DE102006049687A1 - High resolution imaging method for capturing a test substance in a test medium comprises interacting the test substance and a reference substance bounded to a solid-phase and capturing the resulting optical changes by ellipsometer - Google Patents

High resolution imaging method for capturing a test substance in a test medium comprises interacting the test substance and a reference substance bounded to a solid-phase and capturing the resulting optical changes by ellipsometer Download PDF

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Abstract

High resolution imaging method for capturing a test substance in a test medium by interacting the test substance and a reference substance bounded to a solid-phase, comprises subjecting the test medium to a solid phase, at whose surface a film is arranged with the reference substance, capturing optical changes emerged by the interaction of the reference- and test substance by an ellipsometer, and optionally comparing the changes with a standard sample, where the ellipsometer is supplied with a brilliant infrared-light source in an average infrared spectral area (400-4000 cm->1>). An independent claim is included for a measuring apparatus for the execution of the above procedure, comprising an ellipsometer, which shows a radiation source, a polarizer, an analyzer, a detector and an evaluator, and a solid phase, at whose surface a film with a reference substance and a test substance adhered to the reference substance are arranged, where the radiation source is a brilliant infra-red light source.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für bildgebende Messungen zur quantitativen markierungsfreien Analyse dünner Biofilme, Biosensoren, Biochips und Bioschichtsystemen sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Lebenswissenschaften (Life Sciences) und die Materialwissenschaften.The The invention relates to a method for imaging measurements for quantitative mark-free analysis of thin biofilms, biosensors, Biochips and biolayer systems as well as an arrangement for carrying out the Process. Areas of application of the invention are the life sciences (Life Sciences) and materials science.

Kommerzielle IR-Ellipsometer können zur Zeit nanometerdicke biologische Schichten nur mit einer für viele Einsatzbereiche unzureichenden Ortsauflösung untersuchen, da bei Verwendung von nichtbrillanten Strahlungsquellen die entsprechende Empfindlichkeit bei hoher Ortsauflösung (kleiner 1mm2) und Öffnungswinkeln kleiner +/-4° in einer einfachen Reflexion für beliebige Substrate zur Zeit nicht erreicht werden kann.Commercial IR ellipsometers can currently only analyze nanometer-sized biological layers with an inadequate spatial resolution for many areas of application since, when using non-brilliant radiation sources, the corresponding sensitivity with high spatial resolution (less than 1 mm 2 ) and aperture angles of less than +/- 4 ° in a simple reflection for any substrates currently can not be achieved.

Der Stand der Technik wird durch eine Reihe von kommerziellen IR Ellipsometern der Firmen SOPRA, SENTECH Instruments, J. A. WOOLLAM präsentiert.Of the The state of the art is covered by a number of commercial IR ellipsometers SOPRA, SENTECH Instruments, J. A. WOOLLAM.

Allgemeines Merkmal dieser Geräte ist die Verwendung eines Interferometers mit Globarlichtquelle für den mittleren infraroten Spektralbereich. Für hochauflösende ellipsometrische Messungen sind die Dokumente DE10126152 und US5991037 bekannt; dabei bezieht sich nur DE10126152 auf ellipsometrische Messungen an Biosensoren/Biochips, wobei jedoch die Verwendung einer Metallschicht im Bereich der zu vermessenden Probe erforderlich ist. Für Untersuchungen an biologischen Proben, allerdings ohne hohe räumliche Auflösung, ist ferner das Dokument US2005012041 bekannt.A general feature of these devices is the use of an interferometer with Globarlichtquelle for the mid-infrared spectral range. For high-resolution ellipsometric measurements, the documents are DE10126152 and US5991037 known; this only applies DE10126152 on ellipsometric measurements on biosensors / biochips, however, the use of a metal layer in the region of the sample to be measured is required. For investigations on biological samples, but without high spatial resolution, is also the document US2005012041 known.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Messanordnung bereitzustellen, die die Vermessung und quantitative Untersuchung einer dünnen Schicht (1-1000 nm) oder eines entsprechenden Schichtenstapel eines Biosensors, Biochips oder Bioarrays im infraroten Spektralbereich markierungs- und berührungsfrei mit hoher lateraler Auflösung (kleiner 1mm2) in Bezug auf Komposition, Schichtdicke und Ladungsträgereigenschaften ohne probenspezifische Einschränkungen (Metallschicht und Vielfachreflexionen) ermöglicht.The invention is therefore based on the object to provide a method and a measuring arrangement, the measurement and quantitative examination of a thin layer (1-1000 nm) or a corresponding layer stack of a biosensor, biochip or bioarray in the infrared spectral marker and non-contact with high lateral resolution (less than 1mm 2 ) in terms of composition, layer thickness and charge carrier properties without sample specific limitations (metal layer and multiple reflections).

Diese Aufgabe wird gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Messanordnung gemäß Anspruch 4 gelöst. Die weiteren Ansprüche sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.These Task is done according to a The method of claim 1 and a measuring arrangement according to claim 4 solved. The other claims are preferred embodiments the invention.

Bei den Arbeiten, die zu der Erfindung geführt haben, wurde vollkommen überraschend festgestellt, dass die Verwendung von brillantem Infrarotlicht im mittleren Infraroten Spektralbereich (400-4000 cm-1) zur biosensorischen Vermessung von Biochips hervorragend geeignet ist. Dadurch sind auch keine Metallschichten auf dem zu vermessenden Probenträgern mehr erforderlich, wie sie bei gängigen Verfahren zur ellipsometrischen Vermessung von Biochips verwendet werden.In the work that led to the invention, it was found quite surprisingly that the use of brilliant infrared light in the mid-infrared spectral range (400-4000 cm -1 ) for biosensory measurement of biochips is outstandingly suitable. As a result, metal layers on the sample carriers to be measured are no longer required, as they are used in conventional methods for ellipsometric measurement of biochips.

Die Erfindung betrifft daher die polarisationsabhängige Spektroskopie, insbesondere Ellipsometrie im mittleren infraroten Spektralbereich (400cm-1 bis 4000cm-1) für bildgebende Messungen zur quantitativen und markerfreien Analyse dünner Biofilme, Biosensoren, Biochips auf halbleitenden, isolierenden und metallischen Substraten und deren Veränderung (z.B. Adsorption von Molekülen). Mit dem Verfahren sind prinzipiell auch Schichtsysteme aus unterschiedlichen biologischen Substanzen, insbesondere Peptiden und Proteinen, (z.B. aus einer kovalent an die Oberfläche gekoppelten Substanz (z.B. Antigen) und einer an diesem nicht-kovalent gebundenen Substanz (z.B. Antikörper) nachweisbar und vermessbar. Charakteristische Messgrößen sind neben der einfachen Identifikation einer Molekülart die Schichtdicke, Leitfähigkeit und molekulare Struktur des Films. Die Erfindung ist an die Verwendung einer brillanten Strahlungsquelle (wie Synchrotron, Laser) gekoppelt. Der Begriff "brillante Strahlungsquelle" im Sinne der Erfindung umfasst Quellen, die mehr Photonen in einen definierten Raumwinkel strahlen als eine Globarquelle, d.h. deren Strahlungsstärke in Wm-2sr-1 größer ist als die einer Globarquelle. Insbesondere sind hiermit alle Strahlungsquellen gemeint, die eine größere Strahlstärke für einen vertikalen und/oder horizontalen Öffnungswinkel haben, der kleiner als 30mrad ist. Es ermöglicht eine laterale Auflösung < 1mm2 und erlaubt quantitative labelfreie Untersuchungen von Filmen und Arrays mit Schichtdicken von ein paar mm bis 1 μm.The invention therefore relates to polarization-dependent spectroscopy, in particular ellipsometry in the mid-infrared spectral range (400 cm -1 to 4000 cm -1 ) for imaging measurements for quantitative and marker-free analysis of thin biofilms, biosensors, biochips on semiconducting, insulating and metallic substrates and their modification (eg adsorption of molecules). In principle, layer systems of different biological substances, in particular peptides and proteins (eg of a substance covalently coupled to the surface (eg antigen) and of a substance (eg antibody) covalently bound to the surface, can also be detected and measured by the method In addition to the simple identification of one type of molecule, the layer thickness, conductivity and molecular structure of the film are coupled The invention is coupled to the use of a brilliant radiation source (such as synchrotron, laser) The term "brilliant radiation source" in the sense of the invention comprises sources containing more photons radiate into a defined solid angle as a globar source, ie its radiant intensity in Wm -2 sr -1 is greater than that of a globar source, in particular all radiation sources are meant, which have a larger radiant intensity for a vertical and / or horizontal opening angle, which is smaller than 30 It enables a lateral resolution <1mm 2 and allows quantitative label-free analysis of films and arrays with layer thicknesses of a few mm to 1 μm.

Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also die Verwendung einer brillanten Infrarotlichtquelle (11, Nummerierungen werden hier und nachfolgend zur besseren Übersicht gegeben) im mittleren Infraroten Spektralbereich (400-4000 cm-1) zum Speisen eines Ellipsometers (8) für ein Verfahren mit Hochauflösung (1), insbesondere mit einer lateralen Auflösung, die besser als 5 × 5 mm2 ist, und mit Bildgebung (2), die vorzugsweise durch computerseitige Darstellung der gemessenen Daten der hochauflösend gemessenen Flächen einer in x und y Richtung definiert verschiebbaren Probe erfolgt, für das Erfassen einer Testsubstanz (3), die sich aus einem Testmedium (4) an eine Festphasen-gebundene Prüfsubstanz (5) anlagert bzw. mit dieser wechselwirkt.The core of the method according to the invention is therefore the use of a brilliant infrared light source (11, numbers are given here and below for a better overview) in the middle infrared spectral range (400-4000 cm -1 ) for feeding an ellipsometer ( 8th ) for a high resolution process ( 1 ), in particular with a lateral resolution better than 5 × 5 mm 2 , and with imaging ( 2 ), which preferably takes place by computer-side representation of the measured data of the high-resolution measured surfaces of a sample which can be displaced in a defined manner in the x and y directions, for the detection of a test substance ( 3 ), which from a test medium ( 4 ) to a solid phase-bound test substance ( 5 ) or interacts with it.

