)由樣本域的導(dǎo)電構(gòu)造傳輸?shù)母缮婀庾V的改變，來檢測(cè)共振條件的改變。在一個(gè)示例中，生物反應(yīng)可使導(dǎo)電構(gòu)造124的介電常數(shù)改變，可以利用該改變用于檢測(cè)。在另一個(gè)示例中，可以使用LSPR檢測(cè)圍繞導(dǎo)電構(gòu)造發(fā)生的抗原-抗體反應(yīng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以在薄金屬膜上設(shè)置隔離的顆粒。導(dǎo)電構(gòu)造的非限制性示例可以包含銀顆粒。顆?？梢允羌{米粒子或微米粒子。
[0063]圖6示出包括透射基板132 (諸如玻璃基板)的納米光柵SPR布置。布置包括設(shè)置在透射基板132上的光柵構(gòu)造136。光柵構(gòu)造136可以以構(gòu)圖膜的形式存在。樣本溶液可以設(shè)置在存在于由基板132和光柵構(gòu)造136形成的感測(cè)表面的樣本域138中，以產(chǎn)生SPR現(xiàn)象。樣本域138中的一個(gè)可以配置成接收樣本溶液，或者充當(dāng)參考樣本。檢測(cè)膜134的非限制性示例可以包括金膜、銀膜、銅膜、或者其組合。在一個(gè)示例中，光柵構(gòu)造可以包括設(shè)置在銀膜的金膜。光柵構(gòu)造136可以包含但是不限于金、銀、銅、或者其組合。光柵構(gòu)造136可以是周期性金屬光柵構(gòu)造。在一個(gè)實(shí)施例中，光柵構(gòu)造136在光柵之間可以包括50至500nm的間距。光柵構(gòu)造136可以使用如下制造技術(shù)制造，該制造技術(shù)諸如但是不限于納米壓印技術(shù)、電子束光刻、紫外光刻、干涉光刻、或者配置成實(shí)現(xiàn)納米度量構(gòu)造的其他納米技術(shù)。
[0064]對(duì)于表面等離子體共振的波長的位移可以被用于檢測(cè)生化分子，并由此實(shí)現(xiàn)低成本、小型和便攜平面SPR檢測(cè)器。有利地，納米光柵SPR可以便于實(shí)現(xiàn)低成本、小型和便攜平面表面等離子體共振檢測(cè)器。
[0065]盡管主要參考了 SPR技術(shù)討論了方法和系統(tǒng)，但在一個(gè)實(shí)施例中，該技術(shù)可以適用于反射干涉分光法(RIfS)來分析樣本的2D陣列。在該實(shí)施例中，相位差產(chǎn)生器可以設(shè)置在結(jié)果樣本束或者參考束的束路徑中，這是基于在薄膜的寬帶光的干涉的物理方法，其可以被用于調(diào)查分子相互作用。RIfS與SPR同樣，是無標(biāo)記技術(shù)，其允許對(duì)結(jié)合伙伴之間的相互作用進(jìn)行時(shí)間分辨觀察，而不使用熒光或者放射性的標(biāo)記。
[0066]圖7示出當(dāng)自參考系統(tǒng)采用RIfS設(shè)備150的示例。設(shè)備150包括具有樣本域155的感測(cè)表面154。感測(cè)表面154可以包括設(shè)置在透射基板158的多層構(gòu)造156。在一個(gè)示例中，多層構(gòu)造156包括多個(gè)層。多個(gè)層的各種層可以包括二氧化硅層、高折射率層(諸如但是不限于氧化鉭層)。入射到樣本上的束可以在多層構(gòu)造156的兩個(gè)相鄰的層之間形成的相界至少部分反射并透射。從各種樣本反射的束可以疊加，導(dǎo)致干涉光譜。一個(gè)或更多的樣本可以配置成充當(dāng)參考樣本。在一個(gè)實(shí)施例中，多層構(gòu)造156的一個(gè)或更多的層可以使用功能劑160功能化，以便于該層的一部分與目標(biāo)分子相互作用。功能化的層與目標(biāo)分子的相互作用可能對(duì)功能化的層的厚度和折射率提供改變。光學(xué)厚度是物理厚度和折射率的積，光學(xué)厚度(路徑長度)可以通過改變?cè)搶拥奈锢砗穸群驼凵渎蕘砀淖?。多個(gè)層中的一個(gè)或更多的層的光學(xué)厚度的改變可能導(dǎo)致干涉光譜的調(diào)制。監(jiān)控干涉光譜隨著時(shí)間的調(diào)制可以被用于觀察目標(biāo)分子的結(jié)合行為。
