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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der Beugung von Lichtwellen an einer
Beugungsstruktur.
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Beugungserscheinungen
von Lichtwellen an einer Beugungsstruktur, insbesondere einem optischen
Gitter werden seit langem in unterschiedlicher Art und Weise genutzt.
Bei optischen Gittern handelt es sich um periodische Strukturen,
die planar und räumlich
angeordnet und künstlichen
oder natürlichen
Ursprungs sein können.
So bilden zum Beispiel Proteinkristalle für biologische Fragestellungen
wichtige räumliche
Gitter, an denen Beugungserscheinungen von Lichtwellen beobachtet
und zu Zwecken der Analyse von Eigenschaften der Proteine genutzt werden
können.
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Die
optische Wirkung eines Gitters ergibt sich aus den geometrischen
Abmessungen der vom Gitter umfaßten
Beugungsstruktur und den optischen Eigenschaften des Mediums, in
das die Beugungsstruktur eingebettet ist.
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Aus
der Druckschrift
US 4,660,938 ist
eine Beugungsstruktur mit mehreren Beugungselektroden bekannt. Die
mehreren Beugungselektroden sind in einem Ausgangszustand so mit
einer nicht benetzenden Flüssigkeit
bedeckt, daß Zwischenräume zwischen
benachbarten Beugungselektroden frei von der nicht benetzenden Flüssigkeit
sind. Wenn die Beugungselektroden mit einer elektrischen Spannung
beaufschlagt werden, führt
dieses dazu, daß die
nicht benetzende Flüssigkeit
in die Zwischenräume
zwischen benachbarten Beugungselektroden hineinbewegt wird und diese
Zwischenräume
zumindest teilweise ausfüllt.
Hierdurch wird die optische Weglänge
für auf
die Beugungsstruktur einfallende Lichtwellen in den Zwischenräumen verändert, was zu
geänderten
Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur führt. Bei der bekannten Beugungsstruktur
sind die Abmessungen der Beugungselektroden und die Abstände zwischen
den Beugungselektroden sowie das nicht benetzende Material so aufeinander
abgestimmt, daß die
einfallenden Lichtwellen sich nach dem Durchgang durch die Beugungsstruktur
in einem Ausgangszustand, nämlich
dann, wenn die Beugungselektrode nicht mit der elektrischen Spannung
beaufschlagt werden, gegenseitig auslöschen. Infolge des Anlegens
der elektrischen Spannung an die Beugungselektroden und der sich
hierdurch ergebenden Änderung
der optischen Weglänge
in den Zwischenräumen
zwischen den Beugungselektroden gilt die Auslöschbedingung der transmittierenden
Lichtwellen nicht länger,
so daß hinter
der Beugungsstruktur gebeugte Lichtwellen sichtbar sind. Die bekannte
Anordnung wird für
optische Anzeigeelemente verwendet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren zum Beugen
von Lichtwellen an einer Beugungsstruktur anzugeben, welche(s) eine
Anwendungsfall abhängige
und flexible Steuerung der Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Anordnung nach dem unabhängigen
Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 15 gelöst.
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Die
Erfindung umfaßt
den Gedanken, mit Hilfe des Zusammenwirkens wenigstens einer Beugungselektrode,
die mit einer elektrischen Betriebsgröße zum Ausbilden eines elektrischen
Felds beaufschlagbar ist, und einem Fluidvolumen mit Partikeln individuell
gestaltbare Beugungsstrukturen zu schaffen. Beugungseigenschaften
der Beugungsstruktur sind veränderbar,
indem mit Hilfe des elektrischen Felds ein Konzentrationsgradient
der Partikel in dem Fluidvolumen erzeugt werden kann. Mit einer
geeigneten Auswahl von Parametern, insbesondere hinsichtlich des
Materials und der Größe der Beugungselektrode
sowie der Partikel in dem Fluidvolumen, können für einen jeweiligen Anwendungszweck
geeignete Beugungsstrukturen geschaffen werden. Im Vergleich zum
Stand der Technik besteht der Vorteil, daß mit Hilfe des induzierten
Konzentrationsgradienten der Partikel in dem Fluidvolumen die Wirkung
der zumindest einen Beugungselektrode selbst verändert werden kann, was beispielsweise
dann der Fall ist, wenn die Partikel in dem Fluidvolumen sich am Rande
der mindestens einen Beugungselektrode sammeln.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
der Erfindung sieht mehrere Beugungselektroden vor, bei denen sich
Abstände
zwischen benachbarten Beugungselektroden unterscheiden, so daß eine asymmetrische
Beugungsstruktur gebildet ist. Auf diese Weise werden die Gestaltungsmöglichkeiten
für die Schaffung
anwendungsspezifischer Beugungsstrukturen vergrößert.
