DE10023363C1 - Plasmonenresonanzsensor - Google Patents

Abstract

Beim erfindungsgemäßen Plasmonenresonanzsensor ist eine Kollimationsoptik 13 in Form einer Zylinderlinse zwischen der Laserdiode 7 und dem Prisma 1 mit der reflektierenden Metallschicht 5 angeordnet. Dadurch bleibt in der Einfallsebene die Strahlendivergenz erhalten, die alle für eine Resonanz in Betracht kommenden Einfallswinkel umfaßt, die vom Detektor 8 ermittelt werden. Senkrecht zur Einfallsebene wird der Strahlengang jedoch kollimiert, was eine kompakte Bauweise und die gleichzeitige Anordnung mehrerer senkrecht zur Einfallsebene hintereinander ausgerichteter Meßzellen ermöglicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmonenresonanzsensor für biologische, biochemische oder chemische Tests mit einem lichtdurchlässigen Körper, insbesondere Glasprisma, einer auf eine Fläche des Körpers aufgebrachten reflektierenden Metall­ schicht oder Halbleiterschicht mit einer für nachzuweisende Mo­ leküle in einer Probe sensitiven Oberfläche, die in Verbindung mit einer Küvette eine Meßzelle bildet, einer monochromatischen Lichtquelle, insbesondere Laserdiode, zur Aussendung eines di­ vergierenden Lichtbündels oder Strahlengangs durch den licht­ durchlässigen Körper auf die Innenfläche der Schicht und einem Detektor, der dem von der Schicht reflektierten ausfallenden Strahlengang zugeordnet ist und zeitabhängig den sich durch Mo­ lekülanlagerungen an die sensitive Oberfläche ändernden Aus­ fallswinkel des Lichts feststellt, bei dem resonanzbedingt ein Intensitätsminimum an ausfallendem Licht auftritt.

Ein derartiger Plasmonenresonanzsensor mit einem Glasprisma, einer dünnen Goldschicht von 40 bis 70 nm und einer Lichtquelle in Form einer Laserdiode ist aus US 4 844 613 bekannt.

Beim Phänomen der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR - Surface Plasmon Resonance) handelt es sich um eine kollektive Anregung der Elektronen an der Oberfläche einer Freielektronen aufwei­ senden Schicht. Die Resonanzfrequenz der Oberflächenplasmonen ist sehr empfindlich auf den Brechungsindex des Mediums, das an die sensitive Oberfläche angrenzt. Dieses kann genutzt werden, um dünne Schichten (Brechungsindex oder Schichtdicke) zu ver­ messen. Insbesondere in der Biosensorik wird dieser Effekt ge­ nutzt, um die Anlagerungskinetik von Biomolekülen an eine funk­ tionalisierte Metalloberfläche zu untersuchen. Hierzu wird zeitaufgelöst die Resonanzbedingung der Oberflächenplasmonen detektiert. Die Oberflächenplasmonen der dünnen Metallschicht werden durch Licht angeregt, das durch das Glas auf die Metall­ schicht unter einem bestimmten Winkel oder Winkelbereich leuch­ tet. Die Resonanzbedingung ist dann für eine bestimmte Kombina­ tion Wellenlänge-Einfallswinkel erfüllt. Unter dieser Resonanz­ bedingung ist die Intensität des an der Metallschicht reflek­ tierten Lichtes auf Grund der Erzeugung der Oberflächenplasmo­ nen deutlich vermindert. Zum Auffinden der Resonanzbedingung kann entweder der Einfallswinkel (bei konstanter Wellenlänge) oder die Wellenlänge (bei konstantem Einfallswinkel) durchge­ stimmt werden, und die Intensität des reflektierten Lichtes de­ tektiert werden.

Beim eingangs beschriebenen Plasmonenresonanzsensor wird zweck­ mäßigerweise mit einer festen Wellenlänge gearbeitet und der Einfallswinkel bestimmt, bei dem die Resonanzbedingung erfüllt ist. Dabei wird eine Laserdiode genutzt, die einen elliptischen Strahlenkegel aussendet. Die Öffnungswinkel liegen typischer­ weise in der einen Dimension bei 22° und in der anderen Dimen­ sion bei 9° - jeweils bei der Hälfte des Intensitätsmaximums (FWHM). Diese Strahlendivergenz wird genutzt, um ohne jegliche Strahlformungsoptik und ohne Änderung der Ausrichtung der Lichtquelle gegenüber der reflektierenden Schicht diese mit Licht unter verschiedenen Einfallswinkeln innerhalb eines Winkelbereichs anzuleuchten, der für das Auftreten der Resonanzbe­ dingung in Betracht kommt. Dementsprechend ist eine langge­ streckte Detektoranordnung vorgesehen, die den divergierenden ausfallenden Strahlengang über seine gesamte Abmessung in der Lichteinfallsebene aufnimmt und so den Einfallswinkel bestimmen kann, bei dem im Meßzeitpunkt die Resonanzbedingung erfüllt ist.

