DE102019107924A1

DE102019107924A1 - Kompaktes Raman-Mikrospektrometer mit abbildenden planaren digitalen Gitterstrukturen

Info

Publication number: DE102019107924A1
Application number: DE102019107924.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Popp; Karina Weber; Rainer Riesenberg; Andreas Wuttig; Uwe Hübner
Original assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01
Also published as: WO2020193677A1; EP3948184A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) umfassend eine Auflichteinrichtung (10), welche dazu ausgebildet ist, in aufrechtstehender Konfiguration oder in inverser Konfiguration im Betrieb der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung verwendet zu werden und während einer Messung der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung zwischen der aufrechtstehenden Konfiguration und der inversen Konfiguration umgeschaltet zu werden; und eine Gitterkomponenteneinrichtung (20), welche planare digitale Strukturen aufweist und welche dazu ausgebildet ist, als eine abbildende optische Komponente und/oder als eine dispergierende optische Komponente im Betrieb der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung verwendet zu werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Raman-Mikrospektrometer mit abbildenden planaren digitalen Gitterstrukturen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Raman-Mikrospektrometer-Vorrichtung.
Technischer Hintergrund
Die Raman-Spektroskopie ist eine Fingerprintanalytik. Durch das Objektiv erreicht das Anregungslaserlicht die Probe, und das Objektiv sammelt gleichzeitig das Raman-Streulicht für den Spektralsensor.
Das Anregungs- und Sammel-Objektiv kann auch eine justagefreie Fasersonde umfassend Anregungs- und Sammelfasern sein. Im Weiteren wird dennoch immer vom Objektiv gesprochen.
Insbesondere für eine breite Anwendung im Bereich der Lebenswissenschaften ist ein kompakter, justagefreier Aufbau erforderlich, der zwischen der Auflicht- und der inversen Anordnung in einem Gerät wechseln kann. Somit wird es möglich die verschiedensten Fragestellungen und Probenmatrices mit ein und demselben Gerat messen zu können. Für ein kompaktes Gerat sind weiterhin die Komponenten so weit wie möglich multifunktional auszuführen, um ihre Zahl zu reduzieren. Das trifft besonders für die Hauptkomponente dem Gitter als disperseres Element zu.
Beispielhaft wird ein Probenhaltersystem integriert, der die spektroskopische Messung von Mikroorganismen, Zellen, Sphäroiden, etc. welche typischerweise in wässriger Lösung präpariert sind, erlaubt. Eine flüssige Probe, z.B. einer biologischen Probe, die sich auf einem Glassubstratträger befindet, misst man mit inverser Anordnung (Objektiv von unten). Gleiches gilt für feste Proben.
Dafür wird ein Objektiv benötigt, was auf den Substratträger korrigiert ist. Wenn man die Probe mit klassischer Anordnung misst (Objektiv von oben) hat man für flüssige Proben das Problem einer möglichen Kontamination mit pathogenem Material. Dafür müssen die Proben in den Kammern mit einer Folie oder mit einem zusätzlichen Deckglas abgedeckt werden. Für eine solche Probensituation ist bei der Befüllung ein Luftspalt über den Flüssigkeitsminiskus nicht zu vermeiden. Durch Kondensation bildet sich an der Deckglasinnenseite oder an der Folie eine unkontrollierbare Tröpfchenschicht.
Dafür werden typischerweise unterschiedliche Geräte (welche entweder Auflicht- oder eine inverse Anordnung beinhalten) angeboten. Die typische Spektralsensoranordnung besteht aus einem Eingangsspalt, einem abbildenden Gitter und einer Sensorzeile. Das abbildende Gitter ist eine massive klassische konkave Linse in der Regel aus Glas, auf der die Gitterstruktur mit einer aufwendigen Interferenzbelichtung und anschließender Mikrostrukturtechnik realisiert wird. Die Funktionen Abbildung (konkave Spiegel) und Dispersion (auf die konkave Fläche aufgeprägtes Gitter) sind getrennt.
Es gibt auch abgeformte abbildende konkave Gitter. Diese haben eine recht begrenzte optische Qualität, da ihre Maßhaltigkeit und Stabilität für die Anforderungen der Raman-Spektroskopie unzureichend sind.
Für die Komponente des abbildenden konkaven Gitters ist sowohl die Technologie des Grundkörpers (meistens Glas) als auch die der Strukturierungstechnologie speziell auf der gekrümmten Oberfläche, aufwendig.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für ein kompaktes Raman-Mikrospektrometer insbesondere für die Biologie, Medizin, Pharmazie, Forensik, Lebensmittelqualität zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren der Zeichnungen zu entnehmen.
