Способ исследования биологических, биохимических, химических характеристик сред и устройство для его осуществления

 

Использование: исследование биологических, биохимических, химических характеристик сред преимущественно биологического происхождения и/или контактирующих с биологическими объектами сред, параметры которых определяют жизнедеятельность биологических объектов. Сущность: проводят резонансное возбуждение поверхностных плазмонных поляритонов в слое металла, покрытом веществом, чувствительным к исследуемым характеристикам среды, осуществляют интерференцию с участием пучка отраженного в этих условиях излучения и некоторого опорного пучка, регистрируют параметры пространственного распределения интенсивности в полученной интерференционной картине, на основании которых судят об исследуемых характеристиках. Технический результат заключается в повышении чувствительности и разрешающей способности измерений, по крайней мере, на два порядка. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к методам исследования биологических, биохимических, химических характеристик сред, преимущественно биологического происхождения и/или контактирующих с биологическими объектами сред, параметры которых определяют жизнедеятельность биологических объектов.

Изобретение может быть использовано для определения состава и свойств сред, содержащих биологические и химические компоненты, в целях научных исследований и решения прикладных задач в микробиологии, иммунологии, медицине, биохимии, а также для экологического мониторинга. В частности, оно применимо для обнаружения и измерения концентраций биологически активных компонентов в сочетании с методами иммунологического анализа и позволяет регистрировать взаимодействия антител с соответствующими антигенами в режиме реального времени.

В известном аналоге [1] предлагаемого способа осуществляют контакт раствора, содержащего некоторый антиген, с тонким слоем антител, иммобилизированных на пленке серебра, совмещенной со стеклянной призмой. На пленку воздействуют через призму лазерным излучением, возбуждают поверхностные плазменные поляритоны (ППП) на поверхности раздела серебра и слоя антител и наблюдают обусловленный перекачкой энергии излучения в ППП резонансный минимум зависимости интенсивности отраженного излучения от угла падения излучения на пленку. Взаимодействие антиген-антитело регистрируют по сдвигу положения резонансного контура указанной зависимости. Недостатки аналога [1] как в части способа, так и в части устройства для его реализации, связаны с необходимостью использовать узлы механического вращения для сканирования и настройки по углу падения, а также компенсации смещения пятна облучения и отслеживания поворота отраженного луча. Это делает способ и устройство громоздкими и непрактичными, приводит к недостаточной надежности, низкой точности измерений и малой чувствительности метода.

В другом известном аналоге [2] излучение подают в оптический волновод, торец которого скошен под углом, необходимым для возбуждения ППП в системе из нанесенной на этот торец металлической пленки и чувствительного слоя. Последний способен реагировать с анализируемым компонентом среды и изменять тем самым условия резонансного возбуждения ППП. Информационный сигнал выделяют из анализа излучения, отраженного назад в волновод. К недостаткам аналога [2] следует отнести усложненность способа и соответствующего устройства в части методов и средств анализа выходного оптического сигнала, а также необходимости модовой и частотной селекции излучения, что ограничивает область применимости, снижает точность измерений и чувствительность метода.

Наиболее близким к предлагаемому является способ исследования биологических, биохимических или химических характеристик сред [3], выбранный в качестве прототипа. В этом способе: - воздействуют электромагнитным излучением через прозрачный блок на область граничной поверхности этого блока, покрытую металлическим слоем и чувствительным веществом поверх этого слоя непосредственно либо с использованием промежуточного материала, - привносят некоторый объем или составной элемент анализируемой среды для взаимодействия с чувствительным веществом в указанной области, - осуществляют посредством указанного воздействия поверхностно-плазмонный резонанс, параметры которого зависят от указанного взаимодействия, - формируют сигнальный пучок посредством частичного отражения указанного излучения от указанной области при наличии указанного поверхностно-плазмонного резонанса, - используют указанный сигнальный пучок для создания пространственного распределения электромагнитной интенсивности, характер которого определяется указанным поверхностно-плазмонным резонансом, - а также регистрируют параметры указанного распределения, при сопоставлении которых с предварительно заданными контрольными зависимостями судят об исследуемых характеристиках.