Dieser bekannte Plasmonenresonanzsensor ist, da er ohne Strahl­ formungsoptik und Einrichtungen zur Veränderung des Lichtein­ fallswinkels auskommt, vergleichsweise einfach ausgebildet und damit preiswert herzustellen. Allerdings treffen Lichtstrahlen mit unterschiedlichem Einfallswinkel auf unterschiedliche Punkte der reflektierenden Metallschicht, so daß an deren Homo­ genität hohe Anforderungen gestellt werden müssen, um Verfäl­ schungen der Meßergebnisse vorzubeugen. Jedoch lassen sich in diesem Sinne ausreichend homogene Metallschichten aufbringen.

Der wesentliche Nachteil der bekannten Ausbildung wird deshalb darin gesehen, daß die auf die Zahl der durchführbaren Tests bezogene Leistung des mit einer einzigen Meßzelle ausgestatte­ ten Plasmonenresonanzsensors gering ist und daß dieser keine gleichzeitigen Referenzmessungen ermöglicht, um den Einfluß beispielsweise der Erwärmung der reflektierenden Metallschicht auszuschalten. Gerade wegen der starken Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes von Flüssigkeiten und da die zu untersu­ chenden Proben üblicherweise in Flüssigkeit gelöst untersucht werden sind Referenzmessungen besonders sinnvoll. In diesem Zu­ sammenhang ist auch zu berücksichtigen, daß wegen des divergie­ renden Strahlengangs zusätzliche Meßzellen in größerem Abstand zueinander angeordnet werden müssen, damit es nicht zu Über­ schneidungen verschiedener Strahlenkegel und damit zu Verfäl­ schungen kommt. Eine solche Distanzierung würde aber der er­ strebten kompakten Bauweise zuwider laufen und auch die Kosten für entsprechend große Teile deutlich erhöhen.

Aus EP 305 109 B1 ist es bereits bekannt, bei einem vergleich­ baren Plasmonenresonanzsensor zur Durchführung biologischer Tests mit einer parallel strahlenden Lichtquelle zu arbeiten und daraus mittels einer Optik einen konvergenten Strahlenfä­ cher mit allen notwendigen Einfallswinkeln zu erzeugen, wobei auch im divergierenden ausfallenden Strahlengang eine Optik vorgesehen ist, die den Strahlengang vor dem Auftreffen auf den Detektor wieder parallel ausrichtet. Bei diesem Plasmonenreso­ nanzsensor wird das Licht auf einen Punkt der Metallschicht fo­ kussiert, so daß der Einfluß von Inhomogenitäten der Metall­ schicht weitgehend ausgeschaltet ist. Dafür muß jedoch mit ei­ ner verstärkten Erwärmung der Metallschicht und mit dadurch verfälschten Ergebnissen gerechnet werden. Ein weiterer Nach­ teil des bekannten Plasmonenresonanzsensors ist in der ver­ gleichsweise teuren Strahlformungsoptik zu sehen. Im übrigen würden zusätzliche Meßzellen zur Leistungssteigerung und für Referenzmessungen auch zusätzliche entsprechende Strahlfor­ mungsoptiken erfordern und damit den Plasmonenresonanzsensor erheblich verteuern.

