[发明专利]用于同时测量分子结特性和缓冲溶液的折射率的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及在浸没微通道环境中通过使用椭圆光度法同时测量诸如低分子量生物材料的材料的分子结特性和缓冲溶液的折射率的装置和方法。更具体地，本发明涉及一种高灵敏地同时测量缓冲溶液的折射率的变化和生物材料的结动力学的装置以及使用该装置的测量方法，通过使用棱镜结构和微通道从而允许在生物材料吸附层(形成在诸如半导体等的衬底上)上接收偏振入射光以满足P波抗反射条件来同时测量缓冲溶液的折射率的变化和生物材料的结动力学。

背景技术

反射测量术和椭圆光度法是测量从样品的表面反射的光的反射率的变化或从样品的表面反射的光的偏振的变化并分析测量的数值以确定样品的厚度或光学性能的光分析技术。

反射计和椭圆率计是使用这些技术的测试仪。它们用于评定在半导体工业的纳米薄膜制造工艺中的纳米尺度的各个薄膜的厚度以及各个薄膜的性能。此外，它们的使用已经扩展到生物产业并且努力应用于诸如蛋白质、DNA、病毒、新药材料等的生物材料的界面分析。

常规的反射计足够评定具有大于几纳米(nm)的尺寸的纳米薄膜的厚度和性能，但是由于在低分子量生物材料(其需要在约1～0.001纳米的范围内的灵敏度)的分析中的低检测灵敏度，该常规的反射计具有低可靠性的问题。相比于反射计，椭圆率计具有不大于0.01nm的检测灵敏度，并且特别地，椭圆率计在具有高反射率差异的条件下具有高检测灵敏度，诸如测量相比于具有高反射率的半导体衬底上的半导体(semiconductor onto a semiconductor)具有相对较小的反射率的氧化物膜的厚度。

然而，需要具有增强的灵敏度的测量方法以使用椭圆率计来分析低分子量生物材料。

作为用于增强生物材料分析中的检测灵敏度的一种常规技术，存在一种表面等离子体共振传感器(下文中，其被称为“SPR传感器”)，在该传感器中，反射计与表面等离子体共振(SPR)混合。

表面等离子体共振(SPR)是通过光波激发存在于金属表面上的电子以导致在表面的法线方向上的集体振动并且吸收光能。已知，SPR传感器可以使用对光的偏振灵敏的表面等离子体共振现象来测量邻近金属表面的纳米薄膜的厚度和反射率的变化，以及允许以无需荧光材料的非标记的方式对生物材料的吸附浓度的变化进行实时测量。

SPR传感器由诸如涂覆有数十纳米的金属薄膜的玻璃的材料制成，传感器附接在该金属薄膜上；传感器可以与生物材料键合。当缓冲溶液中的样品与传感器键合时，共振角改变。通过测量反射率确定共振角。当光进入SPR传感器时，玻璃材料用作入射介质。光传输穿过与生物材料键合的薄膜，以及最后缓冲溶液用作衬底。

在这样的配置中，一旦与测量的样品键合，生物薄膜层显示出变化，并且通过用作衬底的缓冲溶液的折射率直接影响共振角的偏移。因此，为了测量纯结动力学，应当独立地测量和校正缓冲溶液的折射率。

为了校正缓冲溶液的反射率的变化以及避免由于缓冲溶液和样品之间的扩散导致的误差，已经提出一种方法，诸如使用微阀(delicate valve)器件、气体注入器件以及两个或多个通道(channels)并且将一个通道用作用于校正的参照通道。然而，难以将通过缓冲溶液的反射率变化导致的SPR角偏移与通过纯吸附和解离性能导致的SPR角偏移区别开，这可能用作引起测量中的误差的因素。因此，由于上述限制，常规的SPR传感器在测量低分子量材料的吸附和解离性能中基本显示出难度。

此外，常规的SPR传感器采用由诸如金(Au)、银(Ag)等的贵金属制成的金属薄膜，从而增加了生产成本。根据制造工艺，这样的金属薄膜具有不均匀的粗糙度并且展现出折射率的大的偏差。同样，由于不稳定的光学性能，难以定量地测量生物材料。此外，相比于参照通道，由于处于不同相对位置的不同的灵敏度，SPR传感器包括误差。

为了改进SPR传感器的上述缺点，在诸如硅的衬底上形成生物材料键合传感器层，并且，使用椭圆光度法在浸没微通道环境中的P波抗反射条件下测量穿过缓冲溶液从衬底反射的光的振幅和相位。用这种方法，可以获得测量的振幅的信号，测量的振幅对缓冲溶液的折射率变化是不灵敏的，但是对生物材料的结动力学是灵敏的。与SPR测量相反，当在浸没微通道环境中测量吸附在衬底上的生物材料的结性能时，缓冲溶液用作入射介质，并且传输穿过生物材料吸附层的光从衬底反射。