Способ прототипа основан на том, что в пространственном распределении электромагнитной интенсивности, создаваемом с использованием отраженного пучка вдоль протяженного фотоприемного массива, присутствует особенность, связанная с возбуждением ППП, а именно, резонансный минимум интенсивности. В одномерном распределении он проявляется в виде одной темной полосы на фоне области засветки. Способ прототипа позволяет регистрировать в каждый момент времени целиком все пространственное распределение интенсивности с резонансным контуром минимума отражения, а информацию об исследуемых характеристиках получать из анализа положения и формы резонансного контура. При этом удается избежать механических поворотов и перемещений, и, кроме того, выходной сигнал оказывается нечувствительным к дрейфам интенсивности излучения. Перечисленные особенности относятся к важным достоинствам прототипа.

Главным недостатком прототипа является низкая чувствительность выходного сигнала к вариациям оптических параметров слоя чувствительного вещества, отражающим характеристики исследуемой среды, и, как следствие, малая разрешающая способность метода. По литературным данным, в такого рода схемах при использовании излучения с длиной волны 632,8 нм достигается разрешение по эффективному показателю преломления не лучше 3·10^-6, а по концентрации, например, альбумина (aHSA) при иммунологическом связывании HSA-aHSA - 10^-10 моль/л. Однако, имеется ряд задач, где снижение порога обнаружения биологически активных компонентов критически важно (например, в случае вируса гепатита, поскольку даже одиночный вирус может вызвать заболевание). Принципиальное же ограничение на порог разрешения прототипа накладывает используемый физический принцип, а именно, восприимчивость пространственного положения и/или уровня минимума интенсивности отраженного излучения к вариациям оптических параметров слоя чувствительного вещества.

Кроме того, детектирование сдвигов положения и уровня резонансного минимума сопряжено с необходимостью регистрировать весь резонансный контур, либо большую его часть, целиком, ввиду трудности аналитического задания формы контура и практической невозможности нахождения положения и уровня минимума по малому числу точек контура. При этом, порог детектирования малых сдвигов резонансного контура тем ниже, чем больше пространственный масштаб создаваемого распределения интенсивности и чем меньше размер каждого дискретного элемента протяженного фотоприемного массива. Поскольку угловая ширина резонансного контура является заданной величиной, определяемой физическим механизмом возбуждения ППП, снижение порога детектирования возможно только за счет увеличения первого (и, соответственно, увеличения размеров фотоприемного массива и устройства в целом) либо уменьшения второго. Оба пути ведут к резкому удорожанию способа и устройства, а также падению отношения полезного сигнала к шуму, и оказываются малоприемлемыми.

Таким образом, требуемый технический результат, преодолевающий недостатки прототипа, состоит в повышении чувствительности и снижении порога разрешения метода, или, более конкретно, в следующем: а) использовании более совершенного физического принципа формирования измеряемого параметра, связанного с пространственным распределением электромагнитной интенсивности, который обеспечил бы более высокую чувствительность такого параметра к исследуемым характеристикам сред; б) использовании более гибкой методики регистрации малых изменений указанного параметра, которая обеспечила бы возможность снижения порога детектирования.

Для достижения указанного технического результата предложен способ исследования биологических, биохимических, химических характеристик сред, в том числе характеристик взаимодействий сред с поверхностями и приповерхностными слоями, в котором: - воздействуют электромагнитным излучением через прозрачный блок на область граничной поверхности этого блока, покрытую металлическим слоем и чувствительным веществом поверх этого слоя непосредственно либо с использованием промежуточного материала, - привносят некоторый объем или составной элемент анализируемой среды для взаимодействия с чувствительным веществом в указанной области, - осуществляют посредством указанного воздействия поверхностно-плазмонный резонанс, параметры которого зависят от указанного взаимодействия,
- формируют сигнальный пучок посредством частичного отражения указанного излучения от указанной области при наличии указанного поверхностно-плазмонного резонанса,
- используют указанный сигнальный пучок для создания пространственного распределения электромагнитной интенсивности, характер которого определяется указанным поверхностно-плазмонным резонансом,
- а также регистрируют параметры указанного распределения, при сопоставлении которых с предварительно заданными контрольными зависимостями судят об исследуемых характеристиках, что аналогично прототипу.

Предложенный способ отличается тем, что:
- формируют, по меньшей мере, один дополнительный - опорный - пучок излучения,
- осуществляют интерференцию указанных сигнального и опорного пучков и используют получаемую при этом интерференционную картину для создания указанного распределения,
- регулируют масштаб и расположение указанной интерференционной картины, подстраивая относительное направление и расположение указанных сигнального и опорного пучков, с учетом требуемой чувствительности и/или разрешающей способности способа.

