Изобретение относится к методам и средствам биохимических анализов. Оно предназначено для детектирования и исследования процессов присоединения биологических и химических компонентов сред к материалам сенсорных слоев на основе биологического, химического или физического взаимодействия посредством регистрации оптических сигналов, обусловленных интерференцией в этих сенсорных слоях. Изобретение применимо для регистрации указанных процессов присоединения, а также обратных им процессов отделения, в режиме реального времени и исследования кинетики этих процессов. Путем регистрации параметров присоединения биологических и химических компонентов к сенсорным материалам изобретение позволяет определять содержание и измерять концентрации этих компонентов в различных тестируемых средах, преимущественно в биологических растворах. В частности, изобретение применимо для иммунологического анализа и позволяет регистрировать связывание антигенов и антител в режиме реального времени, а также определять их содержание в биологических растворах без использования радиоактивных, ферментных, флуоресцентных и прочих меток. Кроме того, изобретение позволяет проводить параллельные биохимические анализы большого числа проб с высокой пропускной способностью, а также анализы проб на содержание одновременно многих компонентов.
Известен аналог [1] предлагаемого способа, предназначенный для обнаружения химических веществ и измерения их концентраций путем детектирования их присоединения к сенсорному слою. В этом способе:
- на сенсорный слой воздействуют светом различных длин волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично,
- в отраженном свете регистрируют сигнал, зависящий от оптической толщины сенсорного слоя и обусловленный тем, что интерференция на сенсорном слое модулирует спектр отражения сенсорного слоя,
- из изменения указанного сигнала получают информацию о детектируемом присоединении, что совпадает с рядом существенных признаков предлагаемого способа.
В соответствии со способом [1] сенсорный слой формируют на неметаллической подложке с сильным оптическим поглощением, предпочтительно из полупроводника, темного стекла или пластика. Сенсорный слой при этом состоит из ряда прозрачных диэлектрических слоев, материала, присоединяющего детектируемое химическое вещество, а также самого детектируемого химического вещества, образующего в результате этого присоединения тонкий поверхностный слой. Толщина сенсорного слоя подобрана так, что он действует как просветляющее покрытие для подаваемого на сенсорный слой полихроматического света в диапазоне длин волн от 525 до 600 нм. Иначе говоря, интерференция на сенсорном слое приводит к наличию минимума отражения в указанном диапазоне. Изменение толщины сенсорного слоя, возникающее в результате присоединения детектируемого химического вещества, приводит к спектральному сдвигу указанного минимума и, следовательно, к изменению цвета отраженного света. Это изменение цвета регистрируют визуально и по нему судят о наличии или концентрации детектируемого химического вещества.
Недостаток аналога [1] состоит в его малой чувствительности, недостаточной достоверности и низкой точности получаемых результатов. Это связано с качественной, а не количественной оценкой регистрируемого сигнала, а также с субъективным характером визуальной оценки изменений цвета. Кроме того, способ аналога [1] не позволяет регистрировать присоединение химических веществ в режиме реального времени и исследовать кинетику этого процесса.
Известен другой аналог [2] предлагаемого способа, предназначенный для детектирования компонентов биологических систем. В способе [2] выполняют аналогичные операции:
- на сенсорный слой воздействуют светом различных длин волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично,
- в отраженном свете регистрируют сигнал, зависящий от оптической толщины сенсорного слоя и обусловленный тем. что интерференция на сенсорном слое модулирует спектр отражения сенсорного слоя,
- из изменения указанного сигнала получают информацию о детектируемом присоединении, что совпадает с рядом существенных признаков предлагаемого способа.
Способ второго аналога [2] незначительно отличается от способа первого аналога [1] в том, что применим к подложкам с высокой степенью отражения, в частности, к металлическим подложкам. При этом выравнивание интенсивностей света, отраженного от двух граничных поверхностей сенсорного слоя, которое необходимо для эффективной интерференции на сенсорном слое и наличия ярко выраженного цвета, достигается посредством отражающей полупрозрачной пленки из мелких металлических частиц. Эту металлическую пленку наносят поверх сенсорного слоя после реакции присоединения детектируемого компонента. Способ [2] характеризуется теми же недостатками, что и способ [1], и, кроме того, большей сложностью и еще меньшей достоверностью результатов из-за применения указанной металлической пленки.
Наиболее близким к предлагаемому является способ оптического детектирования присоединения, по меньшей мере, одного вещественного компонента к материалу, расположенному на поверхности или в толще сенсорного слоя, на основе биологического, химического или физического взаимодействия [3], принятый в качестве прототипа. В этом способе:
- сенсорный слой облучают светом различных длин волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично,
- в отраженном или прошедшем свете регистрируют сигнал, зависящий от оптической толщины сенсорного слоя и обусловленный тем, что интерференция на сенсорном слое модулирует спектр, соответственно, отражения или пропускания сенсорного слоя,
- в качестве указанного сигнала регистрируют спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света,
- из изменения указанного сигнала получают информацию о детектируемом присоединении, что совпадает с рядом существенных признаков предлагаемого способа.
Согласно способу [3], сенсорный слой размещают на достаточно прозрачной подложке и облучают светом подходящих длин волн со стороны подложки. При этом сенсорный слой состоит, по меньшей мере, частично, из прозрачного неорганического (например, оксиды, нитриды) или органического полимерного (например, полистирол) слоя, а также материала, осуществляющего детектируемое присоединение. Этот материал расположен на поверхности или в толще сенсорного слоя и обладает свойством присоединять вышеупомянутый вещественный компонент. Примером такого присоединения может служить реакция специфического связывания антитела с антигеном. Между сенсорным слоем и подложкой помещают материал, усиливающий отражение. Этот материал образует одну граничную поверхность сенсорного слоя, а другая граничная поверхность образована внешней средой. Как правило, внешней средой является тестируемый биологический раствор, содержащий или предположительно содержащий вышеупомянутый компонент, присоединение которого является объектом детектирования.
Интерференция на сенсорном слое возникает в результате наложения двух или большего числа вторичных световых волн, возникающих в результате частичного отражения и частичного пропускания на граничных поверхностях сенсорного слоя и, возможно, на границах раздела внутри сенсорного слоя. Указанная интерференция модулирует спектр отражения и пропускания сенсорного слоя. Регистрируют спектр отраженного или прошедшего света и по форме этого спектра путем аналитической подгонки определяют абсолютную оптическую толщину сенсорного слоя. Из изменения регистрируемого спектра получают информацию об изменении оптической толщины сенсорного слоя в результате детектируемого присоединения, а значит, и о параметрах самого детектируемого присоединения.
В отличие от аналогов [1] и [2], способ-прототип [3] обеспечивает возможность регистрации процессов присоединения вещественных компонентов к материалу сенсорного слоя и обратных процессов отделения компонентов от материала сенсорного слоя в режиме реального времени, что является важным достоинством способа-прототипа.
При этом в способе-прототипе [3] сенсорный слой принципиально является тонким, а именно, на его толщину налагается одновременно ряд ограничений:
- толщина равна по порядку величины длине волны используемого света;
- удвоенная толщина меньше длины когерентности используемого света;
- толщина лежит между 0,3 и 10 мкм, в практически важных случаях не превышая 5 мкм, а в предпочтительных вариантах - 2 мкм.
Перечисленные ограничения связаны с принципом определения абсолютной толщины сенсорного слоя, на котором основан способ-прототип. Применение более толстых сенсорных слоев привело бы к тому, что в регистрируемом спектре наблюдалась бы интерференционная картина, состоящая из многих периодов, и однозначно определить абсолютную толщину сенсорного слоя из такой интерференционной картины было бы затруднительно или вовсе невозможно.
Указанный принцип и связанные с ним ограничения, наложенные на толщину сенсорного слоя, обусловливают целый ряд недостатков способа-прототипа. Спектральная зависимость интенсивности отраженного или прошедшего света, по форме которой определяют абсолютную оптическую толщину, в способе-прототипе является плавной кривой, медленно меняющейся в наблюдаемом спектральном диапазоне. Вследствие этого, любые вариации интенсивности в регистрируемом спектре вносят существенные ошибки в результаты измерений. В особенности это относится к вариациям, неравномерным по спектру. Причинами таких вариаций могут быть дрейфы рабочих параметров источника излучения, изменение его температуры, нагрев оптических элементов схемы, тепловые и механические нестабильности оптической схемы из-за изменений внешних условий и т.д.
Известно также применение способа-прототипа для многоканальной регистрации структурных изменений материалов сенсорного слоя, в том числе, присоединения вещественных компонентов к одному или нескольким материалам сенсорного слоя [4]. В этом способе детектируют указанные структурные изменения в нескольких пространственно разделенных областях площади сенсорного слоя и воздействуют светом указанных длин волн одновременно на все указанные области. Спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей регистрируют путем использования последовательно во времени различных длин волн и выполнения для каждой из этих длин волн следующих операций: на указанные области воздействуют монохроматическим светом одной длины волны и при этом измеряют интенсивность вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей.
При этом сенсорный слой размещают на пластине-подложке, которую, в свою очередь, помещают на несущей пластине на время проведения измерений, либо сенсорный слой размещают непосредственно на несущей пластине. Это связано с тем, что в способе многоканальной регистрации [4] сенсорный слой также является тонким, и на его толщину налагаются те же ограничения, что и в исходном способе-прототипе [3].
Способ многоканальной регистрации [4] основан на анализе формы регистрируемого спектра в каждом канале и, соответственно, определении абсолютной оптической толщины сенсорного слоя в каждой из областей. То есть, для каждого канала (каждой исследуемой области сенсорного слоя) применяется способ-прототип [3]. При этом все отмеченные выше недостатки способа-прототипа [3] сохраняются в его многоканальном варианте [4] и, более того, проявляются в гораздо большей степени. Поскольку в способе [4] различные участки спектра регистрируют последовательно во времени, любые дрейфы и нестабильности интенсивности анализируемого света в целом или на отдельных участках его спектра вносят гораздо больше погрешности в результаты измерений. Кроме того, поскольку для многоканальной регистрации требуются большие мощности источника света, резко возрастает негативная роль тепловых нестабильностей всех элементов оптической схемы: самого источника, приемника, дисперсионных элементов или спектральных фильтров, конструкционных элементов, и т.д. Такие нестабильности вызывают дрейфы не только спектрального распределения интенсивности света в каждом канале, но и дрейфы распределения интенсивности анализируемого света по каналам. Характерный пример: разогрев нити накала лампы - источника света - в процессе работы приводит к изменению ее цветовой температуры, а провисание нити накала из-за ее разогрева изменяет распределение интенсивности засветки вдоль поверхности сенсорного слоя и вдоль поверхности фотоприемника, на которую отображаются различные области сенсорного слоя. То есть, происходят неконтролируемые дрейфы как спектра анализируемого света, так и распределения интенсивности по каналам регистрации.
Все это приводит к малой чувствительности, недостаточной разрешающей способности, низкой достоверности и низкой точности результатов, получаемых в способе-прототипе [3] и, в особенности, в его многоканальном варианте [4]. В качестве недостатков следует отметить также сложность, большую трудоемкость и высокую стоимость способа [3] и, тем более, его многоканального варианта [4].
Таким образом, требуемый технический результат состоит в обеспечении независимости результатов измерений от неконтролируемых вариаций интенсивности анализируемого света, как в целом, так и в отдельных участках спектра и в отдельных областях площади сенсорного слоя, и, следовательно, в повышении точности измерений и повышении достоверности результатов, увеличении чувствительности и разрешающей способности при одновременном сокращении числа необходимых операций, снижении трудоемкости и стоимости способа в одноканальном и в многоканальном варианте, в том числе при регистрации в режиме реального времени.
Для достижения указанного технического результата предложен первый вариант способа оптического детектирования присоединения, по меньшей мере, одного вещественного компонента к материалу, расположенному на поверхности или в толще сенсорного слоя, на основе биологического, химического или физического взаимодействия, в котором:
- сенсорный слой облучают светом различных длин волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично,
- в отраженном или прошедшем свете регистрируют сигнал, зависящий от оптической толщины сенсорного слоя и обусловленный тем, что интерференция на сенсорном слое модулирует спектр, соответственно, отражения или пропускания сенсорного слоя,
- в качестве указанного сигнала регистрируют спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света,
- из изменения указанного сигнала получают информацию о детектируемом присоединении, что аналогично прототипу.
Предложенный способ отличается тем, что:
- используют сенсорный слой с толщиной, превышающей 10 мкм и, в то же время, по меньшей мере, на порядок величины большей, чем максимальная длина волны регистрируемого спектра,
- в качестве света, которым облучают сенсорный слой, используют коллимированный свет.
Кроме того, в регистрируемом спектре наблюдают, по меньшей мере, два максимума или минимума, обусловленных указанной интерференцией, а информацию о детектируемом присоединении получают из спектрального сдвига указанных максимумов или минимумов.
Кроме того, в качестве света, которым облучают сенсорный слой, используют монохроматический свет, а его длину волны сканируют.
Кроме того, в качестве света, которым облучают сенсорный слой, используют полихроматический свет.
Кроме того, используют полихроматический свет с непрерывным спектром и длиной когерентности меньшей, чем удвоенная толщина сенсорного слоя.
Кроме того, сенсорный слой располагают на подложке временно при регистрации указанного сигнала или постоянно.
Кроме того, сенсорный слой облучают светом со стороны подложки, прозрачной, по меньшей мере, частично, для этого света.
Кроме того, в качестве сенсорного слоя используют пластину с поверхностями, не прилегающими к какой-либо подложке.
Кроме того, на одной из облучаемых граничных поверхностей сенсорного слоя помещают тестируемую жидкость, содержащую или предположительно содержащую биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, а другую граничную поверхность формируют с использованием материала, который обеспечивает близость коэффициентов отражения обеих граничных поверхностей.
Кроме того, помещают жидкость на обеих облучаемых граничных поверхностях сенсорного слоя, причем, по меньшей мере, на одной из этих граничных поверхностей помещают тестируемую жидкость, содержащую или предположительно содержащую биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования.
Кроме того, на обеих указанных граничных поверхностях помещают тестируемую жидкость и детектируют указанное присоединение со стороны обеих указанных граничных поверхностей.
Кроме того, в качестве сенсорного слоя используют слой тестируемой жидкости, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, облучаемые граничные поверхности этого слоя формируют с использованием твердых оптических материалов и детектируют присоединение указанного компонента к, по меньшей мере, одной из указанных граничных поверхностей.
Кроме того, детектируют присоединение, по меньшей мере, одного вещественного компонента в нескольких пространственно разделенных областях облучаемой площади сенсорного слоя, регистрируют спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей, и этот спектр используют в качестве указанного сигнала для каждой из указанных областей.
