Носитель для оптического детектирования в малых объемах образца

Носитель для оптического детектирования в малых объемах образца

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данное изобретение относится к носителю и устройству для детектирования в образце в камере для образца (проб). Кроме того, оно касается использования подобного носителя и подобного устройства, а также способа детектирования магнитных частиц.

В заявке US 2005/0048599 A1 раскрыт способ исследования микроорганизмов, помеченных частицами, так чтобы на них могла воздействовать (например, магнитная) сила. В одном варианте осуществления данного способа световой пучок направлен через прозрачный материал к оптическому интерфейсу, определяемому переходом от прозрачной среды в другой, оптически менее плотный материал, где происходит его полное внутреннее отражение. Это световое излучение, проникающее в оптически менее плотную среду, как быстро затухающая волна рассеивается микроорганизмами, молекулами и/или другими компонентами на оптическом интерфейсе, а затем детектируется фотодетектором или используется для подсвечивания микроорганизмов в целях визуального наблюдения.

В международной публикации WO 2004/113886A описана опора, в частности, оптический диск, имеющая поверхностную структуру для детектирования, по меньшей мере, одного оптически-активного вещества в быстро затухающем поле на одной поверхности опоры, при этом поверхностная структура позволяет генерировать быстро затухающее поле в среде, прилегающей к поверхностной структуре. Поверхностная структура содержит одну или несколько секций поверхности опоры, которые являются наклонными по отношению к общей ориентации поверхности опоры. Изобретение также относится к устройству, в котором используется такая опора с поверхностной структурой, в частности оптический диск, и областей применения опоры с поверхностной структурой.

На основе этого, задача настоящего изобретения заключалась в создании средства для оптического детектирования в образце, при этом желательно, чтобы детектирование могло быть ограничено малыми объемами, предпочтительно объемами с протяженностью от 1 до 1000 мкм.

Решение этой задачи достигается носителем по п.1 формулы изобретения, устройством по п.2, устройством по п. 13. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Носитель по настоящему изобретению предназначен для оптического детектирования в образце, расположенном в прилегающей камере для образца, т.е. в пространстве вне носителя. В данном контексте термин «детектирование» может подразумевать любой вид взаимодействия света c образцом. Детектирование может предпочтительно содержать качественное или количественное детектирование (обнаружение) целевых компонентов, содержащих маркирующие частицы, при этом целевые компоненты могут быть, например, биологическими веществами, такими как биомолекулы, комплексные соединения, клеточные фракции или клетки. Носитель обычно выполняется, по меньшей мере, частично из прозрачного материала, например, стекла или полистирола, чтобы обеспечить распространение света заданного (в частности видимого, УФ и/или инфракрасного) спектра. Он содержит на своей поверхности оптическую структуру, которая может преломлять поступающий световой пучок, который сталкивается с упомянутой структурой с внутренней стороны носителя, во внешнее прилегающее пространство, т.е. в камеру для проб. Кроме того, оптическая структура может собирать выходной световой пучок, падающий на нее из внешнего пространства, т.е. из камеры для образца, которая содержит световое излучение, образуемое входным световым пучком. Этот сбор входного светового пучка становится возможным одновременно с преломлением входного светового пучка, т.е. при тех же самых рабочих условиях. Фотоны входного светового пучка могут непосредственно переходить в входной световой пучок; однако они также могут преобразоваться каким-то образом, например, путем поглощения и повторной эмиссии, вынужденной эмиссии или рассеивания, перед тем как они внесут свой вклад в выходной световой пучок.