Кроме того, излучение указанного опорного пучка отражается от указанной граничной поверхности.

Кроме того, излучение указанного опорного пучка отражается от указанной граничной поверхности в условиях возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов.

Кроме того, вышеупомянутое излучение содержит дискретный и/или непрерывный набор частот, а параметры указанного распределения регистрируют для ряда значений или полосы частот упомянутого набора.

Кроме того, осуществляют регистрацию исследуемых характеристик в двух измерениях, одно из которых соответствует интенсивности указанного сигнального пучка или его части, а другое соответствует сдвигу указанной интерференционной картины.

Кроме того, обеспечивают соответствие толщины указанного металлического слоя ее оптимальному значению.

Кроме того, наряду с указанным сигнальным пучком используют и другой сигнальный пучок, несущий информацию об изменении внешних условий, указанную интерференционную картину формируют сведением излучения от каждого из этих двух пучков и опорного пучка, а об исследуемых характеристиках судят по относительному смещению двух соответствующих частей интерференционной картины.

Список фигур чертежей.

Фиг. 1. Схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Фиг. 2. Вариант устройства, реализующего предлагаемый способ.

Схема устройства, реализующего предлагаемые способы, приведена на фиг. 1, где
1 - источник излучения;
2 - средство для создания пространственного распределения интенсивности;
3 - приспособление для пространственного разделения излучения;
4 - прозрачный блок;
5 - металлический слой;
6 - чувствительное вещество;
7 - узел для привнесения анализируемой среды;
8 - приспособление для сведения излучения в область интерференции;
9 - блок регистрации параметров пространственного распределения интенсивности.

Поясним принцип действия предлагаемого способа, рассмотрев вариант устройства, реализующего предложенный способ, приведенный на фиг. 2, где
10 - гелий-неоновый лазер;
11, 12 - светоделительные кубы;
13 - стеклянная призма;
14 - стеклянный слайд;
15 - пленка золота;
16 - слой антитела;
17 - микрокювета с протоком раствора, содержащего антиген;
18 - поглощающий фильтр;
19 - зеркало;
20 - ПЗС матрица;
21 - широкоапертурный фотодиод.

Физический принцип, на котором основан предлагаемый способ, состоит в том, что информацию об исследуемых характеристиках среды и ее взаимодействии с чувствительным веществом на поверхности металлического слоя несет как амплитуда электромагнитной волны, отраженной от металлического слоя в условиях возбуждения ППП, так и ее фаза [4]. Поэтому в предлагаемом способе формируют пространственное распределение интенсивности, по параметрам которого судят об исследуемых характеристиках среды, таким образом, чтобы оно учитывало не только амплитуду упомянутой отраженной волны, что аналогично прототипу, но, что составляет принципиальное отличие, также и ее фазу. Средством, обеспечивающим выполнение этого принципа, служит интерференция указанной волны и некоторой другой опорной волны.

Так, например (фиг. 2), анализируют биологический раствор на содержание некоторого антигена. Для этого некоторый объем анализируемого раствора привносится в микрокювету 17, где он взаимодействует со слоем чувствительного вещества 16. В схеме фиг. 2 таким веществом является антитело, которое комплементарно связывается с соответствующим антигеном. В результате происходит приращение эффективной толщины слоя 16. Другие типы взаимодействий могут изменять также показатель преломления и/или экстинкции слоя 16. В случае недостаточной селективности взаимодействия слоя 16 с многокомпонентной средой, в область взаимодействия с этим слоем может привноситься лишь представляющий интерес составной элемент этой среды, например, посредством прохождения через селектирующую мембрану. Чувствительное вещество 16 находится на поверхности слоя металла 15, характеризующегося малым затуханием ППП, чаще всего, серебра или золота. Вещество 16 может быть нанесено на поверхность металла 15 непосредственно либо через промежуточный материал. Таким материалом может являться, например, тонкий слой диэлектрика на серебре для предотвращения деградации последнего, либо присоединенные к золоту белковые молекулы для иммобилизации на них антител.