Кроме того, предложенный способ отличается тем, что:
- в каждой из указанных областей сенсорный слой образован пластиной с поверхностями, не прилегающими к какой-либо подложке,
- спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей регистрируют путем использования последовательно во времени различных длин волн света, которым облучают сенсорный слой, и измерения на каждой из этих длин волн интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей.
Кроме того, предложенный способ отличается тем, что:
- в каждой из указанных областей сенсорный слой образован слоем тестируемой жидкости, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, граничные поверхности этого слоя, на которые воздействуют светом, сформированы с использованием твердых оптических материалов и детектируют присоединение указанного компонента к, по меньшей мере, одной из указанных граничных поверхностей,
- спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей регистрируют путем использования последовательно во времени различных длин волн света, которым облучают сенсорный слой, и измерения на каждой из этих длин волн интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей.
Кроме того, в качестве света, которым облучают сенсорный слой, используют полихроматический свет, а для каждой из указанных областей спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света регистрируют путем использования последовательно во времени различных длин волн и измерения на каждой из этих длин волн интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей.
Кроме того, облучают все указанные области одновременно.
Кроме того, в указанных областях располагают несколько различных материалов, способных избирательно присоединять различные вещественные компоненты.
Кроме того, детектируют присоединение различных вещественных компонентов к указанным различным материалам.
Поясним предложенный вариант способа и покажем, что именно благодаря его существенным отличиям обеспечивается требуемый технический результат.
В данном варианте способа независимость получаемых результатов от неконтролируемых вариаций интенсивности анализируемого света обеспечивается тем, что используют сенсорный слой с толщиной, превышающей 10 мкм и, в то же время, по меньшей мере, на порядок величины большей, чем максимальная длина волны регистрируемого спектра. Кроме того, спектр длин волн воздействующего на сенсорный слой света выбирают достаточно широким и в регистрируемом спектре наблюдают несколько максимумов или минимумов, обусловленных интерференцией на сенсорном слое, а информацию об исследуемом присоединении получают из спектрального сдвига указанных максимумов или минимумов. Наблюдают, по меньшей мере, два таких максимума или минимума (п.2 формулы), а в предпочтительных реализациях способа в регистрируемом спектре наблюдают большое число (5-10 и более) максимумов и минимумов интенсивности. Спектральное положение этих максимумов и минимумов служит источником информации о детектируемом присоединении. Присоединение вещественных компонентов к материалам, расположенным на поверхности или в толще сенсорного слоя, приводит к увеличению оптической толщины сенсорного слоя d*, a значит, к уменьшению периода Δv периодической интерференционной картины, регистрируемой в частотном спектре отраженного или прошедшего света, в соответствии с соотношением:
Δv = c/2d*. (1)
Здесь с - скорость света в вакууме,
где d - геометрическая толщина сенсорного слоя, n(z} - функция распределения показателя преломления сенсорного слоя по его толщине.
Как нетрудно видеть, в результате увеличения оптической толщины сенсорного слоя интерференционные максимумы и минимумы в спектре отраженного или прошедшего света смещаются в сторону больших длин волн. Соответственно, обратная реакция отделения вещественных компонентов от материалов сенсорного слоя, сопровождающаяся уменьшением оптической толщины, приводит к смещению интерференционных максимумов и минимумов в сторону более коротких длин волн.
Важно отметить, что пучок света, которым облучают сенсорный слой и спектр которого регистрируют, должен быть в достаточной степени коллимированным так, чтобы различие оптической длины пути внутри сенсорного слоя для различных лучей пучка и всех длин волн регистрируемого спектра не превышало примерно четверти длины волны света. Иначе на этой длине волны интерференционный максимум для одного луча наложится на интерференционный минимум для другого луча, что приведет к размытию интерференционной картины в спектре отраженного или прошедшего света. В многоканальных модификациях способа (см. ниже) указанная степень коллимированности должна обеспечиваться отдельно в каждом канале или в каждой области сенсорного слоя, которая анализируется независимо от других областей.
Поскольку толщина сенсорного слоя на один или более порядков величины больше длин волн регистрируемого спектра, частоты регистрируемого спектра значительно превышают частотный период интерференционной картины Δv, и в регистрируемом спектре наблюдаются максимумы или минимумы, соответствующие большим значениям Δv. Следовательно, при изменении толщины сенсорного слоя наблюдается, прежде всего, именно спектральный сдвиг интерференционных максимумов и минимумов, и этот сдвиг является гораздо более выраженным эффектом, чем само изменение расстояния между максимумами или минимумами в регистрируемом спектре. При достаточно большой толщине сенсорного слоя, по сравнению с рабочими длинами волн, достаточно широком спектре рабочих длин волн и имеющихся чаще всего на практике небольших коэффициентах отражения граничных поверхностей сенсорного слоя интерференционная картина в регистрируемом спектре имеет много периодов и с хорошей точностью может рассматриваться как синусоида или, точнее, синусоида, модулированная спектром воздействующего света. Тогда удобным методом получения информационного сигнала является слежение за фазой такой синусоиды. Чтобы учесть модулированный характер этой синусоиды, удобно выполнять (быстрое) преобразование Фурье регистрируемого спектра с интерференционной картиной в нем и отслеживать фазу полученной первой гармоники.
Таким образом, в предложенном способе информационный сигнал формируют на основе регистрации спектрального положения отдельных интерференционных максимумов или минимумов либо всей интерференционной картины ("гребенки" интерференционных максимумов и минимумов) как целого. Следовательно, в отличие от известного способа [3, 4], вариации интенсивности ни анализируемого света в целом, ни отдельных частей регистрируемого спектра не влияют на информационный сигнал, что и обеспечивает получение вышеуказанного технического результата.
Вышеуказанный технический результат достигается также в части упрощения способа, уменьшения числа необходимых операций, снижения трудоемкости и стоимости. В самом деле, в отличие от известного способа [3, 4], предложенный способ не требует аналитической подгонки участков спектральных зависимостей и не требует получения информации об абсолютной толщине сенсорного слоя. Вообще говоря, для регистрации реакций присоединения биологических и химических компонентов к материалам сенсорного слоя информация об абсолютной толщине является избыточной и вовсе не нужной. К тому же, процедура получения этой информации вносит значительные погрешности в результат. Для регистрации реакций присоединения и отделения вполне достаточно регистрировать лишь изменения толщины, то есть, выполнять относительные, а не абсолютные измерения. С одной стороны, это является гораздо более простой операцией, а с другой стороны, обеспечивает существенно более высокую точность. Именно такой принцип используется в предложенном способе.
Одна из возможностей регистрации спектра, модулированного интерференцией на сенсорном слое, состоит в том, что в качестве света, которым облучают сенсорный слой, используют монохроматический свет, а его длину волны сканируют (п.3 формулы) на длинах волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично. В этом случае регистрация спектра осуществляется наиболее просто - всего лишь путем измерений интенсивности, например, с помощью фотоприемника, а спектральное распределение интенсивности света может быть измерено с наибольшим разрешением как по интенсивности, так и по длине волны. Тем самым обеспечивается вышеуказанный технический результат. Кроме того, данная реализация способа весьма подходит для регистрации реакций присоединения одновременно в большом числе различных областей сенсорного слоя, то есть, для получения требуемой информации по большому числу каналов параллельно и независимо один от другого.
Другие возможности регистрации спектра состоят в том, что в качестве света, которым облучают сенсорный слой, используют полихроматический свет (п. 4 формулы). Такие методики наиболее удобны для одноканальных схем или схем с небольшим числом каналов регистрации, поскольку существенно снижают требования к источнику света, уменьшают количество операций, упрощают и удешевляют способ. При этом спектр отраженного или прошедшего света регистрируют либо сразу целиком, например, посредством матричного спектрометра, либо измеряя последовательно во времени для ряда рабочих длин волн интенсивность этого света на одной длине волны. При воздействии на сенсорный слой полихроматическим светом целесообразно использовать свет с непрерывным спектром и длиной когерентности меньшей, чем удвоенная толщина сенсорного слоя (п.5). Непрерывность спектра важна, чтобы с наибольшей точностью определить спектральное положение интерференционных максимумов или минимумов, а приведенное условие для длины когерентности означает, что на ширине спектра используемого полихроматического света располагается не менее двух интерференционных максимумов или минимумов интенсивности прошедшего или отраженного света. Важность последнего обстоятельства уже отмечалась выше. Строго говоря, для наблюдения не менее двух интерференционных периодов в регистрируемом спектре можно обойтись и менее жестким ограничением. Достаточно использовать длину когерентности, меньшую, чем удвоенная оптическая, а не геометрическая толщина сенсорного слоя. Как известно, оптическая толщина всегда больше геометрической толщины. Приведенное же в п. 5 ограничение означает, что в регистрируемом спектре всегда имеется более двух интерференционных периодов.
Следует отметить, что условие "длина когерентности воздействующего на сенсорный слой света меньше удвоенной толщины сенсорного слоя" в предложенном способе не препятствует интерференции, точнее, наблюдению интерференционной картины в регистрируемом спектре. Это нетрудно понять, если учесть, что регистрация спектра отраженного или прошедшего света при воздействии на сенсорный слой полихроматическим светом всегда происходит путем выделения из отраженного или прошедшего света узких спектральных интервалов вблизи различных длин волн и регистрации интенсивности света в этих интервалах. Свет, выделенный в каждом таком узком спектральном интервале, имеет длину когерентности гораздо большую, чем длина когерентности исходного полихроматического света и, вместе с тем, большую, чем удвоенная толщина сенсорного слоя. Последнее условие означает, что для каждого такого выделенного узкого спектрального интервала в регистрируемом спектре будет наблюдаться результат интерференции на сенсорном слое.
Предложенный способ предусматривает различные возможности формирования сенсорного слоя. Для сравнительно малых толщин сенсорного слоя (десятки микрон) сенсорный слой формируют на подложке для обеспечения необходимой механической прочности и стабильности измерительной схемы. Подложку целесообразно также использовать при работе со сменными измеряемыми образцами сенсорных слоев для жесткой фиксации такого сменного образца на прочной и жестко закрепленной подложке на время исследования реакций присоединения в образце. В случае, когда сенсорный слой располагают на подложке временно при регистрации указанного сигнала или постоянно (п.6 формулы), предпочтительно облучать сенсорный слой светом со стороны подложки, прозрачной, по меньшей мере, частично, для этого света (п.7). Это повышает точность измерений и расширяет диапазон применения способа, обеспечивая возможность работы с поглощающими или рассеивающими тестируемыми средами, которые в этом случае располагают по отношению к сенсорному слою со стороны, противоположной подложке.
Поскольку в предложенном способе устраняются ограничения сверху на толщину сенсорного слоя, характерные для способа-прототипа и других аналогов, открывается возможность использовать в качестве сенсорного слоя пластину с поверхностями, не прилегающими к какой-либо подложке (п.8 формулы). Выполнение сенсорного слоя на основе пластины сравнительно большой толщины (например, порядка сотен микрон) позволяет обеспечить необходимую прочность сенсорного слоя и стабильность его характеристик без использования несущих или опорных пластин (подложек), а значит, упростить способ и уменьшить его стоимость. При этом пластина, образующая сенсорный слой, может погружаться в тестируемую среду (жидкость или газ), со стороны которой происходит исследуемое присоединение. Другой предпочтительный вариант состоит в том, что пластина, образующая сенсорный слой, служит дном или стенкой реакционной ячейки, в которую помещают тестируемую среду (например, биологически активный раствор).
В обоих случаях - для сенсорного слоя, размещенного на подложке, и слоя, выполненного на основе отдельной пластины, - предпочтительной является реализация способа, в которой на одной из облучаемых граничных поверхностей сенсорного слоя помещают тестируемую жидкость, содержащую или предположительно содержащую биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования (предметом исследования), а другую граничную поверхность формируют с использованием материала, который обеспечивает близость коэффициентов отражения обеих граничных поверхностей (п. 9 формулы). Например, сенсорный слой образует дно или стенку реакционной ячейки. При этом в случае использования подложки другую граничную поверхность сенсорного слоя целесообразно формировать с использованием оптически более плотного материала, так, чтобы отражательная способность поверхности раздела этого материала и сенсорного слоя была примерно равна отражательной способности границы раздела сенсорного слоя и тестируемой жидкости. Указанный оптически более плотный материал может являться либо материалом подложки, либо материалом слоя, специально введенного между сенсорным слоем и подложкой. И в том, и в другом случае на другой (тыльной) поверхности подложки целесообразно использовать просветляющее покрытие для подавления паразитного отражения. Если же сенсорный слой образован отдельной пластиной, одна поверхность которой контактирует с тестируемой жидкостью, а вторая - с воздухом, то на второй поверхности этой пластины целесообразно формировать просветляющее покрытие. При этом во всех описанных вариантах по п.9 формулы обеспечивается близость коэффициентов отражения обеих граничных поверхностей сенсорного слоя. Это позволяет получить максимальный контраст интерференционной картины в спектре отраженного или прошедшего света, а значит, и максимальное отношение полезного сигнала к фоновому. Таким образом, возрастает чувствительность способа и повышается точность измерений.
Если сенсорный слой образован отдельной пластиной, не прилегающей к какой-либо подложке, появляется возможность использовать на второй граничной поверхности жидкость для выравнивания коэффициентов отражения обеих граничных поверхностей, Именно, помещают жидкость на обеих облучаемых граничных поверхностях сенсорного слоя, причем, по меньшей мере, на одной из этих граничных поверхностей помещают тестируемую жидкость, содержащую или предположительно содержащую биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования (п.10 формулы). В наиболее простых и предпочтительных реализациях, когда показатели преломления материалов вблизи обеих граничных поверхностей сенсорного слоя одинаковы, жидкости на обеих граничных поверхностях должны иметь один и тот же показатель преломления. Например, это может быть одна и та же тестируемая жидкость. Такая возможность может быть реализована специальной конструкцией проточной системы, где тестируемая жидкость омывает пластину - сенсорный слой с обеих сторон, либо простым погружением пластины - сенсорного слоя в емкость с тестируемой жидкостью. Наиболее предпочтительной является реализация, в которой на обеих указанных граничных поверхностях помещают тестируемую жидкость и детектируют указанное присоединение со стороны обеих указанных граничных поверхностей (п. 11 формулы). Такое осуществление способа сразу удваивает изменение оптической толщины сенсорного слоя и, следовательно, повышает вдвое чувствительность и разрешающую способность способа при анализе тестируемой жидкости на содержание каких-либо биологических или химических компонентов.
