DE102010006773A1 - Wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul zur spektral aufgelösten Detektion von Licht - Google Patents

Wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul zur spektral aufgelösten Detektion von Licht Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul (1, 40, 401, 402) zur spektral aufgelösten Detektion von Licht (22), bestehend zumindest aus einem Substrat (2) als Trägermaterial und einem auf dem Substrat (2) aufgebrachten Feld (6) von substrathervorstehenden Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz, wobei den plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem Gradienten (∂, Δ) – einem stetigen Gradienten (∂) und/oder einem stufenförmigen Gradienten (Δ) – verbunden sind, wobei die Ausbildung des Gradienten abhängig ist vom dielektrische Funktionen aufweisenden Material der Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52), von der Geometrie der vorgegebenen Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51,52), von den Eigenschaften des Umgebungsmediums (42) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) und/oder von vorgegebenen Positionen (x, y) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) relativ zu einem Detektionsvolumen. Die Lösung besteht darin, dass das Substrat (2) mit lichtempfindlichen Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) versehen ist, wobei im festen Verbund mit dem pixellierten Substrat (2) ein Feld (6) plasmonisch aktiver Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) auf dem Substrat (2) aufgebracht ist, wobei das Nanostrukturfeld (6) mindestens einen Gradienten (∂, Δ) der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) aufweist, wobei sich der Gradient (∂, Δ) über mindestens ein Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) jeweils einem Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) zugeordnet sind, die je nach Wellenlänge des einfallenden Lichts (22) resonant auf das einfallende Licht (22) reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder verstärkte oder verminderte elektromagnetische Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) des pixellierten Substrats (2) erzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul zur spektral aufgelösten Detektion von Licht vom ultravioletten bis zum nahinfraroten Wellenlängenbereich von 100 nm bis 3000 nm.
  • Es ist ein Element 1 zur oberflächenverstärkten Spektroskopie in der Druckschrift DE 10 2007 037 201.0 beschrieben, das gemäß 1 zumindest aus
    • – einem Substrat 2 als Trägermaterial und
    • – einem auf dem Substrat 2 aufgebrachten Feld 6 von substrathervorstehenden stäbchenförmigen Nanostrukturen 3 aus Metall mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz
    besteht.
  • Es soll mit diesem Element 1 eine breitbandige Verstärkung des Lichts vom ultravioletten bis zum nahinfraroten Wellenlängenbereich und damit eine Vereinfachung der Abstimmung der Oberflächenplasmonen auf die Eigenschaften von zwischen den Nanostrukturen befindlichen Molekülen erreicht werden.
  • Dabei sind den Nanostrukturen 3 Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet, die mit einer Ausbildung von mindestens einem Gradienten ∂, Δ – einem stetigen Gradienten ∂ und/oder einem stufenförmigen Gradienten Δ – zwischen den Nanostrukturen verbunden sind, wobei die Ausbildung des Gradienten abhängig ist von der dielektrischen Funktion der Nanostrukturmaterialien, von der Geometrie a, b, d der vorgegebenen plasmonisch aktiven Nanostruktur 3, von den Eigenschaften des Umgebungsmediums der Nanostrukturen 3 und/oder von einer vorgegebenen Position x, y des Nanostrukturfeldes 6 relativ zu einem Detektionsvolumen 8 (in 2 gezeigt), wobei a die Länge oder Höhe, b den Durchmesser der Nanostrukturen 3 und d den Abstand zwischen zwei Nanostrukturen 3 darstellen.
  • In 2 ist eine schematische Darstellung einer Anwendung des Elements 1 gezeigt, wobei das Element 1 im Bereich des plasmonisch aktiven Nanostrukturfeldes 6 mit Molekülen 7 gefüllt ist und einen spektralen Gradienten 9 (einfache Pfeilrichtung) der Resonanz auf Grund eines Geometriegradienten Δ (hier nicht dargestellt) besitzt. Das Nanostrukturfeld 6 wird lokal bestrahlt und die Moleküle 7 im Detektionsvolumen 8 werden analysiert. Das Raman-Signal oder das Fluoreszenz-Signal der Moleküle 7 wird durch die Oberflächenplasmonen des Elements 1 in einem bestimmten Spektralbereich verstärkt. Durch Bewegung (Doppelpfeil 31) des Elements 1 entlang der x-Achse kann dieser Spektralbereich verschoben werden und somit das Raman-Signal/Fluoreszenz-Signal der Moleküle 7 maximiert werden.
  • Das Element 1 mit den Nanostrukturen 3 und mit gradientenabhängiger Oberflächenplasmonresonanz stellt eine Nanoresonatorstruktur für die oberflächenverstärkten Spektroskopie, insbesondere für optische nahfeldverstärkte Spektroskopie dar.
  • Ein Problem besteht darin, dass das Element 1 in dieser Ausbildung nur für die oberflächenverstärkte Spektroskopie einsetzbar ist, wenn es mit Molekülen gefüllt ist. Der zugeordnete registrierende Detektor arbeitet nur unter Verwendung von optischen Abbildungen (Linsen, Objektiven) und spektral selektiven Transmissions-, Absorptions- oder Reflexionsschichten (Farbfiltern) oder von Gittern (Reflexion und Transmission), also mit einem hohen Aufwand von zusätzlichen Bauelementen.
  • Im Allgemeinen ist für das Aufnehmen oder das Abbilden optischer Signale die spektral aufgelöste Detektion von Licht von großer Bedeutung. Auf der spektralen Aufspaltung basieren verschiedene Detektoren, Sensoren, bildgebende und mikroskopische Einrichtungen.
  • Die spektrale Aufspaltung wurde bisher entweder durch die Verwendung von spektral selektiven Transmissions-, Absorptions- oder Reflexionsschichten (Farbfiltern) oder von Gittern (Reflexion und Transmission) gelöst.