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Vorteilhaft
kann bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß die mindestens
eine Beugungselektrode aus einem lichtdurchlässigen Material ist. Dieses
ermöglicht
die Beobachtung von physikalischen oder chemischen Prozessen in
dem Fluidvolumen auch in einem Bereich, der üblicherweise von der mindestens
einen Beugungselektrode verdeckt ist.
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Vorteilhaft
kann vorgesehen sein, daß das Fluidvolumen
ein strömendes
Volumen ist. Hierdurch wird es möglich,
das Fluidvolumen fortdauernd auszutauschen, beispielsweise um an hand
der veränderbaren
Beugungseigenschaften Parameter des Fluids oder der Partikel in
dem Fluidvolumen zu analysieren.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Partikel
in dem Fluidvolumen Biomoleküle
sind, beispielsweise Proteine. Biomoleküle stehen in großer Vielfalt
hinsichtlich ihrer Größe und ihrer
Wechselwirkungseigenschaften mit elektrischen Feldern zur Verfügung, wodurch
sich sehr verschiedene Gestaltungsoptionen für das Fluidvolumen mit den
Partikeln in der steuerbaren Beugungsstruktur ergeben.
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Um
die Möglichkeit
zum Analysieren der gebeugten Lichtwellen zu schaffen, sieht eine
zweckmäßige Ausführungsform
der Erfindung eine Detektionseinrichtung zum Erfassen der an der
Beugungsstruktur gebeugten Lichtwellen vor. Mit Hilfe der Detektionseinrichtung
können
Eigenschaften der einfallenden und/oder der gebeugten Lichtwellen
erfaßt und
untersucht werden, um Rückschlüsse auf
das Verhalten des Fluidvolumens und/oder der Partikel in dem Fluidvolumen
in der Beugungsstruktur zu ziehen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß eine Ausdehnung
der mindestens einen Beugungselektrode in einer Richtung, die im
wesentlichen quer zu einer Einfallsrichtung der einfallenden Lichtwellen
auf die Beugungsstruktur verläuft,
klein im Vergleich zur Wellenlänge
der einfallenden Lichtwellen ist, so daß eine Beugung an der Beugungsstruktur
im wesentlichen erst als Reaktion auf dem Konzentrationsgradienten
der Partikel nach dem Ausbilden des elektrischen Feldes auftritt.
Hierdurch wird ein Schaltmechanismus gebildet, bei dem die einfallenden
Lichtwellen in einem Zustand der Beugungsstruktur gebeugt und in
einem anderen Zustand nicht gebeugt werden.
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Die
Beugungsstruktur ist zweckmäßig eine
in Reflexion oder in Transmission betreibbare Beugungsstruktur.
In Abhängigkeit
vom Anwendungsfall kann der Fachmann entscheiden, ob die einfallenden Lichtwellen
eher reflektiert oder transmittiert werden sollen.
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Eine
Möglichkeit
zur Beaufschlagung von mehreren Beugungselektroden gemeinsam mit
der elektrischen Betriebsgröße ist bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung dadurch geschaffen, daß die Beugungsstruktur kammförmig ausgebildet
ist.
