用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置和方法

2023-05-13 10:18:56 2

專利名稱：用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及用於在浸液微流路徑環境下通過採用橢圓偏振法和反射法來量化小分子生物材料的分子相互作用的結合和離解動力的裝置和方法。更具體地，本發明涉及通過使偏振入射光入射到在薄介電膜中形成的生物材料結合層上使偏振入射光滿足P波非反射條件而以高靈敏度量化小分子生物材料的分子相互作用的結合和離解動力且幾乎不受由緩衝溶液引起的折射率變化影響的裝置以及使用該裝置的量化方法。
背景技術：
反射法(reflectometry)和橢圓偏振法(elIipsometry)是用於通過量化從樣品表面反射的反射光的反射係數或偏振狀態的變化以及分析量化值來獲得樣品的厚度或光學物理性質的光度分析技術。採用上述技術的量化設備包括反射計和橢圓計。目前利用反射計和橢圓計來評價半導體行業的納米薄膜製造工藝中的各種納米級的薄膜厚度和物理 性質。此外，反射計和橢圓計的應用擴展到生物行業，並且正在試圖用於分析生物材料(諸如蛋白質、DNA、病毒和新藥材料)的界面。常規反射計的問題在於雖然其足以評價幾納米(nm)以上的納米薄膜的厚度和物理性質，但是由於其在要求約I至O. OOlnm範圍內的靈敏度的分析小分子生物材料方面的低測量靈敏度而具有低可靠性。與反射計相比，橢圓計的測量靈敏度為O. Olnm以下。具體地，如與在半導體基底上方形成的具有高折射率的半導體相比具有相對較低折射率的氧化物膜的厚度測量，在折射率的差別較高的條件下，橢圓計具有高測量靈敏度。然而，為了分析更小分子的生物材料，橢圓計需要提高靈敏度的量化方法。用於提高分析生物材料時的測量靈敏度的常規技術包括表面等離子體共振(SPR)傳感器(下文稱為「SPR傳感器」)，其中混合了反射法和表面等離子體共振技術。表面等離子體共振現象是指以下現象金屬表面中存在的電子被光波激發並在表面的法線方向上共同振動,此時光能被吸收。已知SPR傳感器能夠通過採用對光的偏振特性敏感的表面等離子體共振現象來測量與金屬表面鄰近的納米薄膜的厚度和折射率變化，並且還通過採用不使用螢光材料的非標記方法實時測量生物材料的結合濃度的變化。圖I是示出用於分析生物材料的常規SPR傳感器的構造的示圖。如圖I所示，常規SPR傳感器主要包括稜鏡10、薄金屬膜20、微流路徑30、光源40、偏振器50、檢偏器60和光檢測器70。常規SPR傳感器具有塗在稜鏡10的一個表面上的厚度為數十納米的薄金屬膜20 (諸如金(Au)或銀(Ag))，並具有形成在薄金屬膜20上的微流路徑30。此處，當將溶解生物材料樣品32的緩衝溶液34注入到微流路徑30中時，生物材料與在薄金屬膜20的表面上形成的配體材料22相結合，從而形成預定厚度的結合層。接下來，光源40產生的光被偏振器50偏振。偏振的入射光經由稜鏡10以表面等離子體共振角(下文稱為SPR角(spr))入射到薄金屬膜20的界面上，以使其產生表面等離子體共振。此處，從薄金屬膜20反射的反射光包括關於樣品32的結合層的光學數據。SP，在樣品32結合至薄金屬膜20並從薄金屬膜20離解的過程中，分子相互作用的結合和離解動力(諸如結合濃度和結合層的厚度或折射率)發生了變化，因此改變了表面等離子體共振條件。圖2示出了在樣品32與薄金屬膜20結合的過程中呈現出的結合曲線和在樣品32從薄金屬膜20離解的過程中呈現出的離解曲線。在圖2中，結合速率常數ka的升高意味著生物材料的快速吸收，而離解速率常數kd的降低意味著生物材料被緩慢地離解。換句話說，可以通過測量結合速率常數和離解速率常數獲得平衡態的離解常數Kd = kd/ka。例如，通過測量小分子和新藥候選材料與包括癌風險因素的蛋白結合或離解的特性，可以確定可用作致癌劑的小分子和新藥候選材料是否可以用作新藥。接著，經由稜鏡10和檢偏器60，通過光檢測器70檢測包括諸如上面所述的光學數據的反射光。此處，光檢測器70可以通過測量反射光的偏振分量(即，反射光的強度)的變化獲得樣品32的分子相互作用的結合和離解動力。下面參考圖3和圖4描述用於分析生物材料的常規SPR傳感器的問題。圖3是 示出顯示出與常規反射係數相似特性的使用SPR傳感器測量的橢偏常數(ellipsometricconstant) Ψ的圖。如圖3所示,薄金屬膜20形成為50nm厚度的薄Au膜,並且使用波長為633nm的光源40。此外，測量結合層的厚度為Onm和lnm。另外，測量結合層的折射率η為I. 45，並且測量緩衝溶液34的折射率η為I. 333和I. 334。在常規SPR傳感器的原理中，通過測量反射係數或橢偏常數ψ (根據其可以知道反射光的強度變化)來測量示出最小反射係數的SPR角根據時間的偏移量。此處，如圖3所示，如果滿足了表面等離子體共振現象，則反射係數或橢偏常數Ψ具有最小值，並且SPR角接近59°。