CN102317758A - 用于探测目标物质的感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于探测研究区域(113)中的目标物质(2)的感测装置(100)。所述感测装置(100)包括：感测表面(112)，其上具有研究区域(113)和参考区域(120)。所述感测装置(100)还包括位于所述参考区域(120)的参考元件(121)。所述参考元件(121)被配置为将所述参考区域(120)从所述目标物质(2)遮蔽，使得在全内反射条件下在所述参考区域(120)反射的光保持不受到所述目标物质(2)的存在或不存在的影响。这容许独立于目标物质(2)的存在或不存在，对在参考区域(120)反射的光的性质，典型地为强度，进行测量。反射的光的此测得的性质能够用于执行对在研究区域(113)反射的光的改善的校正。

Description

用于探测目标物质的感测装置

技术领域

本发明涉及用于感测研究区域中的目标物质的感测装置和分析装置。本发明还涉及用于感测研究区域中的目标物质的对应的感测方法。

背景技术

US7317534B2提供了一种测量方法，包括具有膜层的测量单元，该膜层具有探测区和参考区，目标分子固定到探测区的表面，且没有配体固定到参考区的表面。光电探测器探测分别在探测区和参考区的全内反射中反射的光束的强度。此外，基于参考区的测量的结果来校准探测区的测量的结果。

US2005/0052655A1描述了一种干涉仪，该干涉仪包括：光学主体，光学主体被配置为在操作中安装测量区和相邻的参考区的，测量区包括膜，该膜能够用作用于表面等离子体的二维环境；光束生成装置，用于以能够生成表面等离子体共振的辐射辐照参考和测量区；光学构件，用于组合从参考和测量区反射的辐射；以及像素化探测构件，用于生成表示组合的辐射束的二维图像的数据。

发明内容

然而，通常难以保证参考区没有任何目标分子或者不受到介质中的目标分子的存在的影响。特别是当采用基于珠子的目标分子探测***时，难以断定没有该珠子非特定地与参考区接触并且影响从参考区探测的信号。从而，必须提供测量以确保参考区在校准期间保持无任何目标分子，这使得校准程序十分复杂。

本发明的目的是提供用于探测研究区域中的目标物质并容许较容易的校准的感测装置和分析装置。本发明的另一目的是提供对应的感测方法。

在本发明的一方面中，提供了一种用于探测研究区域中的目标物质的感测装置，所述感测装置包括：

-感测表面，其上具有研究区域和参考区域，

-参考元件，位于所述参考区域并被配置为将所述参考区域从所述物质遮蔽，使得在全内反射条件下在所述参考区域反射的光保持不受到所述物质的存在或不存在的影响。

本发明基于通过探测在全内反射条件下从研究区域反射的光而获得的与研究区域的物质的存在对应的信号能够通过与在全内反射条件下的标准反射光对应的信号来校准的想法。从而，有效地将参考区从潜在地存在于研究区域的物质的影响遮蔽容许以标准化形式测量在参考区域反射的光的性质，典型地为强度，标准化形式即不依赖于待分析的物质的存在或不存在。从而，在参考区域反射的光基本仅是物质的存在或不存在以外的因子的函数并且从而反映归因于测量误差的误差，例如温度的升高或到达参考区域的光输出的波动。

在本发明中，当光的选择的性质，典型地为光的强度，由物质的存在或不存在改变不超过10％，优选地不超过1％，并且最优选地不超过0.1％时，在全内反射条件下在参考区域反射的光视为不受到物质的存在或不存在的影响。改变特别优选的是0.05至0.3％的范围。

进一步优选地，参考元件不仅将参考区域从待分析的物质遮蔽，而且将参考区域从潜在地影响存在于参考区域的消逝场的其它物质遮蔽。这有利地容许分析着色介质中的物质的存在，因为介质的色彩将不会干扰在全内反射条件下在参考区域反射的光。从而，即使对于着色介质，参考区域也能够用作可靠标准。也能够有利地使用本发明的方法和本发明的感测装置来补充分析方法，该分析方法涉及对传输的光的测量，例如光吸收和光学密度的测量。从而，参考元件优选地为固态的、凝胶状的或者是抗被介质冲洗掉的，是明智的。

应当注意，术语“全内反射”应当包括经常称作“受抑全内反射”的情况，其中，一些入射光在反射过程期间损失了。源自研究区域的反射光束将典型地由在感测表面的研究区域全内反射的入射光束的光构成或包括在感测表面的研究区域全内反射的入射光束的光，感测表面可以是用于结合目标物质的结合表面。然而，其也可以包括来自其它源的光，其它源例如是在研究区域激励的荧光。

参考元件的折射系数和尺寸优选地选择为使得尺寸超过其中引起的消逝场的指数衰减长度，即使得消逝场基本不位于参考元件和参考元件所在的载体外部。参考元件的厚度和横向尺寸于是选择成使得在全内反射条件下在参考元件内生成的消逝场对选择的光的波长和入射角基本减弱。指数衰减长度ζ估计为

$\mathrm{\ζ}=\frac{\mathrm{\λ}/n_1}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)-{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{crit}}\right)}}---\left(1\right)$ 其中