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Bei
einer zweckmäßigen Weiterbildung
der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die mehreren Beugungselektroden
matrixartig angeordnet sind. Auf diese Weise stehen vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten
zur Verfügung,
den Konzentrationsgradienten der Partikel in dem Fluidmedium anwendungsspezifisch
auszubilden. Einzelne oder alle matrixartig angeordneten Beugungselektroden
können
mit der gleichen oder unterschiedlichen elektrischen Betriebsgrößen beaufschlagt
werden, um die von den Beugungselektroden gebildete Beugungsstruktur mittels
des Konzentrationsgradienten zu verändern.
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Eine
Fortbildung der Erfindung kann vorsehen, daß auf eine Oberfläche der
mindestens einen Beugungselektrode eine aus einem lichtemittierenden
Material gebildete Schicht aufgebracht ist. Auf diese Weise ist
es ermöglicht,
die Struktur der Anordnung der mindestens einen Beugungselektrode
mit Hilfe eines Detektors zu erfassen, der in einer geeignet gewählten Entfernung
von der Beugungselektrodenanordnung angeordnet ist, um Licht, beispielsweise
Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzlicht, des lichtemittierenden Materials
zu detektieren.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, daß der
mindestens einen Beugungselektrode gegenüberliegend zumindest eine weitere Beugungselektrode
vorgesehen ist, wobei die mindestens eine Beugungselektrode und
die zumindest eine weitere Beugungselektrode hinsichtlich der einfallenden
Lichtwellen auf Lücke
versetzt sind, so daß ein
zumindest teilweiser Durchgang der einfallenden Lichtwellen durch
die Beugungsstruktur mit Hilfe einer Änderung der Beugungseigenschaften
der Beugungsstruktur schaltbar ist. Hierdurch ist es möglich, einen
optischen Schaltmechanismus zu schaffen, bei dem ein Durchgang der
einfallenden Lichtwellen aufgrund der Lückenversetzung der mindestens
einen Beugungselektrode und der zumindest einen weiteren Beugungselektrode
zunächst
verhindert wird. Beim Anlegen der elektrischen Betriebsgröße und einer
hierdurch induzierten Änderung
der Beugungs eigenschaften kann dann ein zumindest teilweiser Durchgang
der einfallenden Lichtwellen erfolgen.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, daß die
Beugungsstruktur in einem Lichtweg eines optischen Geräts zum Regeln
einer Ausbreitung der einfallenden Lichtwellen entlang des Lichtwegs
angeordnet sind. Die Regelung der Ausbreitung der einfallenden Lichtwellen
erfolgt mit Hilfe der Änderung
der Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur beim Anlegen der
elektrischen Betriebsgröße und der
hierdurch ausgelösten
Ausbildung des elektrischen Feldes, was seinerseits zur gezielten
Konzentrationsgradientenbildung in dem Fluidvolumen führt.
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Weiterbildung
des Verfahrens zum Regeln der Ausbreitung von Lichtwellen mit Hilfe
des Beugens einfallender Lichtwellen an einer Beugungsstruktur in
abhängigen
Unteransprüchen
weisen die in Verbindung mit zugehörigen Unteransprüchen der Anordnung
zum Beugen von Lichtwellen an einer Beugungsstruktur genannten Vorteile
entsprechend auf.
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Beim
Ausführen
des Verfahrens können
in Abhängigkeit
vom Anwendungsfall zum Bilden des Konzentrationsgradienten der Partikel
mit Hilfe des elektrischen Feldes verschiedene Prozesse in dem Fluidvolumen
induziert werden. Hierzu gehören
das Induzieren einer Temperaturerhöhung, eines Phasenübergangs
und/oder einer elektrochemischen Umsetzung in dem Fluidvolumen.