[0067]在圖3-7中示出的布置可以被用于圖1和2的光學(xué)引擎16，以提供自參考檢測(cè)與成像系統(tǒng)。在這些實(shí)施例中，感測(cè)表面上的一個(gè)或更多的樣本可以是參考樣本。相位差可以在第一方向?qū)?，該第一方向不同于在第一方向?qū)颖竟庾V分離的成像方向。
[0068]圖8示出用于同時(shí)自參考檢測(cè)樣本陣列的方法的示例。該方法可以用于對(duì)樣本陣列中的樣本重構(gòu)光譜特性的圖像。在步驟170中，用入射輻射照射樣本陣列中的樣本。入射輻射可以由單個(gè)源、諸如寬帶光源提供。來自樣本的結(jié)果樣本束可以是反射或者透射束。在步驟172中，可以在第一方向?qū)霕颖娟嚵兄械穆窂讲町??？梢栽趨⒖际c樣本束之間的束路徑導(dǎo)入路徑差異。路徑差異可以在垂直于光譜儀的光柵的刻劃方向的方向?qū)?。假定穿過行中的樣本的方向是第一方向，該第一方向也是垂直于光柵的刻劃方向的方向?？梢栽O(shè)置相位差產(chǎn)生器，使得相位差產(chǎn)生器的部分具有平行于第一方向的不同路徑。通過這樣，設(shè)置在特定行中的樣本將具有在其對(duì)應(yīng)的入射束或者結(jié)果反射的束中感應(yīng)的路徑長度差?？梢酝ㄟ^樣本束與參考束的干涉來形成干涉光譜。在步驟174中，可以獲取干涉光譜。干涉光譜可以由檢測(cè)器接收。通過在由檢測(cè)器接收光譜前經(jīng)由光柵傳遞干涉光譜，可以在干涉光譜中生成光譜差異。在一個(gè)示例中，可以使用2D檢測(cè)器來光譜解析特定列的樣本。步驟176-186說明用于從獲取的干涉光譜重構(gòu)樣本的光譜特性的方法步驟。在步驟176中，可以使用信號(hào)處理算法來重構(gòu)陣列的圖像。在一個(gè)示例中，可以使用接收的干涉光譜的傅里葉逆變換來重構(gòu)陣列的圖像?？梢杂?jì)算傅里葉逆變換來重構(gòu)樣本位置(如附圖標(biāo)記178所示)。有利地，使用感應(yīng)的路徑長度差，在重構(gòu)的圖像中陣列中的不同樣本是可分開識(shí)別的。
[0069]在步驟180中，可以在重構(gòu)的圖像上執(zhí)行濾波，以分離單獨(dú)樣本位置。單獨(dú)樣本位置可以根據(jù)由單獨(dú)樣本使用的頻率而濾波。在一個(gè)實(shí)施例中，如附圖標(biāo)記182所示的窗口技術(shù)可以被用于分離單獨(dú)樣本點(diǎn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以使用時(shí)頻分析來分析數(shù)據(jù)，以確定不同樣本點(diǎn)的光譜和/或內(nèi)容。在步驟184中，可以檢索每個(gè)樣本的吸收光譜。在一個(gè)實(shí)施例中，可以適用傅里葉變換來檢索對(duì)應(yīng)于樣本的不同空間位置的頻率。在步驟186中，頻率可以轉(zhuǎn)換為波長，以確定吸收(例如SPR下陷(SPR dip))、或者透射的量。
[0070]圖9-11示出對(duì)于感測(cè)表面上的三個(gè)點(diǎn)的圖像重構(gòu)的仿真結(jié)果。假定在第一點(diǎn)和第二點(diǎn)的樣本分別在675nm和705nm具有SPR現(xiàn)象。進(jìn)一步假定第三點(diǎn)是在715nm具有SPR的緩沖。第一點(diǎn)與第二點(diǎn)的距離為0.0678mm，第一點(diǎn)與第三點(diǎn)的距離為0.135mm。圖9示出對(duì)于三個(gè)點(diǎn)的吸收系數(shù)的高斯分布，曲線194代表對(duì)于第一點(diǎn)的高斯分布，曲線196代表對(duì)于第二點(diǎn)的高斯分布，曲線198代表對(duì)于作為緩沖的第三點(diǎn)的高斯分布。三個(gè)曲線示出在SPR波長下的下陷。即，對(duì)于第一點(diǎn)(曲線194)，SPR下陷在675nm;對(duì)于第二點(diǎn)(曲線196)，SPR下陷在705nm ;對(duì)于第三點(diǎn)(曲線198)，SPR下陷在715nm。使用數(shù)值的仿真和信號(hào)處理方法，確定在樣本或點(diǎn)之間的檢索的空間距離。
