[发明专利]基于衰减全反射的光传感器系统和感测方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于衰减全反射(ATR)的光传感器系统，并且更具体地说，涉及基于表面等离子共振的光传感器系统和用于感测的方法。

背景技术

基于表面等离子共振(SPR)的传感器可在市场上购得以用于研究和开发。例如，SPR传感器可从瑞典乌普萨拉的GE Healthcare的BIACORE?仪器产品线购得。这些市场上可购得的仪器使用传感器玻璃芯片，其覆盖有承载固定化化学传感器层的薄金膜，以及用于让样本流体和其他流体在传感器芯片上通过的集成流体盒。经由棱镜和可重复使用的光学接口将楔形光束耦合到传感器芯片，以使某个角度范围的入射光在玻璃/金膜介面处沿着直线在内部反射，从而在玻璃/金介面处产生全内反射(TIR)渐逝场(evanescent field)。在特定波长的唯一性窄角度范围处，此TIR渐逝场将来自入射光线的能量经由金膜传递，并在金膜/传感器层介面处产生表面等离子波共振。表面等离子波生成增强的渐逝电场，其具有进入金表面的样本侧的特征穿透深度，从而样本的折射率决定了SPR角度。光检测器2D阵列对照沿着照射线的一行传感器光点(spot)的入射角度检测反射的光强度分布，以同时产生每个传感器光点的SPR谱。当在光检测器上对这些多个SPR谱成像时，图像具有明带和暗带。传感器测量通过反射光的共振耦合以及作为表面等离子能量进入金膜而在检测器表面上生成的暗带的角度位置。表面等离子共振的角度位置取决于由SPR渐逝场穿透的样本的折射率。反射能量的量也将取决于渐逝场能量的吸收程度，正如样本在选定波长下具有复值折射率的情况。

SPR光谱法的高灵敏度和高分辨率是期望的，尤其是在动力学研究的情况中。在高吞吐量生物分子筛检的领域中，对于SPR光谱和其他ATR光谱方法，高灵敏度也是所期望的。

SPR反射曲线的凹陷或峰(或在一些情况下为多个凹陷或峰)或质心(质量中心)处可检测到的角度(或波长)变化中的灵敏度或分辨率主要受限于全内反射曲线(TIR曲线)的背景光强度的恒定性、漂移和噪声的程度。理想情况下，TIR曲线相对于入射角度是恒定的。但是，实际中，由于反射随入射角度变化以及由于来自光源的辐射分布的原因，发射的光束横跨强度轮廓(profile)，并由此TIR曲线也常常是具有至少一个最大值的高斯型曲线。反射可能因多种原因而变化，例如棱镜(或光栅)与等离子支持金属之间的光耦合中的反射损耗。可以通过适合的软件算法将恒定的背景强度模式归一化。但是，变化的背景图像和/或太大的校正将引入“归一化误差”。无论用于计算凹陷、峰、质心(质量中心)等的算法的类型，ATR谱曲率特征，在高分辨率ATR传感器仪器中都必须将这种“归一化误差”减到最小。对整个检测器阵列上的强度大变化使用归一化导致检测器阵列边缘上较低强度区域中信噪比降低。一般地，检测到的高斯型光源强度分布与数学创建并测量的归一化强度分布之间的差太大。

对于高灵敏度或高分辨率的ATR传感器装置以及尤其是SPR传感器，期望尽可能均匀地照射传感器表面上的某个关注区域，从而提供具有平顶强度轮廓的TIR曲线。

常规的表面等离子共振(SPR)测量系统通常包括在TIR处照射表面等离子传感器装置的一个或多个发光二极管(LED)。LED具有相干长度，其足够长以使SPR测量系统能够检测到SPR共振中的小位移。能够检测到SPR共振中的小位移使得该系统能够是高度精确以及高度灵敏的，或者否则改进分辨率。

通常，来自LED的光是朗伯的(Lambertian)(发射到半球中的漫射光，其强度具有余弦下降)，并且具有低光功率。LED的这些属性可能降低入射到ATR传感器装置上的光量并降低信噪比(SNR)，这可能相应地降低SPR测量系统的精确度和灵敏度或分辨率。可以使用边缘发射光源(如边缘发射二极管、超发光二极管和激光器二极管)来输送入射到ATR传感器上的所需的高光功率，因为它们具有窄照射角度中高强度的高度定向束。

高功率固态光源(如，边缘发射二极管、超发光二极管和激光器二极管)产生高度定向光束。再有当这些光源耦合到光波导或光纤时，来自波导或光纤的输出光束也是高度定向的。但是，大多数高功率源具有极其不均质的光强度。确切地说，高功率束的光强度遵循高斯分布。当这些光源直接用于SPR感测或后接聚焦光学器件时，入射到检测器上的束的非均匀强度分布或高斯型强度分布限制了ATR光谱仪的灵敏度和分辨率。

光功率的不均质性限制ATR传感器，因为对于生物相互作用来说，分辨率太低。例如，多光点阵列的同时高分辨率和精确检测在制药开发的高吞吐量筛检领域中是必不可少的。因此，需要具有均匀光强度的高功率(定向)束。