θ_crit＝sin^-1(n₂/n₁)，    (2)

其中，λ和θ分别是所使用的光的波长和入射角，并且n₁和n₂分别是光传播进以及参考元件的材料的折射系数。θ_crit角度定义临界角。从而，本领域技术人员能够针对预选择的波长、入射角、以及光线要传播进的材料选择合适的材料用于制造参考元件。

能够任意选择参考元件的横向形状，从而容许将本装置配置为适应大量辅助条件。优选地，参考元件是厚度为至少200nm的膜或层，更优选地为500nm-1mm，并且最优选地为500nm-100μm。该元件能够有利地包括在微传感器中，容许分析最小量的介质。

在另一优选感测装置中，研究区域包括用于结合目标的结合物。目标能够是目标物质，该目标物质能够影响其上的消逝场。然而，在浓度待确定的物质需要影响用于其探测的消逝场的标签，以下称作“分析物”时，目标能够是该标签。典型地，目标将为物质，优选地为磁珠，包括附着至分析物的耦合部分，优选地考虑预期要进一步包括在介质中的其它物质通过对分析物特定的附着。耦合部分可以共价地或非共价地分别接合至分析物以及目标物质的其余部分。优选地，目标包括一个、两个、三个或更多抗体或其Fab碎片，包括F(ab’)₂碎片，其能够在分析物的相同或不同部分结合至分析物。

研究区域的结合物的典型范例是抗体或其Fab碎片，包括F(ab’)₂碎片。能够针对大量目标分子和其抗原产生该结合物，并且在适用的地方，该结合物容许目标和/或分析物在感测表面的研究区域的特定结合。从而，在研究区域选择性地富集这些目标/分析物是可能的。此外，能够通过合适的排斥力从研究区域去除不期望的目标(例如，磁或液体动力)，该排斥力基本不应当打断期望的目标分子和结合物之间的结合。目标的结合可以影响在研究区域引起的消逝场并且从而影响在全内反射条件下从其反射的光的强度。还有，可以增加另外的物质以增大在研究区域结合的目标施加于在其上引起的消逝场的影响。此外，研究区域可以包括一个、两个或更多类型的结合物。结合物的类型能够特定于不同目标分子或一个或多个目标分子的不同部分和抗原。本发明的感测表面于是适合用于不同种类的生物传感器和测量方法。

用于确定介质中的分析物的浓度的另一类型的测定能够是竞争结合测定。在该测定中，通过作为在分析物和用于由结合物和/或目标或其相应的耦合部分结合的类似分析物的物质之间的竞争的结果，分析在分别的研究区域目标的存在或不存在，能够实现分析物浓度的定量。

本发明的感测装置优选地配置为分析介质中浓度小于或等于1nM的物质的存在(即，目标，或者如果适用的话，分析物)，甚至更优选地浓度从1至1000pM并且最优选地从10至1000fM。该低浓度典型地需要长的测量时间并且从介质获得的信号也小。典型的光传感器装置生成的信号能够随时间漂移，而在测定成分中没有变化。例如，光源的光输出可以例如由于环境的或生物传感器装置内的温度变化而改变。与在研究区域结合的目标分子的真实量相比，漂移能够导致获得的信号的显著偏离。从而，对探测器从研究区域获得的信号的校准是必须的，以获得显著的结果。本发明容许基于参考区域和在其反射的光进行该校准，从而容许可靠地分析以前提到的低浓度的物质的存在或不存在，是特别有价值地有利的。当测量例如血液的生理学样本中的如例如强心剂肌钙蛋白-I、副甲状腺荷尔蒙(PTH)和BNP(脑钠肽)的物质的存在时，这是特别有利的，前述测量需要小于1pM的探测限度。

在优选感测装置中，参考区域的感测表面相对于研究区域的感测表面倾斜，以容许参考区域的入射光束以比研究区域的平行入射光束的角度浅的角度入射。为了在感测表面-参考元件界面实现全内反射条件，对于反射光传播进入的材料的给定的折射率，参考元件材料的折射率必须选择为足够低。对于一些材料，从而难以找到合适的参考元件材料。通过稍微倾斜参考区域的表面，在参考元件处获得比在研究区浅的入射角，从而容许使用具有相对较高折射率的参考元件材料是可能的。

在另一优选感测装置中，参考区域优选地邻近研究区域。这样，归因于例如载体材料成分的稍微变化在全内反射条件下反射的光的强度测量的误差能够最小化。在本发明内，当参考区域与研究区域分开最多5mm、更优选地0.5至1mm、并且最优选地0.1至0.5mm，且优选地，研究区域附着有如前述的结合物时，则参考区域视为邻近的。

能够任意选择参考元件的材料，只要其针对预选择的光的波长和入射角，在参考区域容许全内反射并如以上指出的充分地遮蔽参考区域就行。优选地，参考元件是固态的，甚至更优选地，参考元件是膜。在本发明内，玻璃视为固态的。参考元件的进一步优选的材料选自聚合物、生物分子、凝胶、溶胶-凝胶或其它塑料，生物分子特别是蛋白质、核酸和聚糖。

