DE10012793C2 - Sensorelement zur optischen Detektion von chemischen oder biochemischen Analyten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Sensorelemente zur optischen Detektion von chemischen oder biochemischen Analyten, die in unterschiedlichen Proben enthalten sein kön­ nen.

Die Detektion der chemischen oder biochemischen Ana­ lyten kann dabei zurückgreifend auf bekannte physika­ lische Effekte erfolgen, wobei mit eingestrahltem Licht an Grenzflächen infolge auftretender Totalre­ flexion ein evaneszentes Feld mit einer begrenzten Eindringtiefe ausgebildet wird. Im evaneszenten Feld können dann Fluoreszenz an Fluorophoren angeregt, Oberflächen-Plasmonen-Resonanz (SPR) erzeugt oder die verschiedensten Analyten interferometrisch bestimmt werden.

Die Erfindung ist besonders für die Auswertung einer großen Anzahl von unterschiedlich präparierten Proben geeignet, wie sie bei aus der pharmakologischen Wirk­ stoffsuche eingeführten Screeningverfahren, mit kleinsten Probenvolumina eingesetzt werden kann. Be­ sonders vorteilhaft wirkt sich dabei die erreichbare Miniaturisierung aus, was besonders in Bezug zu den bisher üblicherweise verwendeten Mikrotiterplatten, bei denen eine begrenzte Anzahl so genannter Wells benutzt werden kann, geeignet ist.

Für die optische Detektion chemischer oder auch bio­ chemischer Analyten sind eine Vielzahl unterschiedli­ cher Lösungen bekannt. So ist in WO 94/27137 A2 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von Fluoreszenz-Immunoassays beschrieben, bei der mehrere Analyten gleichzeitig detektiert werden können.

Bei dieser Lösung wird generell ein planarer, relativ großflächiger Lichtwellenleiter verwendet, in den über ein randseitig angeordnetes optisches Element Anregungslicht eingestrahlt und durch Totalreflexion an den Grenzflächen dieses planaren Lichtwellenlei­ ters Totalreflexion auftritt, so dass auf der jeweils anderen Oberfläche des Lichtwellenleiters ein evanes­ zentes Feld mit einer begrenzten Eindringtiefe ausge­ bildet wird. Innerhalb des evaneszenten Feldes wird dann an Fluorophoren Fluoreszenzlicht angeregt, des­ sen Intensität mit optischen Detektoren bestimmt wer­ den kann. So können mit bekannten Assayformaten (z. B. Sandwich-Assay, Competive Assays) das Vorhandensein und die Konzentration von Analyten bestimmt werden.

Bei diesem relativ großflächigen, planaren Lichtwel­ lenleiter ist aber eine inhomogene Verteilung des eingestrahlten Anregungslichtes zu verzeichnen, die zu einer entsprechend ungleichmäßigen Ausbildung des evaneszenten Feldes über die Fläche des planaren Lichtwellenleiters gesehen, führt. Dementsprechend treten Messfehler bei der Erfassung der Intensität des Fluoreszenzlichtes, bei ortsaufgelöster Messung auf.

Des weiteren wird vorgeschlagen, einen optisch geeig­ neten Kunststoff als Träger für voneinander getrennt angeordneten Einzelproben zu verwenden. Mit einem solchen Kunststoff ist es jedoch nicht möglich, alle Wellenlängenbereiche des sichtbaren und nicht sicht­ baren Lichtes zu nutzen, da in bestimmten Wellenlän­ genbereichen auch diese Kunststoffmaterialien zur Fluoreszenz oder Absorption neigen.

Außerdem ist die Anzahl der auf einem solchen Element zu untersuchenden Proben begrenzt, da es bei zu dich­ ter Anordnung der einzelnen Proben, bei an sich von­ einander getrennten Feldern zur gegenseitigen Beein­ flussung des zu messenden Fluoreszenzlichtes kommt.

Nachfolgend sollen weitere allgemeine Anforderungen, die an optische Messsysteme zur Detektion chemischer oder biochemischer Analyten, mit den in Rede stehen­ den optischen Möglichkeiten in allgemeiner Form auf­ gelistet werden.

Grundvoraussetzung ist die Trennung der einzelnen, in der Regel unterschiedlichen Proben, so dass ein Stoffaustausch der unterschiedlichen Proben verhin­ dert und die Messsignale von benachbarten Proben si­ cher voneinander getrennt werden können (optische Kanaltrennung).

Im Gegensatz zu Durchlichtverfahren, bei denen die optische Kanaltrennung mittels absorbierender Wände optisch voneinander getrennt sind, ist es aber für die erfindungsgemäße Lösung notwendig, benachbarte Proben durch optisch transparente Trennwände zu sepa­ rieren.