Schließlich ist aus US 5 313 264 ein Plasmonenresonanzsensor mit einer Lichtquelle und einer Linse bekannt, die den ein­ fallenden Strahlengang in der einen Richtung kollimiert, in der dazu rechtwinkligen anderen Richtung aber fokussiert. Auch hier ist eine vergleichsweise aufwändige Strahlformungsoptik erfor­ derlich und muß mit einer durch die Fokussierung bedingten Er­ wärmung der Metallschicht und dadurch hervorgerufenen Meßun­ genauigkeiten gerechnet werden. Ebenfalls würden zusätzliche Meßzellen zur Leistungssteigerung und für Referenzmessungen zu­ sätzliche Strahlformungsoptiken erfordern und den Plasmonenre­ sonanzsensor verteuern.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Plasmonenresonanzsensor zu schaffen, der bei kompakter und preiswerter Ausbildung eine hohe Testleistung bei gleichzeitig fehlerfreien Ergebnissen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom eingangs beschriebenen Plasmo­ nenresonanzsensor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Lichtquelle und dem lichtdurchlässigen Körper eine Kollima­ tionsoptik angeordnet ist, die den einfallenden Strahlengang senkrecht zur Einfallsebene kollimiert, in der Einfallsebene aber weiterhin divergierend beläßt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Plasmonenresonanzsensor kommt mit einer einfachen Strahlformoptik in Form einer Zylinderlinse aus, er­ fordert also nur einen geringen baulichen Aufwand. Obwohl die originäre Strahlendivergenz beispielsweise einer Laserdiode ge­ nutzt wird, um den gesamten interessierenden Einfallswinkelbe­ reich abzudecken, wird durch die gezielte Parallelausrichtung des Strahlengangs in Richtung senkrecht zur Einfallsebene ein in dieser Richtung schmaler Strahlengang geschaffen, der eine kompakte Nebeneinander-Anordnung von mehreren gleichen Plasmo­ nenresonanzsensoren und dementsprechend von mehreren Meßzellen ermöglicht, was zu einer leistungsfähigen Einrichtung mit der Möglichkeit vorteilhafter Referenzmessungen führt.

Zweckmäßigerweise wird dieses Ergebnis jedoch nicht durch die Aneinanderreihung mehrerer kompletter Plasmonenresonanzsensoren sondern vielmehr dadurch erreicht, daß auf einem gemeinsamen lichtdurchlässigen Körper bzw. Prisma zwei oder mehr Meßzellen für verschiedene Proben angeordnet werden, die in einer Reihe senkrecht zur Einfallsebene ausgerichtet sind, wobei jeder Meß­ zelle ein eigener Detektor zugeordnet wird. Eine solche Ausbil­ dung mit einem gemeinsamen lichtdurchlässigen Körper bzw. Prisma und ggf. nur einer Lichtquelle und einer Kollimationsop­ tik führt zu einem besonders geringen Kostenaufwand in Relation zur Leistungsfähigkeit.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Plasmonenresonanzsensor in Seitenansicht;

Fig. 2 einen Plasmonenresonanzsensor mit vier Meßzellen in Draufsicht;

Fig. 3 einen der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ähnlichen Plas­ monenresonanzsensor, bei dem jedoch jeder Meßzelle eine eigene Lichtquelle zugeordnet ist; und

Fig. 4 eine weitere Abwandlung gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 3, derzufolge jeder Meßzelle und Lichtquelle eine eigene Kollimationsoptik zugeordnet ist.

Gemäß Fig. 1 ist ein lichtdurchlässiger Körper 1 in Form eines Glasprismas von dreieckiger Querschnittsform vorgesehen. Dieses Prisma weist eine Lichteinfallseite 2, eine Lichtausfallseite 3 sowie eine horizontal ausgerichtete obere Reflektionsseite 4 auf. Auf diese Reflektionsseite 4 ist eine reflektierende Metallschicht 5 aufgebracht, die beispielsweise aus Gold in einer Stärke von 50 nm besteht. Auf die Metallschicht 5 ist noch eine sensitive Beschichtung 6 aufgebracht, wie es schematisch ange­ deutet ist. Diese sensitive Beschichtung ist beispielsweise auf nachzuweisende Biomoleküle in der zu untersuchenden Probe abge­ stimmt, so daß sich die betreffenden Biomoleküle an die sensi­ tive Beschichtung anlagern. Derartige Beschichtungen sowie ihr Regenerieren beispielsweise mittels einer Salzsäurelösung sind dem Fachmann geläufig.

Der Lichteinfallseite 2 ist eine monochromatische Lichtquelle 7 in Form einer Laserdiode zugeordnet, und in entsprechender Weise liegt der Lichtausfallseite 3 des Prismas 1 ein Detektor 8 im Abstand gegenüber. Somit wird wie in Fig. 1 dargestellt von der Laserdiode 7 ein divergierender Strahlengang 9 erzeugt, der an der Metallschicht 5 reflektiert wird und auf den Detek­ tor 8 geleitet wird. Der Strahlengang 9 ist in einen einfallen­ den Strahlengang 10 vor und einen ausfallenden Strahlengang 11 hinter der Metallschicht 5 unterteilt, wobei die Einfallsebene 12 (Fig. 2) parallel zur Zeichenebene der Fig. 1 verläuft.

