DE102012013241A1 - Microfluidic flow cell for use in arrangement for cavity ring-down absorption spectroscopy for detecting smallest analyte concentration, has optically transparent wafer that is arranged in flow measuring chambers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Mikrofluid-Durchflussküvette zur Verwendung in einer Anordnung zur Cavity-Ring-Down (CRD) Absorptions-Spektroskopie zum Nachweis geringster Analytkonzentrationen.The invention relates to a microfluidic flow cell for use in a cavity ring-down (CRD) absorption spectroscopy system for detecting lowest analyte concentrations.
Bewährte Strukturgrößen von Mikrofluidikchips [z. B.
Die Nutzung von plasmonischen Aktivitäten an chemisch synthetisierten metallischen Nanopartikeln ist als solches ebenfalls bekannt, nicht jedoch in der weiter unten ausgeführten erfindungsgemäßen Lösungsform. Optische Auswertungen von plasmonisch aktivem Material erfolgen in der Regel in handelsüblichen Spektrometerküvetten (keine Durchflussküvetten) in flüssiger Umgebung mittels UV/VIS-Spektrometrie. Dieses Vorgehen erfordert eine entsprechend hohe Konzentration von Nanopartikeln und Analyten, um überhaupt einen Messeffekt hervorzurufen. Bei dieser Technologie binden Analytmoleküle aus einer Flüssigkeit selektiv an die Oberfläche von metallischen Nanopartikeln. Die plasmonisch aktiven Nanopartikel (Nanosensoren) reagieren nach Anbinden der Analytsubstanz mit einer Verschiebung ihrer Resonanzfrequenz auf Grund der geänderten Umgebungsbedingungen (LSPR-Localized Surface Plasmon Resonance-Effekt). Dies drückt sich in einer geringen Absorptionsänderung bzw. einem sich spektral veränderten Verlust aus. Spektral ist entweder direkt eine Änderung der Peakhöhe oder eine Verschiebung des Absorptionsspektrums der Nanopartikel zu beobachten [
Auch ist es bekannt, immobilisierte Partikel auf Mikroskop-Deckgläser oder Objektträger aufzubringen, auf denen der Analyt mittels Fluoreszenzmikroskopie oder Evaneszenzfeld-Mikroskopie nachgewiesen werden kann.It is also known to apply immobilized particles to microscope coverslips or microscope slides on which the analyte can be detected by means of fluorescence microscopy or evanescent field microscopy.
Mikrofluidische Küvetten ermöglichen das Vermessen kleinster Volumina im Bereich zwischen 1 μl und 1 Pikoliter. Die Miniaturisierung geht jedoch einher mit einer drastischen Verringerung der optischen Weglänge von 1 cm in konventionellen Spektrometern auf Weglängen zwischen 10 μm und 500 μm in Mikrofluidik-Systemen. Dies bedingt zugleich eine Verringerung der Empfindlichkeit auf Werte zwischen 1/1000 und 1/20 der Empfindlichkeit in konventionellen Systemen. Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Entwicklung von Chipküvetten wird z. B. in
Vorstehend genannte Verfahren und Vorrichtungen versagen jedoch beim Nachweis geringster Analytkonzentrationen, weil sie, wie vorstehend dargestellt, durch gegenläufige Forderungen an ihre Messgrenze stoßen.However, the above-mentioned methods and devices fail to detect the lowest analyte concentrations because, as shown above, they come to their measuring limit as a result of opposing requirements.
Ebenfalls bereits bekannt ist das Verfahren der sogenannten Cavity-Ring-Down (CRD) Absorptions-Spektroskopie, welches zunächst zur hochgenauen Ermittlung von Gasen und deren Zusammensetzung eingesetzt wurde [
Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrofluid-Durchflussküvette anzugeben, die bei geringen optischen Weglängen zur Verwendung in einer beliebigen Anordnung zur Cavity-Ring-Down Absorptions-Spektroskopie zum Nachweis geringster Analytkonzentrationen geeignet ist und so den Nachweis auch geringster Analytkonzentrationen ermöglicht, die mit bislang bekannten Verfahren des Standes der Technik nicht feststellbar waren. Damit soll sich zugleich die Möglichkeit eröffnen, aufgrund der Verfügbarkeit oder des Preises, auch Analytsubstanzen zu untersuchen, die nur in geringen Mengen zur Verfügung stehen und somit bislang auch nicht in üblichen Durchflussküvetten untersucht werden konnten.The present invention has for its object to provide a microfluidic flow cell, which is suitable for use in any arrangement for cavity-ring-down absorption spectroscopy to detect lowest analyte concentrations at low optical path lengths and thus enables the detection of even the lowest analyte concentrations with Previously known methods of the prior art were not detectable. This should also open up the possibility, due to the availability or the price to investigate also analyte substances that are available only in small quantities and therefore could not be examined so far in conventional flow cells.
