DE102021112256A1

DE102021112256A1 - Opto-elektronischer Chip

Info

Publication number: DE102021112256A1
Application number: DE102021112256.2A
Authority: DE
Inventors: Pierre Türschmann; Daniel Böning
Original assignee: Interherence GmbH
Current assignee: Interherence GmbH
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-06-30
Also published as: DE102021112251A1; DE102021112251B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen opto-elektronischen Chip zur Aufnahme einer Probe zur optischen Untersuchung, mit einer Trägerschicht, einem Dünnschicht-Lichtleiter mit einem aktiven Bereich, in welchem die Probe mit einer geführten Mode des Dünnschicht-Lichtleiter wechselwirkt, wobei in dem aktiven Bereich mindestens eine Streuungsstruktur angeordnet ist, welche einen Teil des in dem Dünnschicht-Lichtleiter geführten Lichts streut, wodurch ein Referenzlichtfeld erzeugt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein optisches System mit einem derartigen Chip. Das System dient zur markierungsfreien Analyse von Partikeln, insbesondere Biomolekülen in ihrer natürlichen Umgebung.

Description

Die interferometrische Streumikroskopie, englisch interferometric scattering microscopy (iSCAT), ist eine Technik, die die Interferenz von Lichtfeldern ausnutzt, um Teilchen mit einer Größe im Subwellenlängenbereich zu detektieren. Dazu wird das an Partikeln elastisch getreute Licht mit einem Referenzlichtfeld überlagert und auf einen Detektor wie z.B. eine Kamera projiziert, wo es interferiert. Durch eine ortsaufgelöste Detektion des Interferenzkontrastes können Informationen über die Positionen der Teilchen sowie über deren Streuquerschnitt extrahiert werden. Letzterer hängt mit der Polarisierbarkeit der Teilchen zusammen, die sowohl von der Teilchenmasse als auch von ihrer chemischen Zusammensetzung abhängt. Die Signalinterferenz zwischen dem vom Partikel gestreuten Licht und dem Referenzlicht ermöglicht eine optische Detektion von Partikeln mit einer Größe von weniger als 5 nm mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, was mit anderen nicht-interferometrischen optischen Abbildungsansätzen schwierig bis unmöglich ist.
iSCAT-Messungen können somit direkt Informationen über die relative Verteilung verschiedener Partikelmassen bzw. deren Streuquerschnitt in einer Probenlösung liefern, ohne dass die zu untersuchenden Teilchen wie z.B. mit einer Fluoreszenzmarkierungen modifiziert werden müssen. Zusätzlich können die absolute oder relative Konzentration von Partikeln, Interaktionen zwischen gleichen oder verschiedenen Partikeln oder einzelne Komponenten aus einer Probe mit unbekannter Zusammensetzung und deren Diffusionsverhalten bestimmt werden, was wertvolle Informationen für die Biologie oder Umweltwissenschaft liefert.
In der Praxis werden bei der iSCAT-Mikroskopie Objektive mit hoher numerischer Apertur (NA) in Kombination mit Immersionsmedium verwendet. Bei einer solchen Anordnung folgen das Anregungslicht, das Streulicht und das Referenzlicht demselben optischen Strahlengang. Das Referenzlicht wird durch eine Reflexion des Anregungslichts an der Grenzschicht zwischen Probenträger und Probe erzeugt. Da bei diesem Ansatz Anregung und Detektion nicht getrennt behandelt werden können, kann die Intensität des Referenzlichts nicht optimiert werden, um den besten Interferenzkontrast zu erzielen.
Zusätzlich muss ein großer Aufwand betrieben werden, um eine homogene Beleuchtungsfläche zu erzeugen, die für quantitative Messungen mit zusätzlichen optoelektronischen Elementen wie z. B. akusto-optischen Ablenkern unumgänglich ist.
Ein weiterer Nachteil von Ansätzen, die auf Objektiven mit hoher NA und hoher Vergrößerung in Kombination mit einem Immersionsmedium beruhen, ist, dass diese Messverfahren sehr temperaturempfindlich sind, was bedeutet, dass Temperaturänderungen von nur wenigen Grad Celsius die Abbildungsqualität stark beeinflussen. Temperaturdynamische Untersuchungen werden damit schwierig durchführbar. Die Integration des Beleuchtungspfades auf einem Chip in Kombination mit einem eingebauten Heizelement erzeugt einen monolithischen Baustein, der unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist und der es erlaubt, einen erweiterten Temperaturbereich zu untersuchen, typischerweise im Bereich von 0° bis 100°C.
Der Streuquerschnitt von Teilchen im Subwellenlängenbereich skaliert mit ihrem Radius hoch 6 (Rayleigh-Streuung). Die Detektion kleiner Partikel wie z. B. einzelner Proteine auf Basis der Streumikroskopie ist daher eine experimentell sehr anspruchsvolle Aufgabe. Die interferometrische Streumikroskopie (iSCAT) hilft, diese Einschränkungen zu überwinden, da der bei diesem Ansatz erzeugte Interferenzkontrast proportional zum Volumen des Partikels ist. Konventionelle iSCAT-Systeme sind jedoch auf Objektive mit hoher NA und hoher Vergrößerung angewiesen, die teuer und benutzerunfreundlich sind und das effektive Sichtfeld einschränken. Darüber hinaus ist die Untersuchung des dynamischen Temperaturverhaltens eine schwierige Aufgabe, da häufig eine Verschiebung des Fokus beobachtet wird. Ein monolithischer Wellenleiterchip, der eine lokale Anregung nahe seiner Oberfläche (evaneszentes Feld) sowie die Erzeugung eines Referenzfeldes ohne die Notwendigkeit der Verwendung von Immersionsöl gewährleistet, eröffnet neue Wege für eine robuste, benutzerfreundliche und hochempfindliche Detektion einzelner Biomoleküle über einen erweiterten Temperaturbereich.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme des Stands der Technik abzumildern oder gar ganz zu beseitigen.
Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung von interferometrischer Streulichtmikroskopie zu schaffen, welche die Notwendigkeit eines Objektives mit einer sehr hohen numerischen Apertur (>1) in Kombination mit Immersionsmedium beseitigt und vorzugsweise zudem eine Einstellung der Probe auf eine gewünschte Temperatur zuverlässig und schnell ermöglicht als auch die Beobachtung größerer Beobachtungsfelder von bis zu einigen mm² ermöglicht. Ein größerere Beobachtungsfeld ermöglicht die parallelsierte Untersuchung verschiedener Probenbereiche, die auch physikalisch voneinander getrennt sein können.
Diese Aufgabe wird durch einen opto-elektronischen Chip mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein optisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung überwindet Nachteile des Stands der Technik, da Anregungs- und Detektionspfad grundsätzlich getrennt sind. Das Beleuchtungsprofil wird hier durch das Modenprofil der geführten Mode definiert und kann so angepasst werden, dass eine sehr homogen beleuchtete aktive Fläche erzeugt wird. Dieser Ansatz erlaubt die Verwendung von Objektiven mit geringer Vergrößerung (20x, 40x, 60x), um große Bereiche von bis zu mehreren mm² mit einer Auflösung von unter 100 nm und somit weit unterhalb der halben Wellenlänge des Anregungslichts zu beobachten, ohne dass ein Immersionsmedium benötigt wird. Der Vorteil der Erfassung des Streulichts und des Referenzstrahls im gemeinsamen Weg bleibt jedoch erhalten. Da das evaneszente Feld des Wellenleitermodus nur einen hochselektiven Bereich von ca. 100 nm des Probenvolumens durchdringt, werden Hintergrundsignale, die in konventionellen iSCAT-Experimenten vorhanden sind, unterdrückt und die gesamte optische Leistung, die für die Beleuchtung benötigt wird, wird auf ein Minimum reduziert. Unerwünschte Effekte wie Probenerwärmung, lichtinduzierter Proteinabbau oder zelluläre Phototoxizität werden damit verringert.
Ein erfindungsgemäßer opto-elektronischer Chip zur Aufnahme einer Probe zur optischen Untersuchung weist eine Trägerschicht und einen Dünnschicht-Lichtleiter mit einem aktiven Bereich auf, in welchem die Probe mit einer geführten Mode des Dünnschicht-Lichtleiter wechselwirkt, wobei in dem aktiven Bereich mindestens eine Streustruktur angeordnet ist, welche das in dem Dünnschicht-Lichtleiter geführte Licht streut, wodurch ein Referenzlichtfeld (auch als Referenzstrahl bezeichnet) erzeugt wird. Nachstehend werden die Begriffe „Lichtleiter“ und „Wellenleiter“ verwendet, welche im Rahmen dieser Anmeldung vorzugsweise als Synonyme zu verstehen sind.
Vorzugsweise ist die Streustruktur regelmäßig und / oder unregelmäßig ausgebildet und erstreckt sich teilweise oder vollständig über den aktiven Bereich. Die Streustruktur kann abschnittsweise regelmäßig und abschnittsweise unregelmäßig ausgebildet sein. Beispiele der Streustruktur umfassen:

a) eine räumlich periodische Modulation des effektiven Brechungsindex des Lichtleiters durch eine 1D Gitter-Struktur. Diese Gitterstruktur kann durch Schichtdickenmodulation der Lichtleiterschicht oder andere Schichten nahe des Lichteiters erfolgen.
b) eine räumlich periodische Modulation des effektiven Brechungsindexes der Lichtleitermode durch eine 2D periodische Struktur.
c) Eine räumlich zufällige Modulation des effektiven Brechungsindexes der Lichtleitermode durch
1. a. Oberflächenrauigkeit der Wellenleiterschicht hevorgerufen durch Beschichtungsprozess oder Oberflächenrauigkeit der Trägerstruktur (typ. < 10 nm rms)
2. b. verteilte, beispielsweise dispergierte, Streuzentren, wie Nanopartikel, in der Lichtleiterschicht oder einer der Schichten nahe des Leichtleiters, die zu einer zufälligen oder periodischen Modulation des effektiven Modenindex führen.

In anderen Worten wird die Streustruktur vorzugsweise dadurch ausgebildet, dass der effektive Modenindex des Wellenleiters in einem vorbestimmten Bereich regelmäßig und / oder unregelmäßig varriert wird. Beispielsweise kann der Modenindex des Wellenleiters in einem regelmäßigen periodisch wiederkehrenden Muster lokal varriert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Streustruktur als Oberflächenrauigkeit ausgestaltet.
Eine periodische Modulation des effektiven Brechungsindexes der Lichtleitermode führt zu einer selektiven Beugung bzw. Streuung des im Wellenleiter geführten Lichts in Richtung eines Detektors, z.B. eines detektors eines optischen systems oder Mikroskops.
Zufällig verteile Streuzentren, wie beispielsweise Oberflächenrauigkeiten, führen zu einer nicht gerichteten Erzeugung des Referenzfeldes.
Ein erfindungsgemäßer opto-elektronsicher Chip kann mehrere Lichtleiter aufweisen, welche nebeneinander und / oder übereinander angeordnet sein können.
Beispielsweise kann ein erster Lichtleiter vorgesehen sein, welcher auch als Messlichtleiter bezeichnet wird, und mit einer Probe wechselwirkt. Zusätzlich kann ein zweiter Lichtleiter, auch als Referenzlichtleiter bezeichnet, vorgesehen sein, welcher eine bestimmte Menge des Lichts der geführten Mode des Messwellenleiters extrahiert und zu einem Auskopplungsbereich führt.
Die Streustruktur ist vorzugsweise an oder in dem Messlichtleiter vorgesehen oder angeordnet. Mittels des Referenzlichtleiters kann die Intensität des in dem Messlichtleiters geführten Lichts erfasst oder überwacht werden und beispielsweise von einem optischen System oder Mikroskop auf der Grundlage der Erfassungsergebnisse gesteuert oder geregelt werden.
Weiterhin hat es sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, wenn ein erfindungsgemäßer opto-elektronischer Chip mit einem Kopplungsbereich zur Auskopplung einer geführten Mode aus dem Dünnschicht-Lichtleiter ausgestattet ist. Letzterer dient zur Überwachung der Intensität der geführten Mode. Das mittels diesen Kopplungsbereichs ausgekoppelte Licht wird beispielsweise über einen Referenzlichtleiter einem Sensor zu Intensitätsmessung zugeführt. Daraufhin kann mittels einer Steuerungsvorrichtung eine Steuerung oder Regelung der Intensität des Lichts der geführten Mode des Dünnschicht-Lichtleiters erfolgen.
Der Referenzwellenleiter extrahiert beispielsweise über evaneszente Kopplung zum Messwellenleiter einen Anteil des geführten Lichts des Messwellenleiters. Auch eine beliebige andere Art der Kopplung, beispielsweise über einen Splitter, ist denkbar.
Vorzugsweise findet die Extraktion des Lichts für den Referenzwellenleiter bei einer Betrachtung entlang der Propagationsrichtung des Lichts in dem Messwellenleiter vor der aktiven Probenregion des Messwellenleiters statt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die in das Probenvolumen gesendete Lichtmenge unabhängig vom Probenvolumen konstant bleibt. Es kann vorteilhaft sein, die Lichtextraktion in einem Bereich des Messwellenleiters durchzufühen, in welchem nur eine eineine Mode durch den Wellenleiter unterstützt wird.
Die Detektion des aus dem Referenzarm oder Referenzlichtleiter gestreuten Lichts kann mit einem Photodetektor erfolgen. Durch eine elektronische Verstärkung des Signals kann die Leistung einer Lichtquelle, beispielswiese einer Laserdiode, welche Licht in den Messwellenleiter einspeist, gesteuert werden. Auf diese Weise können Intensitätsschwankungen kompensiert werden, welche durch Umwelteinflüssse, mechanische Vibrationen und Bewegungen hevorgerufen werden, die das Licht, beispielsweise in einer Lichtsfaser, zwischen der Lichtquelle und dem Messwellenleiter erfahren kann.
Ein erfindungsgemäßer opto-elektronischer Chips kann zur Aufnahme einer Probe zur optischen Untersuchung verwendet werden, wobei eine Probe, vorzugsweise eine zumindest teilweise flüssige, feste oder gelförmige Probe derart auf den optoelektronischen Chip aufgebracht wird, dass die Probe den aktiven Bereich des Dünnschicht-Lichtleiters teilweise oder vollständig umgibt.
Hierbei enthält die Probe vorzugsweise mindestens einen oder eine Mehrzahl an Partikel(n), welche(r) dazu fähig und / oder ausgelegt ist / sind, mit einem geführten Modus des Dünnschicht- Lichtleiters in Wechselwirkung zu treten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein optisches System, das dazu ausgelegt ist, mit einem erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chip verwendet zu werden, und welches dazu ausgelegt ist, eine Interferenz zwischen dem gestreuten Licht mindestens eines sich im Probenraum befindlichen Partikels und dem durch die Streustruktur erzeugten Referenzlicht, also dem durch die Streustruktur abgelenkten Licht, zu erzeugen.
Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes optisches System, das dazu ausgelegt ist, mit einem erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chip verwendet zu werden, dazu ausgelegt, die erzeugte Interferenz auf einem Detektor abzubilden.
Ein erfindungsgemäßes optisches System, weist zur Einspeisung von Licht in den mindestens einen Dünnschicht-Lichtleiter, vorzugsweise den Messwellenleiter, mindestens eine Lichtquelle auf. Kommt eine erfindungsgemäßer opto-elektronsicher Chip mit mehreren Messwellenleitern zum Einsatz, so weist das optische System vorzugsweise mehrere Lichtquellen auf, welche jeweils einem Messwellenleiter zugeordnet sind. Die Lichtquellen können Licht gleicher oder unterschiedlicher Wellenlänge ausgeben.
In anderen Worten wird Licht aus einer oder mehreren Lichtquellen gleicher oder unterschiedlicher Wellenlänge entweder über Freistrahloptiken oder mittels optischer Fasern und Mikrooptik auf die Kopplungsbereiche der Wellenleiter geschickt. So können entweder gleichzeitig oder zeitlich versetzt unterschiedliche oder gleiche Wellenlängen in verschiedene Messwellenleiter eingekoppelt werden. Jeder Messwellenleiter hat hierbei vorzugsweise mindestens ein Referenzwellenleiter, der es ermöglicht, über separate Photodektoren die Intensität des geführten Lichts in den jeweiligen Messwellenleitern zu messen und individuell zu regeln.
Das Referenzlicht und das gestreute Licht, welches im aktiven Bereich orthogonal zur Propagationsrichtung im Wellenleiter ausgetreut wird, werden vozugsweise über eine Optik auf einen 2D Array-Detektor abgebildet und das optische System ist vorzugsweise ein Mikroskop.
Ein erfindungsgemäßer opto-elektronischer Chip und / oder ein erfindungsgemäßes optisches System kommen beispielsweise zur Bestimmung der Antigen-Antikörper-Bindungsaffinität, zur Untersuchung einer Antikörper-Antikörper-Vernetzung und / oder von Mehrseiten-Bindungsprozessen, zur Analyse von Protein-Protein-Wechselwirkungen, zur Abschätzung der Proteingrößen, im Rahmen von Untersuchungen zum Proteinabbau und zu Denaturierungseigenschaften, sowie zur Optimierung und Charakterisierung von Formulierungen zum Einsatz.
In anderen Worten ausgedrückt beschreibt die vorliegende Anmeldung die technischen Details eines optischen Chips, der für die Verwendung innerhalb eines optischen Mikroskops konzipiert ist, um einzelne, Partikel (z. B. Antikörper, Viren usw.) mit einem Durchmesser kleiner als die Anregungswellenlänge in Lösung oder Dünnschichten in Bezug auf ein Referenzsignal zu detektieren und deren individuellen Streuquerschnitt und/oder Partikelmasse in einer parallelisierten Abbildungsmodalität orts- und zeitaufgelöst zu detektieren.
Als Schlüsselkomponente kann ein optischer Chip oder ein opto-elektronischer Chip angesehen werden, der einen Dünnfilm-Lichtleiter (auch als Wellenleiter bezeichnet) aufweist. Innerhalb eines aktiven Bereichs des Wellenleiters kann die unterstützte Wellenleitermode mit Nanopartikeln in der Nähe der Oberfläche des Wellenleiters (evaneszentes Feld) wechselwirken. Das von den Nanopartikeln gestreute Licht wird mit einem Linsensystem gesammelt und so auf einen Detektor (z. B. eine Kamera) gelenkt.