优选地，选择能够以简单方式，例如喷墨印刷，沉积的材料。能够被UV固化或通过用于快速、可靠和自动聚合的其它合适的装置聚合的许多聚合物是可用的。

进一步优选地，参考区域包括反射入射光的镜子。该镜子，通常称作真实镜子，能够以电介质多层或金属涂层的形式施加，并且在找到具有足够低折射率的参考元件材料困难的情况下特别适合作为参考元件。

在感测装置的许多实际相关的实施例中，感测表面将包括两个或更多研究区域，在该两个或更多研究区域，不同入射光束能够全内反射。一个装置于是容许处理数个研究区域，并且从而例如容许搜寻不同的目标物质、在不同条件下对相同目标物质进行观测、和/或对数个测量进行采样用于统计目的。“不同入射光束”可以可选地为由一个光源均匀地生成的一个宽光束的成分，它们可以是同时处理研究区域和/或参考区域的单独分开的光束(可选地通过相同或不同的光学窗口)，和/或它们可以是时间上不同的(即由扫描研究区域的一个普通光束生成)。优选地，“不同入射光束”是同时照明该一个、两个或更多参考区域和该一个、两个或更多研究区域的一个宽光束的部分。探测器于是可以测量从各区域分别反射的光，如以下更详细描述的。

感测装置优选地为具有载体的管头，该载体在其上包括感测表面。该管头能够有利地与分析装置一起使用，使分析装置适用于特定测量任务。

虽然在原理上，载体具有一些具有不同材料的多种成分的专用结构是可能的，但是优选地，从透明材料，例如从玻璃或透明塑料，同质地制造载体是优选的。于是例如通过注入模制能够容易地产生载体。

管头可以与包括生物传感器装置的许多不同装置以及方法结合使用。对于研究程序中实践上重要的应用，管头优选地包括第一和第二光学窗口，使得入射光束能够穿过第一光学窗口进入载体，并在感测表面的研究区域和/或参考区域全内反射，并且其中，源自研究区域和/或参考区域的反射光束能够通过第二光学窗口离开载体。

本发明的感测装置优选地还包括：

-光源，将入射光引导至所述感测表面的所述研究区域和所述参考区域，以使得所述入射光在全内反射条件下在所述研究区域和所述参考区域被反射并由此生成反射光，

-探测器，用于探测所述反射光，以产生取决于所述研究区域的反射的第一特征信号，和取决于所述参考区域的反射的第二特征信号，以及

-校准器，用于考虑所述第二特征信号来校准所述第一特征信号。

该装置利用本发明的优点，即感测装置容许考虑第二特征信号来校准第一特征信号。感测装置从而特别有利于可靠有效的测量，限制了测量误差并容许通过实现(较)长的测量时间来探测研究区域的低浓度的目标物质。

在该装置的实际实施例中，所述校准器优选地被配置为考虑所述第二特征信号来校正或改善所述第一特征信号的漂移。该装置的优点是，能够实现特别长的测量时间而不会显著影响漂移，从而有利于或甚至使得能够探测研究区域的低浓度的目标物质或抵抗嘈杂的介质背景。

在优选实施例中，感测装置被配置为与用于探测所述目标物质的分析装置协同操作，其中，所述分析装置包括：

-用于容纳所述感测装置的分析区域，

-光源，在所述感测装置容纳于所述分析区域中时，将入射光引导至所述分析区域，使得所述入射光被引导至所述感测表面的所述研究区域和所述参考区域，并使得所述入射光在全内反射条件下在所述研究区域和所述参考区域被反射，由此生成反射光，

-探测器，用于探测所述反射光，以产生取决于所述研究区域的反射的第一特征信号，和取决于所述参考区域的反射的第二特征信号，以及

-校准器，用于考虑所述第二特征信号来校准所述第一特征信号。

在本发明的另一方面，提供了一种用于探测目标物质的分析器装置，被配置为与用于探测所述目标物质的感测装置协同操作，其中，所述感测装置包括：

-感测表面，其上具有研究区域和参考区域，

-参考元件，位于所述参考区域并配置为将所述参考区域从所述目标物质遮蔽，使得在全内反射条件下在所述参考区域反射的光保持不受到所述目标物质的存在或不存在的影响，

其中，所述分析器装置包括：

-用于容纳所述感测装置的分析区域，

-光源，在所述感测装置容纳于所述分析区域中时，将入射光引导至所述分析区域，使得所述入射光被引导至所述感测表面的所述研究区域和所述参考区域，并使得所述入射光在全内反射条件下在所述研究区域和所述参考区域被反射，由此生成反射光，

-探测器，用于探测所述反射光，以产生取决于所述研究区域的反射的第一特征信号，和取决于所述参考区域的反射的第二特征信号，以及

-校准器，用于考虑所述第二特征信号来校准所述第一特征信号。

该分析器装置有利地被配置为本发明的感测装置，特别是管头，并利用参考区来校准从研究区域获得的特征信号。特征信号优选地为光强信号。感测装置优选地为生物传感器。

再次，校准器优选地被配置为考虑从感测装置的参考区域发出的所述第二特征信号来校正或改善从感测装置特别是管头的研究区域发出的光的所述第一特征信号的漂移。

从而，分析器装置容许对研究区域的光强测量减小测量误差。从而，长时段地分析从研究区域反射的光而不会由错误的光强漂移显著玷污从所述研究区域获得的第一特征信号是可能的。该分析装置从而有利于探测研究区域的非常低浓度的物质，这典型地需要长时间地辐照研究区域。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于探测研究区域中的目标物质的感测方法，包括以下步骤：

