DE102004015906A1

DE102004015906A1 - Mikrofluidische Vorrichtung für die optische Analyse

Info

Publication number: DE102004015906A1
Application number: DE200410015906
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.-Ing. Otto; Jörg Dipl.-Ing. Nestler; Mario Dipl.-Wirtsch.-Ing. Baum; Thomas Prof. Dr.-Ing. Geßner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2024-04-01
Also published as: DE102004015906B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung zur optischen Analyse, die sich aus ein oder mehreren planaren Substraten aus einem Substratmaterial zusammensetzt und bei der in zumindest einem der Substrate zumindest ein Fluidkanal oder Fluidreservoir ausgebildet ist. In die ein oder mehreren Substrate ist eine optische Komponente zur Aufspaltung, spektralen Zerlegung oder Filterung von sich planar in den Substraten ausbreitender optischer Strahlung integriert, die zumindest teilweise durch ein Material oder Fluid mit einem vom umgebenden Substratmaterial verschiedenen Brechungsindex gebildet ist. DOLLAR A Mit der vorliegenden Analyseeinheit ist es nicht mehr erforderlich, für unterschiedliche Anwendungen eine externe Wellenlängenselektierung vorzunehmen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung für die optische Analyse, die sich aus ein oder mehreren planaren Substraten aus einem Substratmaterial zusammensetzt und bei der in zumindest einem der Substrate ein Fluidkanal oder Fluidreservoir ausgebildet ist.
Mikrofluidische Analyseeinheiten können zur optischen Analyse von Fluiden oder von in Fluiden gelösten oder ungelösten organischen oder anorganischen Stoffen dienen. Für die optische Analyse dieser Medien können beispielsweise photometrische, Fluoreszenzbasierte, Streulicht-basierte, spektroskopische oder spektrophotometrische Verfahren eingesetzt werden. Die Streulicht-basierten Verfahren können Rayleighstreuung, Tyndallstreuung oder Ramanstreuung nutzen. Auch Chromatographie-Verfahren (z.B. HPLC, Gaschromatographie) oder Elektrophorese-Verfahren können mit derartigen Analyseeinheiten eingesetzt werden.

Stand der Technik

Bekannte mikrofluidische Analyseeinheiten für die optische Analyse bestehen entweder aus einem oder mehreren planaren Substraten mit einem darin ausgebildeten Fluidkanal oder Fluidreservoir in Verbindung mit einer vollständig externen Optik oder setzen sich aus ein oder mehreren planaren Substraten zusammen, in denen neben dem Fluidkanal integrierte Lichtwellen leiter ausgebildet sind, durch die optische Strahlung direkt an den Fluidkanal heranführbar ist.

So beschreibt beispielsweise die DE 10029946 A1 eine mikrofluidische Analyseeinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei dieser Analyseeinheit weist ein Basissubstrat aus einem polymeren Substratmaterial, im Folgenden auch als Basismaterial bezeichnet, einen hohlen Fluidkanal sowie Kanäle einer planaren Lichtwellenleiterstruktur auf, die mit einem höher brechenden Polymer, im Folgenden als Kernmaterial bezeichnet, verfüllt sind. 1 zeigt ein derartig ausgebildetes Basissubstrat 6 mit dem Fluidkanal 2 und den Lichtwellenleitern 1a/1b der Lichtwellenleiterstruktur, die aus dem Kernmaterial bestehen. Das zu untersuchende Fluid wird über die Durchgangsbohrungen 7 des Basissubstrats 6 durch den Fluidkanal 2 gepumpt. Die Lichtwellenleiter 1a/1b sind dabei so angeordnet, dass eingekoppelte optische Strahlung quer zur Längsachse des Fluidkanals 2 durch den Fluidkanal dringt. Der Fluidkanal 2 des Basissubstrats 6 wird durch ein in der Figur nicht dargestelltes Deckelsubstrat abgedichtet.

Eine derartige gattungsgemäße Analyseeinheit findet vor allem in der chemischen oder biologischen Analytik Anwendung. Für die optische Analyse von Fluiden ist oft monochromatisches Licht oder die Bestimmung der Intensität von Licht einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines eng begrenzten Wellenlängenbereiches nach der Durchstrahlung der Probe mit polychromatischem Licht erforderlich. Die komplette Lichtaufbereitung und Lichtauswertung, insbesondere die spektrale Zerlegung des Lichtes, muß bei dem genannten Stand der Technik außerhalb der Analyseeinheit stattfinden.

