DE102014222257A1

DE102014222257A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Analysieren zumindest eines Analyten

Info

Publication number: DE102014222257A1
Application number: DE102014222257.5A
Authority: DE
Inventors: Tim ECHTERMEYER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Analysieren zumindest eines Analyten (102). Die Vorrichtung (100) weist einen Metallfilm (104) mit einer ersten Oberfläche (110) zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls (106) als einen ausfallenden Lichtstrahl (108) auf, wobei auf einer der ersten Oberfläche (110) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (112) des Metallfilms (104) Linkermoleküle (114) angeordnet sind, die ausgebildet sind, bei einer Reaktion zwischen den Linkermolekülen (114) und dem Analyten (102) eine Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms (104) zu verändern. Ferner weist die Vorrichtung (100) eine an der ersten Oberfläche (110) angeordnete Lichteinkopplungseinrichtung (450) zum Einkoppeln des einfallenden Lichtstrahls (106) auf die erste Oberfläche (110) und zum Auskoppeln des ausfallenden Lichtstrahls (108) von der ersten Oberfläche (110) auf, wobei die Lichteinkopplungseinrichtung (450) eine durch ein elektrisches Signal (454) veränderbare Permittivität aufweist, und wobei eine Intensität (230) des ausfallenden Lichtstrahls (108) abhängig von der Plasmonischen Eigenschaft des Metallfilms (104) und der Permittivität der Lichteinkopplungseinrichtung (450) ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Analysieren zumindest eines Analyten, ein Verfahren zum Analysieren zumindest eines Analyten und auf ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden Vorrichtung.
(Oberflächen-)Plasmonik in dünnen Metallfilmen wie beispielsweise dünnen Goldfilmen kann genutzt werden, um chemische Reaktionen an einer Metalloberfläche mit hoher Empfindlichkeit zu sensieren. Trifft kohärentes Licht unter einem gewissen Winkel auf die Grenzfläche zwischen einem Metallfilm und einem Dielektrikum auf, werden Plasmone angeregt. Die Variation des Eintrittwinkels auf die Grenzfläche und eine Messung der Intensität des reflektierten Lichts können genutzt werden, um den genauen Winkel zu bestimmen, bei welchem Plasmone angeregt werden (Intensitätsminimum in Abhängigkeit des Winkels). Findet nun eine Reaktion auf der Metalloberfläche statt, verschiebt sich der Winkel des Intensitätsminimums in Abhängigkeit der Konzentration der Analyte.
Zurzeit werden Anlagen zur Plasmonischen Sensorik basierend auf größeren mechanischen und optischen Komponenten eingesetzt, das heißt, die Geräte besitzen größere physikalische Abmessungen und sind nicht ohne Weiteres miniaturisierbar. Des Weiteren ist die Parallelisierbarkeit des Verfahrens zur zeitgleichen Analyse multipler Analyte begrenzt. Die Anwendung findet daher bisher überwiegend im Labor statt und eine portable Nutzung für eine größere Anzahl von Endanwendern ist nicht möglich.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung zum Analysieren zumindest eines Analyten, ein Verfahren zum Analysieren zumindest eines Analyten und ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden Vorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die Plasmonische Eigenschaft eines Metallfilms kann durch die Permittivität eines an den Metallfilm angrenzenden Materials beeinflusst werden. Dieser Effekt ermöglicht es, eine Vorrichtung zum Analysieren zumindest eines Analyten zu schaffen, die ohne bewegliche, mechanische Komponenten auskommt.
Es wird eine Vorrichtung zum Analysieren zumindest eines Analyten vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
einen Metallfilm mit einer ersten Oberfläche zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls als einen ausfallenden Lichtstrahl, wobei auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Metallfilms Linkermoleküle angeordnet sind, die ausgebildet sind, bei einer Reaktion zwischen den Linkermolekülen und dem Analyten eine Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms zu verändern; und
eine an der ersten Oberfläche angeordnete Lichteinkopplungseinrichtung zum Einkoppeln des einfallenden Lichtstrahls auf die erste Oberfläche und zum Auskoppeln des ausfallenden Lichtstrahls von der ersten Oberfläche, wobei die Lichteinkopplungseinrichtung eine durch ein elektrisches Signal veränderbare Permittivität aufweist, und wobei eine Intensität des ausfallenden Lichtstrahls abhängig von der Plasmonischen Eigenschaft des Metallfilms und der Permittivität der Lichteinkopplungseinrichtung ist.
Die Vorrichtung kann als eine Plasmonischen Sensorplattform aufgefasst werden. Unter einem Analyt oder Analyten können in einer Probe enthaltene Stoffe verstanden werden, die analysiert werden oder über die bei einer (chemischen) Analyse eine Aussage getroffen werden kann. Unter einer Lichteinkopplungseinrichtung kann eine kondensatorähnliche Struktur verstanden werden. Die Lichteinkopplungseinrichtung kann eine Schicht aus einem Dielektrikum sein, dessen Permittivität ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Feld geändert werden kann. Somit kann es sich bei dem elektrischen Signal um ein elektrisches Feld oder um eine elektrische Spannung zum Erzeugen eines elektrischen Felds handeln. Die Lichteinkopplungseinrichtung kann ausgebildet sein, einen Wellenvektor des einfallenden Lichtstrahls anzupassen oder zu verändern. Dabei kann unter einem Lichtstrahl ein im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtetes Bündel von Lichtstrahlen verstanden werden. Die Lichtstrahlen des Bündels von Lichtstrahlen können in einem Toleranzbereich die gleiche Wellenlänge aufweisen. Durch Auswertung der Intensität kann unter Berücksichtigung eines Werts des elektrischen Signals auf eine zu analysierende Eigenschaft des Analyten geschlossen werden, beispielsweise auf eine Konzentration des Analyten. Dabei kann ein vorbestimmter Zusammenhang zwischen der Intensität, dem Wert des elektrischen Signals und der zu analysierenden Eigenschaft verwendet werden, um den Analyten zu analysieren.