Bevorzugt wird als brillante Infrarotlichtquelle (11) zum Speisen des Ellipsometers mit Licht im mittleren Infraroten Spektralbereich (400-4000 cm-1) ein Synchrotron oder ein Laser gewählt, besonders bevorzugt eine Synchrotronstrahlungsquelle oder ein Molekülgaslaser, Festkörper- bzw. Halbleiterlaser, Quantenkaskadenlaser oder Differenzfrequenzerzeugungslaser. Der Begriff "brillante Strahlungsquelle" im Sinne der Erfindung umfasst Quellen, die mehr Photonen in einen definierten Raumwinkel strahlen als eine Globarquelle, d.h. deren Strahlungsstärke in Wm-2sr-1 größer ist als die einer Globarquelle. Insbesondere sind hiermit alle Strahlungsquellen gemeint, die eine größere Strahlstärke für einen vertikalen und/oder horizontalen Öffnungswinkel haben, der kleiner als 30mrad ist.Preference is given as a brilliant infrared light source ( 11 ) selected for feeding the ellipsometer with light in the mid-infrared spectral range (400-4000 cm -1 ) a synchrotron or a laser, more preferably a synchrotron radiation source or a molecular gas laser, solid-state or semiconductor laser, quantum cascade laser or differential frequency generation laser. The term "brilliant radiation source" in the sense of the invention comprises sources which emit more photons into a defined solid angle than a globar source, ie whose radiation intensity in Wm -2 sr -1 is greater than that of a globar source. In particular, this means all radiation sources which have a greater beam intensity for a vertical and / or horizontal opening angle which is smaller than 30 mrad.

Als verwendete Testsubstanz (3) sind im Prinzip alle möglichen, vorzugsweise biologisch aktiven, besonders bevorzugt in wässerigem Medium zumindest teilweise löslichen, Substanzen geeignet, die wenigstens eine Adsorptionsbande in dem Spektralbereich von 400-4000 cm-1 aufweisen, insbesondere Oligonukleotide, Proteine, Peptide, Lipide, Kohlenhydrate, Pharmaka, Biotin, Zellen, oder Zellkompartimente oder Substanzen, die eine Kombination derselben sind, z.B. Glykoproteine oder -peptide, Membran-assoziierte Proteine oder RNA-Protein-Komplexe, oder Fragmente davon, z. B. ein Proteinfragment. Besonders vorteilhaft ist es insbesondere, wenn als Testsubstanz (3) DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, Protein A, Protein G, Streptavidin, ein Rezeptor, ein Ligand, ein Enzymsubstrat, ein Enzym, ein Antikörper und/oder ein Antigen gewählt wird oder wenn die Testsubstanz (3) diese umfasst oder als eine davon abgeleitete Struktur gebildet ist.As used test substance ( 3 ) are in principle all possible, preferably biologically active, particularly preferably at least partially soluble in aqueous medium, substances having at least one adsorption band in the spectral range of 400-4000 cm -1 , in particular oligonucleotides, proteins, peptides, lipids, carbohydrates, Pharmaceuticals, biotin, cells, or cell compartments or substances that are a combination thereof, eg, glycoproteins or peptides, membrane-associated proteins or RNA-protein complexes, or fragments thereof, e.g. B. a protein fragment. It is particularly advantageous in particular if, as test substance ( 3 ) DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, protein A, protein G, streptavidin, a receptor, a ligand, an enzyme substrate, an enzyme, an antibody and / or an antigen is selected or if the test substance ( 3 ) comprises or is formed as a derived structure.

Als Testmedium (4) werden insbesondere Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe oder eine Kombination derselben gewählt, vorzugsweise Flüssigkeiten, besonders bevorzugt wässerige Flüssigkeiten, z. B. eine physiologische Pufferlösung oder Körperflüssigkeit, insbesondere ein Testmedium (4), das die zu erfassende Testsubstanz (3), bspw. als Lösung, Suspension oder Emulsion, beinhaltet.As a test medium ( 4 ) are selected in particular gases, liquids, solids or a combination thereof, preferably liquids, particularly preferably aqueous liquids, for. B. a physiological buffer solution or body fluid, in particular a test medium ( 4 ) containing the test substance to be detected ( 3 ), for example as a solution, suspension or emulsion.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die Schritte

  • – Beaufschlagung einer Festphase (6), an deren Oberfläche ein Film (7) mit einer Prüfsubstanz (5) angeordnet ist, mit einem Testmedium (4),
  • – Vermessung von optischen Veränderungen (9) in dem Film (7), die durch die Wechselwirkung der Prüfsubstanz (5) mit der Testsubstanz (3) verursacht sind, mittels eines Ellipsometers (8), und
  • – ggf. Vergleichen der Ergebnisse mit einer Standardprobe (10).
The method according to the invention comprises the steps
  • - imposition of a solid phase ( 6 ), on whose surface a film ( 7 ) with a test substance ( 5 ) is arranged with a test medium ( 4 )
  • - Measurement of optical changes ( 9 ) in the film ( 7 ) caused by the interaction of the test substance ( 5 ) with the test substance ( 3 ) by means of an ellipsometer ( 8th ), and
  • - If necessary, compare the results with a standard sample ( 10 ).

Die Beaufschlagung erfolgt vorteilhafterweise mit gängigen Verfahren zum Inkontaktbringen einer funktionalisieren Oberfläche mit einem zu testenden Medium, bspw. durch Aufbringen eines Gases oder einer Flüssigkeit, bspw. durch Aufpipettieren des Testmediums (4) auf die Festphase (6) mit dem Film (7) oder durch Benetzen oder Baden der den Film (7) umfassenden Festphase (6) mit dem Testmedium (4).The loading is advantageously carried out by conventional methods for contacting a functionalized surface with a medium to be tested, for example by applying a gas or a liquid, for example by pipetting the test medium ( 4 ) on the solid phase ( 6 ) with the movie ( 7 ) or by wetting or bathing the film ( 7 ) comprehensive solid phase ( 6 ) with the test medium ( 4 ).

Die ellipsometrische Vermessung der Probe aus Festphase (6) und Film (7) erfolgt bevorzugt vor, während oder nach der Beaufschlagung mit dem Testmedium (4), insbesondere wenn die Probe nach der Beaufschlagung mit Waschlösung, z.B. Wasser oder Puffer, gewaschen und ggf. getrocknet wird. Das polarisierte Licht wird dabei auf die Vorderseite oder die Rückseite der Festphase (6) gelenkt, insbesondere auf die Seite mit dem Film (6) und der Prüfsubstanz (5), die mit dem Testmedium (4) beaufschlagt ist, und die reflektierende Strahlung wird vermessen.The ellipsometric measurement of the sample from solid phase ( 6 ) and movie ( 7 ) is preferably carried out before, during or after the exposure to the test medium ( 4 ), in particular if the sample is washed after the application of washing solution, for example water or buffer, and dried if necessary. The polarized light is thereby applied to the front or the back of the solid phase ( 6 ), especially on the side with the film ( 6 ) and the test substance ( 5 ) with the test medium ( 4 ), and the reflective radiation is measured.

Bevorzugt wird für das erfindungsgemäße Verfahren eine Festphase (6) gewählt, die aus einem Material gebildet ist, das im Spektralbereich von 400-4000 cm-1 im wesentlichen keine starken Adsorptionsbanden aufweist, d.h. insbesondere keine störenden Adsorptionsbanden aufweist, deren Maxima größer sind als die Maxima der Adsorptionsbanden der vermessenen Probe (Film (7) mit der Prüfsubstanz (5) und/oder der an den Film (7) angelagerten Testsubstanz (3)) in dem vermessenen Spektralbereich. Insbesondere für die Untersuchung ultradünner Filme wird als Festphase (6) ein Substrat gewählt, das keine starken Eigenabsorptionen in dem zu untersuchenden Spektralbereich zeigt.For the process according to the invention, a solid phase ( 6 ), which is formed from a material which has substantially no strong adsorption bands in the spectral range of 400-4000 cm -1 , ie in particular has no interfering adsorption bands whose maxima are greater than the maxima of the adsorption bands of the measured sample (film (FIG. 7 ) with the test substance ( 5 ) and / or the movie ( 7 ) attached test substance ( 3 )) in the measured spectral range. In particular for the investigation of ultrathin films, the solid phase ( 6 ) selected a substrate that does not show strong intrinsic absorptions in the spectral region to be examined.

Besonders bevorzugt wird als Festphase (6) Silizium gewählt, insbesondere in einer gebräuchlichen Ausführungsform, bspw. amorphes oder kristallines Silizium, z.B. ein dotierter einkristalliner Silizium-Wafer oder ein Teil davon. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nun auf besonders vorteilhafte Weise auch die Verwendung von Festphasen als Probenträger ermöglicht, die im Bereich der zu vermessenden Probe keine Metallschicht aufweisen.Particular preference is given as solid phase ( 6 ) Silicon, in particular in a conventional embodiment, for example. Amorphous or crystalline silicon, for example a doped monocrystalline silicon wafer or a part thereof. With the method according to the invention, it is now possible in a particularly advantageous manner to use solid phases as sample carriers which have no metal layer in the region of the sample to be measured.

Erfindungsgemäß wird eine Festphase (6) verwendet, deren Oberfläche zumindest teilweise, vorzugsweise kovalent, mit einem vorzugsweise organischen Film (7) belegt ist, der eine Prüfsubstanz (5) umfasst, insbesondere überwiegend oder vollständig aus der Prüfsubstanz (5) gebildet ist, wobei die Prüfsubstanz (5) physikalisch, z.B. über elektrostatische und/oder hydrophobe Wechselwirkungen, oder vorzugsweise kovalent an die Festphase (6) gebunden ist oder die Prüfsubstanz physikalisch oder bevorzugt kovalent mit einem Linker, insbesondere einem Crosslinker, verbunden ist, der kovalent an die Festphase gebunden ist. Besonders bevorzugt wird für das erfindungsgemäße Verfahren ein Film gewählt, der eine Dicke/Höhe von 1 nm bis 1000 nm aufweist.According to the invention, a solid phase ( 6 ) whose surface is at least partially, preferably covalently, with a preferably organic film ( 7 ) containing a test substance ( 5 ), in particular predominantly or completely from the test substance ( 5 ), the test substance ( 5 ) physically, eg via electrostatic and / or hydrophobic interactions, or preferably covalently to the solid phase ( 6 ) or the test substance is physically or preferably covalently linked to a linker, in particular a crosslinker, which is covalently bound to the solid phase. For the process according to the invention, particular preference is given to choosing a film having a thickness / height of 1 nm to 1000 nm.

