DE102020216450A1 - Device and method for detecting at least one substance - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Detektion mindestens einer Substanz (2), mit: einem photonischen Kristall (5) mit einer Oberfläche (5a), die mindestens einen Detektionsbereich und mindestens einen Referenzbereich aufweist, wobei in dem Detektionsbereich die zu detektierende Substanz (2) anlagerbar ist und in dem Referenzbereich die zu detektierende Substanz (2) nicht anlagerbar ist, wobei sich durch die Anlagerung der zu detektierenden Substanz (2) eine Resonanz (17) im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls (5) in dem Detektionsbereich relativ zu dem Referenzbereich spektral verschiebt, einer Lichtquelle (3) zur Einstrahlung von Licht (4) auf die Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) und einem Detektor (6) zur Messung eines ersten Intensitätssignals (ID) des in dem Detektionsbereich der Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a) und zur Messung eines zweiten Intensitätssignals (IR) des in dem Referenzbereich der Oberfläche (5) des photonischen Kristalls (IR) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a). Die Lichtquelle (3) weist in ihrem Spektrum mindestens eine Flanke auf, die im Bereich der Resonanz (17) des photonischen Kristalls (5) spektral durchstimmbar ist. Alternativ ist die Lichtquelle (3) breitbandig und die Vorrichtung (1) umfasst einen modulierbaren Spektralfilter (20) zur Filterung des reflektierten oder transmittierten Lichts (4a), wobei das Filterspektrum des Spektralfilters (20) mindestens eine Flanke aufweist, die Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls (5) spektral durchstimmbar ist. Die Vorrichtung (1) weist auch eine Auswerteeinrichtung (7) auf, die ausgebildet ist, mittels eines Vergleichs des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals (ID) mit dem während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignal (IR) die Substanz (2) zu detektieren. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren.The invention relates to a device (1) for detecting at least one substance (2), having: a photonic crystal (5) with a surface (5a) which has at least one detection area and at least one reference area, the substance to be detected being in the detection area (2) can be accumulated and the substance (2) to be detected cannot be accumulated in the reference region, with the accumulation of the substance (2) to be detected causing a resonance (17) in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal (5) shifted spectrally in the detection area relative to the reference area, a light source (3) for irradiating light (4) onto the surface (5a) of the photonic crystal (5) and a detector (6) for measuring a first intensity signal (ID) of the in the detection area of the surface (5a) of the photonic crystal (5) reflected or transmitted light (4a) and for measuring a second intensity signal (I R) of the light (4a) reflected or transmitted in the reference area of the surface (5) of the photonic crystal (IR). In its spectrum, the light source (3) has at least one flank that can be spectrally tuned in the region of resonance (17) of the photonic crystal (5). Alternatively, the light source (3) is broadband and the device (1) comprises a spectral filter (20) that can be modulated for filtering the reflected or transmitted light (4a), wherein the filter spectrum of the spectral filter (20) has at least one flank that is in the range of the resonance of the photonic crystal (5) is spectrally tunable. The device (1) also has an evaluation device (7) which is designed to detect the substance (2) by comparing the first intensity signal (ID) measured during the tuning with the second intensity signal (IR) measured during the tuning. The invention also relates to an associated method.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion mindestens einer Substanz, umfassend: einen photonischen Kristall mit einer Oberfläche, die mindestens einen Detektionsbereich und mindestens einen Referenzbereich aufweist, wobei in dem Detektionsbereich die zu detektierende Substanz anlagerbar ist und in dem Referenzbereich die zu detektierende Substanz nicht anlagerbar ist, wobei sich durch die Anlagerung der zu detektierenden Substanz eine Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls in dem Detektionsbereich relativ zu dem Referenzbereich spektral verschiebt, eine Lichtquelle zur Einstrahlung von Licht auf die Oberfläche des photonischen Kristalls, sowie einen Detektor zur Messung eines ersten Intensitätssignals des in dem Detektionsbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts und zur Messung eines zweiten Intensitätssignals des in dem Referenzbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts.The invention relates to a device for detecting at least one substance, comprising: a photonic crystal with a surface which has at least one detection area and at least one reference area, the substance to be detected being able to be deposited in the detection area and the substance to be detected not being able to be deposited in the reference region is, whereby the addition of the substance to be detected causes a resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal in the detection area to be spectrally shifted relative to the reference area, a light source for irradiating light onto the surface of the photonic crystal, and a detector for Measurement of a first intensity signal of the light reflected or transmitted in the detection area of the surface of the photonic crystal and for measuring a second intensity signal of the light reflected in the reference area of the surface of the photonic crystal ref reflected or transmitted light.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz, umfassend die Schritte: Einstrahlen von Licht auf eine Oberfläche eines photonischen Kristalls, wobei die Oberfläche mindestens einen Detektionsbereich und mindestens einen Referenzbereich aufweist, wobei sich die zu detektierende Substanz im Detektionsbereich anlagert und im Referenzbereich nicht anlagert, wobei sich durch die Anlagerung der zu detektierenden Substanz eine Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls im Detektionsbereich relativ zum Referenzbereich spektral verschiebt, sowie Messen eines ersten Intensitätssignals des in dem Detektionsbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts und Messen ein zweiten Intensitätssignals des in dem Referenzbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts.The invention also relates to a method for detecting at least one substance, comprising the steps of: irradiating light onto a surface of a photonic crystal, the surface having at least one detection area and at least one reference area, with the substance to be detected accumulating in the detection area and in the reference area does not attach, with the attachment of the substance to be detected causing a resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal in the detection area to be shifted spectrally relative to the reference area, and measuring a first intensity signal of the light reflected or transmitted in the detection area of the surface of the photonic crystal and measuring a second intensity signal of the light reflected or transmitted in the reference area of the surface of the photonic crystal.