Вследствие двойного преломления света на оптическом интерфейсе, свет перенаправляется в направлении, откуда он изначально пришел. Основным преимуществом такой геометрии является то, что детектирование светового излучения может быть осуществлено с той же стороны, что и освещение, т.е. детектирование светового излучения не блокируется какими-либо структурами, расположенными поверх носителя (например, конечной толщиной пробного флюида как таковой либо накладной пластиной, необходимой для управления потоком флюида по подложке носителя)

Кроме того, осуществляя повторный сбор дважды преломленного светового пучка для детектирования, равным образом можно использовать оптическую структуру только для возбуждения малого по глубине объема поверх подложки носителя и осуществить детектирование с помощью другого средства детектирования в направлении, отличном от направления преломленного светового пучка (например, используя темнопольное детектирование рассеянного или фотолюминесцентного светового излучения, исходящего из исследуемого объема, которое возбуждено с использованием оптической структуры, например, используя микроскоп, поле обзора которого направлено перпендикулярно подложке носителя, либо с нижней, либо с верхней стороны подложки).

Описанный носитель имеет преимущество в создании поверхностной структуры, которая способна излучать входное световое излучение в прилегающий образец и одновременно осуществлять повторный сбор этого светового излучения после его взаимодействия с образцом. Следует отметить в данном контексте, что входящее или входное световое излучение в действительности испускается (преломляется) в камеру для проб и может распространяться в ней на произвольное расстояние, в зависимости от действительной преломляющей геометрии заявленной подложки носителя. Следовательно, оно может охватывать больший объем, чем затухающие волны, сгенерированные в процессе полного внутреннего отражения светового пучка, и которые экспоненциально затухают на очень коротких расстояниях порядка десятков нанометров. Объемы, зондируемые испускаемым световым пучком, тем не менее, остаются на микроскопическом уровне, поскольку повторный сбор входного светового излучения происходит в самой поверхностной структуре.

Точная глубина (высота), на которой проводятся исследования, или исследуемый объем зависят от размера частиц, введенных в этот объем. Настоящее изобретение в особенности позволяет исследовать лишь монослой молекул или частиц, биохимически связанных с поверхностью. В этой связи глубина (высота) исследуемого объема составляет величину порядка диаметра частиц, которые требуется исследовать. Увеличение размера исследуемого объема приведет к нежелательному детектированию частиц, присутствующих в оптически менее плотной среде, которые биохимически не связаны с поверхностью. Увеличенные по размеру исследуемые объемы могут, однако, быть использованы, если несвязанные частицы удалены до проведения детектирования на этапе (магнитного) смыва.

Изобретение дополнительно касается устройства для оптического детектирования в образце в камере для образца, содержащего:

а) носитель вышеописанного типа, т.е. с оптической структурой на своей поверхности, способной преломлять входной световой пучок в прилегающую камеру для образца и одновременно способной собирать выходной световой пучок из упомянутой камеры для образца;

b) световой источник для излучения светового пучка через носитель в направлении оптической структуры носителя. Световой источник может представлять собой лазер или светоизлучающий диод (СИД), при необходимости обеспеченные некоторой оптикой для формирования и направления входного светового пучка.

Устройство содержит в качестве существенной своей составляющей носитель вышеописанного типа. Таким образом, приводится описание данного носителя для получения большей информации о деталях и преимуществах упомянутого микроэлектронного измерительного устройства.

Уже упоминалось, что преимуществом данного изобретения является создание средства для исследования ограниченных малых объемов образца, расположенных вблизи границы раздела, где, например, может происходить биохимическая реакция. В предпочтительных вариантах осуществления световое излучение, собранное в качестве выходного светового пучка оптической структурой на носителе, прошло расстояние менее 1000 мкм, предпочтительно менее 100 мкм, наиболее предпочтительно менее 10 мкм через внешнее пространство носителя, т.е. через камеру для образца. Таким образом, выходной световой пучок будет содержать информацию о событиях, которые имели место в малом объеме, составляющем обычно долю микролитра, прилегающем к оптической структуре. Предпочтительная глубина исследуемого объема зависит от частиц (молекул, макроскопических меток), подвергаемых исследованию. Для макроскопических детектируемых меток (таких как магнитные или флуоресцентные магнитные гранулы с характерным диаметром от 100 до 2000 нм) глубина исследуемого объема обычно в 1-10 раз превышает диаметр исследуемых частиц.