Da es an Grenzflächen zwischen benachbarten Proben, bei unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Medien (z. B. Brechnzahldifferenzen) zur Beeinflussung des Lichtes wie beispielsweise Streuung und Reflexion von Anregungslicht kommen kann, müssen entsprechende Maßnahmen getroffen und berücksichtigt werden, um einen gegenseitigen Einfluss weitestgehend zu vermei­ den.

Die Trennwände zwischen benachbarten Proben sollen kein bzw. nur ein sehr kleines Signal (z. B. keine Fluoreszenz) liefern, das das eigentliche Detektions­ signal überlagert bzw. beeinflusst, um Messfehler zu vermeiden.

Eine weitere Grundvoraussetzung ist die vollständige stoffliche Trennung der verschiedenen zu detektieren­ den Proben, so dass ein Verlaufen und Vermischen der unterschiedlichen Proben verhindert werden kann. Hierzu muss ein geeignetes Material chemisch inert sein, so dass keine chemischen Reaktionen mit den Probenmaterialien erfolgen können und es darf auch keine Benetzung mit gegebenenfalls verwendeten Lö­ sungsmitteln auftreten.

Es ist bisher nicht gelungen, eine praktikable Lösung vorzuschlagen, mit der eine relativ große Anzahl von Proben auf einer relativ kleinen Fläche angeordnet und die einzelnen Proben nahezu unbeeinflusst detek­ tiert werden konnten.

Die genannten Anforderungen konnten auch nur zum Teil mit einer strukturierten Immobilisierung solcher Pro­ ben unter Verwendung von hydrophoben langkettigen Molekülen erreicht bzw. erfüllt werden. Bei der Her­ stellung dieser Immobilisierungsstrukturen ist es nur sehr schwer möglich, eine lokal definierte Immobili­ sierung der verschiedenen Proben zu sichern. Hierbei spielt die chemische Kompatibilität der sehr unter­ schiedlichen Technologieschritte bei der Belegung eine Rolle. Des weiteren können durch Adsorption Mo­ leküle zwischen einzelnen Proben vorhanden sein, die die Messwerte benachbarter Proben beeinflussen und verfälschen und damit die optische Kanaltrennung auf­ heben.

So ist in WO 89/08273 A1 ein optischer Sensor zur Erfassung der Eisbildung und anderer chemischer Kom­ ponenten beschrieben. Hierbei sollen auf die Oberflä­ che eines faserförmigen optischen Kernes in Streifen­ form Beschichtungen aufgebracht werden, wobei der Brechungsindex der Beschichtung in der Nähe der zu detektierenden Komponente und der Brechungsindex grö­ ßer als der Brechungsindex der Beschichtung sein soll.

Aus WO 99/54714 A1 ist eine Vorrichtung mit inte­ griertem optischen Lichtwellenleiter bekannt, bei der oberhalb eines Lichtwellenleiters in Kavitäten ein zu detektierendes Medium enthalten ist. Dabei sollen die Brechungsindizes dieses Mediums und das Brückenmate­ rial zwischen den Kavitäten aufeinander abgestimmt sein.

Bei einem in EP 0 343 826 A1 beschriebenen biologi­ schen Sensor, soll das Prinzip der Oberflächenplasmo­ nenresonanz benutzt werden. Einzelne Proben sollen in einer Membran, die wie ein kontinuierlicher Film über eine transparente Platte bewegt werden kann, aufge­ nommen werden. Die einzelnen Proben werden in Bewe­ gungsrichtung beidseitig von einem absorbierenden Material eingefasst.

In DE 197 32 619 A1 ist eine optische Detektorein­ richtung beschrieben, die auf der Bestimmung oder Beeinflussung der Phasengeschwindigkeit von in einem Wellenleiter geführten oder sich frei im Raum aus­ breitenden Licht basiert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der unterschiedlichste chemische oder biochemische Analyte optisch detektiert werden können, wobei jeweils ein möglichst kleines Probenvo­ lumen erreichbar ist und mehrere relativ dicht be­ nachbart zueinander angeordnete Proben mit hoher Messgenauigkeit detektiert werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Sensore­ lement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vor­ teilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.

Dabei handelt es sich auch um Möglichkeiten zur Her­ stellung eines erfindungsgemäßen Sensorelementes so­ wie zur Durchführung von Messungen mit solchen Sen­ sorelementen.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement zur optischen Detektion von chemischen oder biochemischen Analyten, die in gleichen oder auch unterschiedlichen Proben enthalten sind, wird das bekannte physikalische Prin­ zip der Ausbildung eines evaneszenten Feldes durch Totalreflexion von eingestrahltem Licht an einer op­ tischen Grenzfläche ausgenutzt. Die Proben sind hier­ zu in voneinander getrennten Kavitäten aufgenommen, wobei die Proben innerhalb des ausgebildeten evanes­ zenten Feldes angeordnet sind.