還可以看出隨著結合層厚度的增加以及緩衝溶液34的折射率的升高，橢偏常數Ψ向右移動。圖3示出了生物材料結合約Inm具有折射率I. 45的情況與生物材料無結合併且僅當緩衝溶液34的折射率從I. 333變化到I. 334時存在SPR變化的情況的比較。從圖3可以看出，這兩種情況示出了 SPR角具有相似的變化。換句話說，僅必須測量已從中去除緩衝溶液的折射率變化的純結合和離解特性，但可以看出當測量生物材料的結合和離解特性時，由於緩衝溶液的折射率的變化，測量結果產生問題。圖4是示出常規問題的示圖，其中，在樣品結合和離解過程中出現的樣品固有的結合和離解動力以及由緩衝溶液引起的折射率變化混在一起。圖4(a)是示出在結合和離解過程中出現的樣品32固有的結合和離解濃度的示圖。圖4(b)是示出由緩衝溶液34的折射率變化引起的SPR傳感器的測量結果的變化的示圖。圖4(c)是示出在樣品32固有的結合濃度和由緩衝溶液34引起的折射率變化混在一起的狀態下通過SPR傳感器測量的樣品32的結合和離解濃度的示圖。即，樣品32對根據緩衝溶液34的折射率變化的效果(箭頭所示)非常敏感，因此沒有明確地出現僅純樣品32的結合和離解濃度。因此，通過僅分析純樣品32的結合和離解濃度難以計算樣品32的結合和離解濃度。另一方面，為了校正緩衝溶液34的折射率變化以及防止由樣品32和緩衝溶液34之間的擴散引起的誤差，正在使用一種校正方法，其使用精製閥裝置和精製空氣注入裝置以及用作參考通道的兩個或多個通道。然而，這種方法難以區分由緩衝溶液34的折射率變化引起的SPR角的變化和由純結合和離解特性引起的SPR角的變化，並且這些變化可以總是用作測量誤差因素。因此，常規SPR傳感器在測量具有低分子量的材料(諸如小分子)的結合和離解特性中由於諸如上述方法的測量方法的限制而具有根本問題。
此外，常規SPR傳感器需要高製造成本用於進行表面等離子體共振的傳感器，因為其使用由貴金屬(諸如金(Au)或銀(Ag))製成的薄金屬膜20。此外，薄金屬膜20的問題在於，因為由於生產工藝表面粗糙度是不均勻的，所以折射率具有劇烈的變化，並且由於不穩定的光學特性而難以量化測量生物材料。

發明內容
技術問題因此，鑑於現有技術中出現的上述問題而做出本發明，本發明的實施例提供了用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置和方法，其在浸液微流路徑環境中不受由緩衝溶液引起的折射率變化的影響並且因為不使用具有不穩定光特性的薄金屬膜而能夠改進測量靈敏度。 本發明的另一實施例提供了用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置和方法，其通過使用被優化用於分析小分子生物材料的微流路徑結構能夠增加對結合和離解動力的研究的可靠性和有效性。問題的解決方案根據本發明的實施例，提供了用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置，該裝置包括微流路徑結構100，包括支撐件110、在支撐件110上形成並由半導體或介電材料製成的基底120、在基底120上形成的薄介電膜130、配置成具有分別在一側和另一側上提供的入射窗142和反射窗144並且設置在支撐件110上的覆蓋單元140以及在支撐件110中和在支撐件110和覆蓋單元140之間形成的微流路徑150 ;樣品注入單元200，用於通過將包含生物材料的樣品的緩衝溶液210注入到微流路徑150中來在薄介電膜130上形成樣品的結合層160 ;偏振生成單元300，用於將通過入射窗142偏振的入射光以滿足P波非反射條件的入射角Θ輻射到結合層160;以及偏振檢測單元400，用於檢測通過反射窗144入射的結合層160的反射光的偏振變化。薄介電膜130包括半導體氧化物膜或由透明材料製成的玻璃膜。優選地，薄介電膜130的厚度為O至IOOOnm0此外，微流路徑結構100包括分別在支撐件110的一側和另一側上形成的多個流入路徑152和多個流出路徑154以及被配置成具有在覆蓋單元140的內面中形成的多個阻擋肋(barrier rib) 146且分別連接流入路徑152和流出路徑154的多通道的微流路徑150。此外，微流路徑結構100形成單通道的微流路徑150，並且可以在薄介電層130上進一步形成與樣品相結合的多個不同的自組單層132。此外，覆蓋單元140的入射窗142和反射窗144的每一個都具有彎曲殼體形式，該彎曲殼體形式具有預定曲率。入射光和反射光以垂直的角度或者以入射光和反射光的每一個的偏振狀態沒有發生大改變的程度的幾乎垂直的角度分別入射到入射窗142和反射窗144。此外，覆蓋單元140的入射窗142和反射窗144的每一個都具有平板形狀。入射光和反射光可以以垂直的角度或者以入射光和反射光的每一個的偏振狀態沒有發生大改變的程度的幾乎垂直的角度分別入射到入射窗142和反射窗144。