Das Streusignal der Partikel wird durch die Ausnutzung eines optischen Referenzfeldes verstärkt, das auf dem Chip in der Nähe der Position des Nanopartikels mittels einer Streustruktur erzeugt wird.
Sowohl das mittels der Streungsstruktur erzeugte Referenzlicht (auch als Referenzfeld oder Referenzstrahl bezeichnet) als auch das Streulicht der Partikel (auch als Streufeld bezeichnet) werden mit derselben Optik gesammelt und auf demselben Detektor erfasst, wo sie interferieren.
Das Anregungslicht, welches zur Erzeugung des Referenzfeldes und zur Interaktion mit den Nanopartikel nötig ist, durchläuft vorzugsweise den gleichen optischen Weg bis hin zum Detektor (z. B. eine Kamera). Auf diese Weise bleibt die Phasenbeziehung zwischen Streu- und Referenzfeld unabhängig von äußeren Einflüssen erhalten, was das System robust macht. Mit einer orts- und zeitaufgelösten Detektion des Interferenzmusters können zeitabhängige Teilchenpositionen sowie deren Streuungsquerschnitt bestimmt werden.
Das Referenzlichtfeld für die Interferenz wird auf dem Chip durch definierte (z.B. periodische oder regelmäßige) oder nicht definierte (zufällige Strukturen, Oberflächenrauhigkeit) Strukturen innerhalb und / oder entlang des aktiven Bereichs der Wellenleiterstruktur erzeugt.
Die Stärke des Referenzlichtfeldes wird dazu ausgewählt, um den Interferenzkontrast auf dem Detektor, das Signal-Rausch-Verhältnis und/oder die Aufrechterhaltung einer Ausbreitungsmode innerhalb des Wellenleiterchips zu optimieren.
Die Lichtintensität des Referenzlichtfeldes kann in Zusammenhang mit der Intensität der im Wellenleiter geführten Mode durch die Art der Streuungstruktur so angepasst werden, dass das entstehende Interferenzsignal eine optimale Lokalisierung des zu analysierenden Partikels in allen drei Raumrichtungen zu einem beliebigen Zeitpunkt ermöglicht. Parameter, die die ideale Stärke des Referenzfeldes bestimmen, sind beispielsweise die Wellenlänge des Lichts, der Streuquerschnitt des Partikels, die Integrationszeit des Detektors, die Signalsstärke auf dem Detektor, Schrotrauschen und Diffusionsgeschwindigkeit bzw. Verweildauer des Partikels.
Das vom Detektor detektierte durchschnittliche Signal ist durch die gemeinsame Erfassung des Streulichts der Partikel und des Referenzlichts der Streuustrukturen um mehrere Größenordnungen höher als das alleinige Streusignal des Nanopartikels, was den Kontrast erhöht, die Detektionszeit verkürzt und daher auch die Detektion von sich schell bewegenden, kleinen Partikeln (< 5 nm) ermöglicht.
Die Messung kann mit mehreren Wellenlängen durchgeführt werden, um die Präzision zu erhöhen und um eine Absorption im Medium/Partikel zu vermeiden und/oder kann mit einem Fluoreszenz-Detektionskanal kombiniert werden.
Der Streuquerschnitt ist eine Funktion der Wellenlänge. Kürzere Wellenlängen haben den Vorteil, dass der Streuquerschnitt bei gleich bleibender Partikelgröße erhöht ist und somit zu einem stärkeren Signal führt. Gleichzeit weisen unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Eindringtiefen in das Probenvolumen auf, sodass durch eine wellenlängenabhängige Messung auch die axiale Position des Partikels bestimmt werden kann.
Ein erfindungsgemäßer opto-elektronischer Chip dient beispielsweise zur Aufnahme einer Probe bei der Visualisierung temperaturabhängiger Prozesse und kann allgemein als Objektträger angesehen werden.
Ein erfindungsgemäßer opto-elektronischer Chip gemäß einer für die Visualisierung temperatur-sensitiver Vorgänge optimierten Ausführungsform weist vorzugsweise eine Trägerschicht, einen Lichtleiter (nachstehend auch als Wellenleiter bezeichnet), vorzugsweise einen Dünnschicht-Lichtleiter, und ein Heizelement, vorzugsweise ein Dünnschicht-Heizelement, auf, wobei der Lichtleiter und das Heizelement vorzugsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten der Trägerschicht angeordnet sind.
Wird der Begriff Dünnschicht-Lichtleiter verwendet, so ist zu verstehen, dass dies lediglich eine bevorzugte Ausführungsform widerspiegelt und auch andere Lichtleiter von der Erfindung umfasst sind. Wird der Begriff Dünnschicht-Heizelement verwendet, so ist zu verstehen, dass dies lediglich eine bevorzugte Ausführungsform widerspiegelt und auch andere Heizelemente von der Erfindung umfasst sind.
Das Heizelement und / oder der Lichtleiter ist / sind vorzugsweise optisch transparent. Bei einem Chip gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein derartiges Heizelement optional.
Optisch transparentes Material ist hierbei vorzugsweise für Licht im für den Menschen sichtbaren Bereich eher durchlässig, wobei die Transmission des Lichts durch das optisch transparente Material vorzugsweise mindestens 0,5, insbesondere mindestens 0,8 beträgt. Optisch opakes Material ist hierbei vorzugsweise für Licht im für den Menschen sichtbaren Bereich eher undurchlässig, wobei die Transmission des Lichts durch das optisch opake Material vorzugsweise maximal 0,49, insbesondere maximal 0,3, beträgt.
Der Lichtleiter und / oder das Heizelement können unmittelbar an einer Oberfläche der Trägerschicht angeordnet sein oder von dieser über eine oder mehrere Zwischenschichten beabstandet sein.
Zudem können der Lichtleiter und / oder das Heizelement und / oder die Trägerschicht jeweils als eine einzige Schicht oder als Verbund zweier oder mehrerer Sub-Schichten ausgestaltet sein.
Vorzugsweise besteht die Trägerschicht vollständig oder zumindest teilweise aus einem opaken oder transparenten Material, vorzugsweise aus Si oder einem SiO2 basiertem Glas oder Kristall.
Die Trägerschicht besteht somit beispielsweise aus Glas, insbesondere Borosilikatglass, und ist vorzugsweise dazu ausgelegt, dem opto-elektronischen Chip mechanische Stabilität zu verleihen.
Weiterhin kann sich zwischen der Trägerschicht und dem Dünnschichtwellenleiter eine weitere transparente Schicht befinden, die einen niedrigeren Brechungsindex als die Trägerschicht, vorzugsweise einen Brechungsindex zwischen 1.0 und 1.5, aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Trägerschicht vollständig oder zumindest teilweise aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus SiO2, gefertigt und vorzugsweise ist weiterhin eine transparente Schicht, insbesondere eine Trennschicht, zwischen der Trägerschicht und dem Lichtleiter, vorzugsweise dem Dünnschicht-Lichtleiter, vorhanden.
Weiterhin ist das Dünnschicht-Heizelement vorzugsweise mit einem TemperaturSensor, vorzugsweise in Form eines Dünnschicht-Temperatur-Sensors, verbunden und / oder ausgestattet, welche dazu ausgelegt ist, mit einer Probe unmittelbar oder mittelbar in Kontakt zu treten.
Beispielsweise kann im Rahmen des Temperatur-Sensors eine Sensor-Schicht zur Erfassung der Temperatur der Probe vorgesehen sein, welche vorzugsweise Metall aufweist und / oder aus Metall besteht und welche vorzugsweise eine Außenoberfläche des opto-elektronischen Chips zumindest teilweise bedeckt und weiterhin vorzugsweise dazu ausgelegt ist, mit einer Probe in Kontakt zu treten. Der TemperaturSensor kann direkt oder indirekt in Kontakt zu der Probe stehen.
Vorzugsweise erfolgt die Messung der Temperatur mittels des Temperatursensors an mindestens einem Ort in der Probe, vorzugsweise an einer Mehrzahl an Orten, um einen verlässlicheren Messwert zu erhalten.
Vorzugsweise kommt im Rahmen des Temperatur-Sensors eine Vierleitermessung zum Einsatz.
Eine weitere Option besteht in der Bestimmung der Temperatur über einen InfrarotSensor aus der Distanz.
Weiterhin weist der opto-elektronische Chip vorzugsweise eine Steuerungseinheit auf, um das Dünnschicht-Heizelement auf der Grundlage der mittels des Temperatur-Sensors erfassten Messdaten bezüglich der Probentemperatur zu steuern und / oder zu regeln.
Vorzugsweise ist ein im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommendes Dünnschicht-Heizelement ein Widerstandsheizelement oder umfasst ein solches. Beispielsweise können auch Karbon-Nanoröhren im Rahmen des Heizelements zum Einsatz kommen.
Um zu gewährleisten, dass zu untersuchende Partikel und / oder Objekte und / oder Moleküle nahe an einer Oberfläche des opto-elektronischen Chips und somit im Bereich der evaneszenten Wellen lokalisiert werden können, hat es sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Außenoberfläche des opto-elektronischen Chips, welche dazu ausgelegt ist, mit der Probe in Kontakt zu treten, zumindest teilweise oder vollständig eine Oberflächenmodifikation , eine Oberflächenfunktionalisierung oder die Möglichkeit der Oberflächenfunktionalisierung aufweist, um in der Probe enthaltene Moleküle (oder sonstige Partikel und / oder Objekte), insbesondere biologische Moleküle, zu binden.