На слой металла 15 через прозрачный блок, граничная поверхность которого совмещена с поверхностью слоя 15 (на фиг. 2 этот блок состоит из стеклянных призмы 13 и слайда 14, находящихся в иммерсионном контакте между собой), воздействуют излучением от источника (например, на фиг. 2, гелий-неонового лазера 10), поляризованным в плоскости падения. Совмещение слоя 15 и упомянутого блока необходимо для возбуждения ППП вблизи границы раздела слоев 15 и 16 методом так называемого нарушенного полного внутреннего отражения, поскольку именно такое совмещение позволяет при определенном значении угла падения излучения на слой 15 согласовать величины волновых векторов излучения и ППП. Наличие такого условия согласования означает, что энергия падающего излучения преобразуется в ППП и, в конечном счете, поглощается в металле резонансным образом. Вследствие этого, вблизи указанного значения угла падения имеют место резонансные угловые зависимости как амплитуды, так и фазы комплексного коэффициента отражения поля волны излучения. Первая проявляется как колоколообразный резонансный контур с минимумом отражения (теоретически, при оптимальной толщине слоя металла 15, равной нулю), а вторая имеет форму "ступени" с перепадом в пределах указанного контура до 2π и максимальной крутизной наклона в положении упомянутого минимума, причем эта крутизна сильно зависит от того, насколько толщина слоя 15 соответствует оптимальной. Комплексный волновой вектор ППП и, следовательно, положение и форма (полуширина и уровень минимума) резонансного контура сильно зависят от оптических характеристик слоя 16 (толщина, показатели преломления и экстинкции), которые, в свою очередь, испытывают влияние исследуемых характеристик среды в результате взаимодействия с последней. Таким образом, как амплитуда, так и фаза пучка, сформированного в результате частичного отражения излучения от слоя металла 15, содержат информацию об исследуемых характеристиках среды.

Считывание информации, содержащейся в фазе отраженной волны, в предлагаемом способе обеспечивается посредством создания пространственного распределения электромагнитной интенсивности, зависящего от такой фазы, и регистрацией параметров указанного распределения, по сравнению которых с предварительно заданными контрольными зависимостями судят об исследуемых характеристиках. Такой путь позволяет избежать зависимости информационного сигнала от дрейфов интенсивности излучения. Очевидным методом создания требуемого пространственного распределения служит интерференция отраженной волны, в качестве сигнальной, и некоторой опорной волны, а источником информационного сигнала - сдвиг интерференционных полос. Чувствительность информационного сигнала к изменениям анализируемого параметра среды выражается скоростью сдвига интерференционных полос и определяется крутизной наклона "ступени" соответствующей резонансной зависимости фазы комплексного коэффициента отражения. Интерференция достигается посредством пространственного разделения излучения одного и того же источника, по меньшей мере, на два пучка, с их последующим сведением в область интерференции. В схеме фиг. 2 этой цели служат два светоделительных куба 11, 12 и зеркало 19. При этом фильтр 18 используется для обеспечения желаемого контраста интерференционной картины за счет выравнивания амплитуд поля опорной и сигнальной волны, с учетом того, что амплитуда коэффициента отражения последней находится вблизи минимума. Положение зеркала 19 задает угол сведения сигнального и опорного пучков и, таким образом, определяет период интерференционной картины в пределах области интерференции. Параметры распределения интенсивности в интерференционной картине регистрируются протяженным фотоприемным массивом, например, ПЗС-матрицей 20. Вспомогательный широкоапертурный фотодиод 21 может вводиться в схему для отслеживания положения рабочей точки на резонансном контуре амплитуды коэффициента отражения.

Указанное отличие от способа прототипа, а именно то, что в регистрируемом пространственном распределении интенсивности информация об исследуемых характеристиках среды присутствует благодаря учету фазы сигнальной отраженной волны и само это распределение суть интерференционная картина с возможностью настройки на желаемое расстояние между соседними максимумами или минимумами, - обусловливает преимущества предлагаемого способа и позволяет преодолеть недостатки прототипа.

В самом деле, гораздо более высокая чувствительность фазы сигнальной волны, по сравнению с ее амплитудой, к условиям резонансного возбуждения ППП и, следовательно, к исследуемым характеристикам среды, обусловливает резкое повышение чувствительности и снижение порога разрешения. Это было показано не только расчетами, но и модельным экспериментом. В схеме фиг. 2 использовалась пленка золота 15 без слоя 16, для которой регистрировался резонансный минимум интенсивности отражения при возбуждении ППП на уровне 5% при полуширине резонансного контура около 1,2^o. Через кювету 17 пропускались попеременно чистые газы, аргон и азот, показатели преломления которых при нормальных условиях отличаются на 1,5·10^-5. Указанное различие приводило к сдвигу интерференционных полос, которое соответствовало изменению фазы сигнальной волны на 0,7π. Известно, что в стандартной интерферометрии нетрудно достичь разрешения по фазе на уровне 2π·10^-3 и лучше. Последняя цифра означает разрешающую способность предлагаемого способа не хуже 4·10^-8 в терминах показателя преломления, что на два порядка лучше возможностей способа прототипа.