Vorteilhaft kann unter Verwendung der Vorrichtung ein plasmonik-basiertes Sensorsystem geschaffen werden, welches eine Variation des Einfallswinkels (Goniometer) sowie eine Wellenlängenvariation vermeidet. Ein möglicher Einsatz kann im Healthcare-Sektor für portable Point-of-care Diagnostik sein. Eine Ausführungsform der Vorrichtung ist für einen Einsatz in Flüssigkeiten (Microfluidics) und gasförmigen Medien geeignet. Vorteilhaft können geringe Konzentrationen von Substanzen direkt vor Ort detektiert werden. Vorteilhaft kann eine Miniaturisierung des Systems sein und damit eine verbundene Kostenreduktion.
Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle zum Anlegen des elektrischen Signals in Form einer elektrischen Spannung an die Lichteinkopplungseinrichtung aufweisen. Die Schnittstelle kann einen oder mehrere Kontakte umfassen, über die die elektrische Spannung an elektrisch leitende Schichten angelegt werden kann, zwischen denen das Dielektrikum der Lichteinkopplungseinrichtung angeordnet sein kann. Eine der Schichten kann dabei der Metallfilm sein. Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungswerte können sehr einfach unterschiedliche Permittivitätswerte des Dielektrikums eingestellt werden.
Die Lichteinkopplungseinrichtung kann zumindest eine Lage eines 2D-Materials umfassen, dessen Permittivität durch das elektrische Signal veränderbar ist. Unter einem 2D-Material kann ein Material mit einer zweidimensionalen Struktur, wie beispielsweise Graphen oder Molybdändisulfid (MoS2) verstanden werden. Die Lichteinkopplungseinrichtung kann beispielsweise zwischen einer und einhundert Lagen des 2D-Materials umfassen. Somit kann beispielsweise eine Monolage Graphen oder multi-lagiges Graphene eingesetzt werden. Unter Graphen kann ein Dielektrikum verstanden werden. Graphen kann als polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff beschrieben werden. Graphen eignet sich aufgrund seiner geringen physikalischen Dicke und der damit reduzierten Screening-Effekte.
Die Lichteinkopplungseinrichtung kann einen stapelförmigen Aufbau aus zumindest einer Lage des 2D-Materials, einer Isolator-Schicht und einer elektrisch leitenden Schicht aufweisen, wobei die zumindest eine Lage des 2D-Materials an der ersten Oberfläche anliegend angeordnet sein kann. Die zumindest eine Lage des 2D-Materials kann, wie bereits ausgeführt, beispielsweise eine Graphen-Schicht umfassen oder sein. So kann einfach eine kondensatorähnliche Struktur geschaffen werden, an die das elektrische Signal angelegt werden kann.
Auch kann die Lichteinkopplungseinrichtung einen stapelförmigen Aufbau aus zumindest einer Lage des 2D-Materials und und einem ionischen Fluid aufweist, wobei die zumindest eine Lage des 2D-Materials an der ersten Oberfläche anliegend angeordnet sein kann. Eine entsprechende inonische Flüssigkeit kann vorteilhaft zur Verschiebung des Fermi-Levels in Graphene verwendet werden.
Die Vorrichtung kann eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Intensität oder eines Werts der Intensität des ausfallenden Lichtstrahls umfassen. Die Erfassungseinrichtung kann eine Bilderfassungseinrichtung sein. So kann eine Bildinformation von der Bilderfassungseinrichtung bereitgestellt werden. Die Bildinformation kann die Intensität des ausfallenden Lichtstrahls repräsentieren. Vorteilhafterweise kann auf dieser Weise ein großer Bereich des Metallfilms überwacht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Oberfläche des Metallfilms einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich aufweisen. In dem ersten Teilbereich können die Linkermoleküle und in dem zweiten Teilbereich zweite Linkermoleküle angeordnet sein. Dabei können die Linkermoleküle ausgebildet sein, bei der Reaktion mit dem Analyten die Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms in dem ersten Teilbereich zu verändern und die zweiten Linkermoleküle können ausgebildet sein, bei einer Reaktion mit einem zweiten Analyten die Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms in dem zweiten Teilbereich zu verändern. Auf diese Weise können gleichzeitig zwei unterschiedliche Analyten analysiert werden.
Die Vorrichtung kann eine Auswerteeinrichtung aufweisen, die ausgebildet sein kann, um unter Verwendung der Intensität des ausfallenden Lichtstrahls und eines der Intensität zuordenbaren Werts des elektrischen Signals ein den Analyten charakterisierendes Analysesignal zu bestimmen. Dazu kann die Auswerteeinrichtung eine Schnittstelle zum Einlesen eines Werts der Intensität und eines Werts des elektrischen Signals umfassen. Unter dem der Intensität zuordenbaren Wert des elektrischen Signals kann derjenige Wert des elektrischen Signals verstanden werden, der die Permittivität der Lichteinkopplungseinrichtung einstellt, während die Intensität erfasst wird.
Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, um ein Verhältnis zwischen der Intensität und dem der Intensität zuordenbaren Wert des elektrischen Signals zu bilden. Dies ermöglicht die Umsetzung eines sehr einfachen Auswerteverfahrens.
Ferner kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, das elektrische Signal mit unterschiedlichen Werten an die Lichteinkopplungseinrichtung bereitzustellen und ausgebildet sein, um unter Verwendung der den unterschiedlichen Werten zuordenbaren Intensitäten des ausfallenden Lichtstrahls und den unterschiedlichen Werten das den Analyten charakterisierende Analysesignal zu bestimmen. Beispielsweise können Werte des elektrischen Signals während eines Messdurchgangs kontinuierlich erhöht oder erniedrigt werden, wobei fortlaufend Werte der resultierenden Intensität erfasst und ausgewertet werden. Dies ermöglicht eine automatisierte Analyse des Analyten.
Unter einer Auswerteeinrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Auswerteeinrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Die Vorrichtung kann ein Prisma aufweisen. Das Prisma kann auf der dem Metallfilm abgewandten Seite der Lichteinkopplungseinrichtung angeordnet sein. Dabei kann das Prisma ausgebildet sein, den einfallenden Lichtstrahl in Totalreflexion auf den Metallfilm zu reflektieren. Vorteilhaft kann der einfallende Lichtstrahl über das Prisma eingekoppelt werden und der ausfallende Lichtstrahl ausgekoppelt werden.