Предложенный способ открывает также ряд новых возможностей, когда в качестве сенсорного слоя используют слой тестируемой жидкости, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, облучаемые граничные поверхности этого слоя формируют с использованием твердых оптических материалов и детектируют присоединение указанного компонента к, по меньшей мере, одной из указанных граничных поверхностей (п.12 формулы). В частности, резко упрощается приготовление сенсорного слоя и, соответственно, резко упрощается и удешевляется способ в целом. Вместо нанесения сенсорного слоя на подложку или изготовления его в виде пластины, в данном случае достаточно расположить друг напротив друга две подготовленные плоские поверхности оптических блоков, зафиксировав расстояние между ними с помощью вставки надлежащей толщины, и ввести в промежуток тестируемую жидкость. Очевидно, что при регистрации информационного сигнала в проходящем свете оптические материалы с обеих сторон слоя тестируемой жидкости должны быть достаточно прозрачными, при регистрации информационного сигнала в отраженном свете достаточно, чтобы прозрачным был лишь тот оптический блок, со стороны которого свет падает на этот слой. Важным обстоятельством является то, что материал вставки можно подобрать так, чтобы его тепловое расширение при дрейфах температуры соответствовало уменьшению показателя преломления тестируемой жидкости. Тем самым компенсируются неконтролируемые изменения оптической толщины сенсорного слоя из-за температурных дрейфов, и регистрируется только то изменение оптической толщины, которое происходит в результате присоединения компонентов из тестируемой жидкости к материалам (например, специфически связывающим материалам, био-рецепторам, и т.п.), расположенным на упомянутых подготовленных поверхностях оптических блоков. В результате значительно снижаются погрешности измерений, возрастает их точность и достоверность результатов.
Следует отметить, что оба варианта предложенного способа, первый вариант по п.1 формулы и второй вариант по п.20, обсуждаемый ниже, распространяются на случаи детектирования присоединения компонентов со стороны не только жидкостных сред, как это обсуждалось выше, но и газов. Тестируемыми жидкостями в предложенном способе являются растворы (в том числе коллоидные смеси, взвеси и др. ), содержащие биологические или химические компоненты, как правило, обладающие биологической активностью. Среди таких биологических компонентов можно указать различные антигены и антитела, белки, вирусы, их отдельные фрагменты и антигенные детерминанты, бактерии, нуклеиновые кислоты, их фрагменты и отдельные нуклеотидные последовательности, липиды, полисахариды, углеводы, ферменты, гормоны, и др., а также рецепторы, специфичные к таким компонентам. В предложенном способе регистрируется присоединение таких компонентов к материалам, расположенным на поверхности или в толще оптически прозрачного сенсорного слоя. Это могут быть непосредственно оптические материалы, формирующие граничные поверхности сенсорного слоя, либо рецепторы для присоединения интересующих компонентов, иммобилизированные на этих поверхностях. Кроме того, присоединение может осуществляться в толще сенсорного слоя, например, в объеме трехмерной биомолекулярной матрицы (полимерные длинноцепочечные молекулы, декстран, полипептиды и т.п.) или в порах внутри сенсорного слоя, где также могут быть иммобилизированы соответствующие рецепторы. Аналогичным образом, сенсорный слой может адсорбировать или абсорбировать интересующие компоненты газовых смесей, на поверхности либо в толще, в частности, в порах, в том числе с использованием специфически чувствительных материалов (например, фталоцианины для оксидов азота, и т.п.). В результате присоединения газовых компонентов или паров сенсорный слой может также изменять толщину (в частности, разбухать) или показатель преломления, или спектральные характеристики пропускания/отражения (цвет), и т.д. Соответствующие материалы для сенсорных слоев, присоединяющие биологические и химические компоненты, известны из уровня техники биохимических и газовых анализов.
Предложенный способ распространяется также на регистрацию присоединения компонентов по нескольким или многим каналам, причем данные для каждого канала регистрации получают независимо от данных для других каналов. Данные получают для всех каналов одновременно (параллельный режим) либо каналы опрашивают один за другим (последовательный режим). В ряде случаев последовательно опрашивают группы каналов (построчный режим). Возможны также комбинации указанных режимов. В многоканальных модификациях первого варианта предложенного способа детектируют присоединение, по меньшей мере, одного вещественного компонента в нескольких пространственно разделенных областях облучаемой площади сенсорного слоя, регистрируют спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей и этот спектр используют в качестве указанного сигнала для каждой из указанных областей (п. 13 формулы). В одном канале регистрации используется одна область, для которой получают отдельный информационный сигнал, в данном случае - спектр, либо группа областей, в которых созданы одинаковые условия для протекания исследуемого присоединения компонентов. Например, один канал регистрации может быть реализован на основе одной реакционной ячейки, в которой иммобилизирован рецепторный материал для присоединения заданного компонента. Этот канал соответствует одной указанной области, если регистрируют информационный сигнал с этой ячейки как целого, или нескольким областям, если от различных областей ячейки получают независимые информационные сигналы (например, если прошедший или отраженный свет от ячейки падает сразу на несколько фотоприемных площадок с независимыми выходами). Для повышения точности и достоверности результатов измерений в последнем случае целесообразно производить усреднение информационных сигналов по нескольким областям в пределах одной реакционной ячейки и полученный сигнал использовать в качестве информационного выхода данного канала регистрации. Однако можно также считать, что каждая область, соответствующая отдельной фотоприемной площадке и отдельному информационному выходу, формирует отдельный канал регистрации.
Указанные области могут представлять собой участки площади цельного сенсорного слоя, либо сенсорного слоя, состоящего из разрозненных частей. В последнем случае эти части могут быть весьма удалены друг от друга и даже иметь различную ориентацию поверхности, например, если сенсорный слой состоит из набора площадок с волоконно-оптическими вводами и выводами. Необходимо лишь, чтобы каждая из указанных областей облучалась светом и для каждой области обеспечивалась возможность получения отдельного независимого информационного сигнала. Для этого достаточно, чтобы ни одна из указанных областей не перекрывала свет для другой области. Каждая из указанных областей включает участки обеих граничных поверхностей и объема сенсорного слоя, освещаемые одними и теми же лучами света, в том числе в случаях, когда исследуется присоединение компонентов со стороны двух граничных поверхностей или в толще сенсорного слоя.
Многоканальные модификации предложенного способа крайне важны и обеспечивают получение вышеуказанного технического результата для целого ряда практически важных задач. Прежде всего, независимая регистрация информационного сигнала по нескольким каналам позволяет использовать каналы формирования опорного сигнала (каналы сравнения) различного назначения. Например, каналы сравнения целесообразно использовать для компенсации возможных случайных ошибок, разброса параметров и неоднородностей образцов, содержащих или предположительно содержащих присоединяемые компоненты.
Кроме того, каналы сравнения применяют для исследования специфичности присоединения биологических или химических компонентов к рецепторам, помещенным на поверхности или в толще сенсорного слоя. Например, для количественного анализа раствора на содержание некоторого биологически активного компонента (инфекционного или токсического агента, антигена или антитела и пр. ) на поверхности сенсорного слоя или в его толще (например, в трехмерной биомолекулярной матрице) иммобилизируют реагент, способный избирательно присоединять (распознавать) исследуемый компонент. Содержание этого компонента в растворе определяют на основе получаемых данных о его специфическом связывании с распознающим реагентом, а для учета неспецифического (неизбирательного) связывания этого или других компонентов с поверхностью или объемом сенсорного слоя используют каналы сравнения.
Кроме того, при повторяющихся во времени анализах или непрерывном мониторинге каналы сравнения могут служить для учета температурных дрейфов, а также иных физических или химических нестабильностей (например, давления, плотности, рН раствора или концентрации в нем паразитных примесей и т.п.).
Во всех таких задачах, как правило, канал сравнения находится в тех же условиях, что и информационный канал, за исключением условий для избирательного присоединения исследуемого компонента к распознающему реагенту.
Использование каналов сравнения снижает порог регистрации, повышает достоверность и точность результатов измерений и, тем самым, обеспечивает вышеуказанный технический результат.
Другая группа задач, где требуется многоканальная регистрация - обеспечение высокой пропускной способности и производительности анализов ("high throughput screening"), что особенно важно, например, для испытаний новых препаратов в фармацевтической промышленности, где проводится огромное число тестов на взаимодействие препарата с различными реагентами. Для таких задач, в частности, целесообразна реализация предлагаемого способа с числом каналов, соответствующим современным стандартам иммунологического анализа (например, иммуноферментный анализ "ELISA" - Enzyme-Linked Immuno-Sorbent Assay). При этом каналы соответствуют реакционным ячейкам стандартных иммунологических планшет ("microtiter plates"), содержащим, например, 96 (массив 12•8), 384 (массив 24•16), 1536 (массив 48•32) ячеек. Предложенный способ позволяет проводить исследование присоединения биологических и химических компонентов (например, с различными присоединяемыми компонентами и/или различными присоединяющими реагентами) одновременно (параллельно) в большом числе каналов, соответствующим вышеупомянутым пространственно разделенным областям площади сенсорного слоя. Это резко повышает производительность способа и снижает его стоимость, обеспечивая вышеуказанный технический результат.
Третья группа задач, решаемых многоканальной регистрацией - распознавание сложных многокомпонентных смесей и анализ содержания в них одновременно нескольких компонентов - обсуждается ниже в связи с пп.18 и 19 формулы.
Одна из предпочтительных реализаций многоканальной модификации первого варианта предложенного способа состоит в том, что в каждой из указанных областей сенсорный слой образован пластиной с поверхностями, не прилегающими к какой-либо подложке, а спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей регистрируют путем использования последовательно во времени различных длин волн света, которым облучают сенсорный слой, и измерения на каждой из этих длин волн интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей (п. 14 формулы). Сканирование длины волны света, воздействующего на области сенсорного слоя, позволяет наиболее просто регистрировать упомянутый спектр для каждой из указанных областей, так как сводит анализ отраженного или прошедшего света к измерению уровней интенсивности этого света в каждый момент времени всего лишь на одной длине волны, а длины волн спектра проходятся последовательно одна за другой. Измерение уровней интенсивности независимо для каждой из областей реализуется тем, что свет от различных областей проецируют на различные фотоприемные площадки с независимыми выходами, составляющие фотоприемный массив, например, ПЗС-матрицу или видеокамеру. Для этого на фотоприемном массиве строят изображение областей сенсорного слоя либо эти области просто проецируют на массив используемым коллимированным светом. Как правило, фотоприемный массив имеет меньший размер, чем исследуемый набор областей, поэтому применяют оптические системы для построения изображения с уменьшением или для проецирования с уменьшением поперечного размера коллимированного пучка света, отраженного от указанных областей сенсорного слоя или прошедшего через них.
При этом выполнение сенсорного слоя в виде пластины, не связанной с какой-либо подложкой, позволяет наиболее просто реализовать способ. На такой пластине удобно формировать реакционные ячейки, соответствующие различным каналам регистрации, например, простым нанесением (из растворов или напылением) распознающих реагентов на различные области площади пластины, вытравливанием лунок, наклейкой шаблонов с отверстиями, склейкой или сваркой этой пластины с другой пластиной, отверстия в которой формируют реакционные ячейки, или другими методами.
Весьма просто многоканальный способ реализуется также, когда в каждой из указанных областей сенсорный слой образован слоем тестируемой жидкости, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, граничные поверхности этого слоя, на которые воздействуют светом, сформированы с использованием твердых оптических материалов и детектируют присоединение указанного компонента к, по меньшей мере, одной из указанных граничных поверхностей, а спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей регистрируют путем использования последовательно во времени различных длин волн света, которым облучают сенсорный слой, и измерения на каждой из этих длин волн интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей (п.15 формулы). Этот случай аналогичен предыдущему, с той лишь разницей, что реакционные ячейки образованы отверстиями во вставке между двумя оптическими блоками, ограничивающими слой тестируемой жидкости (см. пояснение к п.12 выше).
Другая реализация способа состоит в том, что на разделенные области площади сенсорного слоя воздействуют полихроматическим светом длин волн, для которых сенсорный слой достаточно прозрачен. А именно, на указанные области воздействуют полихроматическим светом, для каждой из указанных областей регистрируют спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света, и этот спектр используют в качестве указанного сигнала для каждой из указанных областей. В частности, при небольшом числе каналов каждый канал может быть снабжен матричным спектрометром. Это резко снижает количество необходимых операций и затраты времени, значительно упрощает и удешевляет способ и одновременно повышает достоверность получаемых данных, что способствует достижению вышеуказанного технического результата. Другая возможность, предпочтительная для большого числа каналов, состоит в том, что в качестве света, которым облучают сенсорный слой, используют полихроматический свет, а для каждой из указанных областей спектр вышеупомянутого отраженного или прошедшего света регистрируют путем использования последовательно во времени различных длин волн и измерения на каждой из этих длин волн интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света для каждой из указанных областей (п. 16 формулы). Например, посредством дисперсионного элемента (монохроматора) или спектрального фильтра из прошедшего или отраженного света выделяют свет вблизи одной длины волны и на этой длине волны регистрируют изображение указанных областей сенсорного слоя на матричном фотоприемнике или отображение указанных областей используемым коллимированным светом на матричный фотоприемник. Сканируя длину волны, для каждой области получают распределение интенсивности по длинам волн, то есть спектр.
При реализации многоканальных модификаций предложенного способа предпочтительно воздействовать светом одновременно на все области сенсорного слоя, в которых исследуют присоединение компонентов (п.17 формулы). Это позволяет избежать сканирования светом по площади сенсорного слоя, сократить количество операций и затраты времени, упростить и удешевить способ, повысить достоверность получаемых данных и точность измерений, обеспечивая тем самым вышеуказанный технический результат. Кроме того, это позволяет проводить одновременную (параллельную) регистрацию по многим каналам и повышать тем самым временное разрешение способа, что важно для наблюдения процессов присоединения компонентов в реальном времени и исследования кинетики этих процессов.
Все обсуждавшиеся многоканальные модификации предложенного способа позволяют эффективно осуществлять распознавание сложных многокомпонентных смесей и определять содержание в них одновременно нескольких компонентов.
Для этого в указанных пространственно разделенных областях облучаемой площади сенсорного слоя располагают несколько различных материалов, способных избирательно присоединять (то есть, распознавать) различные вещественные компоненты (п. 18 формулы). Такое техническое решение целесообразно также для исследования взаимодействия одного заданного компонента (например, нового лекарственного препарата) сразу с большим числом различных рецепторных материалов. Кроме того, детектируют присоединение различных вещественных компонентов к указанным различным материалам (п. 19). В простейшем случае, когда избирательность связывания каждого из компонентов с соответствующим ему распознающим реагентом достаточно высока, каждой из указанных областей соответствует не более одного такого реагента и не более одного определяемого компонента, то есть, одна область "отвечает" за распознавание одного компонента и некоторые области используются как каналы сравнения. В иных случаях с указанных областей получают сложную картину сигналов, каждый из которых обладает низкой специфичностью по отношению к тому или иному компоненту, однако вся картина при этом оказывается специфичной (наподобие отпечатка пальца) по отношению к анализируемой смеси как целому. При этом смесь может быть идентифицирована, например, с привлечением компьютерных методов распознавания образов. Такие подходы вне контекста предлагаемого способа известны под названием "биочипов", "генных чипов", электронного "носа" и "языка" и т.п.