Aus K. Hosokawa et al., „A Polydimethylsiloxan (PDMS) deformable diffraction grating for monitoring of local Pressure in micro fluidic devices", J. Micromech. Microeng. 12 (2002), Seiten 1 bis 6, ist eine mikrofluidische Einheit mit einem integrierten verformbaren Beugungsgitter zur Messung des lokalen Drucks in einem Mikrokanal bekannt. Das Gitter ist derart in einem planaren Substrat ausgebildet und mit dem Mikrokanal in fluidischer Verbindung, dass das Licht zur Auswertung der Gitterverformung im Bereich des Gitters senkrecht auf die planare Oberfläche des Substrats gerichtet werden muß. Eine integrierte Lichtwellenstruktur wie bei der DE 10029946 A1 kann daher bei dieser mikrofluidischen Einheit nicht eingesetzt werden.

Die US 6498353 B2 zeigt eine mikrofluidische Analyseeinheit für die optische Analyse, bei der ebenfalls ein optisches Element zur Beeinflussung der Lichtausbreitung, der spektralen oder sonstigen Eigenschaften des Lichtes in ein planares Substrat integriert ist. Auch bei dieser Analyseeinheit erfolgt der Transportweg der optischen Leistung senkrecht zur planaren Oberfläche des Substrates, während der Fluidkanal planar integriert ist. Bei einer derartigen Analyseeinheit ist jedoch die Gestaltungsfreiheit bei der Ausbildung und Anordnung der integrierten optischen Komponenten stark beschränkt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegende Erfindung darin, eine mikrofluidische Vorrichtung zur optischen Analyse anzugeben, die nur geringe Anforderungen an die eingesetzte optische Lichtquelle stellt und eine hohe Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der optischen Komponenten bietet.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Die vorliegende mikrofluidische Analyseeinheit aus ein oder mehreren planaren Substraten aus einem Substratmaterial, vorzugsweise einem polymeren Material oder Glas, bei der in zumindest einem der Substrate ein Fluidkanal oder ein Fluidreservoir ausgebildet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass in die ein oder mehreren Substrate eine optische Komponente zur Aufspaltung, spektralen Zerlegung oder Filterung von sich planar in den Substraten ausbreitender optischer Strahlung integriert ist, die zumindest teilweise durch ein vorzugsweise polymeres oder glasbasiertes Material oder Fluid mit einem vom umgebenden Substratmaterial verschiedenen Brechungsindex gebildet ist.

Bei der vorliegenden Analyseeinheit sind somit nicht nur die fluidischen Strukturen, insbesondere der Fluidkanal oder das Fluidreservoir, planar in den ein oder mehreren Substraten ausgebildet sondern auch die ein oder mehreren optischen Komponenten planar in zumindest ein Substrat integriert, d.h. zur Aufspaltung, spektralen Zerlegung oder Filterung von sich planar in dem Substrat ausbreitender optischer Strahlung in dem Substrat ausgebildet und angeordnet. Dies ermöglicht einerseits eine an die jeweilige Anwendung speziell angepasste Ausgestaltung der Analyseeinheit, so dass beispielsweise für jede der unterschiedlichen Anwendungen die gleiche polychromatische Lichtquelle mit der jeweils angepassten Analyseeinheit eingesetzt werden kann. Zum anderen bestehen auf Grund der planaren Integration der optischen Komponenten und der damit verbundenen optischen Wege im Substrat ausreichend Gestaltungsfreiheiten in der Beeinflussung der Strahlung. Die für die jeweilige Anwendung erforderliche spektrale Selektion wird bei der vorliegenden Analyseeinheit über die integrierte optische Komponente durchgeführt. Dies ermöglicht den Einsatz eines Analysesystems mit einer polychromatischen Lichtquelle, wobei je nach Anwendung unterschiedliche wellenlängenselektive Analyseeinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Dabei sind im Gegensatz zu herkömmlichen Geräten, wie beispielsweise Photometern, keine mechanischen Einstellungen zur Wellenlängenselektierung am Gerät mehr erforderlich. Die Wellenlängenselektion findet vielmehr durch die integrierten optischen Komponenten direkt in der Analyseeinheit statt. Der zusätzliche apparative Aufwand für die optische Analyse wird dadurch deutlich verringert.

Ein weiterer Vorteil der planaren Integration von Licht spektral zerlegenden optischen Komponenten in die ein oder mehreren Substrate der vorliegenden Analyse einheit besteht darin, dass auf diese Weise räumlich getrennte Teilbündel unterschiedlicher Wellenlängen in der Analyseeinheit erzeugt werden können, die bspw. über getrennte integrierte Lichtwellenleiter zum Fluidkanal oder Fluidreservoir geführt und/oder von diesem aus dem Substrat herausgeführt werden können. Dies ermöglicht insbesondere bei photometrischen oder Fluoreszenz-basierten Analyseverfahren die gleichzeitige Detektion mehrerer Stoffe. Ein Probenfluid kann damit parallel auf mehrere Parameter untersucht werden, wodurch sowohl die Durchführungsgeschwindigkeit als auch die Querempfindlichkeit der Analyse vergrößert wird. Für die parallele Untersuchung wird dabei lediglich eine externe breitbandige Lichtquelle benötigt. Eine externe spektrale Zerlegung wie bei herkömmlichen spektrometrischen Verfahren kann jedoch entfallen.