此外，優選地，覆蓋單元140整體由玻璃或透明合成樹脂材料製成。此外，結合層160是多層膜，包括適合於各種生物材料、固定材料以及包括與固定材料結合的小分子的各種生物材料的結合特性的自組單層132。此外,偏振生成單兀300包括用於福射預定光的光源310和用於偏振福射光的偏振器320。此處，光源310輻射單色光或白光，並且其可以是具有可變波長結構的雷射器或
雷射二極體。此外，偏振生成單元300可以包括用於向偏振器320提供平行光的準直透鏡330、用於通過聚集穿過偏振器320的平行光來增加入射光量的聚焦透鏡340以及用於相位延遲入射光的偏振分量的第一補償器350中的至少一種。此處，偏振器320和第一補償器350可以旋轉配置或者可以進一步配備有其他偏振調製裝置。 此外，偏振檢測單元400可以包括配置成偏振反射光的檢偏器410、配置成通過檢測偏振的反射光獲得預定光學數據的光檢測器420以及電連接至光檢測器420並配置成基於光學數據導出量化值的操作處理器430。進一步地，光檢測器420可以包括CCD型固態陣列、光電倍增管和矽光電二極體中的任何一種。進一步地，操作處理器430通過獲得關於橢圓偏振法的相位差的橢偏常數Ψ或△來導出包括樣品的結合濃度、結合常數和離解常數的量化值。此外，偏振檢測單元400可以進一步包括用於相位延遲反射光的偏振分量的第二補償器440和用於形成反射光光譜的分光鏡450中的至少一種。此處，檢偏器410和第二補償器440可以旋轉配置或者進一步配備有其他偏振調製裝置。根據本發明的另一方面，提供了量化分子相互作用的結合和離解動力的方法，該方法包括第一步驟S 100，樣品注入單元200將包括小分子生物材料的樣品的緩衝溶液210注入到微流路徑結構100的微流路徑150中；第二步驟S200，將樣品結合至微流路徑結構100的薄介電膜130，從而形成結合層160 ;第三步驟S300，偏振生成單元300偏振預定光並使偏振光通過微流路徑結構100的入射窗142以滿足P波非反射條件的入射角入射到結合層160上；第四步驟S400，結合層160的反射光通過微流路徑結構100的反射窗144入射到偏振檢測單元400 ;以及第五步驟S500，偏振檢測單元400採用橢圓偏振法或反射法檢測反射光的偏振狀態。此外，在第一步驟SlOO中，將包括不同濃度樣品的緩衝溶液210注入到包括多通道的微流路徑結構100的相應微流路徑150中。此外，在第二步驟S200中，樣品與在薄介電膜130上形成的多個不同的自組單層132相結合，從而形成不同的結合層160。此外，第五步驟S500包括檢偏器410偏振反射光的步驟、光檢測器420通過檢測偏振的反射光獲得預定光學數據的步驟以及操作處理器430通過基於光學數據獲得橢圓偏振法的橢偏常數Ψ或△來導出包括樣品的結合濃度、結合常數和離解常數的量化值的步驟。本發明的有益效果如上所述，根據本發明的用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置和方法，使用薄介電膜來替代薄金屬膜進行樣品的結合。因此，僅樣品中固有的結合和離解動力可以被精確地測量，而幾乎不受由緩衝溶液引起的折射率變化的影響。此外，一個優點在於通過使用由便宜的半導體或介電材料製成的基底和薄介電膜可以顯著降低製造成本。此外，根據本發明，在P波非反射條件下採用橢圓偏振法和反射法，並且通過使用雷射器或雷射二極體提供具有大光量的入射光。因此，增加了信噪比，從而可以進行高靈敏度測量。此外，優點在於當採用橢圓偏振法時，在P波非反射條件中可以進行使用振幅比Ψ的量化測量，並且可通過以除P波非反射條件之外的角度測量相位差△進行高靈敏度測量。此外，本發明的微流路徑結構包括被優化用於分析小分子生物材料的微流路徑以及由多個自組單層組成的多通道或單通道。因此，可以提供各種實驗條件，其中，將具有變化濃度的樣品注入到多通道微流路徑中或者改變自組單層的結合程度。因此，一個優點在於可以改進生物材料分析實驗的有效性。此外，因為可以在浸液微流路徑環境中以非標記方式實施生物材料的高靈敏度測量，所以本發明可以用於各種行業領域，諸如生物、藥物治療、食品和環境。儘管已經結合一些示例性實施例描述了本發明，但是本領域技術人員應理解，在不背離本發明的技術宗旨的情況下可以以各種形式修改和改變本發明。顯然，所有這些修改或者改變或者這兩者都落在所附權利要求的範圍內。


根據結合附圖所作的下列詳細描述將更清楚地理解本發明的上述特徵和其他優點，其中圖I是示出用於分析生物材料的常規SPR傳感器的構造的示圖；圖2是示出在樣品與薄金屬膜結合或者從薄金屬膜離解的過程中結合濃度的變化的示圖；圖3是示出使用常規SPR傳感器測量的橢偏常數Ψ結果的示圖；圖4至圖6是示出在樣品結合和離解過程中出現的樣品中固有的結合和離解動力與由緩衝溶液弓I起的折射率變化混在一起的常規問題；圖7是示出根據本發明實施例的用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置的構造的示意圖；圖8是示出根據本發明的多通道微流路徑結構的實例的透視圖；圖9是多通道微流路徑結構的分解透視圖；圖10是示出根據本發明的多通道微流路徑結構的另一實例的透視圖；圖11是示出根據本發明的單通道微流路徑結構的實例的分解透視圖；圖12是示出根據本發明的量化分子相互作用的結合和離解動力的方法的流程圖；