-提供感测表面，所述感测表面上具有研究区域和参考区域，

-提供参考元件，所述参考元件位于所述参考区域并被配置为将所述参考区域从所述目标物质遮蔽，使得在全内反射条件下在所述参考区域反射的光保持不受到所述目标物质的存在或不存在的影响，

-在全内反射条件下照明所述研究区域和所述参考区域。

所述感测方法还包括以下步骤：

a)利用光辐照本发明的感测装置的研究区域并从其获得全内反射光的第一特征信号，

b)在步骤a)之前、期间、或之后，利用光辐照本发明的感测装置的参考区域并从其获得全内反射光的第二特征信号，

c)通过步骤b)中获得的第二特征信号来校准步骤a)中获得的第一特征信号。

该感测方法容许探测研究区域目标物质的存在，并且还容许确定研究区域的另一性质，例如以通过分析热致变色(thermochromic)物质对在全内反射条件下在研究区域反射的光的强度的影响来确定温度。

优选地，重复步骤a)和c)，步骤b)和c)或步骤a)、b)和c)。能够对一个研究区域执行该重复，以容许对在研究区域结合的目标物质的时间分辨的分析。通过将那些步骤顺序地施加于不同研究区域，也能够重复那些步骤，容许确定在不同研究区域结合的目标物质的量。

同时针对至少一个参考区域和一个研究区域至少执行步骤a)和b)是特别优选的。这样，能够以非常低的测量误差执行校准。

进一步优选的是感测方法，包括：

i)提供本发明的分析装置；

ii)在所述分析装置的分析区域提供本发明的感测装置，优选地管头，

iii)在所述感测装置的研究区域结合目标物质，

iv)执行上述测量方法步骤a)、b)和c)。

该方法利用本发明的优点，并且特别是容许如上所述地分析研究区域的非常低浓度的目标物质。

应当理解，权利要求1的感测装置、权利要求12的分析器装置、以及权利要求14的感测方法具有如从属权利要求中限定的类似和/或相同的优选实施例。还应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。

附图说明

图1示意性和范例性地示出了感测装置的实施例的侧视图；

图2示意性和范例性地示出了未校正的探测信号的信号漂移的图示；

图3示意性和范例性地示出了全内反射条件下反射光的侧视图；

图4示意性和范例性地示出了感测装置的实施例的顶视图；

图5示意性和范例性地示出了图4的感测装置的实施例的侧视图；

图6示意性和范例性地示出了感测装置的实施例的顶视图；

图7示意性和范例性地示出了图6的感测装置的实施例的侧视图；

图8示意性和范例性地示出了探测信号和参考信号的图示；

图9示意性和范例性地示出了感测装置的实施例的侧视图；

图10示意性和范例性地示出了图9的感测装置的实施例的顶视图；

图11示意性和范例性地示出了感测装置的实施例的侧视图；

图12示意性和范例性地示出了分析装置的实施例的侧视图；

图13示意性和范例性地示出了结合到感测装置的研究区域的磁性颗粒；以及

图14示意性和范例性地示出了本发明的方法。

具体实施方式

图1示意性和范例性地示出了本发明的感测装置100的实施例的侧视图。装置100包括对入射光束L1透明的材料制成的载体(carrier)110。载体110具有感测表面112。在感测表面112上，流体限定器(delimiter)101安置成容许将介质4增加至感测表面112。感测表面112的区域由参考元件121覆盖以将感测表面112的参考区域120从介质4中的任何目标物质(2)遮蔽。参考区域120附近为感测表面112的研究区域113。研究区域113能够包括用于目标物质2的直接或间接结合的结合物114。

参考区域120和研究区域113均能够由入射光(示为入射光束L1)照明。入射光L1在全内反射条件下在参考区域120被反射，生成输出光L2。参考元件121具有的折射率和尺寸使得由参考区域120的全内反射引起的消逝场保持未受到目标物质2的存在或不存在的影响。从而，参考区域120的输出光束L2的强度不取决于于介质4中目标物质2的存在或不存在，并且优选地也不取决于介质4中其它物质的存在或不存在。参考区域120的输出光束L2于是能够用作标准光束，并且其强度能够在探测器18处用作(第二)特征信号220。

入射光L1也在全内反射条件下在研究区域113被反射，产生另一输出光L2。然而，在研究区域113引起的消逝场受到介质4的目标物质2的影响，并且更优选地仅受到目标物质2的影响或主要受到目标物质2的影响。该另外的输出光的强度于是与在研究区域113处目标物质2的存在或不存在相关联，并且能够用作探测器18处的(第一)特征信号213。