Hierzu wird das Sensorelement so aufgebaut, dass un­ mittelbar auf einem Substrat, möglichst in Gestalt eines ebenflächigen Gebildes, eine strukturierte Deckschicht ausgebildet wird, in der durch die Struk­ turierung voneinander getrennte Kavitäten, in denen die Proben aufgenommen sind, ausgebildet sind. Dabei sind die einzelnen Kavitäten durch das Deckschicht­ material so ausgeprägt, dass ein Stoffaustausch zwi­ schen den einzelnen Proben verhindert wird, und die einzelnen Fluoreszenz-Signale optisch getrennt wer­ den. Die Deckschicht ist vorteilhaft aus einem Mate­ rial mit einem Brechungsindex ≦ 1,3 gebildet. Sie kann vorteilhaft aus fluorierten Polymeren (z. B. PTFE) ganz besonders vorteilhaft aus amorphen fluo­ rierten Polymeren bestehen. Letzteres Material ist z. B. unter der Handelsbezeichnung Teflon AF von der Firma Du Pont erhältlich und in einer Firmendokumen­ tation entsprechend ausführlich beschrieben.

Ein solches Deckschichtmaterial hat nicht nur beson­ ders vorteilhafte optische Eigenschaften (niedriger Brechungsindex, gute Transmission), sondern es weist auch ein außerordentlich günstiges Benetzungsverhal­ ten auf.

Das Benetzungsverhalten ist zwar bezüglich der festen und dauerhaften Befestigung auf dem Substrat hinder­ lich. Dieser Nachteil kann aber insbesondere durch die Verwendung von amorphen fluorierten Polymeren mit einer zusätzlichen Haftvermittlerschicht, die als Molekülschicht unmittelbar vor dem Aufbringen der Deckschicht auf die Substratoberfläche aufgebracht werden soll, vollständig beseitigt werden, so dass die Deckschicht fluiddicht auf dem Substrat ausgebil­ det ist und ein Stoffaustausch aus verschiedenen Ka­ vitäten in andere Kavitäten verhindert werden kann.

Die Strukturierung zur Ausbildung der Kavitäten in der auf dem Substrat ausgebildeten Deckschicht kann dabei so erfolgen, dass der Boden der einzelnen Kavi­ täten unmittelbar durch das Substratmaterial gebildet wird. Alternativ kann aber auch zwischen der jeweili­ gen Substratoberfläche und dem Boden der Kavitäten eine gewisse Schichtdicke des Deckschichtmaterials vorhanden sein, wobei jedoch in jedem Fall gesichert sein muss, dass die Proben zumindest teilweise inner­ halb des ausgebildeten evaneszenten Feldes angeordnet sind.

Das Anregungslicht wird in mindestens einen Lichtwel­ lenleiter eingekoppelt, an dessen Grenzflächen Total­ reflexion auftritt und der/die Lichtwellenleiter zu­ mindest unterhalb der Böden von Kavitäten angeordnet ist/sind. Die Lichtwellenleiter können dabei auf der Oberfläche des Substrates angeordnet, aber auch im Substratmaterial eingebettet werden.

Vorteile bietet die Verwendung von Streifenlichtwel­ lenleitern, deren Anordnung an die Anordnung der in der strukturierten Deckschicht angeordneten Kavitäten angepasst ist. So kann bei Reihenanordnungen der Ka­ vitäten ein Streifenlichtwellenleiter zu jeder Reihe von Kavitäten angeordnet und benutzt werden. Dabei besteht auch die Möglichkeit, für jeden Streifen­ lichtwellenleiter Licht mit unterschiedlichen Wellen­ längen zu verwenden. Gegenüber planaren Wellenleitern haben Streifenlichtwellenleiter Vorteile. Sie erreichen eine gleichmäßigere Lichtverteilung und bilden demzufolge ein gleichmäßigeres evaneszentes Feld aus, so dass die Messfehler verringert werden können. Da eine genauere Zuordnung und bessere optische Trennung erreicht werden kann, ist eine gegenseitige Beein­ flussung der Messsignale aus den einzelnen Kavitäten stark verringert.

Werden Lichtwellenleiter verwendet, können auch Sub­ stratmaterialien verwendet werden, die nicht trans­ parent bzw. absorbierend sind. In diesem Fall ist eine ausreichend dicke, nicht absorbierende und nied­ riger brechende optische Pufferschicht zwischen Sub­ strat und Lichtwellenleiter erforderlich. Ein solches Substratmaterial ist beispielsweise Silizium.

