-
Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung mit einer ersten Lichtquelle, einem photosensitiven Sensor, einer Kavität zur Aufnahme einer Probe und einem Gittersensor, der eine Begrenzungsfläche zur Kavität, insbesondere im Boden der Kavität bildet, wobei die erste Lichtquelle Licht zum Gittersensor emittiert, das eine erste Frequenz aufweist, die einer Resonanzfrequenz des Gittersensors entspricht oder eine Resonanzfrequenz des Gittersensors aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur biochemischen oder biomolekularen Analyse mittels Licht, wobei mittels einer ersten Lichtquelle Licht einer ersten Frequenz in Richtung eines Gittersensors, der in Kontakt mit einem biologischen Material oder einer mit biologischem Material versetzten Flüssigkeit steht, gestrahlt wird, wobei die erste Frequenz im Bereich einer Resonanzfrequenz des Gittersensors liegt.
-
Derartige optische Messvorrichtungen, die als photometrische Messvorrichtungen bezeichnet werden können, dienen dazu, flächig nebeneinander angeordnet geometrisch frei konfigurierbare Messplätze bzw. Messeinrichtungen für parallele photometrische Messungen an mehreren Proben, beispielsweise mittels einer Mikrotitervorrichtung, insbesondere Mikrotiterplatte, bereitzustellen.
-
Eine Mikrotiterplatte umfasst mehrere Kavitäten, in die die einzelnen Proben eingebracht werden können. Für jede Kavität bzw. jede Probe ist eine entsprechende optische Messvorrichtung vorgesehen. Unterhalb der Kavität ist ein für Licht transparenter Boden vorgesehen, der einen Gittersensor aufweist, wobei der Gittersensor dazu dient, Eigenschaften der Probe zu vermessen.
-
Unter einem Gittersensor wird auch ein photonischer Kristall verstanden. Bei einem derartigen photonischen Kristall bzw. Gittersensor wird Licht in einen Wellenleiter mittels eines Beugungsgitters eingekoppelt. Dieses geschieht vor allen Dingen bei einer sog. Resonanzwellenlänge oder Resonanzfrequenz. Die Resonanzwellenlänge ist diejenige Wellenlänge, bei der das Einkoppeln am effizientesten geschieht. Die Einkoppeleffizienz bzw. die Resonanzwellenlänge ist abhängig von dem lokalen Brechungsindex an oder in der Nähe der Sensoroberfläche, so dass die Resonanzfrequenz bzw. Resonanzwellenlänge abhängig von der Probe, die in die Kavität und damit auf den Gittersensor aufgebracht wird, ist.
-
Für die Funktion eines derartigen Gittersensors bzw. im Englischen auch resonant waveguide grating genannt wird, unter anderem verwiesen auf
Ye Fang „Resonant Waveguided Grating Biosensor for Microarrays, in M. Zourob and A. Lakhtakia (eds.), Optical Guidedwave Chemical and Biosensors II, Springer Series on Chemical Sensors and Biosensors 8, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2010, Seiten 27 bis 42 sowie
Threm Daniela et al.: On the effect of broadband, multi-angular excitation and detection in guided-mode resonance biosensors, SPIE 9127, Photonic Crystal Materials and Devices, 2014, 91270 X-1 bis 91270 X-7. Zudem wird auf
DE 10 2010 005 859 B3 und die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2014 115 564.5 verwiesen.
-
Die bekannten Methoden bzw. Vorrichtungen zur markerfreien Messung mittels Gittersensoren nutzen das Aufzeichnen einer Resonanzverschiebung. Hierfür kann ein Spektrometer eingesetzt werden, um ein Spektrum der Transmission oder der Reflektion des Gittersensors zu erhalten, um dann die zentrale Wellenlänge der Resonanz zu bestimmen.
-
Der Nachweis biologischer Substanzen bzw. die biochemische oder biomolekulare Analyse oder zelluläre Analyse gewinnt in der täglichen Laborarbeit und auf einigen wissenschaftlichen Gebieten durch derartige Messverfahren zunehmend an Bedeutung. Hierbei kommen überwiegend Mikrotiterplatten zum Einsatz, die in verschiedenen mikrobiologischen Arbeitsprozessen, beispielsweise für zelluläre oder biochemische Experimente, eingesetzt werden. Typische Einsatzbereiche finden sich bei der Medikamentenentwicklung.