  • Die eingesetzten Farbfilter sind spektral festgelegt, eine Änderung des reflektierten/absorbierten/transmittierten Wellenlängenbereiches kann nur durch Wechseln des Filters erfolgen. Für die Verwendung von Gittern sind relativ große optische Wege (mindestens einige Millimeter) notwendig, um eine ausreichende spektrale Aufspaltung zu erreichen. Je größer der optische Weg zwischen Gitter und Detektor, desto besser die spektrale Auflösung des Systems. Für derartige Systeme ist es folglich schwierig, für eine geforderte spektrale Aufspaltung ein gewisses Baumaß zu unterschreiten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul zur spektral aufgelösten Detektion von Licht anzugeben, das derart ausgebildet ist, dass Licht von einem pixellierten Detektor spektral aufgelöst detektiert werden kann. Dabei sollen die Abmessungen eines Systems Spektralapparat-Detektor möglichst klein gehalten und trotzdem eine möglichst große spektrale Aufspaltung erreicht sowie ein großer Spektralbereich abgedeckt werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Das wellenlängensensitive plasmonisch aktive Modul zur spektral aufgelösten Detektion von Licht besteht zumindest aus
    • – einem Substrat als Trägermaterial und
    • – einem auf dem Substrat aufgebrachten Feld von substrathervorstehenden Nanostrukturen mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz,
    wobei den Nanostrukturen Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem Gradienten ∂, Δ – einem stetigen Gradienten ∂ und/oder einem stufenförmigen Gradienten Δ – verbunden sind, wobei die Ausbildung des Gradienten abhängig ist von der dielektrischen Funktion der Nanostrukturmaterialien, von der Geometrie der vorgegebenen Nanostruktur, von den Eigenschaften des Umgebungsmediums der Nanostrukturen und/oder von vorgegebenen Positionen x, y der Nanostrukturen relativ zu einem Detektionsvolumen,
    wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
    das Substrat mit lichtempfindlichen Pixeln versehen ist, wobei in festem Verbund mit dem pixellierten Substrat ein Feld der plasmonisch aktiven Nanostrukturen auf dem pixellierten Substrat aufgebracht ist, wobei das Nanostrukturfeld mindestens einen Gradienten ∂, Δ der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostrukturen aufweist, wobei sich der Gradient ∂, Δ über mindestens ein Pixel erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostrukturen jeweils einem Pixel zugeordnet sind, wobei die Nanostrukturen je nach Wellenlänge des einfallenden Lichts resonant auf das einfallende Licht reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder durch verstärkte oder verminderte Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln des pixellierten Substrats erzeugen.
  • Bei dem wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Modul kann das pixellierte Substrat ein CCD-Chip sein, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln und mit Freiräumen seitlich der Pixel und mit Zwischenräumen zwischen den Pixeln versehen ist, wobei einem Pixel mindestens eine plasmonisch aktiven Nanostruktur und wahlweise den Freiräumen und den Zwischenräumen ebenfalls mindestens eine plasmonisch aktiven Nanostruktur zugeordnet sind und wobei die vom Pixel gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts korreliert, wodurch eine registrierbare spektrale Aufspaltung des einfallenden Lichts herbeigeführt wird.
  • Die plasmonisch aktiven Nanostrukturen oder die Geometrie der plasmonisch aktiven Nanostrukturen richten sich aus an dem vorgegebenen stufenförmigen Plasmonresonanzgradienten Δ und/oder stetigen Plasmonresonanzgradient ∂. Im Resonanzfall mit einer Wellenlänge des einfallenden Lichts leitet die plasmonisch aktive Nanostruktur bevorzugt das Licht der resonanten elektromagnetischen Welle zum jeweiligen lichtempfindlichen CCD-Pixel.
  • Die Funktionsweise und das Verhältnis zwischen Nanostrukturfeld und/oder Nanostrukturgeometrie einerseits und dem Plasmonresonanzgradient ∂, Δ – in Form eines gradientenbehafteten Nanostrukturfeldes – andererseits werden nachfolgend näher erläutert:
    Das gradientenbehaftete Nanostrukturfeld, welches in festem Verbund mit dem pixellierten Substrat auf dem Substrat aufgebracht sind, erlaubt eine Übersetzung der im optischen Anregungssignal spektral kodierten Information hin zu einer räumlich kodierten Intensitätsverteilung, welche vom lichtempfindlichen Pixelfeld erfasst werden kann. Die spektral aufspaltende Wirkung ist ähnlich der eines Gitters in einem herkömmlichen Spektrometer, allerdings lassen sich vorteilhafter Weise die großen Strahlenwege zwischen Gitter und Detektor umgehen. Die Anregung des lichtempfindlichen Pixelfeldes kann entweder durch propagierende elektromagnetische Wellen oder evaneszente elektromagnetische Wellen erfolgen.
  • Im statischen Betrieb kann eine Detektion einer spektralen Intensitätsverteilung erfolgen. Dabei weist das optische Anregungssignal eine zu erfassende spektrale Intensitätsverteilung auf, d. h. in dem Anregungslicht des optischen Anregungssignals liegen elektromagnetische Wellen mit verschiedenen Frequenzen und Intensitäten vor. Das plasmonisch aktive Nanostrukturfeld wird dabei durch eine Vorrichtung zur Beleuchtung lateral gleichmäßig mit dem Anregungslicht des optischen Anregungssignals beleuchtet. In jeder Nanostruktur werden Oberflächenplasmonen bevorzugt durch diejenigen spektralen Komponenten des Anregungslichts des optischen Anregungssignals angeregt, welche in ihrer Frequenz mit der Plasmonresonanzfrequenz der jeweiligen Nanostruktur übereinstimmen. Da verschiedene Plasmonresonanzfrequenzen innerhalb des Nanostrukturfeldes in Form eines Gradienten verteilt sind, kann jeder Resonanzfrequenz ein Ort mit den Koordinaten x oder x, y innerhalb des Pixelfeldes zugeordnet werden. Die Intensität des einfallenden optischen Anregungssignals an einem Ort mit den Koordinaten x oder x, y, d. h. für eine Frequenz, wird von den mit dem Nanostrukturfeld fest verbundenen lichtempfindlichen Pixeln erfasst. Während die das Licht aufnehmende Seite des Nanostrukturfeldes ohne Bindung zum Pixelfeld ist, ist die die Intensität mit der resonanten Wellenlänge übergebende Seite der Nanostruktur mit dem jeweiligen lichtempfindlichen Pixel des Pixelfeldes fest verbunden.
  • Die Frequenz wird von der resonanten plasmonisch aktiven Nanostruktur – je nach Wahl von Nanostrukturgröße, Nanostrukturform, Nanostrukturabstand und Nanostrukturmaterial sowie des Nanostrukturumgebungsmediums (in den Freiräumen und/oder Zwischenräumen) – besonders stark absorbiert oder abgestrahlt. Entsprechend der Intensität, mit der eine bestimmte Wellenlänge im Anregungslicht des optischen Anregungssignals vorliegt, ist das jeweilige lichtempfindliche Pixel somit einer hohen oder geringen Lichtintensität ausgesetzt. Aus der vom pixellierten Substrat erfassten lateralen Intensitätsverteilung kann somit die spektrale Intensitätsverteilung des optischen Anregungssignals ermittelt werden.
  • Im Betrieb kann vor, zwischen oder nach der Messung der Intensitätsverteilung eine Beleuchtung mit einer vorgegebenen Wellenlänge oder einer Wellenlängenverteilung erfolgen, welche als Referenz für die Messung dient. Mit der Referenzmessung können Veränderungen am Gradienten, z. B. durch eine thermische Ausdehnung erfasst werden.