Ferner kann die Vorrichtung eine Lichtquelle zum Bereitstellen eines kohärenten Lichtstrahls als einfallenden Lichtstrahl umfassen. Unter der Lichtquelle kann ein Laser verstanden werden. So kann unter dem kohärenten Lichtstrahl ein Laserstrahl verstanden werden. So kann kostengünstig ein einfallender Lichtstrahl bereitgestellt werden.
Ein Verfahren zum Analysieren zumindest eines Analyten umfasst die folgenden Schritte:
Anlegen eines elektrischen Signals an eine genannte Vorrichtung zum Analysieren zumindest eines Analyten; und
Auswerten der Intensität des ausfallenden Lichtstrahls unter Verwendung eines der Intensität zuordenbaren Werts des elektrischen Signals, um den Analyten zu analysieren.
Die Schritte können wiederholt ausgeführt werden, wobei in aufeinanderfolgenden Schritten des Anlegens das elektrische Signal mit unterschiedlichen Werten angelegt werden kann.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Analysieren zumindest eines Analyten umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Metallfilms mit einer ersten Oberfläche zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls als einen ausfallenden Lichtstrahl, wobei auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Metallfilms Linkermoleküle angeordnet sind, die ausgebildet sind, bei einer Reaktion zwischen den Linkermolekülen und dem Analyten eine Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms zu verändern; und
Anordnen einer Lichteinkopplungseinrichtung zum Einkoppeln des einfallenden Lichtstrahls auf die erste Oberfläche und zum Auskoppeln des ausfallenden Lichtstrahls von der ersten Oberfläche, an der ersten Oberfläche, wobei die Lichteinkopplungseinrichtung eine durch ein elektrisches Signal veränderbare Permittivität aufweist, und wobei eine Intensität des ausfallenden Lichtstrahls abhängig von der Plasmonischen Eigenschaft des Metallfilms und der Permittivität der Lichteinkopplungseinrichtung ist.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Analysieren zumindest eines Analyten;
2 eine vereinfachte Darstellung einer Abhängigkeit einer Intensität eines reflektierten Lichtstrahls einer Plasmonischen Sensorplattform;
3 eine vereinfachte Darstellung eines Fermi-Levels in Graphen auf eine Dielektrizitätskonstante gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine vereinfachte Darstellung einer Plasmonischen Sensorplattform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Plasmonischen Sensorplattform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine vereinfachte Darstellung einer Abhängigkeit einer Intensität eines reflektierten Lichtstrahls einer Plasmonischen Sensorplattform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine vereinfachte Darstellung einer Metallfilmoberfläche einer Plasmonischen Sensorplattform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung einer Plasmonischen Sensorplattform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren zumindest eines Analyten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Plasmonischen Sensorplattform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Analysieren zumindest eines Analyten, die im Folgenden als Plasmonische Sensorplattform 100 bezeichnet wird. Die Plasmonische Sensorplattform 100 ist ausgebildet, ein Analyt 102 zu analysieren. Der Analyt 102 oder die Analyten 102 sind diejenigen in einer Probe enthaltenen Stoffe, welche analysiert werden sollen.
Die Plasmonische Sensorplattform 100 umfasst in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Metallfilm 104 zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls 106 als einen ausfallenden Lichtstrahl 108. Dabei wird der einfallende Lichtstrahl 106 an einer ersten Oberfläche 110 des Metallfilms 104 reflektiert. Auf einer der ersten Oberfläche 110 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 112 des Metallfilms 104 sind Linkermoleküle 114 angeordnet. Die Linkermoleküle 114 sind ausgebildet, dass der Analyt 102 sich an diesen anlegen kann. Weiterhin sind die Linkermoleküle 114 ausgebildet, bei einer Reaktion zwischen den Linkermolekülen 114 und den Analyten 102 eine Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms 104 zu verändern.
An der zweiten Oberfläche 112 anliegend ist ein Prisma 116 angeordnet. Der von einer kohärenten Lichtquelle 118 bereitgestellte einfallende Lichtstrahl 106 wird von dem Prisma 116 eingekoppelt, auf die erste Oberfläche 110 gelenkt, von dieser reflektiert und als ausfallenden Lichtstrahl 108 von einer Bilderfassungseinrichtung 120 erfasst. Die Bilderfassungseinrichtung 120 ist ausgebildet, eine Intensität des ausfallenden Lichtstrahls 108 zu erfassen und als eine Bildinformation 122 bereitzustellen.
Der einfallende Lichtstrahl 106 trifft unter einem Einfallswinkel Ω auf das Prisma 116 und tritt unter einem dem Einfallswinkel Ω entsprechenden Ausfallswinkel Ω aus dem Prisma wieder aus. Sowohl die kohärente Lichtquelle 118 als auch die Bilderfassungseinrichtung 120 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass der Winkel Ω veränderbar ist, um die durch die Reaktion der Linkermoleküle 114 und den Analyten 102 hervorgerufene Veränderung der Plasmonischen Eigenschaft zu detektieren.
Anhand der 1 werden Grundlagen der Plasmonischen Sensorik in einer sogenannten Kretschmann-Konfiguration gezeigt. Nachfolgend ist in 2 ein Zusammenhang zwischen der Intensität des ausfallenden Lichtstrahls 108 bei einem sich verändernden Winkel Ω gezeigt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Goldoberfläche des Metallfilms 104 mit Linkern 114 versehen, sodass bei einer Reaktion zwischen Linker 114 und passendem Analyten 102 die Plasmonischen Eigenschaften des Systems verändert werden.
2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Abhängigkeit einer Intensität 230 eines reflektierten Lichtstrahls 108 einer Plasmonischen Sensorplattform. Bei der Plasmonischen Sensorplattform kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in 1 gezeigten Plasmonischen Sensorplattform 100 handeln. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse der Winkel Ω und auf der Ordinate die Intensität 230 dargestellt. Bei dem Winkel Ω kann es sich um den in 1 gezeigten Einfallswinkel Ω eines einfallenden Lichtstrahls 106 beziehungsweise Ausfallswinkel Ω eines ausfallenden Lichtstrahls 108 handeln.