校准器20将参考区域120和研究区域113的输出光L2进行比较。通过该比较，能够确定目标物质2对在全内反射条件下在研究区域113反射的光的强度的影响。此比较模式减小或消除任何另外的测量误差源，因为能够通过对参考区域120和研究区域113的输出光L2的强度的同时或顺序的迅速测量，主要独立于入射光L1强度的变化进行比较。还有，能够在单个探测器18处分别确定第一和第二特征信号213和220，进一步减小测量误差。考虑到第二特征信号220，校准器20从而有效地校正或改善了第一特征信号213的漂移。

为了制造参考元件121，能够将UV可固化低折射率丙烯酸盐(2，2，3，3，4，4，5，5-八氟己二醇-1，6-二甲基丙烯酸盐(2，2，3，3，4，4，5，5-Octafluoro-hexanediol-1，6-dimethacrylate))的小滴施加于聚苯乙烯管头(cartridge)的感测表面112。在氮条件下固化后，从而能够在参考区域120处获得n2＜1.42的参考元件121。对于该参考元件121，发现当用黑色标记笔弄黑感测表面112的相邻研究区域113时，在全内反射条件(入射角θi：70°)下反射的光(L2)的强度在研究区域113显著下降。然而，即使参考元件121也由黑色标记笔的墨覆盖，在全内反射条件(入射角θi：70°)下反射的光(L2)的强度在参考区域120也不显著下降，如图8中所示。

固化丙烯酸脂的折射率n₂仍然相当高。在前述特别实验条件下，入射(income)光束不是完全平行的，使得入射光束的部分具有小于70°的角。这意指小部分的入射光束穿透参考元件121并且从而受到黑色标记墨的影响，减小了反射光的强度。

通过进一步减小参考元件121上的折射率和/或通过增大入射角和/或通过增大管头材料的折射率和/或通过改善入射照明束的对准，能够解决此问题。代替聚合物，可以合适地使用其它低折射率材料，例如生物分子(特别是蛋白质、核酸、聚糖)凝胶、溶胶-凝胶或其它塑料。将这些不同参考元件121施加于感测表面112的方式取决于参考元件121、感测表面112以及管头材料的性质。例如，在生物分子的情况下，可能需要共价地将它们附着至管头感测表面112。

图2示意性和示范性地示出了未校正探测信号的信号漂移的图示。x轴指以分钟给出的测量时间t。y轴指图1的类型的感测装置100的研究区域113的光的第一特征信号213的变化(以百分比给出)。在图2的测量期间，没有物质增加至研究区域113。图示示出了10分钟的测量时间后，第一特征信号213漂移了0.1％。因为此漂移不是由将物质增加到研究区域113所引起，所以必须将漂移视为测量误差。无需结合任何特定理论，该漂移视为源自例如LED的光源11的强度的任意变化和例如CMOS传感器的传感器的灵敏度，特别是归因于装置中的温度变化。该测量误差在任何需要高探测灵敏度和精度的分析任务中是不能忍受的，例如确定例如血液的介质4中的肌钙蛋白I浓度。该分析任务可能需要小于1pM的探测限度，这依次需要具有非常低信号漂移的长的测量时间。图1的装置现在容许可靠地完成这些分析任务。

图3示意性和示范性地示出了全内反射条件下反射光的侧视图，并示例了全内反射原理。入射光束L1传播通过具有第一折射率n₁的介质4。光束L1到达具有第二折射率n₂的另一介质4的表面。于是，如果入射角θ_i大于临界角θ_crit，则光束L1在全内反射条件下被反射，形成光束L2，其中根据菲涅耳定律θ_crit＝sin^-1(n₂/n₁))。

例如，对于制造生物传感器管头有用的材料是聚苯乙烯。对于聚苯乙烯材料，n₁为1.55。此外，当选择70°的入射角θ_i时，第二介质4应当选择为使得n₂＜1.45，其中选择70°的入射角θ_i对于具有聚苯乙烯/水状(polystyrene/water-like)传感器界面的生物传感器装置是有用的。θ_crit于是为69.1°，使得在两种介质之间的表面发生全内反射。

在优选感测装置中，n₂包括一些裕度，因为入射角中经常存在一些角分布，例如LED可能不产生完全平行的光束。为了具有2°的角裕度，n₂应当选择为小于1.419。

图4和5示意性和示范性地分别示出了感测装置100的顶和侧视图。感测装置100具有第一折射率n₁的管头110。管头110具有感测表面112。在感测表面112上，将参考元件121安置为遮蔽感测表面112的参考区120。与参考区120相邻的是感测表面112的研究区域113。研究区域113不包括参考元件121。在图5中，研究区域113被参考元件121遮掩。

研究区域113和参考区域120均能够由LED光源11的入射光束L1照明。光源11也能够是激光二极管或超荧光二极管(Super Luminescent Diode，SLED)或另外的光源11。入射光束L1在全内反射条件下在参考区域120被反射，并且在没有目标物质(2)的影响时，也在研究区域113被反射，形成光束L2。在探测器18处探测光束L2，以确定分别在参考区域120和研究区域113反射的光的强度。校准器20将参考区域120和研究区域113的出射光L2进行比较，如图1中详细讨论的，并且在图12中进一步详细讨论的。