В предпочтительном варианте осуществления оптическая структура носителя содержит, по меньшей мере, одну грань, которую в дальнейшем будем называть «гранью возбуждения», через которую световое излучение входного светового пучка может быть излучено в прилегающую камеру для образца, а также, по меньшей мере, одну соответствующую грань, в дальнейшем называемую «гранью сбора», через которую излученное световое излучение может быть повторно собрано (в той мере, в которой оно могло распространяться без искажений через камеру для образца). При такой конструкции пространство между гранью возбуждения и гранью сбора образует объем, зондируемый входным световым пучком. Такие процессы как поглощение и рассеивание, имеющие место в этом объеме, окажут влияние на количество и/или спектр светового излучения входного светового пучка, которое может быть повторно собрано гранью сбора. Упомянутые количество/спектр, таким образом, содержат информацию о подобных событиях и вещества, которые их вызывают. При иной конфигурации, например, с использованием темнопольного детектирования в направлении, перпендикулярном носителю, рассеянное или флуоресцентное световое излучение может быть собрано из исследуемого объема с использованием как грани возбуждения, так и грани сбора.

Выходной световой пучок дополнительно может содержать световое излучение, вызванное фотолюминесценцией (т.е. флуоресценцией и/или фосфоресценцией), стимулированной в образце в камере для образца входным световым пучком. В этом случае оптическая структура предпочтительно выполнена так, что лишь ограниченный (малый) суб-объем камеры для образца возбуждается входным световым пучком и/или только фотолюминесцентное световое излучение из такого ограниченного объема собирается в выходном световом пучке. Выходной световой пучок может содержать дополнительное световое излучение, обусловленное непосредственно входным световым пучком.

Оптическая структура, обладающая требуемыми признаками, может быть выполнена различными путями. В предпочтительном варианте осуществления оптическая структура содержит, по меньшей мере, одно отверстие или канавку на поверхности носителя (при этом материал носителя в этой области должен быть прозрачным). Вместо описания подобной оптической структуры наличием отверстия или канавок, ее можно равным образом охарактеризовать наличием соответствующих гребней, ребер и т.п. Часть поверхности отверстия/канавки, облучаемая входным световым пучком, будет работать как грань возбуждения, через которую входной световой пучок преломляется в прилегающую камеру для образца; оставшаяся поверхность отверстия/канавки обычно будет работать как грань сбора, через которую собирается световое излучение, порожденное в камере образца. Если рассматривать прохождение входного светового пучка через камеру образца, грань сбора обычно будет располагаться противоположно грани возбуждения. При такой схеме оптической структуры обычно будет существовать объем внутри отверстия или канавки, задействованный входным световым пучком. Размер этого объема, таким образом, может произвольно адаптироваться путем выбора соответствующих размеров отверстия/канавки. Отверстия/канавки, в частности, могут представлять собой треугольные или трапецеидальные призматические структуры.

Вышеупомянутые отверстие или канавка предпочтительно имеют глубину около 0,01 мкм и 1000 мкм, предпочтительно от 0,1 мкм до 2 мкм. Такие размеры, например, пригодны для исследования магнитных интерактивных гранул, которые часто используются в биосенсорах для маркировки целевых компонент и обеспечения манипулирования ими с помощью магнитных сил.

Отверстие или канавка на поверхности носителя предпочтительно имеют сечение с двумя противоположно наклоненными противолежащими гранями. Такое сечение, в частности, может быть реализовано треугольным или трапецеидальным сечением. Световое излучение, эмитированное одной из граней, далее может быть повторно собрано противолежащей гранью.