圖13是示出在薄介電膜由氧化矽膜形成的情況下根據緩衝溶液折射率的變化的橢偏常數Ψ和△的變化的示圖；圖14是示出在薄介電膜由氧化矽膜形成的情況下根據樣品結合層厚度的變化的橢偏常數Ψ和△的變化的示圖；圖15是示出在基底由玻璃材料製成的情況下根據樣品結合層厚度的變化的橢偏常數Ψ和Λ的變化的示圖；以及
圖16是示出在基底由矽(Si)製成的情況下根據氧化矽膜或結合材料的厚度變化的橢偏常數Ψ和Λ的變化的示圖。100,100/ :微流路徑結構110:支撐件112:凹槽單元120 :基底130:薄介電膜140 :覆蓋單元132:自組單層142 :入射窗144:反射窗146 :阻擋肋150 :微流路徑152 :流入路徑 154 :流出路徑160 :結合層200 :樣品注入單元210 :緩衝溶液300 :偏振生成單元310 :光源320 :偏振器330 :準直透鏡340 :聚焦透鏡350 :第一補償器410 :檢偏器400 :偏振檢測單元420 :光檢測器430 :操作處理器440:第二補償器450 :分光鏡
具體實施例方式下文，參考附圖詳細描述本發明的一些實施例。相同的附圖標號表示相同的元件。[用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置的構造]首先，參考附圖描述根據本發明實施例的用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置的構造。圖7是示出根據本發明實施例的用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置的構造的示意圖。如圖7所示，根據本發明實施例的用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置主要包括微流路徑結構100和樣品注入單元200，提供浸液微流路徑環境；以及光學系統，包括提供入射光的偏振生成單元300和檢測反射光的偏振變化的偏振檢測單元 400。本發明通過採用橢圓偏振法和反射法測量包括小分子的生物材料的結合和離解動力。在本發明的裝置中，在樣品注入單元200中，將包括生物材料的樣品(未示出)的緩衝溶液210注入到微流路徑結構100中。此處，如後面所描述的，微流路徑結構100可以具有由多通道或單通道形成的微流路徑150。圖8是示出根據本發明的多通道微流路徑結構的實例的透視圖，以及圖9是多通道微流路徑結構的分解透視圖。如圖8和圖9所示，微流路徑結構100包括支撐件110、基底120、薄介電膜130和覆蓋單元140。微流路徑結構100被配置成具有多個微流路徑150以形成多通道。支撐件110具有如圖9所示的方形板形狀，並且在長度方向上形成有凹槽單元112。在凹槽單元112中形成基底120和薄介電膜130。此外，在凹槽單元112的一側和另一側上形成微流路徑150的流入路徑152和流出路徑154。此處，通過採用半導體蝕刻技術或曝光技術形成凹槽單元112、流入路徑152和流出路徑154。基底120具有方形板形狀，並且其形成在支撐件110的凹槽單元112中。根據本發明，基底120由矽(Si)製成，其在532nm下具有約為4. 1285+ 0. 0412的復折射率並提供穩定的物理性質且具有低成本。然而，基底120可以由矽(Si)以外的半導體或介電材料製成。薄介電膜130用於使小分子生物材料樣品(未示出)與其相結合併從其上離解下來，並且用於反射入射光。如圖9所示，在基底120上形成薄介電膜130。此處，薄介電膜130可以由透明和薄膜材料(包括半導體氧化物膜或玻璃膜)製成。而且，優選地，薄介電膜130的厚度為O至lOOOnm。另一方面，薄介電膜130的最常見實例包括通過自然地氧化矽(Si)而生長的厚度為幾納米的氧化矽(SiO)膜。在532nm下氧化矽膜的折射率約為I. 461，並且與由矽(Si)製成的基底120的折射率大不相同。因此，根據本發明，氧化矽膜有助於增加測量靈敏度。此外，由光學玻璃製成的玻璃膜可被用作薄介電膜130。與諸如金(Au)或銀(Ag)的薄金屬膜相比，由氧化矽膜和玻璃膜形成的薄介電膜130可以具有恆 定的折射率。因此，優點在於可以提供穩定的光特性，並且可以降低本發明的製造成本。如圖5至圖6b所示，覆蓋單元140配備有分別在支撐件110的一側和另一側上提供的入射窗142和反射窗144。此處，入射窗142和反射窗144以具有預定曲率的彎曲殼體形式形成，以使入射光和反射光可以垂直入射到入射窗142和反射窗144上。如圖9所示，覆蓋單元140進一步配備有用於形成微尺度的微流路徑150的多個阻擋肋146。