[0071]圖10示出分別對(duì)應(yīng)于第一、第二和第三點(diǎn)的曲線200、202和204。三個(gè)虛線矩形206,208和210代表計(jì)算了傅里葉逆變換的SPR曲線194、196和198(參見圖8)中的區(qū)域。通過計(jì)算傅里葉逆變換，檢索對(duì)于三個(gè)點(diǎn)的空間位置。在一個(gè)實(shí)施例中，可以執(zhí)行窗口技術(shù)來分離空間位置。
[0072]圖11示出對(duì)于三個(gè)點(diǎn)的檢索的SPR。一旦三個(gè)點(diǎn)被隔離(如圖8所示)，執(zhí)行傅里葉變換來檢索對(duì)應(yīng)于三個(gè)空間位置的頻率。這些頻率接下來被轉(zhuǎn)換為波長，用以確定SPR下陷。在示出的實(shí)施例中，示出分別對(duì)應(yīng)于感測(cè)表面上的第一、第二和第三點(diǎn)的檢索的SPR曲線212、214和216，與原始的SPR曲線194、196和198比較。在處理中，可以完成數(shù)據(jù)的重新采樣，以移除數(shù)據(jù)中的非線性。
[0073]該系統(tǒng)和方法可以被用于各種應(yīng)用，例如分子生物學(xué)和醫(yī)療診斷中，其中需要確定生物活性分子的至其對(duì)應(yīng)的結(jié)合伙伴特定結(jié)合，例如DNA、蛋白質(zhì)?；谔囟ǚ肿咏Y(jié)合事件的電檢測(cè)，親和傳感器可以被用于監(jiān)控例如最多樣的樣本中的分子、病毒、細(xì)菌和細(xì)胞，諸如臨床樣本、食物樣本和諸如植物的環(huán)境樣本，由此該監(jiān)控以時(shí)間效率的方式執(zhí)行。系統(tǒng)和方法可以被用于的領(lǐng)域有分子檢測(cè)和生物分子的濃度分析、生化反應(yīng)的動(dòng)能和平衡分析、發(fā)酵處理的控制、配體細(xì)胞相互作用的評(píng)價(jià)、臨床分析、和細(xì)胞降級(jí)。在親和性和動(dòng)能兩個(gè)方面，系統(tǒng)和方法可以被用于確定活性濃度、篩查、和表征。不像突光和光學(xué)發(fā)光方法，在SPR中不需要染料標(biāo)記的樣本,也不需要抗體來測(cè)試蛋白質(zhì)。
[0074]本文公開的系統(tǒng)和方法不要求重復(fù)用于多個(gè)樣本的每個(gè)樣本的方法步驟，配置成同時(shí)檢測(cè)(與成像)樣本陣列中的多個(gè)樣本。方法不要求用于同時(shí)檢測(cè)多個(gè)樣本的系統(tǒng)的部分的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)便于延長儀器的壽命，并給系統(tǒng)提供對(duì)機(jī)械振動(dòng)的相對(duì)免疫，該機(jī)械振動(dòng)由移動(dòng)儀器或者儀器部件導(dǎo)致。此外，自參考便于對(duì)于樣本和參考使用公共路徑，而不是對(duì)于樣本和參考的兩個(gè)分離路徑。自參考樣本使用設(shè)置在感測(cè)表面上的一個(gè)或更多的樣本，使得系統(tǒng)不容易振動(dòng)，該振動(dòng)可能還影響采用分離的樣本和參考路徑的系統(tǒng)。在干涉儀中具有I個(gè)路徑而不是兩個(gè)提供了不太復(fù)雜且更耐用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并將束未對(duì)準(zhǔn)最小化。
[0075]用于樣本陣列的大量的SPR曲線可以在單次成像。對(duì)2D SPR的傅里葉變換方法提供了增強(qiáng)的信噪輸出、可重復(fù)性和空間分辨率。同時(shí)處理單個(gè)幀中的多個(gè)樣本(多個(gè)點(diǎn))允許更高的幀率，因而改善了信噪比。有利地，監(jiān)控或者檢測(cè)可以實(shí)時(shí)執(zhí)行。說明并要求的方法可以被用于分析任何結(jié)合反應(yīng)，包含但是不限于涉及生物分子的結(jié)合反應(yīng)。對(duì)于抗體結(jié)合親和性測(cè)量而言，抗原典型地被固定在感測(cè)表面上。感測(cè)表面暴露至含有關(guān)注的抗體的溶液，結(jié)合繼續(xù)進(jìn)行。一旦發(fā)生了結(jié)合，感測(cè)表面被暴露至(例如最初沒有游離抗體的)緩沖溶液，并連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控解離率。