  • Das bedeutet des Weiteren, dass sich die wellenlängensensitive Empfindlichkeit des Moduls auf eine konkrete Temperatur oder auf einen vorgegebenen Temperaturbereich bezieht, wobei die Referenzmessungen mit dem vorgegebenen Umgebungsmedium und auch die zugehörigen Messungen mit dem zu bestimmenden Umgebungsmedium ebenfalls auf die konkrete Temperatur oder auf einen vorgegebenen Temperaturbereich ausgerichtet sind. Abweichungen der Temperatur haben zusätzlich zu berücksichtigende Oberflächenplasmonesonanzverschiebungen zur Folge.
  • Somit kann das wellenlängensensitive plasmonisch aktive Modul auch in einem Temperatursensor eingebaut oder auch als solcher realisiert sein.
  • Es kann neben dem statischen Betrieb auch ein dynamischer Betrieb bei der Detektion von spektralen Signaländerungen erfolgen.
  • Hierbei kann das optische Anregungssignal Intensitätsmaxima oder Intensitätsminima bei einer Frequenz oder bei mehreren Frequenzen aufweisen, die spektrale Verteilung wird wie oben beschrieben erfasst. Bei einer spektralen Änderung des optischen Anregungssignals verschieben sich die Orte x oder x, y der resonanten Anregung von Oberflächenplasmonen lateral auf dem Nanostrukturfeld, wobei die räumliche Verschiebung durch das Pixelfeld erfasst werden kann.
  • Die Nanostrukturen auf dem pixellierten Substrat bestehen somit aus wellenlängensensitivem plasmonisch aktivem Material.
  • Die substratüberstehenden Nanostrukturen können auf dem pixellierten Substrat vorzugsweise als Stäbchen oder Kugeln oder als andere Geometriekörper auch mit unterschiedlicher Orientierung ausgebildet sein.
  • Das wellenlängensensitive plasmonisch aktive Modul kann im Wesentlichen für Detektoren, insbesondere Spektralapparate vorgesehen sein.
  • Die jeweiligen lichtempfindlichen Pixel des pixellierten Substrats können mit Elektroden oder einem Elektrodensystem versehen sein, die/das mit einer Steuereinheit energieversorgungstechnisch und signaltechnisch verbunden sind/ist, die dem Modul wahlweise substratintern zugeordnet ist.
  • Ein Vorteil des wellenlängensensitven plasmonisch aktiven Moduls besteht darin, dass auf makroskopische Einrichtungen zur Übertragung optischer Signale zwischen Nanostrukturen und Detektor verzichtet werden kann.
  • Durch das direkte Aufbringen des plasmonisch aktiven Nanostrukturfeldes auf das pixellierte Substrat wird die Baugröße des wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls enorm herabgesetzt. Darüber hinaus kann durch eine angepasste Wahl des plasmonisch aktiven Materials bzw. der Nanostrukturgeometrie ein sehr großer Spektralbereich von ultravioletten bis hin zu nahen infraroten elektromagnetischen Strahlen mit dem erfindungsgemäßen Modul eines betreffenden Gerätes/Spektralapparates untersucht werden.
  • Unter herkömmlichen Bedingungen sind dagegen mehrere konventionelle Elemente und Geräte notwendig.
  • Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindungen werden in weiteren Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Elements mit einem Nanostrukturfeld aus beabstandeten vollzylindrischen Nanostäbchen mit einem stufenförmigen Abstandsgradienten Δd, der mit Δd = di – di-1 in einer Dimension definiert ist, nach dem Stand der Technik,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Anwendung des Elements für die oberflächenverstärkte Spektroskopie, wobei das Element mit Molekülen gefüllt ist und einen spektralen Gradienten der Resonanz auf Grund eines ausgewählten Geometriegradienten (nicht dargestellt) besitzt, nach dem Stand der Technik,
  • 3 eine Seitenansicht eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls mit stäbchenförmigen Nanostrukturen mit einem stufenförmigen Gradienten Δa bezüglich der Länge a der stäbchenförmigen Nanostrukturen,
  • 4a eine Seitenansicht eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls mit stäbchenförmigen Nanostrukturen mit einem stetigen Gradienten ∂a bezüglich der Länge a der stäbchenförmigen Nanostrukturen,
  • 4b eine schematische perspektivische Darstellung eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls mit stäbchenförmigen Nanostrukturen nach 4a,
  • 5a eine Seitenansicht eines wellenlängensensitiven plasmonischen Moduls mit kugelförmigen Nanostrukturen mit einem stetigen Gradienten ∂R bezüglich des Durchmessers R der kugelförmigen Nanostrukturen,
  • 5b eine schematische perspektivische Darstellung eines wellenlängensensitiven plasmonischen Moduls mit kugelförmigen Nanostrukturen mit einem stetigen Gradienten ∂R bezüglich des Durchmessers R der kugelförmigen Nanostrukturen nach 5a.
  • In 3 ist eine schematische Darstellung eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls 40 zur spektral aufgelösten Detektion von einfallendem Licht eines optischen Anregungssignals 22 für einen Detektor eines Spektralapparates in Seitenansicht gezeigt, wobei das Modul 40 zumindest besteht aus
    • – einem Substrat 2 als Trägermaterial und
    • – einem auf dem Substrat 2 aufgebrachten Feld 6 von substrathervorstehenden Nanostrukturen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 in Form von Nanostäbchen mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz,
    wobei den Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem stufenförmigen Gradienten Δa verbunden ist, wobei die Ausbildung abhängig ist von dem eine dielektrische Funktion aufweisenden Material der Nanostäbchen, von der Geometrie a, b, d der vorgegebenen Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21, von den Eigenschaften eines Umgebungsmediums 42 der Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 und/oder von vorgegebenen Positionen x der Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 relativ zu einem Detektionsvolumen (nicht eingezeichnet), wobei a die Länge oder Höhe in z-Richtung, b den Durchmesser der Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 und d den Abstand zwischen zwei Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 darstellen, wobei die Koordinaten x, z einem zugehörigen xyz-Koordinatensystem 45 zugeordnet sind.
  • Erfindungsgemäß ist das Substrat 2 mit lichtempfindlichen Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 versehen, wobei im festen Verbund mit dem pixellierten Substrat 2 auf dem Substrat das Feld 6 der plasmonisch aktiven Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 aufgebracht ist, wobei das Nanostäbchenfeld 6 einen stufenförmigen Gradienten Δa der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 bezüglich der Länge a aufweist, wobei sich der Gradient Δa über mindestens einen Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 jeweils einem Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 zugeordnet sind, die je nach Wellenlänge des einfallenden Lichtes 22 resonant auf das einfallende Licht 22 reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 des pixellierten Substrats 2 erzeugen.
  • Das einfallende Licht kann eine Wellenlängenverteilung im Wellenlängenbereich von etwa 100 nm (Ultraviolett) bis 3000 nm (nahes Infrarot) haben.