僅覆蓋單元140的入射窗142和反射窗144可以由諸如玻璃或透明合成樹脂的透光材料製成，但是優選為了便於製造，通過採用模塑方法整體形成覆蓋單元140的整個結構，包括入射窗142、反射窗144和阻擋肋146。另一方面，合成樹脂材料可以包括例如丙烯酸樹脂，諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。諸如磷酸矽聚合物(PDMS)和聚二甲矽氧烷的基於矽(Si)的材料也可以用作合成樹脂材料。微流路徑150是包括樣品的緩衝溶液210在其中流動以及從其中排出的通路。形成多個微流路徑150。S卩，因為覆蓋單元140的阻擋肋146之間的每個空間都與如上所述在支撐件110中形成的流入路徑152和流出路徑154相通，所以在微流路徑結構100中形成多個微流路徑150。此處，微流路徑150的寬度為Imm以下的微尺度。圖10是示出了根據本發明的多通道微流路徑結構的另一實例的透視圖。如圖10所示，在多通道微流路徑結構100'中，覆蓋單元140'的入射窗142'和反射窗144'可以具有平板形狀。在這種情況下，圖7的偏振生成單元300和偏振檢測單元400使入射光和反射光以入射光和反射光中每一個的偏振狀態沒有發生較大改變的程度的幾乎垂直的角度分別入射到發射窗142'和反射窗144'或者將入射光和反射光固定到入射光和反射光分別垂直入射到入射窗142'和反射窗144'的相應位置。圖11是示出根據本發明的單通道微流路徑結構的實例的分解透視圖。如圖11所示，單通道的微流路徑結構100"包括一個微流路徑150"。即，微流路徑結構100"包括在覆蓋單元140"的兩端上形成的一對阻擋肋146"以及在支撐件110中形成的一個流入路徑152"和一個流出路徑154"，從而形成單通道的微流路徑150"。此外，在薄介電膜130上形成多個不同的自組單層(SAM)132。自組單層132由單體形成，其中單體由頭部基團和尾部基團組成並自發通過分子的化學結合方法進行排列。此處，自組單層132中的每一個都可以通過化學轉換自組單層132的尾部基團的官能團而具有不同的界面特性。即，自組單層132中的每一個都具有與樣品不同的結合和離解程度的傳感器結構，並且自組單層132可以同時測量生物材料的各種結合和離解動力。如圖7所示，樣品注入單元200將包括由小分子生物材料製成的樣品(未示出)的緩衝溶液210注入到微流路徑150的流入路徑152中。樣品注入單元200包括閥裝置(未示出)，其被配置成以預定濃度在緩衝溶液210中溶解樣品並將緩衝溶液210注入到微流路徑150中或者切斷樣品的注入。此處，樣品注入單元200可以在樣品具有不同濃度或者具有時滯的狀態下將緩衝溶液210注入到每個通道的微流路徑150中。另一方面，當將緩衝溶液210注入到微流路徑150中時,一些樣品(未不出)結合在薄介電膜130上,從而形成預定厚度的結合層160。此處，結合層160可以是多層膜，其由適合於各種生物材料、固定材料和包括結合於固定材料的小分子的各種生物材料的結合特性的自組單層132組成。如圖7所示，偏振生成單元300用於將通過微流路徑結構100的入射窗142偏振 的入射光輻射到結合層160。偏振生成單元300可以包括作為基本元件的光源310和偏振器320，並且可以進一步包括準直透鏡330、聚焦透鏡340或第一補償器350。此處，偏振器320和第一補償器350可以旋轉配置，或者可以進一步包括其他偏振調製裝置。另一方面，偏振入射光具有P波和S波偏振分量，並且為了增加信噪比，可以將幾乎接近P波的光入射到結合層160上。在本發明中，必須以滿足P波非反射條件的入射角Θ輻射入射光。在橢偏方程中，可以通過P波的反射係數比Rp與s波的反射係數比Rs的比率來表示復反射係數比(即，P = Rp/Rs)。P波非反射條件是指使P波的反射係數比Rp的值接近O的條件。P波非反射條件與常規SPR傳感器的表面等離子體共振條件相似，並且是使本發明的測量靈敏度最大的條件。光源310輻射具有與紅外線、可見光或紫外線相同的波長帶的單色光，或者輻射白光。可以將各種燈、發光二極體(LED)、雷射器或雷射二極體(LD)用作光源310。此處，光源310可以包括能夠根據光學系統的結構改變波長的結構。另一方面，在上述P波非反射條件附近，反射光的光信號的量可能相對較小。在這種情況下，可以通過使用雷射器或雷射二極體(LD)輻射具有大光量的光來增加信噪比，從而能夠實現高靈敏度測量。偏振器320包括偏振板並且偏振由光源310福射出的光。此處，偏振光的分量包括與入射表面平行的P波和與入射表面垂直的S波。準直透鏡330接收來自光源310的光並且向偏振器32提供平行光。此外，聚焦透鏡340可以通過聚集穿過偏振器320的平行光來增加入射光的量。此外，第一補償器350起到相位延遲入射光的偏振分量的作用。如圖7所示，偏振檢測單元400用於通過反射窗144接收由結合層160反射的光並檢測反射光的偏振狀態的變化。偏振檢測單元400包括檢偏器410、光檢測器420和操作處理器430 (即，基本元件)，並且可以進一步包括第二補償器440和分光鏡450。此處，檢偏器410對應於偏振器320並且包括偏振板。檢偏器410可以通過再次偏振反射光來控制反射光的偏振程度或者偏振面的方向。此外，檢偏器410可以根據光學系統的結構旋轉配置，或者其可以進一步包括能夠執行諸如偏振分量的相位變化或清除的功能的偏振調製裝置。
