专利名称：生物传感器中的消逝场调制的制作方法
技术领域：
本发明涉及受抑全内反射(FTIR)生物传感器系统以及检测FTIR生物传感器信号 的方法。
背景技术：
申请人:已经提交了几个涉及生物传感器或生物传感器系统的共同待决的申请。生 物传感器通常允许检测分析物或流体样本内的给定特异性分子，其中所述分子的量典型地 为小。因此，使用靶(target)颗粒，例如超顺磁性标签珠，如果要检测的分子存在于分析物 或流体样本内，那么所述靶颗粒仅结合到(bind to)特定结合部位或位点。可替换地，在抑 制测定法(assay)中，这些分子可以抑制这些颗粒或珠结合到传感器表面。一种检测结合 到结合位点或结合表面的这些标签颗粒的已知技术是FTIR。其中，光以可以发生全内反射 的角度耦合到样本或样本体积中。如果不存在靠近样本表面的颗粒，那么光被完全反射。然 而，如果标签颗粒结合到所述表面，那么全内反射的条件被破坏，光的一部分散射到样本中 并且因而由表面反射的光量减少。通过利用光学检测器测量反射光的强度，有可能估计结 合到表面的颗粒或珠的量。然而，FTIR的一个缺陷在于，FTIR系统以这样的方式工作起始信号，即不存在靠 近传感器表面的颗粒或珠时的信号为高。珠结合到表面于是将减少初始时高的光学信号。 因此，感兴趣信号X，即靠近表面的珠的量通过(I-X)测量，即作为初始时高或大的信号的 (小)变化。如果信号χ的变化与总的测量的光学信号(即(1-χ))相比相当小，那么这可 能造成所谓的“增益问题”，因为起始信号相对于感兴趣信号是大的。因此，难于放大信号X， 因为背景信号(1-x)也被放大，这可能导致例如放大器、ADC等等的非线性行为或者甚至饱 和。此外，这导致对增益变化和噪声(例如电子噪声)非常敏感的信号。
发明内容
因此，希望的是限制或者至少降低FTIR生物传感器系统中的背景并且能够以直 接的方式测量结合到这种生物传感器的传感器表面的珠的量。因此，本发明的一个目的是 提供一种克服上述问题的改进的FTIR生物传感器系统。本发明的另一个目的是提供一种 执行FTIR生物传感器测量或测定的改进的方法。这些目的是利用权利要求的特征来实现 的。本发明基于调制FTIR产生的消逝场(evanescent field)的衰减长度并且相应地 解调反射的信号的思想。因此，产生“直接的”信号，一旦不存在靠近传感器表面的颗粒，则 所述信号消失。相应地，本发明提供了一种FTIR系统，该系统包括第一光源，其发射第一波长 的光；样本体积，其具有相邻的传感器表面；检测器，其用于检测所述传感器表面处反射的 光。传感器表面由所述第一光源照射，满足全内反射条件并且在样本体积内产生具有衰减 长度的消逝场。所述系统还包括用于改变消逝场的衰减长度的装置以及用于使检测的信号与消逝场的衰减长度的变化相关的装置。可以设想若干改变消逝场的衰减长度的方式。例如，可以改变照射传感器表面的 入射角以便改变消逝场的衰减长度。然而，优选的是用于改变消逝场的衰减长度的装置适 于改变第一光源的第一波长。依照本发明的一个优选的实施例，所述FTIR系统还包括发射与第一波长不同的 第二波长的光的第二光源并且还包括允许利用第一和第二光源照射传感器表面的光学器 件。例如，可以使用二向色镜使所述两个光源(例如蓝色和红色激光器)的光束重叠。这 允许以平行的方式将红色和蓝色光耦合到样本体积中。优选的是，所述系统还包括用于反相地接通和断开第一和第二光源的装置。在红 色和蓝色激光器的情况下，该装置优选地适于用高频(例如若干100MHz)调制两个激光器， 并且还适于利用大约10与IOOkHz之间的中等频率调制波长。由于照射传感器表面的光在 所述表面处反射并且由检测器检测，因而这些强度和波长调制被检测。所述检测的信号然 后由用于解调的装置进行解调。如果波长调制的调制频率选择在足够高的频率处，那么可 以消除低频处存在的Ι/f噪声。有利的是，该系统还包括用于控制第一和第二光源相对于 彼此的强度的装置。