Bei dem Phasenübergang
kann es sich beispielsweise um einen Sol/Gel- oder einen Gel/Sol-Übergang
handeln, der infolge der Wirkung des elektrischen Feldes in dem Fluidvolumen
veranlaßt
wird.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung zum Beugen einfallender
Lichtwellen an einer Beugungsstruktur;
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2 eine
schematische Darstellung der Anordnung nach 1, wobei
eine weitere Beugungselektroden vorgesehen sind;
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3 eine
schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zum Beugen einfallender
Lichtwellen;
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4A–4D graphische
Darstellungen zum Beugungsverhalten einfallender Lichtwellen im Fall
eines Doppelspalts;
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5 eine
schematische Darstellung berechneter Kurven für ein asymmetrische Verteilung von
Partikeln in einem Fluidvolumen einer steuerbaren Beugungsstruktur;
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6 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit mehreren Beugungselektroden
ohne elektrisches Feld;
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7 eine
schematische Darstellung der Anordnung mit mehreren Beugungselektroden
nach 6 beim Anlegen eines elektrischen Wechselfelds für Partikel
mit negativer Dielektrophorese;
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8 eine
schematische Darstellung der Anordnung mit mehreren Beugungselektroden
nach 6 beim Anlegen eines elektrischen Wechselfelds für Partikel
mit positiver Dielektrophorese;
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9 eine
schematische Darstellung der Anordnung mit mehreren Beugungselektroden
nach 6 beim Anlegen eines Gleichfelds für den Fall
einer Elektrophorese;
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10 eine
schematische Darstellung der Anordnung mit mehreren Beugungselektroden
nach 6 beim Anlegen eines Wechselfelds für Makromoleküle;
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11 eine
kammförmige
Beugungselektrode; und
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12A–12C eine schematische Darstellung einer Anordnung
mit mehreren Beugungselektroden, die matrixartig angeordnet sind.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Beugungsstruktur 1,
bei der auf einem transparenten Trägermaterial 2 mehrere
Beugungselektroden 3 angeordnet sind. Auf die Beugungsstruktur 1 treffen
einfallende Lichtwellen 4, die an der Beugungsstruktur 1 gebeugt
werden. Es können
Lichtwellen aus einem beliebigen Bereich des Lichtspektrums sowohl
im sichtbaren als auch im nicht sichtbaren Spektralbereich verwendet
werden, insbesondere auch aus dem ultravioletten oder dem infraroten
Spektralbereich. Die Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur 1 werden
nicht nur von den Beugungselektroden 3 sondern auch von
einem Fluidmedium 5 bestimmt, welches in 1 mit
Hilfe eines Pfeils A schematisch dargestellt ist. Bei dem Fluidmedium 5 kann
es sich um ein flüssiges
oder gasförmiges
Medium handeln. Das Fluidmedium 5 strömt in der mit Hilfe des Pfeils
A in 1 angedeuteten Richtung entlang der mehreren Beugungselektroden 3 und
bilden mit diesen zusammen die Beugungsstruktur 1. Das
Fluidmedium 5 durchströmt hierbei
ein Volumen, welches einen von Fluidvolumen 5 durchströmten Raum
(nicht dargestellt) begrenzt, der in 1 oberhalb
der mehreren Beugungselektroden 3 gebildet ist. Es kann
ein direkter Kontakt zwischen den mehreren Beugungselektroden 3 und
dem Fluidmedium 5 gebildet werden, wenn die mehreren Beugungselektroden
beispielsweise in eine Wand des von dem Fluidvolumen durchströmten Volumens
integriert sind (nicht dargestellt). Es kann jedoch auch vorgesehen
sein, daß die
mehreren Beugungselektroden 3 mit einer Schutzschicht bedeckt
sind, so daß zwischen
dem Fluidmedium 5 und den mehreren Beugungselektroden 3 kein
direkter Kontakt gebildet ist. Das Fluidmedium 5 kann sowohl als
strömendes
Medium als auch stehendes Medium oberhalb und zwischen den mehreren
Beugungselektroden 3 vorgesehen sein. Wenn das Fluidmedium 5 als
stehendes Medium gebildet ist, wird es in einem abgeschlossenen,
nicht durchströmenden
Volumen angeordnet (nicht dargestellt).