In einer weiteren Variante besteht aber auch die Mög­ lichkeit, auf Lichtwellenleiter an sich zu verzichten und das Anregungslicht in ein dann transparentes Sub­ strat einzustrahlen, wobei unter Berücksichtigung der Brechungsindizes an der Grenzfläche Substrat-Deck­ schicht Totalreflexion auftritt, um ein evaneszentes Feld zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Sensorelement ist, wie bereits eingangs angesprochen, nicht nur für die Durchführung von Fluoreszenz-Immuntests geeignet, sondern es kann auch der physikalische Effekt der Oberflächen-Plasmo­ nen-Resonanz (SPR) ausgenutzt werden. Hierzu wird der/die Lichtwellenleiter, in an sich bekannter Weise mit einer dünnen Metallschicht, aus z. B. Gold oder Silber beschichtet. Dabei genügt es, die Oberfläche der/des Lichtwellenleiters bereichsweise mit einer solchen Metallschicht zu versehen, wobei die Be­ schichtung durch bekannte Dünnschichtverfahren erfolgen kann und zumindest eine Beschichtung der Licht­ wellenleiteroberfläche im Bereich von Kavitäten des erfindungsgemäßen Sensorelementes erfolgen soll. Es können darüber hinausgehende Bereiche, also solche, die in trennenden Zwischenräumen zwischen benachbar­ ten Kavitäten angeordnet sind, mit einer Metallbe­ schichtung versehen werden, um von dort Referenzsi­ gnale gewinnen zu können.

Die Detektion der Fluoreszenz-Signale erfolgt bei den erfindungsgemäßen Sensorelementen immer oberhalb der Öffnungen der Kavitäten. Hierzu können ein, aber auch eine Vielzahl optischer Detektoren entsprechend an­ geordnet werden, wobei jedoch den jeweiligen Kavitä­ tenanordnungen entsprechend eine ortsaufgelöste Mes­ sung erfolgen sollte.

Andere optische Parameter werden direkt im Wellenlei­ ter gemessen (z. B. SPR).

Die Messgenauigkeit kann weiter erhöht werden, indem oberhalb der strukturierten Deckschicht eine optisch absorbierende Schicht bzw. eine Platte aus einem sol­ chen Material angeordnet oder unmittelbar auf die Oberfläche der Deckschicht aufgesetzt wird. In dieser Schicht bzw. Platte sind Öffnungen oder optisch transparente Fenster ausgebildet, deren Anordnung der Anordnung der in der Deckschicht ausgebildeten Kavi­ täten entspricht, so dass das zu messende Licht durch diese Öffnungen oder Fenster, die dann Blendenfunk­ tion erfüllen, austreten und mit dem bzw. den Detek­ tor(en) gemessen werden kann.

Wie bereits erwähnt, hat sich als Deckschichtmaterial amorphes fluoriertes Polymer mit einem Brechungsindex von 1,29, der zwischen den Brechungsindizes von Luft und Wasser, näher am Brechungsindex von Wasser liegt, erwiesen. Dadurch können Streulichtverluste bei den Messungen vermieden, zumindest jedoch erheblich ver­ ringert werden.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sensorele­ mente kann so verfahren werden, dass die Deckschicht unmittelbar auf einem Substrat, das beispielsweise aus Glas oder einem Kunststoff bestehen kann, aufge­ bracht wird. Als Substrat kann aber auch ein Wafer, z. B. aus Silizium verwendet werden. Auf dem Substrat kann vor Ort ein optischer Wellenleiter, der gegebe­ nenfalls zusätzlich mit einer Metallschicht versehen ist, aufgebracht bzw. in das Substratmaterial einge­ bettet werden, so dass die Deckschicht oberhalb der Bereiche, in denen ein bzw. auch mehrere Lichtwellen­ leiter ausgebildet bzw. angeordnet sind, vorhanden ist.

Die Deckschicht kann durch herkömmliche Tauchverfah­ ren, bevorzugt jedoch durch Aufschleudern ausgebildet werden, wobei im letztgenannten Fall die Schichtdicke durch die Schleuderdrehzahl und die Konzentration eines verwendeten Lösungsmittels beeinflusst und ein­ gestellt werden kann. Nach dem Auftrag wird das Lö­ sungsmittel durch eine entsprechende Temperaturbe­ handlung entfernt, und die Deckschicht muss zur Aus­ bildung der gewünschten Kavitäten entsprechend struk­ turiert werden, wobei die Strukturierung mit aus der Mikrotechnik bekannten fotolithographischen Verfah­ ren, die in Verbindung mit Ätzen eingesetzt werden, hergestellt werden kann.

Dabei kann einmal so verfahren werden, dass auf die aufgebrachte Deckschicht eine Schicht Fotolack aufge­ bracht, der Fotolack nachfolgend fotolithographisch strukturiert und so die für ein nachfolgendes plasma­ chemisches Ätzen erforderliche Maske ausgebildet wird. Dabei muss die Fotolackschicht eine ausreichen­ de Dicke aufweisen, da die unterschiedlichen Ätzraten der verwendeten Materialien für Deckschicht und den verwendeten Fotolack berücksichtigt werden müssen.