-
Durch die große Anzahl der Kavitäten und der Verwendung gleicher Typen eignen sich Mikrotiterplatten für die Kultivierung und Testung großer Probenmengen. Die Befüllung der Mikrotiterplatten geschieht manuell üblicherweise mit Mehrkanalpipetten, im Hochdurchsatz meistens mit Pipettier-Robotern. Die überwiegend flächigen, rechteckig geformten Mikrotiterplatten bestehen meist aus Kunststoffen, beispielsweise Polystyrol, Polyvinylchlorid, oder aus Glas. Sie weisen viele jeweils voneinander isolierte in der Höhe variierende Näpfe bzw. Kavitäten auf, die in Reihen und Spalten zur Fläche senkrecht ausgerichtet, nebeneinander angeordnet sind. Einige Anwendungen mit diesen Mikrotiterplatten basieren auf dem photometrischen Messprinzip wie beispielsweise markerfreien Technologien mit Gittersensoren.
-
Gittersensoren, auch photonische Kristalle genannt, bestehen aus einer planaren Wellenleiterstruktur mit einer periodischen Nanostruktur. Diese Nanostruktur kann sowohl in einer Dimension periodisch sein, ein sog. lineares Gitter, oder in mehreren Dimensionen als sog. quadratisches/triangulares Gitter. Gittersensoren können ihre Wellenleitermoden durch das Gitter an Fernfeldmoden koppeln und durch Transmissions- oder Reflektionsmessungen zur Analyse von die Gittersensoren umgebendem Material verwendet werden. Die Moden erscheinen in der Messung als eine scharfe Resonanz im Spektrum, beispielsweise ist eine Resonanz bei 520 nm nur 5 nm breit. Hierbei handelt es sich um die Breite der Resonanz bei halber Intensität.
-
Die Mode wird durch drei Kenngrößen definiert, nämlich die zentrale Wellenlänge, die spektrale Breite und die Intensität der Mode. Diese Kenngrößen stehen in starker Abhängigkeit zu den geometrischen und materiellen Eigenschaften des Wellenleiters, wie oben schon angegeben, beispielsweise dem Berechnungsindex des Wellenleiters und seiner Umgebung. Dieses Phänomen wird dazu genutzt, markerfreie Analysen durchzuführen, also Proben ohne Zusatzstoffe, wie fluoreszierende Stoffe, zu vermessen.
-
Bei markerfreien Analysen wird eine Brechungsindexänderung an der Oberfläche des Gittersensors, hervorgerufen beispielsweise durch eine zelluläre Reaktion in der Probe, die in der Kavität enthalten ist, oder durch Anbinden von Molekülen an die Oberfläche des Gittersensors, detektiert.
-
Der veröffentlichte Stand der Technik zielt auf die Resonanzverschiebung ab und zeichnet diese entweder direkt mit dem Spektrometer auf oder wandelt sie an der spektralen Flanke der Lichtquelle in einer Intensitätsänderung um.
-
Ein Problem bei der Messtechnik basierend auf einer Analyse der Veränderung der Intensität des Lichtes ist deren Anfälligkeit für diverse Intensitätsschwankungen, die nicht durch den Signalgeber, d.h. den Gittersensor, hervorgerufen werden. Derartige ungewünschten Intensitätsschwankungen können durch ungewollte Reflektionen an Grenzflächen entstehen. Eine solche Grenzfläche kann die von der Flüssigkeit zur Luft sein, wobei sich diese Grenzfläche während eines Experiments verändern kann und so ein ungewolltes Signal ausgelöst wird. Die Veränderung der Flüssigkeitsoberfläche kann auch durch Zugabe von einer weiteren Flüssigkeit entstehen oder durch Zerplatzen von eventuellen Luftblasen an der Oberfläche. Weitere Grenzflächen, die zu Störstrahlung oder Störintensität führen, können beispielsweise die Gittersensorunterfläche oder Seitenwände der Kavität sein oder eine Temperaturdrift. Auch können Verunreinigungen in der Flüssigkeit, die in der Kavität eingebracht ist, die Intensität des Signales beeinflussen.