Bei der Substanz, die sich in dem Detektionsbereich an der Oberfläche anlagert, kann es sich beispielsweise um eine biologische Substanz handeln. Um eine biologische Substanz anlagern zu können, wird die Oberfläche des photonischen Kristalls in dem Detektionsbereich in der Regel mit biologischen/organischen Substanzen funktionalisiert. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip kann eine passende biologische Substanz, z.B. ein Antikörper, an dem funktionalisierten Detektionsbereich der Oberfläche andocken, was zu einer Brechungsindexänderung in der unmittelbaren Umgebung des Detektionsbereichs an der Oberfläche führt. Diese Brechungsindexänderung hat zur Folge, dass sich eine Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls in dem Detektionsbereich relativ zu derselben Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls in dem Referenzbereich spektral verschiebt. Die Resonanz in dem Referenzbereich verschiebt sich bei der Anwesenheit der Substanz an der Oberfläche nicht, da der Referenzbereich nicht funktionalisiert ist, so dass sich die zu detektierende Substanz nicht in dem Referenzbereich anlagert.The substance that accumulates on the surface in the detection area can be a biological substance, for example. In order to be able to attach a biological substance, the surface of the photonic crystal in the detection area is usually functionalized with biological/organic substances. According to the lock and key principle, a suitable biological substance, e.g. an antibody, can dock to the functionalized detection area of the surface, which leads to a change in the refractive index in the immediate vicinity of the detection area on the surface. This change in refractive index means that a resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal in the detection area shifts spectrally relative to the same resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal in the reference area. The resonance in the reference area does not shift when the substance is present on the surface, since the reference area is not functionalized, so that the substance to be detected does not accumulate in the reference area.
Die spektrale Verschiebung der Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls kann beispielsweise detektiert werden, indem das Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls mit einem Spektrometer analysiert wird. Ein zu diesem Zweck verwendeter Messaufbau ist jedoch aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.The spectral shift of the resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal can be detected, for example, by analyzing the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal with a spectrometer. However, a measurement setup used for this purpose is complex and associated with high costs.
Ein anderer Ansatz um Nachweis von biologischen Substanzen anhand der spektralen Verschiebung von Resonanzen im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum eines photonischen Kristalls ist in der
Bei der in der
In dem Artikel „Handheld imaging photonic crystal biosensor for multiplexed, label-free protein detection“ von S. Jahns et al., Biomedical Optics Express, Vol. 6, No. 10, wird vorgeschlagen, zusätzlich zu den funktionalisierten Bereichen Referenzbereiche in Form von nicht funktionalisierten Bereichen zu verwenden, an denen sich die zu detektierenden Substanzen nicht anlagern können. Die Referenzbereiche ermöglichen es, Schwankungen und/oder eine Drift in der gemessenen Intensität, die sich auf die Detektionsbereiche und die Referenzbereiche gleichermaßen auswirken, zu eliminieren. Auch positionsabhängige Schwankungen und/oder Drift bei der Messung können eliminiert werden, wenn ein jeweiliger nicht funktionalisierter Referenzbereich benachbart zu einem funktionalisierten Detektionsbereich angeordnet ist. Beispielsweise kann der Referenzbereich den Detektionsbereich ringförmig umgeben.In the article "Handheld imaging photonic crystal biosensor for multiplexed, label-free protein detection" by S. Jahns et al., Biomedical Optics Express, Vol. 10, it is proposed that, in addition to the functionalized areas, reference areas be in the form of non-functionalized areas to be used on which the substances to be detected cannot accumulate. The reference areas make it possible to eliminate fluctuations and/or drift in the measured intensity, which affect the detection areas and the reference areas alike. Position-dependent fluctuations and/or drift in the measurement can also be eliminated if a respective non-functionalized reference area is arranged adjacent to a functionalized detection area. For example, the reference area can surround the detection area in a ring.