图6和7示意性和示范性地分别示出了感测装置100的实施例的顶视图和侧视图。感测装置100包括载体110。载体110具有感测表面112。在感测表面112上，安置流体限定器101，以容许优选地将液体介质4增加至感测表面112。流体限定器101具有形成流体通道***的包括流体接收开口112的开口、通向测量室的通道、从参考室离开的通道、以及排出开口119。测量室包括感测表面112的研究区域113。与测量室相邻的是两个参考区域120，均包括固体参考元件，以容许入射光在载体110中的全内反射。

使用中，参考区域120中的一个或两个和研究区域113由入射光束(未示出)以图1中描绘的方式辐照。光在全内反射条件下在参考区域120和/或研究区域113被反射。流体介质4，优选地为液体，被经由流体接收开口120增加至感测装置100。包含在测量室和通向测量室的通道中的空气经由排出开口119排出。介质4形成有通向测量室的通道。在测量室中，目标物质2能够影响在全内反射条件下在感测表面112的研究区域113反射的光的强度。

在全内反射条件下在研究区域113和参考区域120反射的光的强度由探测器18探测。校准器20以针对图1描述的方式比较参考区域120和研究区域113的输出光。

图8示意性和示范性地示出了图6和7的装置的探测信号和参考信号的图示。对归一化的信号强度s_n进行绘图。如能够看到的，从在感测表面112的参考区域120反射的光获得的特征信号220示出了信号强度的一些漂移。信号强度的此探测的漂移能够用于校正并校准从在感测表面112的研究区域113反射的光获得的特征信号213。

图9和10示意性和示范性地分别示出了感测装置100的另一实施例的侧视图和顶视图。装置100包括其上具有感测表面112的载体110。感测表面112包括一系列凹部，在其中形成一系列降低的参考区域120。凹部可以通过表面构图形成，例如通过使用聚焦离子束研磨或脉冲激光消融。邻近参考区120的是研究区域113，如关于图1描述的。

使用中，液体介质4通过载体110的感测表面112以上。为示例目的，图9和10中仅示出了介质4的液滴。归因于参考区域120的表面张力，介质4不能够进入参考区域120的凹部，在介质液滴4和参考区域120之间俘获空气。空气于是用作关于图1描述的参考元件121。

此外，还对图6和7中描绘的类型的装置的顶部流体部分进行修改，使得气泡俘获在预定区，优选地在流体通道内或接近流体通道。该俘获的气泡于是用作关于图1描述的参考元件121。

图11示意性和示范性地示出了感测装置100的另一实施例的侧视图。装置包括其上形成有感测表面112的载体110。感测表面112包括如图1描述的研究区域113，并包括参考区域120。参考区域120的感测表面112相对于研究区域113的感测表面112倾斜角β。到达研究区域113和参考区域120的平行入射光束L1从而有效地以角θ_crit+β+δ到达参考区域120，而以入射角θ_crit+δ到达研究区域11。关于参考元件121的折射率n_TWR的约束于是放宽为近似：

$n_{\mathrm{TWR}}<n_2+(\mathrm{\&beta;}+\mathrm{\&delta;})\sqrt{1-\frac{n_2^2}{n_1^2}}---\left(3\right)$

其中，n₂是介质4的预期折射率，其n₁是载体110材料的折射率。典型地，在该放宽的条件下，容易找到用于参考元件121的合适材料。

图12示意性和示范性地示出了分析器装置10的实施例的侧视图。感测装置100已经***到分析器装置10中。此实施例中，感测装置100包括在其上具有感测表面112的载体110。此外，流体限定器101安置于载体110上。顶部流体部分14使感测表面112、流体限定器101与顶部流体部分14之间的测量室完整。

分析器装置10还包括磁性元件13，该磁性元件提供迫使磁性粒子2到达感测装置的感测表面112上的磁场。在此实施例中，通过以光源11生成的光束L1照明感测表面112来探测磁性粒子2。源11例如是激光装置、SLED或LED。由探测器18探测从感测表面112反射的光L2。探测器18是例如光电探测器、或二维相机。光学元件能够布置在光束L1和L2中，用于分别生成平行光束L1和L2。该光学元件优选地为透镜。

载体110容纳于分析区域中。在分析区域中，入射光L1均能够指向参考区域120和研究区域113，使得能够通过探测器18探测在全内反射条件下反射的光。此外，在分析区域，磁性元件13产生的磁场能够迫使磁性粒子2到达感测表面112上。

感测表面112还包括参考区域120和研究区域113，均未示出。到达感测表面112的参考区域120和研究区域113的入射光L1在全内反射条件下被反射，成为光束L2。然而，在研究区域113，该内反射可以是在受抑全内反射条件。也就是说，一旦磁性粒子2移动到研究区域113上，则归因于入射光束L1而存在于那里的消逝光就被散射和吸收，导致反射离开研究区域113的光L2的强度的改变。此改变能够由上述探测器18探测。

探测器18产生两个特征信号213、220。在全内反射条件下在研究区域113反射的光的强度产生为第一特征信号213，在全内反射条件下在参考区域120反射的光的强度产生为第二特征信号220。校准器20于是比较第一特征信号213和第二特征信号220，以产生校正的结果。比较的结果由显示装置21显示。