本发明还涉及检测FTIR生物传感器信号的方法。所述方法包括步骤利用第一波 长的光照射与样本体积相邻的传感器表面，其中全内反射条件被满足并且在样本体积内产 生具有衰减长度的消逝场。该方法还包括步骤检测传感器表面处反射的光并且在照射和 检测期间改变消逝场的衰减长度。其中，可以通过改变照射光束的入射角或者通过改变第一波长来改变消逝场的衰 减长度。可选地，所述方法还包括步骤利用第二波长的光照射传感器表面。在这种情况 下，优选的是传感器表面由第一和第二波长的光交替地照射。该方法还可以包括解调检测 的信号的步骤。本发明的这些和其他方面根据下面描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照所 述实施例进行阐述。
图1示意性地示出了现有技术FTIR系统的检测器信号。图2示意性地示出了消逝场的衰减长度与波长的依赖关系。图3示意性地绘出了依照本发明的FTIR系统的优选实施例。图4以框图示出了如何依照本发明控制光源。图5示出了依照本发明的两个光源的调制方案。图6a示出了如何依照本发明控制所述两个光源的另一框图。图6b示意性地示出了依照本发明的FTIR系统的检测器信号。
具体实施例方式图1示出了具有现有技术FTIR系统的典型信号的示图。黑色曲线代表FTIR系统 的传感器表面处反射的光的强度。强度和时间的单位是任意的。在测量开始时，即在t =0处，测量的强度起始于大约0. 35的值，其代表所述测量的背景。这是在不存在任何靠近 传感器表面的珠或颗粒的情况下在传感器表面处反射的光量。在一段时间之后，即在t = 0.45处，颗粒沉淀(precipitate)或者受力(例如磁吸引)趋向传感器表面并且因而反射 光的强度降低。信号降低到大约0.27的平稳段，其中曲线饱和或稳定。在这种情况下，信 号中的振荡归因于该特定类型的测定中使用的磁珠驱动协议。感兴趣信号χ是该平稳段与0. 35的背景之间的差值(由箭头表示)。因此，实际 的感兴趣信息相当于大约21%的信号相对变化。在实际的测定中，测量的信号变化可以小 至0. 1%。这通常可能导致差的信噪比并且尤其是可能造成所谓的增益问题。例如，放大相 当小的信号χ是困难的，因为背景信号因而也被放大，这可能导致放大器的饱和。因此，本 发明旨在降低或消除该背景。本发明利用了以下事实消逝场的衰减长度在垂直于传感器表面的方向上呈指数 衰减。相应地，实际上在传感器表面上方仅仅存在对检测颗粒敏感的非常小的层。本发明 基于实际地改变或变更，尤其是调制消逝场的衰减长度的思想。消逝场的衰减长度可以按 照以下方式进行计算 其中，λ为光的波长，θ为进入的光相对于传感器表面法线的角度，并且ηι和 分别为衬底和样本流体的折射率。依照该公式，调制进入的光的波长造成也调制探测光场 的消逝衰减长度。这导致可以使用标准解调技术检测的调制信号。图2示意性地绘出了波长对消逝场的衰减长度的影响。在图2a中，传感器表面1 利用红色光照射并且产生具有大的衰减长度的消逝场2。沉淀或结合颗粒3在这种情况下 完全浸没到消逝场2中。如果像在图2b中那样使用蓝色光(即更小的波长)代替红色光， 那么消逝场2的衰减长度明显更小并且颗粒3仅仅部分地经历消逝场。相应地，在红色和 蓝色光之间切换导致在传感器表面处反射的不同信号。图3示出了依照本发明优选实施例的FTIR生物传感器系统的示意图。蓝色激光 器4和红色激光器5分别产生蓝色和红色光束11和12。红色光12在镜6处反射并且耦合 到二向色镜7中。二向色镜7用来形成光束11和12的重叠。第二二向色镜8用来将光束 的一部分耦合出中心束。所述光分别通过滤色器9a和9b引导到用于蓝色和红色光的检测 器IOa和IOb上。中心束用来照射样本体积的传感器表面。依照本发明，所述两个激光源4和5在高频fA下反相地接通和断开。两个激光束 11和12的强度应当被控制成使得检测传感器表面处反射的光的检测器在传感器表面处不 存在珠或颗粒的情况下对于这两个激光表现出相同的响应。