Es hat sich gezeigt, dass trotz der Verwendung der Referenzbereiche das Signal-zu-Rauschverhältnis einer solchen Messung für eine zuverlässige Detektion von Substanzen, die sich in sehr geringen Mengen an der Oberfläche anlagern, in der Regel nicht ausreichend ist.It has been shown that, despite the use of the reference ranges, the signal-to-noise ratio of such a measurement is generally not sufficient for reliable detection of substances that accumulate on the surface in very small amounts.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Detektion bereits kleinster Mengen einer Substanz ermöglichen.It is the object of the invention to provide a device and a method that enable simple, inexpensive and reliable detection of even the smallest amounts of a substance.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch die eingangs genannte Vorrichtung, bei der die Lichtquelle in ihrem Spektrum mindestens eine Flanke aufweist, die im Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls spektral durchstimmbar ist, oder bei der die Lichtquelle breitbandig ist und die Vorrichtung einen modulierbaren Spektralfilter zur Filterung des in dem Detektionsbereich und des in dem Referenzbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts umfasst, wobei das Filterspektrum des Spektralfilters mindestens eine Flanke aufweist, die Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls spektral durchstimmbar ist, und bei der die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, mittels eines Vergleichs des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals mit dem während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignal die Substanz zu detektieren.According to a first aspect, this object is achieved by the device mentioned at the outset, in which the light source has at least one edge in its spectrum that is spectrally tunable in the resonance range of the photonic crystal, or in which the light source is broadband and the device has a modulable edge Spectral filter for filtering the light reflected or transmitted in the detection area and in the reference area of the surface of the photonic crystal, wherein the filter spectrum of the spectral filter has at least one edge, the range of resonance of the photonic crystal is spectrally tunable, and in which the device has a Has an evaluation device which is designed to detect the substance by comparing the first intensity signal measured during the tuning with the second intensity signal measured during the tuning.
Verglichen mit den intensitätsbasierten Vorrichtungen und Verfahren aus dem Stand der Technik führt die Durchstimmung der Flanke im Spektrum der Lichtquelle zu einem wesentlich höheren Signal-Rausch-Verhältnis und erlaubt damit die zuverlässige Detektion wesentlich kleinerer Substanzmengen. Die gemessenen Intensitätssignale können aus mathematischer Perspektive als Ergebnis einer Faltung des Spektrums der Lichtquelle mit dem Transmissions- bzw. Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls im Bereich der Resonanz interpretiert werden. Das hohe Signal-Rausch-Verhältnis ist eine Konsequenz der Tatsache, dass sich das gesamte Transmissions- bzw. Reflexionsspektrum im Bereich der Resonanz in den gemessenen Intensitätssignalen widerspiegelt. Dies steht in deutlichem Kontrast zu der in der
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, beim Vergleich der Intensitätssignale eine Verschiebung einer Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu einer entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals zu bestimmen.In one embodiment, the evaluation device is designed to determine a shift of an edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to a corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning when comparing the intensity signals.
Die durch die Anlagerung der Substanz im Detektionsbereich verursachte Verschiebung der Resonanz im Transmissions- bzw. Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls äußert sich in der Verschiebung einer Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu einer entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals. Die Detektion der Substanz kann daher über die relative Verschiebung der Flanke im ersten Intensitätssignal zur entsprechenden Flanke im zweiten Intensitätssignal erfolgen. Diese relative Verschiebung der Flanken kann bestimmt werden, indem man den Abstand in den Werten der Argumente der Intensitätssignale heranzieht, die einem bestimmten Anteil der Sättigungswerte bzw. der Maximalwerte der jeweiligen (normierten) Intensitätssignale entsprechen. Alternativ kann diese relative Verschiebung der Flanken beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass man den Abstand von zwei Geraden bestimmt, die an die Flanken angefittet werden. Es versteht sich, dass die relative Verschiebung zwischen den beiden Flanken auch auf andere Weise bestimmt werden kann.The shift in resonance in the transmission or reflection spectrum of the photonic crystal caused by the accumulation of the substance in the detection area is expressed in the shift of an edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to a corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning. The substance can therefore be detected via the relative shift of the flank in the first intensity signal to the corresponding flank in the second intensity signal. This relative shift of the edges can be determined by using the distance in the values of the arguments of the intensity signals, which correspond to a certain proportion of the saturation values or the maximum values of the respective (normalized) intensity signals. Alternatively, this relative displacement of the flanks can be determined, for example, by determining the distance between two straight lines that are fitted to the flanks. It goes without saying that the relative displacement between the two flanks can also be determined in another way.