  • In 3 stellt das wellenlängensensitive plasmonisch aktive Modul 40 einen mit einem pixellierten Substrat 2 versehenen CCD-Chip in einer Seitenansicht dar, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 sowie mit Freiräumen 29 seitlich der Pixel und mit Zwischenräumen 30 zwischen den Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 versehen ist, wobei einem Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 mindestens ein plasmonisch aktives Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 und wahlweise den Freiräumen 29 und den Zwischenräumen 30 ebenfalls mindestens ein Nanostäbchen 23, 24, 25, 26, 27, 28 zugeordnet sind, wobei die Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 23, 24, 25, 26, 27, 28 vorzugsweise senkrecht zur Chip-Pixel-Oberfläche 33 gerichtet angeordnet sind und wobei die vom Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts 22 korreliert und eine spektrale Aufspaltung des einfallenden Lichtes 22 im Modul 40 herbeigeführt wird.
  • Das auf das Modul 40 einfallende Licht 22 wird im Allgemeinen von einer Vorrichtung 41 zur Beleuchtung abgestrahlt.
  • Dabei kann die Richtung des einfallenden Lichtes 22 nicht nur senkrecht zum Substrat 2 ausgerichtet sein, sondern je nach beabsichtigter Oberflächenplasmonresanz in den Nanostäbchen kann das von der Vorrichtung 41 zur Beleuchtung abgestrahlte Licht 22 unter einem mit dem Gradienten abgestimmten und vorgegebenen Einfallswinkel auf das Nanostrukturfeld 6 einfallen.
  • Dabei können die Gradienten nicht nur als stufenförmige Gradienten Δ, sondern auch als stetige Gradienten ∂ gemäß der Druckschrift DE 10 2007 037 201.0 ausgebildet sein.
  • Die jeweiligen Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 können vorzugsweise mit Elektroden oder mit einem Elektrodensystem (nicht eingezeichnet) versehen sein, die/das mit einer Steuereinheit 32 energieversorgungs- und signaltechnisch verbunden sind/ist.
  • Die plasmonisch aktiven Nanostrukturen können als Stäbchen oder Kugeln oder andere geometrische Körper auch mit unterschiedlicher Orientierung zur Pixeloberfläche 33/zum Pixelfeld 43 ausgebildet sein.
  • Im Folgenden wird die Funktionsweise des wellenlängensensitiven Moduls 40 zur spektral aufgelösten Detektion von Licht als Spektrometer anhand der 3 erläutert, wobei die Nanostrukturen als Nanostäbchen ausgebildet sind. Die Funktionsweise kann im Wesentlichen auf die Funktionsweise anderer geometrischer Körper übertragen werden.
  • Das gradientenbehaftete Nanostäbchenfeld 6, welches direkt auf dem pixellierten Substrat 2 aufgebracht sind, erlaubt eine Übersetzung der spektral kodierten Information im optischen Anregungssignal 22 hin zu einer räumlich kodierten Intensitätsverteilung, welche vom Modul 40 erfasst werden kann. Die Übersetzung ist ähnlich der eines Gitters in einem herkömmlichen Spektrometer, allerdings lassen sich hier die großen Lichtstrahlwege zwischen Gitter und Detektor umgehen. Die Anregung des gradientenbehafteten Nanostäbchenfeldes 6 kann entweder durch propagierende Lichtwellen oder evaneszente Lichtwellen der einfallenden Lichtverteilung des optischen Anregungssignals 22 erfolgen.
  • Im statischen Betrieb kann eine Detektion einer spektralen Intensitätsverteilung erfolgen. Dabei weist das optische Anregungssignal 22 eine zu erfassende spektrale Intensitätsverteilung auf, d. h. in dem Anregungslicht des optischen Anregungssignals 22 liegen elektromagnetische Wellen mit verschiedenen Frequenzen und Intensitäten vor. Das Nanostäbchenfeld 6 wird durch die Vorrichtung 41 zur Beleuchtung lateral gleichmäßig mit dem Anregungslicht des optischen Anregungssignals 22 beleuchtet. In jedem Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 werden Oberflächenplasmonen bevorzugt durch diejenigen spektralen Komponenten des Anregungslichtes des optischen Anregungssignals 22 angeregt, welche in ihrer Frequenz mit der Plasmonresonanzfrequenz der jeweiligen Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 übereinstimmen. Da verschiedene Plasmonresonanzfrequenzen innerhalb des Nanostäbchenfeldes 6 in Form des stufenförmigen Gradienten Δa verteilt sind, kann jeder Resonanzfrequenz ein Ort mit den Koordinaten x und/oder x, y in 4b/5b innerhalb des Nanostäbchenfeldes 6 zugeordnet werden. Die Intensität des einfallenden optischen Anregungssignals 22 an einem Ort mit den Koordinaten x, y, d. h. für eine Frequenz, wird von den lichtempfindlichen Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 unter dem plasmonisch aktiven Nanostäbchenfeld 6 erfasst. Die Frequenz wird von dem resonanten Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 – je nach Wahl von Nanostäbchengröße, Nanostäbchenform, Nanostäbchenabstand und Nanostäbchenmaterial sowie des Nanostäbchenumgebungsmediums 42 (in den Freiräumen 29 und/oder Zwischenräumen 30) – besonders stark absorbiert oder abgestrahlt. Entsprechend der Intensität, mit der eine bestimmte Wellenlänge im Anregungslicht des optischen Anregungssignals 22 vorliegt, ist das jeweilige Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 somit einer hohen oder geringen Lichtintensität ausgesetzt. Aus der vom pixellierten Substrat 2 erfassten lateralen Intensitätsverteilung kann somit die spektrale Intensitätsverteilung des optischen Anregungssignals 22 ermittelt werden.
  • Im Betrieb kann vor, zwischen oder nach der Messung der Intensitätsverteilung eine Beleuchtung mit einer vorgegebenen Wellenlänge erfolgen, welche als Referenz dient. Mit der Referenzmessung können Veränderungen am Gradienten Δa, hervorgerufen z. B. durch thermische Ausdehnung, erfasst werden.
  • Es kann andererseits auch ein dynamischer Betrieb bei der Detektion von spektralen Signaländerungen erfolgen.
  • Hierbei kann das optische Anregungssignal 22 Intensitätsmaxima oder Intensitätsminima bei einer Frequenz oder mehreren Frequenzen aufweisen, die spektrale Intensitätsverteilung wird wie oben beschrieben erfasst. Bei einer spektralen Änderung des optischen Anregungssignals 22 verschieben sich die Orte x, y der resonanten Anregung von Oberflächenplasmonen lateral auf dem Nanostäbchenfeld 6, wobei die räumliche Verschiebung durch das Pixelfeld 43 erfasst werden kann.