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Um
die Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur 1 für die einfallenden
Lichtwellen 4 zu verändern,
werden die mehreren Beugungselektroden 3 mit einer elektrischen
Betriebsgröße, beispielsweise
einer elektrischen Spannung, beaufschlagt, so daß sich um die mehreren Beugungselektroden 3 herum
ein elektrisches Feld bildet, was in das Fluidmedium 5 hinein
wirkt. Mit Hilfe des so gebildeten elektrischen Feldes werden in
dem Fluidmedium 5 Partikel (in 1 nicht
dargestellt) verlagert, so daß in dem
Fluidmedium 5 im Bereich der mehreren Beugungselektroden 3 ein
Konzentrationsgradient der Partikel gebildet wird. Infolge des auf
diese Weise gebildeten Konzentrationsgradienten der Partikel in dem
Fluidmedium 5 werden die Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur 1 verändert. Die
geänderten
Beugungseigenschaften führen
dazu, daß gebeugten
Lichtwellen, die durch die Beugungsstruktur 1 gelangen
und mit Hilfe einer Linse 6 auf einen Detektor 7 gelenkt
werden, mit geänderten
Eigenschaften detektiert werden. Die geänderten Eigenschaften der gebeugten
Lichtwellen können
genutzt werden, um das Fluidmedium 5 bzw. die darin befindlichen
Partikel zu analysieren. Bei einer derartigen Analyse werden die
gebeugten Lichtwellen zweckmäßig mit
und ohne Beaufschlagung der mehreren Beugungselektroden 3 mit
der elektrischen Betriebsgröße erfaßt.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der Anordnung nach 1,
wobei oberhalb der mehreren Beugungselektroden 3 zusätzlich mehrere
weitere Beugungselektroden 8 vorgesehen sind, die auf einem
Trägermaterial 9 plaziert
sind. Die weiteren Beugungselektroden 8 sind in der Einfallsrichtung der
einfallenden Lichtwellen 4 bezüglich der mehreren Beugungselektroden 3 auf
Lücke versetzt,
so daß in
einem Ausgangszustand, in welchem die mehreren Beugungselektroden 3 nicht
mit der elektrischen Betriebsgröße beaufschlagt
sind, die einfallenden Lichtwellen 4 nicht durch Zwischenräume 10 zwischen
den weiteren Beugungselektroden 8 hindurch gelangen können. Erst
beim Anlegen der elektrischen Betriebsgröße an die mehreren Beugungselektroden 3 und/oder
die mehreren Beugungselektroden 8 führt dazu, daß gebeugte
Lichtwellen durch die Beugungsstruktur 1 mit den mehreren
Beugungselektroden 3, dem Fluidmedium 5 und den
weiteren Beugungselektroden 8 hindurch gelangen. Die gebeugten
Lichtwellen werden dann mit Hilfe der Linse 6 auf den Detektor 7 fokussiert.
Ein derartiges Verhalten tritt bei der Anordnung nach 2 auf,
wenn durch das Anlegen der elektrischen Betriebsgröße in dem
Fluidmedium 5, welches einen Raum 11 zwischen
der Beugungsstruktur 1 und der weiteren Beugungsstruktur 8 ausfüllt, ein
Konzentrationsgradient von Partikeln geschaffen wird, welcher die
Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur 1 verändert, so
daß zumindest
ein Teil der einfallenden Lichtwellen 4 als gebeugte Lichtwellen
zu dem Detektor 7 gelangt. Der in dem Fluidmedium 5 gebildeten
Konzentrationsgradient der Partikel „bricht" die Symmetrie des Verbunds der auf
Lücke versetzten
mehreren Beugungselektroden 3 und der weiteren Beugungselektroden
mit dem dazwischen angeordneten Fluidvolumen 5. Auf diese
Weise ist eine schalterartige Beeinflussung der Lichtausbreitung
der einfallenden Lichtwellen 4 ermöglicht, was in einem optischen
Gerät wie
einem Lichtmikroskop zum Anwendungsfall abhängigen, flexiblen Steuern eines
Lichtwegs genutzt werden kann. Bei einer derartigen Anwendung kann
der Lichtweg im Bereich seiner gesamten Querschnittsfläche oder
nur eines Teils hiervon in der beschriebenen Art und Weise gesteuert
werden.