Eine Oberflächenfunktionalisierung kann beispielsweise ein Versehen der Oberfläche mit bestimmten funktionalen chemischen Gruppen, beispielsweise HydroxyGruppen, beinhalten, um eine gewünschte Molekülklasse gezielt an die Oberfläche zu binden.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chips zur Aufnahme einer Probe bei der Visualisierung temperaturabhängiger Prozesse, wobei eine Probe, vorzugsweise eine zumindest teilweise flüssige, feste oder gelförmige Probe derart auf den opto-elektronischen Chip aufgebracht wird, dass die Probe den Dünnschicht-Lichtleiter und vorzugsweise auch die Sensor-Schicht des Temperatursensors teilweise oder vollständig bedeckt. Ein erfindungsgemäßer Chip kann zudem mit einem Mikrofluidik-System verwendet werden.
Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer opto-elektronischer Chip dazu verwendet werden, einen temperatur-sensitiven Prozess bei einer exakt kontrollierten Temperatur der Probe zu beobachten. Ein erfindungsgemäßer opto-elektronischer Chip kann weiterhin dazu verwendet werden, die Temperaturabhängigkeit eines Prozesses zu untersuchen, indem der Prozess bei unterschiedlichen exakt kontrollierten Temperaturen der Probe beobachtet wird.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte Probe enthält vorzugsweise mindestens einen oder eine Mehrzahl an Partikeln und / oder Objekten und / oder Molekülen, welche dazu fähig und / oder ausgelegt ist / sind, mit einem geführten Modus (auch als Mode bezeichnet) des Dünnschicht-Lichtleiters in Wechselwirkung zu treten. Beispielsweise werden die Moleküle durch das von dem Lichtleiter geführte oder geleitete Licht zur Fluoreszenz angeregt, lenken dieses Licht ab und / oder absorbieren das Licht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein optisches System, vorzugsweise ein Mikroskop, besonders bevorzugt ein TIR-Mikroskop, welches dazu ausgelegt ist, mit einem erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chip verwendet zu werden.
Ein erfindungsgemäßes optisches System weist vorzugsweise mindestens einen Emitter, welcher Licht zur optischen Anregung in den Dünnschicht Wellenleiter entsendet und mindestens einen Detektor auf, welcher von der Probe abgelenktes und / oder ausgehendes Licht normal zu der Ebene des Dünnschicht- Lichtleiters erfasst.
Durch diesen Aufbau sind die Lichtpfade zur Anregung der Probe und zu Detektion des Lichts physisch voneinander getrennt, wodurch allgemeines Streulicht, das beim Einkoppeln des Lichts in den Wellenleiter oder bei der Führung des Lichts im Wellenleiter entsteht, und Streulicht aufgrund einer lokalen Streuung von Licht durch die Probe und Hintergrundlicht reduziert werden. Dies führt zu einem verbesserten Verhältnis zwischen den erwünschten detektierten Signalen aus der Probe gegenüber unerwünschter Signalen bedingt durch den Messaufbau.
Um Licht in einer für den Lichtwellenleiter typischen Mode in diesem zu führen, kommen vorzugsweise Kopplungsmodule, wie beispielsweise Gitterkoppler, Prismenkoppler und / oder direkte Kopplungsmechanismen zwischen zwei Lichtleitern zum Einsatz. Diese Kopplungsmodule dienen dazu externes Licht in den Wellenleiter einzuführen. Effizientere Kopplungsmodule können hierbei den allgemeinen Streuhintergrund reduzieren.
Ein oder mehrere Lichtleiter (Messwellenleiter) leiten das Licht auf bzw. durch einen opto-elektronischen Chip gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und somit auch durch das Volumen der Probe.
Das von dem Messwellenleiter geführte Licht kann zurückreflektiert werden und / oder ausgekoppelt werden. Hierfür kommen vorzugsweise ebenfalls Kopplungsmodule, wie beispielsweise Gitterkoppler, Prismenkoppler und / oder direkte Kopplungsmechanismen zwischen zwei Lichtleitern zum Einsatz.
Ebenso ist es denkbar, dass mittels zusätzlicher Kopplungsmodule eine zeitgleich durch den Lichtleiter propagierende optische Mode einer anderen Wellenlänge, verschiedene optische Moden derselben Wellenlänge oder deren Kombination geführt werden. Eine Interaktion dieser innerhalb des Wellenleiters und deren Detektion kann für hochsensitive Messungen des Brechungsindex auf der Chipoberfläche verwendet werden.
Die zeitliche Analyse des Transmission oder Reflextionssignals eines oder der Messenwellenleiter kann zusätzlich zu Korrelationsmessungen und Fluktuationsmessungen herangezogen werden (ähnlich zu dynamischer Lichtstreuung - DLS).
Vorzugsweise ist bei einem erfindungsgemäßen optischen System der Detektor ein Array-Detektor und / oder das optische System ist ein Mikroskop.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Chips und / oder eines erfindungsgemäßen optischen Systems zur Bestimmung eines Phasenüberganges eines in der Probe enthaltenden (organischen oder eines anorganischen) Partikels oder eines räumlich ausgedehnten Materials. Dieser Phasenübergang kann beispielsweise die Veränderung eines biologischen Moleküls, beispielsweise eines Enzyms, eines Proteins oder einer Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Ribonukleinsäure (RNA) beinhalten.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chips und / oder eines erfindungsgemäßen optischen Systems im Rahmen einer Hochdurchsatz-Sequenzierung, vorzugsweise auf der Grundlage der Analyse einzelner Moleküle.
Ein wieder anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chips und / oder eines erfindungsgemäßen optischen Systems zur Untersuchung der Bindungsaffinitäten zwischen mindestens einem Protein und mindestens einem Antikörper in Abhängigkeit von der Temperatur und oder anderen externen Stimlanzien wie beispielsweise Salz- oder Pufferkonzentrationen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Chips und / oder eines erfindungsgemäßen optischen Systems zur Untersuchung lebender Zellen unter temperatur-kontrollierten Bedingungen und deren Wechselwirkungen mit einzelnen Partikeln. Auch Interaktionen zwischen Proteinen und / oder Interaktionen zwischen Proteinen und Small Molecules können mit einem erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chip und / oder einem erfindungsgemäßen optischen System untersucht werden.
Zusammengefasst können mit der vorliegenden Erfindung mindestens die nachstehenden Vorteile erreicht werden:
Ein optisches Mikroskop kann geschaffen werden, das einen erfindungsgemäßen optischen Chip enthält, der das Streusignal von kleinen Partikeln wie Viren, Proteinen und anderen Nanopartikeln, die sich im evaneszenten Feld des Wellenleiters befinden, verstärkt. Dies wird erreicht, indem ein Referenzlichtweg erzeugt wird, der mit dem Streulicht, das von den Analyten in der Probe stammt, auf dem Detektor interferiert. Wenn das Interferenzsignal z. B. auf einer Kamera detektiert wird, können kleine Biomoleküle mit einer geringen Masse (<500 kDa) oder einem kleinen Radius von unter 5 nm nachgewiesen werden.
Ein erfindungsgemäßer Chips ist durch das monolithische Chipdesign, insbesondere die kompakte und robuste Ausgestaltung des Chips, zur evaneszenten Anregung von streuenden Partikeln (Nanopartikeln) sowie zur Erzeugung von Referenzlicht besonders nutzerfreundlich und kompakt.
Zudem eignet sich ein erfindungsgemäßer Chip zur Erzeugung einer homogenen Probenbeleuchtungsfläche (aktive Fläche) und eines Referenzstrahls.
Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Chip in Kombination mit einem optischen System verwendet werden, das den gestreuten und den Referenzstrahl auf einen Detektor projiziert, wo das Interferenzsignal mit zeitlicher und räumlicher Auflösung analysiert wird.
Zudem ermöglicht ein erfindungsgemäßer Chip eine hochselektive Anregung eines kleinen Probenvolumens oberhalb des Wellenleiters in axialer Richtung (evaneszentes Feld, typischerweise 100 nm oberhalb des Wellenleiters) und über bis zu mehrere mm² in Probenebene. Der optische Chip kann mehrere oder einen Messwellenleiter mit unterschiedlichen aktiven Bereiche enthalten und in Kombination mit Fluoreszenzmessungen eingesetzt werden.
Die Entkopplung des Anregungsstrahlengangs vom Detektionsstrahlengang ermöglicht eine besonders saubere optische Erfassung mittels eines erfindungsgemäßen Chips.
Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Chips ermöglicht zudem die Verwendung von Objektiven mit geringer Vergrößerung (z. B. 20x, 40x, 60x) zur Abbildung großer Flächen bis zu mehreren mm², ohne dass eine Verwendung von Immersionsöl notwendig wäre aber möglich bleibt.
Zudem wurde im Rahmen eines erfindungsgemäßen Chips der Referenzstrahl für eine optimale Interferenzkontrasterzeugung optimiert. Weiterhin ermöglicht ein erfindungsgemäßer Chip dynamische Temperaturstudien über einen erweiterten Temperaturbereich (vorzugsweise von 0°C-100°C).
Zudem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die räumliche Auflösung bis zur Beugungsgrenze und/oder sogar darunter (Superauflösung) beibehalten.
Weiterhin zeichnet sich die vorliegende Erfindung vorzugsweise durch mindestens eines oder auch mehrere der nachstehend aufgeführten technischen Merkmale aus:

Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßer Chip einen Dünnschicht-Wellenleiter mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als 5 µm (typ. <300 nm, insbesondere zwischen 30- 300nm)auf einem transparenten (z.B. SiO2) oder nicht-transparenten Material (z.B. Si), letzteres muss mit einer transparenten Trennschicht kombiniert werden (z.B. als SOI-System).

Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßer Chip weiterhin mindestens eine Streustruktur innerhalb des aktiven Bereichs des Wellenleiters, die ein Referenzlichtfeld erzeugt, das eine Interferenz mit dem vom Teilchen gestreuten Licht auf einem Detektor ermöglicht. Zudem umfasst ein erfindungsgemäßer Chip einen aktiven Bereich des Lichtwellenleiters, in dem das Probenvolumen mit dem evaneszenten Feld der geführten Mode wechselwirken kann.
Es besteht auch die Möglichkeit mehrerer Messwellenleiter mit separaten aktiven Bereichen auf einem Chip zu integrieren.
Weiterhin ist vorzugsweise eine Sammeloptik bzw. Detektionsoptik zur Lenkung des Streu- und des Referenzlichtfeldes auf einen Detektor (z. B. Kamera) vorgesehen.
Vorzugsweise erfolgt die Detektion des emittierten und gestreuten Lichts aus dem aktiven Bereich mit einem 2D-Array-Detektor (z. B. Kamera), der das Licht über die Sammeloptik senkrecht zur Wellenleiterebene detektiert..
Bei einem erfindungsgemäßen Chips sind zudem vorzugsweise Kopplungsmodule zur Einkopplung von Freiraum-Lichtmoden in die unterstützte Wellenleitermode und / oder Auskoppelmodule vorgesehen, die eine aktive Intensitätsrückkopplung des im Wellenleiter geführten Lichts ermöglichen.
Ein erfindungsgemäßer Chip kann zu Aufnahme eines Probenvolumens im Bereich von 0,1 µL bis zu mehreren hundert µL (z. B. mikrofluidische Kanäle) ausgelegt sein.
Optional erfolgt eine gleichzeitige Detektion von Fluoreszenz über einen separaten Detektionspfad oder bei verschiedener Wellenlänge im gleichen Detektionspfadneben der Interferenzmikroskopie, insbesondere der interferometrischen Streumikroskopie (iSCAT).
Ist ein erfindungsgemäer Chip mit einem Heizelement ausgestattet, so ermöglicht dies die lokale und direkte Beheizung und somit eine Ausnutzung einer schnellen Temperaturdynamik. Daraus resultieren eine hohe Temperaturstabilität und große Heiz- sowie Kühlraten von bis zu 100 K/s.
Weiterhin kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine optische Anregung von Teilen des Probenvolumens über eine Freistrahloptik vorgesehen sein.
Optional kann auch eine optische oder elektrische Manipulation der Probe (z.B. durch eine Laserfalle, elektrostatische Falle etc.) im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein.
Vorzugsweise nutzt die vorliegende Erfindung mindestens einen oder mehrere der nachstehend aufgeführten von physikalischen Effekte:

Interferenz: Ein kleines Streusignal von Nanopartikeln wird durch Interferenz zwischen Streulicht des Partikels und auf dem Chip erzeugtem Referenzlicht verstärkt.
Das Interferenzsignal wird von einem Fotodetektor (z. B. Kamera) erfasst. Daraus werden räumliche und zeitliche Informationen über die Positionen der Partikel und deren Streuquerschnitt extrahiert.