Als immobilisierte Prüfsubstanz (5) sind prinzipiell alle möglichen, insbesondere biologisch aktiven, vorzugsweise organischen, Substanzen geeignet, die mit einer zu erfassenden Testsubstanz (3), bspw. durch kovalente Wechselwirkung, enzymatische Umsetzung oder insbesondere Assoziation, Wechselwirken. Besonders bevorzugt werden als Prüfsubstanz (5) Linkermoleküle, Kohlenhydrate, Lipide, Pharmaka, Peptide, Polypeptide, Oligonukleotide, Proteine, Zellkompartimente, Aminosäuren, Zellen, oder Biotin gewählt oder eine Kombination derselben, z.B. ein an einen Crosslinker, der vorzugsweise kovalent mit der Festphase (6) in Verbindung steht, gebundenes Oligonukleotid, Peptid oder Protein, oder ein Transmembranprotein, das in einen an der Festphase, z.B. über einen Crosslinker, gebundenen Lipidfilm eingebracht ist.As immobilized test substance ( 5 ) are in principle all possible, in particular biologically active, preferably organic, substances suitable for use with a test substance to be detected ( 3 ), for example by covalent interaction, enzymatic reaction or in particular association, interaction. Particularly preferred as the test substance ( 5 ) Linker molecules, carbohydrates, lipids, pharmaceuticals, peptides, polypeptides, oligonucleotides, proteins, cell compartments, amino acids, cells, or biotin, or a combination thereof, eg one to a crosslinker, preferably covalently bound to the solid phase ( 6 ), bound oligonucleotide, peptide or protein, or a transmembrane protein incorporated into a lipid film bound to the solid phase, eg via a crosslinker.

Besonders bevorzugt ist es insbesondere auch, wenn mehrere Prüfsubstanzen oder unterschiedliche Mengen einer Prüfsubstanz verwendet werden, die ortsadressiert auf der Festphase (6) immobilisiert sind, z.B. als Spots, insbesondere als Array, wodurch auch parallel mehrere Wechselwirkungen, z.B. mit unterschiedlichen Testsubstanzen, innerhalb einer Messung erfassbar sind.It is particularly preferred in particular if several test substances or different amounts of a test substance are used, which are localized on the solid phase ( 6 ) are immobilized, for example as spots, in particular as an array, whereby several interactions, eg with different test substances, within a measurement can also be detected in parallel.

Vorteilhafterweise sind für das erfindungsgemäße Verfahren alle möglichen Messanordnungen geeignet, die für ellipsometrische Vermessungen einer Probe geeignet sind. Besonders bevorzugt wird ein Ellipsometer (8) gewählt, das eine Strahlungsquelle (12), einen Polarisator (13), einen Analysator (14), einen Detektor (15) und eine Auswerteeinrichtung (16) umfasst, wobei die Strahlungsquelle eine brillante Infrarotlichtquelle (11) ist, die Licht im mittleren Infraroten Spektralbereich (400-4000 cm-1) emittiert. Als besonders geeignet hat sich dabei die Verwendung eines feststehenden oder drehbaren Polarisators (13), eines feststehenden oder drehbaren Analysators (4) und/oder eines gebräuchlicher Detektors für das mittlere Infrarote erwiesen. Auswerteeinrichtung (16) sind alle gängigen Einrichtungen zum Auswerten von ellipsometrischen Messungen geeignet, insbesondere, wenn diese einen Computer und Software umfassen.Advantageously, all possible measuring arrangements which are suitable for ellipsometric measurements of a sample are suitable for the method according to the invention. Particularly preferred is an ellipsometer ( 8th ), which is a radiation source ( 12 ), a polarizer ( 13 ), an analyzer ( 14 ), a detector ( 15 ) and an evaluation device ( 16 ), wherein the radiation source is a brilliant infrared light source ( 11 ), which emits light in the mid-infrared spectral range (400-4000 cm -1 ). Particularly suitable is the use of a fixed or rotatable polarizer ( 13 ), a fixed or rotatable analyzer ( 4 ) and / or a common detector for the middle infrared. Evaluation device ( 16 ) are all common facilities for evaluating ellipsometric measurements suitable, especially if they include a computer and software.

Als besonders vorteilhaft hat sich für das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere die Verwendung eines Ellipsometers (6) erwiesen, das ein Null- oder ein photometrisches Ellipsometer ist, welches mit feststehenden oder drehbaren Polarisatoren oder einem Phasenmodulator arbeitet.Particularly advantageous for the inventive method, in particular the use of an ellipsometer ( 6 ), which is a null or a photometric ellipsometer, which operates with fixed or rotatable polarizers or a phase modulator.

Als optischen Veränderungen (9) in dem Film (7), die durch die Wechselwirkung der Prüfsubstanz (5) mit der Testsubstanz (3) verursacht werden, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders bevorzugt solche Änderungen in dem ellipsometrischen Spektrum vermessen, die aufgrund veränderter Leitfähigkeit, Struktur, Bindungen und Komposition auftreten.As optical changes ( 9 ) in the film ( 7 ) caused by the interaction of the test substance ( 5 ) with the test substance ( 3 In the method according to the invention, those changes in the ellipsometric spectrum that occur due to changed conductivity, structure, bonds and composition are particularly preferably measured.

Für unterschiedliche Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn eine Standardprobe (10) oder Messwerte, die durch Vermessung einer Standardprobe (10) mit der gleichen Messmethode erhalten wurden, verwendet werden. Die Messwerte der mit dem Testmedium (4) beaufschlagten Festphase (6) werden dann mit den Messwerten für die Standardprobe (10) verglichen und die ggf. auftretende Differenz der Messwerte als Maß für die Wechselwirkungen zwischen Prüfsubstanz (5) und Testsubstanz (3) ausgewertet. Günstig ist dabei insbesondere, wenn als Standardprobe (5) eine Festphase verwendet wird, die in ihren messtechnischen Merkmalen im Wesentlichen übereinstimmend ist mit der für das Erfassen der Testsubstanz beaufschlagten Festphase (6). Besonders günstig ist dabei die Vermessung derselben Festphase (6), insbesondere vor der Beaufschlagung mit dem Testmedium oder die Verwendung von Werten, die zuvor für vergleichbare Vermessungen, insbesondere von funktionalisierten und mit Testmedium beaufschlagten Festphasen erhalten wurden, vorzugsweise wenn diese Werte bekannte/definierte Wechselwirkungen beschreiben.For different applications of the method according to the invention, it is advantageous if a standard sample ( 10 ) or measured values obtained by measuring a standard sample ( 10 ) obtained with the same measuring method. The measured values of the test medium ( 4 ) fixed phase ( 6 ) are then used with the measured values for the standard sample ( 10 ) and the possibly occurring difference of the measured values as a measure of the interactions between the test substance ( 5 ) and test substance ( 3 ) evaluated. It is advantageous, in particular, if as a standard sample ( 5 ) a solid phase is used, which in its metrological characteristics is substantially identical to the solid phase applied to the detection of the test substance ( 6 ). Particularly favorable is the measurement of the same solid phase ( 6 ), in particular before exposure to the test medium or the use of values previously obtained for comparable measurements, in particular of functionalized and test medium-loaded solid phases, preferably when these values describe known / defined interactions.

Besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren ist es insbesondere, wenn die Standardprobe (10) auf derselben Festphase (6) integriert ist, also bspw. ein Bereich vermessen wird, der nicht mit dem Film (7) und/oder der Prüfsubstanz (5) belegt ist.It is particularly advantageous for the method according to the invention if the standard sample ( 10 ) on the same solid phase ( 6 ), that is, for example, an area is measured, which is not with the film ( 7 ) and / or the test substance ( 5 ) is occupied.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Messanordnung, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3, mit einem Ellipsometer (8), das eine Strahlungsquelle (12), einen Polarisator (13), einen Analysator (4), einen Detektor (15) und eine Auswerteeinrichtung (16) aufweist, und einer Festphase (6), an deren Oberfläche ein Film (7) mit einer Prüfsubstanz (5) und einer an die Prüfsubstanz (5) vorzugsweise durch Assoziation oder kovalente Bindung angelagerten Testsubstanz (3) angeordnet ist, wobei erfindungsgemäß die Strahlungsquelle (12) eine brillante Infrarotlichtquelle (11) ist, die vorzugsweise oder überwiegend im mittleren Infraroten Spektralbereich (400-4000 cm-1) für ellipsometrische Vermessungen verwendbares Licht emittiert.Another aspect of the invention relates to a measuring arrangement, preferably for carrying out the Method according to one of claims 1-3, with an ellipsometer ( 8th ), which is a radiation source ( 12 ), a polarizer ( 13 ), an analyzer ( 4 ), a detector ( 15 ) and an evaluation device ( 16 ), and a solid phase ( 6 ), on whose surface a film ( 7 ) with a test substance ( 5 ) and one to the test substance ( 5 ), preferably by association or covalent bond-attached test substance ( 3 ), wherein according to the invention the radiation source ( 12 ) a brilliant infrared light source ( 11 ) emitting preferably or predominantly in the mid-infrared spectral range (400-4000 cm -1 ) for ellipsometric measurements.

Insbesondere ist die erfindungsgemäße Anordnung derart ausgestaltet, dass optische Veränderungen (9) in dem Film (7), die durch die Wechselwirkung der Prüfsubstanz (5) mit der Testsubstanz (3) verursacht werden, als Änderungen in dem ellipsometrischen Spektrum messbar sind, die aufgrund veränderter Leitfähigkeit, Struktur, Bindungen und Komposition auftreten.In particular, the arrangement according to the invention is designed such that optical changes ( 9 ) in the film ( 7 ) caused by the interaction of the test substance ( 5 ) with the test substance ( 3 ) are measurable as changes in the ellipsometric spectrum that occur due to altered conductivity, structure, bonds and composition.

In einer für die verschiedenste Anwendungen besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Strahlungsquelle (12) als ein Synchrotron oder ein Laser gebildet, besonders bevorzugt als Synchrotronstrahlungsquelle oder als Molekülgaslaser, Festkörper- bzw. Halbleiterlaser, Quantenkaskadenlaser oder Differenzfrequenzerzeugungslaser.In a particularly advantageous embodiment for the most diverse applications, the radiation source ( 12 ) is formed as a synchrotron or a laser, more preferably as a synchrotron radiation source or as a molecular gas laser, solid state or semiconductor laser, quantum cascade laser or differential frequency generation laser.