  • Des Weiteren kann das Modul 40 zur spektral aufgelösten Detektion von Licht als Sensor ausgebildet sein, dessen Funktionsweise im Folgenden erläutert wird.
  • Das gradientenbehaftete Nanostäbchenfeld 6 in 4a, 4b wird mit einer monochromatischen Lichtquelle 41 oder einer polychromatisch, spektral nicht gleich verteilten Lichtquelle mit einem emittierten optischen Anregungssignal 22 beleuchtet. Die spektralen Eigenschaften des Anregungslichtes des optischen Anregungssignals 22 ändern sich im Betrieb nicht. Durch einen Betrieb wie im statischen Betrieb der Detektion von Intensitätsmaxima oder Intensitätsminima wird die spektrale Intensitätsverteilung durch das Pixelfeld 43 erfasst.
  • Dabei sind I1(λ) die Intensitätsverteilung im optischen Anregungssignal 22 und I1(x) die Intensitätsverteilung auf der Pixeloberfläche 33 im Ausgangszustand.
  • Ändert sich der Brechungsindex n im Umgebungsmedium 42 des Nanostäbchenfeldes 6, etwa durch Aufbringen eines Analysematerials (z. B. einer Flüssigkeit) oder durch das chemische Anbinden von Molekülen (z. B. von Biomolekülen und/oder Gasmolekülen), so verschiebt sich der Plasmonresonanzgradient lateral innerhalb des Nanostäbchenfeldes 6 um die Strecke Δx und/oder Δy als laterale Veränderungen auf dem Pixelfeld 43.
  • Da die Resonanzbedingung nun an einem anderen Ort erfüllt wird, erfasst das Pixelfeld 43 eine um Δx und/oder Δy lateral verschobene Intensitätsverteilung I2(x) oder I2(y) und I2(x, y).
  • Die laterale Veränderung Δx und/oder Δy der Intensitätsverteilung von I1(x) nach I2(x) bzw. von I1(x, y) nach I2(x, y) auf dem Pixelfeld 43 ist charakteristisch für die Änderung des Brechungsindex n des Umgebungsmediums 42 und erlaubt eine Messung der Änderung Δn des Brechungsindex n des Umgebungsmediums 42 und somit die Bestimmung des Umgebungsmediums 42.
  • Dabei sind I1(λ) und I1(x) die Intensitätsverteilungen des Lichts vor der Änderung des Brechungsindex n oder bei Berücksichtigung von Referenzmessmöglichkeiten gleich den Intensitätsverteilungen Iref(λ) und Iref(x), während I2(λ) und I2(x) die Intensitätsverteilungen des Lichts nach der Änderung des Brechungsindex n sind.
  • Wahlweise kann auf dem Nanostäbchenfeld 6 z. B. auch ein Referenzmessgebiet 53, wie in 4b gezeigt ist, vorgesehen sein, in welchem der Brechungsindex nref nicht verändert wird und die laterale Intensitätsverteilung I1(x) auf dem Pixelfeld 43 somit erhalten bleibt. Der Vergleich zwischen Referenzmessgebiet 53 des Nanostäbchenfeldes 6 mit dem vorgegebenen Brechungsindex nref mit der Intensitätsverteilung Iref(x) = I1(x) und aktivem Messgebiet 54 des Nanostäbchenfeldes 6 mit dem unbekannten, zu bestimmenden Brechungsindex n mit der Intensitätsverteilung I2(x) ermöglicht ein genaueres Auslesen, da z. B. Änderungen der Beleuchtung mit dem optischen Anregungssignal 22 ausgeschlossen werden können. Dabei können das Referenzmessgebiet 53 und das aktive Messgebiet 54 zumindest durch eine Trenneinrichtung 55, vorzugsweise eine Trennwand voneinander getrennt sein. Dabei ist auch eine entsprechende signaltechnische Trennung zwischen den beiden Gebieten 53, 54 sowohl auf und im Substrat 2 als auch in der ans Pixelfeld 43 angeschlossenen Steuereinheit 32 vorgesehen.
  • Schließlich kann der Brechungsindex n des Umgebungsmediums 42 über folgenden Zusammenhang aus der Brechungsindexänderung Δn bestimmt werden Δn = f[x2(λ) – x2(λ)] mit Δx = x2(λ) – x1(λ).
  • Daraus folgt der zu bestimmende Brechungsindex n in Bezug auf den Referenzbrechungsindex nref mit n = nref + Δn.
  • Gleiche Zusammenhänge gelten auch für die laterale Verschiebung der Koordinate y bzw. für die beiden Koordinaten x, y.
  • In dem wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Modul 40 werden folgen Anforderungen an das plasmonisch aktive Nanostrukturfeld 6 gestellt:
    • – der Plasmonresonanzgradient ∂, Δ ist in mindestens einer Richtung der Koordinate x, gegebenenfalls auch in einer zweiten Richtung der Koordinate y senkrecht zur Richtung der Koordinate x ausgebildet,
    • – der Plasmonresonanzgradient ∂, Δ wird durch einen Formgradienten ∂, Δ, einen Größengradienten ∂, Δ in z-Richtung des xyz-Koordinatensystems 45, einen Abstandsgradienten ∂, Δ oder einen Materialgradienten ∂, Δ der Nanostrukturen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 oder einen Gradienten ∂, Δ des Umgebungsmediums 42 bevorzugt linear in x (und y) eingestellt, kann aber auch nichtlinear in x (und/oder y) verlaufen, insbesondere kann der Gradient ∂, Δ so ausgebildet werden, dass nicht die Resonanzfrequenz linear in x (und/oder y), sondern die abgestrahlte/absorbierte Intensität linear in x (und/oder y) vorliegt,
    • – als Nanostrukturform können insbesondere Kugeln und Stäbchen, aber auch andere geometrische Formen eingesetzt sein. Stäbchen können flach auf dem pixellierten Substrat 2 liegen oder senkrecht davon abstehen. Auch können die Formen zur Ausbildung des Gradienten ineinander übergehen (z. B. rund nach oval),
    • – der Plasmonresonanzgradient ∂, Δ wird derart gestaltet, dass auf jeden lichtempfindlichen Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 nur eine Resonanzfrequenz vorliegt (z. B. entweder bei ausreichend flachem Gradienten oder bei großem Nanostrukturabstand d),
    • – das Nanostrukturfeld 6 weist eine möglichste hohe Nanostrukturdichte auf, um die Unterschiede in den detektierbaren Intensitäten möglichst gering zu halten und die Auflösung des einfallenden optischen Anregungssignals 22 zu vergrößern.