Alternativ kann aber auch auf der Deckschicht eine dünne Metallschicht abgeschieden werden, die dann unter Verwendung von Fotolack fotolithographisch strukturiert und nachfolgend nasschemisch geätzt wird. Auf diese Art wird eine Metallmaske auf der Deckschicht erhalten, im Nachgang kann dann wiederum plasmachemisch geätzt werden. Das Metall wird beim Ätzprozess nicht angegriffen und kann später nassche­ misch wieder entfernt werden. Letzteres sollte erfol­ gen, um die Benetzung von Oberflächen an der Deck­ schicht durch Wasser oder Lösungsmittel möglichst niedrig zu halten.

Bei der erstgenannten Variante zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sensorelemente werden weniger Ar­ beitsschritte benötigt, da insbesondere die Entfer­ nung der Metallschichten nicht erforderlich ist. Dementgegen steht aber der Angriff des Fotolacks beim Ätzen und die schlechtere Haftung des Fotolacks auf die fluorierten Polymere.

Mit einer solchen fotolithographischen Strukturierung der Deckschicht sind Strukturgrößen bis in den Sub­ mikrometerbereich erreichbar, so dass die Kavitäten in hochdichter Form angeordnet werden, und eine große Anzahl von Proben auf relativ kleinen Flächen nebeneinander angeordnet und gemessen werden kann.

Zur Herstellung können so an sich bekannte planare Technologien eingesetzt werden, mit denen miniaturi­ sierte Elemente, in großer Stückzahl kostengünstig gefertigt werden können.

Es ist vorteilhaft Substratmaterialien zu verwenden, die eine relativ kleine Ätzrate gegenüber den anderen Materialien und insbesondere dem Deckschichtmaterial aufweisen, wie dies z. B. bei Silica der Fall ist. Solche Materialien fungieren dann mit ihrer Oberflä­ che als natürlicher Ätzstopp. Dadurch kann mit rela­ tiv geringem Aufwand während des plasmachemischen Ätzens (z. B. Sauerstoff-Plasmaätzen) gesichert wer­ den, dass die Restschichtdicke der Deckschicht am Boden der Kavitäten Null oder zumindest in der Nähe von Null liegt und demzufolge die in den Kavitäten aufgenommenen Proben im Bereich des ausgebildeten evaneszenten Feldes angeordnet sind.

Außerdem können durch eine solche Plasmabehandlung hochreine und immobilisierungsfördernde Oberflächen erhalten werden.

Die erfindungsgemäßen Sensorelemente mit den entspre­ chend ausgebildeten strukturierten Deckschichten er­ füllen die in der Beschreibungseinleitung genannten Anforderungen nahezu optimal, da sie keine Signale durch adsorbierte Analyt- oder Targetmoleküle außer­ halb der Kavitäten zulassen und auch Teile der Deck­ schicht zwischen ausgebildeten Kavitäten zur Gewin­ nung von Referenzsignalen benutzt werden können, da das aus der Oberfläche der Deckschicht in diesen Be­ reichen austretende Licht ebenfalls detektiert und zur Referenzierung genutzt werden kann. Auf diese Art und Weise können die Messsignale von Proben, die in benachbarten Kavitäten aufgenommen sind, mit dem Messsignal, das aus der dazwischenliegenden Deck­ schicht gewonnen worden ist, normiert werden. Dadurch kann auch bei relativ großer Anzahl von Kavitäten und demzufolge auch einer großen Anzahl von Einzelproben eine Vergleichbarkeit aller Proben gewährleistet wer­ den.

So können bei der evaneszenten Fluoreszenzanregung über die Totalreflexion Beleuchtungsinhomogenitäten und Herstellungsinhomogenitäten mit den entsprechend gewonnenen Referenzsignalen berücksichtigt werden. Solche Beleuchtungsinhomogenitäten treten bei allen optischen Lichtwellenleitern, also auch bei Streifen­ lichtwellenleitern auf Grund von Absorptions- und Streueffekten innerhalb des Wellenleiters auf und führen normalerweise zu Verlusten. Außerdem verrin­ gert die Absorption von Anregungslicht für den Nachweis von Molekülen auch die Anregungsenergie. Beide Effekte können mit dem erfindungsgemäßen Sen­ sorelement erfasst und bei der Auswertung der Mess­ ergebnisse berücksichtigt werden.