这可以例如通过如图4中所示 的主-从反馈控制电路系统来完成。设定点电压Vs提供给驱动红色激光器5 (参见图3)的 红色激光器电流源。红色光由红色检测器IOb检测，该检测器输出检测器电压VMd。所述检 测器电压Vral用来控制蓝色激光器电流源。然而，为了保证检测器的上述对于两个激光束的 相同响应，检测器电压Vred必须加以修改，例如乘以校正参数，即检测波长灵敏度SdetU )。 这个参数通过考虑检测器对于所述两个波长的灵敏度来适当地设定。所述控制信号提供给 驱动蓝色激光器4的蓝色激光器电流源。蓝色光的强度在蓝色检测器IOa处检测，该检测 器输出反馈给蓝色激光器电流源的检测器电压Vblue。由图4可见，蓝色系统是红色主系统的从系统。红色信号Vral可以用作第一主控制环的输入，从而设法将红色激光器的光学输出 保持在恒定值。同时，蓝色激光器的实际测量的检测器电压Vblm输入到第二从控制环中，使 得蓝色激光的强度等于红色激光的强度。为此目的，检测器灵敏度与波长的函数关系S det 应当已知。通常，该灵敏度是公知的或者可以加以测量。图5示出了使用红色和蓝色激光的调制方案，其容易由光学存储技术获得。通过 利用若干IOOMHz的范围内的高未示出)调制两个激光，使激光输出稳定并且对于 光学反馈不敏感。此外，入射束的波长通过在红色和蓝色激光(未示出)之间切换来调制。 作为波长调制频率f λ，选择大约IO-IOOkHz的范围内的频率。然后，来源于位置靠近传感器 表面的珠或颗粒的信号可以通过在调制频率f λ处直接解调或者通过在边带频率flasCT±f λ 处解调来检测。如果fA被选择成足够高的频率，那么低频处存在的Ι/f噪声被消除。此外，如 果使用上述控制环适当地校准两个激光功率，那么在该检测器信号中将不存在6处或 flasCT±f\处的频率分量。相应地，如果不存在珠或颗粒，那么没有信号被测量。在这里，假 设两个频率flasCT和远高于控制环滤波器带宽控制环滤波器的带宽被选择成使得 低频信号变化(例如由于温度变化而引起的漂移)可以在测量过程期间被消除。颗粒一结合到传感器表面，就产生具有频率fA的信号。信号的强度线性依赖于颗 粒的量。通常，该信号将不线性依赖于波长。然而，使用的波长是固定且公知的，这导致在 测量期间恒定的仪器校准因子。在上面描述的实施例中，信号通过解调来获取。依照本发明的另一优选实施例，可以按照下面的方式获得实际的无DC测量结果。 如上面已经描述的以频率反相地使两个激光器产生脉冲。用于稳定这两个激光器的输 出功率的控制环也可以由主要检测器控制，该主要检测器检测传感器表面处反射的光。为 此目的，主要检测器应当与激光调制方案同步地被采样。例如，偶数脉冲可以测量红色光的 反射，而奇数脉冲可以测量蓝色光的反射。可替换地，可以使用与两个滤色器组合的两个分 立检测器。包含有关传感器表面处存在的颗粒或珠的信息的信号现在定义为红色光的反射 与蓝色光的反射之间的差值信号。为了在实际的测量开始之前去除所有的偏移量，支配 (govern)蓝色激光器的输出的第二控制环使用该差值信号作为其控制信号。相应地，蓝色 激光的强度被控制成使得所有偏移量自动地降低至零。样本流体一引入到样本体积中且实 际的测量开始，那么第二控制环就被中断并且其最近采样的控制信号被保持且用作用于蓝 色激光器电流源的静态控制。颗粒一开始穿透消逝波，红色和蓝色反射之间的差值信号就 将偏离零，因为红色激光与蓝色激光相比将表现出更强的散射。在这种情况下，可以测量实 际的零信号基线。图6示出了该实施例的对应控制环。图6b绘出了该实施例的典型检测器输出。在 测量开始时，如上所述发生校准步骤，直到信号最小化。一旦建立该零信号基线，那么颗粒 可以受力趋向传感器表面，从而导致实际或直接信号的增大。依照另一实施例，消逝场的衰减长度的调制通过调制照射光束相对于传感器表面 法线的入射角来实现。通常，相对于传感器表面法线的更大的入射角将导致更小的消逝衰 减长度。相应地，改变入射角且解调传感器表面处反射的信号也将导致“直接的”信号，其