-
Um ungewollte Reflektionen zu unterdrücken, werden üblicherweise Polarisationsfilter genutzt. Idealerweise erfährt nur Licht, welches vom Gittersensor reflektiert wird, eine Polarisationsdrehung und kann einen verwendeten Polfilter passieren. Alle anderen Reflektionen werden idealerweise blockiert. Hierzu können zwei gekreuzte Polfilter genutzt werden oder ein Zirkularpolfilter. Diese Filter sind allerdings nicht ideal, so dass trotz allem Licht durchgelassen wird, was zu ungewollten Signalen führt.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative aufzuzeigen, mittels der effektiv ungewollte Reflektionen in dem Messergebnis verhindert werden können, so dass eine verlässlichere Gittersensormessung ermöglicht ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Messvorrichtung mit einer ersten Lichtquelle, einem photosensitiven Sensor, einer Kavität zur Aufnahme einer Probe und einem Gittersensor, der eine Begrenzungsfläche zur Kavität, insbesondere im Boden der Kavität bildet, wobei die erste Lichtquelle Licht zum Gittersensor emittiert, das eine erste Frequenz aufweist, die einer Resonanzfrequenz des Gittersensors entspricht, die dadurch weitergebildet ist, dass eine zweite Lichtquelle vorgesehen ist, die Licht mit einer zweiten Frequenz zum Gittersensor emittiert, wobei die zweite Frequenz beabstandet zu der Resonanzfrequenz des Gittersensors ist.
-
Durch das Vorsehen einer zweiten Lichtquelle, die Licht mit einer zweiten Frequenz zum Gittersensor emittiert, wobei die zweite Frequenz beabstandet zu der Resonanzfrequenz des Gittersensors ist, können ungewünschte Reflektionen, die durch das Licht der ersten Lichtquelle am Gittersensor oder in der Probe bzw. Kavität reflektiert werden und nicht im Zusammenhang mit der Einkopplung des Lichtes in den Gittersensor im Bereich der Resonanzfrequenz entstehen, getrennt festgestellt werden und von dem Messsignal abgezogen werden, so dass ein Messsignal übrig bleibt, das im Wesentlichen durch die Probe selbst hervorgerufen ist. Hierbei ist beispielsweise zu berücksichtigen, dass auch Licht der ersten Frequenz am Gittersensor ohne Einkopplung reflektiert wird und zu einer Verfälschung des Messsignals führt, wenn die Intensität als Messsignal verwendet wird. Durch Verwendung des Lichtes einer zweiten Frequenz, das entsprechend auch an dem Gittersensor reflektiert wird, kann die Intensität des reflektierten Lichts der ersten Frequenz über die Intensität des reflektierten Lichts der zweiten Frequenz bestimmt werden.
-
Vorzugsweise emittiert die erste Lichtquelle ein Frequenzband. Vorzugsweise emittiert die zweite Lichtquelle ein Frequenzband. Die Frequenzbänder liegen vorzugsweise auch beabstandet voneinander, so dass zumindest im Wesentlichen keine Überlappung der Frequenzbänder vorliegt oder, wenn eine Überlappung vorliegt, das Frequenzband der zweiten Lichtquelle nicht bis zur Resonanzfrequenz des Gittersensors reicht oder zumindest nur unwesentlich zu einer Einkopplung in eine Gittersensormode beiträgt.
-
Vorzugsweise liegt das Frequenzband der zweiten Lichtquelle zumindest im Wesentlichen oder vollständig beabstandet zur Resonanzfrequenz des Gittersensors.
-
Als photosensitiver Sensor kann ein Photosensor, eine Photodiode oder ein Kamerasensor, beispielsweise ein Array von Photodioden, Verwendung finden.
-
Vorzugsweise ist oder sind die erste Lichtquelle und/oder die zweite Lichtquelle eine Leuchtdiode (LED) oder organische Leuchtdiode (OLED). Die erste Lichtquelle und/oder die zweite Lichtquelle kann oder können auch eine Laserdiode sein, d.h. eine schmalbandigere Lichtquelle als eine Leuchtdiode.