Die Detektion der Substanz kann beispielsweise erfolgen, indem der Abstand zwischen den Flanken bzw. der Betrag der Verschiebung mit einem Schwellwert verglichen und auf die Anlagerung der Substanz geschlossen wird, wenn die der Schwellwert überschritten wird. Es ist auch möglich, den zeitlichen Verlauf des Betrags der Verschiebung beim wiederholten, in der Regel kontinuierlichen Durchstimmen der Flanke im Bereich der Resonanz zu beobachten. Die Anlagerung der zu detektierenden Substanz kann in diesem Fall beispielsweise anhand eines zeitlichen Anstiegs des Betrags der Verschiebung erkannt werden.The substance can be detected, for example, by comparing the distance between the flanks or the amount of displacement with a threshold value and inferring that the substance has accumulated if the threshold value is exceeded. It is also possible to observe the course over time of the amount of displacement during repeated, generally continuous, tuning of the edge in the resonance range. In this case, for example, the accumulation of the substance to be detected can can be recognized from an increase over time in the amount of displacement.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, die Konzentration der zu detektierenden Substanz zu bestimmen, und zwar mittels einer durch Kalibration bestimmten Beziehung zwischen der Verschiebung der Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu der entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals und der Konzentration der zu detektierenden Substanz. Die Beziehung zwischen der Konzentration der Substanz und dem Betrag der relativen Verschiebung zwischen den beiden Flanken kann beispielsweise bestimmt werden, indem eine Flüssigkeit, in der die Substanz mit einer bekannten Konzentration enthalten ist, mit der Oberfläche in Kontakt gebracht und der zugehörige Wert der Verschiebung bestimmt wird. Die bekannte Konzentration der Substanz in der Flüssigkeit wird in diesem Fall nicht auf die oben beschriebene Weise ermittelt. Wird dieser Vorgang mehrfach mit Flüssigkeiten wiederholt, die unterschiedliche, bekannte Konzentrationen der Substanz enthalten, kann eine Beziehung zwischen der Konzentration der Substanz in der Flüssigkeit und dem Betrag der Verschiebung in der Art einer Kalibrationskurve bestimmt werden.In a further embodiment, the evaluation device is designed to determine the concentration of the substance to be detected by means of a relationship determined by calibration between the shift of the edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to the corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning and the concentration of the substance to be detected. The relationship between the concentration of the substance and the amount of relative displacement between the two flanks can be determined, for example, by bringing a liquid containing the substance at a known concentration into contact with the surface and determining the associated value of the displacement becomes. In this case, the known concentration of the substance in the liquid is not determined in the manner described above. If this process is repeated several times with liquids containing different, known concentrations of the substance, a relationship between the concentration of the substance in the liquid and the amount of the shift can be determined in the form of a calibration curve.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Lichtquelle eine breitbandige Primärlichtquelle und einen Spektralfilter, vorzugsweise einen Kantenfilter oder einen Bandpassfilter, der die Flanke im Spektrum der Lichtquelle erzeugt, wobei der Spektralfilter modulierbar ist, um die Flanke im Spektrum der Lichtquelle im Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls spektral durchzustimmen. Für die Detektion der Substanz ist es günstig, wenn der Spektralfilter mindestens eine sehr steile Flanke aufweist. Die spektrale Durchstimmung einer einzigen Flanke des Spektralfilters im Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls ist für die Detektion ausreichend, so dass als Spektralfilter ein Kantenfilter mit einer möglichst steilen Flanke verwendet werden kann. Für die Detektion der Substanz ist es nicht schädlich, wenn der Spektralfilter zwei oder mehr Flanken aufweist. Alternativ kann daher beispielsweise ein in der Regel vergleichsweise schmalbandiger Bandpassfilter für die Detektion verwendet werden. Die Bandbreite des Bandpassfilters liegt vorzugsweise in der Größenordnung der Breite der Resonanz des Reflexions- bzw. Transmissionsspektrums des photonischen Kristalls. Für die Modulation des Spektralfilters zur Durchstimmung der Flanke bestehen verschiedene Möglichkeiten.In a further embodiment, the light source comprises a broadband primary light source and a spectral filter, preferably an edge filter or a bandpass filter, which generates the flank in the spectrum of the light source, the spectral filter being modulated in order to reduce the flank in the spectrum of the light source in the region of resonance of the photonic crystal tune spectrally. It is favorable for the detection of the substance if the spectral filter has at least one very steep edge. The spectral tuning of a single edge of the spectral filter in the resonance range of the photonic crystal is sufficient for the detection, so that an edge filter with the steepest possible edge can be used as the spectral filter. It is not detrimental to the detection of the substance if the spectral filter has two or more flanks. Alternatively, for example, a generally comparatively narrow-band bandpass filter can therefore be used for the detection. The bandwidth of the bandpass filter is preferably of the order of magnitude of the width of the resonance of the reflection or transmission spectrum of the photonic crystal. There are various options for modulating the spectral filter to tune the edge.