[发明专利]用于表面等离子体共振分析的微结构化芯片，包含所述微结构化芯片的分析装置和所述装置的使用

说明书

[发明领域]

本发明涉及一种用于表面等离子体共振分析的微结构化芯片、一种包含所述微结构化芯片的分析装置、一种分析方法以及所述装置的使用。

[现有技术]

表面等离子体共振(或SPR)是使得可以紧邻一个表面检测物理特性的精细变化的一种光学技术。这种技术尤其已知用于使得可以实时监控生物分子相互作用，并且不需要标记(例如，荧光或放射性染料)。这使得尤其可以描述和定量被固定在一个表面上的配位体与一个样本中的溶解状态的分析物之间的相互作用。

SPR是一种金属的电子在一个金属-电介质介质界面(所述电介质介质典型地是液体介质或气体)上的集体激发的一种物理现象。对于在这个界面(在文本的其余部分中也称为“表面”)上的入射光的特定偏振(横向磁性或“TM”偏振)，并且对于被称为“等离子体共振角”的一个角，会发生共振现象，其由入射光能量到平行于界面传播的一个表面波(被称为“表面等离子体”)的耦合所反映。这种物理现象由该表面所反射的光的强度的下降所反映。这种激发只有对于在表面上的超过全反射临界角(这个角只有在辐射是从具有光学指数n1的折射性更大的介质到具有光学指数n2的折射性更小的介质时才会存在，其中n1>n2)的入射角才会发生。在这种情况下，表面等离子体将“探测”电介质介质侧面上在金属表面处的光学厚度，光学厚度被定义为折射率乘以厚度的乘积。当这些条件一起出现时，于是可以说这个表面对于等离子体效应是敏感的。

典型地，入射辐射根据芯片(总的来说，在现有技术中是棱镜，因为这是在敏感表面上耦合光的最简单的方法)的一个侧面上的给定入射角到达，这些面中的一个被覆盖着金属层，并且当所述入射辐射进入棱镜(由于构成棱镜的介质与前述光学介质(总的来说是空气)之间的光学指数的差异)时被折射并且在所述金属表面上被反射。本领域的普通技术人员周知这种配置为克雷奇曼配置(E〃克雷奇曼(E.Kretschmann)，“通过激发表面等离子体确定金属的光学常数”(The determination of the Optical Constants of Metals by Excitation of Surface Plasmons,Z物理241:313-324(1971)))。当棱镜被置换成用于耦合光的一个衍射网络时也存在等效配置(瑞泽配置：H.Raether在“表面偏振子”(“Surface Polaritons”，阿格拉诺维奇和米尔斯编，北荷兰出版公司，阿姆斯特丹，1982)中论述)。

SPR现象还可以使得可以研究生物分子相互作用。在这种情况下，配位体被预固定在棱镜的金属表面上的限定的区中。因而，其他分子与这些配位体的任何随后附着都将局部地修改所述限定的区的等级处的光学厚度，并且将因而引起共振条件的变化并且因而引起共振角的改变。这种改变作为第一近似是与已经与配位体相互作用的生物材料的量成比例的。因而，小分子将引起入射角的小改变，而更大分子将引起更大的角改变。研究与共振现象相关联的光学反射性的变化将使得可以检测和测量生物分子相互作用及其在限定的区的等级处随时间的变化。

此外，其他光学方法也使得可以不需要标记而执行此类物理现象(共振镜、干涉测量、表面声波、石英测微天平)，但是这些技术需要的设备昂贵并且不适合用于实际工业应用。

[技术难题]

当前的SPR系统庞大、昂贵并且难以实施，并且因而不可能用低成本执行分析。实际上，目前出售的大多数系统需要复杂的测量策略，并且允许仅仅在表面的非常精确(实际上是点状)的区上进行测量。能够并行地分析若干个区的装置非常复杂，而且具有移动的机械部分，因而使得系统庞大而且难以使用。

出于这个原因，几年来，有大量科学研究致力于发展有效、低成本的容易使用的SPR光学装置。

文档US5313264(伊瓦逊(Ivarsson)等人)描述了一种使用“角形”询问的SPR装置，其中用会聚的光束激发有待研究的表面，并且在检测器上观察反射的光束的强度。但是，这种技术无法并行地研究若干个区，除非使若干个检测器并置(参考基本上“单点”的分析)。

文档“设计弯曲表面的SPR装置”(Designing a curved surface SPR device，J〃胡尼(J.Rooney)和E〃A〃H〃霍尔(E.A.H.Hall)，《传感器与致动器B》(Sensors and Actuators B)114(2006)804-811)描述了一种使得可以检测凹曲线的球面衬底上的生物分子的相互相用的装置。虽然所述文档提出使所述装置并置8次，但是装置的检测元件也增加8倍，这使得最后的装置昂贵并且庞大。