Bei der Erfassung von Messwerten, die direkt einer physikalischen Größe zugeordnet werden können, kann die Deckschichtstrukturierung ebenfalls zur Messfeh­ lerkompensation genutzt werden. Im Falle der Ausnut­ zung der Oberflächen-Plasmonen-Resonanz kann ein be­ stimmter Resonanzwinkel bzw. bei einer spektralen Messung die Resonzwellenlänge für das jeweilige Sy­ stem von der Brechzahl des Deckschichtmaterials auf der jeweiligen Metallschicht abhängen. Dabei ist auch die Schichtdicke der Metallschicht zu berücksichtigen, die wiederum herstellungsbedingt über die Fläche variieren kann. Auch diese Variation kann durch die oben erwähnte Bestimmung von Referenzmesswerten neben den Kavitäten berücksichtigt werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 in schematischer Form einen Ansatz für eine strukturierte Immobilisierung;

Fig. 2 in schematischer Form einen Ansatz zur stofflichen Trennung unterschiedlicher Pro­ ben mittels eines Trennwandmaterials;

Fig. 3 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Sen­ sorelementes;

Fig. 4 ein modifiziertes Beispiel eines Sensorele­ mentes nach Fig. 3;

Fig. 5 ein zweites Beispiel eines erfindungsgemä­ ßen Sensorelementes;

Fig. 6 ein modifiziertes Sensorelement gemäß Fig. 5;

Fig. 7 ein Beispiel eines Sensorelementes mit meh­ reren Reihen von Kavitäten;

Fig. 8 ein viertes Beispiel eines erfindungsgemä­ ßen Sensorelementes mit in einem Substrat eingebettetem Streifenlichtwellenleiter;

Fig. 9 ein gegenüber dem in Fig. 8 gezeigten Bei­ spiel modifiziertes Beispiel;

Fig. 10 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Sen­ sorelementes zur Ausnutzung der Oberflä­ chen-Plasmonen-Resonanz;

Fig. 11 ein gegenüber dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel modifiziertes Beispiel eines er­ findungsgemäßen Sensorelementes und

Fig. 12 ein weiteres Beispiel eines Sensorelementes mit zusätzlicher absorbierender Schicht.

In der Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie unter Verwendung hydrophober langkettiger Moleküle eine strukturierte Immobilisierung erreicht werden soll. Dabei ist angedeutet, dass durch unspezifische Ad­ sorption von Targetmolekül, Analyt oder Target-Ana­ lyt-Komplex Messfehler von benachbart zueinander an­ geordneten und entsprechend immobilisierten Proben zur Detektion von gezielten Analyten auftreten kön­ nen.

In der Fig. 2 wird angedeutet, dass unter Verwendung von Trennwänden 3 zwischen getrennt voneinander an­ geordneten Proben sowohl eine stoffliche Trennung, wie auch eine optische Trennung, bei entsprechend geeignetem Trennwandmaterial erreicht werden kann. Dabei sollte die Höhe 6 der Trennwände 3, ausgehend von einer Substratoberfläche zumindest größer als die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes, die mit der gestrichelten Linie angedeutet worden ist, sein.

In der Fig. 3 ist ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelementes gezeigt. Dabei wurde auf einem Substrat 2, das hier aus einem nahezu beliebi­ gen Material bestehen kann, ein sogenannter Streifen­ lichtwellenleiter 1 angeordnet bzw. aufgebracht. In nicht dargestellter Form wird in diesen Streifen­ lichtwellenleiter 1 Anregungslicht eingekoppelt.

Oberhalb der Oberfläche des Substrates 2 und selbst­ verständlich auch des Streifenlichtwellenleiters 1 wurde, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung er­ läutert, eine Deckschicht 3 aus amorphem fluorierten Polymer aufgebracht und im Anschluss daran durch fo­ tolithographische und Ätzverfahren die Kavitäten 4 ausgebildet, die bei diesem Beispiel bis unmittelbar auf die Oberfläche des Streifenlichtwellenleiters 1 reichen. Auch hier muss die verbliebene Höhe 6 der Deckschicht 3, ausgehend von der Oberfläche des Streifenlichtwellenleiters 1 bis zur Oberkante der Deckschicht 3, größer als die Eindringtiefe des eva­ neszenten Feldes sein.

In den Kavitäten 4 können dann die unterschiedlichen Proben eingebracht und eine Messung des angeregten Fluoreszenzlichtes des aus den Kavitäten 4 hier nach oben austretenden Lichtes mit Hilfe eines bzw. auch mehrerer oberhalb, hier nicht dargestellten, opti­ schen Detektors/Detektoren durchgeführt werden oder interferometrische Messungen unter Ausnutzung des in den Wellenleitern transmittierten Lichtes durchge­ führt werden. Die Wände 5 der Kavitäten bilden die Grenzflächen zwischen den Proben mit den darin ent­ haltenen Analyten und dem Deckschichtmaterial.

Fluoreszenz wird im wesentlichen senkrecht ausgewer­ tet. Andere Messgrößen, wie z. B. Phasenunterschiede, Brechzahländerungen, Absorptionsänderung, können ent­ lang der Wellenleiter gemessen werden. Phasenunter­ schiede von mindestens zwei Lichtsignalen, die von verschiedenen Orten des Sensorelementes erhalten wor­ den sind, können dann wiederum interferometrisch in Intensitätsunterschiede umgewandelt und ausgewertet werden.

