DE10350526A1

DE10350526A1 - Schichtstruktur und optischer Wellenleiter-Sensor basierend auf photoadressierbaren Polymeren

Info

Publication number: DE10350526A1
Application number: DE10350526A
Authority: DE
Inventors: Ingmar Dr. Dorn; Thomas Dr. Bieringer; Rainer Dr. Hagen; Serguei Dr. Kostromine; Rino E. Kunz
Original assignee: Bayer Technology Services GmbH
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-06-09
Also published as: EP1682929A1; CA2543774A1; JP2007514136A; WO2005047939A1; AU2004290129A1; AU2004290129B2; US20050094958A1; US7046893B2

Abstract

Es wird eine optische Schichtenstruktur mit mindestens zwei Schichten sowie ein Sensor auf Basis dieser Schichtenstruktur beschrieben. Die Schichtenstruktur umfasst wenigstens eine Substratschicht und mindestens eine (Licht-)wellenleitende Schicht und ein Einkoppelelement für die Einkopplung der optischen Strahlung, wobei die der wellenleitenden Schicht benachbarte Schicht einen kleineren Brechungsindex aufweist als die wellenleitende Schicht und wobei mindestens eine Schicht aus einem photoadressierbaren Polymer besteht.

Description

Die Erfindung betrifft integriert-optische Wellenleiter-Sensoren basierend auf photoadressierbaren Polymeren und deren Verwendung als Bio- oder Chemosensoren.

Als Bio- oder Chemosensoren bezeichnet man Geräte, die mit Hilfe eines Signalwandlers und einer Erkennungsreaktion einen Analyten qualitativ oder quantitativ nachweisen können. Als Erkennungsreaktion wird ganz allgemein die spezifische Bindung oder Reaktion eines sogenannten Analyten mit einem sogenannten Erkennungselement bezeichnet. Beispiele für Erkennungsreaktionen sind die Bindung von Liganden an Komplexe, die Komplexierung von Ionen, die Bindung von Liganden an (biologische) Rezeptoren, Membranrezeptoren oder Ionenkanäle, von Antigenen oder Haptenen an Antikörper, von Substraten an Enzyme, von DNA oder RNA an bestimmte Proteine, die Hybridisierung von DNA/RNA/PNA oder die Prozessierung von Substraten durch Enzyme. Analyten können sein: Ionen, Proteine, natürliche oder künstliche Antigene oder Haptene, Hormone, Cytokine, Mono- und Oligosaccharide, Stoffwechselprodukte, oder andere biochemische Marker, die in der Diagnostik verwendet werden, Enzymsubstrate, DNA, RNA, PNA, potentielle Wirkstoffe, Medikamente, Zellen, Viren. Beispiele für Erkennungselemente sind: Komplexbildner für Metalle/Metallionen, Cyclodextrine, Kronenether, Antikörper, Antikörperfragmente, Anticaline (Beste, G.; Schmidt, F. S.; Stibora, T.; Skerra A.; Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1999) 96, 1898–1903), Enzyme, DNA, RNA, PNA, DNA/RNA-bindende Proteine, Enzyme, Rezeptoren, Membranrezeptoren, Ionenkanäle, Zelladhäsionsproteine, Ganglioside, Mono- oder Oligosaccharide.

Diese Bio- oder Chemosensoren können in der Umweltanalytik, dem Nahrungsmittelbereich, der Human- und Veterinärdiagnostik und dem Pflanzenschutz eingesetzt werden, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Die Spezifität der Erkennungsreaktion ermöglicht es, auch Analyten in komplexen Proben wie z.B. Umgebungsluft, verschmutztem Wasser oder Körperflüssigkeiten ohne oder nur mit geringer vorherige Aufreinigung qualitativ oder quantitativ zu bestimmen. Zusätzlich können Bio- oder Chemosensoren auch in der (bio-) chemischen Forschung und Wirkstoffsuche eingesetzt werden, um die Interaktion zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen zu untersuchen (z. B. zwischen Proteinen, DNA, RNA, oder biologisch aktiven Substanzen und Proteinen, DNA, RNA etc.).

Die Integration der Erkennungsreaktion mit dem Signalwandler zu einem Bio- oder Chemosensor kann geschehen, indem man das Erkennungselement oder den Analyten auf der Oberfläche des Signalwandlers immobilisiert. Durch die Erkennungsreaktion, d.h. das Binden oder die Reaktion des Analyten mit dem Erkennungselement, ändern sich die optischen Eigenschaften des Mediums direkt an der Oberfläche des Signalwandlers (z.B. Änderung des optischen Brechungsindexes, der Absorption, der Fluoreszenz, der Phosphoreszenz, der Lumineszenz etc.), was vom Signalwandler in ein Messsignal übersetzt wird.