In dem Diagramm in 2 sind zwei Signalverläufe 232, 234 dargestellt, wobei ein erster Signalverlauf 232 die Intensität 230 über den Winkel Ω vor einer Reaktion mit einem Analyten und ein zweiter Signalverlauf 234 die Intensität 230 über den Winkel Ω nach einer Reaktion mit dem Analyten darstellt. Die Signalverläufe 232, 234 weisen ein Intensitätsminimum 236, 238 in Abhängigkeit des Winkels Ω auf. Der Winkel Ω des Intensitätsminimums 236, 238 steht in direkter Relation zur Reaktion der Analyten mit den Linkermolekülen. Eine Verschiebung des Intensitätsminimums 236, 238 zeigt eine Konzentration eines zu untersuchenden Analyten.
3 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Fermi-Levels in Graphen auf eine Dielektrizitätskonstante gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. So ist der Einfluss des Fermi-Levels in Graphen auf die Dielektrizitätskonstante dargestellt. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse der Fermi-Level µ (eV) in Graphen und auf der Ordinate die Dielektrizitätskonstante dargestellt. In dem kartesischen Koordinatensystem sind drei unterschiedliche Kurven 340, 342, 344 eingezeichnet, für eine Wellenlänge von λ = 1550 nm. Dabei repräsentiert die Kurve 340 Re(ε), die Kurve 342 Im(ε) und die Kurve 344 den Betrag |ε|.
So stellt 3 einen Einfluss des Fermi-Levels in Graphen auf die Dielektrizitätskonstante dar.
4 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Analysieren zumindest eines Analyten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 wird im Folgenden wieder als Plasmonische Sensorplattform 100 bezeichnet. Die Plasmonische Sensorplattform 100 ist ausgebildet, ein Analyt 102 zu analysieren. Die Plasmonische Sensorplattform 100 umfasst in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Metallfilm 104 sowie eine an einer ersten Oberfläche 110 des Metallfilms 104 anliegende Lichteinkopplungseinrichtung 450, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine graphen-basierte Lichteinkopplungseinrichtung 450 ausgeführt ist.
Auch wenn hier und in den folgenden Ausführungsbeispielen von einer graphen-basierten Lichteinkopplungseinrichtung 450 gesprochen wird, so kann anstelle von Graphen auch ein anderes 2D-Material, wie beispielsweise MoS2, eingesetzt werden. Dabei kann eine Monolage eines solchen 2D-Materials oder ein Schichtaufbau aus mehreren Lagen eines solchen 2D-Materials, beispielsweise mulitilagiges Grphene, eingesetzt werden.
Der Metallfilm 104 ist ausgebildet, einen einfallenden Lichtstrahl 106 als ausfallenden Lichtstrahl 108 an der ersten Oberfläche 110 zu reflektieren. An einer der ersten Oberfläche 110 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 110 sind zumindest in einem Teilbereich 452 Linkermoleküle 114 angeordnet. Die Linkermoleküle 114 sind zusammen mit dem Metallfilm 104 ausgebildet, eine Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms 104 an der ersten Oberfläche 110 bei einer Reaktion zwischen den Linkermolekülen 114 und den Analyten 102 zu verändern.
Die graphen-basierte Lichteinkopplungseinrichtung 450 ist ausgebildet, den einfallenden Lichtstrahl 106 einzukoppeln und den ausfallenden Lichtstrahl 108 auszukoppeln. Weiterhin ist die Lichteinkopplungseinrichtung 450 ausgebildet, eine Permittivität der Lichteinkopplungseinrichtung 450 ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal 454, hier eine angelegte elektrische Spannung 454, zu verändern.
Der einfallende Lichtstrahl 106 trifft unter einem konstanten Winkel auf die Lichteinkopplungseinrichtung 450 beziehungsweise den Metallfilm 104. Der ausfallenden Lichtstrahl 108 tritt unter einem konstanten Winkel von der Lichteinkopplungseinrichtung 450 beziehungsweise dem Metallfilm 104 aus. Dabei ist eine Intensität des ausfallenden Lichtstrahls abhängig von den bei der Reaktion zwischen den Linkermolekülen 114 und den Analyten 102 veränderten Plasmonischen Eigenschaften des Metallfilms 104 sowie der angelegten Spannung 454. Bei einem Betrieb der Plasmonischen Sensorplattform 100 wird die Spannung 454 variiert, um einen Zusammenhang zwischen der Spannung 454 und der Intensität des ausfallenden Lichtstrahls 108 aufzuzeichnen. Ein derartiger Signalverlauf ist in 6 dargestellt, in dem ein Intensitätsminimum eine Relation der Reaktion des Analyten mit den Linkermolekülen zeigt.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Plasmonischen Sensorplattform 100 ist ein Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls 106 unveränderbar. Dafür weist die in 4 dargestellte Plasmonische Sensorplattform 100 zusätzlich die Lichteinkopplungseinrichtung 450 auf.
Ein Ausführungsbeispiel der in 4 gezeigten Plasmonischen Sensorplattform 100 kann als eine Graphen-basierter Oberflächenplasmon-Sensorplattform oder „Surface Plasmon Polariton“ (SPP) Sensor-Plattform für die parallele Analyse multipler Analyte bezeichnet werden. Hier können in Teilbereichen auf der Oberfläche des Metallfilms 104 eine Mehrzahl unterschiedlicher Linkermoleküle 114 angeordnet werden, wie dies in 7 gezeigt ist.
Eine Lichteinkopplungseinrichtung 450 kann auch als ein Lichteinkopplungselement 450 bezeichnet werden. Vorteilhaft ist die Miniaturisierung und Parallelisierung einer Plasmonischen Sensorplattform 100 mithilfe eines graphen-basierten Lichteinkopplungselements 450, welches seinen Brechungsindex in Abhängigkeit einer angelegten elektrischen Spannung 454 ändern kann.