Vorzugsweise ist bei der vorliegenden Analyseeinheit auch eine Lichtwellenleiterstruktur planar in die ein oder mehreren Substrate integriert, über die optische Strahlung an den Fluidkanal oder das Fluidreservoir heranführbar und/oder von dem Fluidkanal oder Fluidreservoir wegführbar ist. Die optische Komponente ist in dieser Weiterbildung zur Aufspaltung, spektralen Zerlegung oder Filterung der in der Lichtwellenleiterstruktur geführten optischen Strahlung angeordnet.

Wie die in der Lichtwellenleiterstruktur geführte optische Strahlung kann auch der Probenstrom durch Ausbildung mehrerer separater Fluidkanäle in dem Substrat aufgespalten werden, falls für die parallele Untersuchung derselben Probe auf mehrere Parameter verschiedene Reagenzien in fester, flüssiger oder gasförmiger Phase erforderlich sind. Durch die Ausbildung mehrerer Fluidkanäle kann es erforderlich sein, mehrere planare Substrate übereinander zu stapeln, zwischen denen mindestens eine fluidische Verbindung besteht. Speziell eine Anordnung mit drei Ebenen bzw. Substraten bietet eine große Designflexibilität bei geringer Prozesskomplexität, wobei die oberste und unterste Ebene mit planaren Fluidik- und/oder Optikstrukturen versehen ist und die mittlere Ebene lediglich fluidische Durchkontaktierungen aufweist. Die für Mehrfachparametermessungen unter Umständen notwendigen Nachweisreagenzien können hierbei ebenso wie bei Messung nur eines Parameters entweder bereits in flüssiger oder fester Phase in dafür vorgesehenen Reservoirs bzw. im Kanal innerhalb der Analyseeinheit vorhanden sein oder von außen durch die Analyseeinheit gepumpt werden. Bei der Ausbildung von speziellen Reservoirs für die Nachweisreagenzien können diese mittels lokaler Druckapplikation, thermisch, elektrisch oder durch eine andere Kraft geöffnet werden, sobald die Nachweisreagenz mit der Probe in Kontakt kommen soll. Grundsätzlich bietet sich eine spektrale räumliche Aufteilung der in der Lichtwellenleiterstruktur geführten optischen Strahlung mittels der integrierten optischen Komponente für Absorptions- oder Streulichtmessungen am Probenfluid an. Selbstverständlich ist die vorliegende Analyseeinheit jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt.

Die in ein oder mehrere planare Substrate integrierten ein oder mehreren optischen Komponenten zum Aufspalten, spektralen Zerlegen oder Filtern von Licht sind vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich Transmissionsgitter, Reflexionsgitter oder Bragg-Gitter oder Phased Arrays. Auch prismenförmige Komponenten können für die spektrale Aufteilung eingesetzt werden. Für Anordnungen von optischen Gittern ist im Allgemeinen eine Abbildungs- und Beugungsoptik, insbesondere zur Erzeugung von parallelem Licht, erforderlich. Dies kann beispielsweise durch eine ebenfalls integrierte Linse, ein integriertes Linsensystem oder ein integriertes Spiegelelement oder Spiegelelementsystem erreicht werden. Diese Licht kollimierenden Anordnungen werden ebenso wie die diffraktiven optischen Komponenten planar in die Substrate integriert. Neben der Verwendung von Linsen als Abbildungs- und/oder Beugungsoptik kann auch eine spezielle Gitterstrukturierung als selbstfokussierendes Gitter eingesetzt werden. Ein Verfahren zur Berechnung eines derartigen Gitters kann beispielsweise der DE 19811989 A1 entnommen werden.

Bei einigen Anwendungen kann es sinnvoll sein, die eingekoppelte optische Leistung für eine Referenzmessung aufzuteilen. Dies kann in der vorliegenden Analyseeinheit beispielsweise mittels eines Y-Strahlteilers realisiert werden, wie er bisher vor allem in der integrierten optischen Nachrichtenübertragung Anwendung findet. Die Aufteilung der Lichtleistung, beispielsweise für einen Referenz- und einen Messkanal, kann auch mittels eines integrierten optischen Gitters erfolgen. Hierbei kann beispielsweise bei einem symmetrischen Gitter der Strahlanteil der +1. Ordnung dem Messkanal und der Strahlanteil der -1. Ordnung dem Referenzkanal zugeführt werden.