Die Aufgabe vorliegender Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.The object of the present invention is achieved by the features of
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to an embodiment. Show it:
Zur Lösung der Aufgabe vorliegender Erfindung wird erfindungsgemäß zunächst eine spezielle Durchflussküvette geschaffen, die sich in der Dicke der zur Verfügung gestellten Messtrecke durch eine außerordentlich geringe optische Weglänge auszeichnet. Gemäß vorliegender Erfindung besteht die Durchflussküvette
Wesentlich im Rahmen vorliegender Erfindung ist die geringe Dicke hg der gesamten Messkammer, die in Abhängigkeit von der Dicke der Fügesubstanz in der Größenordnung von unter 1 mm liegt, so dass sich eine äußerst geringe optische Weglänge bei Durchstrahlung (vgl.
Durch das Aufbringen einer vorbestimmt wählbaren Belegungsdichte von Nanopartikeln
Gemäß vorliegender Erfindung ist es besonders vorteilhaft, eine zusätzliche Referenzkammer
Es liegt aber ebenso im Rahmen der Erfindung, nur eine Kammer
Gemäß der Aufgabe vorliegender Erfindung ist somit eine Mikrofluid-Durchflussküvette
Insbesondere sollen Änderungen des Absorptionsspektrums (Amplituden und spektrale Lage, vgl.
Bei der vorgeschlagenen Lösung ist das Messsignal im Idealfall proportional z. B. zur Konzentration oder der Belegungsdichte des Analyten. Die nach der Erfindung geschaffene Mikrofluid-Durchflussküvette
Die hauptsächlichen Vorteile vorliegender Erfindung bestehen u. a. in Folgendem:
- • die Messung von deutlich geringeren Absorptionsänderungen (2–3 Größenordnungen), als mit Zweistrahlspektrometern (>1 Promille, s. o.) nach dem Stand der Technik, wird hiermit möglich;
- • die dabei erzielbare hohe Genauigkeit und kompakte Bauform ermöglicht Messungen Vor-Ort, d. h. außerhalb von Laborbedingungen;
- • online/real-time-Messung auch während des Experiments sind möglich, da die Messkammer bei der Messung (sprich: bei der Analytzuführung) keine sonstigen Veränderungen erfährt.
- • The measurement of significantly lower absorption changes (2-3 orders of magnitude), as with two-beam spectrometers (> 1 per thousand, so) according to the prior art, is hereby possible;
- • The achievable high accuracy and compact design allows on-site measurements, ie outside of laboratory conditions;
- • Online / real-time measurement is also possible during the experiment, as the measuring chamber does not undergo any other changes during the measurement (ie during analyte delivery).
Das Sensorprinzip, d. h. die Analytmoleküle erzeugen eine Absorptionsänderung an den plasmonisch aktiven Nanopartikeln
Hierfür sind, gemäß der Erfindung, das Mikrofluidiksystem (sprich: die vom Analyten durchströmbare Mikrofluid-Durchflussküvette) und ein Standardaufbau zur CRD-Messung aufeinander abgestimmt. Folgende Punkte sind bei der speziellen Konzipierung des gesamten Messaufbaus im Rahmen der Erfindung grundsätzlich zu berücksichtigen:
- • Die hier für die CRD Anwendung entwickelte Mikrofluid-Durchflussküvette besteht im Gegensatz zu üblichen Mikrofluidikchips aus zwei Chiphälften – bevorzugt einem Quarzglaswafer
2 mit definiert geätzten Strukturen im Durchstrahlbereich (vgl.1 ) und einem Quarzglasdeckplättchen (vgl.2 ), auf dem die plasmonisch aktiven Partikel12 (z. B. Goldpartikel) aufgebracht sind. Die . Oberflächenbelegungsdichte der aufgebrachten Nanopartikel pro cm2 ist dabei so gering zu halten, dass der im CRD Verfahren gemessene Verlust von Mikroküvette mit Nanopartikeln nur gering von dem der leeren Mikroküvette abweicht. Da dieser Verlust (u. a. Absorption) sehr stark von Material, Größe und Form der plasmonisch aktiven Nanopartikel abhängt, kann hier kein konkreter Zahlenwert genannt werden. Entscheidend ist, dass dieBelegung mit Nanopartikeln 12 so vorgenommen wird, dass der durch sie verursachte Verlust injedem Fall unter 1 Promille liegt, damit die Ring-down-Zeiten im (gut messbaren) μs-Zeitbereich liegen. Die theoretischen Grundlagen für die Dimensionierung einer Cavity und damit der Abklingzeiten werden in [G. Berden, R. Engeln: Cavity ring down spectroscopy – Techniques and Applications, Wiley 2009 ISBN: 978-1-4051-7688-0 - • Die Verbindung beider Chipkomponenten ist im Rahmen der Erfindung reversibel gestaltet und kann durch eine Fügesubstanz, z. B. durch Klebefolie, adhäsive chemische Substanzen, thermisch lösbare Substanzen oder dgl. hergestellt werden. Durch diesen Aufbau können alle Komponenten der Mikrofluid-Durchflussküvette nach Reinigung wiederverwendet und ggfs. an geänderte Messanforderungen angepasst werden.