Возможность определять содержание сразу нескольких компонентов в тестируемых биологических или химических средах, а также распознавать сложные смеси, расширяет область применимости способа и, кроме того, резко снижает затраты времени и средств на проведение анализов, что способствует достижению вышеуказанного технического результата.
Следует отметить, что предложенный способ обеспечивает возможность регистрации и исследования процессов присоединения (отделения) компонентов в режиме реального времени. Это относится также и к разновидностям способа, предусматривающим сканирование по спектру (последовательное использование различных длин волн) воздействующего, а также отраженного или прошедшего света, поскольку характерное время реакций присоединения обычно достаточно велико (минуты и десятки минут) и превышает время сканирования. Безусловно, предложенный способ позволяет детектировать результат уже произошедших реакций присоединения (отделения) компонентов вне зависимости от характерного времени таких реакций.
Также предложен второй вариант способа оптического детектирования присоединения, по меньшей мере, одного вещественного компонента к материалу, расположенному на поверхности или в толще сенсорного слоя, на основе биологического, химического или физического взаимодействия, в котором:
- сенсорный слой облучают светом различных длин волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично,
- в отраженном или прошедшем свете регистрируют сигнал, зависящий от оптической толщины сенсорного слоя и обусловленный тем, что интерференция на сенсорном слое модулирует спектр, соответственно, отражения или пропускания сенсорного слоя,
- из изменения указанного сигнала получают информацию о детектируемом присоединении,
что аналогично прототипу.
Предложенный способ отличается тем, что:
- на пути света, в котором регистрируют указанный сигнал, последовательно с сенсорным слоем помещают сканируемый интерферометр Фабри-Перо,
- в качестве света, которым облучают сенсорный слой и сканируемый интерферометр Фабри-Перо, используют коллимированный свет,
- выбирают базу (т.е. оптическую длину пути между зеркалами) сканируемого интерферометра Фабри-Перо достаточно большой для того, чтобы период спектра пропускания сканируемого интерферометра Фабри-Перо был, по меньшей мере, в два раза меньше ширины спектрального интервала длин волн, участвующих в формировании регистрируемого сигнала,
- модулируют базу сканируемого интерферометра Фабри-Перо,
- в качестве указанного сигнала регистрируют распределение интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света, суммированной по указанному спектральному интервалу, в зависимости от базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо.
Кроме того, в качестве света, которым облучают сенсорный слой, используют полихроматический свет с непрерывным спектром, причем длина когерентности указанного полихроматического света, а также вышеупомянутого отраженного или прошедшего света меньше удвоенной базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо.
Кроме того, используют полихроматический свет с длиной когерентности меньшей, чем удвоенная толщина сенсорного слоя.
Кроме того, в указанном распределении регистрируют, по меньшей мере, один максимум интенсивности, обусловленный корреляцией между спектральными характеристиками взаимодействия света с сенсорным слоем и со сканируемым интерферометром Фабри-Перо, а информацию о детектируемом присоединении получают из изменения положения указанного, по меньшей мере, одного максимума относительно значений базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо.
Кроме того, сканируемый интерферометр Фабри-Перо помещают на пути света, в котором регистрируют указанный сигнал, до его падения на сенсорный слой.
Кроме того, сканируемый интерферометр Фабри-Перо помещают на пути вышеупомянутого отраженного или прошедшего света, в котором регистрируют указанный сигнал, после, соответственно, отражения от сенсорного слоя или прохождения сенсорного слоя.
Кроме того, сканируемый интерферометр Фабри-Перо используют в режиме отражения.
Кроме того, сканируемый интерферометр Фабри-Перо используют в режиме пропускания.
Кроме того, сенсорный слой располагают на подложке временно при регистрации указанного сигнала или постоянно.
Кроме того, сенсорный слой облучают светом со стороны подложки, прозрачной, по меньшей мере, частично, для этого света.
Кроме того, в качестве сенсорного слоя используют пластину с поверхностями, не прилегающими к какой-либо подложке.
Кроме того, на одной из облучаемых граничных поверхностей сенсорного слоя помещают тестируемую жидкость, содержащую или предположительно содержащую биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, а другую граничную поверхность формируют с использованием материала, который обеспечивает близость коэффициентов отражения обеих граничных поверхностей.
Кроме того, помещают жидкость на обеих облучаемых граничных поверхностях сенсорного слоя, причем, по меньшей мере, на одной из этих граничных поверхностей помещают тестируемую жидкость, содержащую или предположительно содержащую биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования.
Кроме того, на обеих указанных граничных поверхностях помещают тестируемую жидкость и детектируют указанное присоединение со стороны обеих указанных граничных поверхностей.
Кроме того, в качестве сенсорного слоя используют слой тестируемой жидкости, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, облучаемые граничные поверхности этого слоя формируют с использованием твердых оптических материалов и детектируют присоединение указанного компонента к, по меньшей мере, одной из указанных граничных поверхностей.
Кроме того, детектируют присоединение, по меньшей мере, одного вещественного компонента в нескольких пространственно разделенных областях облучаемой площади сенсорного слоя, указанное распределение регистрируют для каждой из указанных областей и используют в качестве указанного сигнала для каждой из указанных областей.
Кроме того, для каждой из указанных областей указанное распределение регистрируют путем использования последовательно во времени различных значений базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо и измерения при каждом из этих значений интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света, суммированной по указанному спектральному интервалу, для каждой из указанных областей.
Кроме того, облучают все указанные области одновременно.
Кроме того, в указанных областях располагают несколько различных материалов, способных избирательно присоединять различные вещественные компоненты.
Кроме того, детектируют присоединение различных вещественных компонентов к указанным различным материалам.
Поясним также и второй вариант способа и покажем, каким образом благодаря его существенным отличиям обеспечивается требуемый технический результат.
В данном варианте способа независимость получаемых результатов от неконтролируемых вариаций интенсивности анализируемого света обеспечивается тем, что на пути света, в котором регистрируют указанный сигнал, последовательно с сенсорным слоем помещают сканируемый интерферометр Фабри-Перо, модулируют его базу, в качестве света, которым облучают сенсорный слой и сканируемый интерферометр Фабри-Перо, используют коллимированный свет, а в качестве указанного сигнала регистрируют распределение интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света, суммированной по указанному спектральному интервалу, в зависимости от базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо, при этом выбирают базу достаточно большой для того, чтобы период спектра пропускания сканируемого интерферометра Фабри-Перо был, по меньшей мере, в два раза меньше ширины спектрального интервала длин волн, участвующих в формировании регистрируемого сигнала (п.20 формулы). Термин "база" применительно к интерферометру Фабри-Перо широко используется в русскоязычной литературе и означает оптическую длину пути между зеркалами. Приведенное условие выбора базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо означает, что спектральная характеристика пропускания (отражения) интерферометра содержит не менее двух максимумов. Таким образом, интерферометр Фабри-Перо не служит для выделения монохроматического света (т.е., не является анализатором спектра), а сам данный вариант способа, в отличие от первого варианта способа и способа-прототипа, не содержит операции регистрации спектра света, отраженного от сенсорного слоя или прошедшего сквозь сенсорный слой.
Вместо регистрации спектра в данном варианте способа используется другой принцип. На пути света, участвующего в формировании регистрируемого сигнала размещают последовательно сканируемый интерферометр Фабри-Перо и сенсорный слой, причем интерферометр может располагаться на пути света перед сенсорным слоем либо наоборот. Частотный спектр пропускания (отражения) интерферометра Фабри-Перо представляет собой периодическую функцию, максимумы (минимумы) которой разделены частотными интервалами
Δv = c/2L, (3)
где L - база интерферометра. Последовательное взаимодействие света с сенсорным слоем и интерферометром Фабри-Перо приводит к тому, что спектральные характеристики этих двух взаимодействий накладываются друг на друга. В результате, интенсивность выходного света, суммированная по всем используемым длинам волн, определяется корреляцией между спектральными характеристиками взаимодействия света с интерферометром Фабри-Перо и с сенсорным слоем. Последняя характеристика, как обсуждалось выше, обусловлена интерференцией на сенсорном слое, а ее частотный период описывается формулой (1), которая аналогична формуле (3). Из изложенного следует, что корреляционный сигнал зависит от значения базы интерферометра. Именно эту зависимость регистрируют в данном варианте способа, когда модулируют базу интерферометра. Следует заметить, что регистрируют зависимость интенсивности света, конечно же, не от абсолютного, а от относительного значения базы интерферометра, то есть, от вариации базы относительно некоторого начального или среднего значения. Если спектральное положение хотя бы некоторых максимумов характеристики взаимодействия света с интерферометром Фабри-Перо и характеристики взаимодействия света с сенсорным слоем совпадают, в регистрируемой зависимости интенсивности света от базы интерферометра наблюдается максимум корреляционного сигнала. Если оптическая толщина сенсорного слоя равна базе интерферометра, наблюдается абсолютный корреляционный максимум. Абсолютный корреляционный максимум тем сильнее выделяется из остальных корреляционных максимумов, чем шире частотный спектр света, которым воздействуют на сенсорный слой, и чем больше частотных периодов интерференции на сенсорном слое и частотных периодов характеристики интерферометра Фабри-Перо укладывается на ширине этого спектра.
Важно отметить, что в предложенном варианте способа пучки света, взаимодействующие с сенсорным слоем и с интерферометром Фабри-Перо и вносящие вклад в регистрируемый сигнал, должны быть достаточно коллимированными. Во-первых, для различных лучей и всех длин волн, вносящих вклад в регистрируемый сигнал, оптический путь, проходимый светом внутри сенсорного слоя, должен различаться не более, чем примерно на четверть длины волны. Во-вторых, направления лучей должны лежать внутри одного углового максимума пропускания интерферометра Фабри-Перо. В многоканальных модификациях способа указанная степень коллимированности должна обеспечиваться отдельно в каждом канале или в каждой области сенсорного слоя, которая анализируется независимо от других областей.
Корреляционный сигнал, определяющий интенсивность выходящего света, зависит не только от базы интерферометра Фабри-Перо, но и от оптической толщины сенсорного слоя. Если построить регистрируемую зависимость корреляционного сигнала от базы интерферометра в координатах "база интерферометра - корреляционный сигнал", то при изменении указанной толщины в результате детектируемого присоединения эта зависимость смещается вдоль оси, по которой отложена база интерферометра. В частности, изменяются значения базы, при которых наблюдаются максимумы корреляционного сигнала. Из анализа того, как меняется распределение интенсивности выходящего света по значениям базы интерферометра в результате присоединения, являющегося предметом исследования (объектом детектирования), в данном варианте способа получают информацию об этом присоединении.
Таким образом, в данном варианте способа информационный сигнал формируют на основе регистрации положения корреляционной зависимости (как правило, положения корреляционных максимумов) по оси значений базы интерферометра. Следовательно, в отличие от прототипа [3, 4], вариации интенсивности ни анализируемого света в целом, ни отдельных частей регистрируемого спектра не влияют на информационный сигнал, что и обеспечивает получение вышеуказанного технического результата.
Вышеуказанный технический результат достигается также в части упрощения способа, уменьшения числа необходимых операций, снижения трудоемкости и стоимости. Как и предыдущий вариант предложенного способа, данный вариант, в отличие от известного [3, 4], не требует аналитической подгонки участков спектральных зависимостей и не требует получения информации об абсолютной толщине сенсорного слоя, а использует принцип относительных измерений. С одной стороны, это является гораздо более простой операцией, а с другой стороны, обеспечивает существенно более высокую точность.
Для реализации данного варианта предложенного способа применимы различные типы сканируемых интерферометров Фабри-Перо, известные из уровня техники. Предпочтительными типами являются, в частности: а) интерферометры Фабри-Перо, сканируемые за счет изменения показателя преломления среды между зеркалами, чаще всего выполняемые на основе жидких кристаллов; б) интерферометры Фабри-Перо, сканируемые за счет изменения расстояния между зеркалами посредством пьезоэлектрических приводов; в) сканируемые интерферометры Фабри-Перо, в которых расстояние между зеркалами изменяется за счет электростатических сил. Частота сканирования известных из уровня техники интерферометров Фабри-Перо может быть выбрана достаточно высокой (в некоторых типах - до десятков кГц) для того, чтобы время сканирования и, при необходимости, время накопления сигнала было много меньше характерного времени протекания детектируемого присоединения (как правило, время присоединения исчисляется минутами). Это обеспечивает возможность регистрации процессов присоединения компонентов в режиме реального времени.
Следует отметить, что данный вариант предложенного способа можно реализовать при использовании как полихроматического света, так и монохроматического света с длиной волны, сканируемой в выбранном спектральном интервале. Например, можно регистрировать корреляционный сигнал, усредненный (просуммированный) по нескольким периодам сканирования по длине волны, в частности, когда время сканирования по длине волны существенно меньше времени сканирования по базе интерферометра. Однако обсуждаемый вариант способа реализуется наиболее просто, и требуемый технический результат достигается в наибольшей степени, в случае, когда в качестве света, которым облучают сенсорный слой, используют полихроматический свет с непрерывным спектром, причем длина когерентности указанного полихроматического света, а также вышеупомянутого отраженного или прошедшего света меньше удвоенной базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо (п.21 формулы). Использование полихроматического света с непрерывным спектром обеспечивает наиболее простое выделение информационного сигнала и уменьшает число выполняемых операций, а приведенное условие для длины когерентности означает, что на ширине спектра воздействующего света, а также регистрируемого отраженного или прошедшего света, помещаются, по меньшей мере, два периода характеристики интерферометра Фабри-Перо (см. выше). При этом для получения выраженного корреляционного сигнала важно также, чтобы на этой же ширине спектра помещалось не менее двух периодов спектрального распределения, обусловленного интерференцией на сенсорном слое. Для этого используют полихроматический свет с длиной когерентности меньшей, чем удвоенная толщина сенсорного слоя (п.22 формулы).
В обсуждаемом здесь втором варианте способа информацию о детектируемом присоединении и соответствующем ему изменении оптической толщины сенсорного слоя можно получать из произвольных изменений распределения интенсивности выходящего света по значениям базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо. В частности, можно регистрировать изменения на склоне или в минимуме такого распределения. Однако независимость от вариаций интенсивности света обеспечивается наиболее простым образом, а требуемый технический результат - наиболее полно, если в указанном распределении регистрируют, по меньшей мере, один максимум интенсивности, обусловленный корреляцией между спектральными характеристиками взаимодействия света с сенсорным слоем и со сканируемым интерферометром Фабри-Перо, а информацию о детектируемом присоединении получают из изменения положения указанного, по меньшей мере, одного максимума относительно значений базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо (п.23 формулы). Это может быть как абсолютный корреляционный максимум при совпадении базы и оптической толщины сенсорного слоя, так и какой-либо побочный максимум. Можно наблюдать также ряд корреляционных максимумов в указанном распределении и регистрировать смещение указанного распределения как целого вдоль значений базы интерферометра.