Bei der Herstellung der vorliegenden Analyseeinheit kann die Integration der optischen Komponenten im selben Arbeitsschritt erfolgen wie die Herstellung einer integrierten Lichtwellenleiterstruktur. Eine Möglichkeit der Erzeugung der optischen Komponenten ist das Verfüllen von Kavitäten im Basismaterial, d.h. dem polymeren oder glasbasierten Substratmaterial, mit einem Polymer oder Glas eines anderen, bspw. höheren, Brechungsindex. Dabei werden die Kavitäten für die optischen Komponenten vorzugsweise aber nicht zwingend im selben Arbeitsgang wie die fluidischen Komponenten erzeugt. Dies kann beispielsweise mittels eines Abformverfahrens, wie Kalt- oder Heißprägen, Mikrospritzgießen, Spritzprägen oder Reaktionsgießen, erfolgen. Als polymere Materialien können dabei beispielsweise aber nicht ausschließlich transparentes Teflon (Teflon AF, Firma Dupont), PMMA, PC, PE, PDMS oder Topas eingesetzt werden. Als Glasmaterialien, die ebenfalls z.B. mittels Prägen umgeformt werden können, eignen sich prinzipiell alle Glassorten, vorzugsweise aber solche mit niedriger Glastemperatur. Die zur Führung oder Veränderung von Licht vorgesehenen Kavitäten werden anschließend mit dem Polymer oder Glas des höheren Brechungsindex verfüllt. Dies kann beispielsweise selektiv mittels eines Dispensers oder ganzflächig mittels eines Rakels erfolgen. Speziell eignen sich hierfür optisch transparente, UV-härtende Klebstoffe oder im Falle von Gläsern sogenannte Glaspasten (z.B. Ferro FX11-036, Schott G018 223). Im Falle eines derartigen Klebstoffes oder Glases ist das Polymer oder Glas mit dem höheren Brechungsindex, das Kernmaterial, vom Basismaterial vollkommen verschieden. Bei Polymeren ermöglichen neuere Verfahren jedoch auch die Verfüllung mit einem dotierten Basismaterial, das durch die Dotierung in seinem Brechungsindex verändert ist. Bei Gläsern können auch z.B. aus der Mikroelektronik bekannte Dotierverfahren eingesetzt werden.

Das Basismaterial kann auch ein herkömmlicher Photolack sein, z.B. SU 8, wie er beispielsweise in der Mikroelektronik eingesetzt wird. Die Strukturierung der Kavitäten erfolgt bei einem derartigen Photolack photochemisch. Neben der Auffüllung von Kavitäten mit einem Material eines höheren Brechungsindex können die für die optischen Komponenten vorgesehenen Bereiche auch durch lokale Veränderung des Brechungsindex des Basismaterials hergestellt werden.

Weiterhin kann der für die Erzeugung der optischen Komponenten notwendige Brechzahlunterschied durch Erzeugen einer strukturierten Grenzfläche zwischen dem Basismaterial und einem Fluid, insbesondere Luft oder Vakuum hergestellt werden. Die für die Funktionsweise der vorliegenden optischen Komponenten zur spektralen Selektion notwendigen Brechzahlunterschiede können also entweder durch den Übergang des Basismaterials zu Luft oder einem anderen Fluid oder Vakuum, durch den Übergang des Kernmaterials zu Luft oder einem anderen Fluid oder Vakuum oder bevorzugt durch den Übergang des Kernmaterials zum Basismaterial erreicht werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird durch geeignete Anordnung der Licht wellenleiterstruktur ein Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Sensor realisiert.

Bei einem SPR-Sensor wird im Allgemeinen Licht an einer Grenzfläche in einem optisch transparenten Körper total reflektiert. Üblicherweise ist dieser Körper ein Glasprisma, welches von einem Medium (Dielektrikum) mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist. Befindet sich auf der äußeren Fläche des Körpers eine dünne Metallschicht (z.B. 50nm Au), so werden unter einem bestimmten Winkel und einer bestimmten Wellenlänge durch das evaneszente Feld sogenannte Oberflächenplasmonen in der Metallschicht erzeugt. Dies äußert sich in einer Intensitätsverringerung des unter diesem Winkel reflektierten Strahles der entsprechenden Wellenlänge. Infolge dessen wird eine abgeschwächte Totalreflexion mit einem Intensitätsminimum erhalten. Winkel und Wellenlänge dieses Intensitätsminimums sind abhängig von den Eigenschaften der Metallschicht und dem daran angrenzenden Dielektrikum, beispielsweise einer Flüssigkeit oder einem Gas. Lediglich die Eigenschaften des Dielektrikums sehr nahe der Metallschicht haben dabei einen Einfluss.

Durch Aufbringung einer aktiven Schicht auf die Metallschicht kann die Anlagerung nachzuweisender Moleküle im Fluid erreicht werden. Diese Anlagerung macht sich dann in einer Veränderung der Wellenlänge (bei definiertem Winkel) bzw. des Winkels (bei definierter Wellenlänge) des Reflexionsminimums bemerkbar.