- • Die durch mikrosystemtechnische Ätzprozesse hergestellte Struktur (
1 ), besteht aus einer Messkammer21 , deren laterale Mindest-Ausdehnung in x-y-Richtung durch den Lichtstrahldurchmesser dL (hier definiert durch die 1/e Breite der Intensitätsverteilung des Laserstrahls am Probenort innerhalb der CRD-Anordnung) festgelegt wird. Die Apertur der Mikrofluid-Durchflussküvette 1 am Messort soll erfindungsgemäß in den beiden Richtungen (x, y; vgl.1 ) senkrecht zur Strahlungsrichtung L mindestens den dreifachen Durchmesser dL des Laserstrahls (bei der 1/e Breite) aufweisen. Im speziellen Beispiel weisen die Krümmungsradien der Resonatorspiegel3 (vgl.3 ) z. B. r = 1000 mm und einen Spiegelabstand von 400 mm auf. Daraus folgt aus der Resonatortheorie ein minimal möglicher Strahldurchmesser (Grundmode der Cavity) füreine Wellenlänge von 650 nm von 0,575 mm. Diese Größe legt die vorstehend genannte Aperturbreite fest und muss demnach mindestens 1,725 mm betragen. Entsprechend ist die Mikrofluid-Durchflussküvette 1 , d. h. im Besonderen dieBerandungen der Kammern 21 ,22 in diesem Beispiel ausgeführt. Die Dicke der Kammerwände und die Probendicke sind grundsätzlich zunächst frei wählbar. Generell sollten die Wände und die Probendicke jedoch so gering wie möglich (im speziellen Beispiel: 0,7 mm für die Dicke desGlaswafers 2 ; h = 60 μm) gewählt werden, damit sowohl das Probenvolumen als auch die resultierenden Absorptionen (Verluste) der Anordnung ohne Nanopartikel gering gehalten werden können. - • Die Präparation des Plättchens
11 , eine sehr dünne Glasplatte (typische Dicke: 200 μm),mit den Nanopartikeln 12 , kann definiert vorgenommen werden, da das Plättchen erst nach der Präparation mit der anderen Chiphälfte über dieFügesubstanz 13 reversibel verbunden wird. Somit ist gewährleistet, dass die Mikrofluid-Durchflussküvette 1 mit ihren Funktionen, z. B. verschiedene Partikelkonzentrationen, optimal auf die experimentellen Bedürfnisse angepasst werden kann. Die Präparation kann jederzeit abgebrochen und neu begonnen werden, ohne diestrukturierte Chiphälfte 2 zu belasten. - • Die so speziell vorgefertigte Mikrofluid-
Durchflussküvette 1 wird senkrecht zur Strahlausbreitung (vgl.3 ) in den Resonatorraum der CRD-Anordnung eingebracht, um Zusatzverluste durch Reflexion in der Cavity zu unterbinden. Das senkrecht reflektierte Licht bleibt in der Cavity, bei anderen Winkeln würden Zusatzverluste auftreten. Diese Maßgabe setzt voraus, dass die Mikroküvettenwände planparallel gefertigt sind – typische Spezifikation bei derOptikfertigung von 5 Bogenminuten haben sich dabei als ausreichend erwiesen. - • Die optischen Eigenschaften der Nanosensoren
12 werden durch ihr Material, Form und Größe exakt definiert und zeichnen sich durch ein charakteristisches Extinktionsspektrum aus (s. o.). Für eine optimale Detektion der spektralen Extinktionsänderung ist die Laserwellenlänge und der Cavity-Ring-Down Aufbau hierauf abzustimmen. Durch Wahl der Laserwellenlänge und/oder der spezifischen Nanopartikel kann man z. B. wählen, ob man im Maximum (hohes Signal) oder in der Flanke des Spektrums (hohe Empfindlichkeit gegen Absorptionsänderungen) detektiert. –Beispiele für Nanopartikel 12 sind: – Gold-Nanopartikel, sphärische Form, Durchmesser 30 nm: – Absorptionsmaximum bei 530 nm mit ca. 100 nm Halbwertsbreite – Silber(Ag)-Nanopartikel, sphärische Form, Durchmesser 50 nm: Absorptionsmaximum bei 530 nm mit ca. 80 nm Halbwertsbreite – Bei nicht-sphärischer Form (z. B. dreieckig) der Nanopartikel12 verschieben sich die Spektren zum langwelligen Spektralbereich – Als Materialien für Nanopartikel mit den gewünschten Eigenschaften sind unter anderem bekannt und für die hier beschriebene Verwendung entsprechend geeignet: Au, Ag, Pt, Ca. - Zur Verdeutlichung