В то время как в приведенных вариантах осуществления содержится случай, когда присутствует лишь одно отверстие или одна канавка, оптическая структура предпочтительно содержит множество таких отверстий или канавок, расположенных по упорядоченной или неупорядоченной схеме. Размеры одиночных отверстий/канавок в этом случае определяют протяженность подверженного оптическим манипуляциям объема образца в направлении, перпендикулярном поверхности носителя, в то время как размер схемы расположения всех отверстий/канавок определяет протяженность этого объема образца в направлениях, параллельных поверхности носителя. Кроме того, все отверстия/канавки могут иметь одинаковую форму, или они могут иметь различную форму. В последнем случае предпочтительно, чтобы форма (например, охарактеризованная наклоном граней канавок) варьировалась непрерывно в одном или двух направлениях вдоль поверхности носителя, создавая, таким образом, квазиконтинуум оптических условий на поверхности.

Носитель может дополнительно содержать контактную поверхность с множеством изолированных областей исследования, имеющих описанные оптические структуры. Детектирование в образце с оптическими структурами в этом случае может происходить одновременно в нескольких отдельных областях исследования.

Согласно дополнительному развитию изобретения оптическая структура имеет покрытие из участков связывания для целевых компонентов образца. Такие участки связывания, например, могут представлять собой биологические молекулы, которые специальным образом связаны с определенными молекулами в образце.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство содержит генератор магнитного поля для генерирования магнитного поля в камере для образца. Посредством такого магнитного поля имеется возможность прикладывать силу к магнитным частицам (например, гранулам) и перемещать их требуемым образом. Сгенерированное магнитное поле может, в частности, быть временно модулировано заданным образом, например, так, чтобы создавать вращающий момент магнитного поля в камере образца. Магнитные частицы с несферическими характеристиками при этом будут перемещаться в соответствии с модулированным полем, например, вращаться, что может быть зарегистрировано в виде характеристических показателей модуляции сигналов датчика.

По другому варианту осуществления вышеупомянутое магнитное поле может быть по существу параллельным поверхности носителя. Цепочки или колонны из множества магнитных частиц, которые часто образуются под влиянием внешнего магнитного поля, при этом будут ориентированы параллельно поверхности носителя. Таким образом, сигнал от одиночной магнитной частицы, связанной с поверхностью носителя, может быть усилен дополнительными магнитными частицами, которые в магнитном отношении связаны с ней в упомянутой цепочке. Особенно при низкой концентрации связанных магнитных частиц этот процесс может существенно повысить чувствительность детектирования.

Эффект преломления оптической структурой входного светового пучка в прилегающую камеру для образца требует наличия соответствующих оптических условий, а именно показатели преломления носителя и прилегающего образца, также как и угол падения входного светового пучка должны лежать в соответствующем диапазоне, при котором преломление может иметь место. Угол падения и показатель преломления для носителя могут быть зафиксированы при создании конструкции устройства; однако показатель преломления образца будет различным при применении устройства в зависимости от материала образца, подвергаемого манипуляциям. Конечная зависимость поведения устройства от показателя преломления материала образца может быть разработана для получения информации о материале в камере для образца. Для этой цели существует возможность разработать устройство (главным образом путем выбора угла падения входящего светового пучка относительно нормали к поверхности преломляющей грани, а также показателя преломления носителя), так чтобы:

а) по меньшей мере, часть входного светового пучка преломлялась в камеру для образца (как предполагается в вышеописанных вариантах осуществления), если камера для образца содержит среду с показателем преломления, лежащим в первом заданном интервале;

b) упомянутая часть входного светового пучка не преломлялась в камеру для образца, а полностью внутренне отражалась оптической структурой, если камера для образца содержит среду с показателем преломления, лежащим во втором интервале (отличном от первого интервала).

Следует отметить, что вышеупомянутые условия а) и b) могут существовать только в заданном месте или в заданной подобласти оптической структуры или для всей оптической структуры в целом.

Наблюдаемые воздействия на входной световой пучок, т.е. либо его преломление в камеру для образца, либо его полное внутреннее отражение, позволяют сделать заключение о показателе преломления материала в камере для образца, т.е. самого материла.