In der vorliegenden Ausgestaltung zur Realisierung des SPR-Sensors wird durch die Integration der optischen Komponenten und der Fluidik in der Analyseeinheit ein hoher Justageaufwand vermieden. Der Lichtwellenleiter für die eingekoppelte optische Strahlung verläuft dabei unter einem geeigneten Winkel < 45° zur Wand des Fluidkanals oder Fluidreservoirs, so dass die aus dem Wellenleiter austretende optische Strahlung an der Wand zu diesem Fluidikelement total reflektiert wird. Hierfür muss das Polymer- oder Glasmaterial, das die Wand zum Fluidikelement bildet, einen höheren Brechungsindex aufweisen als das Fluid.

Die Wand ist auf ihrer Innenseite, der Seite des Fluids vorzugsweise mit einer Metallschicht (z.B. Gold oder Silber) versehen, die bspw. durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt werden kann. Die Schichtdicke liegt dabei vorzugsweise in der Größenordnung von <= 50 nm.

Vorzugsweise befindet sich zur Erhöhung der Selektivität auf der Metallschicht eine aktive Schicht, die bspw. nach dem „Schlüssel-Schloss-Prinzip" die selektive Anlagerung bestimmter Moleküle oder Stoffe, z. B. bestimmter Proteine, Lipide oder Nukleinsäuren, begünstigt.

Wird im Weiteren die numerische Apertur des integrierten Lichtwellenleiters genutzt, der das Licht auf die äußere Wand des Fluidikelementes strahlt, so treffen auf dieser Wand Strahlen mit unterschiedlichen Winkeln auf. Damit das Licht aller Winkel, unter denen es aus dem Lichtwellenleiter austritt, an der Fluidelementwand total reflektiert wird, wird der eingeschlossene Winkel zwischen Lichtwellenleiter und Fluidelementwand vorzugsweise <45° betragen. Die aus dem Lichtwellenleiter divergent austretenden Strahlen werden entsprechend an der Wand total reflektiert.

