[发明专利]使用道威棱镜的高分辨率表面等离子体共振仪器

说明书

技术领域

本发明涉及表面等离子体共振(SPR)仪器。

背景技术

SPR感测已成为广泛应用的、用于生物分子交互作用的测量、蛋白质的量化、和DNA的测量的技术。简要地说，SPR依赖于在薄金属膜与介电材料之间的界面处存在的电荷密度振荡(charge-density oscillation)的光激发。当光在与表面等离子体(SP)的波矢量匹配的波长-角度耦合下处于全内反射时实现共振条件。多种光学构造可能激发SP。

一种普遍的构造采用单色光来调节与SP共振的角度，通常被称为克莱舒曼(Kretschmann)构造。许多商业上成功的SPR仪器是基于这种克莱舒曼光学构造的。然而，此技术有在生物医学应用中使用受限的缺点：这种SPR仪器通常实施起来昂贵，由于光路的尺寸限制，它们不能布署在现场中，并且它们与生物学样本不兼容。因此，尽管克莱舒曼SPR仪器的普遍性，但是仍有需要开发一种将高分辨率的角度调节构造与便宜且便携的仪器的优点相结合的SPR仪器。

作为角度调节SPR构造的替代，人们已对基于不同构造的SPR仪器做了研究。在它们之中，一种使用光纤作为感测元件的SPR仪器是成本有效的、对研究级仪器的替代；它们是便携式的且能适用于各种应用，例如盐度(salinity)传感器、用于伤口愈合的生物传感器、用于心脏病标志物(cardiac marker)的生物传感器、和用于葡萄球菌肠毒素B(staphylococcal enterotoxin B)的生物传感器。利用位于光纤的尖端(tip)的微棱镜的近红外激发能改善光纤SPR的灵敏度(sensitivity)。然而，利用光纤SPR实现的分辨率受到实现光纤SPR所要求的光纤的数值孔径(NA)的限制。大数值孔径(NA＝0.39)光纤用于传播SPR-有效的(SPR-active)波长-角度耦合。然而，由于大量的波长-角度耦合在光纤中传播并且与SPR表面进入共振，所以SPR光谱变宽从而导致此构造的有限的分辨率特性。为最小化此影像，低数值孔径(NA＝0.12)光纤可以更改成在光纤远端处具有微棱镜来改善SPR光谱和增大折射率的可达范围。使用该光纤SPR构造，分辨率限制在近似1.4×10^-6RIU(折射率单元)。光纤的数值孔径的进一步减小能实现与角度调节SPR构造相似的分辨率(近似5×10^-7RIU)。然而，当前的制造技术无法实现这样的低数值孔径。

一种对于角度调节SPR或光纤SPR的替代是采用多波长激发。此构造组合了光纤SPR仪器与角度调节SPR的元件。在多波长激发方案(scheme)中，来自激发光纤的准直白光以单角度反射，并且对所反射的光利用使用采集光纤的分光光度计进行分析。除了其它因素以外，多波长SPR的分辨率受到分光光度计的光谱分辨率的限制，所述分光光度计的光谱分辨率是光栅密度(grating density)的函数。具有高光谱分辨率的小型分光光度计的最近发展有可能使得能够以较小的占地面积(footprint)利用SPR以高分辨率实现对折射率的测量。在角度调节SPR构造情况下，分辨率取决于入射角度的扫描(慢测量和复杂机械设置)，或者取决于将棱镜与薄金属膜(例如由Au制得)之间界面处的入射光束聚焦在光电二极管的线性阵列上(为实现高分辨率而需要精确排列和很长的光路)。因而，角度调节SPR构造不适用于SPR仪器的廉价设计和便携性。使多波长SPR仪器的使用受限的当前缺点是，光学元件在激发角度下的精确排列或小感测元件的制造。

对于多分析物的同时检测，日益需要一种多路复用阵列。空间分辨的SPR测量提供一种用于监测在表面上的折射率的局部变化的技术。这样，用于多系统/复制(replicate)的生物分子交互作用的检测可能在空间分辨的感测阵列上进行。SPR成像，也称为SPR显微镜，已应用于生物分子绑定活动(binding event)的高处理能力(throughput)分析。SPR成像方法近来也通过改善分辨率、光学耦合、和蛋白质阵列构成而得以优化。然而，没有SPR测量具有对表面的SPR图像和传统SPR响应进行测量的双重能力。

附图说明

在附图中：

图1是使用道威棱镜的SPR仪器的示意图，其中，激发光纤与采集光纤之间的单轴光路产生占地面积小(small-footprint)的仪器；

图2A是一种自动参考的(auto-referenced)或双通道的SPR仪器的透视图，所述仪器中，来自道威棱镜的光束被分束成s偏振参考光束和p偏振检测光束；而图2B是图2A的SPR仪器的示意俯视图；