des Vorstehenden zeigt 4 eine beispielhafte Verschiebung des Absorptionsspektrums von Goldpartikeln (in diesem speziellen Beispiel) um Δλ von ca. 20 nm und eine in der Flanke dadurch bedingte Änderung der Extinktion ΔE von 0,0005 mit und ohne Bindung eines Analyten (im Beispiel einer DNA-Sequenz). In diesem speziellen Beispiel sollte der Nachweis von Phytophthora Kernoviae erfolgen. Vermittels lithographischer Strukturierung wurden dazu Nanosensoren mit einerDichte von 0,1 Nanopartikeln/μm2 aus Goldpartikeln mit Abmessungen 100·100·20 nm3, die ein Extinktionsmaximum in Wasser bei 690 nm aufweisen, gebildet.Ein Diodenlaser mit 650 nm Wellenlänge fand Verwendung.Die Resonatorspiegel 3 ,31 in der jeweils verwendeten Cavity wurden im Bereich von 610–690 nm hochreflektierend (R > 99,98%) gewählt. Der Verlust der gesamten Mikrofluid-Durchflussküvette (vgl. rechte Kammerhälfte in2 , d. h. ohne Nanosensoren) betrug dabei 0,18%. Der Verlust, der allein durch die Anwesenheit der Nanosensoren12 in Wasser entstand (vgl.linke Kammer 21 in2 ) abzüglich des Verlusts durch die übrigen durchstrahlten Kammerwandungen, lag bei 0,197%. Der Verlust, der durch Andocken der zu untersuchenden DNA an die immobilisierten Nanopartikel12 (Phytophthora Kernoviae Capture) zusätzlich hervorgerufen wurde, betrug 0,04%, während der Verlust durch den andockenden Analyten (hier: Phytophthora Kernoviae) bei 0,075% lag. - • In
3 sind beispielhaft mögliche Messplatzvarianten dargestellt, in die die Mikrofluid-Durchflussküvette 1 einbringbar ist. Dabei stehen die einzelnen Beispiele A bis C für: A – Messplatz für eine monochromatische Anregung und Detektion B – Messplatz mit spektral breitbandiger Anregung und Detektion C – Weiteres Ausführungsbeispiel für eine andere Resonatorgeometrie mit geringerem Strahlquerschnitt am Ort des Mikrofluidikchip. Weitere Resonatoranordnungen liegen im Rahmen der Erfindung, wesentlich ist nur die Positionierung der Mikrofluid-Durchflussküvette 1 im Wesentlichen in oder in der Nähe der Strahltaille bei Einhaltung der Maßgabe, dass dL mindestens ein Drittel der lateralen Mindestkammerausdehnung senkrecht dazu beträgt. Entsprechend der Ausführungen nach A und C kann ein gepulster Laser L als Strahlungsquelle oder nach den Ausführungen nach B und C eine gepulste Weißlichtquelle6 (z. B eine entsprechende Lampe oder ein Faserlaser λ = 350 – 2600 nm) als Lichtquelle Verwendung finden. Den Resonatorraum bilden Laserspiegel mit einer hoch reflektiven Beschichtung (R > 99%). In der jeweils gebildeten Strahltaille im Resonatorraum, wird die entsprechend zu dimensionierende Mikrofluid-Durchflussküvette 1 , entsprechend genannter Maßgaben so platziert, dass entweder dieMesskammer 21 oder die Referenzkammer22 (respektive die als Referenz dienende Fläche innerhalb der Messkammer) dort mittig vom Strahlungsfeld5 erfasst wird. Je nach spezieller Ausführung erfolgt die Messwertaufnahme mittels eines Detektors4 für eine monochromatische Detektion des CRD Signals oder mittels eines Detektorsystems7 mit Spektrometer zur Wellenlängenselektierung und z. B. gatebarer (= zeitlich schnell schaltbarer) CCD zur zeitlichen Messwertaufnahme. Die Reflektivitäten der eingesetzten Resonatorspiegel3 ,31 sollen so gewählt sein, dass die durch sie verursachten optischen Verluste im Bereich der durch die Nanopartikel bedingten Absorption, d. h. da, wo die Nanopartikelsensoren ihr Extinktionsmaximum aufweisen, möglichst gering sind. Damit wird die spektrale Empfindlichkeit der Gesamtanordnung inklusive der Mikrofluid-Durchflussküvette1 (vgl.3 ) maximiert. Als Anregungslichtquellen kommen bevorzugt entweder monochromatische oder spektral breitbandige gepulste Laser in Frage. Da beim CRD-Verfahren generell nur Abklingkurven ausgewertet werden, ist auch der Einsatz von Dauerstrichlasern möglich, deren Emission mittels eines schnellen Schalters (z. B. elektro-optische oder akusto-optische Schalter) abgeschaltet bzw. abgelenkt werden kann.Die Detektionssysteme 4 ,7 werden auf die jeweilige eingesetzte