Optische Wellenleiter sind eine Klasse von Signalwandlern, mit denen man die Änderung der optischen Eigenschaften eines Mediums detektieren kann, das an eine wellenleitende Schicht grenzt. Wird Licht als geführte Mode in der wellenleitenden Schicht transportiert, fällt das Lichtfeld an der Grenzfläche Medium/Wellenleiter nicht abrupt ab, sondern klingt in dem an den Wellenleiter angrenzenden sogenannten Detektionsmedium exponentiell ab. Dieses exponentiell abfallende Lichtfeld wird als evaneszentes Feld bezeichnet. Ändern sich die optischen Eigenschaften des an den Wellenleiter grenzenden Mediums (z.B. Änderung des optischen Brechungsindexes (Tiefenthaler et. al.; US 4 815 843 (1989)), der Lumineszenz (Kunz R.; US 5 442 169 (1995)) innerhalb des evaneszenten Feldes, kann dies über einen geeigneten Messaufbau detektiert werden. Entscheidend fur die Verwendung von Wellenleitern als Signalwandler in Bio- oder Chemosensoren ist dabei, dass die Änderung der optischen Eigenschaften des Mediums nur sehr nahe an der Oberfläche des Wellenleiters detektiert wird. Wird nämlich das Erkennungselement oder der Analyt an der Grenzfläche des Wellenleiters immobilisiert, kann das Binden an das Erkennungselement oder die Reaktion des Erkennungselementes oberflächensensitiv detektiert werden, wenn sich dabei die optischen Eigenschaften des Detektionsmediums (flüssig, fest, gasförmig) an der Grenzfläche zum Wellenleiter ändern.

Für praktische Anwendungen sind folgende Anforderungen besonders wichtig:
Einfache, kostengünstige Herstellung (betrifft insbesondere die Wellenleiter-Herstellung mittels "kompatiblen Prozessen" sowie die Fabrikation der notwendigen Makro-, Mikro- und Nanostrukturen);
Hohe Empfindlichkeit des Sensors;
Kleine Abmessungen der Messfelder auf einem Biosensor-Chip;
Gute Stabilität (kurzzeitig (kleine Drift) und langzeitig (gute Haltbarkeit)).

Für Immunoassays gelten: max. 10–15 min Inkubationszeit und max. 1 min Messdauer, für DNA Messungen gilt: eine Temperatur bis 95°C, eine Inkubationszeit bis 16h; die Messung dauert allerdings max. 1 min. Die Messungen finden gewöhnlich überwiegend in wässrigen Medien statt, wobei der pH z.B. zwischen 5 und 9 beträgt, mit einem Gehalt an Salz bis 1,5 Mol/l. Die Chips sollten insbesondere 2 Jahre (im Dunkeln) lagerfähig sein;
Gute Kompatibilität zur Anbringung von Erkennungsmolekülen bei Polymercoatings ist immer gegeben, da in das Polymer z.B. reaktive Gruppe eingebracht werden können, entweder bereits bei der Synthese vor dem Coating oder nach dem Coating entweder über Physisorption oder Chemisorption. Auch Verfahren wie Plasmabehandlung der Polymeroberfläche und anschließende Physisorption der Biomoleküle sind denkbar (z.B. wie beim Coating von Microtiter Plates, die erst plasmabehandelt und danach mit Proteinen gecoatet werden.

Ein Lösungsansatz zur Erfüllung der Anforderung ist in der Offenlegungsschrift WO 01/06240 A1 beschrieben. Allerdings hat diese Lösung die folgenden Nachteile:
Die Empfindlichkeit kann nur genügend groß gemacht werden, indem sehr lange optische Wege verwendet werden. Da die Brechzahl des vorgeschlagenen Materials nur klein ist < 1.66, resultieren sehr große Messstrecken, und somit können die Anforderungen bezüglich Empfindlichkeit und Abmessung nicht gleichzeitig erfüllt werden.

Zur Erfüllung der Anforderungen ist es insbesondere wesentlich, Materialien für die Wellenleiter-Herstellung zu verwenden, die einerseits eine möglichst hohe Brechzahl (> 1.7) aufweisen für die wellenleitende Struktur (Schicht bzw. Bereich), und eine möglichst kleine Brechzahl (< ca. 1.4) für die angrenzenden Schichten bzw. Bereiche, in welchen die sogenannten quergedämpften (evaneszenten) Feldanteile der geführten Wellen sich ausbreiten.

