CH681920A5 - - Google Patents

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CH681920A5
CH681920A5 CH195491A CH195491A CH681920A5 CH 681920 A5 CH681920 A5 CH 681920A5 CH 195491 A CH195491 A CH 195491A CH 195491 A CH195491 A CH 195491A CH 681920 A5 CH681920 A5 CH 681920A5
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light
grating
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diffraction
chemo
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CH195491A
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Kurt Dr Tiefenthaler
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Artificial Sensing Instr Asi A
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    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N2021/0385Diffusing membrane; Semipermeable membrane

Abstract

The invention describes a process for the selective detection of substances in chemical, biochemical and biological measuring samples (13) by the determination of changes in the effective refractive index of an executed mode (16) with the aid of a grid coupler (10). The essential feature of the invention is that a grid (4) of the grid coupler (10) is illuminated by a fanshaped field of light (9), a mode (16) is excited and emitted virtually as a plane wave (17) owing to weak coupling, a position-sensitive detector (7) is in the light field (9) of a diffraction order and thus the shift in a bright spot of light (12) formed by the emitted light field (17) is measured.

Description


  
 



   Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Nachweis von spezifischen Substanzen in einer Messprobe durch Bestimmung von Änderungen der effektiven Brechzahl mit einem Gitterkoppler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The present invention relates to a method for the selective detection of specific substances in a test sample by determination of changes in the effective refractive index with a grating according to the preamble of claim 1. 



   Die Gitterkopplung ist eine bekannte Methode, um in einem Lichtwellenleiter einen geführten Mode anzuregen. The grating coupling is a known method to excite a guided mode in an optical fiber.  Wird das Beugungsgitter als integriert optischer Sensor betrieben, so ändert sich die effektive Brechzahl (im Gitterbereich) infolge des Sensorexperiments, dh beispielsweise infolge der Kopplung der spezifischen Substanzen an den chemoempfindlichen Wellenleiter. If the diffraction grating operates as integrated optical sensor, so the effective refractive index changes (in the grating region) due to the sensor experiment, that is, for example, due to the coupling of specific substances to the chemo-sensitive waveguide.  Diese Änderung der effektiven Brechzahl kann auf verschiedenste Weise abgetastet werden. This change in the effective refractive index can be scanned in various ways.  In der PCT/CH86/00072 (US-A 4 815 843) sind ein paar dieser Möglichkeiten beschrieben, beispielsweise wird vorgeschlagen, zur Bestimmung von effektiven Brechzahländerungen die Intensität einer nicht eingekoppelten Beugungsordnung mit einer Photodiode zu messen. In PCT / CH86 / 00072 (US Patent No. 4,815,843) a few of these possibilities are described, for example, is proposed for the determination of effective refractive index changes the intensity of a non-coupled diffraction order be measured with a photodiode.

   Diese Art der Messung hat einen kleinen dynamischen Bereich und benötigt bewegliche Mechanik zur Einstellung der Kopplungswinkel und ist zudem empfindlich auf Lichtintensitätsschwankungen, die von der Lichtquelle herrühren. This type of measurement has a small dynamic range and requires moving mechanism to adjust the coupling angle and is also sensitive to light intensity variations resulting from the light source. 



   Ferner ist aus EP-A 0 031 523 und 0 404 900 bekannt, das Beugungsgitter mit Licht aus verschiedener Richtung zu beleuchten. Further, 0031523 and 0404900 known from EP-A to illuminate the diffraction grating with light from different directions. 



   Die Erfindung, wie sie in dem Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, welches unabhängig von Lichtintensitätsschwankungen ist und die Abtastung der effektiven Brechzahländerungen ohne Einsatz beweglicher Mechanik erlaubt. The invention, as characterized in the claim 1, achieves the object to provide a method which is independent of light intensity fluctuations and the scanning of the effective refractive index changes allowed without the use of moving mechanics. 



   Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. In the following the invention is explained in detail with reference to drawings. 
 