6仅仅依赖于靠近传感器表面的颗粒的量。当然，必须确保所使用的入射角总是满足全内反射条件。入射角的变化可以通过例如完全反相地移动光源和检测器来实现，以便确保反射 光将总是聚焦到检测器上。尽管在所述附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图 示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实 施例。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所 附权利要求书的研究，应当能够理解并实施所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，措 词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。单 个处理器或其他单元可以实现权利要求中列出的若干项的功能。在相互不同的从属权利要 求中列出特定技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权利要 求中的任何附图标记都不应当被视为对范围的限制。
权利要求
FTIR系统，该系统包括第一光源，其发射第一波长的光；样本体积，其具有相邻的传感器表面，其中该传感器表面由所述第一光源照射，满足全内反射条件并且在样本体积内产生具有衰减长度的消逝场；检测器，其用于检测所述传感器表面处反射的光；用于改变消逝场的衰减长度的装置；以及用于使检测的信号与消逝场的衰减长度的变化相关的装置。
2.依照权利要求1的系统，其中所述用于改变衰减长度的装置适于改变第一光源的第 一波长。
3.依照权利要求1的系统，还包括发射与第一波长不同的第二波长的光的第二光源以 及允许利用第一和第二光源照射传感器表面的光学装置。
4.依照权利要求3的系统，还包括用于反相地接通和断开第一和第二光源的装置。
5.依照权利要求1的系统，还包括用于解调检测器检测的信号的装置。
6.依照权利要求5的系统，还包括用于控制第一和第二光源的光束相对于彼此的强度 的装置。
7.依照权利要求1的系统，其中所述用于改变衰减长度的装置适于改变传感器表面与 第一光源的光束之间的角度。
8.检测FTIR生物传感器信号的方法，包括以下步骤a)利用第一波长的光照射与样本体积相邻的传感器表面，其中全内反射条件被满足并 且在样本体积内产生具有衰减长度的消逝场；b)检测传感器表面处反射的光；c)在步骤a)和b)期间改变消逝场的衰减长度；以及d)使检测的信号与消逝场的衰减长度的变化相关。
9.依照权利要求8的方法，其中消逝场的衰减长度通过改变第一波长而改变。
10.依照权利要求8的方法，还包括步骤利用第二波长的光照射传感器表面。
11.依照权利要求10的方法，其中传感器表面由第一和第二波长的光交替地照射。
12.依照权利要求8的方法，还包括解调检测的信号的步骤。
13.依照权利要求8的方法，其中消逝场的衰减长度通过改变照射的入射角而改变。
全文摘要
本发明提供了一种FTIR系统，该系统包括第一光源，其发射第一波长的光；样本体积，其具有相邻的传感器表面；检测器，其用于检测所述传感器表面处反射的光。该传感器表面由所述第一光源照射，满足全内反射条件并且在样本体积内产生具有衰减长度的消逝场。所述系统还包括用于改变消逝场的衰减长度的装置以及用于使检测的信号与消逝场的衰减长度的变化相关的装置。
文档编号G01N21/55GK101910825SQ200880123841
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年1月3日
发明者D·M·布鲁尔斯, J·A·H·M·卡尔曼, J·J·H·B·施莱彭 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司