[0076]雖然已示出并說明了本發(fā)明的僅僅某些特征，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到很多變化和改變。因此，要理解的是添附的權(quán)利要求旨在覆蓋落入本發(fā)明范圍的所有該變化和改變。
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測(cè)具有可檢測(cè)樣本和至少一個(gè)參考樣本的樣本陣列的系統(tǒng)，包括: 電磁輻射源； 感測(cè)表面，包括多個(gè)樣本域，其中，所述多個(gè)樣本域包括至少一個(gè)參考域； 相位差產(chǎn)生器，配置成導(dǎo)入所述樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本的路徑長度的差異；以及 成像光譜儀，配置成對(duì)所述樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本進(jìn)行成像。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述參考域包括所述參考樣本。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述參考樣本包括確定的光譜吸收。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述參考樣本包括具有高于或者低于可檢測(cè)范圍的折射率的材料。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述參考域包括一個(gè)或更多的層或者金屬的涂層或者電介質(zhì)材料。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述檢測(cè)系統(tǒng)包括用于所述可檢測(cè)樣本和參考樣本的公共光路。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述感測(cè)表面包括多個(gè)參考域。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述樣本陣列包括一個(gè)或更多的行和列，所述樣本陣列的每行或每列包括對(duì)應(yīng)的參考樣本。
9.一種用于對(duì)樣本陣列進(jìn)行檢測(cè)與成像的系統(tǒng)，包括: 寬帶光源，配置成照射所述樣本陣列； 光學(xué)引擎，包括: 表面等離子體共振(SPR)感測(cè)表面，具有樣本域和至少一個(gè)參考域； 相位差產(chǎn)生器，配置成導(dǎo)入所述樣本陣列中的一個(gè)或更多的樣本的路徑長度的差異； 圖像獲取單元，配置成獲取圖像數(shù)據(jù)；以及 信號(hào)處理單元，配置成處理所獲取的圖像數(shù)據(jù)。
10.一種用于對(duì)陣列中的樣本進(jìn)行成像的方法，包括: 提供入射輻射； 用所述入射輻射照射所述樣本陣列中的樣本，以生成結(jié)果束，其中，所述樣本陣列包括參考樣本； 導(dǎo)入所述樣本陣列的一個(gè)或更多的樣本中的路徑差異； 使結(jié)果樣本束與結(jié)果參考束進(jìn)行干涉，以形成干涉光譜； 獲取所述干涉光譜；以及 重構(gòu)所述一個(gè)或更多的樣本的光譜特性。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK103842799SQ201280047609
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月30日
【發(fā)明者】M.山田, S.邁蒂, S.D.瓦爾塔克, R.蘭戈祖, A.帕蒂爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司