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Die
mehreren Beugungselektroden 3 und/oder die weiteren Beugungselektroden 8 können aus
einem lichtdurchlässigen
oder einem durchsichtigen Material sein, so daß eine Beobachtung von physikalischen
Vorgängen
im Bereich des Fluidvolumens 5 auch durch die mehreren
Beugungselektroden 3 und/oder die weiteren Beugungselektroden 8 möglich ist.
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In 3 sind
die weitere Beugungselektroden 8 aus 2 nicht
gegenüber
den mehreren Beugungselektroden 3, sondern seitlich neben
diesen angeordnet. Wie bei den Ausführungsformen nach den 1 und 2 werden
die einfallenden Lichtwellen 4 an der von den mehreren
Beugungselektroden 3, den weiteren Beugungselektroden 8 sowie dem
Fluidmedium 5 gebildeten Beugungsstruktur 1 gebeugt.
Zu Meßzwecken
werden entweder die mehreren Beugungselektroden 3 oder
die mehreren Beugungselektroden 8 mit der elektrischen
Betriebsgröße beaufschlagt,
so daß mit
Hilfe des Detektors 7 Lichtwellen empfangen werden, die
aus einem unterschiedlichen Beugungsverhalten im Bereich der mehreren
der Beugungselektroden 3 und der weiteren Beugungselektroden 8 resultieren.
Aus einem Vergleich der unterschiedlichen erfaßten Meßergebnisse kann eine Meßanalyse
erfolgen.
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In
den 4A–4D sind
berechnete Kurven für
eine zweidimensionale Intensitätsverteilung gebeugter
Lichtwellen hinter einem Doppelspalt dargestellt. Zur Berechnung
der Kurven wurde die skalare Beugungsformel nach Kirchhoff genutzt.
Die 4A und 4B zeigen
das berechnete Ergebnis kurz hinter dem Doppelspalt, das heißt unter
Fresnel-Bedingungen. In einer größeren Entfernung
hinter den Doppelspalt, das heißt
unter Fraunhofer-Bedingungen,
ergeben sich die in den 4C und 4D dargestellten
Beugungsmuster. Die 4A und 4C repräsentieren
die Beugung an zueinander symmetrischen Doppelspalthälften. Zur
Berechnung der Beugungsmuster in den 4B und 4D wurde
angenommen, daß die
Symmetrie der Lichtwege durch den linken Spalt des Doppelspalts infolge
eines Konzentrationsgradienten von Partikeln in dem Fluidmedium
(vgl. Erläuterungen
zu den 1 und 2) gestört ist. Es ergibt sich, daß die Präsenz des
Konzentrationsgradienten, der beispielsweise in einem Proteinfilm
gebildet ist, die Symmetrie des Beugungsmusters wesentlich beeinflußt. Aus
dem Beugungsmuster nach 4D können somit
Rückschlüsse auf
die Existenz von Partikeln im Bereich der Beugungsstruktur, bei
der es sich hier um einen Doppelspalt und ein geeignetes stehendes oder
strömendes
Fluidvolumen mit Partikeln handelt, gezogen werden.
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5 zeigt
berechnete Kurven für
ein asymmetrische Verteilung von Partikeln eines Fluidvolumens im
Bereich von drei Beugungselektroden 50, 51, 52,
die jeweils mit einem elektrischen Feld beaufschlagt sind. Oberhalb
der drei Beugungselektroden 50, 51, 52 befindet
sich ein Fluidmedium 53 mit Partikeln. Die Kurven in 5 zeigen
eine sich ergebende Feldverteilung (quadratisches Mittel). Die dargestellte
Feldverteilung führt
bei Partikeln mit positiver Dielektrophorese dazu, daß ein Bereich 54 stärker als
ein Bereich 55 besetzt wird, was zur Ausbildung eines Konzentrationsgradienten
der Partikel verursacht. Die hierbei entstehende Asymmetrie der
Partikelverteilung in den Fluidmedium 53 führt zu geänderten
Beugungseigenschaften der Struktur aus den drei Beugungselektroden 50, 51, 52 und
dem Fluidmedium 53 für
von unten einfallende Lichtwellen, was sich im Beugungsbild nachweisen
läßt. In analoger Weise
zu der in 5 dargestellten zweidimensionalen
Asymmetrie lassen sich räumliche
Strukturen eines Konzentrationsgradienten mit geeigneter Anordnung
der für
den jeweiligen Anwendungsfall auswählbaren Beugungselektroden
schaffen.