光檢測器420用於通過檢測偏振的反射光獲得光學數據並將該光學數據轉化成電信號。此處，光學數據包括關於反射光偏振狀態變化的信息。CCD型固態陣列、光電倍增管(PMT)或矽光電二極體可用作光檢測器420。操作處理器430起到通過獲取來自光檢測器420的電信號來導出量化值的作用。操作處理器430具有嵌入其中的採用反射法和橢圓偏振法的預定解釋程序。操作處理器430可以通過提取和解釋轉化成電信號的光學數據來導出量化值，諸如樣品的結合濃度以及結合層160的厚度、結合常數、離解常數和折射率。此處，優選地，為了提高測量靈敏度，操作處理器430通過獲取關於橢圓偏振法的相位差的橢偏常數Ψ或△來導出量化值。第二補償器440起到通過相位延遲控制反射光的偏振分量的 作用。第二補償器440可以旋轉配置，或者可以進一步包括其他偏振調製裝置。在光源310是白光光源的情況下,使用分光鏡450。分光鏡450使反射光形成光譜，分離具有窄區域波長的反射光，並且將其發送到光檢測器420。此處，光檢測器420可以通過使用2維圖像傳感器(諸如CCD型固態陣列)獲得關於反射光分布的光學數據。[量化分子相互作用的結合和離解動力的方法]下文，描述量化分子相互作用的結合和離解動力的方法和原理。圖12是示出根據本發明的量化分子相互作用的結合和離解動力的方法的流程圖。如圖12所示，本發明的量化方法經歷了第一步驟SlOO至第五步驟S500。在第一步驟SlOO中，如圖7所示，樣品注入單元200在緩衝溶液210中溶解包括小分子的生物材料樣品(未示出)，並將它們注入到微流路徑結構100的微流路徑150中。此處，樣品注入單元200可以將包括不同濃度的樣品的緩衝溶液210注入到多通道的相應微流路徑150中。此外，樣品注入單元200可以利用針對相應微流路徑150的時滯注入緩衝溶液210。而且，樣品注入單元200可以將緩衝溶液210注入到一些微流路徑150中，並且可以不使用其餘的微流路徑150。在第二步驟S200中，將生物材料的樣品(未示出)結合至薄介電膜130，從而形成結合層160。與上面不同，樣品可以結合至圖11所示單通道微流路徑結構100"中形成的多個不同的自組單層132，從而形成具有不同結合特性的結合層160。在第三步驟S300中，由光源310輻射的預定光通過偏振器320進行偏振，然後通過微流路徑結構100的入射窗142入射到結合層160上。此處，偏振的入射光具有P波和s波偏振分量。另一方面，入射光必須具有滿足P波非反射條件的入射角Θ。在第四步驟S400中，由結合層160反射的反射光通過微流路徑結構100的反射窗144入射到偏振檢測單元400上。此處，反射光處於橢圓偏振狀態。在第五步驟S500中，偏振檢測單元400檢測反射光的偏振狀態。更具體地，首先，檢偏器400接收來自結合層160的橢圓偏振反射光,並僅傳播符合偏振特性的光。接著，光檢測器420通過檢測反射光的偏振分量的變化獲得預定的光學數據，將該光學數據轉化成電信號，並將電信號傳送至操作處理器430。接著，具有嵌入其中的使用反射法或橢圓偏振法的程序的操作處理器430通過提取和解釋轉化成電信號的光學數據來導出量化值，諸如樣品的結合濃度、結合和離解常數以及折射率。此處，在本發明中，操作處理器430通過獲得橢圓偏振法的振幅比Ψ和相位差Λ來導出量化值。除了非常接近P波非反射角的角度，相位差Λ的值具有極好的靈敏度，比振幅比ψ的值的靈敏度大10倍。可以通過測量相位差Λ的值來提高測量靈敏度。然而，在P波非反射角下，相位差△幾乎無變化，而振幅比Ψ的值的靈敏度大幅提高。具體地，P波非反射角下的振幅比Ψ的值的變化對於量化測量來說是有利的，因為其具有僅響應於結合材料的厚度或折射率的變化的線性變化而不考慮作為基底材料的薄介電膜。[實驗實例]圖13是示出在薄介電膜由氧化矽膜形成的情況下根據緩衝溶液折射率的變化的橢偏常數的變化的示圖。在圖13中，光源310具有532nm的波長，並且厚度為2nm的氧化矽膜用作薄介電膜130。根據圖13，可以看出與P波非反射條件相對應的入射角約為72，在該角度下，橢偏常數Ψ和△的值突然發生變化。還可以看出，在未形成結合層160(0nm)的情況下，根據緩衝溶液210的折射率變化(I. 333，I. 334)，橢偏常數Ψ和Λ的值幾乎沒有變化。意味著可以只測量樣品中固有的結合和離解動力，因為使用了提供穩定光特性的薄介電膜130。