Особенно важное применение такого подхода заключается в возможности детектирования увлажнения, при котором распознается, находятся ли контактная поверхность и оптическая структура в должном контакте с жидким образцом, или они являются сухими (т.е. в контакте с воздухом, заполняющим полностью камеру для образца, либо с пузырьками газа, препятствующими контакту образца с контактной поверхностью). Кроме того, датчик увлажнения может предоставить информацию о скорости заполнения измерительного объема/камеры, что может дать информацию, например, о вязкости, температуре и т.д.

Устройство может дополнительно содержать фотоприемник для определения характеристического параметра светового излучения, порождаемого входным световым пучком, в частности, характеристического параметра выходного светового пучка. Фотоприемник может содержать любой соответствующий датчик или множество датчиков, с помощью которых можно детектировать световое излучение заданного спектра, например 1D- или 2D-матрицу датчиков, одноточечные или многоточечные фотодиоды, фоторезисторы, фотоэлементы, CCD- или CMOS-микросхемы или фотоэлектронный умножитель. Световое излучение, детектируемое фотоприемником, может, в частности, представлять собой входное световое излучение, которое не попадает в камеру для образца, например, в силу своего полного внутреннего отражения на оптической структуре; оно может представлять собой входное световое излучение, поступившее в камеру образца путем преломления, но которое не было повторно собрано оптической структурой; оно может представлять собой световое излучение, вызванное фотолюминесценцией (т.е. флуоресценцией и/или фосфоресценцией), возбуждаемой входным световым пучком в камере для образца, которое далее распространяется через носитель или не распространяется; либо оно может представлять собой входящее световое излучение от выходного светового пучка, которое (по определению) возникает из входного светового пучка, собранное оптической структурой. Кроме того, распознанный характеристический параметр может, в частности, представлять собой интенсивность или профиль распределения интенсивности выходного светового пучка.

Характеристический параметр, определяемый фотоприемником (световым датчиком), может, в частности, содержать количество обнаруженного светового излучения (например, выраженное в виде интенсивности светового пучка в заданном сечении). Другой важный пример характеристического параметра - направление распространения обнаруженного светового излучения. Еще один пример - граница оптической структуры, разделяющая области с различным оптическим воздействием на входной световой пучок, например, область, в которой происходит полное внутреннее отражение из зоны с «нормальным» отражением.

Оптическая структура носителя может иметь пространственно однородные оптические свойства, например, реализуемые регулярной периодической схемой расположения идентичных канавок или отверстий. Однако она также может иметь локально изменяющиеся оптические свойства, например, изменяющуюся форму (наклон, глубину, шаг и прочее) канавок/отверстий, образующих структуру. Свойства, в частности, могут быть связаны с полным внутренним отражением падающего входного светового пучка. В этом случае граница, отделяющая область оптической структуры, где происходит полное внутреннее отражение, от области «нормального» отражения, будет иметь различные направления для среды с различными показателями преломления в камере для образца. Граница, таким образом, косвенным образом предоставляет информацию о показателе преломления упомянутой среды.

Фотоприемник, при необходимости, может быть выполнен с возможностью раздельного детектирования составляющих выходного светового пучка, которые отличаются числом раз преломления и/или отражения носителем. Выходной световой пучок, например, может содержать первичную составляющую, которая распространялась через носитель без дополнительного взаимодействия (кроме возможного преломления при выходе из носителя) с границами раздела, после того как была собрана оптической структурой, и он может дополнительно содержать вторичную составляющую светового излечения, которая подверглась полному внутреннему отражению оптической структурой после ее сбора упомянутой структурой. Характеристические параметры этих составляющих выходного светового пучка обычно содержат информацию об условиях в камере для образца, например, о показателе преломления образца. Для того чтобы обладать возможностью раздельно детектировать различные составляющие исходящего светового пучка, фотоприемник может содержать физически различимые субблоки, например, два фотодиода, расположенные в различных местах, и/или он может перемещаться для произведения замеров в различных местах, разделяя, таким образом, составляющие выходного светового пучка во временном диапазоне.