Lichtquelle bezüglich ihrer spektralen Empfindlichkeit angepasst. Für den Fall in Abbildung B wurde zusätzlich ein Spektrometer mit einer schnellen (im ns-Bereich) schaltbaren CCD Kamera für die Wellenlängenseparation verwendet. Fall C in3 zeigt eine Anordnung, um mittels der größeren Freiheitsgrade eines Drei-Spiegel-Resonators (drei Spiegelkrümmungen, zwei Abstände) auch kleinere Laserstrahldurchmesser (dL = 20 μm sind erreichbar) zu realisieren. Dies sollte nur beispielhaft erwähnt werden, um anzudeuten, dass durch eine solche oder weitere Miniaturisierungsmaßnahmen eine weitergehende Verkleinerung der Gesamtmessvorrichtung im Rahmen vorliegender Erfindung liegt, solange die Maßgabe eingehalten wird, dassder 1/e-Lichtstrahldurchmesser am Messort nicht größer als ein Drittel der geringsten lateralen Kammerwandbegrenzung beträgt. Das heißt, kleinere Resonatorgeometrien mit kleinerer Strahltaille dL am Messort in der Mikrofluid-Durchflussküvette 1 ermöglichen auch kleinere mögliche Geometrien der Küvette selbst, respektive der Messkammer. Ebenso sind im Rahmen der Erfindung auch faseroptische Ausführungen denkbar, bei denen die Resonatorwirkung und Strahlformung durch entsprechend gestaltete Lichtleitfasern übernommen werden, ohne vorstehende Maßgaben an die erfindungsgemäße Gestaltung der Mikrofluid-Durchflussküvette zu verändern. - • Betrachtungen zu den auftretenden Verlusten: Um die sensorische Aktivität der plasmonisch aktiven Nanopartikel
12 in einer CRD Anordnung gut nachweisen zu können, müssen diese in niedriger Konzentration (s. o.) in der Mikrofluid-Durchflussküvette 1 integriert werden. Die exakte Oberflächenbelegungsdichte der Nanosensoren ist, wie bereits erwähnt, von den verwendeten Nanopartikeln (Material, Form, Größe) abhängig. Der zusätzliche optische Verlust, den nur die Nanosensoren verursachen, sollte für eine hohe Genauigkeit im Bereich der optischen Verluste der CRD Anordnung mit Mikrofluidikchip (aber ohne Nanopartikel) liegen. Die Verluste des gesamten Aufbaus setzen sich zusammen aus:- T
- Transmission aller Resonatorspiegel,
- S
- Streuung an und in allen durchstrahlten Medien (außer Nanopartikeln),
- Aref
- Absorption in allen durchstrahlten Medien (außer Nanopartikel) und
- A
- optischer Verlust, bedingt durch Absorption und Streuung an den Nanopartikeln.
- • In contrast to common microfluidic chips, the microfluidic flow cell developed here for the CRD application consists of two half-tubes - preferably a
quartz glass wafer 2 with defined etched structures in the transmission area (cf.1 ) and a quartz glass cover plate (cf.2 ) on which the plasmonically active particles12 (eg gold particles) are applied. The . Surface coverage density of the applied nanoparticles per cm 2 is to be kept so low that the loss of microcuvette with nanoparticles measured in the CRD method deviates only slightly from that of the empty microcuvette. Since this loss (including absorption) depends very much on the material, size and shape of the plasmonically active nanoparticles, no concrete numerical value can be mentioned here. What matters is that the occupancy ofnanoparticles 12 is made in such a way that the loss caused by them in any case is less than 1 per thousand, so that the ring-down times are in the (well measurable) μs time range. The theoretical basis for the dimensioning of a cavity and thus the cooldowns are given in [G. Berden, R. Engeln: Cavity ring down spectroscopy - Techniques and Applications, Wiley 2009 ISBN: 978-1-4051-7688-0 - • The connection of both chip components is designed reversible in the context of the invention and can by a joining substance, for. B. by adhesive film, adhesive chemical substances, thermally soluble substances or the like. Thanks to this design, all components of the microfluidic flow cell can be reused after cleaning and, if necessary, adapted to changing measurement requirements.