Для достижения столь высокого разрешения важное значение имеет и другое преимущество предлагаемого способа над прототипом, а именно, гораздо большая степень гибкости в возможностях измерения малых сдвигов интерференционных полос. В самом деле, поскольку характеристика пространственного распределения интенсивности в интерференционной картине представляет собой просто синусоиду, даже по изменениям в малом ее отрезке можно легко рассчитать аналитически общий сдвиг картины. Далее, в отличие от прототипа, где ширина резонансного контура определяет масштаб подлежащего регистрации пространственного распределения интенсивности и является заданной величиной, в предлагаемом способе масштаб интерференционной картины задается просто выбором угла сведения сигнального и опорного пучков. Поэтому, для регистрации даже очень малых сдвигов интерференционной картины можно выбрать очень большой ее масштаб так, что размер всего фотоприемного массива будет соответствовать лишь очень малому участку вышеупомянутой синусоиды, но изменение сигнала с этого массива, соответствующее сдвигу всей картины, будет еще различимо на фоне шумов.

Способ измерения параметров сред на основе регистрации одной только интерференционной картины, как нетрудно видеть, характеризуется ограниченным динамическим диапазоном. А именно, регистрируются только те значения параметров, которые не выводят систему за пределы склона "ступени" резонансной зависимости фазы. Однако, эта трудность легко преодолевается применением комбинированного способа, где вышеупомянутое беспрецедентно высокое разрешение достигается с использованием интерференционной картины, а широкий динамический диапазон - традиционной регистрацией резонансной зависимости амплитуды отражения. Простейшим средством для этого является фотодиод 21 в схеме фиг. 2.

Другая возможность - регистрация резонансной зависимости амплитуды отражения не от угла падения, а от частоты излучения. Для этого целесообразно использовать немонохроматический источник излучения, содержащий дискретный и/или непрерывный набор частот, а параметры пространственного распределения интенсивности регистрировать для ряда значений или полосы частот упомянутого набора. В частности, представляется перспективной схема с использованием источника излучения со спектральной шириной, соответствующей спектральной ширине резонансного контура. Пропустив излучение, отраженное от слоя металла с возбуждением ППП, через дисперсионный элемент (призму или дифракционную решетку), можно наблюдать резонансный контур зависимости интенсивности отражения от частоты излучения в направлении, перпендикулярном плоскости падения. Посредством двумерного фотоприемного массива можно обеспечить режим, при котором точные измерения характеристик анализируемой среды с высоким разрешением (например, детектирование наличия сверхмалых концентраций био-реагента в растворе) проводятся на основе регистрации интерференционной картины вдоль одной координаты массива при заданной частоте, а более грубые измерения (соответственно, при наличии относительно высоких концентраций реагента) - по наблюдению резонансного контура частотной зависимости интенсивности вдоль другой координаты.

Для устранения нежелательных возможностей паразитных взаимных смещений сигнального и опорного пучков, оба пучка могут отражаться от поверхности указанного металлического слоя так, что свойства только одного из них зависят от взаимодействия анализируемой среды с чувствительным веществом на поверхности этого слоя. Это достигается тем, что сигнальный пучок направлен на область металла, покрытую чувствительным веществом, а опорный падает за ее пределами. Более того, оба пучка могут отражаться в условиях возбуждения ППП, чтобы в максимальной степени компенсировать паразитные смещения интерференционной картины, которые могут возникать из-за механических или температурных нестабильностей. Указанные два отраженных от металлического слоя пучка могут интерферировать либо между собой, либо с третьим пучком, каждый в своей области интерференции. В последнем случае регистрируют не абсолютный, а относительный сдвиг двух интерференционных картин.