Согласно дальнейшему развитию варианта осуществления, содержащего фотоприемник, устройство дополнительно содержит блок оценки для оценки сигнала обнаружения, обеспечиваемого фотоприемником в отношении присутствия и/или количества целевого компонента в камере для образца. Увеличение концентрации частиц в образце, например, может привести к большему рассеиванию входного светового излучения после его преломления в камеру для образца, а значит, к снижению интенсивности дважды преломленного выходного светового пучка. Повышение концентрации фотолюминесцентного вещества, напротив, приведет к увеличению количества фотолюминесцентного светового излучения, наблюдается ли это в дважды преломленном выходном световом пучке, или в световом излучении, детектируемом при темнопольной конфигурации в направлении, перпендикулярном поверхности носителя. В любом случае, детектируемое световое излучение будет нести информацию о присутствии и количестве целевого компонента, который представляет интерес.

В дополнение к фотоприемнику устройство может дополнительно содержать блок оценки для оценки сигнала обнаружения фотоприемника в отношения различия между двумя неодинаковыми средами, которые могут присутствовать в камере для образца, и/или в отношении показателя преломления среды в камере для образца. Такой подход основан на том факте, что среда в камере для образца оказывает влияние (например, посредством своего цвета или, в частности, своего показателя преломления) на то, распространяется ли входной световой пучок в образце и каким образом, а значит, оказывает влияние на характеристики получаемого в итоге выходного светового пучка. Такая зависимость может быть использована блоком оценки для дифференциации между возможными средами в камере для образца, в частности, между воздухом и жидкостью, при функционировании в качестве детектора влажности. Поскольку многие эффекты среды в камере для образца непрерывно зависят от ее показателя преломления, возможны даже количественные измерения, позволяющие сделать заключение о величине этого показателя.

Согласно дополнительному аспекту, изобретение касается устройства для детектирования магнитных частиц в образце, обеспечиваемого в камере для образца, при этом упомянутое устройство содержит следующие компоненты:

а) носитель с поверхностью, прилегающей к камере для образца, на которой могут быть обнаружены магнитные частицы;

b) генератор магнитного поля для генерирования магнитного поля в камере для образца, которое по существу параллельно поверхности носителя, и для одновременного прикладывания силы магнитного поля к магнитным частицам в камере для образца, которая вытянет их из упомянутой поверхности. Обычно сила магнитного поля генерируется градиентом магнитного поля, направленным от поверхности.

Вышеупомянутое устройство может, в частности, представлять собой устройство вышеописанного типа, т.е. его носитель может иметь оптическую структуру на поверхности, которая способна отражать входной световой пучок в прилегающей камере для образца, и которая одновременно может осуществлять сбор выходного светового пучка, падающего на нее из камеры для образца, при этом упомянутый выходной световой пучок содержит световое излучение, порожденное входным световым пучком. Кроме того, устройство обычно содержит световой источник для излучения входного светового пучка через носитель в направлении поверхности упомянутого носителя. Благодаря такой взаимосвязи с вышеописанным устройством, можно сделать ссылку на приведенное описание для получения большей информации о деталях, преимуществах и модификациях настоящего устройства. Следует, однако, заметить, что другие конкретные варианты осуществления настоящего устройства также возможны. Например, возможно, чтобы входной световой пучок полностью внутренне отражался на (гладкой) поверхности носителя для обеспечения обнаруженного выходного светового пучка, и чтобы частицы на поверхности обнаруживались, поскольку они вносят возмущение в упомянутое полное внутреннее отражение (порождая «нарушенное полное внутреннее отражение», FTIP). Кроме того, магнитные частицы могут детектироваться оптическим, механическим, акустическим, магнитным или любым другим пригодным способом.

Вне зависимости от способа обнаружения магнитных частиц на поверхности носителя, устройство по следующему аспекту имеет преимущество в том, что магнитные частицы на поверхности подвержены воздействию как магнитного поля, параллельного поверхности, так и сил, которые отрывают их от поверхности.