В зависимости от конкретных применений способа, сканируемый интерферометр Фабри-Перо помещают на пути света, в котором регистрируют указанный сигнал, до его падения на сенсорный слой (п. 24 формулы), либо на пути вышеупомянутого отраженного или прошедшего света, в котором регистрируют указанный сигнал, после, соответственно, отражения от сенсорного слоя или прохождения сенсорного слоя (п.25). В частности, способ по п.24 предпочтителен, когда сенсорный слой необходимо освещать широким пучком. Тогда целесообразно подать на интерферометр Фабри-Перо узкий пучок света, что снижает требования к параллельности зеркал интерферометра и их отклонениям от плоскости, а уже затем расширить пучок для освещения сенсорного слоя. Такой подход особенно предпочтителен в многоканальных реализациях способа.
Также в зависимости от конкретных применений способа, используемых оптических схем, характеристик элементов и режимов работы этих схем сканируемый интерферометр Фабри-Перо для достижения требуемого технического результата целесообразно использовать либо в режиме отражения (п.26), либо в режиме пропускания (п.27).
Дополнительные признаки второго варианта способа по пп.28-34 совпадают с дополнительными признаками первого варианта способа по пп.6-12, обсуждавшимися выше, и играют ту же роль в достижении требуемого технического результата. Поэтому материалы по этим признакам здесь не приводятся.
В многоканальных модификациях второго варианта способа детектируют присоединение, по меньшей мере, одного вещественного компонента в нескольких пространственно разделенных областях облучаемой площади сенсорного слоя, указанное распределение регистрируют для каждой из указанных областей и используют в качестве указанного сигнала для каждой из указанных областей (п. 35 формулы). Способ по п.35 аналогичен способу по п.13 с той лишь разницей, что вместо спектра для каждой из указанных областей регистрируют распределение интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света, суммированной по используемому спектральному интервалу, в зависимости от базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо. С учетом этой поправки, проведенное выше обсуждение по п.13 сохраняет силу и для п.35, поэтому соответствующие материалы здесь не приводятся.
Предпочтительная реализация многоканального способа состоит в том, что для каждой из указанных областей указанное распределение регистрируют путем использования последовательно во времени различных значений базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо и измерения при каждом из этих значений интенсивности вышеупомянутого отраженного или прошедшего света, суммированной по указанному спектральному интервалу, для каждой из указанных областей (п. 36 формулы). Это позволяет регистрировать указанное распределение "по точкам" параллельно для всех рассматриваемых областей сенсорного слоя, причем каждая точка соответствует одному значению базы интерферометра. При этом один сканируемый интерферометр Фабри-Перо оказывается достаточным для исследования присоединения компонентов в большом числе областей площади сенсорного слоя. Это упрощает и удешевляет способ и обеспечивает требуемый технический результат. Наиболее простая многоканальная реализация способа имеет место в том случае, когда светом воздействуют на все указанные области одновременно (п. 37 формулы). Например, интерферометр расположен на пути параллельного пучка света перед сенсорным слоем, пучок после интерферометра расширяют, например, посредством телескопической схемы, и полученным широким параллельным пучком засвечивают все рассматриваемые области. При этом для многоканального случая обеспечивается наибольшая точность и достоверность результатов измерений, наиболее просто реализуется предложенный вариант способа, а значит, в наибольшей степени достигается требуемый технический результат.
Дополнительные признаки второго варианта способа по пп.38 и 39 совпадают с признаками пп.18 и 19 первого варианта способа, обсуждавшимися выше, поэтому материалы по этим пунктам здесь не приводятся.
Таким образом, показано, что требуемый технический результат действительно достигается за счет существенных отличий предложенных вариантов способа.
Проведенные эксперименты показали реализуемость предложенных вариантов способа.
В качестве реализации рассмотренных выше вариантов способа предложены также соответствующие варианты устройства.
Известно устройство для обнаружения химических веществ и измерения их концентраций [1], содержащее:
- сенсорный слой,
- источник направленного на сенсорный слой света длин волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично, что совпадает с рядом признаков предложенного устройства.
В устройстве [1] сенсорный слой сформирован на неметаллической подложке с сильным оптическим поглощением, предпочтительно из полупроводника, темного стекла или пластика. Сенсорный слой при этом состоит из ряда прозрачных диэлектрических слоев, материала, присоединяющего детектируемое химическое вещество, а также самого детектируемого химического вещества, образующего в результате этого присоединения тонкий поверхностный слой. Толщина сенсорного слоя подобрана так, что он действует как просветляющее покрытие для подаваемого на сенсорный слой полихроматического света в диапазоне длин волн от 525 до 600 нм. Иначе говоря, интерференция на сенсорном слое приводит к наличию минимума отражения в указанном диапазоне.
Работа устройства состоит в том, что устройство целиком привносится в тестируемую среду, где к сенсорному слою присоединяется детектируемое химическое вещество.
В результате происходит изменение толщины сенсорного слоя, которое приводит к спектральному сдвигу указанного минимума и, следовательно, к изменению цвета отраженного света. Это изменение цвета регистрируют визуально и по нему судят о наличии или концентрации детектируемого химического вещества.
Недостаток устройства [1] состоит в его малой чувствительности, недостаточной достоверности и низкой точности получаемых результатов. Это связано с тем, что устройство [1] требует визуальной оценки изменений цвета и позволяет производить лишь качественные, а не количественные оценки. Кроме того, устройство [1] не позволяет регистрировать присоединение химических веществ в режиме реального времени и исследовать кинетику этого процесса.
Известен другой аналог [2] предлагаемого устройства, предназначенный для детектирования компонентов биологических систем. Устройство [2] также содержит:
- сенсорный слой,
- источник направленного на сенсорный слой света длин волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично, что совпадает с рядом признаков предложенного устройства.
Устройство [2] незначительно отличается от устройства [1] в том, что сенсорный слой сформирован на подложке с высокой степенью отражения, например, на металлической подложке, а поверх сенсорного слоя (поверх присоединенного детектируемого компонента) нанесена тонкая металлическая пленка для выравнивания интенсивностей света, отраженного от двух граничных поверхностей сенсорного слоя. Устройство [2] характеризуется теми же недостатками, что и устройство [1] , и, кроме того, большей сложностью реализации и еще меньшей достоверностью результатов из-за применения указанной металлической пленки.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для оптического детектирования присоединения, по меньшей мере, одного вещественного компонента к материалу, расположенному на поверхности или в толще сенсорного слоя, на основе биологического, химического или физического взаимодействия [3], принятое в качестве прототипа. Это устройство включает:
- сенсорный слой,
- источник направленного на сенсорный слой света длин волн, включающих, по меньшей мере, рабочие длины волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично,
- приемник, установленный на пути света, отраженного от сенсорного слоя или прошедшего сквозь сенсорный слой, для измерения интенсивности света рабочих длин волн в спектре принимаемого света,
- блок формирования результата, например, компьютер, для выдачи информации о детектируемом присоединении на основе изменений упомянутого спектра, подключенный своим входом к выходу приемника, что совпадает с рядом существенных признаков предложенного устройства.
При этом в устройстве-прототипе сенсорный слой расположен на прозрачной подложке, предпочтительно из стекла, и свет от источника направлен на сенсорный слой со стороны подложки. Сенсорный слой включает прозрачный, предпочтительно неорганический, оптический материал, а также материал, присоединяющий интересующий вещественный компонент, на поверхности или в толще сенсорного слоя. В качестве приемника используется спектрометр для регистрации спектра отражения или пропускания сенсорного слоя, предпочтительно, выполненный на основе массива фотодиодов. Блок формирования результата в устройстве-прототипе выполнен с возможностью определения абсолютной толщины сенсорного слоя из регистрируемого спектра, который модулирован интерференцией на сенсорном слое.
Как уже обсуждалось выше при рассмотрении способа-прототипа [3], работа устройства-прототипа основана на том, что детектируемое присоединение вещественных компонентов на поверхности или в толще сенсорного слоя изменяет оптическую толщину последнего. Блок формирования результата в заданные моменты времени определяет абсолютную оптическую толщину сенсорного слоя из спектра, регистрируемого приемником, и на основе изменений этой абсолютной толщины выдает информацию об исследуемом присоединении.
Используемый принцип определения абсолютной толщины налагает в устройстве-прототипе одновременно ряд ограничений на толщину сенсорного слоя:
- толщина равна по порядку величины длине волны используемого света;
- удвоенная толщина меньше длины когерентности используемого света;
- толщина лежит между 0,3 и 10 мкм, в практически важных случаях не превышая 5 мкм, а в предпочтительных вариантах - 2 мкм.
Указанные особенности и ограничения устройства-прототипа обусловливают целый ряд его недостатков, обсуждавшихся выше при анализе соответствующего способа, таких как большие ошибки измерений, вносимые неконтролируемыми вариациями интенсивности в регистрируемом спектре или на отдельных его участках, малая чувствительность и малая разрешающая способность устройства, низкая точность и недостаточная достоверность результатов измерений.
Известен также многоканальный вариант [4] устройства-прототипа, предназначенный для исследования структурных изменений, в частности, присоединения вещественных компонентов, в нескольких областях площади сенсорного слоя, В устройстве [4]: источник является монохроматическим и перестраиваемым; сенсорный слой расположен на подложке, которую для проведения измерений размещают на несущей пластине, либо расположен на самой несущей пластине; свет падает одновременно на все исследуемые области; приемник представляет собой набор фотоэлектрических приемников; введена управляющая связь между блоком формирования результата и источником для переключения последнего на другую длину волны излучаемого света после измерения приемником интенсивности принимаемого света для каждой из указанных областей на одной длине волны; блок формирования результата выполнен с возможностью построения спектрального распределения интенсивности света, принимаемого приемником, по длинам волн для каждой из указанных областей и выдачи информации об исследуемом присоединении на основе изменений указанного спектрального распределения для каждой из указанных областей.
Работа устройства [4] состоит в том, что спектр для каждой из исследуемых областей определяется "по точкам", причем сначала для всех областей измеряется интенсивность в спектре на одной длине волны, затем на другой длине волны, и т. д. Из полученных таким образом спектров для каждой из областей определяют абсолютную толщину сенсорного слоя, а из ее изменения получают для каждой области информацию об исследуемом присоединении.
Известна также иммунологическая планшета ("microtiter plate") [5] для многоканальной регистрации процессов присоединения, являющаяся базовым элементом устройства [4] . В этой планшете: сенсорный слой имеет толщину до 1 мкм и сформирован на донной пластине, причем между сенсорным слоем и донной пластиной расположен, по меньшей мере, еще один слой; обратная сторона донной пластины снабжена просветляющим покрытием; области сенсорного слоя, в которых исследуют упомянутое присоединение, сформированы неразъемным соединением донной пластины и второй пластины, имеющей набор отверстий, причем сенсорный слой в каждой области формирует дно реакционной ячейки, а отверстия второй пластины формируют боковые стенки этих реакционных ячеек.
Перечисленные варианты устройства [4, 5] используют тот же принцип определения толщины сенсорного слоя, что и устройство-прототип [3], и налагают те же ограничения на толщину сенсорного слоя. Следовательно, как подробно рассматривалось выше при анализе способа [4], все недостатки устройства-прототипа [3] присущи и устройству [4], в том числе в исполнении [5], причем даже в гораздо большей степени.
Таким образом, требуемый технический результат состоит в обеспечении независимости результатов измерений от неконтролируемых вариаций интенсивности анализируемого света, как в целом, так и в отдельных участках спектра и в отдельных областях площади сенсорного слоя, и, следовательно, в повышении точности измерений и повышении достоверности результатов, увеличении чувствительности и разрешающей способности устройства при одновременном снижении затрат на проведение эксперимента за счет сокращения числа необходимых операций и количества требуемого оборудования как в одноканальном, так и в многоканальном варианте устройства.
Для достижения указанного технического результата и в качестве реализации первого варианта предложенного способа предложено устройство (первый вариант) для оптического детектирования присоединения, по меньшей мере, одного вещественного компонента к материалу, расположенному на поверхности или в толще сенсорного слоя, на основе биологического, химического или физического взаимодействия, включающее:
- сенсорный слой,
- источник направленного на сенсорный слой света длин волн, включающих, по меньшей мере, рабочие длины волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично,
- приемник, установленный на пути света, отраженного от сенсорного слоя или прошедшего сквозь сенсорный слой, для измерения интенсивности света рабочих длин волн в спектре принимаемого света,
- блок формирования результата, например, компьютер, для выдачи информации о детектируемом присоединении на основе изменений упомянутого спектра, подключенный своим входом к выходу приемника, что совпадает с существенными признаками прототипа.
Предложенное устройство отличается тем, что:
- сенсорный слой имеет толщину, превышающую 10 мкм и, в то же время, по меньшей мере, на порядок величины большую, чем максимальная из рабочих длин волн,
- источник является источником коллимированного света либо на пути света от источника перед сенсорным слоем введено средство для коллимации света, так что на сенсорный слой падает коллимированный свет.
Кроме того, источник является монохроматическим с перестраиваемой длиной волны, а приемник представляет собой фотоприемник.
Кроме того, источником является перестраиваемый лазер, например, перестраиваемый полупроводниковый лазер.
Кроме того, источник выполнен из источника полихроматического света в сочетании с перестраиваемым монохроматором или перестраиваемым спектральным фильтром.
Кроме того, источником является набор монохроматических излучателей различных длин волн, выполненный с возможностью их последовательного во времени включения.
Кроме того, источник является источником полихроматического света.
Кроме того, полихроматический свет источника имеет непрерывный спектр с длиной когерентности меньшей, чем удвоенная толщина сенсорного слоя.
Кроме того, приемник представляет собой матричный спектрометр.
Кроме того, приемник выполнен из фотоприемника в сочетании с перестраиваемым монохроматором или перестраиваемым спектральным фильтром.
Кроме того, источник выполнен на основе лампы.
Кроме того, источник выполнен на основе светодиода.
Кроме того, сенсорный слой расположен на подложке.
Кроме того, свет от источника направлен на сенсорный слой со стороны подложки, причем подложка прозрачна, по меньшей мере, частично, для этого света.
Кроме того, сенсорный слой образован пластиной с поверхностями, не прилегающими к какой-либо подложке.
Кроме того, одна из граничных поверхностей сенсорного слоя, на которые направлен свет от источника, контактирует с тестируемой жидкостью, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, а на другой граничной поверхности присутствует материал для усиления или ослабления отражения, и обе граничные поверхности имеют близкие коэффициенты отражения.