-
Vorzugsweise sind die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle auf einem gemeinsamen Substrat, insbesondere einer Platine, angeordnet und/oder sind die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle eng benachbart zueinander angeordnet.
-
Vorzugsweise ist der photosensitive Sensor auch auf dem gemeinsamen Substrat, insbesondere der Platine, angeordnet.
-
Vorzugsweise definieren die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle jeweils ein Leuchtzentrum, wobei die Leuchtzentren weniger als 1mm, insbesondere weniger als 0,5 mm, voneinander beabstandet sind. Für den Fall, dass Leuchtdioden als Lichtquellen verwendet werden, können diese Leuchtdioden im 0201-Chip-Bauformat sein und somit Baumaße von 0,3 mm × 0,6 mm aufweisen. Die Mitten bzw. die Leuchtzentren der Leuchtdioden können dann mit einem Abstand von ca. 0,3 mm voneinander entfernt platziert werden.
-
Vorzugsweise ist zum Fokussieren des Lichts, das vom Gittersensor zum photosensitiven Sensor gestrahlt wird, eine Sammellinse, insbesondere eine Kugellinse, vorgesehen. Die Kugellinse kann beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm bis 5 mm aufweisen, vorzugsweise bei 2,5 mm liegen. Die Leuchtzentren der Leuchtdioden können dann so zu einer idealen Position versetzt bzw. dejustiert sein, dass diese jeweils 0,15 mm versetzt angeordnet sind, damit beide Leuchtdioden gleich effizient den Gittersensor beleuchten können. Es ergeben sich durch diese Dejustage zwar Intensitätsverluste, diese sind allerdings durch die Möglichkeit, die parasitären Lichtreflexionen herausrechnen zu können, gut hinnehmbar.
-
Vorzugsweise ist der photosensitive Sensor sensitiv für die erste Frequenz und die zweite Frequenz bzw. alternativ auch für die Frequenzbänder.
-
Vorzugsweise werden die erste und die zweite Lichtquelle so nah wie möglich aneinander angeordnet, so dass der optische Weg der Lichtquellen so weit wie möglich identisch ist. Das Licht beider Lichtquellen wird vorzugsweise auf den Gittersensor fokussiert. Vorzugsweise besitzen die beiden Lichtquellen eine gleiche Ausgangsleistung und erzeugen an dem photosensitiven Sensor einen gleichen Signalpegel, für den Fall, dass kein Gittersensor im Strahlengang angeordnet wäre. Da üblicherweise Lichtquellen, insbesondere Leuchtdioden, nicht die gleiche Ausgangsleistung erzeugen, insbesondere auch nicht bei gleichem Strom die gleiche Ausgangsleistung erzeugen und zudem die Positionierung der Lichtquellen etwas entfernt von dem optimalen Strahlengang ist, sind die Signalpegel an dem photosensitiven Sensor nicht gleich. Aus diesem Grunde wird vorzugsweise ein Korrekturfaktor bei der Signalbildung oder Differenzbildung berücksichtigt. Beispielsweise wird das Messsignal dann als das Signal berechnet, das von der ersten Lichtquelle über den Gittersensor zum photosensitiven Sensor aufgenommen wird, abzüglich des Signals der zweiten Lichtquelle, das mit einem Korrekturfaktor multipliziert ist. Das Signal kann hierbei die jeweilige Intensität sein. Bei der Intensität handelt es sich vorzugsweise um ein Integral über das jeweilige Frequenzband oder das empfangene Spektrum.
-
Der Korrekturfaktor wird vorzugsweise für jede optische Messvorrichtung einer Mikrotiterplatte individuell bestimmt und entsprechend in einer Auswerteeinheit gespeichert.