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In
den 6 bis 10 ist jeweils eine Anordnung
von mehreren Beugungselektroden 60, 61, 62, 63, 64, 65 dargestellt,
die ineinandergreifend angeordnet sind. Wenn an den mehreren Beugungselektroden 60–65 ein
Fluidmedium 66 mit Partikeln 66 vorbeiströmt oder
benachbart zu den mehreren Beugungselektroden 67 als stationäres Volumen
angeordnet ist, kommt es in Abhängigkeit
von einer an die mehreren Beugungselektroden 60–65 angelegten Betriebsgröße zur Verlagerung
der Partikel 67 in dem Fluidmedium 66, so daß verschieden
gestaltete Konzentrationsgradienten gebildet werden, die ihrerseits die
Beugungseigenschaften für
auf die von mehreren Beugungselektroden 60–65 und
dem Fluidmedium 66 gebildete Beugungsstruktur einfallenden
Lichtwellen verändern.
In den 6 bis 10 sind verschiedene Fälle für das Beaufschlagen
der mehreren Beugungselektroden 60–65 mit einer elektrischen
Betriebsgröße dargestellt.
Das mit Hilfe des Anlegens der elektrischen Betriebsgröße erzeugte,
elektrische Feld kann hierbei in dem Fluidmedium 66 elektrochemische
Prozesse, beispielsweise Elektrodenprozesse, induzieren, die die
Bildung des jeweiligen Konzentrationsgradienten unterstützen veranlassen.
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6 zeigt
die Anordnung der mehreren Beugungselektroden 60–65 ohne
angelegtes elektrisches Feld, so daß die Partikel 67 in
dem Fluidmedium 66 statistisch verteilt sind. In 7 werden
die mehreren Beugungselektroden 60–65 mit einem Wechselfeld
beaufschlagt. Bei negativer Dielektrophorese der Partikel 67 kommt
es zur Ausbildung weiterer Beugungsstrukturen 68, die parallel
zu den mehreren Beugungselektroden 60–65 verlaufen und zwischen
diesen angeordnet sind.
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8 zeigt
die Anordnung der mehreren Beugungselektroden 60–65 bei
angelegtem Wechselfeld und Partikeln 67 mit positiver Dielektrophorese.
Gemäß 8 kommt
es zu einer Saumbildung um sämtliche
der mehreren Beugungselektroden 60–65. Bei dem Ausführungsbeispiel
in 9 sind die mehreren Beugungselektroden 60–65 mit
einem Gleichfeld beaufschlagt. In Abhängigkeit von einer elektrischen
Polung der mehreren Beugungselektroden 60–65 lagern
sich die Partikel 67 nur an einem Teil der mehreren Beugungselektroden 60–65 an,
so daß die
Beugungseigenschaften in diesem Fall durch eine teilweise Saumbildung
verändert
werden. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach 10 werden die mehreren Beugungselektroden 60–65 mit
einem Wechselfeld beaufschlagt, was dazu führt, daß sich an den mehreren Beugungselektroden 60–65 Makromoleküle 69 anlagern,
so daß ein
optisch homogener Saum gebildet ist.
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Bei
den Ausführungsformen
nach den 8 bis 10 kann
vorgesehen sein, die mehreren Beugungselektroden 60–65 hinsichtlich
ihrer für
die einfallenden Lichtwellen wirksamen Breite so schmal zu gestalten,
daß eine
detektierbare Beugung der auf die Beugungsstruktur einfallenden
Lichtwellen erst infolge der durch die Saumbildung induzierte Verbreiterung
der für
die einfallenden Lichtwellen wirksamen Breite der mehreren Beugungselektroden 60–65 auftritt.