Кроме того, обе граничные поверхности сенсорного слоя, на которые направлен свет от источника, контактируют с жидкостью, причем, по меньшей мере, одна из этих жидкостей является тестируемой жидкостью, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования.
Кроме того, обе указанные граничные поверхности контактируют с тестируемой жидкостью и на обеих указанных граничных поверхностях присутствует материал, способный присоединять указанный биологический или химический компонент.
Кроме того, сенсорный слой образован слоем тестируемой жидкости, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, а граничные поверхности этого слоя, на которые направлен свет от источника, сформированы с использованием твердых оптических материалов.
Кроме того, вариация оптической толщины сенсорного слоя в пределах пятна его облучения светом, направленным от источника на сенсорный слой и далее на приемник, не превышает четверти длины волны для наименьшей из рабочих длин волн.
Кроме того, сенсорный слой состоит из нескольких пространственно разделенных областей или содержит несколько пространственно разделенных областей, на которые падает свет от источника, причем ни одна область не перекрывает свет для другой области, приемник выполнен с возможностью измерять интенсивность принимаемого света для каждой из указанных областей, а блок формирования результата выполнен с возможностью анализировать изменения упомянутого спектра для каждой из указанных областей и на основе этих изменений выдавать информацию о детектируемом присоединении.
Кроме того, в каждой из указанных областей сенсорный слой образован пластиной, которая формирует дно реакционной ячейки и не прилегает к какой-либо подложке, а реакционные ячейки образуют набор в виде массива, например, в виде иммунологической планшеты.
Кроме того, в каждой из указанных областей сенсорный слой формирует дно реакционной ячейки и размещен на подложке, прозрачной для рабочих длин волн, а реакционные ячейки образуют набор в виде массива, например, в виде иммунологической планшеты.
Кроме того, вариация оптической толщины сенсорного слоя в пределах каждой из указанных областей не превышает четверти длины волны для наименьшей из рабочих длин волн.
Кроме того, источник является полихроматическим, а приемник представляет собой набор матричных спектрометров для регистрации спектра принимаемого света для каждой из указанных областей.
Кроме того, указанные матричные спектрометры снабжены оптическими волокнами для ввода света от указанных областей.
Кроме того, на пути света перед приемником расположена оптическая система для проецирования света от указанных областей на приемник, а приемник содержит набор фотоприемных площадок, каждая из которых имеет независимый выход, соединенный с блоком формирования результата.
Кроме того, указанная оптическая система выполнена на основе параболического зеркала.
Кроме того, предложенное устройство отличается тем, что:
- источник является монохроматическим с перестраиваемой длиной волны,
- в каждой из указанных областей сенсорный слой образован пластиной с поверхностями, не прилегающими к какой-либо подложке,
- введена управляющая связь между блоком формирования результата и источником для переключения последнего на другую длину волны излучаемого света после измерения приемником интенсивности принимаемого света для каждой из указанных областей на одной длине волны,
- блок формирования результата выполнен с возможностью построения спектрального распределения интенсивности света, измеряемой приемником, по длинам волн для каждой из указанных областей.
Кроме того, предложенное устройство отличается тем, что:
- источник является монохроматическим с перестраиваемой длиной волны,
- в каждой из указанных областей сенсорный слой образован слоем тестируемой жидкости, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, а граничные поверхности этого слоя, на которые направлен свет от источника, сформированы с использованием твердых оптических материалов,
- введена управляющая связь между блоком формирования результата и источником для переключения последнего на другую длину волны излучаемого света после измерения приемником интенсивности принимаемого света для каждой из указанных областей на одной длине волны,
- блок формирования результата выполнен с возможностью построения спектрального распределения интенсивности света, измеряемой приемником, по длинам волн для каждой из указанных областей.
Кроме того, предложенное устройство отличается тем, что:
- источник является полихроматическим,
- на пути света перед приемником имеется перестраиваемый монохроматор или перестраиваемый спектральный фильтр,
- введена управляющая связь между блоком формирования результата и указанным перестраиваемым монохроматором или перестраиваемым спектральным фильтром для переключения последнего на другую длину волны после измерения приемником интенсивности принимаемого света для каждой из указанных областей на одной длине волны,
- блок формирования результата выполнен с возможностью построения спектрального распределения интенсивности света, измеряемой приемником, по длинам волн для каждой из указанных областей.
Кроме того, в указанных областях расположены различные материалы, обладающие свойством избирательно присоединять различные вещественные компоненты из газовой или жидкой среды.
Список чертежей
Фиг.1 - схема первого варианта предлагаемого устройства, п.40 формулы.
Фиг.2 - схема второго варианта предлагаемого устройства, п.71 формулы.
На фиг.1-2 использованы следующие условные обозначения составных элементов:
1 - источник,
2 - средство для коллимации света, 2.1 и 2.2 - его составные элементы,
3 - светоделительный элемент,
4 - сенсорный слой,
5 - оптическая система для проецирования света на приемник,
6 - приемник,
7 - блок формирования результата,
8 - сканируемый интерферометр Фабри-Перо.
Первый вариант предложенного устройства схематически показан на фиг.1. На поверхности или в толще сенсорного слоя 4 находится материал (или несколько материалов), способный присоединять вещественные (биологические, химические или иные) компоненты на основе биологического, химического или физического взаимодействия, и этот материал контактирует со средой (на фиг.1 не показана), содержащей или предположительно содержащей эти компоненты. Примерами таких взаимодействий служат биоспецифическое связывание (например, антиген-антитело, биотин-авидин), образование химических связей, адсорбция или абсорбция и пр. Для работы устройства важен не тип взаимодействия, а то, что любое такое присоединение сопровождается привнесением нового материала на поверхность или в толщу сенсорного слоя и приводит к увеличению (в вариантах по пп. 57 и 68, когда сенсорный слой образован самой тестируемой средой - к уменьшению) оптической толщины сенсорного слоя, которое и регистрируется устройством. Устройство способно регистрировать также обратные реакции отделения компонентов от материала сенсорного слоя, поскольку они сопровождаются уменьшением (в пп.57 и 68 - увеличением) оптической толщины сенсорного слоя.
На сенсорный слой 4 падает свет от источника 1, в котором одновременно или попеременно присутствуют различные рабочие длины волн. Под рабочими понимаются те длины волн света от источника 1, интенсивность на которых измеряется приемником 6. В общем случае, в спектре источника 1 (например, лампы) могут присутствовать и те длины волн, которые лежат за пределами диапазона чувствительности приемника 6 (например, выполненного на основе полупроводниковых фотодиодов). Сенсорный слой 4 прозрачен для рабочих длин волн настолько, чтобы обеспечивалась возможность наблюдения интерференции вторичных световых волн, возникающих на граничных поверхностях сенсорного слоя 4.
Приемник 6 установлен на пути света, отраженного от сенсорного слоя 4 (этот вариант устройства показан на фиг.1) или прошедшего сквозь сенсорный слой 4 (этот вариант не показан). Варианты устройства, использующие измерения в отраженном и прошедшем свете, имеют несущественные различия и обеспечивают один и тот же технический результат. К таким несущественным различиям относится наличие светоделительного элемента 3 в схеме фиг.1. В качестве элемента 3 может применяться, например, светоделительная пластина (показана на фиг.1) или светоделительный куб. Элемент 3 целесообразно использовать для разделения пучков падающего на сенсорный слой и отраженного света в тех схемах устройства, где проводятся измерения в отраженном свете и направление падения света на сенсорный слой близко к нормальному. При измерениях в прошедшем свете, а также в отраженном свете при больших углах падения относительно нормали к сенсорному слою необходимость в элементе 3 отпадает.
Также необязательным элементом в устройстве по п.40 формулы является оптическая система 5 для проецирования света от сенсорного слоя на приемник. Применение системы 5 целесообразно, например, при значительных различиях размеров облучаемой площади сенсорного слоя 4 и фотоприемной площадки приемника 6 для предотвращения значительных потерь света и повышения отношения сигнала к шуму. Система 5 применяется также в ряде многоканальных модификаций устройства (см. ниже). В качестве системы 5 могут служить линзовые или зеркальные объективы (например, с использованием параболического зеркала), телескопические системы и пр.
Работа первого варианта устройства основана на том, что приемник 6 регистрирует спектр принимаемого света путем измерений интенсивности этого света одновременно или попеременно на различных рабочих длинах волн. В регистрируемом спектре наблюдается интерференционная картина, которая периодична по частоте света с периодом, описываемым соотношением (1). Блок формирования результата 7 анализирует изменения этой интерференционной картины, происходящие в ходе детектируемого присоединения в результате изменения оптической толщины сенсорного слоя 4, и выдает информацию об исследуемом присоединении.
Как уже отмечалось выше при анализе способа, для наблюдения указанной интерференционной картины пучок света должен быть достаточно коллимированным. Если сам источник 1 не обеспечивает необходимой степени коллимации выходного пучка света (например, если источником является лампа, светодиод или полупроводниковый лазер), на пути света от источника 1 перед сенсорным слоем 4 вводится средство 2 для коллимации света, уменьшающее расходимость пучка. В качестве средства 2 может служить, например, коллимирующий объектив (линзовый или зеркальный), диафрагма, сочетание объектива с диафрагмой и др. Средство 2 не применяется, если источник 1 сам является источником коллимированного света, например, лазером с малой расходимостью выходного пучка.
В отличие от устройства-прототипа, большая толщина сенсорного слоя 4 приводит к тому, что в регистрируемом спектре присутствует несколько интерференционных периодов. Поэтому отпадает необходимость точных измерений интенсивности и определения на этой основе абсолютной толщины сенсорного слоя. Вместо этого анализируется спектральный сдвиг отдельных интерференционных максимумов или минимумов, или спектральное смещение всей "гребенки" максимумов и минимумов как целого, что служит источником информации об относительных изменениях оптической толщины сенсорного слоя 4, а значит, и о детектируемом присоединении.
Поскольку спектральное положение интерференционных максимумов и минимумов не зависит от вариаций интенсивности ни всего спектра, ни его отдельных частей, предложенный вариант устройства обеспечивает требуемый технический результат. Более подробное рассмотрение проведено выше при анализе первого варианта предложенного способа.
Для достижения требуемого технического результата в части повышения точности измерений при одновременном снижении требований к приемнику 6 целесообразно исполнение устройства, в котором источник 1 является монохроматическим с перестраиваемой длиной волны, а приемник 6 представляет собой фотоприемник (п. 41 формулы). При этом предпочтительными являются реализации устройства, в которых источником 1 является перестраиваемый лазер, например, перестраиваемый полупроводниковый лазер (п.42), либо источник 1 выполнен из источника полихроматического света в сочетании с перестраиваемым монохроматором или перестраиваемым спектральным фильтром (п.43), либо источником 1 является набор монохроматических излучателей различных длин волн, выполненный с возможностью их последовательного во времени включения (п.44). Такие разновидности устройства особенно предпочтительны для задач многокальной регистрации.
Следует подчеркнуть качественное отличие первого варианта предложенного устройства и соответствующего способа от прототипа [3] в том, что касается возможности применения перестраиваемых лазеров в качестве источников света. Диапазоны перестройки таких лазеров обычно весьма невелики, и в прототипе они могли бы составлять лишь очень малую часть ширины спектра, необходимого для определения оптической толщины сенсорного слоя и детектирования присоединения компонентов. В предложенном же способе и устройстве использование большой толщины сенсорного слоя приводит к тому, что в диапазоне перестройки лазера можно обеспечить наличие нескольких или многих периодов интерференции, достаточных для детектирования присоединения компонентов с высокой точностью. Таким образом, в предложенном способе и устройстве, в отличие от прототипа, возможно использование перестраиваемых лазеров и других монохроматических источников, перестраиваемых в узких спектральных интервалах, а также полихроматических источников с малой шириной спектра, например, светодиодов (см. ниже).
Другие возможности открываются, если источник 1 является источником полихроматического света (п.45 формулы). При этом снижаются требования к источнику 1 и уменьшается число выполняемых операций, что ведет к упрощению и удешевлению устройства, особенно при регистрации по одному каналу или небольшому числу каналов. При этом целесообразно использовать свет с непрерывным спектром и длиной когерентности меньшей, чем удвоенная толщина сенсорного слоя 4 (п. 46). Непрерывность спектра позволяет с наибольшей точностью определить спектральное положение интерференционных максимумов или минимумов, а приведенное условие для длины когерентности означает, что на ширине спектра используемого полихроматического света располагается не менее двух интерференционных максимумов или минимумов интенсивности прошедшего или отраженного света.
Устройство с использованием полихроматического света, в котором приемник 6 представляет собой матричный спектрометр (п.47 формулы), является особенно предпочтительным для простоты реализации, воспроизводимости результатов и уменьшения числа необходимых операций. Матричный спектрометр, как правило, выполнен на основе дисперсионного элемента, например, дифракционной решетки, в сочетании с матричным фотоприемником, таким как массив фотодиодов или ПЗС-матрица. Обычно используется линейный (одномерный) массив (матрица) с ориентацией вдоль направления дисперсии. Свет в такой спектрометр подается обычно через диафрагму (щель) или оптическое волокно. Матричный спектрометр позволяет зарегистрировать сразу (с учетом времени накопления сигнала) весь требуемый спектр и избежать операции сканирования по спектру. Тем не менее, в зависимости от конкретных применений, в сочетании с источником полихроматического света может использоваться также приемник 6, выполненный на основе фотоприемника в сочетании с перестраиваемым монохроматором или перестраиваемым спектральным фильтром (п.48).
Источник полихроматического света целесообразно выполнить на основе лампы (п. 49 формулы) или светодиода (п.50). В первом случае имеет место максимально широкий спектр источника, что обеспечивает универсальность для регистрации спектра в различных диапазонах длин волн, а также возможность выбора желаемого и весьма большого числа интерференционных периодов на ширине регистрируемого спектра. Во втором - обеспечивается наибольшая спектральная плотность мощности используемого полихроматического света, что желательно для повышения отношения сигнала к шуму. Следует заметить, что, благодаря большой толщине сенсорного слоя, на ширине спектра светодиода можно регистрировать несколько периодов интерференции, что составляет важное отличие от прототипа.
Признаки устройства по пп.51-57 формулы рассматривались выше при анализе пп.6-12, относящихся к первому варианту способа, поэтому соответствующие материалы здесь не приводятся. Ограничимся лишь замечанием, что для исследования присоединения компонента (компонентов) со стороны обеих граничных поверхностей сенсорного слоя (п.11 способа) в реализующем этот способ устройстве (п.56) на обеих указанных граничных поверхностях присутствует материал, способный присоединять соответствующий компонент (компоненты). Например, это может быть антиген для присоединения соответствующего антитела, стрептавидин для присоединения биотинилированных белков, нуклеотидные цепочки для присоединения комплементарных нуклеотидных последовательностей, а также другие материалы для специфического связывания. Возможно также использование неспецифического связывания.