Da die Erreichung einer hohen Mess-Empfindlichkeit eine zentrale Bedeutung hat, wurden in den letzten Jahren große Anstrengungen gemacht, um hier Fortschritte zu erzielen. Im Folgenden werden einige weitere Beispiele von Lösungsansätzen diskutiert anhand von Publikationen und Patenten.

Denkbar ist die Verwendung hochbrechender anorganischer Schichten auf Glas.

Ein Beispiel dafür ist beschrieben in der Publikation [K. Cottier, M. Wiki, G. Voirin, H. Gao, and R.E. Kunz, "Label-free highly sensitive detection of (small) molecules by wavelength interrogation of integrated optical chips", Sensors&Actuators B, vol 91/1-3 pp 241–251 (2003).]. In Abschnitt 6 ist die Fabrikation beschrieben. In diesem Beispiel wurde zunächst eine Gitterstruktur in einem Glas-Substrat lithographisch erzeugt, dann eine Tantalpentoxid-Schicht als Wellenleiter aufgebracht, und in einem weiteren Schritt dann die Einkoppelstruktur mittels "lokaler Tiefenätzung" erzeugt. Jeder dieser Schritte besteht aus mehreren Zwischenschritten.

Ein bekannter Wellenleiter besteht aus harten dielektrischen Materialien.

Es ist daher eine technisch aufwändige Strukturierung mittels Photolithografie nötig.

Das wiederum bedingt einen hohen (Herstellungs-)Preis für solche Wellenleiter.

Es ist bekannt, dass sich Glas auch durch Pressen, Giessen und Prägen strukturieren lässt, aber diese Prozesse sind sehr aufwändig und schwierig zu kontrollieren. Ein Problem ist auch der Verschleiß und Alterung der dabei verwendeten Werkzeuge.

Zu viele Prozessschritte wie Photolithographie, Ätzen, Abheben, Zerstäuben im Vakuum etc. sind im Stand der Technik nötig und zusätzlich handelt man sich bei jedem Schritt Kontaminationen ein, die zu Fehlstellen im Wellenleiter führen. Zum Beispiel können (kleine) Bereiche auftreten, in welchen die Gitter-(Nano-)Struktur gestört ist bzw. ganz fehlt, so dass dann eine lokale Schwankung der Gitter-Koppeleffizienz auftritt, was zu Mess-Fehlern fuhrt, insbesondere bei kleinen Spots auf Chips für die Fluoreszenz-Sensorik.

Gelegentlich beschrieben sind auch hochbrechende anorganische Schichten auf Kunststoff-Substraten.

Denkbar sind auch hochbrechende anorganische Schichten auf Kunststoff-Substraten. Solche Chips sind z.B. in den Publikationen [J. Dübendorfer, R.E. Kunz, G. Jobst, I. Moser and G. Urban, "Integrated Optical pH Sensor using Replicated Chirped Grating Coupler Sensor Chips," Sensors and Actuators B, Vol. 50/3, 210-219 (1998)] und [L.U. Kempen and R.E. Kunz, "Replicated Mach-Zehnder Interferometers with Focusing Grating Couplers for Sensing Applications", Sensors and Actuators B, Vol. 38-39, 295-299 (1997).] beschrieben.

In der Publikation von Dübendorfer et al. wurden die Sensorchips dadurch hergestellt, dass zunächst die Gitterstruktur per Replikation in ein Polykarbonat-Substrat eingeprägt wurde (siehe Abschnitt 3 dieser Publikation), und dann der Chip mit einer wellenleitenden Titandioxid-Schicht beschichtet wurde. Die Gitterstrukturen waren hier als "Verlaufgitter (chirped gratings)" ausgebildet mit einer ortsvariablen Gitterkonstanten.

In der Publikation von Kempen et al. wurden sowohl Mach-Zehnder Interferometer als auch fokussierende Ein- und Auskoppelstrukturen beschrieben. Abschnitt 3 beschreibt die Herstellung. Hier wurden die Chips per Replikation in Polykarbonat-Substrate (Folien) und anschließender Beschichtung mit einer anorganischen wellenleitenden Schicht hergestellt. In diesem Beispiel wurde eine 260 nm dicke SiNx-Schicht mittels eines "plasma-enhanced chemical-vapour deposition" (PECVD) Prozesses als Wellenleiter auf das replizierte Oberflächenrelief im Polykarbonat abgeschieden.