  • Des Weiteren kann folgende weitere Anorderung an das Nanostrukturfeld 6 vorgegeben sein, dass
    • – für eine sensitive Detektion kann die Steigung des Gradienten der Plasmonresonanzfrequenz flach im Vergleich zur spektralen Änderung des optischen Anregungssignals 22 sein, d. h. eine spektrale Änderung eines Intensitätsmaximums im Anregungslicht des optischen Anregungssignals 22 führt zu einer lateralen Verschiebung des Resonanzfalles innerhalb des Nanostrukturfeldes 6 über mindestens einen Teil der Breite eines Pixels.
  • Auch werden Anforderungen an das Pixelfeld 43 gestellt:
    • – zumindest eine eindimensionale Pixelzeile oder ein zweidimensionales Pixelfeld 43,
    • – möglichst geringer Abstand zwischen dem lichtempfindlichem Pixelfeld 43 und dem auf dem Substrat 2 aufgebrachtem Nanostrukturfeld 6,
    • – im Fall eines eindimensionalen Plasmonresonanzgradienten ∂, Δ befindet sich der Plasmonresonanzgradient ∂, Δ parallel zu einer Seitenkante 44 des rechtwinkligen Pixelfeldes 6, wobei die Intensitätsinformation aller Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 senkrecht zu der Seitenkante 44 zeilenweise integrierbar sind, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
  • In 4a stellt das Modul 401 einen mit einem pixellierten Substrat 2 versehenen CCD-Chip auch in Seitenansicht dar, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15 sowie mit Freiräumen 29 seitlich der Pixel 10 und 15 und mit Zwischenräumen 30 zwischen den Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15 versehen ist, wobei einem Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 mindestens ein Nanostäbchen 46, 47 und wahlweise den Freiräumen 29 (in 4a, 4b kein Nanostäbchen eingezeichnet) und den Zwischenräumen 30 ebenfalls mindestens ein Nanostäbchen 48 zugeordnet sind, wobei die Nanostäbchen 46, 47; 48 vorzugsweise senkrecht zur Chip-Pixel-Oberfläche 33 gerichtet angeordnet sind, wobei das Nanostäbchenfeld 6 einen stetigen Gradienten ∂a der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostäbchen 46, 47; 48 bezüglich der Länge a aufweist, wobei der Gradient ∂a sich gleichmäßig über alle Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostäbchen jeweils einem Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 zugeordnet sind, und wobei die vom Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts 22 korreliert, wodurch eine spektrale Aufspaltung des einfallenden Lichtes 22 im Modul 401 herbeigeführt wird.
  • In 4b ist das Modul 401 mit dem pixellierten Substrat 2 nach 4a in einer perspektivischen Darstellung angegeben.
  • Insgesamt gesehen, richten sich in den 3 und 4a, 4b die Nanostäbchen bzw. Nanostäbchengeometrie an dem jeweiligen Plasmonresonanzgradient Δa oder ∂a aus. Im Resonanzfall mit einer Wellenlänge des einfallenden Lichtes des optischen Anregungssignals 22 leiten die Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48 das die Resonanzinformation enthaltende Licht zum jeweiligen zugehörigen CCD-Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17; 10, 11, 12, 13, 14, 15. Die Weiterleitung betrifft im Allgemeinen also eine Übergabe von Intensitätsinformationen von den Nanostäbchen 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48 aus in Richtung zu den Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17; 10, 11, 12, 13, 14, 15 des Pixelfeldes 43.
  • In 5a und 5b sind schematische Darstellungen eines wellenlängensensitiven plasmonisch aktiven Moduls 402 in einer Seitenansicht und in einer perspektivischen Ansicht zur spektral aufgelösten Detektion von einfallendem Licht mit dem optischen Anregungssignal 22 für einen Detektor gezeigt, wobei das Modul 402 zumindest besteht aus
    • – einem Substrat 2 als Trägermaterial und
    • – einem auf dem Substrat 2 aufgebrachten Feld 6 von substrathervorstehenden Nanostrukturen 50, 51, 52 in Form von Nanokugeln mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz,
    wobei den Nanokugeln 50, 51, 52 Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem stetigen Gradienten ΔR verbunden sind, wobei die Ausbildung des Gradienten ΔR abhängig ist von dem Material der Nanokugeln, von dem Durchmesser R der vorgegebenen Nanokugeln 50, 51, 52, von den Eigenschaften eines Umgebungsmediums 42 der Nanokugeln 50, 51, 52 und/oder von einer vorgegebenen Position x, y des Nanokugelfeldes 6 relativ zu einem Detektionsvolumen, wobei R den Durchmesser der Nanokugeln 50, 51, 52 und d den Abstand zwischen zwei benachbarten Nanokugeln darstellen.
  • Die Positionen x, y des Pixelfeldes 43 sind vorzugsweise einem der Pixeloberfläche 33 zugehörigen xyz-Koordinatensystem 45 zugeordnet.
  • Das Substrat 2 in 4a und 4b ist zumindest mit den lichtempfindlichen Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15 versehen, wobei direkt auf dem pixellierten Substrat 2 das Nanokugelfeld 6 der plasmonisch aktiven Nanokugeln 50, 51, 52 aufgebracht ist, wobei das Nanokugelfeld 6 den stetigen Gradienten ∂R der Oberflächenplasmonresonanz der Nanokugeln 3, 4, 5, 18, 19, 20, 21 bezüglich des Durchmessers R aufweist, wobei der stetige Gradient ∂R sich über mindestens einen Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanokugeln 50, 51, 52 jeweils einem Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 zugeordnet sind, die je nach Wellenlänge des einfallenden Lichtes 22 resonant auf das einfallende Licht 22 reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder elektromagnetische Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15 des pixellierten Substrats 2 erzeugen.
  • In 5b ist das Modul 402 perspektivisch dargestellt, das mit dem pixellierten Substrat 2 einen CCD-Chip ausbildet, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15 und mit einem Freiraum 29 seitlich der Pixel 50, 51 und mit Zwischenräumen 30 zwischen den Pixeln 10, 11, 12, 13, 14, 15 versehen ist, wobei einem Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 mindestens eine plasmonisch aktive Nanokugel 50, 51 und wobei wahlweise dem Freiraum 29 Nanokugeln (nicht eingezeichnet) und den Zwischenräumen 30 ebenfalls Nanokugeln 52 zugeordnet sind, wobei die Nanokugeln 50, 51, 52 im festen Verbund mit der Chip-Pixeloberfläche 33 angeordnet sind und wobei die vom Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15 gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts 22 korreliert, wodurch die spektrale Aufspaltung des einfallenden Lichtes 22 herbeigeführt wird.