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist zur Modulation des Spektralfilters ein Winkel, unter dem der Spektralfilter relativ zur Strahlrichtung der Lichtquelle ausgerichtet ist, einstellbar. Bei dem Spektralfilter kann es sich in diesem Fall beispielsweise um einen Interferenzfilter handeln. Alternativ kann der modulierbare Spektralfilter beispielsweise auch auf Basis eines akustooptischen Modulators oder einer Kombination aus Beugungsgittern und einem Flüssigkristallmodulator realisiert werden. Der Spektralfilter, der zur Filterung des an der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts dient, kann entsprechend ausgebildet sein.In a further development of this embodiment, an angle at which the spectral filter is aligned relative to the beam direction of the light source can be set for modulation of the spectral filter. In this case, the spectral filter can be an interference filter, for example. Alternatively, the spectral filter that can be modulated can also be implemented, for example, on the basis of an acousto-optical modulator or a combination of diffraction gratings and a liquid crystal modulator. The spectral filter, which is used to filter the light reflected or transmitted on the surface of the photonic crystal, can be designed accordingly.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtquelle ein durchstimmbarer Laser. In diesem Fall weist das Intensitätsspektrum der Lichtquelle eine maximale Intensität bei der Laserwellenlänge sowie zwei von der maximalen Intensität steil abfallende Flanken bei kleineren bzw. größeren Wellenlängen als der Laserwellenlänge auf. Durch die Durchstimmung der Laserwellenlänge, die bei dem Laser in an sich bekannter Weise durchgeführt wird, werden beide Flanken des Spektrums des Lasers spektral verschoben. Die Laserwellenlänge bzw. der Bereich, in dem die Durchstimmung der Laserwellenlänge möglich ist, ist in diesem Fall auf den Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls abgestimmt.In a further embodiment, the light source is a tunable laser. In this case, the intensity spectrum of the light source has a maximum intensity at the laser wavelength and two flanks falling steeply from the maximum intensity at shorter and longer wavelengths than the laser wavelength. By tuning the laser wavelength, which is carried out in a manner known per se for the laser, both flanks of the spectrum of the laser are spectrally shifted. In this case, the laser wavelength or the range in which the tuning of the laser wavelength is possible is matched to the range of the resonance of the photonic crystal.
In einer weiteren Ausführungsform der obigen Vorrichtung sind im Strahlengang des auf die Oberfläche des photonischen Kristalls eingestrahlten Lichts ein erster linearer Polarisationsfilter und im Strahlengang des von der Oberfläche reflektierten oder transmittierten Lichts ein um 90° gegenüber dem ersten linearen Polarisationsfilter gedrehter zweiter linearer Polarisationsfilter angeordnet. Durch die gekreuzten linearen Polarisationsfilter können einerseits Streulicht und andererseits reflektiertes Licht, das nicht mit den Moden des photonischen Kristalls in Wechselwirkung getreten ist, ausgefiltert werden.In a further embodiment of the above device, a first linear polarization filter is arranged in the beam path of the light radiated onto the surface of the photonic crystal, and a second linear polarization filter rotated by 90° with respect to the first linear polarization filter is arranged in the beam path of the light reflected or transmitted by the surface. The crossed linear polarization filters can be used to filter out scattered light on the one hand and reflected light on the other hand, which has not interacted with the modes of the photonic crystal.
In einer alternativen Ausführungsform der obigen Vorrichtung ist im gemeinsamen Strahlengang des auf die Oberfläche des photonischen Kristalls eingestrahlten Lichts und des von der Oberfläche reflektierten Lichts ein zirkularer Polarisationsfilter angeordnet. Auch mit Hilfe eines zirkularen Polarisationsfilters kann Licht, das nicht mit den Moden des photonischen Kristalls in Wechselwirkung getreten ist, ausgefiltert werden.In an alternative embodiment of the above device, a circular polarization filter is arranged in the common beam path of the light radiated onto the surface of the photonic crystal and the light reflected from the surface. Light that has not interacted with the modes of the photonic crystal can also be filtered out with the aid of a circular polarization filter.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die obige Vorrichtung eine Zuführungseinrichtung zur Zuführung einer Flüssigkeit an die Oberfläche des photonischen Kristalls, wobei die zu detektierende Substanz in der Flüssigkeit enthalten ist. Für die Anlagerung der zu detektierenden Substanz an der Oberfläche hat es sich als günstig erwiesen, wenn diese in einer Flüssigkeit enthalten ist. Die Zuführungseinrichtung kann ausgebildet sein, die Flüssigkeit in Form eines Flüssigkeitsstroms, z.B. in einer Kammer, über die Oberfläche des photonischen Kristalls zu führen und wieder von der Oberfläche abzuführen.In a further embodiment, the above device comprises a supply device for supplying a liquid to the surface of the photonic crystal, the substance to be detected being contained in the liquid. For the accumulation of the substance to be detected on the surface, it has proven to be advantageous if it is contained in a liquid. The feeding device can be designed that To lead liquid in the form of a liquid flow, for example in a chamber, over the surface of the photonic crystal and to remove it from the surface again.