-
Als photosensitiver Sensor bzw. Photodetektor können Photodioden aber auch Arrays von Photodetektoren bzw. Photodioden wie beispielsweise eine Kamera dienen. Um die Messsignale zu bestimmen, können die Messsignale bei den verschiedenen Lichtfrequenzen hintereinander gemessen werden. Das heißt, es wird beispielsweise zunächst das Licht mit einer zweiten Frequenz emittiert und die entsprechenden Reflektionen am Gittersensor und möglicherweise in der Kavität oder in der Flüssigkeit selbst werden vom photosensitiven Sensor aufgenommen und die Intensität bestimmt und dann gespeichert und mit einem entsprechend vorher schon bestimmten Korrekturfaktor multipliziert. Es wird dann Licht mit einer ersten Frequenz emittiert, wodurch der Gittersensor zur Resonanz angeregt wird bzw. das Licht wird entsprechend aufgrund dessen, dass die Frequenz des Lichtes im Bereich der Resonanzfrequenz des Gittersensors ist, in dem Gittersensor eingekoppelt und die evaneszente Welle oder Mode, die mit der Probe in Wechselwirkung tritt, wird dann wieder aus dem Gittersensor ausgekoppelt und die Intensität dieses Lichtes wird dann durch den photosensitiven Sensor bestimmt und von diesem Signal wird die vorher bestimmte Intensität des reflektierten ersten Lichtes multipliziert mit dem Korrekturfaktor abgezogen. Hierdurch ergibt sich dann das tatsächliche Messsignal.
-
Alternativ hierzu kann das Licht beider Frequenzen gleichzeitig emittiert werden und der photosensitive Sensor so ausgestaltet sein, dass das Licht beider Frequenzen bzw. beider Frequenzbänder getrennt voneinander im Hinblick auf die Intensität ausgewertet werden kann. Dies kann beispielsweise bei einem Farbkamerasensor durch die vor dem jeweiligen Photosensor angeordneten Farbfilter ermöglich sein oder durch Verwendung voneinander beabstandeter photosensitiver Sensoren und räumlicher Trennung der verschiedenen Lichtfrequenzen bspw. durch Beugung.
-
Vorzugsweise ist zum Fokussieren des Lichts, das vom Gittersensor zum photosensitiven Sensor gestrahlt wird, eine Sammellinse, insbesondere eine Kugellinse, vorgesehen.
-
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von optischen Messvorrichtungen in einer Mikrotiterplatte integriert bzw. ist eine Mikrotiterplatte vorgesehen, in der eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtungen vorgesehen, insbesondere integriert sind. Hierbei sind für jede Kavität zwei Lichtquellen, ein Gittersensor und ein photosensitiver Sensor vorgesehen.
-
Der Boden der Mikrotiterplatte kann vollständig transparent ausgebildet sein und entsprechende Gittersensoren im Bereich der Kavitäten am Boden eingraviert, eingedruckt oder eingeätzt haben. Der Gittersensor kann hierbei beispielsweise so ausgestaltet sein, wie dieses auf Seite 34 der Veröffentlichung von Ye Fang „Resonant Waveguided Grating Biosensor for Microarrays", die vorstehend genannt ist, ausgebildet sein oder so, dass das Gitter selbst mit der Probe vernetzen kann. Hierzu wird beispielsweise auf die Veröffentlichung von Threm, Daniela et al., die auch oben genannt ist, verwiesen.
-
Vorzugsweise ist eine Auswertevorrichtung vorgesehen, mittels der eine Differenz der Intensitäten des von dem Gittersensor kommenden Lichts mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz gebildet wird oder bildbar ist bzw. erzeugbar ist. Hier wird der entsprechende Korrekturfaktor angewendet.
-
Die Erfindung nutzt zwei Lichtquellen, beispielsweise zwei LEDs, die so angeordnet sind, dass der optische Weg der Lichtquellen so weit wie möglich identisch ist. In dem Ausführungsbeispiel, das später beschrieben wird, werden die LEDs so nahe wie nur möglich aneinander platziert und durchlaufen nahezu denselben optischen Weg und werden auf einen Photodetektor, also einen photosensitiven Sensor, fokussiert. Für den Fall, dass die Lichtquellen identisch wären, d.h. Licht einer gleichen Frequenz abstrahlen würden, wären alle physikalischen Effekte, die die Intensität des Lichtes verändern würden, gleich.