此外，在緩衝溶液210的折射率是定值(I. 333)並且結合層160的厚度從Onm變化到Inm的情況下，在P波非反射角下振幅比Ψ值的變化是靈敏的，並且除了非常接近P波非反射角的角度，相位差△的靈敏度是極好的。圖14是示出在薄介電膜由氧化矽膜形成的情況下根據樣品結合層的厚度變化的橢偏常數Ψ和Λ的變化的示圖。圖14示出了緩衝溶液210的折射率是定值(I. 333)並且結合層160的厚度是Onm至3nm的情況。根據圖14可以看出，在與p波非反射條件相對應的約72°的入射角下，橢偏常數Ψ和Λ的值有變化。根據圖14可以看出，在P波非反射角下，振幅比Ψ值的變化是靈敏的，並且除了非常接近P波非反射角的角度，相位差Λ的靈敏度是極好的。圖15是示出在基底120由玻璃材料製成且沒有使用薄介電膜(Onm)的情況下根據樣品結合層的厚度變化的橢偏常數Ψ和△的變化的示圖。在圖15中，光源310具有532nm的波長，並且玻璃膜(SF 10)用作基底120。根據圖15可以看出，與p波非反射條件相對應的入射角約為52. 5，在該角度下，橢偏常數Ψ和△的值突然發生變化。與上面的實驗類似，可以看出橢偏常數Ψ和Λ的值根據結合層160的厚度變化(Inm至4nm)而變化。此外，根據圖15，可以看出在P波非反射角下，振幅比Ψ值的變化是靈敏的，並且除了非常接近P波非反射角的角度，相位差Λ的靈敏度是極好的。圖16是示出在基底由矽(Si)製成的情況下根據氧化矽膜或吸收材料的厚度變化的橢偏常數Ψ和Λ的變化的示圖。根據圖16，可以看出在P波非反射角下，相位差Λ幾乎沒有變化，而振幅比Ψ的值具有顯著的變化。此處，可以看出振幅比Ψ值的變化具有響應於結合在基底材料上的薄膜的厚度或反射率的變化的線性變化。如果入射光的波長和介質的折射率已知，則基于振幅比Ψ的值，可以進行量化測量。因此，如果使用根據本發明的用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置和方法，可以開發出與對周圍環境變化敏感的SPR傳感器不同的生物傳感器，該生物傳感器能夠僅量化分析僅符合結合特性的變化。
權利要求
1.一種用於量化分子相互作用的結合和離解動力的裝置，包括 微流路徑結構(100)，包括支撐件(110);基底(120)，形成在所述支撐件(110)上並由半導體或介電材料製成；薄介電膜(130)，形成在所述基底(120)上；覆蓋單元(140)，被配置成具有分別設置在一側和另一側上的入射窗(142)和反射窗(144)並且所述覆蓋單元140設置在所述支撐件(110)上；以及微流路徑(150)，形成在所述支撐件(110)中以及所述支撐件(110)和所述覆蓋單元(140)之間； 樣品注入單元(200)，用於通過將包含生物材料的樣品的緩衝溶液(210)注入到所述微流路徑(150)中而在所述薄介電膜(130)上形成樣品的結合層(160)； 偏振生成單元(300)，用於將通過所述入射窗(142)偏振的入射光以滿足P波非反射條件的入射角Θ輻射到所述結合層(160);以及 偏振檢測單元(400)，用於檢測通過所述反射窗(144)入射的所述結合層(160)的反射光的偏振的變化。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述薄介電膜(130)包括半導體氧化物膜或者由透明材料製成的玻璃膜。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中，所述薄介電膜(130)的厚度為O至lOOOnm。
4.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述微流路徑結構(100)包括 多個流入路徑(152)和多個流出路徑(154)，分別形成在所述支撐件(110)的一側和另一側上；以及 多通道的所述微流路徑(150)，被配置成具有形成在所述覆蓋單元(140)的內面中的多個阻擋肋(146)並且分別連接所述流入路徑(152)和所述流出路徑(154)。
5.根據權利要求I所述的裝置，其中 所述微流路徑結構(100)形成單通道的所述微流路徑(150)，以及 與所述樣品相結合的多個不同的自組單層(132)進一步形成在所述薄介電膜(130)上。
6.根據權利要求4所述的裝置，其中 所述覆蓋單元(140)的所述入射窗(142)和所述反射窗(144)中的每一個都具有彎曲殼體形式，所述彎曲殼體形式具有預定曲率；以及 所述入射光和所述反射光以垂直角度或者以所述入射光和所述反射光中的每一個的偏振狀態沒有較大改變的程度的幾乎垂直的角度分別入射到所述入射窗(142)和所述反射窗(144)上。
7.根據權利要求4所述的裝置，其中 所述覆蓋單元(140)的所述入射窗(142)和所述反射窗(144)的每一個都具有平板形狀，以及 所述入射光和所述反射光以垂直角度或者以所述入射光和所述反射光中的每一個的偏振狀態沒有較大改變的程度的幾乎垂直的角度分別入射到所述入射窗(142)和所述反射窗(144)上。
8.根據權利要求4所述的裝置，其中，所述覆蓋單元(140)由玻璃或透明合成樹脂材料整體製成。