  • Insgesamt gesehen, richten sich in den 5a, 5b die jeweiligen plasmonisch aktiven Nanostrukturen 50, 51, 52 bzw. die Nanostrukturgeometrie an dem stetigen Plasmonresonanzgradienten ∂R aus. Im Resonanzfall mit einer Wellenlänge des einfallenden Lichtes – mit dem optischen Anregungssignal 22 – leiten die plasmonisch aktiven Nanostrukturen 50, 51 das die Resonanzinformation enthaltende Licht zum zutreffenden lichtempfindlichen CCD-Pixel 10, 11, 12, 13, 14, 15.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Element zur oberflächenverstärkten Spektroskopie
    2
    Substrat
    3
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    4
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    5
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    6
    Nanostrukturfeld/Stäbchenfeld
    7
    Moleküle
    8
    Detektionsvolumen
    9
    Spektraler Gradient
    10
    Pixel
    11
    Pixel
    12
    Pixel
    13
    Pixel
    14
    Pixel
    15
    Pixel
    16
    Pixel
    17
    Pixel
    18
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    19
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    20
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    21
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    22
    Einfallendes Licht
    23
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    24
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    25
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    26
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    27
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    28
    Nanostruktur/Nanostäbchen
    29
    Freiraum
    30
    Zwischenraum
    31
    Bewegungsrichtung
    32
    Steuereinheit
    33
    Chip-Pixeloberfläche
    40
    erfindungsgemäßes erstes Modul
    401
    Modul mit stetigem Gradienten ∂a
    402
    Modul mit stetigem Gradienten ∂R
    41
    Vorrichtung zur Beleuchtung
    42
    Umgebungsmedium
    43
    Pixelfeld
    44
    Seitenkante
    45
    xyz-Koordinatensystem
    46
    Nanostäbchen
    47
    Nanostäbchen
    48
    Nanostäbchen
    50
    Nanokugel
    51
    Nanokugel
    52
    Nanokugel
    53
    Referenzmessgebiet
    54
    aktives Messgebiet
    55
    Trenneinrichtung
    a
    Länge
    b
    Durchmesser
    d
    Abstand
    R
    Durchmesser
    Δ
    stufenförmiger Gradient
    ∂
    stetiger Gradient
    x
    Koordinate
    y
    Koordinate
    z
    Koordinate
    Δa
    stufenförmiger Gradient
    ∂a
    stetiger Gradient
    ∂R
    stetiger Gradient
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007037201 [0002, 0047]

Claims (23)

  1. Wellenlängensensitives plasmonisch aktives Modul (1, 40, 401, 402) zur spektral aufgelösten Detektion von Licht (22), bestehend zumindest aus – einem Substrat (2) als Trägermaterial und – einem auf dem Substrat (2) aufgebrachten Feld (6) von substrathervorstehenden Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) mit einer vorgegebenen Oberflächenplasmonresonanz, wobei den plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) Oberflächenplasmonresonanzen zugeordnet sind, die mit einer Ausbildung von mindestens einem Gradienten (∂, Δ) – einem stetigen Gradienten (∂) und/oder einem stufenförmigen Gradienten (Δ) – verbunden sind, wobei die Ausbildung abhängig ist von dielektrische Funktionen aufweisendem Material der Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52), von der Geometrie der vorgegebenen Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52), von den Eigenschaften des Umgebungsmediums (42) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) und/oder von vorgegebenen Positionen (x, y) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) relativ zu einem Detektionsvolumen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) mit lichtempfindlichen Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) versehen ist, wobei im festen Verbund mit dem pixellierten Substrat (2) ein Feld (6) plasmonisch aktiver Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) auf dem Substrat (2) aufgebracht ist, wobei das Nanostrukturfeld (6) mindestens einen Gradienten (∂, Δ) der Oberflächenplasmonresonanz der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) aufweist, wobei sich der Gradient (∂, Δ) über mindestens ein Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) erstreckt und eine vorgegebene Anzahl von Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) jeweils einem Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) zugeordnet sind, die je nach Wellenlänge des einfallenden Lichts (22) resonant auf das einfallende Licht (22) reagieren und durch ein überhöhtes optisches evaneszentes elektromagnetisches Feld oder durch verstärkte oder verminderte elektromagnetische Abstrahlung oder verstärkte oder verminderte elektromagnetische Absorption ein elektrisches Signal in den entsprechenden lichtempfindlichen Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) des pixellierten Substrats (2) erzeugen.
  2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als pixelliertes Substrat (2) ein CCD-Chip vorgesehen ist, der mit lichtempfindlichen CCD-Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) und mit Freiräumen (29) sowie mit Zwischenräumen (30) zwischen den Pixeln (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) versehen ist, wobei einem lichtempfindlichen Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) mindestens eine plasmonisch aktive Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51, 52) und wahlweise den Freiräumen (29) und den Zwischenräumen (30) mindestens eine plasmonisch aktive Nanostruktur (23, 24, 25, 26, 27, 28; 48; 52) zugeordnet sind, wobei die Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48; 50, 51, 52) auf der Chip-Pixeloberfläche (33) angeordnet sind und wobei die vom Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) gemessene Intensität mit der Intensität der entsprechenden Wellenlänge des einfallenden Lichts (22) korreliert, wodurch eine spektrale Aufspaltung des einfallenden Lichts (22) herbeigeführt wird.
  3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48; 50, 51, 52) und die Nanostrukturgeometrie sich an dem zugehörigen Plasmonresonanzgradient (∂, Δ) ausrichten, wobei im Resonanzfall mit einer Wellenlänge des einfallenden Lichts (22) die Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 46, 47, 48; 50, 51) die einfallende elektromagnetische Welle zum jeweiligen lichtempfindlichen CCD-Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) leitet.
  4. Modul nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48; 50, 51, 52) aus wellenlängensensitivem plasmonisch aktivem Material bestehen.
  5. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmonisch aktiven Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48) auf dem pixellierten Substrat (2) als Stäbchen ausgebildet sind, wobei die Stäbchen flach auf dem pixellierten Substrat (2) liegen oder senkrecht vom Substrat (2) abstehen oder in einem vorgegebenen Winkel zum Substrat (2) orientiert sind.
  6. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmonisch aktiven Nanostrukturen (50, 51, 52) auf dem pixellierten Substrat (2) als Kugeln oder als andere Geometriekörper mit jeweils vorgegebener Ausrichtung ausgebildet sind.
  7. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmonresonanzgradient (∂, Δ) in mindestens einer x-Richtung oder gegebenenfalls auch in einer zweiten y-Richtung senkrecht zur x-Richtung ausgebildet ist.
  8. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmonresonanzgradient (∂, Δ) zumindest durch einen Formgradienten (∂, Δ), einen Größengradienten (∂, Δ) in z-Richtung des xyz-Koordinatensystems (45), einen Abstandsgradienten (∂, Δ) und/oder einen Materialgradienten (∂, Δ) der Nanostrukturen (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21) und/oder einen Gradienten (∂, Δ) des Umgebungsmediums (42) linear in x- und y-Richtung eingestellt ist.