Besonders bevorzugt beinhaltet die Messanordnung ein Ellipsometer (8), das eine Strahlungsquelle (12), einen Polarisator (13), einen Analysator (14), einen Detektor (15) und eine Auswerteeinrichtung (16) umfasst, wobei die Strahlungsquelle eine brillante Infrarotlichtquelle (11) ist, die Licht im mittleren Infraroten Spektralbereich (400-4000 cm-1) emittiert. Besonders geeignet ist es dabei, wenn der Polarisator (13) und/oder der Analysator (14) feststehend oder drehbar ausgestaltet ist und/oder der Detektor (15) ein gebräuchlicher Detektors für das mittlere Infrarote ist. Auswerteeinrichtung (16) sind alle gängigen Einrichtungen zum Auswerten von ellipsometrischen Messungen geeignet, insbesondere, wenn diese einen Computer und Software umfassen.Particularly preferably, the measuring arrangement includes an ellipsometer ( 8th ), which is a radiation source ( 12 ), a polarizer ( 13 ), an analyzer ( 14 ), a detector ( 15 ) and an evaluation device ( 16 ), wherein the radiation source is a brilliant infrared light source ( 11 ), which emits light in the mid-infrared spectral range (400-4000 cm -1 ). It is particularly suitable when the polarizer ( 13 ) and / or the analyzer ( 14 ) is fixed or rotatable and / or the detector ( 15 ) is a common detector for the middle infrared. Evaluation device ( 16 ) are all common facilities for evaluating ellipsometric measurements suitable, especially if they include a computer and software.

Besonders vorteilhaft für unterschiedlichste Anwendungen ist insbesondere eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einem Ellipsometers (8), das ein Null- oder ein photometrisches Ellipsometer ist, welches mit feststehenden oder drehbaren Polarisatoren oder einem Phasenmodulator arbeitet.Particularly advantageous for a very wide variety of applications is in particular a measuring arrangement according to the invention with an ellipsometer ( 8th ) which is a null or a photometric ellipsometer operating with fixed or rotatable polarizers or a phase modulator.

Die Strahlungsquelle (12) ist vorteilhafterweise derart angeordnet, dass das von dem Ellipsometer (8) erzeugte Licht auf die Vorderseite oder die Rückseite der funktionalisierten Festphase (6) lenkbar ist, insbesondere auf den Bereich mit dem Film (7) mit der Prüfsubstanz (8), und der Detektor (15) ist vorteilhafterweise derart angeordnet, dass er die von dem Film (7) und/oder von der Prüfsubstanz (5) reflektierte Strahlung erfassen kann.The radiation source ( 12 ) is advantageously arranged such that that of the ellipsometer ( 8th ) generated light on the front or the back of the functionalized solid phase ( 6 ) is steerable, in particular to the area with the film ( 7 ) with the test substance ( 8th ), and the detector ( 15 ) is advantageously arranged such that it matches that of the film ( 7 ) and / or the test substance ( 5 ) can detect reflected radiation.

Die Testsubstanz (3) kann vorteilhafterweise aus allen möglichen, vorzugsweise biologisch aktiven, besonders bevorzugt in wässerigem Medium zumindest teilweise löslichen, Substanzen gebildet sein, die wenigstens eine Adsorptionsbande in dem Spektralbereich von 400-4000 cm-1 aufweisen. Die Testsubstanz (3) ist dabei vorzugsweise ein Oligonukleotid, ein Protein, ein Peptid, ein Lipid, ein Kohlenhydrat, ein Pharmakon, Biotin, eine Zelle, ein Zellkompartiment oder eine Kombination derselben, da diese in der Regel besonders spezifisch nachweisbar sind. Für unterschiedlichste Anwendungen der Messanordnung ist es dabei besonders günstig, wenn die Testsubstanz (3) DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, Protein A, Protein G, Streptavidin, ein Rezeptor, ein Ligand, ein Antikörper, oder ein Antigen ist oder diese umfasst oder eine davon abgeleitete Struktur ist.The test substance ( 3 ) may advantageously be formed from all possible, preferably biologically active, particularly preferably at least partially soluble, substances in aqueous medium which have at least one adsorption band in the spectral range of 400-4000 cm -1 . The test substance ( 3 ) is preferably an oligonucleotide, a protein, a peptide, a lipid, a carbohydrate, a drug, biotin, a cell, a cell compartment or a combination thereof, since these are usually detectable particularly specific. For very different applications of the measuring arrangement, it is particularly advantageous if the test substance ( 3 ), DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, protein A, protein G, streptavidin, a receptor, a ligand, an antibody, or an antigen is or comprises or is a structure derived therefrom.

Besonders vorteilhaft für die erfindungsgemäße Anordnung haben sich als Prüfsubstanz (5) organische Strukturen erwiesen, die spezifisch mit der Testsubstanz (3), insbesondere über Assoziation oder kovalente Bindungen, Wechselwirken. Als immobiliserte Prüfsubstanz (5) geeignet sind insbesondere Linkermoleküle, vorzugsweise Crosslinker, Kohlenhydrate, Lipide, Pharmaka, Peptide, Polypeptide, Oligonukleotide, Proteine, Zellkompartimente, Aminosäuren, Zellen oder Biotin oder eine Prüfsubstanz (5), die diese umfasst oder eine davon abgeleitete Struktur ist, bspw. ein an einen Crosslinker, der vorzugsweise kovalent mit der Festphase (6) in Verbindung steht, gebundenes Oligonukleotid, Peptid oder Protein, oder ein Transmembranprotein, das in einen an der Festphase, z.B. über einen Crosslinker, gebundenen Lipidfilm eingebracht ist.Particularly advantageous for the arrangement according to the invention have as test substance ( 5 ) organic structures specifically with the test substance ( 3 ), in particular via association or covalent bonds, interact. As immobilized test substance ( 5 ) are particularly suitable linker molecules, preferably crosslinkers, carbohydrates, lipids, pharmaceuticals, peptides, polypeptides, oligonucleotides, proteins, cell compartments, amino acids, cells or biotin or a test substance ( 5 ) which comprises or is a structure derived therefrom, for example one to a crosslinker which is preferably covalently bonded to the solid phase ( 6 ), bound oligonucleotide, peptide or protein, or a transmembrane protein incorporated into a lipid film bound to the solid phase, eg via a crosslinker.

In einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung sind mehrere Prüfsubstanzen oder unterschiedliche Mengen einer Prüfsubstanz ortsadressiert auf der Festphase (6) immobilisiert, z.B. als Spots, insbesondere als Array, wodurch die Anordnung auch zum parallelen Erfassen mehrere Wechselwirkungen, z.B. mit unterschiedlichen Testsubstanzen, innerhalb einer Messung geeignet ist.In another particularly advantageous embodiment of the measuring arrangement according to the invention several test substances or different amounts of a test substance are located on the solid phase ( 6 ) are immobilized, for example as spots, in particular as an array, whereby the arrangement also for parallel detection of multiple interactions, eg with different test substances, within a measurement suitable is.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Festphase (6) aus einem Material gebildet, das im Spektralbereich von 400-4000 cm-1 im wesentlichen keine Adsorptionsbanden aufweist, d.h. dass die Festphase insbesondere in dem für die Verwendung der Anordnung geeigneten Spektralbereich keine störenden Adsorptionsbanden aufweist, deren Maxima größer sind als die Maxima der Adsorptionsbanden der vermessenen Probe (Film (7) mit der Prüfsubstanz (5) und/oder der an den Film (7) angelagerten Testsubstanz (3)). Insbesondere für die Untersuchung ultradünner Filme ist die Festphase (6) aus einem Substrat gebildet, das keine starken Eigenabsorptionen in dem geeigneten Spektralbereich zeigt.In a particularly preferred embodiment of the arrangement according to the invention, the solid phase ( 6 ) formed from a material having substantially no adsorption bands in the spectral range of 400-4000 cm -1 , that is, that the solid phase, in particular in the spectral range suitable for the use of the arrangement has no interfering adsorption bands whose maxima are greater than the maxima of the adsorption bands the measured sample (film ( 7 ) with the test substance ( 5 ) and / or the movie ( 7 ) attached test substance ( 3 )). Especially for the investigation of ultrathin films, the solid phase ( 6 ) is formed from a substrate that does not show strong intrinsic absorptions in the appropriate spectral range.

Besonders bevorzugt ist die Festphase (6) ein Siliziumsubstrat, insbesondere in einer gebräuchlichen Ausführungsform, bspw. amorphes oder kristallines Silizium, z.B. ein dotierter einkristalliner Silizium-Wafer oder ein Teil davon. Vorteilhafterweise ist die Festphase (6) derart ausgestaltet, dass sie im Bereich der zu vermessenden Probe keine Metallschicht aufweist.Particularly preferred is the solid phase ( 6 ) a silicon substrate, in particular in a conventional embodiment, for example. Amorphous or crystalline silicon, for example, a doped monocrystalline silicon wafer or a part thereof. Advantageously, the solid phase ( 6 ) designed such that it has no metal layer in the region of the sample to be measured.

In einer anderen besonders geeigneten Ausführungsform der Anordnung ist die Oberfläche der Festphase (6) mit einem vorzugsweise organischen Film (7) belegt, der die Prüfsubstanz (5) umfasst, insbesondere überwiegend oder vollständig aus der Prüfsubstanz (5) gebildet ist, wobei die Prüfsubstanz (5) physikalisch, z.B. über elektrostatische und/oder hydrophobe Wechselwirkungen, oder vorzugsweise kovalent an die Festphase (6) gebunden ist oder die Prüfsubstanz physikalisch oder bevorzugt kovalent mit einem Linker, insbesondere einem Crosslinker, verbunden ist, der kovalent an die Festphase gebunden ist. Besonders geeignet ist für das erfindungsgemäße Verfahren ein Film, der eine Dicke/Höhe von 1 nm bis 1000 nm aufweist.In another particularly suitable embodiment of the arrangement, the surface of the solid phase ( 6 ) with a preferably organic film ( 7 ) containing the test substance ( 5 ), in particular predominantly or completely from the test substance ( 5 ), the test substance ( 5 ) physically, eg via electrostatic and / or hydrophobic interactions, or preferably covalently to the solid phase ( 6 ) or the test substance is physically or preferably covalently linked to a linker, in particular a crosslinker, which is covalently bound to the solid phase. Particularly suitable for the process according to the invention is a film which has a thickness / height of 1 nm to 1000 nm.

