CN101910825B - 生物传感器中的消逝场调制 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种FTIR***，该***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***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。

Description

生物传感器中的消逝场调制

技术领域

本发明涉及受抑全内反射(FTIR)生物传感器***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***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***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(1-x)测量，即作为初始时高或大的信号的(小)变化。如果信号x的变化与总的测量的光学信号(即(1-x))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***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***。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***，该***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***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***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***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100kHz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1/f噪声。有利的是，该***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。

附图说明

图1示意性地示出了现有技术FTIR***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***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***的检测器信号。

具体实施方式

图1示出了具有现有技术FTIR***的典型信号的示图。黑色曲线代表FTIR***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x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x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：

$z_{\mathrm{decay}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}\sqrt{n_1^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-n_2^2}}$

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n₁和n₂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***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10a和10b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f_λ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***来完成。设定点电压V_s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10b检测，该检测器输出检测器电压V_red。所述检测器电压V_red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V_red必须加以修改，例如乘以校正参数，即检测波长灵敏度S_det(λ)。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10a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V_blue。由图4可见，蓝色***是红色主***的从***。红色信号V_red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V_blue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100MHz的范围内的高频f_laser(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10-100kHz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f_laser±f_λ处解调来检测。

如果f_λ被选择成足够高的频率，那么低频处存在的1/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f_λ处或f_laser±f_λ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f_laser和f_λ远高于控制环滤波器带宽f_LF。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f_λ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f_λ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。

Claims (7)

1.受抑全内反射***，该受抑全内反射***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；用于通过调制第一光源的第一波长而改变消逝场的衰减长度的装置；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；以及用于解调检测器检测的信号的装置。

2.依照权利要求1的受抑全内反射***，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。

3.依照权利要求2的受抑全内反射***，还包括用于反相地接通和断开第一和第二光源的装置。

4.依照权利要求3的受抑全内反射***，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。

5.检测受抑全内反射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)期间通过调制第一波长而改变消逝场的衰减长度；

d)使检测的信号与消逝场的衰减长度的变化相关；以及

e)解调检测的信号。

6.依照权利要求5的方法，还包括步骤：利用第二波长的光照射传感器表面。

7.依照权利要求6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。

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