9.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述結合層(160)是多層膜，包括適合於各種生物材料、固定材料以及包括結合至所述固定材料的小分子的各種生物材料的結合特性的自組單層(132)。
10.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述偏振生成單元(300)包括 光源(310)，用於輻射預定光；以及 偏振器(320),用於偏振所福射的光。
11.根據權利要求10所述的裝置，其中，所述光源(310)輻射單色光或者白光。
12.根據權利要求10所述的裝置，其中，所述光源(310)是具有可變波長結構的雷射器或者雷射二極體。
13.根據權利要求10所述的裝置，其中，所述偏振生成單元(300)包括以下元件中的至少一種 準直透鏡(330)，用於向所述偏振器(320)提供平行光； 聚焦透鏡(340)，用於通過聚集穿過所述偏振器(320)的所述平行光來增加所述入射光的量；以及 第一補償器(350)，用於相位延遲所述入射光的偏振分量。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中，所述偏振器(320)和所述第一補償器(350)被旋轉配置或者進一步配備有其他偏振調製裝置。
15.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述偏振檢測單元(400)包括 檢偏器(410)，被配置成偏振所述反射光； 光檢測器(420)，被配置成通過檢測所偏振的反射光來獲取預定的光學數據；以及 操作處理器(430)，電連接至所述光檢測器(420)並被配置成基於所述光學數據導出量化值。
16.根據權利要求15所述的裝置，其中，所述光檢測器(420)包括CCD型固態陣列、光電倍增管和矽光電二極體中的任何一種。
17.根據權利要求15所述的裝置，其中，所述操作處理器(430)通過獲取橢偏常數Ψ或Λ來導出所述量化值，所述量化值包括所述樣品的結合濃度、結合常數以及離解常數。
18.根據權利要求15所述的裝置，其中，所述偏振檢測單元(400)進一步包括以下元件中的至少一種 第二補償器(440)，用於相位延遲所述反射光的偏振分量；以及 分光鏡(450),用於使所述反射光形成光譜。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中，所述檢偏器(410)和所述第二補償器(440)被旋轉配置或者進一步配備有其他偏振調製裝置。
20.一種量化分子相互作用的鍵聯和離解動力的方法，所述方法包括 第一步驟S100，樣品注入單元(200)將包含小分子生物材料的樣品的緩衝溶液(210)注入到微流路徑結構(100)的微流路徑(150)中； 第二步驟S200，將所述樣品結合至所述微流路徑結構(100)的薄介電膜(130)，由此形成結合層(160)； 第三步驟S300，偏振生成單元(300)偏振預定光，並且通過所述微流路徑結構(100)的入射窗(142)以滿足P波非反射條件的入射角將偏振光入射到所述結合層(160)上； 第四步驟S400，所述結合層(160)的反射光通過所述微流路徑結構(100)的反射窗(144)入射到偏振檢測單元(400)上；以及 第五步驟S500，偏振檢測單元(400)採用橢圓偏振法或反射法檢測所述反射光的偏振狀態。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，在所述第一步驟SlOO中，將包含不同濃度的所述樣品的所述緩衝溶液(210)注入到包括多通道的所述微流路徑結構(100)的相應微流路徑(150)中。
22.根據權利要求20所述的方法，其中，在所述第二步驟S200中，將所述樣品結合至形成在所述薄介電膜(130)上的多個不同的自組單層(132)，從而形成不同的結合層(160)。
23.根據權利要求20所述的方法，其中，所述第五步驟S500包括 檢偏器(410)偏振所述反射光的步驟； 光檢測器(420)通過檢測所偏振的反射光獲得預定的光學數據的步驟；以及操作處理器(430)通過基於所述光學數據獲得橢圓偏振法的橢偏常數Ψ或△來導出量化值的步驟，所述量化值包括所述樣品的結合濃度、結合常數和離解常數。
全文摘要
本發明涉及通過使偏振的入射光入射到在薄介電膜中形成的生物材料結合層上以使偏振的入射光滿足p波非反射條件來以高靈敏度量化小分子生物材料的分子相互作用的結合和離解動力且幾乎不受由緩衝溶液引起的折射率變化影響的裝置以及使用該裝置的量化方法。
文檔編號G01N21/21GK102713609SQ201080052143
公開日2012年10月3日 申請日期2010年10月29日 優先權日2009年11月23日
發明者諸葛園, 趙賢模, 趙龍在 申請人:韓國標準科學研究院