Für unterschiedliche Anwendungen der erfindungsgemäßen Anordnung ist es auch von Vorteil, wenn die Anordnung mit einer Standardprobe (10) ausgestaltet ist oder wenn die Auswerteeinrichtung (16) Messwerte beinhaltet, die durch Vermessung einer Standardprobe (10) mit der gleichen Messmethode erhalten wurden. verwendet werden. Günstig ist dabei insbesondere, wenn die Standardprobe (10) eine Festphase ist, die in ihren messtechnischen Merkmalen im wesentlichen übereinstimmend ist mit der für das Erfassen der Testsubstanz beaufschlagten Festphase (6), insbesondere vor der Beaufschlagung mit dem Testmedium oder die Auswerteeinrichtung umfasst Werte, die für die mit der Anordnung umsetzbaren Vermessungen vergleichbar sind, insbesondere Messwerte, die von funktionalisierten und mit Testmedium beaufschlagten Festphasen erhalten wurden, vorzugsweise wenn diese Werte bekannte/definierte Wechselwirkungen beschreiben.For different applications of the arrangement according to the invention, it is also advantageous if the arrangement with a standard sample ( 10 ) or if the evaluation device ( 16 ) Contains measured values obtained by measuring a standard sample ( 10 ) were obtained with the same measuring method. be used. It is particularly advantageous if the standard sample ( 10 ) is a solid phase whose metrological characteristics are substantially the same as the solid phase charged for detecting the test substance ( 6 ), in particular before exposure to the test medium or the evaluation device comprises values that are comparable to the measurements that can be implemented with the device, in particular measured values obtained from functionalized solid phases loaded with test medium, preferably when these values describe known / defined interactions.

In einer besonders geeigneten Ausgestaltung der Messanordnung, ist die Standardprobe (10) auf derselben Festphase (6) integriert, ist also bspw. ein Bereich der zu vermessenden Probe, der nicht mit dem Film (7) und/oder der Prüfsubstanz (5) belegt ist.In a particularly suitable embodiment of the measuring arrangement, the standard sample ( 10 ) on the same solid phase ( 6 ) is, for example, an area of the sample to be measured, which does not interfere with the film ( 7 ) and / or the test substance ( 5 ) is occupied.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das erfindungsgemäße Verfahren in seinen unterschiedlichen Ausführungsformen, für das die erfindungsgemäße Anordnung in ihren unterschiedlichen Ausgestaltungen verwendet wird.One Another aspect of the invention relates to the method according to the invention in its different embodiments, for the the inventive arrangement is used in their different embodiments.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Messanordnung besteht darin, zerstörungs- und markierungsfrei Proben, insbesondere Biosensoren und Biochips mit hoher Ortsauflösung quantitativ untersuchbar zu machen. Ein weiterer großer Vorteil gegenüber Standardverfahren (z.B. Chemilumineszenzimaging) und Messanordnungen zu ihrer Umsetzung ist die hohe Informationsvielfalt (Schichtdicke, Komposition, Ladungsträgereigenschaften) die über die reine Identifikation des Materials hinausgehend erreicht werden kann. Synchrotron – oder breitbandige Laserquellen für das mittlere Infrarote sind dafür genauso geeignet wie einzelne Laserlinien von Molekülgaslasers und Festkörper- bzw. Halbleiterlasern oder schmale Frequenzbereiche von Quantenkaskadenlaser und Differenzfrequenzerzeugungslasern. Das Verfahren kann für eine breite Palette von Substraten eingesetzt werden.Of the Advantage of the method according to the invention and the measuring arrangement according to the invention is to destroy and label-free samples, especially biosensors and biochips with high spatial resolution to be quantitatively examined. Another big advantage across from Standard methods (e.g., chemiluminescence imaging) and measuring arrangements their implementation is the high amount of information (layer thickness, Composition, charge carrier properties) the above the pure identification of the material can be achieved can. Synchrotron - or broadband laser sources for the middle infrared are for it just as suitable as single laser lines of molecular gas laser and solid state or semiconductor lasers or narrow frequency ranges of quantum cascade lasers and difference frequency generation lasers. The procedure can be for a wide Range of substrates can be used.

Ausreichend für die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell ein Infrarotellipsometer mit einem Mappingtisch bei Verwendung einer brillanten (Laser, Synchrotron) oder hochintensiven Strahlungsquelle geeignet. Im Vergleich zu geläufigen anderen kommerziellen Verfahren (z.B. Chemilumineszence-, Fluorescence-, Radioactive imaging) muss bei diesem Verfahren die zu erfassende Probe bzw. Testsubstanz nicht manipuliert (gelabelt) werden. Darüber hinaus ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Messanordnung über die reine Identifikation eine materialspezifische Information durch das Berechnen gemessener Spektren in optischen Modellen möglich.Sufficient for the inventive arrangement and the method according to the invention is basically an infrared ellipsometer with a mapping table when using a brilliant (laser, synchrotron) or high-intensity Radiation source suitable. Compared to other common commercial Methods (e.g., chemiluminescence, fluorescence, radioactive imaging) In this procedure, the sample or test substance to be detected must be not be manipulated (labeled). In addition, with the method according to the invention and the measuring device according to the invention on the pure identification a material-specific information calculating measured spectra in optical models possible.

Als nicht erschöpfendes Ausführungsbeispiel wurde das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Synchrotronmappingellipsometer für die Untersuchung eines Biosensors erprobt, das Verfahren und die Messanordnung sind aber ebenso mit allen in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen gegebenen technischen Merkmalen in ihren unterschiedlichen Kombinationen realisierbarAs a non-exhaustive embodiment, the inventive method and the inventions The arrangement according to the invention is tested with a synchrotron mapping ellipsometer for the examination of a biosensor, but the method and the measuring arrangement can also be implemented with all the technical features given in the present description and the claims in their different combinations

Technische bzw. wissenschaftliche Grundlagen, die Funktionsweise und der Aufbau, sowie die Vorteile und Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik und die Realisierung durch Versuche werden beispielhaft auch durch das beiliegende Manuskript ( Hinrichs et al., eingereicht bei Analytical Bioanalytical Chemistry (2006) ), erläutert, welches hiermit durch die markierten Passagen, insbesondere betreffend die technischen Merkmale des dort beschriebenen ellipsometrischen Verfahrens und der dazu verwendeten Messanordnung, in die vorliegende Erfindungsbeschreibung integriert wird.Technical and scientific principles, the mode of operation and the structure, as well as the advantages and improvements over the prior art and the realization by experiments are exemplified by the accompanying manuscript ( Hinrichs et al., Submitted to Analytical Bioanalytical Chemistry (2006) ), which is hereby integrated into the present invention description by the marked passages, in particular concerning the technical features of the ellipsometric method described there and the measuring arrangement used therefor.

KurzzusammenfassungQuick Facts

Zur Zeit verwendete Standardmethoden, zum Auslesen von Mikroarrays sind Fluoreszenz- und Chemilumineszenz-Techniken. Diese Methoden erfordern das Labeln einzelner Komponenten und für gewöhnlich werden nur Konzentrationen bestimmt. Eine labelfreie Methode, die außerdem eine quantitative Spektralanalyse zur Bestimmung der der Komposition und molekularer Wechselwirkungen ermöglicht, würde von großem Vorteil sein. In diesem Beitrag wird zum ersten Mal gezeigt, dass die IR Ellipsometrie die labelfreie Bildgebung eines Biochips vor und nach Inkubation mit einem Peptide erlaubt. Die Messungen zeigen, dass die IR-Ellipsometrie ein empfindliches Werkzeug für lateral aufgelöste Untersuchungen zur Identifikation und zur Bestimmung der Komposition ist. Die erforderliche laterale Auflösung wurde erzielt, indem man Strahlung von einem Infrarotsynchrotronstrahlrohr verwendete.to Time standard methods used to read out microarrays Fluorescence and chemiluminescence techniques. These methods require Labeling of individual components and usually only concentrations certainly. A label-free method, which also provides a quantitative spectral analysis to determine the composition and molecular interactions allows would from great advantage be. This post shows for the first time that the IR Ellipsometry label-free imaging of a biochip before and after Allowed incubation with a peptide. The measurements show that IR ellipsometry is a sensitive tool for lateral resolution Investigations on the identification and determination of the composition is. The required lateral resolution was achieved by Radiation from an infrared synchrotron tube used.

Einleitungintroduction

Einige Anwendungen der Ellipsometrie in den Lebenswissenschaften und für Untersuchungen von Bioarrays sind bekannt für den sichtbaren Spektralbereich [1, 2]. Für Biofilme ist dieses Verfahren vor kurzem für den Infraroten Spektralbereich [3-7] erweitert worden. Jedoch im Gegensatz zu dem sichtbaren Spektralbereich (VIS), kann man im Infraroten einen deutlich höheren spezifischen Kontrast durch Schwingungsabsorptionen erzielen. Es ist gezeigt worden, dass Aufbau, molekulare Orientierung, Dicken und optische Konstanten durch die Auswertung der IR ellipsometrischer Spektren [7] bestimmt werden können. Von diesem Gesichtspunkt erwarteten wir, dass die IR Ellipsometrie ein ideales Werkzeug für die Untersuchung solcher Biosensoren und der Proteinadsorption darauf ist. Das Verfahren scheint zu diesem Zweck gut geeignet zu sein, auch aufgrund der Monolagenempfindlichkeit und der Möglichkeit der quantitativen Auswertung durch den Gebrauch von optischen Modellen. Wir möchten anmerken, dass IRSE einige Eigenschaften mit anderen spektralanalytischen Infrarotmethoden wie Reflexions-Absorptions-Infrarotspektroskopie (RAIRS) teilt, eine kurze Diskussion über diesen Punkt ist in Referenz 7 zu finden. Für IR-ellipsometrische Mappinguntersuchungen mit lateralen Auflösungen unterhalb von 1mm2, wird brillantere Strahlung als die von Standard MIR Quellen, wie z.B. eines Globars, benötigt, um Monolagenempfindlichkeit in den angemessenen Messzeiten zu erzielen. Eine Quelle, welche den gesamten Infrarotbereich liefert, ist Infrarotsynchrotronstrahlung. Für die dargestellten Untersuchungen haben wir das verbesserte IR Mapping Mikrofokus Ellipsometer [8-9] an dem IR Strahlrohr des Synchrotronspeicherringes bei BESSY verwendet. [10]Some applications of ellipsometry in the life sciences and for investigations of bioarrays are known for the visible spectral range [1, 2]. For biofilms, this method has recently been extended to the infrared spectral range [3-7]. However, in contrast to the visible spectral range (VIS), one can achieve a significantly higher specific contrast in the infrared by absorption of vibrations. It has been shown that the structure, molecular orientation, thicknesses and optical constants can be determined by the evaluation of the IR ellipsometric spectra [7]. From this point of view, we expected IR ellipsometry to be an ideal tool for studying such biosensors and protein adsorption on them. The method seems to be well suited for this purpose, also because of the monolayer sensitivity and the possibility of quantitative evaluation through the use of optical models. We would like to note that IRSE shares some features with other infrared spectral analysis methods, such as Reflection Absorption Infrared Spectroscopy (RAIRS), a brief discussion of this point can be found in Reference 7. For IR ellipsometric mapping studies with lateral resolutions below 1mm 2 , more brilliant radiation than standard MIR sources, such as a globar, is needed to achieve monolayer sensitivity in the appropriate measurement times. One source that provides the entire infrared range is infrared synchrotron radiation. For the studies presented, we used the improved IR Mapping Microfocus Ellipsometer [8-9] on the IR beam tube of the synchrotron storage ring at BESSY. [10]