Ein Aspekt des dargestellten Ausführungsbeispiels ist die Integration von Graphen oder einem anderen 2D-Material in einen Plasmonischen Sensor 100, wodurch sämtliche beweglichen mechanischen Komponenten im Sensoraufbau beziehungsweise der Einsatz eines Spektrometers vermieden wird und eine rein elektrische Konfiguration und Kontrolle des Sensierungssystems 100 ermöglicht wird. Dieses erlaubt die Miniaturisierung und Parallelisierung des Sensors 100, beispielsweise ähnlich zu einem Blutzuckermessgerät, und damit die Portabilität dieses Sensorkonzepts.
Somit eröffnet sich vorteilhaft eine Nutzung für "Jedermann" oder im Bereich Point-of-care Diagnostics.
Aufgrund der geringen physikalischen Dicke von Graphen und der damit reduzierten Screening-Effekte kann durch ein externes elektrisches Feld das Fermi-Level in Graphen und damit verbunden die Permittivität beziehungsweise die Dielektrizitätskonstante kontrolliert wird. 4 zeigt die Integration von Graphen in einen Plasmonischen Sensor 100: An der Grenzfläche 110 zwischen einem Metallfilm 104 wie beispielsweise und einem Prisma wird eine kondensatorähnliche Struktur als Lichteinkopplungselement 450 gebildet. In einem Ausführungsbeispiel besteht wie in 5 dargestellt das Lichteinkopplungselement 450 aus einlagigem Graphen oder einem multilagigen Graphen (beispielsweise CVD-Graphen, Liquid-phase exfoliated graphene (LPE), Graphen-Komposit, etc.), einem Isolator (beispielsweise SiO₂) und einem transparenten, leitenden Film (beispielsweise ITO, Graphen). Bei Anlegen einer elektrischen Spannung 454 an diese Struktur ändert sich die Permittivität des Graphens an der Grenzfläche 110 zum Metall 104. Die Anregung von Oberflächenplasmonen (SPP) im Metallfilm (ε_m) ist abhängig von der Permittivität ε_d des angrenzenden Dielektrikums (Graphen) und der Wellenvektor k_x der Oberflächenplasmone an der Grenzfläche Metallfilm-Dielektrikum lässt sich berechnen zu:
Ebenso berechnet sich der Wellenvektor des einfallenden Lichts k_light zu (θ: Einfallswinkel):
Nur unter der Bedingung, dass der Wellenvektor k_x der Oberflächenplasmone gleich dem Wellenvektor des einfallenden Lichts k_light ist (k_light = k_x), können Oberflächenplasmone (SPP = Surface Plasmon Polariton) angeregt werden. Dieses kann wie in 1 gezeigt durch eine Variation der Wellenlänge beziehungsweise Variation des Einfallswinkels des Lichts erzielt werden. Bei dem hier beschriebenen Aufbau kann die Bedingung der Anpassung der Wellenvektoren durch eine Variation der Permittivität von Graphen durch eine elektrische Spannung 454 erfolgen, das heißt, es sind keine mechanischen Komponenten zur Variation des Einfallswinkels als auch keine Wellenlängenvariation und Spektrometer notwendig. Eine kohärente Lichtquelle mit einer fixen Wellenlänge unter einem festen Einfallswinkel ist ausreichend bei diesem Verfahren. Dieses erlaubt die Transformation des vorher winkel- oder wellenlängenabhängigen Verfahrens in ein rein elektrisches Detektierungssystem.
Ebenso kann die Laserspotgröße so groß gewählt werden, dass eine Ausleuchtung eines großen Bereichs des Metallfilms 104 erfolgt, sodass mittels einer CCD/CMOS-Kamera eine bildgebende Betrachtung der Oberfläche 110 erfolgen kann. Dieses erlaubt die parallele Sensierung multipler Analyte 102 an verschiedenen Linkermolekülen 114, die in einem Array auf der Metallfilmoberfläche 110 angeordnet werden können. Dargestellt ist dieses in 7.
Alternativ kann die Ausführung des graphen-basierten Lichteinkopplungselements 450 auch mittels einer ionischen Flüssigkeit erfolgen, um das Fermi-Level in Graphen zu verschieben. Dies ist in 8 dargestellt.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Plasmonischen Sensorplattform 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Plasmonischen Sensorplattform 100 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in 4 gezeigten Plasmonischen Sensorplattform 100 handeln. Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel der Plasmonischen Sensorplattform 100 weist auf einer ersten Oberfläche 110 eine graphen-basierte Lichteinkopplungseinrichtung 450 auf. Auf der dem Metallfilm 104 abgewandten Seite der graphen-basierten Lichteinkopplungseinrichtung ist ein Prisma 116 angeordnet. Ein von einer kohärenten Lichtquelle 118 bereitgestellter einfallender Lichtstrahl 106 wird über das Prisma 116 und die graphen-basierte Lichteinkopplungseinrichtung 450 in einem festen Winkel auf die erste Oberfläche 110 des Metallfilms 104 gelenkt dort reflektiert, und als ausfallender Lichtstrahl 108 über die Lichteinkopplungseinrichtung 450 und das Prisma 116 in Richtung einer Erfassungseinrichtung 120 zum Erfassen der Intensität geleitet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Erfassungseinrichtung 120 als eine Bilderfassungseinrichtung 120 ausgeführt.
Bei der kohärenten Lichtquelle 118 handelt es sich in einem Ausführungsbeispiel um eine Laserquelle 118, die einen kohärenten Lichtstrahl als einfallenden Lichtstrahl 106 bereitstellt. Dabei wird der einfallende Lichtstrahl 106 wie in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel über eine optische Einrichtung 560 geleitet, die den einfallenden Lichtstrahl 106 aufweitet, um von einer vorbestimmten Fläche des Metallfilms 104 als ausfallender Lichtstrahl 108 reflektiert zu werden. Der ausfallende Lichtstrahl 108 wird über eine weitere optische Einrichtung 562 auf die Bilderfassungseinrichtung 120 geleitet.