-
Gemäß der Erfindung strahlen die Lichtquellen allerdings Licht unterschiedlicher Frequenzen ab, wobei die erste Lichtquelle Licht einer Frequenz abstrahlt, das die Resonanz des Gittersensors anregt bzw. das zu einer, vorzugsweise optimalen, Einkopplung des Lichtes im Gittersensor führt. Das Licht der anderen Lichtquelle hat eine Frequenz, die beabstandet zu der, insbesondere optimalen, Einkopplungsfrequenz in den Gittersensor ist, so dass die Resonanz des Gittersensors nicht abgefragt wird und die Reflektionen des Lichts der zweiten Frequenz keine Informationen über die Reaktionen der Probe enthält. Es kann dann eine einfache Differenzbildung dazu dienen, die Störsignale bei der Messung herauszurechnen, so dass nur die Signale übrig bleiben, die durch die Probe und die Änderungen in der Probe erzeugt werden, beispielsweise einer Oberflächenmassenänderung auf dem Gittersensor oder eine Veränderung des Brechungsindex.
-
Die optische Messvorrichtung kann sowohl in Reflektion verwendet werden, d.h. relativ zum Gittersensor sind die Lichtquellen und der photosensitive Sensor auf der gleichen Seite, aber auch in Transmission, d.h. die Lichtquellen sind relativ zum Gittersensor auf der anderen Seite zum photosensitiven Sensor angeordnet.
-
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur biochemischen, biomolekularen oder zellulären Analyse mittels Licht gelöst, wobei mittels einer ersten Lichtquelle Licht einer ersten Frequenz in Richtung eines Gittersensors, der in Kontakt mit einem biologischen Material oder einer mit biologischem Material versetzten Flüssigkeit steht, gestrahlt wird, wobei die erste Frequenz im Bereich einer Resonanzfrequenz des Gittersensors liegt, wobei außerdem Licht einer zweiten Frequenz in Richtung des Gittersensors gestrahlt wird, wobei die zweite Frequenz beabstandet von der Resonanzfrequenz des Gittersensors liegt, wobei die Intensität des von dem Gittersensor kommenden Lichts der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz gemessen wird und eine Differenz der Intensität des gemessenen Lichts der ersten Frequenz und der Intensität des gemessenen Lichts der zweiten Frequenz gebildet wird.
-
Unter einer Frequenz, die beabstandet zu einer Resonanzfrequenz des Gittersensors ist, wird insbesondere verstanden, dass diese Frequenz keine oder im Wesentlichen keine Resonanzmode des Gittersensors anregt.
-
Vorzugsweise emittieren die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle jeweils ein Emissionsspektrum an Licht, wobei das Zentrum der jeweiligen Emissionsspektren wenigstens 30 nm, insbesondere wenigstens 40 nm, insbesondere wenigstens 50 nm, entfernt voneinander sind. Die Bandbreiten der ersten Lichtquelle und/oder der zweiten Lichtquelle liegen vorzugsweise bei 20 bis 30 nm. Die Bandbreite kann allerdings auch im Bereich von 40 nm liegen.
-
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
-
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung und
-
2 eine schematische Darstellung der Lichtintensität über der Wellenlänge.
-
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
-
1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße optische Messvorrichtung 10. Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Mikrotiterplatte, wobei von der Mehrzahl von Kavitäten nur eine Kavität 14 dargestellt ist. In der Kavität 14, die nach unten durch einen Boden 17 und zu den Seiten durch eine Seitenwand 32 begrenzt ist, ist eine flüssige Probe 15 eingebracht. Schematisch ist auf der Oberfläche 36 der flüssigen Probe 15 eine Blase 33 angedeutet, die unter anderem zu falschen Messsignalen führen kann. Den Boden 17 bildet ein Gittersensor 16, der in diesem Ausführungsbeispiel ein entsprechendes Gitter angedeutet hat, und zwar ausschließlich im Bereich der Kavität 14. Der Gittersensor 16 kann allerdings auch vollständig über die Mikrotiterplatte ausgebildet sein oder bei entsprechend jeder Kavität der Mikrotiterplatte. Um Störsignale in benachbarten Kavitäten zu vermeiden, ist die Gitterstruktur auf die jeweilige Kavität begrenzt.