Es ist aber auch möglich, dass die Zuführungseinrichtung ausgebildet ist, die Flüssigkeit, z.B. in Form eines einzelnen Blutstropfens, der Oberfläche zuzuführen, ohne dass die Flüssigkeit wieder von der Oberfläche abgeführt wird. In diesem Fall bildet der photonische Kristall zusammen mit der Zuführungseinrichtung eine Sensoreinheit, die in die Vorrichtung eingebracht werden kann und die gegen eine andere Sensoreinheit ausgetauscht wird, sobald die Detektion der Substanz abgeschlossen ist.However, it is also possible for the delivery device to be designed to deliver the liquid, e.g. in the form of a single drop of blood, to the surface without the liquid being removed from the surface again. In this case, the photonic crystal together with the delivery device forms a sensor unit which can be introduced into the device and which can be exchanged for another sensor unit as soon as the detection of the substance has been completed.
Die oben genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt auch gelöst durch das eingangs genannte Verfahren, das folgende weitere Schritte umfasst: Spektrales Durchstimmen mindestens einer Flanke im Spektrum des auf die Oberfläche eingestrahlten Lichts im Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls oder spektrales Filtern des in dem Detektionsbereich und des in dem Referenzbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts mit einem Filterspektrum, das mindestens eine Flanke aufweist, und spektrales Durchstimmen dieser Flanke, sowie detektieren der Substanz durch Vergleichen des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals mit dem während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignal. Bezüglich der mit dem Verfahren erzielten Vorteile sei auf die obigen Ausführungen in Bezug auf die Vorrichtung verwiesen.According to a further aspect, the above-mentioned object is also achieved by the method mentioned at the outset, which comprises the following additional steps: spectral tuning of at least one flank in the spectrum of the light radiated onto the surface in the resonance range of the photonic crystal or spectral filtering of the light in the detection range and of the light reflected or transmitted in the reference region of the surface of the photonic crystal with a filter spectrum that has at least one edge, and spectral tuning of this edge, and detecting the substance by comparing the first intensity signal measured during the tuning with the second intensity signal measured during the tuning intensity signal. With regard to the advantages achieved with the method, reference is made to the above explanations in relation to the device.
In einer Variante dieses Verfahrens wird beim Vergleichen der Intensitätssignale die Verschiebung einer Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu einer entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals bestimmt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann auf diese Weise die spektrale Verschiebung der Resonanz bei der Anlagerung der Substanz in dem Detektionsbereich sehr präzise bestimmt werden.In a variant of this method, when comparing the intensity signals, the shift of an edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to a corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning is determined. As has been described above, the spectral shift of the resonance when the substance accumulates in the detection area can be determined very precisely in this way.
In einer Weiterbildung dieser Variante wird beim Detektieren eine Konzentration der Substanz bestimmt, und zwar mittels einer durch Kalibration bestimmten Beziehung zwischen der Verschiebung der Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu der entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals und der Konzentration der zu detektierenden Substanz. Die Beziehung zwischen der Konzentration der Substanz und der Verschiebung der Flanke kann auf die weiter oben in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebene Weise erfolgen.In a development of this variant, a concentration of the substance is determined during detection, specifically by means of a relationship determined by calibration between the shift of the edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to the corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning and the concentration of the substance to be detected. The relationship between the concentration of the substance and the displacement of the flank can be determined in the manner described above in connection with the device.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those detailed below can be used according to the invention individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen die:
-
1a,b ,c schematische Darstellungen von drei Ausführungsbeispielen einer Vorrichtung, die einen photonischen Kristall mit einer Oberfläche zur Anlagerung von zu detektierenden Substanzen, eine Lichtquelle und einen Detektor aufweist, -
2 eine Darstellung der Oberfläche des photonischen Kristalls von1a,b mit funktionalisierten Detektionsbereichen und mit nicht funktionalisierten Referenzbereichen, -
3a,b Darstellungen einer spektralen Verschiebung einer Resonanz des Reflexionsspektrums des photonischen Kristalls beim Anlagern einer Substanz an der Oberfläche sowie einer Flanke im Spektrum der Lichtquelle oder im Filterspektrum des Spektralfilters, die im Bereich der Resonanz spektral durchgestimmt wird, sowie -
4a-c Darstellungen eines ersten und eines zweiten Intensitätssignals, die während der Durchstimmung der Flanke in einem Detektionsbereich und in einem der Referenzbereich der Oberfläche gemessen werden.
-
1a,b ,c schematic representations of three exemplary embodiments of a device which has a photonic crystal with a surface for the accumulation of substances to be detected, a light source and a detector, -
2 a representation of the surface of the photonic crystal of1a,b with functionalized detection areas and with non-functionalized reference areas, -
3a,b Representations of a spectral shift of a resonance of the reflection spectrum of the photonic crystal when adding a substance to the surface as well as a flank in the spectrum of the light source or in the filter spectrum of the spectral filter, which is spectrally tuned in the resonance range, as well as -
4a-c Representations of a first and a second intensity signal, which are measured during the sweeping of the edge in a detection area and in a reference area of the surface.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the drawings, identical reference symbols are used for identical or functionally identical components.