In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Lichteinkopplungseinrichtung 450 einen stapelförmigen Aufbau aus einer Graphen-Schicht 564, einer Isolator-Schicht 566 sowie einer transparenten Filmschicht 568. Dabei ist die Isolator-Schicht 566 zwischen der Graphen-Schicht 564 und der Filmschicht 568 angeordnet. Die Graphen-Schicht 564 ist an dem Metallfilm 104 anliegend angeordnet. Bei der transparenten Filmschicht 568 handelt es sich um eine elektrisch leitende Filmschicht 568.
Zwischen der Filmschicht 568 und dem Metallfilm 504 wird eine Spannung 454 angelegt, die zu einem elektrischen Feld 570 führt.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Plasmonische Sensorplattform 100 optional eine Auswerteeinrichtung 572 auf. Die Auswerteeinrichtung 572 umfasst eine optionale Einrichtung 574 zum Bereitstellen eines Steuersignals zum Ansteuern einer Spannungsquelle, die die Spannung 454 an die Lichteinkopplungseinrichtung 450 der Plasmonischen Sensorplattform 100 bereitstellt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 574 ausgebildet, das Spannungssignal 454 für die die Lichteinkopplungseinrichtung 450 bereitzustellen.
Die Auswerteeinrichtung 572 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Einrichtung 576 zum Auswerten der Intensität des ausfallenden Lichtstrahls 108 auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 576 dazu ausgebildet, um die die Intensität abbildende Bildinformation 122 auszuwerten. Die Bildinformation 122 repräsentiert eine Intensität des ausfallenden Lichtstrahls 108. Die Auswerteeinrichtung 572 ist ausgebildet, um durch Auswertung der Intensität ein den Analyten 102 charakterisierendes Analysesignal 578 zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung 572 kann ausgebildet sein, um die Intensität unter Verwendung der anhand der 6 und 7 beschriebenen Zusammenhänge auszuwerten.
Die Bildinformation 122 weist in einem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Ortsinformation auf, um, wie in 7 detaillierter beschrieben, eine Mehrzahl von Teilbereichen und in den Teilbereichen die mit (verschiedenen) Analyten 102 reagierenden (verschiedenen) Linkermoleküle 114 auszuwerten.
Wie bereits in 4 beschriebenen sind zumindest in einem Teilbereich der zweiten Oberfläche 112 des Metallfilms 104 Linkermoleküle 114 angeordnet. Eine entsprechende Anordnung von Linkermolekülen in einer Mehrzahl von Teilbereichen des Metallfilms 104 auf der zweiten Oberfläche 112 ist in 7 dargestellt. Die auf der zweiten Oberfläche 112 des Metallfilms 104 angeordneten Linkermoleküle 114 führen bei einer Reaktion mit den Linkermolekülen 114 zugeordneten Analyten 102 zu einer Veränderung einer Plasmonischen Eigenschaft des Metallfilms 104 auf der ersten Oberfläche 110.
Die Veränderung der Plasmonischen Eigenschaft des Metallfilms 104 auf der ersten Oberfläche 110 kann bei einer sich ändernden Dielektrizitätskonstante der Lichteinkopplungseinrichtung 450 beziehungsweise einer sich ändernden Permittivität des Graphens an der Grenzfläche zwischen dem Metallfilm 104 und der Lichteinkopplungseinrichtung 114 durch eine Änderung der Intensität des ausfallenden Lichtstrahls 108 detektiert werden. Die Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms 104 variiert entsprechend einer Konzentration der Analyten einer zu untersuchenden Probe insbesondere eines zu untersuchenden Fluids.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 5 ein Ausführungsbeispiel einer Graphen-basierten Surface Plasmon Polariton (SPP = Oberflächenplasmon) Sensor-Plattform für die parallele Analyse multipler Analyte 102. Laserlicht 106 einer festen Wellenlänge wird unter festem Einfallswinkel über das graphen-basierte Lichteinkopplungselement 450 auf die Metall-Graphen-Grenzfläche 110 geleitet und dort werden Oberflächenplasmone angeregt. Die Spotgröße kann so groß gewählt werden, dass mittels einer CCD-Kamera oder einer CMOS-Kamera als Bilderfassungseinrichtung 120 ein ganzer Bildbereich betrachtet werden kann und somit parallel multiple Regionen verschiedener Linkermoleküle beobachtet werden können.
6 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Abhängigkeit einer Intensität 230 eines reflektierten Lichtstrahls einer Plasmonischen Sensorplattform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 6 zeigt zwei kartesische Koordinatensysteme. Das in 6 links dargestellte kartesische Koordinatensystem entspricht der Darstellung in 2. Auf der Abszisse ist der Winkel Ω und auf der Ordinate ist die Intensität 230 dargestellt. Bei dem Winkel Ω kann es sich um den in 1 gezeigten Einfallswinkel Ω eines einfallenden Lichtstrahls 106 beziehungsweise Ausfallswinkel Ω eines ausfallenden Lichtstrahls 108 handeln. Die Signalverläufe 232, 234 weisen ein Intensitätsminimum 236, 238 in Abhängigkeit des Winkels Ω auf. Somit kann es sich bei der Sensorplattform bei dem in 6 links dargestellten kartesischen Koordinatensystem um ein Ausführungsbeispiel einer in 1 dargestellten Plasmonischen Sensorplattform 100 handeln.
Das in 6 rechts dargestellte kartesische Koordinatensystem entspricht der Darstellung des links dargestellten kartesischen Koordinatensystems mit dem Unterschied, dass auf der Abszisse eine Spannung 454 dargestellt ist. Somit kann es sich bei der Sensorplattform bei dem in 6 rechts dargestellten kartesischen Koordinatensystem um ein Ausführungsbeispiel einer in 4 oder 5 dargestellten Plasmonischen Sensorplattform 100 handeln. Dabei stellt ein erster Signalverlauf 632 die Intensität 230 über die Spannung 454 vor einer Reaktion mit einem Analyten und ein zweiter Signalverlauf 634 die Intensität 230 über die Spannung 454 nach einer Reaktion mit dem Analyten dar. Die Signalverläufe 632, 634 weisen ein Intensitätsminimum 636, 638 in Abhängigkeit der Spannung 454 auf. Die Spannung 454 des Intensitätsminimums 636, 638 steht in direkter Relation zur Reaktion der Analyten mit den Linkermolekülen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt eine Transformation eines herkömmlichen winkel- oder wellenlängenabhängigen Verfahrens in ein rein spannungsabhängiges Verfahren für die Abhängigkeit der Intensität des reflektierten Lichts.