    Fig. 1 zeigt eine Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Fig. 1 shows a measuring apparatus for carrying out the method. 
    Fig. 2 zeigt eine weitere Messvorrichtung für eine biochemische Applikation (zB Messung von Antigen-Antikörper Wechselwirkung) unter Einbezug einer Küvette. Fig. 2 shows a further measurement apparatus for a biochemical application (eg, measurement of antigen-antibody interaction) with the inclusion of a cuvette. 
 



   Gemäss Fig. 1 enthält in an sich bekannter Weise ein Gitterkoppler 10 ein Substrat 2 und einen damit verbundenen wellenleitenden Film 3 als Wellenleiter 1 sowie ein Gitter 4, auch Beugungsgitter genannt, wobei entweder der Film 3 selbst chemoempfindlich gewählt oder dieser mit einer chemoempfindlichen Schicht versehen wird und das Gitter 4 an der oberen oder unteren Fläche des Films 3 angeordnet sein kann. As shown in FIG. 1 includes in known manner a grating 10, a substrate 2 and an associated waveguiding film 3 as the waveguide 1 and a grating 4 and diffraction grating referred to, wherein either the film 3 even chemo-sensitive chosen or provided this with a chemo-sensitive layer is and the grating 4 may be disposed on the upper or lower surface of the film. 3  Ein Lichtstrahl 5 einer nicht dargestellten Lichtquelle, vorzugsweise mit monochromatischem Licht, der auf das Gitter 4 gerichtet ist, kann über das Gitter 4 eingekoppelt bzw. über dasselbe Gitter 4 ausgekoppelt werden, wobei die Kopplungswinkel alpha 1 durch die Kopplungsgleichung A beam of light 5 of a light source, not shown, preferably with monochromatic light which is directed on the grating 4, can be coupled through the grating 4 and coupled out via the same grating 4, wherein the coupling angle alpha 1 by the coupling equation
 
  N = sin alpha 1 + 1 ( lambda / LAMBDA ) N = sin alpha 1 + 1 (lambda / lambda)
 
  gegeben sind. given are.  Dabei sind: N die effektive Brechzahl des Modes; Where: N is the effective refractive index of the mode;  alpha 1 der Ein- bzw. alpha 1 of the input or

   Auskopplungswinkel; Coupling angle;  1 die dazugehörige Beugungsordnung; 1, the associated diffraction order;  lambda die Wellenlänge; lambda is the wavelength;  LAMBDA die Gitterperiode. LAMBDA is the grating period. 



   Bei Verwendung von SiO2-TiO2 Wellenleitern 1 und Gitter 4 mit beispielsweise einer Linienzahl von 1200 Linien/mm kann über die +-1te, +-2te und +-3te Beugungsordnung ein- bzw. ausgekoppelt werden. When using TiO2-SiO2 waveguides 1 and grating 4 with for example a number of lines of 1200 lines / mm and -2TE + + +, via the -1TE, mono- -3te diffraction order or be coupled.  Insbesondere kann beispielsweise über die +-1te Beugungsordnung eingekoppelt und über die -+2te Beugungsordnung ausgekoppelt werden oder beispielsweise über die +-2te Beugungsordnung eingekoppelt und über die -+1te Beugungsordnung ausgekoppelt werden. be extracted + 1st diffraction order - especially -1TE diffraction order, for example, coupled via the + and the - are decoupled + 2nd diffraction order or for example coupled via the + -2TE diffraction order and on. 



   Um bei der Lichteinkopplung eine bewegliche Mechanik zu vermeiden, wird vorzugsweise ein fächerförmiges Lichtfeld 6 auf das Gitter 4 angeboten. In order to avoid moving mechanics at the light coupling, preferably a fan-shaped light field 6 is available on the grid. 4  Dies erlaubt ständige Modenanregung bei fester Geometrie, auch wenn sich die effektive Brechzahl aufgrund eines Sensorexperiments ändert, die Wellenleiterkonfiguration produktionsbedingt leicht variiert und/oder bei (bio) chemischen Experimenten eine flüssige Messprobe (zB Serum) ihre Brechzahl von Charge zu Charge ändert. This allows continuous mode excitation with fixed geometry, even if the effective refractive index changes due to a sensor experiment, the waveguide configuration production conditions varied slightly and / or (bio) chemical experiments a liquid test sample (for example serum) changes its refractive index from batch to batch. 