Важным признаком предложенного устройства является то, что вариация оптической толщины сенсорного слоя 4 в пределах пятна его облучения светом, направленным от источника 1 на сенсорный слой 4 и далее на приемник 6, не превышает четверти длины волны для наименьшей из рабочих длин волн (п.58 формулы). Приведенное ограничение вариации толщины относится к пятну облучения тем светом, который участвует в формировании информационного сигнала, регистрируемого приемником 6. Оптическая толщина сенсорного слоя в каждой точке его площади описывается выражением (2) и учитывает распределение показателя преломления по толщине слоя, причем показатель преломления и, следовательно, оптическая толщина, зависят от длины волны света. При больших вариациях оптической толщины по облучаемой площади максимумы и минимумы интерференционных картин в спектре от различных участков накладывались бы друг на друга, и в результирующем спектре, усредненном по всей облучаемой площади, происходило бы уменьшение контраста, размытие и, возможно, исчезновение отчетливой интерференционной картины. Если эти вариации не превышают четверти длины волны для наименьшей длины волны регистрируемого спектра, то отчетливая интерференционная картина будет наблюдаться во всем регистрируемом спектре, что позволяет обеспечить требуемый технический результат.
Устройство для многоканальной регистрации присоединения компонентов реализуется тем, что сенсорный слой 4 состоит из нескольких пространственно разделенных областей или содержит несколько пространственно разделенных областей, на которые падает свет от источника 1, причем ни одна область не перекрывает свет для другой области, приемник 6 выполнен с возможностью измерять интенсивность принимаемого света для каждой из указанных областей, а блок формирования результата 7 выполнен с возможностью анализировать изменения упомянутого спектра для каждой из указанных областей и на основе этих изменений выдавать информацию о детектируемом присоединении (п.59 формулы). Принципы многоканальной регистрации, области применения и обеспечение требуемого технического результата обсуждались выше при анализе способа. Напомним, что каналы регистрации соответствуют пространственно разделенным областям облучаемой площади сенсорного слоя или группам таких областей, а информационный сигнал (в первом варианте способа и устройства - спектр) регистрируется для каждой области отдельно и независимо от других областей. Блок формирования результата выдает информацию о детектируемом присоединении либо для каждой такой области, либо для группы таких областей, например, выполняя усреднение информационных сигналов по группе областей.
В одних случаях указанные области могут быть выбраны или сформированы на поверхности непрерывного сенсорного слоя (пленки, пластины, или слоя жидкости), например, посредством нанесения на различные участки поверхности различных связывающих (распознающих) реагентов. Если детектируемое присоединение происходит на обеих граничных поверхностях или в объеме сенсорного слоя, то участки этих двух поверхностей или объема, на которые падают одни и те же лучи света от источника, рассматриваются как одна область. В других случаях сенсорный слой может не являться непрерывным, а представлять собой набор пространственно разнесенных областей, например, донных пластинок разрозненного набора реакционных ячеек.
В частности, в одной из предпочтительных реализации в каждой из указанных областей сенсорный слой образован пластиной, которая формирует дно реакционной ячейки и не прилегает к какой-либо подложке, а реакционные ячейки образуют набор в виде массива, например, в виде иммунологической планшеты (п. 60 формулы). В другой предпочтительной реализации устройства в каждой из указанных областей сенсорный слой формирует дно реакционной ячейки и размещен на подложке, прозрачной для рабочих длин волн, а реакционные ячейки образуют набор в виде массива, например, в виде иммунологической планшеты (п. 61). Как в первом, так и во втором случае, на одну ячейку может приходиться либо одна область сенсорного слоя, сигнал с которой регистрируется отдельно и независимо от других областей, либо несколько таких областей. Выполнение базового элемента устройства в виде иммунологической планшеты ("microtiter plate") обеспечивает совместимость устройства со стандартными форматами биологических и биохимических анализов, удешевляет устройство и уменьшает число необходимых операций, расширяет область применения, обеспечивая тем самым требуемый технический результат.
В многоканальном устройстве важно, чтобы вариация оптической толщины сенсорного слоя в пределах каждой из указанных областей не превышала четверти длины волны для наименьшей из рабочих длин волн (п.62), то есть, чтобы обсуждавшееся выше ограничение вариации толщины в пределах пятна облучения распространялось на каждую область сенсорного слоя, сигнал от которой регистрируется отдельно и независимо от других областей.
При относительно небольшом числе каналов требуемый технический результат обеспечивается в наибольшей степени, если источник является полихроматическим, а приемник представляет собой набор матричных спектрометров для регистрации спектра принимаемого света для каждой из указанных областей (п.63 формулы), при этом одна область соответствует одному каналу регистрации (одной реакционной ячейке). Это позволяет в каждом канале регистрировать сразу весь спектр целиком и избежать таким образом сканирования по спектру, уменьшает число необходимых операций, затраты времени, повышает точность и достоверность результатов, а также временное разрешение, что важно для регистрации в режиме реального времени. Дополнительные возможности открываются, если указанные матричные спектрометры снабжены оптическими волокнами для ввода света от указанных областей (п. 64), и по этим волокнам свет от указанных областей подается к спектрометрам. Это позволяет миниатюризировать эти области до размеров порядка диаметра волокна, уменьшить вес и габариты устройства в целом, а также открывает возможности для дистанционных исследований с удалением приемника на значительные расстояния.
В других случаях, в частности, при большом числе каналов, на пути света перед приемником 6 расположена оптическая система 5 для проецирования света от указанных областей на приемник 6, а приемник 6 содержит набор фотоприемных площадок, каждая из которых имеет независимый выход, соединенный с блоком формирования результата 7 (п.65 формулы). Приемник 6 при этом может быть выполнен, например, в виде набора фотоприемников, двумерного фотоприемного массива, ПЗС-матрицы или видеокамеры. В таких случаях областью сенсорного слоя, сигнал от которой регистрируется отдельно и независимо от других областей, является такой участок сенсорного слоя, свет от которого проецируется на одну и ту же фотоприемную площадку. Одной реакционной ячейке (одному каналу регистрации) может соответствовать одна или несколько таких областей, в предпочтительных вариантах - большое число таких областей и большое число фотоприемных площадок. Следует подчеркнуть, что приведенное выше ограничение (п. 62 формулы) на вариации оптической толщины сенсорного слоя относится именно к одной такой области, а не ко всей реакционной ячейке. Поэтому при увеличении числа указанных областей и, соответственно, фотоприемных площадок на одну реакционную ячейку снижаются требования к однородности толщины сенсорного слоя в пределах реакционной ячейки, что существенно удешевляет устройство и способствует достижению требуемого технического результата. Кроме того, повышается точность и достоверность результатов измерений за счет усреднения сигналов от отдельных областей по всей облучаемой площади сенсорного слоя в пределах реакционной ячейки.
Указанная оптическая система 5 служит, как правило, и для отклонения, и для фокусировки световых лучей, поскольку размеры фотоприемных площадок приемника 6 обычно значительно меньше, чем размеры исследуемых областей сенсорного слоя, например, в случае, если сенсорный слой 4 совмещен с иммунологической планшетой стандартных размеров. В состав такой оптической системы 5 может входить, например, линзовый или зеркальный объектив, телескопическая система и пр. Система 5 может обеспечивать построение изображения сенсорного слоя 4 на приемнике 6, однако, это не является необходимым ввиду использования коллимированного света. В предпочтительной реализации устройства указанная система выполнена на основе параболического зеркала (п.66 формулы). Это позволяет использовать фотоприемные матрицы небольших размеров, минимизировать оптический путь от сенсорного слоя до приемника, а значит, минимизировать вес и габариты устройства, и избежать при этом аберраций, что увеличивает чувствительность устройства и точность измерений.
В устройстве по п.65 для достижения требуемого технического результата целесообразно, чтобы устройство предусматривало регистрацию спектра, модулированного интерференцией на сенсорном слое, путем сканирования по этому спектру, то есть последовательного измерения интенсивности в спектре на различных длинах волн. Это значительно упрощает устройство, так как снижаются требования к многоплощадочному приемнику: требуется уже не регистрация спектра света, падающего на каждую площадку, а лишь измерение его интенсивности. Дополнительная возможность упрощения и удешевления устройства открывается тем, что используется толстый сенсорный слой в виде пластины. В таком устройстве (п.67 формулы):
- источник является монохроматическим с перестраиваемой длиной волны,
- в каждой из указанных областей сенсорный слой образован пластиной с поверхностями, не прилегающими к какой-либо подложке,
- введена управляющая связь между блоком формирования результата и источником для переключения последнего на другую длину волны излучаемого света после измерения приемником интенсивности принимаемого света для каждой из указанных областей на одной длине волны,
- блок формирования результата выполнен с возможностью построения спектрального распределения интенсивности света, измеряемой приемником, по длинам волн для каждой из указанных областей.
В другом исполнении толстый сенсорный слой образован тестируемой жидкостью, преимущества такой схемы обсуждались выше. В таком устройстве (п. 68):
- источник является монохроматическим с перестраиваемой длиной волны,
- в каждой из указанных областей сенсорный слой образован слоем тестируемой жидкости, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, а граничные поверхности этого слоя, на которые направлен свет от источника, сформированы с использованием твердых оптических материалов,
- введена управляющая связь между блоком формирования результата и источником для переключения последнего на другую длину волны излучаемого света после измерения приемником интенсивности принимаемого света для каждой из указанных областей на одной длине волны,
- блок формирования результата выполнен с возможностью построения спектрального распределения интенсивности света, измеряемой приемником, по длинам волн для каждой из указанных областей.
Другая возможность сканирования по спектру состоит в варьировании длины волны не излучения, испускаемого источником, а излучения, принимаемого приемником. В соответствующем устройстве (п.69 формулы):
- источник является полихроматическим,
- на пути света перед приемником имеется перестраиваемый монохроматор или перестраиваемый спектральный фильтр,
- введена управляющая связь между блоком формирования результата и указанным перестраиваемым монохроматором или перестраиваемым спектральным фильтром для переключения последнего на другую длину волны после измерения приемником интенсивности принимаемого света для каждой из указанных областей на одной длине волны,
- блок формирования результата выполнен с возможностью построения спектрального распределения интенсивности света, измеряемой приемником, по длинам волн для каждой из указанных областей.
Для того, чтобы все перечисленные многоканальные модификации устройства были применимы к регистрации связывания одновременно различных компонентов газовых и жидких сред, а также к анализу содержания одновременно нескольких компонентов в газовых и жидких средах, обеспечивая при этом требуемый технический результат (см. анализ способа выше), в указанных областях расположены различные материалы, обладающие свойством избирательно присоединять различные вещественные компоненты из газовой или жидкой среды (п.70 формулы).
В качестве реализации второго варианта предложенного способа предложен второй вариант устройства для оптического детектирования присоединения, по меньшей мере, одного вещественного компонента к материалу, расположенному на поверхности или в толще сенсорного слоя, на основе биологического, химического или физического взаимодействия. Устройство включает:
- сенсорный слой,
- источник направленного на сенсорный слой света длин волн, включающих, по меньшей мере, рабочие длины волн, для которых сенсорный слой прозрачен, по меньшей мере, частично,
- приемник, установленный на пути света, отраженного от сенсорного слоя или прошедшего сквозь сенсорный слой, для измерения интенсивности света рабочих длин волн,
- блок формирования результата, например, компьютер, для выдачи информации о детектируемом присоединении, подключенный своим входом к выходу приемника, что совпадает с существенными признаками прототипа.
Предложенное устройство отличается тем, что:
- на пути света от источника до приемника последовательно с сенсорным слоем помещен сканируемый интерферометр Фабри-Перо с модулируемой базой (т. е. оптической длиной пути между зеркалами),
- свет от источника, падающий на сенсорный слой и на сканируемый интерферометр Фабри-Перо, является коллимированным, для чего в качестве источника используется источник коллимированного света, и/или вводятся средства для коллимации света перед сенсорным слоем и/или перед сканируемым интерферометром Фабри-Перо,
- база сканируемого интерферометра Фабри-Перо достаточно велика так, что связанный с ней период спектра пропускания сканируемого интерферометра Фабри-Перо, по меньшей мере, в два раза меньше ширины спектрального интервала, соответствующего рабочим длинам волн,
- блок формирования результата выполнен с возможностью регистрировать распределение измеряемой приемником интенсивности света, суммированной по рабочим длинам волн, в зависимости от базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо и выдавать информацию о детектируемом присоединении на основе изменения указанного распределения.
Кроме того, источник является источником полихроматического света с непрерывным спектром и длиной когерентности меньшей, чем удвоенная база сканируемого интерферометра Фабри-Перо.
Кроме того, длина когерентности указанного полихроматического света меньше, чем удвоенная толщина сенсорного слоя.
Кроме того, источник выполнен на основе лампы.
Кроме того, источник выполнен на основе светодиода.
Кроме того, сканируемый интерферометр Фабри-Перо включен в оптическую схему в качестве отражающего элемента.
Кроме того, сканируемый интерферометр Фабри-Перо включен в оптическую схему в качестве пропускающего элемента.
Кроме того, сканируемый интерферометр Фабри-Перо расположен на пути света от источника до сенсорного слоя.
Кроме того, по меньшей мере, часть пути света от источника до сканируемого интерферометра Фабри-Перо и/или от сканируемого интерферометра Фабри-Перо до сенсорного слоя лежит внутри оптического волокна.
Кроме того, сканируемый интерферометр Фабри-Перо расположен на пути света от сенсорного слоя до приемника.
Кроме того, сенсорный слой расположен на подложке.
Кроме того, свет от источника направлен на сенсорный слой со стороны подложки, причем подложка прозрачна, по меньшей мере, частично, для этого света.
Кроме того, сенсорный слой образован пластиной с поверхностями, не прилегающими к какой-либо подложке.
Кроме того, одна из граничных поверхностей сенсорного слоя, на которые направлен свет от источника, контактирует с тестируемой жидкостью, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования, а на другой граничной поверхности присутствует материал для усиления или ослабления отражения, и обе граничные поверхности имеют близкие коэффициенты отражения.
Кроме того, обе граничные поверхности сенсорного слоя, на которые направлен свет от источника, контактируют с жидкостью, причем, по меньшей мере, одна из этих жидкостей является тестируемой жидкостью, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент, присоединение которого является объектом детектирования.
Кроме того, обе указанные граничные поверхности контактируют с тестируемой жидкостью и на обеих указанных граничных поверхностях присутствует материал, способный присоединять указанный биологический или химический компонент.
Кроме того, сенсорный слой образован слоем тестируемой жидкости, содержащей или предположительно содержащей биологический или химический компонент. присоединение которого является объектом детектирования, а граничные поверхности этого слоя, на которые направлен свет от источника, сформированы с использованием твердых оптических материалов.