7 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Metallfilmoberfläche einer Plasmonischen Sensorplattform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Plasmonischen Sensorplattform kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in 4 oder 5 dargestellten Plasmonischen Sensorplattform 100 handeln. Somit kann es sich bei der Metallfilmoberfläche um die erste Oberfläche 110 eines Metallfilms 104 der Plasmonischen Sensorplattform 100 handeln. Dabei wird die Metallfilmoberfläche in 7 vier Mal nebeneinander dargestellt.
Die mit a) gekennzeichnete Darstellung zeigt eine erste Oberfläche 110 eines Metallfilms mit einer Mehrzahl von Teilbereichen, in denen Linkermoleküle angeordnet sind. So weist die erste Oberfläche 110 sechzehn verschiedene Teilbereiche 452, 752 in vier Reihen mit jeweils vier Teilbereichen auf. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein erster Teilbereich 452 und ein zweiter Teilbereich 752 mit jeweils einem Bezugszeichen versehen.
In dem ersten Teilbereich 452 sind erste Linkermoleküle angeordnet, in dem zweiten Teilbereich 752. zweite Linkermoleküle angeordnet. In den weiteren Teilbereichen können erste Linkermoleküle, zweite Linkermoleküle oder weitere von den ersten Linkermolekülen und zweiten Linkermolekülen verschiedene Linkermoleküle angeordnet sein. Die ersten Linkermoleküle sind ausgebildet mit einem ersten Analyten zu reagieren, um eine Plasmonische Eigenschaft in dem ersten Teilbereich zu verändern, die zweiten Linkermoleküle sind ausgebildet, mit einem zweiten Analyten zu reagieren, um eine Plasmonische Eigenschaft in den zweiten Teilbereich zu verändern. So können in jedem der Teilbereiche 452, 752 verschiedene Analyten sensiert werden oder alternativ können in einer Mehrzahl von Teilbereichen 452, 752 gleiche Analyten sensiert werden, um eine Sensierung zu validieren.
In einem Ausführungsbeispiel zeigt die mit a) gekennzeichnete Darstellung links in 7 eine Metallfilmoberfläche versehen mit einem Array aus Linker/Antigenen in entsprechenden Teilbereichen 452, 752.
Die mit b) gekennzeichneten Darstellungen zeigen eine Bildinformation 122 bei einer steigenden Spannung an der Lichteinkopplungseinrichtung der Plasmonischen Sensorplattform.
So zeigen die mit. b) gekennzeichneten Darstellungen mit anderen Worten ein Kamerabild in Abhängigkeit der angelegten Spannung:
Dritte Darstellung von rechts: Oberflächenplasmone können weder im Metallfilm noch in den Regionen mit Linker angeregt werden.
Zweite Darstellung von rechts: Eine Erhöhung der Spannung erlaubt die Anregung von Oberflächenplasmone in den Regionen ohne Linker. Die reflektierte Lichtintensität sinkt, in den Regionen mit Linker bleibt sie konstant, da hier keine Plasmone aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheit angeregt werden können.
Erste Darstellung von rechts: Eine weitere Erhöhung der Spannung erlaubt nun die Anregung von Oberflächenplasmone in den Regionen mit Linker. Außerhalb können keine Oberflächenplasmone mehr angeregt werden, das heißt, das Bild erscheint invertiert. Die Auswertung bestimmter Regionen/Pixel im Kamerabild in Abhängigkeit der Spannung erlaubt nun die Rekonstruktion des Intensitätsprofils, das heißt, die Oberflächenplasmon-Anregung kann verfolgt und ausgewertet werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Plasmonischen Sensorplattform 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 8 entspricht der Darstellung in 5 mit dem Unterschied, dass die Lichteinkopplungseinrichtung 450 eine Graphen-Schicht 564 sowie eine Schicht 880 aus einem ionischen Fluid umfasst. Dabei ist die Schicht 880 aus dem ionischen Fluid auf der dem Metallfilm 104 abgewandten Seite der Graphen-Schicht 564 angeordnet.
Mit anderen Worten zeigt 8 eine graphen-basierte „Surface Plasmon Polariton“ (SPP) Sensor-Plattform 100 mit ionischer Flüssigkeit. Anstelle rein elektrostatischer Dotierung wirken nun die mobilen Ionen in der Flüssigkeit in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung 454 als dotierendes Element.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 900 Analysieren zumindest eines Analyten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 900 kann unter Verwendung einer zuvor beschriebenen Plasmonischen Sensorplattform ausgeführt werden.
In einem Schritt 910 wird ein elektrisches Signal, beispielsweise eine elektrische Spannung an die Plasmonische Sensorplattform oder die Lichteinkopplungseinrichtung der Plasmonischen Sensorplattform angelegt. In einem Schritt 920 wird die sich bei dem im Schritt 910 angelegten elektrischen Signal einstellende Intensität des ausfallenden Lichtstrahls ausgewertet. Dabei kann unter Kenntnis eines Wertes der Intensität sowie eines Wertes des anliegenden elektrischen Signals eine zu analysierende Eigenschaft des Analyten bestimmt werden. Dabei kann eine vorbestimmte Zuordnungsvorschrift verwendet werden, die beispielsweise einen bekannten Zusammenhang zwischen einem Verhältnis aus Intensität und elektrischem Signal und einer Konzentration des Analyten definiert. Die Schritte 910, 920 können mit unterschiedlichen elektrischen Signalen wiederholt ausgeführt werden.