Рассмотренный выше способ реализован в виде устройства для исследования биологических, биохимических, химических характеристик сред, в том числе характеристик взаимодействий сред с поверхностями и приповерхностными слоями. Известные аналоги [1, 2] рассмотрены выше, где отмечались их недостатки и требуемый технический результат, преодолевающий эти недостатки. Наиболее близким к предлагаемому является устройство [3], принятое в качестве прототипа. Оно содержит:
- источник электромагнитного излучения,
- прозрачный блок,
- металлический слой, расположенный на граничной поверхности указанного прозрачного блока или ее части непосредственно либо с использованием промежуточного материала,
- чувствительное вещество, расположенное на наружной поверхности указанного металлического слоя или ее части непосредственно либо с использованием промежуточного материала,
- узел для привнесения некоторого объема или составного элемента анализируемой среды для взаимодействия с указанным чувствительным веществом,
- причем, по меньшей мере, часть излучения от указанного источника направлена через указанный прозрачный блок на область его граничной поверхности, покрытую указанным чувствительным веществом, под углом, при котором имеет место поверхностно-плазмонный резонанс с параметрами, зависящими от указанного взаимодействия, сопровождаемый частичным отражением излучения от указанной граничной поверхности с формированием сигнального пучка, и, кроме того:
- средство для создания пространственного распределения электромагнитной интенсивности в указанном сигнальном пучке или его части, причем характер этого распределения определяется указанным поверхностно-плазмонным резонансом,
- а также блок регистрации параметров указанного распределения для получения на его основе выходного информационного сигнала.

Известное устройство работает следующим образом. Излучение от источника подается через прозрачный блок (содержащий, например, стеклянные призму и слайд, находящиеся в иммерсионном контакте) на находящийся на его граничной поверхности (например, на поверхности слайда) слой металла под углом, обеспечивающим возбуждение ППП в соответствии с конфигурацией нарушенного полного внутреннего отражения. На поверхности металла находится слой чувствительного вещества, в контакт с которым привносится объем или составной элемент анализируемой среды, а все расположение подобрано так, что взаимодействие анализируемой среды с чувствительным веществом влияет на свойства ППП и того пучка, который формируется в результате частичного отражения падающего излучения.

Конкретно, от свойств среды оказывается зависимым комплексный волновой вектор ППП, который определяет положение и форму резонансного контура с минимумом в угловой зависимости интенсивности отраженного излучения. Для регистрации резонансного контура в устройстве-прототипе используется средство для формирования пространственного распределения интенсивности с использованием пучка отраженного излучения. Оно содержит компоненты для задания пространственной ширины и фокусировки пучка падающего излучения на металлическом слое так, что обеспечивается наличие диапазона углов падения, внутри которого содержится резонансный контур или его часть. После частичного отражения формируется расходящийся пучок, который отображается на фотоприемное устройство, способное регистрировать диапазон углов, необходимый для получения информации об исследуемых характеристиках среды из особенностей резонансного контура интенсивности отраженного излучения. Примером может служить протяженный фотоприемный массив, состоящий из большого числа дискретных фотоприемных площадок, где положение резонансного минимума интенсивности отраженного пучка задается номером такой площадки. Выходной информационный сигнал получают на основе анализа положения и/или уровня резонансного минимума интенсивности.

Известное устройство имеет недостатки, подробно рассмотренные выше при анализе способа прототипа. Вкратце, они сводятся к малой чувствительности и недостаточной разрешающей способности, а также тому, что, ввиду заданной угловой ширины резонансного контура, для снижения порога разрешения сдвигов пространственного распределения интенсивности требуется увеличение размеров фотоприемного массива и устройства в целом, и увеличение числа фотоприемных площадок при уменьшении их размера, а это ведет к резкому удорожанию устройства и падению отношения сигнала к шуму.

Указанные недостатки преодолеваются в предлагаемом устройстве, которое содержит:
- источник электромагнитного излучения,
- прозрачный блок,
- металлический слой, расположенный на граничной поверхности указанного прозрачного блока или ее части непосредственно либо с использованием промежуточного материала,
- чувствительное вещество, расположенное на наружной поверхности указанного металлического слоя или ее части непосредственно либо с использованием промежуточного материала,
- узел для привнесения некоторого объема или составного элемента анализируемой среды для взаимодействия с указанным чувствительным веществом,
- причем, по меньшей мере, часть излучения от указанного источника направлена через указанный прозрачный блок на область его граничной поверхности, покрытую указанным чувствительным веществом, под углом, при котором имеет место поверхностно-плазмонный резонанс с параметрами, зависящими от указанного взаимодействия, сопровождаемый частичным отражением излучения от указанной граничной поверхности с формированием сигнального пучка, и, кроме того:
- средство для создания пространственного распределения электромагнитной интенсивности в указанном сигнальном пучке или его части, причем характер этого распределения определяется указанным поверхностно-плазмонным резонансом,
- а также блок регистрации параметров указанного распределения для получения на его основе выходного информационного сигнала, что аналогично прототипу.