Infrarotellipsometrie-AufbauInfrarotellipsometrie construction

IR Ellipsometrie wurde vor kurzem als Methode in der Dünnfilmanalyse [7, 11] etabliert. Kommerzielle Geräte mit angemessener Auswertesoftware werden von mehreren Herstellern angeboten (z.B. SOPRA; J. A. Woollam Co., Inc.; SENTECH Instrumente GmbH). Das Ellipsometer, das in dieser Arbeit verwendet wurde, ist speziell für die Nutzung von Infrarotstrahlung an einem Synchrotronspeicherring entwickelt worden und kann dadurch eine laterale Auflösung von unter 300 × 300μm2 erzielen. Für eine allgemeine Beschreibung unserer Methode beziehen wir uns auf Referenz 7, ausführlichere Informationen über die Ellipsometrie können anderswo gefunden werden [11, 12]. Eine kurze Beschreibung des ellipsometrischen Prinzips wird unten gegeben. Wie in 1 gezeigt, wird linear polarisierte Strahlung des einfallenden Strahles im Allgemeinen durch Reflexion an der Probenoberfläche elliptisch polarisiert. Der Polarisationszustand kann durch zwei ellipsometrische Parameter beschrieben werden: Δ (Phasenshift) und tanψ (Amplitudenverhältnis) senkrecht aufeinanderstehender Komponenten der reflektierten Welle (rp, rs).IR ellipsometry has recently been established as a method in thin-film analysis [7, 11]. Commercial devices with adequate evaluation software are offered by several manufacturers (eg SOPRA, JA Woollam Co., Inc., SENTECH Instrumente GmbH). The ellipsometer used in this work has been specially developed for the use of infrared radiation on a synchrotron storage ring and can thereby achieve a lateral resolution of less than 300 × 300 μm 2 . For a general description of our method we refer to reference 7, and more detailed information about ellipsometry can be found elsewhere [11, 12]. A brief description of the ellipsometric principle is given below. As in 1 As shown, linearly polarized radiation of the incident beam is generally elliptically polarized by reflection at the sample surface. The polarization state can be described by two ellipsometric parameters: Δ (phase shift) and tanψ (amplitude ratio) of mutually perpendicular components of the reflected wave (r p , r s ).

1: Ellipsometrisches Prinzip (angelehnt an Ref. 7) und Spotprofil des Synchrotronlichtstrahls bei einem Einfallswinkel von 0°. 1 : Ellipsometric principle (based on Ref. 7) and spot profile of the synchrotron light beam at an angle of incidence of 0 °.

Die ellipsometrischen Parameter sind definiert durch die Größe ρ, welche durch Verhältnis der komplexen Reflexionskoeffizienten rs und rp gegeben ist:

Figure 00140001
The ellipsometric parameters are defined by the size ρ, which is given by the ratio of the complex reflection coefficients r s and r p :
Figure 00140001

Für Analyse und Ermittlung der optischen Konstanten eines dünnen organischen Filmes auf einem Substrat kann eine optische Simulation verwendet werden [7]. Dabei können Aufbau, Dicke, Brechungsindex, Absorptionsindex und Schwingungsparameter des organischen Films durch Best-Fit Simulationen bestimmt werden, in denen die Parameter der Simulationen solange geändert werden, bis die beste Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Spektren erzielt wird [7].For analysis and determining the optical constants of a thin organic film a substrate can use an optical simulation [7]. It can Structure, thickness, refractive index, absorption index and vibration parameters of organic film to be determined by best-fit simulations, in which the parameters of the simulations are changed as long as until the best match between calculated and measured spectra is achieved [7].

Infrarotellipsometrie-ErgebnisseInfrarotellipsometrie results

2 zeigt ellipsometrische Spektren entlang einer Linie für ausgewählte charakteristische Bereiche auf dem Biochip. In einer Position auf dem (a) oxidierten Siliziumsubstrat, (b) einem Punkt auf dem Film des unbedeckten Linkers, (c) einem Punkt, wo der Linker mit dem Peptid (Cys-GCN4) bedeckt ist (d) und ein Punkt mit dem Peptid (Cys-GCN4) der sich an der Grenze von linkerbedeckter zu oxidierter Siliziumoberfläche befindet (e) und wieder einem Punkt auf dem oxidierten Silizium. Spektren von Punkt A und E wurden als Referenz für linker- und peptidefreie Flächen verwendet. Durch Vergleich zu diesen Spektren können spezifische Banden des Linkers bei 1288 cm-1 und 1667 cm-1 identifiziert werden (sehen Sie Punkt B). Leicht werden spezifische Bänder des "gewaschenen" Peptidfilmes bei 1547 cm-1 und 1676 cm-1 in den Spektren von Punkt D identifiziert, wo die Menge des Linkermaterials kleiner als für den Punkt C ist. Für die folgende Diskussion wird die Bande bei 1547 cm-1 (1288 cm-1) für die eindeutige Identifizierung von Linker bzw. Peptide bedeckten Flächen verwendet. 2 shows ellipsometric spectra along a line for selected characteristic areas on the biochip. In a position on the (a) oxidized silicon substrate, (b) a point on the film of the uncovered linker, (c) a point where the linker is covered with the peptide (Cys-GCN4) (d) and a point with the Peptide (Cys-GCN4) located at the boundary of left-covered to oxidized silicon surface (e) and again a point on the oxidized silicon. Spectra of point A and E were used as reference for linker and peptide-free areas. By comparison to these spectra, specific bands of the linker can be identified at 1288 cm -1 and 1667 cm -1 (see point B). Specific bands of the "washed" peptide film at 1547 cm -1 and 1676 cm -1 are easily identified in the spectra of point D, where the amount of linker material is less than for point C. For the following discussion, the band at 1547 cm -1 (1288 cm -1 ) is used for the unambiguous identification of linker or peptide covered areas.

Die Bande bei 1288 cm-1 in den Linkerspektren wird einer Schwingung der Kopfgruppe des Linkers zugeordnet. Für die Zuordnung anderer Banden folgen wir der Diskussion in Referenz 21. Bänder im Frequenzbereich von 1600-1700 cm-1 werden einer Amid I Bande zugewiesen, die hauptsächlich durch C=O Streckschwingungen und zu einem kleineren Teil durch CN und CCN Deformationsschwingungen entsteht. Die Bande im Bereich von 1510-1580 cm-1 wird der Amid II Bande zugeordnet, welche eine gemischte Mode, dominiert durch die Deformationsschwingung von NH und den CN Streckschwingungen ist, aber auch aus einem kleineren Teil von C=O und N-C Deformationsschwingungen besteht [21]. Im Bereich zwischen 1200-1350 cm-1 ist die Amid III Bande zu sehen, welche für Peptide beobachtet wird, und aus einer Kombination der „inphase" NH Deformationsschwingung und C-C und C-N Streckschwingungen und einer C=O Deformationsschwingung ist. Die Amid I und Amid II Banden können Schwingungen der Seitenketten der Aminosäure, wie z.B. Schwingungen von CH, COOH, -NH2 und -NH3+ Gruppen, überdeckt werden [13].The band at 1288 cm -1 in the linker spectra is assigned to an oscillation of the head group of the linker. For the assignment of other bands, we follow the discussion in reference 21. Bands in the frequency range of 1600-1700 cm -1 are assigned to an amide I band, which arises mainly by C = O stretching vibrations and to a lesser extent by CN and CCN deformation vibrations. The band in the range of 1510-1580 cm -1 is assigned to the amide II band, which is a mixed mode dominated by the deformation vibration of NH and the CN stretching vibrations, but also consists of a smaller part of C = O and NC deformation vibrations [ 21]. In the range between 1200-1350 cm -1 , the amide III band observed for peptides is seen, and is a combination of "in-phase" NH deformation vibration and CC and CN stretching vibrations and a C = O deformation vibration Amide II bands can be masked by vibrations of the side chains of the amino acid, such as vibrations of CH, COOH, -NH2, and -NH3 + groups [13].

2: A) Ellipsometrische tanψ Spektren für charakteristische Bereiche auf der Probe. B) Diagramm, welches die ungefähre Position der gemessenen Punkte in den unterschiedlichen Bereichen der Probe anzeigt. Charakteristische Banden sind markiert. Eine Auflösung von 4 cm-1 wurde verwendet und ein 65° Einfallswinkel wurde eingestellt. Die Neigung der Basislinie zu den kleineren Wellenzahlen für Punkt B und C in 2 liegt wahrscheinlich an der Absorption freier Ladungsträger [14] im Linkerfilm. 2 : A) Ellipsometric tanψ spectra for characteristic areas on the sample. B) Diagram showing the approximate position of the measured points in the different regions of the sample. Characteristic gangs are marked. A resolution of 4 cm -1 was used and a 65 ° angle of incidence was set. The slope of the baseline to the smaller wave numbers for points B and C in 2 is probably due to the absorption of free charge carriers [14] in the linker film.