-
Auf einer Platine 26 sind zwei eng benachbarte Leuchtdioden 11, 12, nämlich eine erste Leuchtdiode 11 und eine zweite Leuchtdiode 12, dargestellt. Die erste Leuchtdiode 11 emittiert Licht 21 einer ersten Frequenz bzw. ein Lichtband umfassend eine erste Frequenz 24. Die zweite Leuchtdiode 12 emittiert Licht 22 einer zweiten Frequenz 25 bzw. ein Frequenzband einer zweiten Frequenz 25. Das Licht 21, 22 wird durch eine von einer Halterung 35 gehaltenen kugelförmigen Linse bzw. Sammellinse 30 auf den Gittersensor 16 fokussiert.
-
Für den Fall, dass das Licht der ersten Frequenz 24, d.h. das erste Licht 21, im Bereich der Einkoppelfrequenz des Gittersensors liegt, wird dieses Licht entsprechend teilweise in den Gittersensor eingekoppelt und zum Teil an der unteren Oberfläche reflektiert. Das entsprechend ausgekoppelte Licht gelangt über eine weitere Sammellinse 31 in Form einer Kugellinse als Licht 27 auf einen Photosensor 13, der auch auf der Platine 26 aufgebracht ist. Das Licht 22 wird auch über die Sammellinse 30 zum Gittersensor 16 fokussiert und das reflektierte Licht gelangt über die Sammellinse 31 als Licht 28 auf den Photosensor 13.
-
Die beiden Lichtquellen 11, 12 können hintereinander bzw. intermittierend, angesteuert werden, so dass hintereinander Intensitätsmessungen mit dem Photosensor vorgenommen werden können. Alternativ kann der Photosensor 13 so ausgebildet sein, dass dieser Licht verschiedener Wellenlängen getrennt voneinander von der Intensität her auswerten kann.
-
Ein Teil des Lichtes 21 der ersten Frequenz 24 koppelt in den Gittersensor 16 ein und interagiert mit der Probe 15, beispielsweise für den Fall, dass sich der Brechungsindex der Probe 15 ändert oder die Massen der sich auf dem Gittersensor 16 anlagernden Probe 15 verändern. Ein weiterer Teil des Lichtes 21 der ersten Frequenz 24 wird an der unteren Oberfläche 36 des Gittersensors 16 oder an der oberen Oberfläche 36 des Gittersensors 16 reflektiert oder gelangt auch in die Probe 15, beispielsweise bis zur Oberfläche 36 der Probe 15, und entsprechende Reflektionen, beispielsweise an einer Blase 33, können auf den Photosensor 13 gelangen. Um derartige Messfehler zu bereinigen, wird Licht 22 einer zweiten Frequenz 25, die nicht als Mode in dem Gittersensor 16 einkoppelt, verwendet, da auch dieses Licht entsprechend an den verschiedenen Oberflächen reflektieren kann und da die geometrischen Flächen im Wesentlichen gleich sind. Da das Licht 22 der zweiten Frequenz 25, das als Licht 28 auf den Photosensor trifft, ein gutes Maß für die Störreflektionen in dem Messsystem ist, kann dieses dazu dienen, das gemessene Licht der ersten Frequenz zu normalisieren bzw. zu korrigieren.
-
Zudem ist in 1 noch ein Polarisationsfilter 34 gezeigt, der noch ergänzend dazu dienen kann, Störsignale zu unterdrücken. Hierzu wird auf den vorstehend genannten Stand der Technik verwiesen.
-
2 zeigt schematisch die Intensität von Licht über einer Wellenlänge. Die Intensität ist jeweils in willkürlichen Einheiten (a.u.) angegeben und die Wellenlänge in nm. Es sind die Frequenzbänder zweier Leuchtdioden gezeigt, nämlich ein Frequenzband einer ersten Frequenz 24 bzw. eines Frequenzbereiches 24, und einer zweiten Frequenz 25 bzw. eines Frequenzbereiches 25. Die erste Leuchtdiode emittiert Licht beispielsweise zwischen 500 nm und 540 nm, wohingegen die zweite Leuchtdiode Licht in einem Bereich von 570 nm bis 600 nm emittiert.