- The structure produced by microsystem etching processes (
1 ), consists of a measuringchamber 21 whose lateral minimum extent in the xy direction is determined by the light beam diameter d L (defined here by the 1 / e width of the intensity distribution of the laser beam at the sample location within the CRD arrangement). The aperture of themicrofluidic flow cell 1 At the measuring location according to the invention, in the two directions (x, y;1 ) perpendicular to the radiation direction L have at least three times the diameter d L of the laser beam (at the 1 / e width). In the specific example, the radii of curvature of the resonator mirror3 (see.3 ) z. B. r = 1000 mm and a mirror spacing of 400 mm. It follows from the resonator theory a minimum possible beam diameter (fundamental mode of the cavity) for a wavelength of 650 nm of 0.575 mm. This size defines the above-mentioned aperture width and must therefore be at least 1.725 mm. Accordingly, themicrofluidic flow cell 1 , ie in particular the boundaries of thechambers 21 .22 in this example. The thickness of the chamber walls and the sample thickness are basically initially freely selectable. Generally, however, the walls and the sample thickness should be as low as possible (in the specific example: 0.7 mm for the thickness of theglass wafer 2 ; h = 60 μm), so that both the sample volume and the resulting absorptions (losses) of the arrangement without nanoparticles can be kept low. - • The preparation of the
platelet 11 , a very thin glass plate (typical thickness: 200 μm), with thenanoparticles 12 , can be made defined, since the plate only after the preparation with the other half of the chip on the joiningsubstance 13 is reversibly connected. This ensures that themicrofluidic flow cell 1 with their functions, eg. B. different particle concentrations can be optimally adapted to the experimental needs. The preparation can be stopped at any time and restarted without the structured half of thechiphase 2 to charge. - • The specially pre-fabricated
microfluidic flow cell 1 becomes perpendicular to the beam propagation (cf.3 ) are introduced into the resonator chamber of the CRD arrangement in order to prevent additional losses due to reflection in the cavity. The vertically reflected light remains in the cavity, at other angles additional losses would occur. This requirement presupposes that the microcuvette walls are manufactured plane-parallel - typical specification in the optical production of 5 arc minutes have proven to be sufficient. - • The optical properties of
nanosensors 12 are defined exactly by their material, shape and size and are characterized by a characteristic extinction spectrum (see above). For optimum detection of the spectral change in extinction, the laser wavelength and the cavity-ring-down structure must be adapted to this. By choosing the laser wavelength and / or the specific nanoparticles can be z. For example, choose whether to be in the maximum (high signal) or in the Edge of the spectrum (high sensitivity to absorption changes) detected. - Examples ofnanoparticles 12 are: - gold nanoparticles, spherical shape, diameter 30 nm: - absorption maximum at 530 nm with about 100 nm half-width - silver (Ag) nanoparticles, spherical shape, diameter 50 nm: absorption maximum at 530 nm with about 80 nm half-width - For non-spherical shape (eg triangular) ofnanoparticles 12 the spectra shift to the long-wave spectral range. As materials for nanoparticles with the desired properties, among others, they are known and suitable for the use described here: Au, Ag, Pt, Ca. - To clarify the above shows
4 an exemplary shift of the absorption spectrum of gold particles (in this particular example) by Δλ of about 20 nm and an edge-related change in the extinction ΔE of 0.0005 with and without binding of an analyte (in the example of a DNA sequence). In this particular example, evidence of Phytophthora kernoviae should be provided. By means of lithographic structuring, nanosensors having a density of 0.1 nanoparticles / μm 2 of gold particles with dimensions of 100 × 100 × 20 nm 3 and having an extinction maximum in water at 690 nm were formed for this purpose. A diode laser with 650 nm wavelength was used. The resonator mirrors3 .31 in the cavity used in each case highly reflective (R> 99.98%) were selected in the range of 610-690 nm. The loss of the entire microfluidic flow cell (see right half of the chamber in2 , ie without nanosensors) was 0.18%. The loss caused solely by the presence ofnanosensors 12 was formed in water (seeleft chamber 21 in2 ) minus the loss through the other irradiated chamber walls, was 0.197%. The loss caused by docking of the DNA under investigation to the immobilized nanoparticles12 (Phytophthora Kernoviae Capture) was 0.04%, while the loss from the docking analyte (here: Phytophthora Kernoviae) was 0.075%. - • In