Das eingestrahlte Licht 4 durchläuft das Volumen des photonischen Kristalls 5 und ein Teil des eingestrahlten Lichts 4 tritt mit der strukturierten Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 in Wechselwirkung wobei ein Anteil des Lichts reflektiert wird. Das reflektierte Licht 4a trifft auf einen Detektor, der im gezeigten Beispiel als ortsauflösender Detektor, genauer gesagt als Kamera 6, ausgebildet ist. Eine nicht bildlich dargestellte Optik, bei der es sich beispielsweise um eine telezentrische Optik handeln kann, bildet die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 auf eine Detektorfläche der Kamera 6 ab. Eine Auswerteeinrichtung 7 steht mit der Kamera 6 in signaltechnischer Verbindung, um die von der Kamera 6 aufgenommenen Bilder auszuwerten, wie weiter unten näher beschrieben wird.The radiated light 4 passes through the volume of the
Bei den in
Bei den in
Mit Hilfe der gekreuzten linearen Polarisatoren 9a, 9b kann eingestrahltes Licht 4, das nicht mit dem photonischen Kristall 5 wechselwirkt und daher seine Polarisationsrichtung beibehält, sowie Streulicht unterdrückt werden. Zum Detektor 6 gelangt somit nur an der Oberfläche 5a reflektiertes Licht 4a, das mit dem photonischen Kristall 5 wechselwirkt und hierbei eine Drehung seiner Polarisationsrichtung erfährt. Um die Drehung der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts 4 zu bewirken, schließt bei dem in
Als Alternative zu den linearen Polarisationsfiltern 9a,b ist bei der in
Die Vorrichtung 1 von
Die Vorrichtung 1 dient im gezeigten Beispiel zur Detektion von Substanzen 2, die in der Flüssigkeit 10 enthalten sind. Die Substanzen 2 können beispielsweise in der Flüssigkeit 10 gelöst oder suspendiert sein. Mit Hilfe der in
Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Flüssigkeit 10 um menschliches Blut und bei den zu detektierenden Substanzen 2 um biologische Substanzen, genauer gesagt um Biomarker in Form von Antikörpern. Die Vorrichtung 1 ermöglicht die Detektion bzw. den Nachweis von Antigenen und/oder von Antikörpern im menschlichen Blut und kann daher beispielsweise als Nachweis für das Vorliegen einer Infektion, z.B. einer Virusinfektion, oder einer Immunreaktion verwendet werden.In the example shown, the liquid 10 is human blood and the
Für diesen Nachweis ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Flüssigkeit 10, die der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls über die Zuführungsleitung 11 zugeführt wird, wieder von der Oberfläche 5a abgeführt wird. Die Zuführungseinrichtung 10 kann beispielsweise mit dem photonischen Kristall 5 und der Kammer 12 eine wegwerfbare Sensoreinheit bilden, die für den Nachweis der Substanz 2 in die Vorrichtung 1 eingebracht wird. Nach dem Nachweis wird die Sensoreinheit gegen eine andere Sensoreinheit ausgetauscht, wie dies in dem weiter oben zitierten Artikel von Frau S. Jahns et al. beschrieben ist. Die Vorrichtung 1 kann selbstverständlich auch zum Nachweis von anderen Substanzen 2 verwendet werden, die in anderen Flüssigkeiten 11 enthalten sind, beispielsweise zum Nachweis von Bakterien, Antikörpern, Antigenen, etc. in Milch, Blutplasma, oder Lymphe oder aber von Verunreinigungen in Wasser, etc. Auch der Nachweis einer Kristallisation an entsprechend funktionalisierten Detektionsbereichen (z.B. mittels Kristallisationskeimen) ist möglich.For this verification, it is not absolutely necessary for the liquid 10, which is supplied to the
Um eine Mehrzahl von unterschiedlichen Substanzen 2, die in der Flüssigkeit 11 enthalten sind, gleichzeitig detektieren zu können, ist an der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 eine Mehrzahl von Detektionsbereichen 15 gebildet. Ein jeweiliger Detektionsbereich 15 ist auf an sich bekannte Weise mit biologischen/organischen Materialien funktionalisiert. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip kann eine passende biologische Substanz 2, z.B. ein Antikörper, an einem jeweiligen funktionalisierten Detektionsbereich 15 der Oberfläche 5a andocken, was zu einer Brechungsindexänderung in der unmittelbaren Umgebung der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 an dem jeweiligen Detektionsbereich 15 führt.In order to be able to detect a plurality of
Die Oberfläche 5a außerhalb der Detektionsbereiche 15 ist nicht funktionalisiert, d.h. eine jeweilige zu detektierende Substanz 2 kann außerhalb der funktionalisierten Detektionsbereiche 15 nicht an der Oberfläche 5a andocken. In