Die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung der vorliegenden Erfindung ermöglicht vorteilhaft - erstens - einen Auflichtbetrieb und ist ferner wahlweise wechselbar in inverser Anordnung mit - zweitens - multifunktionalen Komponenten. Damit ermöglicht die vorliegende Erfindung die Baugröße und die Kosten zu verringern und gleichzeitig eine einfache und sichere Integration der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung zu ermöglichen. Das betrifft vorwiegend das Gitter der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung als Hauptkomponente.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung eines kompakten, justagefreien Handheld-Raman-Spektrometers zur Messung von Zellen/Bakterien sowohl auf Probenträgern und in Kammern mit wässriger Lösung und Feststoffen gelöst.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass mit ein und demselben Aufbau von einem Standard-Auflichtanordnung in eine inverse Auflichtanordnung während der Messung gewechselt werden kann, und dass für die Gitterkomponente planare digitale Strukturen verwendet werden, die gleichzeitig die abbildende und die dispergierende Funktion realisieren und mit bekannten mikrolithographischen Dünnschichttechnologien auf ebenen Substraten präpariert werden, im einfachsten Fall der Strukturierung einer Metallschicht.
Es geht um den Messzugang zu Proben in Lösungen als auch um die Nutzung der Vorteile der Messung fester Proben. Um die Möglichkeiten nutzen zu können, benötigt man ein Raman-Mikroskop, das schnell vom klassischen Betrieb (von oben) zum inversen Betrieb wechseln kann.
Die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung der vorliegenden Erfindung ermöglicht Mikroskopie in Durchlicht- und Auflichtanordnung.
Insbesondere ist die Integration beider Methoden in einem Gerät notwendig, um den Einfluss der Hardware, dem Mikrospektrometers, auf das Messergebnis zu minimieren. Für die Hauptkomponente des Spektrometers können die genannten Funktionen mit einem Mikrostrukturierungsschritt realisiert werden. Weitere Funktionen, die für Hochleistungsspektrometer erforderlich sind, z.B. der sogenannte Blaze (von engl. to blaze = funkeln), werden mit dem einen Mikrostrukturierungsschritt gleich mit realisiert.
Der Blaze bestimmt die Effizienz des Gitters und wird durch die Aufteilung der planaren gekrümmten in unregelmäßige gitterartige Strukturen in laterale Unterstrukturen erreicht. Eine Gitterlinie besteht dann aus mehreren unterschiedlich breiten Teillinien.
In gleicher Weise werden bei dem einzigen Mikrotechnologieschritt Funktionen, die die optische Performance optimieren, integriert, wie z. B. ein Chirp. Die Gitterperiode ändert sich über die Gitterflache, die Gitterstege wirken gebogen und nicht linear.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Raman-Mikrospektrometer-Anordnung. Die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung umfasst eine Auflichteinrichtung und eine Gitterkomponenteneinrichtung.
Die Auflichteinrichtung ist dazu ausgebildet, in aufrechtstehender Konfiguration oder in inverser Konfiguration im Betrieb der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung verwendet zu werden und während einer Messung der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung zwischen der aufrechtstehenden Konfiguration und der inversen Konfiguration umgeschaltet zu werden.
Die Gitterkomponenteneinrichtung weist planare, digitale Strukturen auf.
Die Gitterkomponenteneinrichtung ist dazu ausgebildet, als eine abbildende optische Komponente und/oder als eine dispergierende optische Komponente im Betrieb der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung verwendet zu werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung als ein justagefreies Handgerät ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung zur Messung von flüssigen und/oder festen Proben ausgebildet ist und dazu ausgebildet ist, mit Probenträgern und/oder Probenkammern gekoppelt zu werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die planaren, digitalen Strukturen der Gitterkomponenteneinrichtung (i) in einer Ebene verlaufende, gekrümmte und/oder (ii) nicht-äquidistante Gitterlinien aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die planaren digitalen Strukturen asphärische und/oder astigmatische Gittereigenschaften aufweisen, welche dazu eingestellt sind, optische Eigenschaften der abbildenden optischen Komponente und der dispergierenden optischen Komponente zu definieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die planaren digitalen Strukturen dazu ausgebildet sind, eine Korrektur von Abbildungsfehlern der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung bereitzustellen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass durch das Gitter Abbildungsfehlerkorrekturen realisiert werden, welche es erlauben, statt torischer Spiegel oder Linsen einfachere und präziser fertigbare sphärische Spiegel oder Linsen einzusetzen und so ein justagefreies System zu realisieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die asphärischen und/oder astigmatischen Gittereigenschaften der die planaren digitalen Strukturen durch mindestens ein Lithographieverfahren, auch als Photolithographieverfahren bezeichnet, herstellbar sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die planaren digitalen Strukturen dazu ausgebildet sind, einen Dispersionsverlauf der abbildenden optischen Komponente und/oder der dispergierenden optischen Komponente zu verändern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung reflektiv oder transmissiv betreibar bzw. benutzbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die planaren digitalen Strukturen als Chirp-Gittern ausgebildet sind und eine Gitterkonstante der planaren digitalen Strukturen nach Vorgabe räumlich variiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die planaren digitalen Strukturen Gitterstege aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Gitterstege eine Krümmung aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine mittlere Gitterperiode zwischen 1 und 80 µm beträgt, wobei eine laterale Unterteilung der Höhenlevel weniger als 1 µm beträgt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die planaren digitalen Strukturen eine rundliche Apertur aufweise.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung ferner eine Spektrometerkopfeinrichtung aufweist, welche einen Spiegel, eine Linse und einen Strahlteiler aufweist und welche dazu ausgebildet ist, Licht einzukoppeln
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung dazu ausgebildet ist, mit einem Lichtfaserbündel gekoppelt zu werden
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der vorliegenden Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsformen beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vermitteln.