Die Replikation des Substrates ist zwar kostengünstig, jedoch ist das Aufbringen der hochbrechenden Schicht bei solchen Wellenleitern teuer und problematisch Die Wellenleiter-Schichteigenschaften sind nicht optimal (Nachteile sind: typische starke Lichtstreuung, Poren, mechanische Spannungen).

Das Herstellungsverfahren ist aufwändig, insbesondere die Depositionsprozesse als solche, und zusätzlich das Aufbringen von Haftvermittlern, Sperrschichten etc.

Als weitere Probleme sind zu nennen: Die Lichtabsorption des Polymers; Spannungen zwischen den Schichten wegen verschiedener Ausdehnungskoeffizienten; Das Ablösen der Schichten bei chemischer Vorbehandlung.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Detektionsplattform, welche die oben genannten Nachteile umgeht, wobei die beiden wichtigsten Eigenschaften der Wellenleiter, d.h. einfache Herstellung, hohe Empfindlichkeit im Vordergrund stehen.

Die Erfindung betrifft integriert-optische Detektions-Plattformen und eine Schichtstruktur hierzu, welche mindestens eine Schicht, oder allgemeiner einen Bereich aufweisen, der aus eine Photoadressierbaren Polymeren (PAP) besteht.

Gegenstand der Erfindung ist eine optische Schichtenstruktur mit mindestens zwei Schichten wenigstens umfassend eine Substratschicht und mindestens eine (Licht-) wellenleitende Schicht und ein Einkoppelelement für die Einkopplung der optischen Strahlung, insbesondere ein optisches Gitter, ein Prisma oder eine planare oder gekrümmte transparente Stirnfläche der wellenleitenden Schicht, wobei die der wellenleitenden Schicht benachbarte Schicht einen kleineren Brechungsindex aufweist als die wellenleitende Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht aus einem photoadressierbaren Polymer besteht.
Bei dem erfindungsgemäßen photoadressierbaren Polymer handelt es sich bevorzugt um polymeres oder oligomeres organisches Material, besonders bevorzugt um ein Seitenkettenpolymer.
Die Hauptketten des Seitenkettenpolymeren entstammen den folgenden Grundstrukturen:
Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyacrylamid, Polymethacrylamid, Polysiloxan, Polyharnstoff Polyurethan, Polyester, Polystyrol oder Zellulose. Bevorzugt sind Polyacrylat, Polymethacrylat und Polyacrylamid.
Die erfindungsgemäßen Polymeren und Oligomeren besitzen vorzugsweise Glasübergangstemperaturen T_g von mindestens 40°C, besonders bevorzugt von mindestens 90°C. Die Glasübergangstemperatur kann beispielsweise nach B. Vollmer, Grundriß der Makromolekularen Chemie, S. 406–410, Springer-Verlag, Heidelberg 1962, bestimmt werden.
Die erfindungsgemäßen Polymeren und Oligomeren besitzen ein als Gewichtsmittel bestimmtes Molekulargewicht von 5.000 bis 2.000.000 g/mol, vorzugsweise von 8.000 bis 1.500.000 g/mol, bestimmt durch Gelpermeationschromatographie (geeicht mit Polystyrol).
Als Seitenkette der photoadressierbaren Polymere sind erfindungsgemäß Azofarbstoff-Fragment sowie gegebenenfalls mindestens eine formanisotrope Gruppierung (Mesogen) vorgesehen.
Bei den erfindungsgemäß bevorzugt verwendeten Polymeren sind Azofarbstoffe, in der Regel über flexible Spacer an die Polymerhauptkette kovalent gebunden. Die Azofarbstoffe treten mit der elektromagnetischen Strahlung in Wechselwirkung und verändern dabei ihre räumliche Orientierung.
Die Mesogene sind in der Regel in der gleichen An angebunden wie die Azofarbstoffe. Sie müssen das aktinische Licht nicht notwendigerweise absorbieren, weil sie als passive Molekülgruppe fungieren. Sie sind also nicht photoaktiv im obigen Sinne. Ihre Aufgabe ist es, die lichtinduzierbare Doppelbrechung zu verstärken und nach der Lichteinwirkung zu stabilisieren.