Im einfallenden Strahlengang 10 ist eine Kollimationsoptik 13 in Form einer Zylinderlinse angeordnet, die dem einfallenden Strahlengang entsprechend geneigt in der Einfallsebene 12 ange­ ordnet ist. Diese Zylinderlinse 13 bewirkt eine Kollimation oder Parallelausrichtung der Lichtstrahlen nur in einer Rich­ tung senkrecht zur Einfallsebene 12 (Fig. 2), während in der Einfallsebene die Strahlendivergenz erhalten bleibt, wie es Fig. 1 zeigt. Infolge der Wirkung der Kollimationsoptik 13 ver­ läuft der Strahlengang 9 durch das Prisma 1 innerhalb eines vergleichsweise schmalen Bereichs mit einer geringen Abmessung senkrecht zur Einfallsebene 12.

Die auftretende Plasmonenresonanz, auf der das mit dem erfin­ dungsgemäßen Plasmonenresonanzsensor durchgeführte Testverfah­ ren beruht, ist in Fig. 1 schematisch angedeutet. Die Diver­ genz des Strahlengangs 9 in der Einfallsebene 12 ist ausrei­ chend groß, um den Bereich an Einfallswinkeln abzudecken, in­ nerhalb dessen die Resonanzerscheinung auftritt. Der zur Resonanz führende Einfallswinkel verändert sich nämlich infolge der Anlagerung von Molekülen aus der zu untersuchenden Probe an die sensitive Beschichtung 6. Beim jeweils resonanzgemäßen Ein­ fallswinkel wird der ausfallende Lichtstrahl merklich ge­ schwächt, und dieser Einfallswinkel wird zeitaufgelöst vom De­ tektor 8 festgestellt. Dementsprechend sind in Fig. 1 beim ausfallenden Strahlengang 11 Stufen oder Bereiche mit unter­ schiedlicher Lichtintensität angedeutet, wobei der Bereich stärkster Schwärzung dem schwächsten Lichtausfall entspicht und damit den zeitabhängig probenspezifischen Resonanz-Einfallswin­ kel veranschaulicht. Somit tritt gemäß Fig. 1 die Resonanz bei einem mittleren Einfallswinkel auf. Die anhand von Fig. 1 er­ läuterten Verhältnisse gelten allgemein für alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind entsprechend der Be­ schreibung zu Fig. 1 eine Laserdiode 15, eine Zylinderlinse 16 und ein Prisma 17 vorgesehen, das gleichfalls einen Dreiecks­ querschnitt aufweist und sich senkrecht zur Einfallsebene 12 des Lichts erstreckt, wobei auf dem Prisma 17 vier Meßzellen 18, 19, 20 und 21 ausgebildet sind, an denen jeweils die Me­ tallschicht 5 und die sensitive Beschichtung 6 vorhanden sind. Jeder Meßstelle ist ein eigener Detektor 22, 23, 24 bzw. 25 zu­ geordnet.

Der einfallende Strahlengang 10 entspricht der Beschreibung an­ hand von Fig. 1. Dementsprechend besteht zwischen der Laserdi­ ode 15 und der Zylinderlinse 16 Divergenz sowohl in der Ein­ fallsebene 12 wie senkrecht zu dieser, während hinter der Zy­ linderlinse 16 Divergenz nur noch in der Einfallsebene 12 vor­ handen ist und senkrecht zur Einfallsebene ein paraleller Strahlengang vorhanden ist. Dementsprechend sind die verschie­ denen Meßzellen 18 bis 21 und die zugehörigen Detektoren 22 bis 25 nicht nur zueinander beabstandet sondern insbesondere strah­ lenmäßig voneinander entkoppelt, wie die eingezeichneten aus­ fallenden Strahlengänge 26, 27, 28 und 29 veranschaulichen, und das auch bei engem Abstand zwischen den Meßzellen 18 bis 21 und entsprechend zwischen den Detektoren 22 bis 25 und trotz der vorgesehenen Divergenz in den ausfallenden Strahlengängen 26 bis 29, die allerdings nur in Richtung der Einfallsebene 12 vorhanden ist. Somit läßt sich eine kompakte Anordnung mit vier Meßzellen 18 bis 21 mit nur einer Laserdiode 15, einer Zylin­ derlinse 16 und einem Prisma 17 erreichen.

Mit den vier Meßzellen 18 bis 21 können vier Proben gleichzei­ tig untersucht werden, oder aber drei Proben in Verbindung mit einer Referenzmessung anhand einer bekannten Referenzprobe. Die Leistungserhöhung durch zusätzliche Meßzellen ist deswegen be­ sonders wertvoll, weil die einzelnen Messungen je nach den zu untersuchenden Proben bzw. nachzuweisenden Molekülen ver­ gleichsweise zeitaufwendig sein können. Beispielsweise kann die Untersuchungs- bzw. Meßdauer insbesondere bei biologischen oder biochemischen Tests jeweils bis zu einer Stunde betragen.