图13示意性和示范性地示出了结合到感测装置的研究区域113的磁珠。感测表面112的研究区域113涂覆有抗体114。抗体114能够结合分析物2’。此外，磁珠2涂覆有抗体以结合分析物2’。一旦在介质4中增加分析物2’，则分析物2’夹置于抗体114和磁珠2之间，从而有效地将磁珠2耦合到研究区域113。磁珠2于是能够影响在研究区域113反射的光，如关于例如图12描述的。磁珠优选地是至少一个维度在3nm与10000nm之间的范围中的粒子，优选地在10nm与3000nm之间，并且更优选地在200nm与1000nm之间。

图14示意性和示范性地示出了本发明的方法。在步骤401中，提供具有研究区域113和参考区域120的感测表面112。参考元件121位于参考区域120以遮蔽参考区域120，使得在全内反射条件下在参考区域120反射的光保持未受到目标物质2的存在或不存在或包括目标物质2的介质4的着色的颗粒的存在或不存在以及在可应用的地方分析物的存在或不存在的影响。假定参考区域120的该参考元件121在一些实施例中可以作为独立的方法步骤执行。

在步骤401后，在步骤402中在全内反射条件下照明研究区域113和参考区域120。探测器18探测在全内反射条件下从研究区域113(步骤403)和参考区域120(步骤404)反射的光。步骤403和404能够同时执行，例如使用CCD探测器。根据从研究区域113反射的光，从探测器18获得第一特征信号213。根据从参考区域120反射的光，从探测器18获得第二特征信号220。

在另一步骤410中，由校准器20读取第一213和第二220特征信号。考虑第二特征信号220，校准器20校准第一特征信号213。校准的第一特征信号213由校准器20输出。

在上述实施例中，介质4优选地是血液。在其它实施例中，流体能够是任何其它流体，特别是任何其它流体，例如唾液或尿。感测和分析器装置10的优选应用是在护理诊断和药物探测或心脏病发生的探测的现场，并且特别是基于手指穿刺血液采样和唾液采样。

本发明的装置、方法以及***适用于传感器复用(即不同传感器和传感器表面的并行使用)、标签复用(即不同类型的标签作为目标物质2的并行使用)以及室(chamber)复用(即不同反应室的并行使用)。

本发明中描述的装置和方法能够用作用于小采样体积的迅速的、鲁棒的、且易于使用的护理点(point-of-care)生物传感器。载体能够是与紧凑的读取器一起使用的一次性物品，包含一个或多个磁场生成构件和一个或多个探测构件。还有，本发明的装置和方法能够用于自动高吞吐量测试中。在此情况下，载体是例如井板(well plate)或小池类型的载体，装配到自动仪器中。

在以上实施例中，装置使用消逝场技术来确定感测表面112的研究区域113上的磁性颗粒的量。在其它实施例中，可以探测其它物质。除分子化验物外，也能够探测较大的半族(moiety)，例如细胞、病毒、或细胞或病毒的碎片、组织提取物等。

特别是，参照如图13中描述的夹心测定描述了实施例。然而，能够采用其它测定类型，例如结合/非结合测定、夹心测定、竞争测定、移位测定、酶测定等。

可以通过目标物质2存在于研究区域113上来直接分析目标物质2，而不使用磁珠。对于对研究区域113上的消逝场的光具有高的吸收或散射能力的目标物质2，这是特别优选的。另外或替代地，也能够在探测之前处理目标物质2。另外的处理的范例是增加另外的材料或更改目标物质2的(生物)化学或物理性质以易于探测。目标物质2可以例如与反应物反应，以改变其对研究区域113上的消逝场的光的吸收或散射能力。特别是，目标物质2可以共价地连接至光吸收或散射物质，以影响研究区域113中的消逝场。

能够利用传感器元件对感测表面112，特别是参考区域120和/或研究区域113，进行扫描来进行探测，或不利用该扫描来进行探测。

在以上实施例中，参考元件121描述为对入射光透明的元件，但是选择为在全内反射条件下实施反射。然而，参考元件121也可以是真实反射镜121，优选地金属层，以反射入射光。考虑到感测表面材料的折射率和入射光，这消除了选择用于制造参考元件121的具有足够的折射率的该材料需求。

根据对附图、说明书以及所附权利要求的研究，在实践所声称的发明时，本领域技术人员能够理解并实施对公开的实施例的其它变形。

权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且定冠词“一”不排除多个。

单个单元或装置可以履行权利要求中记载的数项的功能。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的仅有事实不表示不能有利地利用这些措施的组合。

权利要求中的任何参考符号不应视为限制权利要求的范围。附图和实施例不应视为限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种用于探测研究区域(113)中的目标物质(2)的感测装置(100)，包括：

-光源(11)，生成入射光束L1，

-感测表面(112)，具有研究区域(113)和参考区域(120)，

-参考元件(121)，位于所述参考区域(120)并配置为将所述参考区域(120)从所述目标物质(2)遮蔽，使得在全内反射条件下在所述参考区域(120)反射的光保持不受到所述目标物质(2)的存在或不存在的影响，