Кроме того, вариация оптической толщины сенсорного слоя в пределах пятна его облучения светом, направленным от источника на сенсорный слой и далее на приемник, не превышает четверти длины волны для наименьшей из рабочих длин волн.
Кроме того, сенсорный слой состоит из нескольких пространственно разделенных областей или содержит несколько пространственно разделенных областей, на которые падает свет от источника, причем ни одна область не перекрывает свет для другой области, приемник выполнен с возможностью измерять интенсивность принимаемого света для каждой из указанных областей, а блок формирования результата выполнен с возможностью анализировать изменения указанного распределения для каждой из указанных областей и на основе этих изменений выдавать информацию о детектируемом присоединении.
Кроме того, в каждой из указанных областей сенсорный слой формирует дно реакционной ячейки, а реакционные ячейки образуют набор в виде массива, например, в виде иммунологической планшеты.
Кроме того, вариация оптической толщины сенсорного слоя. в пределах каждой из указанных областей не превышает четверти длины волны для наименьшей из рабочих длин волн.
Кроме того, на пути света перед приемником расположена оптическая система для проецирования света от указанных областей на приемник, а приемник содержит набор фотоприемных площадок, каждая из которых имеет независимый выход, соединенный с блоком формирования результата.
Кроме того, указанная оптическая система выполнена на основе параболического зеркала.
Кроме того, предложенное устройство отличается тем, что:
- источник является источником полихроматического света с непрерывным спектром и длиной когерентности меньшей, чем удвоенная база сканируемого интерферометра Фабри-Перо,
- введена управляющая связь между блоком формирования результата и сканируемым интерферометром Фабри-Перо для переключения последнего на другое значение базы после измерения приемником интенсивности принимаемого света для каждой из указанных областей при одном значении базы,
- блок формирования результата выполнен с возможностью построения распределения измеряемой приемником интенсивности света, суммированной по рабочим длинам волн, в зависимости от базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо для каждой из указанных областей.
Кроме того, в указанных областях расположены различные материалы, обладающие свойством избирательно присоединять различные вещественные компоненты из газовой или жидкой среды.
Второй вариант предложенного устройства (одна из возможных схем) схематически представлен на фиг.2. На сенсорный слой 4 падает свет от источника 1, в котором одновременно или попеременно присутствуют различные рабочие длины волн. Как уже обсуждалось выше для первого варианта устройства, на поверхности или в толще сенсорного слоя 4 присутствует материал, осуществляющий детектируемое присоединение, в результате которого изменяется оптическая толщина сенсорного слоя.
Сенсорный слой прозрачен для рабочих длин волн настолько, чтобы обеспечивалась возможность интерференции вторичных световых волн, возникающих на граничных поверхностях сенсорного слоя. Вследствие этой интерференции, спектры пропускания и отражения сенсорного слоя представляют собой модулированное распределение интенсивности с периодом по частоте света, выражаемым соотношением (1). На фиг.2 показана лишь схема с использованием света, отраженного от сенсорного слоя. Схема с использованием прошедшего света отличается несущественно (в частности, как и в первом варианте, она не требует светоделительного элемента 3) и обеспечивает тот же технический результат.
В свою очередь, спектр света на выходе из интерферометра Фабри-Перо представляет собой также модулированное распределение интенсивности с периодом по частоте света, описываемым соотношением (3). База сканируемого интерферометра Фабри-Перо 8 в предложенном устройстве выбрана достаточно большой, так что период спектральной характеристики интерферометра 8, по меньшей мере, в два раза меньше ширины спектрального интервала, соответствующего рабочим длинам волн. Это означает, что на ширине спектра рабочих длин волн присутствуют, по меньшей мере, два максимума спектральной характеристики интерферометра.
Работа второго варианта устройства основана на том, что интерферометр 8 является сканируемым и его базу модулируют. При модуляции базы период и спектральное положение максимумов спектральной характеристики интерферометра изменяются в соответствии с соотношением (3). В отличие от прототипа и первого варианта устройства, в данном варианте регистрируется не спектр, а интенсивность света после взаимодействия с сенсорным слоем 4 и сканируемым интерферометром Фабри-Перо 8. Эта интенсивность измеряется приемником 6, например, фотоприемником или фотоприемным массивом. Блок формирования результата 7 регистрирует зависимость этой интенсивности от значений базы интерферометра 8. При совпадении спектрального положения хотя бы некоторых спектральных максимумов характеристик интерферометра 8 и сенсорного слоя 4 в указанной зависимости наблюдается корреляционный максимум, при совпадении положения всех максимумов - абсолютный корреляционный максимум. При изменении оптической толщины сенсорного слоя 4 в результате детектируемого присоединения зависимость интенсивности от значений базы интерферометра 8 сдвигается вдоль значений базы, что особенно удобно наблюдать по сдвигу корреляционных максимумов. Из анализа указанного сдвига блок формирования результата 7 формирует и выдает информацию об исследуемом присоединении.
Как уже отмечалось выше при анализе способа, пучки света, взаимодействующие с сенсорным слоем 4 и с интерферометром Фабри-Перо 8 и вносящие вклад в регистрируемый сигнал, должны быть достаточно коллимированными. Во-первых, для различных лучей и всех рабочих длин волн оптический путь, проходимый внутри сенсорного слоя 4, должен различаться не более, чем примерно на четверть длины волны. Во-вторых, направления лучей должны лежать внутри одного углового максимума пропускания интерферометра Фабри-Перо 8. В связи с этим, на пути света от источника может вводиться средство для коллимации света, уменьшающее расходимость пучка, если свет от источника не является достаточно коллимированным. Таким средством может являться, например, коллимирующий объектив (линзовый или зеркальный), диафрагма, сочетание объектива с диафрагмой и др. Если между интерферометром Фабри-Перо и сенсорным слоем нет объектов, изменяющих расходимость или поперечный размер пучка света, то указанное средство для коллимации может вводиться только перед тем из этих элементов (сенсорным слоем или интерферометром), который расположен раньше на пути света от источника. Если между ними есть объекты, изменяющие расходимость или поперечный размер пучка света (например, если между интерферометром Фабри-Перо и сенсорным слоем свет хотя бы часть пути идет по оптическому волокну), то еще, по крайней мере, одно, средство для коллимации света вводится перед вторым из этих элементов. В качестве примера на фиг. 2 показана схема устройства, где источник 1 сам является источником коллимированного света, падающего на интерферометр 8 (либо средство для коллимации света встроено в источник 1), поэтому отдельное средство для коллимации света перед первым элементом - интерферометром 8 - не предусмотрено. Средство для коллимации света 2 введено перед вторым элементом - сенсорным слоем 4. Средство 2 служит также для расширения пучка света, идущего от интерферометра 8 к сенсорному слою 4. Интерферометр Фабри-Перо 8 желательно освещать узким пучком света (это снижает требования к плоскостности и параллельности зеркал интерферометра), а сенсорный слой 4 - широким пучком, что увеличивает отношение сигнала к шуму за счет усреднения по площади сенсорного слоя 4, а в многоканальных модификациях устройства - позволяет регистрировать присоединение компонентов в большом числе областей сенсорного слоя 4 параллельно и независимо друг от друга. На фиг. 2 средство 2 состоит из двух элементов - линзы 2.1 и параболического зеркала 2.2, причем зеркало 2.2 одновременно выполняет функции оптической системы 5 для проецирования света от сенсорного слоя 4 на приемник 6.
Дополнительные признаки устройства по пп.72, 73 формулы совпадают с признаками способа по пп.21, 22, обсуждавшимися при анализе способа, и здесь не рассматриваются.
Дополнительные признаки устройства по пп.74, 75 формулы совпадают с признаками первого варианта устройства по пп.49, 50, обсуждавшимися выше, и здесь не рассматриваются.
Дополнительные признаки устройства по пп.76, 77, 78, 80 формулы совпадают с признаками способа соответственно по пп.26, 27, 24, 25, обсуждавшимися при анализе способа, и здесь не рассматриваются. Необходимо лишь отметить предпочтительную реализацию устройства по п.78, в которой, по меньшей мере, часть пути света от источника до сканируемого интерферометра Фабри-Перо и/или от сканируемого интерферометра Фабри-Перо до сенсорного слоя лежит внутри оптического волокна (п.79 формулы). Эта модификация, во-первых, обеспечивает требуемый технический результат за счет уменьшения веса и габаритов и повышения функциональной гибкости устройства и, во-вторых, важна при дистанционных измерениях.
Дополнительные признаки устройства по пп.81-88 формулы совпадают с признаками первого варианта устройства по пп.51-58, обсуждавшимися выше, и здесь не рассматриваются. Дополнительные признаки устройства по п. 89 формулы аналогичны признакам первого варианта устройства по п. 59 с той лишь разницей, что вместо спектра речь идет о распределении интенсивности света по значениям базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо. С учетом этой поправки для многоканальных модификаций (п.89) второго варианта устройства сохраняет силу обсуждение, проведенное выше, поэтому материалы по п.89 здесь не приводятся.
Пункт 90 формулы описывает многоканальное устройство, содержащее несколько пространственно разделенных областей сенсорного слоя, в котором в каждой из указанных областей сенсорный слой формирует дно реакционной ячейки, а реакционные ячейки образуют набор в виде массива, например в виде иммунологической планшеты. Важность реализации базового элемента на основе иммунологической планшеты анализировалась выше для первого варианта устройства (пп. 60, 61). Отличие второго варианта (п.90) состоит в том, что, в соответствии с принципом работы данного варианта устройства, не оговариваются ограничения на толщину сенсорного слоя, а также подразумевается возможность выполнения сенсорного слоя на подложке (с произвольным набором других слоев или без других слоев) либо выполнения его в виде отдельной пластины в каждой из указанных областей.
Дополнительные признаки устройства по пп.91, 92, 93 формулы совпадают с признаками первого варианта устройства по пп.62, 65, 66, обсуждавшимися выше, и здесь не рассматриваются.
Устройство по п.94 формулы предложено в качестве реализации способа по п.36 и отличается тем, что:
- источник является источником полихроматического света с непрерывным спектром и длиной когерентности меньшей, чем удвоенная база сканируемого интерферометра Фабри-Перо,
- введена управляющая связь между блоком формирования результата и сканируемым интерферометром Фабри-Перо для переключения последнего на другое значение базы после измерения приемником интенсивности принимаемого света для каждой из указанных областей при одном значении базы,
- блок формирования результата выполнен с возможностью построения распределения измеряемой приемником интенсивности света, суммированной по рабочим длинам волн, в зависимости от базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо для каждой из указанных областей.
Как отмечалось при анализе способа по п.36, данная схема позволяет регистрировать распределение интенсивности по значениям базы интерферометра "по точкам" одновременно по всем каналам, проходя одно значение базы за другим. При этом один интерферометр служит для всех каналов одновременно и обеспечивает высокую точность измерений, что упрощает устройство и обеспечивает требуемый технический результат.
Дополнительный признак устройства по п.95 формулы совпадает с признаком первого варианта устройства по п.70, обсуждавшимся выше, и здесь не рассматривается.
Таким образом, показано, что требуемый технический результат действительно достигается за счет существенных отличий предложенных вариантов устройства.
Проведенные эксперименты показали реализуемость предложенных вариантов.
Источники информации
1. Патент США 4558012, G 01 N 33/54, US 436/501, 1985.
2. Патент США 4820649, G 01 N 33/53, US 436/501, 1989.
3. Патент Германии 4200088 С2, G 01 N 21/45, 1997 (прототип).
4. Патент США 5999262, G 01 B 9/02, US 356/3571, 1999.
5. Патент США 6018388, G 01 N 21/03, US 356/246, 2000.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| Узкополосный лазер с внешним резонатором | 2023 |
|
RU2816115C1 |
| Устройство регистрации малых изменений длины интерференционных волоконно-оптических сенсоров | 2023 |
|
RU2824305C1 |
| ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО | 2012 |
|
RU2517801C1 |
| СЕНСОР МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА-БРИЛЛЮЭНА | 2016 |
|
RU2638918C1 |
| Способ настройки максимальной чувствительности волоконно-оптического гидрофона | 2015 |
|
RU2610382C1 |
| ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ | 2011 |
|
RU2466366C1 |
| СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ПЛАНАРНЫХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОЛЫХ СВЕТОВОДОВ С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ | 2010 |
|
RU2432568C1 |
| Оптический способ определения перемещения объекта | 1987 |
|
SU1465696A1 |
| СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ, БИОХИМИЧЕСКИХ, ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1997 |
|
RU2141645C1 |
| Устройство для измерения концентрации метана в смеси газов | 2015 |
|
RU2615225C1 |
Использование: детектирование присоединения биологических и/или химических компонентов жидкостных или газовых смесей и растворов, преимущественно биологического происхождения и/или определяющих параметры жизнедеятельности биологических объектов, к материалам, связывающим эти компоненты на основе биологического, химического или физического взаимодействия, а также анализ смесей и растворов на содержание биологических и/или химических компонентов. Сущность: связывающие материалы располагают на поверхности или в толще сенсорного слоя, который изменяет свою оптическую толщину в результате детектируемого присоединения, на слой воздействуют светом различных длин волн, в отраженном или прошедшем свете регистрируют сигнал, обусловленный интерференцией на сенсорном слое. В первом варианте таким сигналом является спектр, при этом сенсорный слой имеет толщину выше 10 мкм и по меньшей мере на порядок больше, чем максимальная регистрируемая длина волны, а информацию об исследуемом присоединении получают из анализа спектрального сдвига интерференционных максимумов или минимумов. Во втором варианте свет пропускают также через сканируемый интерферометр Фабри-Перо, регистрируемым сигналом является зависимость интенсивности результирующего света от изменения базы сканируемого интерферометра Фабри-Перо, в которой наблюдаются максимумы, обусловленные корреляцией спектральных характеристик взаимодействия света с сенсорным слоем и интерферометром, и из сдвига этой зависимости относительно значений базы получают информацию о детектируемом присоединении. Технический результат состоит в обеспечении независимости результатов измерений от неконтролируемых вариаций интенсивности анализируемого света как в целом, так и в отдельных участках спектра и в отдельных областях площади сенсорного слоя и, следовательно, в повышении точности измерений и повышении достоверности результатов, увеличении чувствительности и разрешающей способности при одновременном сокращении числа необходимых операций, снижении трудоемкости и стоимости способа в одноканальном и в многоканальном вариантах, в том числе при регистрации в режиме реального времени. 4 с. и 91 з.п. ф-лы, 2 ил.
| DE 4200088 A1, 15.07.1993 US 4558012 A, 10.12.1985 | |||
| US 4820649 A, 11.04.1983 | |||
| US 6018388 A, 25.01.2000 | |||
| Доводочная паста | 1979 |
|
SU834066A1 |
| СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ, БИОХИМИЧЕСКИХ, ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1997 |
|
RU2141645C1 |