   Ein positionsempfindlicher Detektor (7) befindet sich in einem Bereich eines Lichtstrahles 9 einer nicht eingekoppelten bzw. abgestrahlten Beugungsordnung, die nicht einem direkt transmittierten bzw. direkt reflektierten Lichtstrahl 11 bzw. 8 entspricht, wobei das einfallende fächerförmige Lichtfeld 6 jedoch bewirkt, dass die erwähnten Beugungsordnungen ebenfalls als fächerförmige Lichtfelder erscheinen. A position-sensitive detector (7) is located in an area of ​​a light beam 9 of a non-injected or radiated diffraction order which is not directly transmitted to one or directly reflected light beam 11 and 8 corresponds, but the incident fan-shaped light field 6 causes the mentioned diffraction orders also appear as a fan-shaped light fields.

   Auf dem fächerförmigen Lichtfeld des Lichtstrahles 9 befindet sich überlagert ein heller Lichtfleck 12, der durch die Auskopplung des geführten Modes am Gitter 4 entsteht, und einen durch die Kopplungsgleichung gegebenen Auskopplungswinkel alpha 1, aufweist. On the fan-shaped light field of the light beam 9 is superimposed on a bright light spot 12 which is caused by the decoupling of the guided mode at the grating 4, and a given through the coupling equation coupling angle alpha 1, comprising.  Ändert sich nun die effektive Brechzahl des Modes aufgrund eines Sensor-Experiments, bei dem eine Messprobe 13 auf den Gitterkoppler 10 aufgebracht wird, so ändert nach der Kopplungsgleichung der Auskopplungswinkel alpha 1, was eine Bewegung des hellen Lichtflecks 12 im Lichtfeld zur Folge hat. Now the effective refractive index of the mode varies due to a sensor experiment in which a measurement sample is applied to the grating 10 13, so changes to the coupling equation of the coupling angle alpha 1, resulting in a movement of the bright spot 12 in the light field for result.  Diese Verschiebung des Lichtflecks 12 kann mit dem positionsempfindlichen Detektor 7 registriert werden. This shifting of the light spot 12 can be registered with the position sensitive detector. 7  Diese Art der Registrierung ist unabhängig von Schwankungen in der Lichtintensität der Lichtquelle. This type of registration is independent of variations in the light intensity of the light source. 



   Das erfindungsgemässe Messverfahren ist besonders für die Bioanalytik interessant. The novel measurement method is especially interesting for bioanalysis.  Als Beispiel sei der Nachweis einer immunchemischen Reaktion erwähnt. As an example, the detection of an immunochemical reaction should be mentioned.  In diesem Fall befindet sich gemäss Fig. 2 auf dem Gitter 4 eine Antikörper- bzw. Antigenschicht, die eine sogenannte chemoempfindliche Schicht 14 darstellt und somit als mit dem Wellenleiter 1 integriert zu betrachten ist. In this case, according to is Fig. 2 on the grating 4 is an antibody or antigen layer which is a so-called chemo-sensitive layer 14, and thus is to be considered integrated with the waveguide 1 as.  Die flüssige Messprobe 13 mit dem Antigen bzw. Antikörper wird in die Küvette 15 eingespritzt. The liquid test sample 13 with the antigen or antibody is injected into the cuvette 15 °.  Die Kopplung der beiden immunologischen Partner bewirkt eine Änderung der effektiven Brechzahl und damit eine Änderung des Lichtflecks auf dem positionsempfindlichen Detektor. The coupling of the two immunological partner causes a change in the effective refractive index and hence a change in the light spot on the position sensitive detector.  Das Messprinzip kann natürlich auch für andere bindungsspezifische Partner verwendet werden. The measuring principle can of course be used for other specific binding partner. 