Таким образом, несвязанные магнитные частицы могут быть удалены с поверхности, оставляя лишь связанные магнитные частицы, представляющие интерес. Кроме того, магнитные частицы, которые закреплены на связанных магнитных частицах посредством магнитной связи, также могут оставаться на поверхности, при этом соответствующие цепочки или колонны магнитных частиц становятся ориентированными параллельно поверхности. Все магнитные частицы этих цепочек, следовательно, будут находиться в некотором объеме вблизи поверхности, где их можно обнаружить. Таким образом, множество магнитных частиц становятся ассоциированными с (единственным) событием связывания на поверхности носителя, что усиливает сигналы, соответственно проистекающие из такого события связывания.

Камера для образца вышеописанного устройства часто имеет удлиненную форму с длинными и короткими сторонами и некоторым продолжением по оси параллельно длинным сторонам. Это, например, имеет место тогда, когда камера для образца (проб) представляет собой канал для флюида, через который жидкий образец может протекать контролируемым образом. По предпочтительному варианту осуществления изобретения устройство с подобной удлиненной камерой для проб содержит, по меньшей мере, один генератор магнитного поля, полюса (северный и южный) которого расположены на противоположных длинных сторонах камеры для проб. Таким способом можно создать весьма однородные магнитные условия в значительной области, содержащей осевое удлинение камеры для проб.

Изобретение дополнительно касается использования вышеописанных носителя и устройства в целях молекулярной диагностики, анализа биологических образцов или химического анализа образцов, анализа продуктов питания и/или криминалистического анализа. Молекулярная диагностика, например, может выполняться с помощью магнитных гранул или фотолюминесцентных частиц, которые непосредственно или опосредованно закреплены на целевых компонентах.

Эти и другие аспекты изобретения станут ясны и будут освещены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже. Эти варианты осуществления будут описаны на примерах с помощью прилагаемых чертежей, где:

на Фиг. 1 схематично показано устройство с носителем по настоящему изобретению;

на Фиг. 2 показан увеличенный вид оптической структуры носителя, представленной на Фиг. 1;

на Фиг. 3 показано несколько возможностей объединить участки связывания с оптической структурой;

на Фиг. 4 показано на виде, подобном Фиг. 2, (a) полное внутреннее отражение входного светового пучка, когда камера для образца заполнена воздухом, и (b) преломление входного светового пучка в камеру для образца и генерирование различных вторичных пучков, когда камера для образца заполнена жидкостью;

на Фиг. 5-9 показана зависимость различных параметров от угла клина и показателя преломления соответственно;

на Фиг. 10 показано для оптической структуры на Фиг. 2 образование цепочек или колонн из нескольких магнитных частиц;

на Фиг. 11 показаны результаты измерений, представляющие различия в конечных сигналах, когда используется магнитный смыв и жидкостный смыв соответственно;

на Фиг. 12 показан вид в перспективе оптической структуры, представленной на Фиг. 1, с цепочками магнитных частиц, расположенными параллельно поверхности;

на Фиг. 13 показан вид в разрезе по прямой XIII-XIII на Фиг. 2, где дополнительно показан генератор магнитного поля;

на Фиг. 14 показаны результаты измерений, полученные по схеме, представленной на Фиг. 13, когда магнитный смыв выполнен с помощью магнитных полей, параллельного и перпендикулярного поверхности соответственно.

на Фиг. 15 показаны кривые дозовой зависимости для анализа на тропонин, полученные с помощью нарушенного полного внутреннего отражения;

на Фиг. 16 показан схематичный вид в перспективе устройства по настоящему изобретению, в котором магнитные полюса расположены на противоположных сторонах удлиненного канала.

Одинаковые номера позиций на Фигурах относятся к идентичным или схожим компонентам.