Beispielsweise kann durch wiederholtes Ausführen der Schritte 910, 920 ein Intensitätsminimum bestimmt und über den Wert des elektrischen Signals, beispielsweise dem Spannungslevel, bei dem Intensitätsminimum auf eine Konzentration der Analyten in der Probe geschlossen werden.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Herstellen einer Plasmonischen Sensorplattform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1000 zum Herstellen einer Plasmonischen Sensorplattform weist einen Schritt 1010 des Bereitstellens eines Metallfilms auf, der wie bereits beschrieben eine erste Oberfläche zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls und eine zweite Oberfläche mit Linkermolekülen aufweist. In einem Schritt 1020 wird eine bereits beschriebene Lichteinkopplungseinrichtung an der ersten Oberfläche des Metallfilms angeordnet.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Vorrichtung (100) zum Analysieren zumindest eines Analyten (102), wobei die Vorrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: einen Metallfilm (104) mit einer ersten Oberfläche (110) zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls (106) als einen ausfallenden Lichtstrahl (108), wobei auf einer der ersten Oberfläche (110) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (112) des Metallfilms (104) Linkermoleküle (114) angeordnet sind, die ausgebildet sind, bei einer Reaktion zwischen den Linkermolekülen (114) und dem Analyten (102) eine Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms (104) zu verändern; und eine an der ersten Oberfläche (110) angeordnete Lichteinkopplungseinrichtung (450) zum Einkoppeln des einfallenden Lichtstrahls (106) auf die erste Oberfläche (110) und zum Auskoppeln des ausfallenden Lichtstrahls (108) von der ersten Oberfläche (110), wobei die Lichteinkopplungseinrichtung (450) eine durch ein elektrisches Signal (454) veränderbare Permittivität aufweist, und wobei eine Intensität (230) des ausfallenden Lichtstrahls (108) abhängig von der Plasmonischen Eigenschaft des Metallfilms (104) und der Permittivität der Lichteinkopplungseinrichtung (450) ist.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, mit einer Schnittstelle zum Anlegen des elektrischen Signals (454) in Form einer elektrischen Spannung (454) an die Lichteinkopplungseinrichtung (450).
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Lichteinkopplungseinrichtung (450) zumindest eine Lage eines 2D-Materials, insbesondere zumindest eine Lage Graphen umfasst, dessen Permittivität durch das elektrische Signal (454) veränderbar ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Lichteinkopplungseinrichtung (450) einen stapelförmigen Aufbau aus zumindest eine Lage eines 2D-Materials (564), einer Isolator-Schicht (566) und einer elektrisch leitenden Schicht (568) aufweist, wobei die zumindest eine Lage des 2D-Materials (564) an der ersten Oberfläche (110) anliegend angeordnet ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Lichteinkopplungseinrichtung (450) einen stapelförmigen Aufbau aus zumindest einer Lage eines 2D-Materials (564) und einem ionischen Fluid aufweist, wobei die zumindest eine Lage des 2D-Materials (564) an der ersten Oberfläche (110) anliegend angeordnet ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Erfassungseinrichtung (120) zum Erfassen der Intensität (230) des ausfallenden Lichtstrahls (108).
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die zweite Oberfläche (112) des Metallfilms (104) einen ersten Teilbereich (452) und einen zweiten Teilbereich (752) aufweist, wobei in dem ersten Teilbereich (452) die Linkermoleküle (114) und in dem zweiten Teilbereich (752) zweite Linkermoleküle angeordnet sind, wobei die Linkermoleküle (114) ausgebildet sind, bei der Reaktion mit dem Analyten (102) die Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms (104) in dem ersten Teilbereich (452) zu verändern und die zweiten Linkermoleküle ausgebildet sind, bei einer Reaktion mit einem zweiten Analyten die Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms (104) in dem zweiten Teilbereich (752) zu verändern.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Auswerteeinrichtung (572), die ausgebildet ist, um unter Verwendung der Intensität (230) des ausfallenden Lichtstrahls (108) und eines der Intensität (230) zuordenbaren Werts des elektrischen Signals (454) ein den Analyten (102) charakterisierendes Analysesignal (578) zu bestimmen.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, bei der die Auswerteeinrichtung (572) ausgebildet ist, um ein Verhältnis zwischen der Intensität (230) und dem der Intensität (230) zuordenbaren Wert des elektrischen Signals (454) zu bilden.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Auswerteeinrichtung (572) ausgebildet ist, das elektrische Signal (454) mit unterschiedlichen Werten an die Lichteinkopplungseinrichtung (450) bereitzustellen und ausgebildet ist, um unter Verwendung der den unterschiedlichen Werten zuordenbaren Intensitäten (230) des ausfallenden Lichtstrahls (108) und den unterschiedlichen Werten das den Analyten (102) charakterisierende Analysesignal (578) zu bestimmen.
Verfahren (900) zum Analysieren zumindest eines Analyten (102), wobei das Verfahren (900) die folgenden Schritte aufweist: Anlegen (910) eines elektrischen Signals (454) an eine Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und Auswerten (920) der Intensität (230) des ausfallenden Lichtstrahls (108) unter Verwendung eines der Intensität (230) zuordenbaren Werts des elektrischen Signals, um den Analyten (102) zu analysieren.
Verfahren (1000) zum Herstellen einer Plasmonischen Sensorplattform (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritt umfasst: Bereitstellen (1010) eines Metallfilms (104) mit einer ersten Oberfläche (110) zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls (106) als einen ausfallenden Lichtstrahl (108), wobei auf einer der ersten Oberfläche (110) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (112) des Metallfilms (104) Linkermoleküle (114) angeordnet sind, die ausgebildet sind, bei einer Reaktion zwischen den Linkermolekülen (114) und dem Analyten (102) eine Plasmonische Eigenschaft des Metallfilms (104) zu verändern; und Anordnen (1020) einer Lichteinkopplungseinrichtung (450) zum Einkoppeln des einfallenden Lichtstrahls (106) auf die erste Oberfläche (110) und zum Auskoppeln des ausfallenden Lichtstrahls (108) von der ersten Oberfläche (110) an der ersten Oberfläche (110), wobei die Lichteinkopplungseinrichtung (450) eine durch ein elektrisches Signal (454) veränderbare Permittivität aufweist, und wobei eine Intensität (230) des ausfallenden Lichtstrahls (108) abhängig von der Plasmonischen Eigenschaft des Metallfilms (104) und der Permittivität der Lichteinkopplungseinrichtung (450) ist.