Feste Phasenbeziehung: Die On-Chip-Erzeugung von Referenzfeldern und deren Abbildung über eine gemeinsame Sammeloptik gewährleistet eine feste Phasenbeziehung zwischen dem an den Partikeln gestreuten Licht und dem Referenzfeld.
Evaneszentes Anregungsfeld: Vorzugsweise erfolgt eine Anregung von Streuungen/Absorbern/Emittern im optischen Nahfeld eines Dünnschichtwellenleiters. Es entsteht vorzugsweise ein stark begrenztes und wohldefiniertes Anregungsvolumen durch die an der Oberfläche des Wellenleiters erzeugte evaneszente Welle (Eindringtiefe in das Probevolumen ca. 100 nm). Das Abklingen der evaneszenten Welle in normaler Richtung zur Ausbreitung der Wellenleitermode kann kleiner sein als die Freiraumwellenlänge des Anregungslichts.
Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche oder ähnliche Bauteile durch dieselben bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigt:

1 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Chips;
2 einen erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chip mit einer Darstellung der Lichteinkopplungsschnittstellen sowie der für die Lichtintensitätsmessung erforderlichen Schnittstellen im Wellenleiter;
2a einen erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chip mit einer Struktur zur Modenaufreinigung;
3 zeigt das Prinzip der interferometrischen On-Chip-Erkennung, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt,
3a zeigt zudem eine Streustruktur zur Erzeugung eines Referenzlichtfeldes; und
4 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Systems, insbesondere eines Mikrsokops.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen opto-elektronischne Chip 1, welcher bis zu sieben Schichten (L1-L7) aufweist. In dieser Ausführungsform haben vorzugsweise alle Schichten eine Oberflächenrauheit von weniger als 5 nm Effektivwert (rms). Alle Schichten können unabhängig voneinander in der Substratebene strukturiert sein, z. B.mit Gitterkopplern zur Beugung des auftreffenden freien Strahls in eine der geführten Moden. Die Wellenleiterschicht L5 kann z.B. zur spezifischen Bindung von Biomolekülen chemisch funktionalisiert sein.
Die Schicht L1 weist ein Trägermaterial, insbesondere ein transparentes Glassubstrat (z. B. Borosilikat, Quarzglas etc.) mit einer Dicke zwischen 50 und 1000 µm und einem Brechungsindex von n_sup oder ein Halbleitermaterial (z. B. Si) in Kombination mit einer transparenten Trennschicht auf oder besteht aus diesen.
Optional kann eine transparente Schicht L2 als Trennschicht vorgesehen sein, wobei die Schicht L2 einen Brechungsindex von nsp1 aufweist, wobei vorzugsweise n_sp1<n_wg. Die Schicht L2 kann aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein.
Alternativ oder zusätzlich kann eine optionale transparente Schicht L3 als Trennschicht vorgesehen sein, wobei die Schicht L3 einen Brechungsindex von n_sp2 aufweist, wobei n_sp2<n_wg. Die Schicht L3 kann aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein.
Zur Integration eines Dünnschicht-Widerstandstemperatursensors kann eine zusätzliche Schicht L4, vorzugsweise eine Metallschicht, entweder auf der Trennschicht L2, der Trennschicht L3 oder auf dem Trägermaterial der Trägerschicht L1 aufgebracht werden. Die Schicht L4 kann aus metallischen Unterschichten bestehen. Die Schicht L4 erstreckt sich vorzugsweise nur über einen teilbereich der benachbarten schichten, in diesem Beispiel der Schichten L1 und L4.
Die Schicht L5 weist einen Wellenleiter auf oder besteht aus diesem. Die Schicht L5 dient als hochbrechende, nicht absorbierende Schicht mit einem Brechungsindex von vorzugsweise n_wg>n_sup. Die Schichtdicke liegt vorzugsweise zwischen 30 und 600 nm. Die Schicht L5 umfasst vorzugsweiseMaterialien wie TiO2, Ta2O5, Al2O3, Nb2O5, Si3N4, GaP, ZrO2, SiO2 usw oder besteht aus diesen. Die Schicht L5 kann aus mehreren Teilschichten unterschiedlicher Materialien bestehen.
Optional kann eine Schicht L6 als Heizelement vorgesehen sein. Die Schicht L6 ist vorzugsweise eine transparente leitfähige Schicht mit einer Dicke von 1 nm -100 nm und ist als Widerstandsheizung ausgelegt, weist also vorzugsweise insbesondere Materialien wie ITO, Carbon Nanotubes etc. zur Widerstandsheizung auf.
Die Schicht L7 gibt das Probenvolumen wieder. Dieses Volumen enthält Partikel, die mit der geführten Mode der Wellenleiterschicht wechselwirken. Die Probe kann flüssig, fest oder gelartig sein und umgibt den Wellenleiter vorzugsweise teilweise oder ganz.
Nachstehend wird die Funktionalität eines erfindungsgemäßen opto-eletronischen Chips anhand der Darstellung in 2 erläutert.
In 2 ist eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen opto-eletronischen Chip 1 gezeigt, in welcher eine Wellenleiterstruktur 2 und ein aktiver Bereich 3 des Chips 1 erkennbar sind.
Bei dem in 2 gezeigten Chip ist ein Trägermaterial auf einer Seite mit einer strukturierten Wellenleiterschicht beschichtet, die einzelne oder mehrere Wellenleitermoden mit erheblichem Leistungsverhältnis außerhalb der Wellenleiterschicht selbst (>1%) unterstützt. Innerhalb des aktiven Bereichs 3 des Wellenleiters 2 kann das geführte Licht von Partikeln innerhalb des Probenvolumens gestreut, absorbiert oder/und re-emittiert werden. Innerhalb des aktiven Bereichs 3 des Wellenleiters 2 wird ein Referenzlichtfeld erzeugt, indem Teile der geführten Mode selektiv oder nicht selektiv in Richtung der Sammeloptik (auch als Detektionsoptik bezeichnenbar) ausgekoppelt werden. Der Wellenleiter (Lichtleiter) 2 entspricht eine Messwellenleiter (Messlichtleiter).
Dies kann beispielsweise durch das Einbringen einer bestimmten Oberflächenrauhigkeit oder einer periodischen Struktur (z.B. eines Gitters) innerhalb des aktiven Bereichs 3, vorzugsweise innerhalb der Schichten L1, L2 und/oder L5 erreicht werden, die als Streuungstruktur dienen und ein Referenzlichtfeld erzeugen.