In diesem Fall würden
die einfallenden Lichtwellen bei nicht angelegtem Feld hinsichtlich
einer Beugung von der Beugungsstruktur aus Beugungselektroden 60–65 und
Fluidmedium 67 im wesentlichen unbeeinflußt bleiben.
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11 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform für eine Anordnung
mit mehreren Beugungselektroden 80, 81, 82, 83, 84,
die als Teil einer kammförmigen
Gesamtbeugungselektrode 85 gebildet sind. Mit Hilfe der
kammförmigen
Gesamtbeugungselektrode 85 ist es möglich, die mehreren Beugungselektroden 80–84 gemeinsam über einen
Anschluß 86 mit
dem gewünschten
elektrischen Feld zu beaufschlagen.
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12A zeigt eine mögliche Ausführungsform für eine Anordnung
mit mehreren Beugungselektroden 90, die matrixartig angeordnet
sind. In 12A ist lediglich eine mögliche Art
der Anordnung der mehreren Beugungselektroden 90 gezeigt. Grundsätzlich können je
nach Anwendungsfall unterschiedliche Anordnungsmuster für die mehreren Beugungselektroden 90 gewählt werden.
Mit Hilfe einer anwendungsabhängigen
Beaufschlagung aller oder eines Teils der mehreren Beugungselektroden 90 mit
einer elektrischen Betriebsgröße können linien-/saumförmige Beugungsstrukturen 91 (vgl. 12B) oder matrixartig verteilte Beugungsstrukturen 92 (vgl. 12C) erzeugt werden, die ein gegenüber der
Ausgangsanordnung der mehreren Beugungselektroden 90 (vgl. 12A) geändertes
Beugungsmuster für
einfallende Lichtstrahlen erzeugen. Die linien-/saumförmigen Beugungsstrukturen 91 können gebildet
werden, indem die mehreren Beugungselektroden 90 abwechselnd
reihenweise mit einem „+"- und einem „–„-Signal
beaufschlagt werden.
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Das
mittels der Beaufschlagung der verschiedenen Beugungselektroden
mit der elektrischen Betriebsgröße geschaffene,
elektrische Feld, welches in das Fluidmedium mit den Partikeln hinein wirkt,
kann in dem Fluidmedium auch eine elektrochemische Umsetzung wie
einen Elektrodenprozeß, zum
Beispiel eine pH-Wert-Änderung,
induzieren, die zum Erzeugen des Konzentrationsgradienten dient. Es
können
in Abhängigkeit
vom Anwendungsfall zum Bil den des Konzentrationsgradienten der Partikel
mit Hilfe des elektrischen Feldes verschiedene Prozesse in dem Fluidvolumen
induziert werden. Hierzu gehören
das Induzieren einer Temperaturerhöhung, eines Phasenübergangs
und/oder der elektrochemischen Umsetzung in dem Fluidvolumen. Bei
dem Phasenübergang
kann es sich beispielsweise um einen Sol/Gel- oder einen Gel/Sol-Übergang
handeln, der infolge der Wirkung des elektrischen Feldes in dem Fluidvolumen
veranlaßt
wird.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die aus den einfallenden Lichtstrahlen
infolge der Beugung an der Beugungsstruktur entstehenden gebeugten
Lichtstrahlen auf ein Element (nicht dargestellt) gelenkt werden,
so daß mit
Hilfe eines lichtemittierenden Materials, zum Beispiel einem fluoreszierenden
oder einem phosphoreszierenden Material, auf dem Element Licht in einer
räumlichen
Verteilung erzeugt wird, die der räumlichen Struktur des Beugungsmusters
der gebeugten Lichtstrahlen entspricht, und dessen Detektion in
einem geeigneten Abstand von der Beugungsstruktur mittels eines
Lichtdetektors möglich
ist.
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In
Verbindung mit den beschriebenen Ausführungsformen kann die jeweilige
Beugungsstruktur entweder in Transmission betrieben werden oder
als reflektierende Beugungsstruktur ausgestaltet werden. Der Fachmann
kann hierbei die für
den Anwendungsfall geeignete Ausführungsform wählen.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen, und der Zeichnung offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung
sein.