С использованием (нарушенного) полного внутреннего отражения весьма малые объемы, близкие к отражающей поверхности, могут быть исследованы с помощью соответствующих быстро затухающих волн (характерная величина длины затухания быстро затухающих волн составляет от 10 до 500 нм, при этом точное значение зависит от показателей преломления окружающих сред и угла вхождения поступающего светового пучка относительно нормали к поверхности). Однако, учитывая, что во многих биологических анализах используются магнитные гранулы диаметром от нескольких сот нанометров до нескольких микрон, в этих случаях лишь малая часть поверхности гранулы взаимодействует с оптическим полем быстро затухающей волны, что приводит к относительно малым сечениям рассеяния/поглощения.

Здесь, таким образом, предложен альтернативный подход, который позволяет исследовать малый по глубине объем вблизи оптической поверхности, однако с глубиной объема (микроны), превышающей ту, что используется по технологии быстро затухающего поля (обычно 100 нм). Технология предпочтительно используется в сочетании с большими (диаметром от нескольких сот нанометров до микрон) рассеивающими и/или поглощающими гранулами, которые могут быть удалены с поверхности с использованием внешних сил, например, с суперпарамагнитными гранулами.

на Фиг. 1 показан пример реализации такого подхода с устройством 100 по настоящему изобретению. Центральным компонентом данного устройства является носитель 11, который, например, может быть выполнен из стекла или прозрачного пластика, такого как полистирол. Носитель 11 расположен рядом с камерой 2 для образца (проб), в которой может обеспечиваться пробная жидкость с целевыми компонентами, которые следует распознать (например, лекарственные препараты, антитела, ДНК и т.д.). Образец дополнительно содержит магнитные частицы, например, суперпарамагнитные гранулы, при этом данные частицы обычно связаны в качестве меток с вышеупомянутыми целевыми компонентами. Для простоты, на Фигуре показано только сочетание целевых компонентов с магнитными частицами, которое далее будем называть «целевой частицей» 1. Следует отметить, что вместо магнитных частиц могут быть также использованы другие частицы-метки, например, электрически заряженные или фотолюминесцентные частицы. Граница раздела между носителем 11 и камерой 2 для проб образована поверхностью, называемой «контактной поверхностью» 12. Эта контактная поверхность 12 при необходимости имеет покрытие из захватывающих элементов (не показаны), например, антител или протеинов, которые способны определенным образом связывать целевые частицы. Кроме того, контактная поверхность содержит в «области исследования» 13 оптическую структуру 50, которая объясняется ниже.

Для манипулирования магнитными целевыми частицами устройство 100 может содержать генератор 41 магнитного поля, например, электромагнит, имеющий катушку и сердечник, для контролируемого генерирования магнитного поля на контактной поверхности 12 и в прилегающем пространстве камеры 2 для образца. С помощью этого магнитного поля целевые частицы 1 могут подвергаться манипулированию, т.е. намагничиваться и, в частности, перемещаться (при использовании градиентных магнитных полей). Таким образом, например, можно притягивать целевые частицы 1 к контактной поверхности 12 с целью ускорения их связывания с упомянутой поверхностью, либо смывать несвязанные целевые частицы с контактной поверхности перед проведением измерений. В то время как на Фигуре показана единственная магнитная катушка под носителем, следует отметить, что одна или несколько магнитных катушек могут быть также расположены в других местах.

Устройство 100 дополнительно содержит световой источник 21, генерирующий входной световой пучок L1, который поступает в носитель 11 через «входное окно» 14. В качестве светового источника 21 можно использовать лазер или светоизлучающий диод, в частности, промышленный лазерный диод для DVD (λ=658 нм). Может использоваться коллиматорная линза, чтобы сделать входной световой пучок L1 параллельным, а также может использоваться отверстие малого диаметра, например диаметром 1 мм, чтобы уменьшить диаметр пучка. В общем, предпочтительно используемый световой пучок должен быть (квази-) монохромным и (квази-) коллимиров