Das in Fig. 4 gezeigte Beispiel, unterscheidet sich vom Beispiel nach Fig. 3 lediglich dadurch, dass die Böden der Kavitäten 4 in einem Abstand 7 zur Oberflä­ che des Streifenlichtwellenleiters 1 angeordnet sind, wobei der Abstand 7 jedoch kleiner als die Eindring­ tiefe des evaneszenten Feldes sein muss.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel eines erfin­ dungsgemäßen Sensorelementes wird auf Lichtwellenlei­ ter verzichtet und das Substrat 8 muss für verwende­ tes Anregungslicht transparent sein sowie einen höhe­ ren Brechungsindex als das Material für die struktu­ rierte Deckschicht 9 aufweisen, so dass das in das Substrat 8 eingestrahlte Anregungslicht an der Grenz­ fläche zur Deckschicht 9, bei einem entsprechenden Winkel, bei dem Totalreflexion auftritt, oberhalb der Grenzfläche ein evaneszentes Feld erzeugen kann.

Selbstverständlich besteht aber auch die Möglichkeit, dass das Substrat 8 die Funktion eines planaren Lichtwellenleiters übernehmen kann, indem mit einge­ strahltem Anregungslicht an den Grenzflächen Totalre­ flexion erreicht werden kann.

Das in Fig. 6 gezeigte Beispiel unterscheidet sich gegenüber dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel lediglich darin, dass die Böden der Kavitäten in einem Abstand 11 zur Oberfläche des Substrates 8 angeordnet sind. Dabei sollte wieder gesichert sein, dass der Abstand 11 geringer als die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes und die Höhe 10 der strukturierten Deckschicht 9 im Gegensatz dazu, größer als die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes ist.

In der Fig. 7 ist ein Sensorelement dargestellt, bei dem Kavitäten 4 in einer Anordnung mehrerer parallel zueinander ausgerichteter Reihen innerhalb einer strukturierten Deckschicht 3, die auf einem Substrat 2 ausgebildet ist, vorhanden sind. Bei diesem Beispiel ist jeder Reihe von Kavitäten 4 ein geson­ derter Streifenlichtwellenleiter 1 zugeordnet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, wie bei den Bei­ spielen nach den Fig. 5 und 6 auf diese Streifen­ lichtwellenleiter zu verzichten.

Bei den in den Fig. 8 und 9 gezeigten Beispielen von erfindungsgemäßen Sensorelementen ist der Strei­ fenlichtwellenleiter 1 nicht auf der Oberfläche eines Substrates 2 ausgebildet, sondern im Substrat 2 ein­ gebettet, wobei wiederum die bereits mehrfach erwähn­ ten Anforderungen bezüglich der Abstände 7 und der Höhe 6 der Deckschicht 3 in Bezug zur Eindringtiefe des evaneszenten Feldes eingehalten werden müssen.

Bei dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel sind ein Sub­ strat 2 und hier zwei parallel zueinander angeordnete Streifenlichtwellenleiter 1 dargestellt, wobei auf der Oberfläche der Streifenlichtwellenleiter 1 eine dünne Metallschicht 12 (z. B. Gold) aufgebracht worden ist. Darüber ist wieder eine strukturierte Deck­ schicht 3 mit Kavitäten 4 ausgebildet. Wird nunmehr oberhalb der Oberflächen der Streifenlichtwellenleiter 1 infolge von Totalreflexion ein evaneszentes Feld erzeugt, können Oberflächen-Plasmonen angeregt werden und es kann die Veränderung des Resonanzwin­ kels bzw. die Veränderung der Resonanzwellenlänge gemessen werden.

Bei dem in Fig. 11 gezeigten, gegenüber dem nach Fig. 10 modifizierten Beispiel, ist die Metall­ schicht in Bereiche 13 und 14 unterteilt. Dabei be­ findet sich der Bereich 13 der Metallschicht 12 un­ mittelbar unterhalb der Böden der Kavitäten 4 und der Bereich 14 der Metallschicht 12 ist unterhalb der trennenden Bereiche der strukturierten Deckschicht 3 ausgebildet und entsprechend angeordnet. Aus dem Be­ reich 14, der unmittelbar oberhalb der für die Anre­ gung genutzten Streifenlichtwellenleiter 1 angeordnet ist, können durch die transparente strukturierte Deckschicht 3 Referenzmesssignale, die von den jewei­ ligen Proben unbeeinflusst sind, gewonnen werden.

In der Fig. 12 ist ein Beispiel eines erfindungsge­ mäßen Sensorelementes mit zusätzlicher absorbierender Schicht gezeigt. Die Deckschichtdicke 16 muss hierbei größer als die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes sein.