3 exemplary possible measuring station variants are shown, in which themicrofluidic flow cell 1 can be introduced. Here, the individual examples A to C stand for: A - measuring station for a monochromatic excitation and detection B - measuring station with spectrally broadband excitation and detection C - further exemplary embodiment of another resonator geometry with a smaller beam cross section at the location of the microfluidic chip. Further resonator arrangements are within the scope of the invention; only the positioning of the microfluid flow cell is essential1 substantially in or near the beam waist, while maintaining the proviso that d L is at least one third of the minimum lateral chamber extent perpendicular thereto. According to the embodiments according to A and C, a pulsed laser L as a radiation source or according to the embodiments according to B and C, a pulsed white light source6 (For example, a corresponding lamp or a fiber laser λ = 350 - 2600 nm) find use as a light source. The resonator cavity is formed by laser mirrors with a highly reflective coating (R> 99%). In the respectively formed beam waist in the resonator chamber, the correspondingly dimensioned microfluidic flow cuvette becomes1 , according to specified specifications placed so that either the measuringchamber 21 or the reference chamber22 (respectively the area serving as a reference within the measuring chamber) there in the middle of theradiation field 5 is detected. Depending on the specific version, the measured value is recorded by means of adetector 4 for a monochromatic detection of the CRD signal or by means of adetector system 7 with spectrometer for wavelength selection and z. B. gateable (= temporally fast switchable) CCD for temporal data acquisition. The reflectivities of the resonator mirrors used3 .31 should be chosen so that the optical losses caused by them in the range of the absorption caused by the nanoparticles, ie, where the nanoparticle sensors have their Absinmaximum, are as low as possible. This adjusts the spectral sensitivity of the overall assembly, including the microfluidic flow cell1 (see.3 ) maximizes. As excitation light sources are preferably either monochromatic or spectrally broadband pulsed laser in question. Since the CRD method generally evaluates only decay curves, it is also possible to use continuous wave lasers whose emission can be switched off or deflected by means of a fast switch (eg electro-optical or acousto-optical switches). Thedetection systems 4 .7 are adapted to the particular light source used with regard to their spectral sensitivity. In the case of Figure B, a spectrometer with a fast (in the ns range) switchable CCD camera was used for the wavelength separation. Case C in3 shows an arrangement to realize by means of the greater degrees of freedom of a three-mirror resonator (three mirror curvatures, two distances) and smaller laser beam diameter (d L = 20 microns are achievable). This should be mentioned only by way of example in order to indicate that, by means of such or further miniaturization measures, a further reduction of the total measuring device in the context of the present invention as long as it is complied with that the 1 / e-beam diameter at the measuring location does not exceed one third of the lowest lateral chamber wall limit. That is, smaller resonator geometries with smaller beam waist d L at the measurement location in themicrofluidic flow cell 1 also allow smaller possible geometries of the cuvette itself, respectively the measuring chamber. Likewise, within the scope of the invention, fiber optic designs are also conceivable in which the resonator effect and beam shaping are taken over by appropriately designed optical fibers without modifying the above specifications to the design of the microfluid flow cell according to the invention. - • Considerations to the occurring losses: To the sensory activity of the plasmonic
active nanoparticles 12 In order to be able to detect well in a CRD arrangement, these must be in low concentration (see above) in themicrofluidic flow cell 1 to get integrated. As already mentioned, the exact surface occupation density of the nanosensors depends on the nanoparticles used (material, shape, size). The additional optical loss that only the nanosensors cause should be for high accuracy in the optical loss range of the microfluidic chip (but without nanoparticle) CRD assembly. The losses of the entire structure are composed of:- T
- Transmission of all resonator mirrors,
- S
- Scattering on and in all irradiated media (except nanoparticles),
- A ref
- Absorption in all irradiated media (except nanoparticles) and
- A
- optical loss due to absorption and scattering at the nanoparticles.
Die Oberflächenbelegungsdichte der Nanopartikel
Vorstehend genannter Bereich ist der, bei dem noch hinreichend große Messsignale erhalten werden. Bevorzugt sind jedoch die Verhältnisse so zu wählen, dass die durch die Anordnung mit Mikrofluidikchip (aber ohne Nanopartikel) bedingten Verluste in der gleichen Größenordnung liegen, wie der durch die Nanopartikel
Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, mehrere unterschiedliche Mikrofluid-Durchflussküvetten nebeneinander in Reihe oder parallel bzgl. des Durchflusses voneinander getrennt in einem Wafer anzuordnen oder, wie oben bereits erwähnt, in einer Messkammer der Mikrofluid-Durchflussküvette mehrere separat unterschiedlich präparierte Nanopartikelsensoren vorzusehen.It is also within the scope of the invention to arrange a plurality of different microfluidic flow cells side by side in series or parallel with respect to the flow separated from each other in a wafer or, as already mentioned above, to provide a plurality of separately prepared nanoparticle sensors in a measuring chamber of the microfluidic flow cell.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Mikrofluid-DurchflussküvetteMicrofluidic flow cell
- 1111
- optisch transparentes Plättchenoptically transparent plate
- 1212
- Nanopartikelnanoparticles
- 1313
- lösbare VerbindungDetachable connection
- 22
- Waferwafer
- 2121
- DurchflussmesskammerFlow measurement chamber
- 21a/21b21a / 21b
- Zu- und Abflusskanal zur MesskammerInflow and outflow channel to the measuring chamber
- 2222
- Referenzkammerreference chamber
- 22a/22b22a / 22b
- Zu- und Abflusskanal zur ReferenzkammerInflow and outflow channel to the reference chamber
- 3, 313, 31
- Resonatorspiegelresonator
- 44
- Detektor für eine monochromatische DetektionDetector for monochromatic detection
- 55
- Strahlungsfeldradiation field
- 66
- WeißlichtquelleWhite light source
- 77
- Detektorsystem mit SpektrometerDetector system with spectrometer
- dL d l
- Lichtstrahldurchmesser bei Maximalintensität·1/eBeam diameter at maximum intensity · 1 / e
- LL
- Lichtstrahlbeam of light
- X-X, Y-YX-X, Y-Y
- Schnittebenencutting planes
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102006035581 B3 [0005] DE 102006035581 B3 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- D. Mark, et al.: Chem. Soc. Rev., 39, 1153–1182, (2010) [0002] Mark, et al .: Chem. Soc. Rev., 39, 1153-1182, (2010) [0002]
- V. G. Kutchoukov, et al.: Sensors and actuators A, 114, 1521–527, (2004) [0002] VG Kutchoukov, et al .: Sensors and Actuators A, 114, 1521-527, (2004) [0002]
-
Tapan K. Sau, et al.: Advanced Materials 22, 16, 1805–1825, (2010) [0003] Tapan K. Sau, et al .:
Advanced Materials 22, 16, 1805-1825, (2010) [0003] - G. Berden, R. Peeters, G. Meijer; Cavity ring-down spectroscopy; Int. Rev. Phys. Chem. 19, 565–607 (2000) [0007] G. Berden, R. Peeters, G. Meijer; Cavity ring-down spectroscopy; Int. Rev. Phys. Chem. 19, 565-607 (2000) [0007]
- G. Schmidl, W. Paa, W. Triebel, St. Schippel, H. Heyer; Appl. Optics, Vol. 48, No 35; (2009) [0007] G. Schmidl, W. Paa, W. Triebel, St. Schippel, H. Heyer; Appl. Optics, Vol. 48, No 35; (2009) [0007]
- G. Berden, R. Engeln: Cavity ring down spectroscopy – Techniques and Applications, Wiley 2009 [0007] G. Berden, R. Engeln: Cavity ring down spectroscopy - Techniques and Applications, Wiley 2009 [0007]
- ISBN: 978-1-4051-7688-0 [0007] ISBN: 978-1-4051-7688-0 [0007]
- Hans-Peter Loock: Trends in Analytical Chemistry, Vol. 25, No. 7, 2006 [0007] Hans-Peter Loock: Trends in Analytical Chemistry, Vol. 7, 2006 [0007]
- L. van der Sneppen, F. Ariese, C. Gooijer, W. Ubachs: Annu. Rev. Anal. Chem. 2009. 2:13–35 [0007] Van der Sneppen, F. Ariese, C. Gooijer, W. Ubachs: Annu. Rev. Anal. Chem. 2009. 2: 13-35 [0007]
- G. Berden, R. Engeln: Cavity ring down spectroscopy – Techniques and Applications, Wiley 2009 [0007] G. Berden, R. Engeln: Cavity ring down spectroscopy - Techniques and Applications, Wiley 2009 [0007]
- ISBN:978-1-4051-7688-0 [0007] ISBN: 978-1-4051-7688-0 [0007]
- Hans-Peter bock: Trends in Analytical Chemistry, Vol. 25, No. 7, 2006 [0007] Hans-Peter Bock: Trends in Analytical Chemistry, Vol. 7, 2006 [0007]
- L. van der Sneppen, F. Ariese, C. Gooijer, W. Ubachs: Annu. Rev. Anal. Chem. 2009. 2:13–35 [0007] Van der Sneppen, F. Ariese, C. Gooijer, W. Ubachs: Annu. Rev. Anal. Chem. 2009. 2: 13-35 [0007]
- G. Berden, R. Engeln: Cavity ring down spectroscopy – Techniques and Applications, Wiley 2009 [0025] G. Berden, R. Engeln: Cavity ring down spectroscopy - Techniques and Applications, Wiley 2009 [0025]
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2012
- 2012-06-25 DE DE201210013241 patent/DE102012013241A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006035581B3 (en) | 2006-07-29 | 2008-02-07 | INSTITUT FüR MIKROTECHNIK MAINZ GMBH | Optical measuring cell |
Non-Patent Citations (9)
Title |
---|
D. Mark, et al.: Chem. Soc. Rev., 39, 1153-1182, (2010) |
G. Berden, R. Engeln: Cavity ring down spectroscopy - Techniques and Applications, Wiley 2009 |
G. Berden, R. Peeters, G. Meijer; Cavity ring-down spectroscopy; Int. Rev. Phys. Chem. 19, 565-607 (2000) |
G. Schmidl, W. Paa, W. Triebel, St. Schippel, H. Heyer; Appl. Optics, Vol. 48, No 35; (2009) |
Hans-Peter Loock: Trends in Analytical Chemistry, Vol. 25, No. 7, 2006 |
ISBN: 978-1-4051-7688-0 |
L. van der Sneppen, F. Ariese, C. Gooijer, W. Ubachs: Annu. Rev. Anal. Chem. 2009. 2:13-35 |
Tapan K. Sau, et al.: Advanced Materials 22, 16, 1805-1825, (2010) |
V. G. Kutchoukov, et al.: Sensors and actuators A, 114, 1521-527, (2004) |
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