Die Streungstruktur überlappt vorzugsweise räumlich mit dem aktiven Bereich, insbesondere bei einer Betrachtung entlang des als Referenzstrahl verwendeten Lichts.
Die in den Referenzstrahlengang eingekoppelte Lichtmenge wird hierbei vorzugsweise so gewählt, dass das Interferenzsignal der Nanopartikel auf dem Detektor in Bezug auf Kontrast, Signal-Rausch-Verhältnis und Schrotrauschen bei einer gegebenen Integrationszeit des Detektors optimiert ist.
Die Breite eines Wellenleiters eines erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chips (beispielsweise die Abmessung vom oberen Rand des Wellenleiters 2 oder 9 zum unteren Rand des Wellenleiters 2 oder 9 in 2) 2 liegt vorzugsweise zwischen 100 nm und 1000 µm.
Die Abmessung eines erfindungsgemäßen Chips 1 beträgt vorzugsweise 30 x 20 mm. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein erfindungsgemäßer Chip 1 kleiner als 50 mm x 50 mm und größer als 5 mm x 5 mm ist.
Die Ein-/Aus-Kopplung von Wellenleitermoden in dem erfindungsgemäßen Chip 1 aus 2 erfolgt vorzugsweise wie folgt: Kopplungsbereiche 4 ermöglichen die Ein- und Auskopplung von Freiraummoden in die bzw. aus der Wellenleitermode. Der Chip 1 kann eine oder mehrere Kopplungsbereiche 4 sowie einen oder mehrere Wellenleiter 2 enthalten. Ein Kopplungsbereich 4 ist vorzugsweise vorgesehen, um eine Wellenleitermode einzukoppeln.
Ein zusätzlicher Kopplungsbereich kann als Referenzkopplungsbereich 5 verwendet werden, um einen bestimmten Anteil des geführten Lichts wieder in Freiraummoden einzukoppeln, um so die Lichtintensität zu überwachen, die sich innerhalb der geführten Mode ausbreitet. In anderen Worten koppelt der Referenzkopplungsbereich 5 gezielt Licht aus dem Wellenleiter 2 aus, um so die Lichtintensität zu überwachen. Hierfür ist ein Referenzwellenleiter (Referenzlichtleiter) 9 vorgesehehn. Das ausgekoppelte Licht kann zur Stabilisierung der Intensität innerhalb der geführten Mode entweder vor oder nach der aktiven Fläche verwendet werden.
2a zeigt einen erfindungsgemäßen opto-elektronischen Chip mit einer Struktur zur Modenaufreinigung. Die Modenaufreinigung kann über einen über Single Mode Taper erfolgen. Hierbei kann die geführte Mode im Messwellenleiter durch eine adiabatische Überführung 11 in das Single-Mode Regime aufgereinigt werden, sodass multi-modale Interferenzen vermieden werden und eine homogene Probenbeleuchtung sichergestellt werden kann. Das Bezugszeichen 10 kennzeichnet in 2a einen Single Mode Bereich, in welchem eine einzige Mode vorliegt. Nach der Überführung in das Single-Mode Regime kann der Messwellenleiter 2 wieder durch eine adiabatische Überführung 11 adiabatisch aufgeweitet werden, sodass ein Probenbereich von einigen 100 µm2 bis hin zu mehreren mm2 angeregt werden kann. Der Single-Mode Bereich 10 kann gleichzeitig genutzt werden über beispielsweise evaneszente Kopplung eine bestimme Menge Licht aus dem Wellenleiter zur Intensitätsüberwachung mittels eines Referenzwellenleiters 9 zu extrahieren.
Die Erfassung bzw. Detektion der Partikel im Probenvolumen ist schematisch in 3 gezeigt und erfolgt vorzugsweise wie folgt: Partikel 3 in dem Probenvolumen L7 und in unmittelbarer Nähe des Wellenleiters 2 (Schicht L5) des Chips 1, d.h. innnerhalb des evaneszenten Felds 4 des Wellenleiters 2, können mit der Ausbreitungsmode wechselwirken.
Das von den Partikeln 3 gestreute Licht 5 sowie ggf. Fluoreszenzsignale der Partikel in Kombination mit dem Referenzstrahl bzw. dem mittels der Streustruktur erzeugten Referenzlicht 6 wird mit optischen Elementen (z. B. einem Objektiv 7) in orthogonaler Richtung zur Ausbreitungsrichtung des Wellenleiters 2 auf einer oder auf beiden Seiten des Wellenleiters (beispielsweise oberhalb und unterhalb des Chips) gesammelt.
Die Signale werden daraufhin auf einen Detektor, z.B. die Kamera 8 projiziert, wo die kohärenten Signale, insbesondere das von den Partikeln gestreute Licht 5 sowie das Referenzlicht 6, interferieren. Das optional weiterhin vorhandene Fluoreszenzsignal kann mit optischen Filtern getrennt und gleichzeitig auf einen weiteren Detektor projiziert werden (hier nicht dargestellt).
In 3a ist weiterhin eine Streustruktur 12 ersichtlich, die an der Oberfläche des Wellenleiters 2 (Messwelllenleiter) angeordnet ist und das Referenzlichtfeld 6 erzeugt. Die Streustruktur ist beispielsweise in den Wellenleiter 2 eingebettet und kann durch eine oberflächliche Ätzung des Wellenleiters 2 erzeugt sein. Grundsätzlich kann die Streustruktur durch ein Aufbringen und / oder Einbringen von Oberflächenmodifikation auf oder in eine Oberfläche des Wellenleiters 2, z.B. in Form winziger Vorsprünge oder Aussparungen, ausgebildet sein.
Optional kann ein optisch transparentes Heizelement verwendet werden, um die Temperatur des Chips über eine Widerstandsheizung zu steuern. Weiterhin könnte ein zusätzlicher Temperatursensor in die Wellenleiterstruktur eingebaut werden, um eine direkte Temperaturrückmeldung zu geben. Diese Ausführungsform ist besonders dann von Vorteil, wenn temperatur-sensitive Vorgänge beobachtet werden sollen.
Die Wahrscheinlichkeit, Partikel innerhalb des Anregungsvolumens zu finden, kann auf der Grundlage Brownscher Bewegung, Konvektion, Schwerkraft beruhen oder über ein spezifisches oder unspezifisches Wechselwirkungspotential bestimmt werden, das durch spezielle Oberflächeneigenschaften (z. B. Beschichtungen, Funktionalisierungen etc.) oder äußere optische oder elektrische Kräfte verursacht wird.
Auf einem erfindungsgemäßen Chip sind vorzugsweise ein oder mehrere der folgenden Funktionselemente angeordnet:

Ein- und Auskopplungsstrukturen des Wellenleiters: Der Wellenleitermodus wird über Kopplungsstrukturen bzw. Koppelmodule wie Gitterkoppler, Prismenkoppler oder direkte Faserkoppelmechanismen angeregt. Der Wellenleitermodus wird vorzugsweise über den Chip einschließlich des Probenvolumens übertragen. Die übertragene Mode kann mit ähnlichen Anordnungen wie das Einkoppelmodul rückreflektiert oder ausgekoppelt werden. Eine sich gleichzeitig oder zeitlich getrennt in eine andere Richtung ausbreitende Wellenleitermode kann mit zusätzlichen Koppelmodulen eingekoppelt werden.

Im Wellenleiter ist vorzugsweise eine spezielle Auskoppelstruktur zur Intensitätsmessung des geführten Lichts implementiert, die es erlaubt, die im Wellenleiter geführte Lichtintensität in Wechselwirkung mit dem Probenvolumen zu überwachen. Diese Intensitätsreferenz kann über ein lichtempfindliches Element detektiert werden und zur aktiven Stabilisierung der Intensität genutzt werden.
Es kann auch in Transmission die Intensität des Messwellenleiters detektiert werden und zu Auto-Korrelationsmessungen verwendet werden ähnlich wie bei der dynamischen Lichtstreuung (Dynamic Light Scattering, DLS).
Bei dem aktiven Bereich des Chips kommt das Probenvolumen in die Nähe des Wellenleiters. Partikel innerhalb des Probenvolumens, die mit dem geführten Licht wechselwirken (evaneszentes Feld), erzeugen Fluoreszenz- und/oder Streulicht. Eine bestimmte Struktur innerhalb dieses Bereichs erzeugt ein Referenzlichtfeld, das ebenfalls vom Detektionssystem erfasst werden kann und das eine Interferenz mit dem von den Nanopartikeln im Probenvolumen gestreuten Licht ermöglicht.
Weiterhin kann bei einem erfindungsgemäßen Chip ein Heizelement vorgesehen sein. Das Heizelement besteht vorzugsweise aus einer optisch transparenten, leitfähigen Dünnschicht (z. B. ITO) oder umfasst eine solche. Beispielsweise durch Anlegen eines Gleichstroms wird Wärme erzeugt, die durch das Trägermaterial in das Probenvolumen transportiert wird. Das Heizelement ist vorzugsweise lokal auf das Probenvolumen begrenzt. Metallische Elektroden ermöglichen beispielsweise den Anschluss an einen externen elektronischen Heizkreis.
Auch ein Temperatursensor kann vorhanden sein. Die Temperaturerfassung für den Heizkreis kann insbesondere mit einem auf dem Chip integrierten Dünnschicht-Widerstandstemperatursensor (z. B. Pt-Sensor) realisiert werden. Der Temperatursensor wird vorzugsweise über eine Vier-Punkt-Messung ausgelesen. Der Sensor wird vorzugsweise zwischen dem Heizelement und dem Probenvolumen oder auf der Oberseite bzw. einer der Trägerschicht abgewandten Seite der Wellenleiterschicht positioniert (Trennschichten sind erforderlich).
4 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Systems, vorzugsweise eines Mikroskops. Das Mikroskop weist mindestens eine Lichtquelle 13 auf, welche Licht in einen Messwellenleiter 2 des opto-elektronischen Chips 1 einspeist. Die Intensität des in den Messwellenleiter 2 geführten Lichts wird mittels zweier Photodetektoren 14 erfasst, beispielswqesie indem das Licht über einen Referenzwellenleiter 9 aus dem Messwelllenleiter 2 ausgekoppelt und einem Photodetektor zugeführt wird. Die mit dem bezugszeichen 16 in 4 bezeichneten optischen Signale können als Freistrahl und / oder z.B. in Fasern übertragen werden.
Sowohl die Lichtquelle 13 als auch die Photodetektoren 14 sind mit einer Steuerungseinheit 15 verbunden, welche die Lichtquelle 13 beispielsweise auf der Grundlage der mittels der Photodetektoren 14 erfassten Lichtintensitäten steuern oder regeln kann. Hierfür ist die Steuerungseinheit 15 mit der Lichtquelle 13 und den Photodetektoren 14 über bidirektionale Datenleitungen 17 verbunden. Auch die Kamera 8 oder abbildende Optik ist über bidirektionale Datenleitungen 17 mit der Steuerungseinheit verbunden.
Die vorliegende Erfindung kommt insbesondere bei der Erfassung einzelner Partikel und der Analyse der Partikeldynamik zum Einsatz. Beispielhafte Anwednungsfälle sind: die Bestimmung der Antigen-Antikörper-Bindungsaffinität, Antikörper-Antikörper-Vernetzung und Mehrseiten-Bindungsprozesse, die Analyse von Protein-Protein-Wechselwirkungen, die Abschätzung der Proteingrößen (hydrodynamischer Radius), Untersuchungen zum Proteinabbau und zu Denaturierungseigenschaften, sowie die Optimierung und Charakterisierung von Formulierungen (z. B. Vektoren des Adeno-assozierten Virus (AAVs), Nanopartikel etc.).

Claims

Opto-elektronischer Chip zur Aufnahme einer Probe zur optischen Untersuchung, mit einer Trägerschicht, einem Dünnschicht-Lichtleiter mit einem aktiven Bereich, in welchem die Probe mit einer geführten Mode des Dünnschicht-Lichtleiter wechselwirkt, wobei in dem aktiven Bereich mindestens eine Streuungsstruktur angeordnet ist, welche das in dem Dünnschicht-Lichtleiter geführte Licht streut, wodurch ein Referenzlichtfeld erzeugt wird.
Opto-elektronischer Chip gemäß Anspruch 1, wobei die Streuungsstruktur regelmäßig oder unregelmäßig ausgebildet ist und sich teilweise oder vollständig über den aktiven Bereich erstreckt.
Opto-elektronischer Chip gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Streuungstruktur lokale Variationen im effektiven Brechungsindex des Dünnschicht-Lichtleiters oder einer mit der geführten Mode interagierenden Schicht umfasst.
Opto-elektronischer Chip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Referenzlichtfeld durch lichstreuende Partikel erzeugt wird, die mit der in der Lichtleiterschicht geführten Mode interagieren.
Opto-elektronischer Chip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnschicht-Wellenleiter weiterhin eine Struktur zur Modenaufreinigung aufweist, welche vorzugsweise mittels mindestens eines adiabatischen Übergangs das in dem Dünnschicht-Wellenleiter geführte Licht zumindest abschnittsweise auf eine einzige Mode begrenzt.
Opto-elektronischer Chip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens zwei Kopplungsbereichen, einem zur Einkopplung der in dem Dünnschicht-Lichtleiter geführten Mode und einem zur Auskopplung eines Teils der in dem Dünnschicht-Lichtleiter geführten Mode aus dem Dünnschicht-Lichtleiter zur Überwachung der Intensität der geführten Mode.
Opto-elektronischer Chip gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsbereich zur Auskopplung eines Teils der im Dünnschicht-Lichtleiter geführten Mode aus dem Dünnschicht-Lichtleiter zur Überwachung der Intensität der geführten Mode zumindest abschnittsweise benachbart zu der Struktur zur Modenaufreinigung verläuft, sodass vorzugsweise mittels einer vorzugsweise evaneszenten Kopplung Licht aus dem Dünnschicht-Lichtleiter in einen Referenz-Lichtleiter zur Überwachung der Intensität der geführten Mode in dem Dünnschicht-Lichtleiter überführbar ist.
Opto-elektronischer Chip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der zusätzlich zum Dünnschicht-Wellenleiter ein optisch transparentes Dünnschicht-Heizelemententhält.
Verwendung eines opto-elektronischen Chips nach einem der vohergehenden Ansprüche zur Aufnahme einer Probe zur optischen Untersuchung, wobei eine Probe, vorzugsweise eine zumindest teilweise flüssige, feste oder gelförmige Probe derart auf den opto-elektronischen Chip aufgebracht wird, dass die Probe den aktiven Bereich des Dünnschicht-Lichtleiter teilweise oder vollständig umgibt.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekenzeichnet, dass die Probe mindestens einen oder eine Mehrzahl an Partikel(n) enthält, welche(r) dazu fähig und / oder ausgelegt ist / sind, mit einer geführten Mode des Dünnschicht- Lichtleiters in Wechselwirkung zu treten.
Optisches System, das dazu ausgelegt ist, mit einem opto-elektronischen Chip nach einem der vohergehenden Ansprüche 1 bis 8 verwendet zu werden, und welches dazu ausgelegt ist, eine Interferenz zwischen einem gestreuten Licht eines sich im Probenraum befindlichen Partikels und einem durch die Streustruktur erzeugten Referenzlicht zu erzeugen.
Optisches System gemäß Anspruch 11, welches weiterhin dazu ausgelegt ist, die erzeugte Interferenz mittels eines Detektors zu erfassen.
Optisches System gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein Array-Detektor ist und / oder das optische System ein Mikroskop ist.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, weiterhin mit einer Lichtquelle, welche dazu ausgelegt ist, Licht in einen Dünnschicht-Lichtleiter eines opto-elektronsichen Chips einzuleiten, sodass eine in einem aktiven Bereich des Dünnschicht-Lichtleiters aufgenommene Probe mit dem Licht wechselwirken kann.
Verwendung eines opto-elektronischen Chips nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und / oder eines optischen Systems nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zur Bestimmung der Antigen-Antikörper-Bindungsaffinität, Untersuchung einer Antikörper-Antikörper-Vernetzung und / oder von Mehrseiten-Bindungsprozessen, zur Analyse von Protein-Protein-Wechselwirkungen, zur Abschätzung der Proteingrößen, im Rahmen von Untersuchungen zum Proteinabbau und zu Denaturierungseigenschaften, sowie zur Optimierung und Charakterisierung von Formulierungen.