  9. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmonresonanzgradient (∂, Δ) nichtlinear in x- und/oder y-Richtung verläuft, wobei der Gradient (∂, Δ) so ausgebildet ist, dass nicht die Resonanzfrequenz linear in x (und/oder y)-Richtung, sondern die abgestrahlte/absorbierte Intensität linear in x (und/oder y)-Richtung vorliegt.
  10. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formen der Nanostrukturen zur Ausbildung des Gradienten (∂, Δ) ineinander übergehen.
  11. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmonresonanzgradient (∂, Δ) derart gestaltet ist, dass auf jeden lichtempfindlichen Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) nur eine Resonanzfrequenz entweder bei ausreichend flachem Gradienten (∂, Δ) oder bei großem Nanostrukturabstand (d) vorliegt.
  12. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanostrukturfeld (6) eine hohe Nanostrukturdichte aufweist, um die Unterschiede in den detektierbaren Intensitäten möglichst gering zu halten und die Intensitätssignalauflösung zu vergrößern.
  13. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanostrukturfeld (6) derart vorgegeben ist, dass für eine sensitive Detektion die Steigung des Gradienten der Plasmonresonanzfrequenz flach im Vergleich zur spektralen Änderung des optischen Anregungssignals (22) ist, wobei eine spektrale Änderung eines Intensitätsmaximums im Anregungslicht des optischen Anregungssignals (22) zu einer lateralen Verschiebung des Resonanzfalles innerhalb des Nanostrukturfeldes (6) über mindestens einen Teil der Breite eines Pixels (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) führt.
  14. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dass in dem Nanostrukturfeld (6) Nanostrukturen vorhanden sind, von denen zumindest ein Nanostrukturteil der Nanostrukturen mit plasmonisch aktivem Material versehen ist, wobei der Nanostrukturteil als plasmonisch aktiver Teil ausgebildet ist.
  15. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pixelfeld (43) derart ausgebildet ist, dass – zumindest eine eindimensionale Pixelzeile oder ein zweidimensionales Pixelfeld (43) und/oder – ein geringer Abstand zwischen dem lichtempfindlichen Pixelfeld (43) und den auf dem Substrat (2) aufgebrachten Nanostrukturen, wobei der geringe Abstand die vorgegebene Distanz zwischen dem Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) auf der Pixeloberfläche (33) und dem plasmonisch aktiven Teil der Nanostruktur (3, 4, 5, 18, 19, 20, 21; 23, 24, 25, 26, 27, 28; 46, 47, 48; 50, 51, 52) innerhalb der jeweiligen Nanostruktur ist, vorgesehen sind.
  16. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines eindimensionalen Plasmonresonanzgradienten (∂, Δ) sich der Plasmonresonanzgradient (∂, Δ) parallel zu einer Seitenkante (44) des rechtwinkligen Pixelfeldes (6) befindet, wobei die Intensitätsinformation aller Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) senkrecht zu der Seitenkante (44) zeilenweise integrierbar sind.
  17. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen lichtempfindlichen Pixel (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) des pixellierten Substrats (2) mit Elektroden oder einem Elektrodensystem versehen sind, die/das mit einer Steuereinheit (32) energieversorgungs- und signaltechnisch verbunden sind/ist, die dem Modul (1) wahlweise substratintern zugeordnet ist, wobei der Steuereinheit (32) zumindest eine Auswerteeinheit zugeordnet ist.
  18. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für Spektralapparate vorgesehen ist.
  19. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Änderung des Brechungsindex (n) im Umgebungsmedium (42) des Nanostrukturfeldes (6) sich der Plasmonresonanzgradient (∂, Δ) innerhalb des Nanostrukturfeldes (6) verschiebt und, da die Resonanzbedingung an einem anderen Ort (x, y) erfüllt wird, das Pixelfeld (43) eine lateral verschobene Intensitätsverteilung ΔI(x) oder ΔI(λ) erfasst, wobei I(x) die Intensitätsverteilung auf der Pixeloberfläche (33) und I(λ) die Intensitätsverteilung im optischen Anregungssignal (22) sind.
  20. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Nanostrukturfeld (6) ein Referenzmessgebiet (53) vorgesehen ist, in welchem der Brechungsindex (nref) nicht verändert wird und die laterale Intensitätsverteilung (Iref(λ)) somit erhalten bleibt, wobei der Vergleich zwischen dem Referenzmessgebiet (53) des Nanostrukturfeldes (6) mit dem vorgegebenen Brechungsindex (nref) mit der Intensitätsverteilung Iref(λ) = I1(λ) und dem aktiven Messgebiet (54) des Nanostrukturfeldes (6) mit dem unbekannten, zu bestimmenden Brechungsindex (n) mit der Intensitätsverteilung (I2(λ)) eine Bestimmung des Brechungsindex (n) des im Messgebiet (54) befindlichen Umgebungsmediums (42) ermöglicht.
  21. Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung (ΔI(λ)) der spektral resonanten Intensitätsverteilung ΔI(λ) = I1(λ) – I2(λ) bei gleicher Wellenlänge (λ) im optischen Anregungslicht (22) vor und nach der Verschiebung mit der Intensitätsänderung ΔI(x) = I1(x) – I2(x) am gleichen Ort (x) auf der Pixeloberfläche (33) verbunden ist mit der Änderung des Brechungsindex (n) des Umgebungsmediums (42) und eine Messung der Änderung (Δn) des Brechungsindex (n) durchgeführt wird, wobei I1(λ) und I1(x) die Intensitätsverteilungen vor der Änderung des Brechungsindex (n) und Iref(λ) und Iref(x) die Intensitätsverteilungen bezogen auf eine Referenzmessung mit einem Referenzbrechungsindex (nref) sind, während I2(λ) und I2(x) die Intensitätsverteilungen nach der Änderung des Brechungsindex (n) sind, so dass der Brechungsindex (n) des Umgebungsmediums (42) mit folgenden Beziehungen bezogen auf die Brechungsindexänderung (Δn) bestimmbar ist: Δn = f[x2(λ) – x2(λ)] mit Δx = x2(λ) – x1(λ). und Brechungsindex n = nref + Δn, wobei gleiche Zusammenhänge auch für die laterale Verschiebung in Richtung der y-Koordinate oder der beiden x, y-Koordinaten auf dem Pixelfeld (43) gelten.
  22. Verwendung des Moduls (40, 401, 402) nach den Ansprüchen 1 bis 21 zur Bestimmung von Flüssigkeiten oder Biomolekülen und/oder Gasmolekülen, die als Umgebungsmedium (42) in den Modul (40, 401, 402) eingebunden sind.
  23. Verwendung des Moduls (40, 401, 402) nach den Ansprüchen 1 bis 21 zur Ausbildung von Farbfiltern oder zur Ausbildung von Temperatursensoren.
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