Отличие от прототипа состоит в том, что указанное средство включает блок формирования, по меньшей мере, одного дополнительного - опорного - пучка излучения, а также блок сведения излучения указанных сигнального и опорного пучков, и выполнено с возможностью регулирования относительного направления и расположения указанных сигнального и опорного пучков, а указанный блок регистрации расположен в области сформированной при этом интерференционной картины.

Кроме того, устройство выполнено с возможностью изменения угла, задающего направление излучения от указанного источника относительно указанной граничной поверхности. Это необходимо для настройки на рабочее положение по углу падения или прописывания резонансного контура угловой зависимости интенсивности отраженного пучка.

Кроме того, указанный источник электромагнитного излучения может быть выполнен с возможностью задания дискретного и/или непрерывного набора частот выходного излучения, а указанный блок регистрации параметров указанного распределения выполнен с возможностью производить упомянутую регистрацию для ряда значений или полосы частот упомянутого набора. Это целесообразно для регистрации резонансных особенностей не угловой, а частотной зависимости интенсивности отраженного пучка. В частности, как отмечалось выше, это позволяет реализовать комбинированный режим, где наблюдение интерференционной картины на какой-либо частоте внутри резонанса обеспечивает высокую точность, а регистрация резонансного контура частотной зависимости - широкий динамический диапазон измерений.

Кроме того, устройство может быть выполнено так, что взаимное расположение его элементов обеспечивает участие в интерференции между собой либо с участием и других пучков, двух пучков излучения, отраженных от указанного металлического слоя так, что взаимодействие анализируемой среды с указанным чувствительным веществом способно влиять на свойства только одного из двух указанных пучков излучения, а каждый из участвующих в указанной интерференции пучков излучения отличается от остальных расположением и/или направлением в пространстве. В частности, каждый из двух указанных пучков может быть отражен от указанного металлического слоя в конфигурации возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов. Для этого пучки должны быть расположены так, чтобы только один из них претерпевал отражение с возбуждением ППП в системе металл - чувствительное вещество, находящейся под воздействием анализируемой среды. Использование двух пучков, отраженных от одного и того же слоя металла, для интерференции их между собой или с третьим пучком, позволяет уменьшить влияние паразитных эффектов механических и/или температурных нестабильностей.

В качестве приспособления для пространственного разделения излучения на два или большее число пучков могут использоваться такие элементы, как, например, частично отражающая пластинка или светоделительный куб (фиг. 2), или совокупность нескольких таких элементов. Для пространственного сведения пучков в область интерференции могут применяться светоделительный куб (фиг. 2), зеркала, приспособления типа бипризмы Френеля и т.п. Параметры интерференционной картины целесообразно регистрировать протяженным фотоприемным массивом, таким, как массив фотодиодов или ПЗС-матрица. Как обсуждалось выше, такое устройство позволяет достигнуть разрешения, по крайней мере, на два порядка лучше по сравнению с прототипом. Важное значение для достижения такого разрешения имеет возможность задавать период интерференционной картины и, следовательно, масштаб анализируемого пространственного распределения интенсивности установкой желаемого угла схождения интерферирующих пучков. Это достигается в пределах одного и того же устройства посредством простой юстировки направляющего зеркала (элемент 19 на фиг. 2).

Таким образом, показано обеспечение требуемого технического результата за счет существенных отличий предлагаемого устройства.

Источники информации
1. В. Liedberg, С. Nylander, and I. Lundstrom, Surface plasmon resonance for gas detection and biosensing, Sensors and Actuators, 4 (1983) 299-304.

2. Заявка PCT WO 89/07252, кл. G 01 N 21/17, 1989.

3. Патент EP 0305 09 В1, кл. G 01 N 21/55, 1993 (прототип).

4. F.Abeles and Т.Lopez-Rios, Ellipsometry with surface plasmons for the investigation of superficial modifications of solid plasmas, в сборнике: "Polaritons". Proceedings of the First Taormina Research Conference on the Structure of Matter, October 2-6, 1972, Taormina, Italy, edited by E. Burstein and F. de Martini (Pergamon Press, New York, 1974), pp. 241-246.