3 zeigt Diagramme eines 6 Millimeters × 6 Millimeter Bereichs der Bandenhübe der Banden bei 1288 cm-1 und 1547 cm-1. Die Amplituden (Bandenhübe) sind wie in dem Inset dargestellt bestimmt worden. Es sind nur ellipsometrische tanψ Spektren aufgenommen worden, um die Zeit für das Messen eines einzelnen Punktes unter 3 Minuten zu verringern. In 3a wird die Veränderung des Bandenhubes einer spezifischen Schwingung des Linkers gezeigt, während in 3b dieses für eine spezifische Schwingung des Peptides dargestellt wird. In beiden Darstellungen können peptide- und linkerbedeckte Flächen leicht identifiziert werden. Wie erwartet, wird das Peptid nur auf Probenbereichen gefunden, die auch mit Peptidelösung versetzt wurden, während die nicht inkubierten Bereiche die charakteristische Peptide Schwingung bei 1547 cm-1 nicht zeigen. Die Bereiche, die mit den unterschiedlichen Materialien bedeckt sind, werden leicht in den Formplots von 3 identifiziert, wobei sich die Bandenhübe zum Rand des elliptischen Spots erhöhen. Unter der Annahme, dass molekularen Orientierungen im dünnen Peptidfilm und im Linkerfilm isotrop verteilt sind und strukturelle Unterschiede für unterschiedliche Schichtdicken vernachlässigt werden können, stehen die Bandenhübe in direkter Beziehung mit den Schichtdicken. Die für den Linkerbreich nicht homogene Schichtdicke mag dann aus inhomogenen Beleuchtungsbedingungen und der Geometrie der photochemischen Zelle herrühren. 3 Figure 6 shows plots of a 6 mm x 6 mm range of bandshifts of the bands at 1288 cm -1 and 1547 cm -1 . The amplitudes (tape strokes) have been determined as shown in the inset. Only ellipsometric tanψ spectra have been recorded to reduce the time to measure a single point below 3 minutes. In 3a the change of the band lift of a specific oscillation of the linker is shown while in 3b this is shown for a specific oscillation of the peptide. In both representations, peptide- and left-covered areas can be easily identified. As expected, the peptide is found only on sample areas that have also been spiked with peptide solution, while the non-incubated areas do not show the characteristic peptide vibration at 1547 cm -1 . The areas covered with the different materials become easily in the shape plots of 3 identified, with the tape strokes increase to the edge of the elliptical spot. Assuming that molecular orientations in the thin peptide film and in the linker film are isotropically distributed, and structural differences for different layer thicknesses can be neglected, the band-strokes are directly related to the layer thicknesses. The layer thickness which is not homogeneous for the linker region may then result from inhomogeneous illumination conditions and the geometry of the photochemical cell.

3: 3d Darstellung und Kontourplots für 6 × 6 mm2 Flächen der Bandenamplitude einer lenkerspezifischen Bande A) bei 1288 cm-1 und einer Peptidbande B) bei 1547 cm-1. Die Bandumfänge sind für jeden Punkt festgestellt worden, wie im Diagramm auf die Oberseite gezeigt. Eine Auflösung von 4 cm-1 wurde verwendet und ein Einfallswinkel von 65° wurde eingestellt. 3 : 3d representation and contour plots for 6 × 6 mm 2 areas of the band amplitude of a handlebar-specific band A) at 1288 cm -1 and a peptide band B) at 1547 cm -1 . The band sizes are for everyone Point has been determined as shown in the diagram on top. A resolution of 4 cm -1 was used and an angle of incidence of 65 ° was set.

Die qualitative Deutung der Bandenformen [6] ist in Übereinstimmung mit eine isotropen Filmstruktur, aber eine leichte Bevorzugung von out-of-plane Übergangsdipolmomenten kann in diesem Stadium der Auswertung nicht ausgeschlossen werden. Prinzipiell können die gemessenen Spektren durch optische Simulation umfassender ausgewertet werden. Für solche Auswertungen würden die optischen Konstanten der einzelnen Materialien benötigt, um sie als Startparameter für die Simulation zu verwenden. Die Kenntnis der Konstanten würde die Berechnung der ellipsometrischen Spektren für wahrscheinliche Szenarien erlauben (sehen Sie z.B. Referenz 7). Die Arbeiten hierzu werden zur Zeit weitergeführt. Zusammenfassend, haben die dargestellten Resultate gezeigt, dass die IR Mapping Ellipsometrie zur ortsaufgelösten Kompositionsanalyse von Biochips verwendet werden kann.The qualitative interpretation of the band forms [6] is consistent with an isotropic one Film structure, but a slight preference for out-of-plane transition dipole moments can not be excluded at this stage of the evaluation. In principle, you can the measured spectra are evaluated more comprehensively by optical simulation become. For such evaluations would the optical constants of each material needed to they as starting parameters for to use the simulation. The knowledge of the constants would be the Calculation of ellipsometric spectra for probable scenarios allow (see example reference 7). The work will be done continued at the moment. In summary, the results presented have shown that IR mapping ellipsometry for spatially resolved composition analysis of Biochips can be used.

ZusammenfassungSummary

Es wurde gezeigt, dass IR Ellipsometrie als chemisch empfindliche zerstörungsfreie Methode für die fabelfreie Charakterisierung eines Biochips und der Anbindung eines Polypeptides verwendet werden kann. Im Vergleich zu weiter verbreiteten Chemilumineszenz-Imaging Verfahren kann aus IR ellipsometrischen Spektren labelfrei spezifische Information zur Identifizierung von unterschiedlichen Materialien (Linker, Peptid) gewonnen werden. Mappingellipsometrie erlaubt die Untersuchung größerer Probenbereiche mit einer örtlichen Auflösung kleiner als 300 μm × 300 μm. Für den untersuchten Biochip wurde eine heterogene Schichtstärke des Linkers und des gebundenen Peptidfilmes unter der Annahme gefolgert, dass die Filmstruktur isotrop ist. Weitere Auswertung in optischen Referenzmodellen ist in Arbeit. Die Absicht der zukünftigen Arbeit ist, die molekulare Struktur des organischen monomolekularen Films aufzuklären.It IR ellipsometry has been shown to be chemically sensitive non-destructive Method for the fab free characterization of a biochip and the connection a polypeptide can be used. Compared to further Common chemiluminescence imaging procedure may be from IR ellipsometric spectra label-free specific information to identify different Materials (linker, peptide) are obtained. Mappingellipsometrie allows the examination of larger sample areas with a local resolution smaller than 300 μm × 300 μm. For the examined Biochip was a heterogeneous layer of the linker and bound Peptide film inferred on the assumption that the film structure isotropic. Further evaluation in optical reference models is in progress. The intention of the future Work is the molecular structure of the organic monomolecular To enlighten films.

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Claims (7)