-校准器(20)，比较所述参考区域(120)和所述研究区域(113)的输出光L2。

-其中，所述参考元件(121)具有的折射率和尺寸使得在所述参考区域(120)引起的消逝场保持不受到所述目标物质(2)的存在或不存在的影响。

2.根据权利要求1所述的感测装置(100)，其中，所述研究区域(113)包括用于结合所述目标物质(2)的结合物(114)。

3.根据权利要求2所述的感测装置(100)，其中，所述感测装置(100)被配置为分析介质(4)中的浓度小于或等于1nM的物质(2，2’)的存在。

4.根据权利要求1所述的感测装置(100)，其中，在所述参考区域(120)的所述感测表面(112)相对于所述研究区域(113)的所述感测表面(112)倾斜，以容许所述参考区域(120)的入射光束(L1)以比所述研究区域(113)的平行入射光束的角度浅的角度入射。

5.根据权利要求1所述的感测装置(100)，其中，所述参考区域(120)邻近所述研究区域(113)。

6.根据权利要求1所述的感测装置(100)，其中，所述参考区域(120)包括反射入射光的镜子(121)。

7.根据权利要求1所述的感测装置(100)，其中，所述感测装置(100)为具有载体(110)的管头(100)，所述载体(110)上包括所述感测表面(112)。

8.根据权利要求1所述的感测装置(100)，还包括

-光源(11)，将入射光(L1)引导至所述感测表面(112)的所述研究区域(113)和所述参考区域(120)，以使得所述入射光(L1)在全内反射条件下在所述研究区域(113)和所述参考区域(120)被反射并由此生成反射光(L2)，

-探测器(18)，用于探测所述反射光(L2)，以产生取决于所述研究区域(113)的反射的第一特征信号(213)，和取决于所述参考区域(120)的反射的第二特征信号(220)，以及

-校准器(20)，用于考虑所述第二特征信号(220)来校准所述第一特征信号(213)。

9.根据权利要求8所述的感测装置(100)，其中，所述校准器(20)被配置为考虑所述第二特征信号(220)来校正或改善所述第一特征信号(213)的漂移。

10.根据权利要求1所述的感测装置(100)，被配置为与用于探测所述目标物质(2)的分析装置协同操作，其中，所述分析装置包括：

-用于容纳所述感测装置(100)的分析区域，

-光源(11)，在所述感测装置(100)容纳于所述分析区域中时，将入射光(L1)引导至所述分析区域，使得所述入射光(L1)被引导至所述感测表面(112)的所述研究区域(113)和所述参考区域(120)，并使得所述入射光(L1)在全内反射条件下在所述研究区域(113)和所述参考区域(120)被反射，由此生成反射光(L2)，

-探测器(18)，用于探测所述反射光(L2)，以产生取决于所述研究区域(113)的反射的第一特征信号(213)，和取决于所述参考区域(120)的反射的第二特征信号(220)，以及

-校准器(20)，用于考虑所述第二特征信号(220)来校准所述第一特征信号(213)。

11.一种用于探测目标物质(2)的分析器装置(10)，被配置为与用于探测所述目标物质(2)的感测装置(100)协同操作，其中，所述感测装置(100)包括：

-感测表面(112)，其上具有研究区域(113)和参考区域(120)，

-参考元件(121)，位于所述参考区域(120)并配置为将所述参考区域(120)从所述目标物质(2)遮蔽，使得在全内反射条件下在所述参考区域(120)反射的光保持不受到所述目标物质(2)的存在或不存在的影响，

其中，所述分析器装置(10)包括：

-用于容纳所述感测装置(100)的分析区域，

-光源(11)，在所述感测装置(100)容纳于所述分析区域中时，将入射光(L1)引导至所述分析区域，使得所述入射光(L1)被引导至所述感测表面(112)的所述研究区域(113)和所述参考区域(120)，并使得所述入射光(L1)在全内反射条件下在所述研究区域(113)和所述参考区域(120)被反射，由此生成反射光(L2)，

-探测器(18)，用于探测所述反射光(L2)，以产生取决于所述研究区域(113)的反射的第一特征信号(213)，和取决于所述参考区域(120)的反射的第二特征信号(220)，以及

-校准器(20)，用于考虑所述第二特征信号(220)来校准所述第一特征信号(213)。

12.根据权利要求11所述的分析器装置(10)，其中，所述校准器(20)被配置为考虑所述第二特征信号(220)来校正或改善所述第一特征信号(213)的漂移。

13.一种用于探测研究区域(113)中的目标物质(2)的感测方法，包括以下步骤：

-提供感测表面(112)，所述感测表面(112)上具有研究区域(113)和参考区域(120)，

-提供参考元件(121)，所述参考元件(121)位于所述参考区域(120)并被配置为将所述参考区域(120)从所述目标物质(2)遮蔽，使得在全内反射条件下在所述参考区域(120)反射的光保持不受到所述目标物质(2)的存在或不存在的影响，

-在全内反射条件下照明所述研究区域(113)和所述参考区域(120)。

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