Формула изобретения

1. Способ исследования биологических, биохимических, химических характеристик сред, в том числе характеристик взаимодействия сред с поверхностями и приповерхностными слоями, в котором воздействуют электромагнитным излучением через прозрачный блок на область граничной поверхности этого блока, покрытую металлическим слоем и чувствительным веществом поверх этого слоя непосредственно либо с использованием промежуточного материала, привносят некоторый объем или составной элемент анализируемой среды для взаимодействия с чувствительным веществом в указанной области, осуществляют посредством указанного воздействия поверхностно-плазмонный резонанс, параметры которого зависят от указанного взаимодействия, формируют сигнальный пучок посредством частичного отражения указанного излучения от указанной области при наличии указанного поверхностно-плазмонного резонанса, используют указанный сигнальный пучок для создания пространственного распределения электромагнитной интенсивности, характер которого определяется указанным поверхностно-плазмонным резонансом, а также регистрируют параметры указанного распределения, при сопоставлении которых с предварительно заданными контрольными зависимостями судят об исследуемых характеристиках, отличающийся тем, что формируют, по меньшей мере, один дополнительный, опорный, пучок излучения, осуществляют интерференцию указанных сигнального и опорного пучков и используют получаемую при этом интерференционную картину для создания указанного распределения, регулируют масштаб и расположение указанной интерференционной картины, подстраивая относительное направление и расположение указанных сигнального и опорного пучков, с учетом требуемой чувствительности и/или разрешающей способности способа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что излучение указанного опорного пучка отражается от указанной граничной поверхности.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что излучение указанного опорного пучка отражается от указанной граничной поверхности в условиях возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вышеупомянутое излучение содержит дискретный и/или непрерывный набор частот, а параметры указанного распределения регистрируют для ряда значений или полосы частот упомянутого набора.

5. Устройство для исследования биологических, биохимических, химических характеристик сред, в том числе характеристик взаимодействий сред с поверхностями и приповерхностными слоями, содержащее источник электромагнитного излучения, прозрачный блок, металлический слой, расположенный на граничной поверхности указанного прозрачного блока или ее части непосредственно либо с использованием промежуточного материала, чувствительное вещество, расположенное на наружной поверхности указанного металлического слоя или ее части непосредственно либо с использованием промежуточного материала, узел для привнесения некоторого объема или составного элемента анализируемой среды для взаимодействия с указанным чувствительным веществом, причем, по меньшей мере, часть излучения от указанного источника направлена через указанный прозрачный блок на область его граничной поверхности, покрытую указанным чувствительным веществом, под углом, при котором имеет место поверхностно-плазмонный резонанс с параметрами, зависящими от указанного взаимодействия, сопровождаемый частичным отражением излучения от указанной граничной поверхности с формированием сигнального пучка, и, кроме того, средство для создания пространственного распределения электромагнитной интенсивности в указанном сигнальном пучке или его части, причем характер этого распределения определяется указанным поверхностно-плазмонным резонансом, а также блок регистрации параметров указанного распределения для получения на его основе выходного информационного сигнала, отличающееся тем, что указанное средство включает блок формирования, по меньшей мере, одного дополнительного, опорного, пучка излучения, а также блок сведения излучения указанных сигнального и опорного пучков, и выполнено с возможностью регулирования относительного направления и расположения указанных сигнального и опорного пучков, а указанный блок регистрации расположен в области сформированной при этом интерференционной картины.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью изменения угла, задающего направление излучения от указанного источника относительно указанной граничной поверхности.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что указанный источник выполнен с возможностью задания дискретного и/или непрерывного набора частот выходного излучения, а указанный блок регистрации выполнен с возможностью производить упомянутую регистрацию для ряда значений или полосы частот упомянутого набора.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регистрацию исследуемых характеристик в двух измерениях, одно из которых соответствует интенсивности указанного сигнального пучка или его части, а другое соответствует сдвигу указанной интерференционной картины.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают соответствие толщины указанного металлического слоя ее оптимальному значению.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что наряду с указанным сигнальным пучком используют и другой сигнальный пучок, несущий информацию об изменении внешних условий, указанную интерференционную картину формируют сведением излучения от каждого из этих двух пучков и опорного пучка, а об исследуемых характеристиках судят по относительному смещению двух соответствующих частей интерференционной картины.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регистрацию исследуемых характеристик в двух измерениях, при этом точные измерения проводятся на основе регистрации интерференционной картины вдоль одной координаты при заданной частоте, а более грубые измерения - по наблюдению резонансного контура частотной зависимости интенсивности вдоль другой координаты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2