Tritt nun das reflektierte Licht durch ein planares Kollimationselement, z. B. eine Linse, so vereinigen sich in der Brennebene dahinter Strahlen gleichen Winkels (die lediglich parallel versetzt sind) in einem Punkt, während Strahlen unterschiedlichen Winkels in der Brennebene an unterschiedlichen Punkten erscheinen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Analyseeinheit wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für eine gattungsgemäße mikrofluidische Analyseeinheit nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung eines Beispiels der vorliegenden Analyseeinheit in Draufsicht;
3 eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels der vorliegenden Analyseeinheit in Draufsicht;
4 eine schematische Darstellung eines dritten Beispiels der vorliegenden Analyseeinheit in Draufsicht;
5 eine schematische Darstellung eines vierten Beispiels der vorliegenden Analyseeinheit in Draufsicht;
6 ein Beispiel für die Ausgestaltung eines Bragg-Gitters bei der vorliegenden Analyseeinheit;
7 ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung eines Bragg-Gitters bei der vorliegenden Analyseeinheit;
8 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Analyseeinheit mit einem Strahlteiler in Draufsicht;
9 ein Beispiel für einen mehrschichtigen Aufbau der vorliegenden Analyseeinheit;
10 ein Beispiel für eine Anordnung zur Nutzung der Oberflächenplasmonenresonanz unter Totalreflexion; und
11 ein weiteres Beispiel für eine Anordnung zur Nutzung der Oberflächenplasmonenresonanz unter Totalreflexion.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die bekannte Ausgestaltung einer gattungsgemäßen Analyseeinheit wurde bereits in der Beschreibungseinleitung in Verbindung mit der Darstellung des Basissubstrats 6 in der 1 näher erläutert. Demgegenüber ist die vorliegende Analyseeinheit mit zumindest einer integrierten optischen Komponente zur Aufspaltung, spektralen Zerlegung oder Filterung der sich planar im Substrat ausbreitenden und ggf. in der Lichtwellenleiterstruktur geführten optischen Strahlung ausgebildet, wie dies in schematischer Darstellung anhand eines ersten Ausführungsbeispiels in der 2 zu erkennen ist, die die in das Basissubstrat 6 integrierten Strukturen in Draufsicht zeigt. Die äußeren Begrenzungen des Basissubstrats 6 sind in der vorliegenden wie auch in den nachfolgenden 3 bis 8 nicht dargestellt, da sie für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung sind.
In der beispielhaften Analyseeinheit der 2 ist der Fluidkanal 2 zu erkennen, der sich geradlinig in dem Basissubstrat 6 erstreckt. Hierbei kann es sich um einen in das Substrat integrierten geschlossenen Kanal oder auch um einen in die Oberfläche des Substrats eingelassenen offenen Kanal handeln, der dann durch Aufbringen eines weiteren Substrates abgedichtet wird. Senkrecht zur Längsachse dieses Fluidkanals 2 ist eine Lichtwellenleiterstruktur 1a-c planar in das Basissubstrat 6 integriert, die beispielsweise durch Auffüllen von in das Substrat strukturierten Vertiefungen oder Gräben mit einem Kernmaterial, d.h. einem Polymer oder Glas mit einem höheren Brechungsindex als der des Basismaterials des Basissubstrats 6, gebildet sein kann. Zwischen zwei Abschnitten dieser Lichtwellenleiterstruktur ist ein kombiniertes optisches Element aus einer Linse 3 und einem Transmissionsgitter 4 ausgebildet. Auch dieses optische Element wird durch Strukturierung einer entsprechend geformten Vertiefung im Basissubstrat 6 und Auffüllen mit dem Kernmaterial gebildet. Die optische Strahlung wird bei dieser Analyseeinheit über den Lichtwellenleiter 1a, von dem nur ein kurzer Abschnitt dargestellt ist, in das Substrat eingekoppelt. Am Ausgangsende dieses Lichtwellenleiters 1a tritt die Strahlung divergent aus und trifft auf die Linse 3, die die optische Strahlung kollimiert und auf das Transmissionsgitter 4 richtet. Der Strahlenverlauf ist in der Figur durch die Pfeile angedeutet. Am Transmissionsgitter 4 wird die breitbandige optische Strahlung räumlich spektral aufgetrennt, so dass nur ein schmalbandiger Wellenlängenbereich in den Lichtwellenleiter 1b eintritt und an den Fluidkanal 2 herangeführt wird. Das schmalbandige Licht durchquert den Fluidkanal 2 und wird über den sich anschließenden Lichtwellenleiter 1c für eine optische Auswertung wieder aus dem Substrat geführt. Durch unterschiedliche Anordnung der Lichtwellenleiter 1b und 1c relativ zum Transmissionsgitter 4 lassen sich auf diese Weise Analyseeinheiten bereitstellen, die bei gleicher eingekoppelter optischer Strahlung eine optische Analyse mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ermöglichen.
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Analyseeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der das über einen nicht dargestellten Lichtwellenleiter eingekoppelte Licht über ein integriertes Transmissionsgitter 4 auf zwei Kanäle, einem Referenzkanal 8 und einem Messkanal 9 aufgespalten wird. Die Aufspaltung erfolgt durch Nutzung eines symmetrischen Transmissionsgitters 4 sowie der jeweils komplementären Ordnung (z.B. + 1. und - 1. Ordnung) jeweils zu gleichen Teilen. Der in den Lichtwellenleiter 1b des Meßkanals 9 eintretende Wellenlängenbereich wird durch den Fluidkanal 2 geführt und tritt über den Lichtwellenleiter 1c wieder aus dem Substrat aus. Der in den Lichtwellenleiter 1d des Referenzkanals 8 eingekoppelte Anteil der optischen Strahlung tritt ohne weitere nennenswerte (zumindest keine durch das zu untersuchende Fluid hervorgerufene) Schwächung oder Veränderung wieder aus dem Substrat aus. Der an dem Fluidkanal 2 angedeutete schraffierte Bereich repräsentiert einen Übergang in eine andere Ebene oder einen Zu- oder Abfluß über Durchgangsbohrungen.