   Das Messprinzip kann auch im Zusammenhang mit einem Competition Assay oder "Sandwich Assay" verwendet werden. The measuring principle can also be used in connection with a competition assay or "sandwich assay".  Zur Signalverstärkung werden oftmals bindungsfähige Makromoleküle oder Kügelchen aus Kunststoff (Polystyrol, Latex), hochbrechendem Glas (TiO2, LiNbO3, Glas) oder Metall (Gold) verwendet. (Gold) are used for signal amplification often bondable macromolecules or beads of plastic (polystyrene latex), highly refractive glass (TiO2, LiNbO3, glass) or metal.  Diese bindungsfähigen Makromoleküle können reversibel wie auch irreversibel gebunden werden. These bondable macromolecules can be reversible as well as irreversible bound.  Diese bindungsfähigen Makromoleküle bilden neben der immobilisierten bindefähigen Substanz und der nachzuweisenden Substanz ein drittes Reagenz. These bondable macromolecules form a third reagent addition of the immobilized bindable substance and the substance to be detected. 



    Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich auf einfache Weise mehrkanalig betreiben, da das Messverfahren ein Quasi-Reflexions-Verfahren, dh Reflexion kombiniert mit Beugung darstellt. The inventive method can operate multiple channels in a simple manner, since the measurement method, that reflection is a quasi-reflection methods combined with diffraction.  Für diesen mehrkanaligen Betrieb können mehrere Gitter, Gitterstreifen oder grössere zweidimensionale Gitter verwendet werden. For this multi-channel operation, several mesh, mesh strips or larger two-dimensional grid can be used.  In der Bioanalytik werden dann die verschiedenen Gitterregionen mit verschiedenen chemoempfindlichen Schichten belegt. Then follow the grid regions with different chemo-sensitive layers is in the bioanalysis. 

Claims (2)

1. Verfahren zum selektiven Nachweis von spezifischen Substanzen in chemischen, biochemischen und biologischen Messproben (13) durch Bestimmung der Änderung der effektiven Brechzahl eines geführten Modes, der sich in der Gitterregion eines mit einem Beugungsgitter (4) versehenen chemoempfindlichen Wellenleiters (1) ausbreitet, wobei das Beugungsgitter (4) sowohl als Einkopplungsgitter als auch als Auskopplungsgitter wirkt, der chemoempfindliche Wellenleiter (1) entweder einen chemoempfindlichen wellenleitenden Film (3) oder eine den wellenleitenden Film (3) bedeckende chemoempfindliche Schicht (14) aufweist und ein Detektor in den Bereich eines Lichtstrahles einer nicht eingekoppelten Beugungsordnung gestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (4) mit mindestens einem Lichtfeld (6) beleuchtet wird zur Sicherstellung einer Modenanregung, 1. A method for the selective detection of specific substances in chemical, biochemical and biological measuring sample (13) by determining the change in the effective refractive index of a guided mode, of a propagating in the grating region with a diffraction grating (4) provided chemo-sensitive waveguide (1), wherein the diffraction grating (4) acts both as a coupling grating as well as out-coupling grating, of the chemo-sensitive waveguide (1) either a chemo-sensitive waveguiding film (3) or the waveguiding film (3) covering chemo-sensitive layer (14) and a detector in the area a light beam of a non-injected diffraction order is placed, characterized in that the diffraction grating (4) is illuminated with at least one light field (6) for ensuring a mode excitation,
ein positionsempfindlicher Detektor (7) in einem abgestrahlten Beugungsfeld (9) angeordnet ist, das nicht dem direkt reflektierten bzw. direkt transmittierten abgestrahlten Beugungsfeld (8 bzw. 11) entspricht und das einen hellen Lichtfleck (12) aufweist, und die Verschiebung dieses hellen Lichtflecks (12) mit dem positionsempfindlichen Detektor (7) gemessen wird. a position-sensitive detector (7) is arranged in a radiated diffraction field (9) that does not (8 or 11) corresponding to the directly reflected or transmitted directly radiated diffraction field and having a bright light spot (12), and the displacement of this bright spot (12) is measured with a position sensitive detector (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht monochromatisch gewählt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the light is selected monochromatic.
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