-
Zudem ist in 2 eine Resonanzmode des Gittersensors 16 mit einer Resonanzfrequenz 23 dargestellt. Es handelt sich hier um eine rein schematische Zeichnung. Ein typischer Gittersensor 16 hat beispielsweise eine Resonanzfrequenz bei 530 nm. Die Resonanzfrequenz hängt hierbei von der Gitterstruktur, d.h. insbesondere den Abständen der jeweiligen Gitterlinien oder Gitterstrukturen voneinander, ab. Eine typische Halbwertsbreite einer Resonanzmode eines Gittersensors 16 liegt beispielsweise bei 5 bis 10 nm.
-
Bei auf den Gittersensor 16 emittierten Lichtstrahlen kommt es in einem Bereich von 515 bis 535 nm, um im Beispiel der 2 zu bleiben, zu einer konstruktiven Interferenz mit dem Gittersensor 16, was einer optischen Mode bzw. einer Resonanz dort entspricht.
-
Licht dieser Frequenzen wird in den Gittersensor 16 bzw. diesem Wellenleiter mit aufgebrachtem Gitter eingekoppelt und auch wieder ausgekoppelt.
-
Die Periodizität eines Gittersensors 16 im Hinblick auf das Gitter liegt beispielsweise zwischen 500 nm bis 1000 nm. Die Gitterstruktur wird beispielsweise geprintet oder geätzt. Durch das Einkoppeln kommt es zu einer evaneszenten Welle, die mit der Umgebung zum Gittersensor 16 koppelt, so dass eine Probe, die sich bis zu einigen 100 nm von dem Gittersensor 16 erstreckt, untersucht werden kann.
-
Bei der mit dem photosensitiven Sensor 13 gemessenen Intensität wird vorzugsweise das Integral über die jeweils gemessenen Wellenlängen der ersten Frequenz 24 und der zweiten Frequenz 25 gemessen. Hierbei kann es sich bevorzugterweise jeweils um Frequenzbänder handeln, beispielsweise von 500 nm bis 540 nm oder von 570 nm bis 600 nm. Es können auch andere Lichtquellen in anderen Wellenlängenbereichen verwendet werden. Wesentlich ist, dass eine Lichtquelle so angepasst ist, dass diese als erste Lichtquelle Licht emittiert, das im Bereich einer Einkoppelmode des Gittersensors liegt und die zweite Lichtquelle Licht emittiert, das in einem Wellenlängenbereich bzw. Frequenzbereich liegt, das nicht mit dieser Mode des Gittersensors interagiert.
-
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- optische Messvorrichtung
- 11
- erste LED
- 12
- zweite LED
- 13
- Photosensor
- 14
- Kavität
- 15
- Probe
- 16
- Gittersensor
- 17
- Boden
- 21
- Licht
- 22
- Licht
- 23
- Resonanzfrequenz
- 24
- erste Frequenz
- 25
- zweite Frequenz
- 26
- Platine
- 27
- Licht
- 28
- Licht
- 30
- Sammellinse
- 31
- Sammellinse
- 32
- Seitenwand
- 33
- Blase
- 34
- Polarisationsfilter
- 35
- Halterung
- 36
- Oberfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010005859 B3 [0005]
- DE 102014115564 [0005]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Ye Fang „Resonant Waveguided Grating Biosensor for Microarrays, in M. Zourob and A. Lakhtakia (eds.), Optical Guidedwave Chemical and Biosensors II, Springer Series on Chemical Sensors and Biosensors 8, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2010, Seiten 27 bis 42 [0005]
- Threm Daniela et al.: On the effect of broadband, multi-angular excitation and detection in guided-mode resonance biosensors, SPIE 9127, Photonic Crystal Materials and Devices, 2014, 91270 X-1 bis 91270 X-7 [0005]
- Seite 34 der Veröffentlichung von Ye Fang „Resonant Waveguided Grating Biosensor for Microarrays“ [0033]
- Threm, Daniela et al. [0033]