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Analyseeinheit, die eine parallele Messung mit unterschiedlichen Wellenlängen ermöglicht. Hierbei ist am Ende des Lichtwellenleiters 1a, über den die Lichtstrahlung in das Basissubstrat 6 eingekoppelt wird, ein Transmissionsgitter 4 ausgebildet, durch das die austretende Strahlung räumlich in unterschiedliche Wellenlängenbereiche aufgespalten wird. Durch geeignete Anordnung weiterer Lichtwellenleiter 1b lässt sich die optische Strahlung mit jeweils räumlich getrennten unterschiedlichen Wellenlängenbereichen gleichzeitig zum Fluidkanal 2 führen und über die korrespondierenden Lichtwellenleiter 1c nach dem Durchtritt durch den Fluidkanal 2 für eine optische Auswertung aus dem Basissubstrat 6 führen. Im vorliegenden Beispiel sind lediglich zwei derartiger Kanäle veranschaulicht. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch mehr als zwei dieser Kanäle bei der vorliegenden Analyseeinheit ausgebildet sein können.
Das in den letzten Ausführungsbeispielen dargestellte Transmissionsgitter 4 wird in einfacher Weise durch eine wellen- oder zackenförmige Oberflächenstrukturierung der im Basissubstrat 6 gebildeten Vertiefung erzeugt, die mit dem Kernmaterial mit dem höheren Brechungsindex verfüllt wird. Auf diese Weise ergeben sich an dieser strukturierten Grenzfläche periodisch wechselnde Brechungsindexunterschiede, die als Transmissionsgitter für die optische Strahlung wirken.
5 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Analyseeinheit, bei der ein Interferenzfilter in Form eines Bragg-Gitters 5 in den Lichtwellenleiter 1a integriert ist. Die Ausbildung eines derartigen Bragg-Gitters ist in der vergrößerten Ansicht nochmals veranschaulicht. Durch das Bragg-Gitter kann ein durch die Abstände der Gitterebenen vorgegebener Wellenlängenbereich der optischen Strahlung nahezu ungeschwächt hindurch treten, während die restlichen Wellenlängenbereiche blockiert werden. Die Gitterebenen werden durch unterschiedliche Brechungsindizes der beteiligten Materialien gebildet. Durch die Ausbildung eines derartigen Bragg-Gitters im Lichtwellenleiter 1a für die eingekoppelte optische Strahlung wird der gewünschte Wellenlängenbereich einer beliebigen polychromatischen Lichtquelle selektiert und für die optische Auswertung nach dem Durchtritt durch den Fluidkanal 2 genutzt. In gleicher Weise läßt sich ein derartiges Bragg-Gitter selbstverständlich auch im Lichtwellenleiter 1c für die austretende optische Strahlung einsetzen.
6 zeigt beispielhaft eine Möglichkeit für die Ausbildung eines Bragg-Gitters in einem Lichtwellenleiter 1a der Lichtwellenleiterstruktur. Die periodische Anordnung der Gitterebenen wird hierbei durch Nutzung von Luft(14)-Basismaterial(13)-Übergängen in dem Lichtwellenleiter 1a aus dem Kernmaterial 15 erzeugt.
Ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung eines derartigen Bragg-Gitters in einem Lichtwellenleiter 1a ist in der 7 zu erkennen. In diesem Beispiel wird das Bragg-Gitter durch abwechselnde Schichten des Kernmaterials 15 und des Basismaterials 13 erzeugt.
8 zeigt schließlich ein Beispiel für eine Nutzung eines Y-Kopplers 10 als Strahlteiler im Lichtwellenleiter 1a für die eingekoppelte Strahlung. Der Y-Koppler dient in diesem Beispiel, ebenso wie im Beispiel der 3, der Aufspaltung der eingekoppelten Strahlung in einen Referenzkanal 8 in einen Messkanal 9. Hinsichtlich der näheren Ausgestaltung wird auf die Ausführungen zu 3 verwiesen.
9 zeigt ein Beispiel für den Aufbau der vorliegenden Analyseeinheit mit mehreren Substraten. In diesem Beispiel sind Messkanal 9 und Referenzkanal 8, die jeweils durch entsprechende Lichtwellenleiter 1b bis 1d gebildet sind, lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit getrennt und ohne weitere optische Komponenten dargestellt. Tatsächlich verlaufen diese Lichtwellenleiter jedoch entsprechend den Beispielen der vorangehenden Figuren und sind mit weiteren optischen Komponenten gekoppelt. Die vorliegende Figur dient lediglich der Veranschaulichung der Möglichkeit, den Fluidkanal 2 in mehreren Ebenen auszubilden. Der Fluidkanal 2 verläuft hierbei zunächst im oberen Substrat 11, tritt dann durch das mittlere Substrat 12 und setzt sich im Basissubstrat 6 fort. Das mittlere Substrat 12 dient lediglich der Durchkontaktierung. Das Fluid wird über die entsprechenden Durchgangsbohrungen 7 durch den Fluidkanal 2 gepumpt.
Die 10 und 11 zeigen Beispiele für eine Anordnung zur Realisierung eines SPR-Sensors. Bei diesen Ausgestaltungen wird die in einen Lichtwellenleiter 1a eingekoppelte Strahlung durch entsprechende Anordnung dieses Lichtwellenleiters 1a unter einem flachen Winkel auf den Fluidkanal 2 gestrahlt. Durch Auswertung der an der Wand des Fluidkanals 2 total reflektierten Strahlanteile, die aufgrund von Oberflächenplasmonenresonanz einer abgeschwächten Totalreflexion unterworfen sind, lassen sich bestimmte Stoffe des im Fluidkanal 2 befindlichen Fluids nachweisen. Unter einem bestimmten Winkel reflektierte Strahlanteile können über einen ebenfalls integrierten Lichtwellenleiter 1c gemäß 10 aus dem Substrat geführt werden. In der Ausgestaltung der 13 werden die reflektierten Strahlanteile mittels einer integrierten Linse 3 winkelabhängig auf unterschiedliche Stellen einer Nachweisebene abgebildet.
In beiden Ausgestaltungen ist eine Metallisierung 16 auf der Innenfläche des Fluidkanals aufgebracht. Die Metallisierung kann dabei vorzugsweise mittels Bedampfen erfolgen. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann bekannt.
Eine weitere Oberflächenmodifikation, z. B. durch Anlagerung von Biomolekülen, kann entweder ebenfalls durch Bedampfen oder fluidisch durch in einem oder mehreren Präparationsfluids gelöste Bestandteile oder dessen spezifischen Eigenschaften erfolgen.