Auch die Ausführungsformen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 sehen ein gemeinsames Prisma 17 mit vier Meßzellen sowie diesen zugeord­ neten Detektoren vor. Die Unterschiede betreffen jeweils den Strahlengang, ohne daß sich jedoch an der Strahlendivergenz in der Einfallsebene und der Kollimation in Richtung senkrecht zur Einfallsebene etwas ändert.

Nach Fig. 3 sind den Meßzellen 30 bis 33 eigene Laserdioden 34 bis 37 zugeordnet. Gleichwohl kann mit einer gemeinsamen Zylin­ derlinse 38 gearbeitet werden, welche die vier unterschiedlich gerichteten Strahlengänge 39 bis 42 kollimiert. Entsprechend den fächerförmig ausfallenden Strahlengängen 39 bis 45 ist die Anordnung der Detektoren 43 bis 46 etwas raumaufwändiger ge­ spreizt.

Hierauf kann verzichtet werden, wenn gemäß Fig. 4 jeder einer Meßzellen 47 bis 50 zugeordneten Laserdiode 51 bis 54 eine ei­ gene Zylinderlinse 55 bis 58 zugeordnet ist. In diesem Falle verlaufen die einzelnen Strahlengänge 59 bis 62 zueinander pa­ rallel bis zum Auftreffen auf die den Meßzellen 47 bis 50 zuge­ ordneten Detektoren 63 bis 66.

Claims (9)

1. Plasmonenresonanzsensor für biologische, biochemische oder chemische Tests mit einem lichtdurchlässigen Körper (1, 17), insbesondere Glasprisma, einer auf eine Fläche (4) des Körpers (1, 17) aufgebrachten reflektierenden Metallschicht (5) oder Halbleiterschicht mit einer für nachzuweisende Mo­ leküle in einer Probe sensitiven Oberfläche (6), die in Verbindung mit einer Küvette eine Meßzelle bildet, einer monochromatischen Lichtquelle (7, 15, 34 bis 37, 51 bis 54), insbesondere Laserdiode, zur Aussendung eines diver­ gierenden Lichtbündels oder Strahlengangs (9, 26 bis 29, 39 bis 42, 59 bis 62) durch den lichtdurchlässigen Körper (1, 17) auf die Innenfläche der Schicht (5) und einem Detektor (8, 22 bis 25, 43 bis 46, 63 bis 66), der dem von der Schicht (5) reflektierten ausfallenden Strahlengang (11) zugeordnet ist und zeitabhängig den sich durch Mole­ külanlagerungen an die sensitive Oberfläche (6) ändernden Ausfallswinkel des Lichts feststellt, bei dem resonanzbe­ dingt ein Intensitätsminimum an ausfallendem Licht auf­ tritt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (7, 15, 34 bis 37, 51 bis 54) und dem lichtdurchlässigen Körper (1, 17) eine Kollimationsoptik (13, 16, 38, 55 bis 58) angeordnet ist, die den einfallenden Strahlengang (10) senkrecht zur Einfallsebene (12) kollimiert, in der Ein­ fallsebene (12) aber weiterhin divergierend beläßt.

2. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Kollimationsoptik (13, 16, 38, 55 bis 58) eine Zylinderlinse vorgesehen ist.

3. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Oberfläche durch eine sensitive Beschichtung (6) der reflektierenden Schicht (5) gebildet ist.

4. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem lichtdurchlässigen Körper (1, 17) zwei oder mehr Meßzellen (18 bis 21, 30 bis 33, 47 bis 50) für verschiedene Proben zugeordnet sind, die in einer Reihe senkrecht zur Einfallsebene (12) ausgerichtet sind, wobei jeder Meßzelle ein eigener Detektor (22 bis 25, 43 bis 46, 63 bis 66) zugeordnet ist.

5. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine einzige reflektierende Schicht (5) vor­ gesehen ist, die sich senkrecht zur Einfallsebene (12) über alle Meßzellen (18 bis 21, 30 bis 33, 47 bis 50) erstreckt.

6. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßzelle (30 bis 33, 47 bis 50) eine eigene Lichtquelle (34 bis 37, 51 bis 54) zugeordnet ist.

7. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß den Lichtquellen (34 bis 37) eine gemeinsame Kollimationsoptik (38) zugeordnet ist.

8. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Lichtquelle (51 bis 54) eine eigene Kollimationsoptik (55 bis 58) zugeordnet ist.

9. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzellen durch Blenden voneinander abgetrennt sind.