Hochauflösendes (1) bildgebendes (2) Verfahren zum Erfassen einer Testsubstanz (3) in einem Testmedium (4) durch die Wechselwirkung der Testsubstanz (3) mit einer Festphasen-gebundenen Prüfsubstanz (5), bei dem eine Festphase (6), an deren Oberfläche ein Film (7) mit der Prüfsubstanz (5) angeordnet ist, mit dem Testmedium (4) beaufschlagt wird und mittels eines Ellipsometers (8) optische Veränderungen (9) in dem Film (7), die durch die Wechselwirkung der Prüfsubstanz (5) mit der Testsubstanz (3) auftreten, mit oder ohne Vergleich mit einer Standardprobe (10) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Ellipsometer (8) mit einer brillanten Infrarotlichtquelle im mittleren Infraroten Spektralbereich (400-4000 cm-1) (11) gespeist wird.High-resolution ( 1 ) imaging ( 2 ) Method for detecting a test substance ( 3 ) in a test medium ( 4 ) by the interaction of the test substance ( 3 ) with a solid-phase-bound test substance ( 5 ), in which a solid phase ( 6 ), on whose surface a film ( 7 ) with the test substance ( 5 ), with the test medium ( 4 ) and by means of an ellipsometer ( 8th ) optical changes ( 9 ) in the film ( 7 ) caused by the interaction of the test substance ( 5 ) with the test substance ( 3 ), with or without comparison with a standard sample ( 10 ), characterized in that the ellipsometer ( 8th ) with a brilliant infrared light source in the mid-infrared spectral range (400-4000 cm-1) ( 11 ) is fed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – hochauflösend (1) bedeutet, dass die laterale Auflösung besser als 5 × 5 mm2 ist, und/oder – bildgebend (2) ist die computerseitige Darstellung der gemessenen Daten der hochauflösend (1) gemessenen Flächen einer in x und y Richtung definiert verschiebbaren Probe, und/oder – als Testsubstanz (3) ein Oligonukleotid, ein Protein, ein Peptid, ein Lipid, ein Kohlenhydrat, ein Pharmakon, Biotin, eine Zelle, ein Zellkompartiment oder eine Kombination derselben verwendet wird, und/oder – als Testmedium (4) eine Flüssigkeit verwendet wird, und/oder – als Prüfsubstanz (5) eine organische Struktur verwendet wird, und/oder – als Festphase (6) ein Material verwendet wird, das im Spektralbereich von 400-4000 cm-1 im wesentlichen keine starke Adsorptionsbanden aufweist, und/oder – ein Film (7) verwendet wird, der eine Dicke von 1 nm-1000 nm aufweist, und/oder – ein Ellipsometer (8) verwendet wird, das eine Strahlungsquelle (12), einen Polarisator (13), einen Analysator (14), einen Detektor (15) und eine Auswerteeinrichtung (16) aufweist, und/oder – optische Veränderungen (9) sind Änderungen in dem ellipsometrischen Spektrum die aufgrund veränderter Leitfähigkeit, Struktur, Bindungen und Komposition auftreten, und/oder – als Standardprobe (10) eine Festphase (6) verwendet wird, an deren Oberfläche ein Film (7) mit der Prüfsubstanz (5) angeordnet ist, und/oder – als brillante Infrarotlichtquelle (11) ein Synchrotron oder ein Laser verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that - high-resolution ( 1 ) means that the lateral resolution is better than 5 × 5 mm 2 , and / or - imaging ( 2 ) is the computer-side representation of the measured data of the high-resolution ( 1 ) measured surfaces of a displaceable in x and y direction defined sample, and / or - as a test substance ( 3 ) an oligonucleotide, a protein, a peptide, a lipid, a carbohydrate, a drug, biotin, a cell, a cell compartment or a combination thereof is used, and / or - as a test medium ( 4 ) a liquid is used, and / or - as a test substance ( 5 ) an organic structure is used, and / or - as a solid phase ( 6 ) a material is used which has essentially no strong adsorption bands in the spectral range of 400-4000 cm -1 , and / or - a film ( 7 ) is used, which has a thickness of 1 nm-1000 nm, and / or - an ellipsometer ( 8th ), which is a radiation source ( 12 ), a polarizer ( 13 ), an analyzer ( 14 ), a detector ( 15 ) and an evaluation device ( 16 ), and / or - optical changes ( 9 ) are changes in the ellipsometric spectrum which occur due to changed conductivity, structure, bonds and composition, and / or - as a standard sample ( 10 ) a solid phase ( 6 ) is used, on whose surface a film ( 7 ) with the test substance ( 5 ), and / or - as a brilliant infrared light source ( 11 ) a synchrotron or a laser is used. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – als Testsubstanz (3) DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, Protein A, Protein G, Streptavidin, ein Rezeptor, ein Ligand, ein Enzym, ein Enzymsubstrat, ein Antikörper, oder ein Antigen oder eine diese umfassende Substanz oder eine davon abgeleitete Struktur verwendet wird; und/oder – als Prüfsubstanz (5) ein Linkermolekül, Kohlenhydrat, Lipid, Pharmakon, Peptid, Polypeptid, Oligonukleotid, Protein, Zellkompartiment, eine Aminosäure, Zelle, oder Biotin ist oder eine diese umfassende Substanz oder eine davon abgeleitete Struktur verwendet wird; – als Festphase (6) ein Siliziumsubstrat verwendet wird; und/oder – ein Film (7) verwendet wird, der im wesentlichen aus der Prüfsubtanz (5) gebildet ist und/oder kovalent mit der Festphase (6) verbunden ist, und/oder – eine Standardprobe (10) gewählt wird, die im wesentlichen identisch ist mit der Festphase (6), an deren Oberfläche ein Film (7) mit der Prüfsubstanz (5) angeordnet ist, und/oder – als brillante Infrarotlichtquelle (11) eine Synchrotronstrahlungsquelle oder ein Molekülgaslaser, Halbleiterlaser, Quantenkaskadenlaser oder Differenzfrequenzerzeugungslaser verwendet wird, und/oder – der Polarisator (13) feststehend oder drehbar ist, und/oder – der Analysator (14) feststehend oder drehbar ist, und/oder, – der Detektor (15) ein gebräuchlicher Detektor im mittlere n infraroten Spektralbereich ist; und/oder – das Ellipsometer (8) ein Null- oder photometrisches Ellipsometer ist welches mit feststehenden oder drehbaren Polarisatoren oder einem Phasenmodulator arbeitet, und/oder – die Auswerteeinrichtung (16) einen Computer und Software umfasst, und/oder – die Strahlungsquelle (12) eine Infrarotlichtquelle im mittleren Infraroten Spektralbereich (400-4000 cm-1) (11) ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - as test substance ( 3 ) DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, protein A, protein G, streptavidin, a receptor, a ligand, an enzyme, an enzyme substrate, an antibody, or an antigen or a substance comprising it or a structure derived therefrom becomes; and / or - as test substance ( 5 ) a linker molecule, carbohydrate, lipid, drug, peptide, polypeptide, oligonucleotide, protein, cell compartment, amino acid, cell, or biotin, or a substance comprising the same, or a structure derived therefrom; - as a solid phase ( 6 ) a silicon substrate is used; and / or - a movie ( 7 ), which consists essentially of the test substance ( 5 ) and / or covalently with the solid phase ( 6 ), and / or - a standard sample ( 10 ), which is essentially identical to the solid phase ( 6 ), on whose surface a film ( 7 ) with the test substance ( 5 ), and / or - as a brilliant infrared light source ( 11 ) a synchrotron radiation source or a molecular gas laser, semiconductor laser, quantum cascade laser or differential frequency generation laser is used, and / or - the polarizer ( 13 ) is stationary or rotatable, and / or - the analyzer ( 14 ) is stationary or rotatable, and / or, - the detector ( 15 ) is a common detector in the mid n infrared spectral range; and / or - the ellipsometer ( 8th ) is a zero or photometric ellipsometer which operates with fixed or rotatable polarizers or a phase modulator, and / or - the evaluation device ( 16 ) comprises a computer and software, and / or - the radiation source ( 12 ) an infrared light source in the mid-infrared spectral range (400-4000 cm -1 ) ( 11 ). Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3 mit einem Ellipsometer (8), das eine Strahlungsquelle (12), einen Polarisator (13), einen Analysator (14), einen Detektor (15) und eine Auswerteeinrichtung (16) aufweist, und einer Festphase (6), an deren Oberfläche ein Film (7) mit einer Prüfsubstanz (5) und einer an die Prüfsubstanz (5) angelagerten Testsubstanz (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (12) eine brillante Infrarotlichtquelle (11) ist.Measuring arrangement for carrying out the method according to one of claims 1-3 with an ellipsometer ( 8th ), which is a radiation source ( 12 ), a polarizer ( 13 ), an analyzer ( 14 ), a detector ( 15 ) and an evaluation device ( 16 ), and a solid phase ( 6 ), on whose surface a film ( 7 ) with a test substance ( 5 ) and one to the test substance ( 5 ) attached test substance ( 3 ), characterized in that the radiation source ( 12 ) a brilliant infrared light source ( 11 ). Messanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Testsubstanz (3) ein Oligonukleotid, ein Protein, ein Peptid, ein Lipid, ein Kohlenhydrat, ein Pharmakon, Biotin, eine Zelle, ein Zellkompartiment oder eine Kombination derselben ist, und/oder – die Prüfsubstanz (5) eine organische Struktur ist, und/oder – die Festphase (6) aus einem Material gebildet ist, das im Spektralbereich von 400-4000 cm-1 im wesentlichen keine Adsorptionsbanden aufweist, und/oder – die Strahlungsquelle (12) eine brillante Infrarotlichtquelle (11) ist, die im mittleren Infraroten Spektralbereich (400-4000 cm-1) Licht emittiert, und/oder – der Film (7) eine Dicke von 1 nm-1000 nm aufweist, und/oder – die brillante Infrarotlichtquelle (11) ein Synchrotron oder ein Laser ist, und/oder – der Polarisator (13) feststehend oder drehbar ist, und/oder – der Analysator (14) feststehend oder drehbar ist, und/oder, – der Detektor (15) ein gebräuchlicher Detektor für das mittlere Infrarote ist, und/oder – die Auswerteeinrichtung (16) einen Computer und Software umfasst; aufweist.Measuring arrangement according to claim 4, characterized in that - the test substance ( 3 ) is an oligonucleotide, a protein, a peptide, a lipid, a carbohydrate, a pharmacon, biotin, a cell, a cell compartment or a combination thereof, and / or - the test substance ( 5 ) is an organic structure, and / or - the solid phase ( 6 ) is formed from a material which has substantially no adsorption bands in the spectral range of 400-4000 cm -1 , and / or - the radiation source ( 12 ) a brilliant infrared light source ( 11 ) emitting light in the mid-infrared spectral range (400-4000 cm-1), and / or - the film ( 7 ) has a thickness of 1 nm-1000 nm, and / or - the brilliant infrared light source ( 11 ) is a synchrotron or a laser, and / or - the polarizer ( 13 ) is stationary or rotatable, and / or - the analyzer ( 14 ) is stationary or rotatable, and / or The detector ( 15 ) is a common detector for the medium infrared, and / or - the evaluation device ( 16 ) comprises a computer and software; having. Messanordnung nach einem der Ansprüche 4-5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Testsubstanz (3) DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, Protein A, Protein G, Streptavidin, ein Rezeptor, ein Ligand, ein Antikörper, oder ein Antigen ist oder diese umfasst oder eine davon abgeleitete Struktur ist; und/oder – die Prüfsubstanz (5) ein Linkermolekül, Kohlenhydrat, Lipid, Pharmakon, Peptid, Polypeptid, Oligonukleotid, Protein, Zellkompartiment, eine Aminosäure, Zelle, oder Biotin ist oder diese umfasst oder eine davon abgeleitete Struktur ist; – die Festphase (6) ein Siliziumsubstrat ist, und/oder – der Film (7) im wesentlichen aus der Prüfsubstanz (5) gebildet ist und/oder kovalent mit der Festphase (6) verbunden ist, und/oder – das Ellipsometer (8) ein Null- oder photometrisches Ellipsometer ist welches mit feststehenden oder drehbaren Polarisatoren oder einem Phasenmodulator arbeitet, und/oder – die brillante Infrarotlichtquelle (11) ein Synchrotronstrahlungsquelle oder ein Molekülgaslaser, Halbleiterlaser, Quantenkaskadenlaser oder Differenzfrequenzerzeugungslaser.Measuring arrangement according to one of claims 4-5, characterized in that - the test substance ( 3 ) DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, protein A, protein G, streptavidin, a receptor, a ligand, an antibody, or an antigen is or comprises or is a structure derived therefrom; and / or - the test substance ( 5 ) is or comprises a linker molecule, carbohydrate, lipid, drug, peptide, polypeptide, oligonucleotide, protein, cell compartment, amino acid, cell, or biotin, or a structure derived therefrom; - the solid phase ( 6 ) is a silicon substrate, and / or - the film ( 7 ) consists essentially of the test substance ( 5 ) and / or covalently with the solid phase ( 6 ), and / or - the ellipsometer ( 8th ) is a zero or photometric ellipsometer which operates with fixed or rotatable polarizers or a phase modulator, and / or - the brilliant infrared light source ( 11 ) a synchrotron radiation source or a molecular gas laser, semiconductor laser, quantum cascade laser or differential frequency generation laser. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 4-6 verwendet wird.Method according to one of claims 1-3, characterized that a measuring arrangement according to a the claims 4-6 is used.
DE200610049687 2006-10-13 2006-10-13 High resolution imaging method for capturing a test substance in a test medium comprises interacting the test substance and a reference substance bounded to a solid-phase and capturing the resulting optical changes by ellipsometer Withdrawn DE102006049687A1 (en)

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DE200610049687 DE102006049687A1 (en) 2006-10-13 2006-10-13 High resolution imaging method for capturing a test substance in a test medium comprises interacting the test substance and a reference substance bounded to a solid-phase and capturing the resulting optical changes by ellipsometer

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