1a-d: Lichtwellenleiter
2: Fluidkanal
3: Linse
4: Transmissionsgitter
5: Bragg-Gitter
6: Basissubstrat
7: Durchgangsbohrungen
8: Referenzkanal
9: Messkanal
10: Y-Koppler
11: oberes Substrat
12: mittleres Substrat
13: Basismaterial
14: Luft
15: Kernmaterial
16: metallische Beschichtung

Claims

Mikrofluidische Vorrichtung zur optischen Analyse, die sich aus ein oder mehreren planaren Substraten (6) aus einem Substratmaterial (13) zusammensetzt und bei der in zumindest einem der Substrate (6) zumindest ein Fluidkanal (2) oder Fluidreservoir ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die ein oder mehreren Substrate (6) eine optische Komponente (4, 5) zur Aufspaltung, spektralen Zerlegung oder Filterung von sich planar in den Substraten (6) ausbreitender optischer Strahlung integriert ist, die zumindest teilweise durch ein Material (15) oder Fluid (14) mit einem vom umgebenden Substratmaterial (13) verschiedenen Brechungsindex gebildet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial (13) und/oder das Material (15) mit dem vom umgebenden Substratmaterial (13) verschiedenen Brechungsindex ein polymeres Material oder ein Glas ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente ein Gitter (4, 5) ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (4, 5) durch einen Bereich mit periodisch alternierenden Brechzahlunterschieden in den ein oder mehreren Substraten (6) gebildet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente ein Beugungsgitter (4) ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente ein Interferenzfilter, insbesondere ein Bragg-Gitter (5), ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzfilter durch periodische Übergänge zwischen Luft (14) und dem Substratmaterial (13) gebildet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzfilter durch periodisch angeordnete Gräben im Substratmaterial (13) gebildet ist, die mit einem Polymermaterial oder Glas (15) eines höheren Brechungsindex verfüllt sind.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahlunterschiede durch lokale Dotierung des Substratmaterials (13) hervorgerufen werden.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Substrate (6) eine planare Lichtwellenleiterstruktur (1a-d) ausgebildet ist, über die optische Strahlung an den Fluidkanal (2) oder das Fluidreservoir heranführbar und/oder von dem Fluidkanal (2) oder Fluidreservoir wegführbar ist, wobei die optische Komponente (4, 5) zur Aufspaltung, spektralen Zerlegung oder Filterung der in der Lichtwellenleiterstruktur (1a-d) geführten optischen Strahlung ausgebildet und angeordnet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiterstruktur (1a-d) durch einen Kanal in dem Substrat (6) gebildet ist, der mit einem polymeren Material oder Glas (15) mit höherem Brechungsindex als das umgebende Substratmaterial (13) verfüllt ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (2) und die Lichtwellenleiterstruktur (1a-d) in einer zu einer planaren Oberfläche der ein oder mehreren Substrate (6) parallelen Ebene verlaufen.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (4, 5) in die Lichtwellenleiterstruktur (1a-d) integriert ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 13 in Verbindung mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (4) durch periodische Strukturierung einer Begrenzungsfläche der Lichtwellenleiterstruktur (1a-d) zum Substratmaterial (13) gebildet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiterstruktur (1a-d) einen Lichteintrittskanal (1a, 1b) und einen Lichtaustrittskanal (1c) umfasst, die derart angeordnet sind, dass zumindest ein Teil von über den Lichteintrittskanal (1a, 1b) eingekoppelter optischer Strahlung quer zu einer Längsachse des Fluidkanals (2) durch den Fluidkanal (2) tritt und über den Lichtauntrittskanal (1c) wieder aus dem Substrat (6) austritt.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den Lichteintrittskanal (1a, 1b) eine die optische Strahlung kollimierende Linse (3) integriert ist, wobei die optische Komponente (4, 5) und der Lichtaustrittskanal (1c) derart angeordnet sind, dass die kollimierte optische Strahlung durch die optische Komponente (4, 5) in verschiedene Wellenlängenbereiche zerlegt wird, von denen nur ein Wellenlängenbereich nach Durchtritt durch den Fluidkanal (2) über den Lichtaustrittskanal (1c) aus dem Substrat (6) austritt.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (4, 5) und eine die optische Strahlung kollimierende Linse (3) in den Lichtaustrittskanal (1c) integriert sind.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichteintrittskanal (1b) der Lichtwellenleiterstruktur so unter einem Winkel < 45° zu einem Wandbereich des Fluidkanals (2) oder Fluidreservoirs angeordnet ist, dass über den Lichteintrittskanal (1b) eingekoppelte optische Strahlung an dem Wandbereich total reflektiert wird.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (2) oder das Fluidreservoir an einer inneren Oberfläche des Wandbereichs eine dünne metallische Beschichtung (16) zur Erzeugung einer Oberflächenplasmonenresonanz trägt.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dünnen metallischen Beschichtung (16) eine Schicht zur selektiven Anlagerung nachzuweisender Stoffe aufgebracht ist.