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Konzepten der vorliegenden Erfindung.
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Figuren der Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Figuren der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
Figurenliste
Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Raman-Mikrospektrometer-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
2: eine schematische Darstellung einer Raman-Mikrospektrometer-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3: eine schematische Darstellung von einer Gitterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4: eine schematische Darstellung von Anregungs- und Sammel-Objektiv in Form eine justagefreien Fasersonde bestehend aus Anregungs- und Sammelfasern sein.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Raman-Mikrospektrometer-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die in der 1 dargestellte Raman-Mikrospektrometer-Anordnung 100 umfasst eine Auflichteinrichtung 10 und eine Gitterkomponenteneinrichtung 20.
Die Auflichteinrichtung 10 ist dazu ausgebildet, in aufrechtstehender Konfiguration oder in inverser Konfiguration im Betrieb der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung verwendet zu werden.
Die Auflichteinrichtung 10 ist ferner dazu ausgebildet, während einer Messung der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung zwischen der aufrechtstehenden Konfiguration und der inversen Konfiguration umgeschaltet zu werden.
Die Gitterkomponenteneinrichtung 20 weist planare digitale Strukturen auf.
Die Gitterkomponenteneinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, als eine abbildende optische Komponente und/oder als eine dispergierende optische Komponente im Betrieb der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung verwendet zu werden.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Raman-Mikrospektrometer-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung von einer Gitterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung von Anregungs- und Sammel-Objektiv in Form eine justagefreien Fasersonde bestehend aus Anregungs- und Sammelfasern sein
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) umfassend: - eine Auflichteinrichtung (10), welche dazu ausgebildet ist, in aufrechtstehender Konfiguration oder in inverser Konfiguration im Betrieb der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung verwendet zu werden und während einer Messung der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung zwischen der aufrechtstehenden Konfiguration und der inversen Konfiguration umgeschaltet zu werden; und - eine Gitterkomponenteneinrichtung (20), welche planare digitale Strukturen aufweist und welche dazu ausgebildet ist, als eine abbildende optische Komponente und/oder als eine dispergierende optische Komponente im Betrieb der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung verwendet zu werden.
Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) nach Patentanspruch 1, wobei die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung als ein justagefreies Handgerät ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung zur Messung von flüssigen und/oder festen Proben ausgebildet ist und dazu ausgebildet ist, mit Probenträgern und/oder Probenkammern gekoppelt zu werden.
Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die planaren digitalen Strukturen der Gitterkomponenteneinrichtung (i) in einer Ebene verlaufende, gekrümmte und/oder (ii) nicht-äquidistante Gitterlinien aufweist.
Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die planaren digitalen Strukturen asphärische und/oder astigmatische Gittereigenschaften aufweisen, welche dazu eingestellt sind, optische Eigenschaften der abbildenden optischen Komponente und der dispergierenden optischen Komponente zu definieren und/oder Abbildungsfehler weiterer optischer Komponenten der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung zu korrigieren; wobei vorzugsweise (i) die planaren digitalen Strukturen dazu ausgebildet sind, eine Korrektur von Abbildungsfehlern der Raman-Mikrospektrometer-Anordnung bereitzustellen; und/oder wobei vorzugsweise (ii) die asphärischen und/oder astigmatischen Gittereigenschaften der planaren digitalen Strukturen durch mindestens ein Lithographieverfahren herstellbar sind.
Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 4, wobei die planaren digitalen Strukturen dazu ausgebildet sind, einen Dispersionsverlauf der abbildenden optischen Komponente und/oder der dispergierenden optischen Komponente zu verändern.
Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung reflektiv oder transmissiv betreibar ist.
Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die planaren digitalen Strukturen als Chirp-Gittern ausgebildet sind und eine Gitterkonstante der planaren digitalen Strukturen nach Vorgabe räumlich variiert.
Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die planaren digitalen Strukturen Gitterstege aufweisen, welche eine Krümmung und/oder in der Tiefe terrassiert sind, und/oder wobei eine mittlere Gitterperiode der Gitterstege zwischen 1 und 80 µm beträgt, wobei eine laterale Unterteilung der Höhenlevel weniger als 1 µm beträgt.
Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die planaren digitalen Strukturen eine rundliche Apertur aufweisen.
Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, ferner eine Spektrometerkopfeinrichtung aufweisend, welche einen Spiegel, eine Linse und einen Strahlteiler aufweist und welche dazu ausgebildet ist, Licht einzukoppeln; wobei vorzugsweise die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) dazu ausgebildet ist, mit einem Lichtfaserbündel gekoppelt zu werden; wobei vorzugsweise die Raman-Mikrospektrometer-Anordnung (100) durch ihre Kombination von Spiegel, Linsen, Gitter und Objektiv nahezu justagefrei und kostengünstig in der Produktion ist.