Durch die benachbarte Anordnung eines jeweiligen Referenzbereichs 16 und eines zugehörigen Detektionsbereichs 15 kann ein positionsabhängiger Hintergrund-Drift, Temperatur-Drift oder Lage- , und Winkeländerungen der Probe (Verformung), etc. eliminiert werden. Es versteht sich, dass die Geometrie der in
Nachfolgend wird die Detektion einer Substanz 2, die an einem der Detektionsbereiche 15 angelagert ist, unter Bezugnahme auf
Wie weiter oben beschrieben wurde, hat die Anlagerung der Substanz 2 an dem Detektionsbereich 15 eine Veränderung des Brechungsindexes in der Umgebung der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 zur Folge. Wie ebenfalls weiter oben beschrieben wurde, ist die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 strukturiert und bildet damit ein für Photonen dem Verhalten von Elektronen im Halbleiter ähnliches System. In bekannter Weise wird durch die Strukturierung des photonischen Kristalls 5 ein Reflexionsspektrum mit einer wellenlängenabhängigen Reflektivität R erzeugt, das eine Resonanz 17 (Resonanz-Peak) aufweist, wie dies in
Wie in
Um die spektrale Verschiebung Δλ bzw. ein Maß für die spektrale Verschiebung Δλ zu messen, weist bei der in
Die minimale Wellenlänge λMIN ist geringfügig kleiner als die zweite Resonanzwellenlänge λR der Resonanz 17 in dem Referenzbereich 16. Die maximale Wellenlänge λMAX ist geringfügig größer als die größtmögliche erste Resonanzwellenlänge λD in dem Detektionsbereich 15. Die größtmögliche erste Resonanzwellenlänge λMAX wird erreicht, wenn die Substanz 2 sich an allen zur Verfügung stehenden Plätzen in dem funktionalisierten Detektionsbereich 15 angelagert hat, d.h. wenn die Sättigung des funktionalisierten Detektionsbereichs 15 mit der Substanz 2 erreicht ist. Das Wellenlängen-Intervall λMAX - λMIN, in dem die Flanke 18a,b der Intensität I der Lichtquelle 3 beziehungsweise die Flanke 18a,b des Filterspektrums des Spektralfilters 20 durchstimmbar ist, kann beispielsweise in der Größenordnung von ca. 10 nm liegen.The minimum wavelength λ MIN is slightly smaller than the second resonance wavelength λ R of the
Die in
Bei dem in
Die in
Die Lichtquelle der in
Für die nachfolgend beschriebene Messung ist es in allen drei Fällen günstig, wenn die Flanke oder die Flanken 18a,b im Spektrum der Lichtquelle 3 oder im Filterspektrum, die im Bereich der Resonanz 17 spektral durchgestimmt wird/werden, möglichst steil sind.For the measurement described below it is favorable in all three cases if the flank or
In der Darstellung von
In
Bei der Darstellung von
Wie in
Der Vergleich zwischen den beiden Intensitätssignalen ID, IR erfolgt bevorzugt in einem Intensitätsbereich, in dem diese einen möglichst steilen Anstieg aufweisen. Bei dem in
Bei dem in
Anhand der Verschiebung Δλ kann die Anlagerung der zu detektierenden Substanz 2 in dem Detektionsbereich 15 detektiert werden. Zu diesem Zweck kann der zeitliche Verlauf des Betrags der Verschiebung Δλ beim wiederholten, kontinuierlichen Durchstimmen des Spektralfilters 20 beobachtet werden und die Anlagerung der zu detektierenden Substanz 2 kann anhand eines Anstiegs des Betrags der Verschiebung Δλ erkannt werden. Die Anlagerung der Substanz 2 an dem Detektionsbereich 15 kann auch detektiert werden, indem der Betrag der Verschiebung Δλ mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen und auf die Anlagerung der Substanz 2 geschlossen wird, wenn der Schwellwert überschritten wird.The accumulation of the
Es ist auch möglich, mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 7 die Konzentration der zu detektierenden Substanz 2 in der Flüssigkeit 11 zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird der auf die oben beschriebene Weise bestimmte Wert der Verschiebung Δλ zwischen den beiden Flanken 22, 22' anhand einer durch Kalbration bestimmten Beziehung mit der Konzentration der Substanz 2 in der Flüssigkeit 11 in Relation gesetzt. Die Kalibration kann beispielsweise erfolgen, indem dieselbe Flüssigkeit 11 mit unterschiedlichen Konzentrationen der zu detektierenden Substanz 2 mit der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls in Kontakt gebracht wird und hierbei jeweils der Wert der Verschiebung Δλ zwischen den beiden Flanken 22, 22' bestimmt wird. Die Konzentration der Substanz 2 in der Flüssigkeit 11 wird in diesem Fall mit Hilfe eines anderen geeigneten Messaufbaus bestimmt. Auf diese Weise kann eine Kalibrationskurve aufgenommen werden, welche die Messung der Konzentration der angelagerten Substanz 2 in der Flüssigkeit 11 ermöglicht.It is also possible to use the
Alternativ zu der in Zusammenhang mit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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