Hierzu kann ein Aufbau eines erfindungsgemäßen Sen­ sorelementes, wie er vorab bei der Beschreibung der Fig. 3 bis 11 vorgeschlagen worden ist, verwendet werden, obwohl hier lediglich ein Aufbau gemäß dem Beispiel nach Fig. 3 gezeigt worden ist, dahingehend ergänzt werden, dass auf das Sensorelement eine zu­ sätzliche optisch absorbierende Schicht 15 aufge­ bracht bzw. aufgesetzt worden ist. Diese optische absorbierende Schicht 15 ist entsprechend der Deckschicht 3 ebenfalls strukturiert, so dass sich die Öffnungen der Kavitäten 4 und die in der absorbieren­ den Schicht 15 ausgebildeten Öffnungen überdecken. Das durch die Öffnungen, die in der absorbierenden Schicht 15 ausgebildet sind, austretende Licht der Proben kann von einem optischen Detektor oder einem Detektorarray ortsaufgelöst, den jeweiligen Proben zugeordnet, erfasst werden. Dabei kann die Divergenz des aus den Kavitäten 4 austretenden Lichtes und dem­ zufolge auch eine gegenseitige Beeinflussung von Messsignalen benachbarter Proben verringert werden.

Claims (17)

1. Sensorlement zur optischen Detektion von chemi­ schen oder biochemischen Analyten, wobei Analy­ ten enthaltende Proben innerhalb eines evanes­ zenten Feldes, das infolge von Totalreflexion an einer Grenzfläche ausgebildet ist, in voneinan­ der getrennten, innerhalb einer unmittelbar auf einem Substrat aufgebrachten strukturierten Deckschicht ausgebildeten Kavitäten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (3) einen Stoffaustausch einzelner in Kavitäten (4) enthaltener Proben verhindernd, aus einem amorphen fluorierten Po­ lymer besteht, deren Schichtdicke (6) zumindest größer als die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes ist.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Deckschicht (3) aus einem Material mit einem Brechungsindex ≦ 1,3 besteht.

3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenzeichnet, dass zwischen Substrat (2) und den Böden von Kavitäten (4) mindestens ein Lichtwellenleiter (1) angeordnet ist.

4. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenzeichnet, dass mindestens ein Streifenwellenleiter (1) zwischen Substrat (2) und den Böden von Kavitäten (4) angeordnet ist.

5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenzeichnet, dass die in Richtung der Böden von Kavitäten (4) weisende Oberfläche des/der Lichtwellenleiter (1) zumindest be­ reichsweise mit einer Metallschicht (12) be­ schichtet ist.

6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenzeichnet, dass die Kavitäten (4) in einer Reihe oder mehreren parallel zueinender angeordneten Reihen angeordnet sind und jeder Reihe ein Streifenwellenleiter (1) zugeordnet ist.

7. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenzeichnet, dass oberhalb der Deck­ schicht (3) eine optisch absorbierende Schicht (17) angeordnet oder auf der Deckschicht (3) aufgebracht ist, in der den Kavitäten (4) lokal zugeordnet Öffnungen oder optisch transparente Fenster ausgebildet sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass umittelbar auf einem Substrat (2) eine Deckschicht (3) mit einer Schichtdicke, die zumindest größer als die Eindringtiefe eines evaneszenten Feldes ist und die aus einem amor­ phen fluorierten Polymer besteht, aufgebracht und zur Ausbildung von Kavitäten (4) fotolitho­ grafisch strukturiert und geätzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, dass vor dem Aufbringen der Deckschicht (3) eine haftvermittelnde Molekülschicht aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (3) mit einem Tauchverfahren oder durch Aufschleu­ dern auf das Substrat (2) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) mindestens ein Lichtwellenleiter (1) vor dem Aufbringen der Deckschicht (3) aufgebracht oder in das Substrat (2) eingebettet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des/der Lichtwellenleiter (1) zumindest be­ reichsweise mit einem Metall beschichtet wird.

13. Verfahren zur optischen Detektion von chemischen oder biochemischen Analyten mit einem Sensorele­ ment nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Grenzfläche des Substrates (2) oder mindestens eines Lichtwel­ lenleiters (1) durch Totalreflexion eingestrahl­ ten Lichtes, ein evaneszentes Feld ausgebildet wird; und aus Kavitäten (4), in denen Analyten enthal­ tende Proben aufgenommen sind, austretendes Licht, den einzelnen Kavitäten (4) lokal zuge­ ordnet detektiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, dass die Intensität von in den jeweiligen Proben angeregtem Fluoreszenzlicht gemessen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, dass im evaneszenten Feld an einer Metall­ schicht (12) Oberflächen-Plasmonen-Resonanz er­ zeugt und die Änderung des Resonanzwinkels oder die Änderung der Wellenlänge gemessen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, dass mindestens zwei Lichtsignale interfe­ rometrisch durch Umwandlung der Phasenverschie­ bung in Intensitätsunterschiede ausgewertet wer­ den.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zwischen den Kavitäten (4) aus der Deckschicht (3) aus­ tretendes Licht zur Gewinnung von Referenzsigna­ len detektiert wird.