Die Reorientierung der Farbstoffe nach der Belichtung mit aktinischem Licht resultiert beispielsweise aus Untersuchungen zur polarisierten Absorptionsspektroskopie: Eine zuvor mit aktinischem Licht belichtete Probe wird zwischen 2 Polarisatoren im UV-/VIS-Spektrometer (z.B. Firma CARY 4G, UV-/VIS Spektrometer) im Spektralbereich der Absorption der Farbstoffe untersucht. Beim Drehen der Probe um die Probennormale und geeigneter Polarisatorenstellung, beispielsweise im gekreuzten Zustand, folgt die Reorientierung der Farbstoffe aus dem Intensitätsverlauf der Extinktion als Funktion des Probenwinkels und ist dadurch eindeutig bestimmbar.
Ein wichtiger Parameter, der im folgenden noch öfter Bedeutung erlangt, ist die Orientierung der Moleküllängsachse. Die Moleküllängsachse kann beispielsweise anhand der Molekulargestalt durch molecular modelling (z. B. CERIUS²) bestimmt werden.
Bei der Gruppierung, die mit der elektromagnetischen Strahlung in Wechselwirkung tritt, handelt es sich um einen Azofarbstoff. Das erfindungsgemäße Material enthält folglich mindestens einen Azofarbstoff.
Azofarbstoffe haben beispielsweise die folgende Struktur der Formel (I)
worin
R¹ und R² unabhängig voneinander für Wasserstoff oder einen nichtionischen Substituenten stehen und
m und n unabhängig voneinander für eine ganze Zahl von 0 bis 4, vorzugsweise 0 bis 2 stehen.
X¹ und X² bedeuten -X^1'-R³ bzw. X^2'-R⁴,
worin
X^1' und X^2' für eine direkte Bindung, -O-, -S-, -(N-R⁵)-, -C(R⁶R⁷)-, -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR⁵)-, -(SO₂)-, -(SO₂-O)-, -(SO₂-NR⁵)-, -(C=NR⁸)- oder -(CNR⁸-NR⁵)- stehen,
R³, R⁴, R⁵ und R⁸ unabhängig voneinander für Wasserstoff, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl, C₆- bis C₁₀-Aryl, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl-(C=O)-, C₂- bis C₂₀-Alkenyl-(C=O)-, C₆- bis C₁₀-Aryl-(C=O)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(S₂)-, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl-(SO₂)-, C₂- bis C₂₀-Alkenyl-(SO₂)- oder C₆- bis C₁₀Aryl-(SO₂)- stehen oder
X^1''-R³ und X^2'-R⁴ für Wasserstoff, Halogen, Cyan, Nitro, CF₃ oder CCl₃ stehen können,
R⁶ und R⁷ unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl oder C₆- bis C₁₀-Aryl stehen.
Unter nichtionischen Substituenten sind zu verstehen Halogen, Cyano, Nitro, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, Phenoxy, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl oder C₆- bis C₁₀-Aryl, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-, C₆- bis C₁₀-Aryl-(C=O)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(SO₂)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-O-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-NH-, C₆- bis C₁₀-Aryl-(C=O)-NH-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-O-(C=O)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-NH-(C=O)- oder C₆- bis C₁₀-Aryl-NH-(C=O)-.
Die Alkyl-, Cycloalkyl-, Alkenyl- und Arylreste können ihrerseits durch bis zu 3 Reste aus der Reihe Halogen, Cyano, Nitro, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl oder C₆- bis C₁₀-Aryl substituiert sein und die Alkyl- und Alkenylreste können geradkettig oder verzweigt sein.
Unter Halogen ist Fluor, Chlor, Brom und Iod zu verstehen, insbesondere Fluor und Chlor.
Die Farbstoffe, insbesondere die Azofarbstoffe der Formel (I) sind an die Polymergerüste kovalent gebunden, in der Regel über einen Spacer. Beispielsweise steht X¹ (oder X²) dann für einen solchen Spacer, insbesondere in der Bedeutung X^1'-(Q¹)_i-T¹-S¹-,
wobei
X^1' die oben angegebene Bedeutung besitzt,
Q¹ für -O-, -S-, -(N-R⁵)-, -C(R⁶R⁷)-, -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR^S)-, -(SO₂)-, -(SO₂-O)-, -(SO₂-NR⁵)-, -(C=NR⁸)-, -(CNR⁸-NR⁵)-, -(CH₂)_p-, p- oder m-C₆H₄- oder einen zweibindigen Rest der Formeln
steht,
i für eine ganze Zahl von 0 bis 4 steht, wobei für i > 1 die einzelnen Q¹ verschiedene Bedeutungen haben können,
T¹ für -(CH₂)_p steht, wobei die Kette durch -O-, -NR⁹-, oder -OSiR¹⁰ ₂O- unterbrochen sein kann,
S¹ für eine direkte Bindung, -O-, -S- oder -NR⁹- steht,
p für eine ganze Zahl von 2 bis 12, vorzugsweise 2 bis 8, insbesondere 2 bis 4 steht,
R⁹ für Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Propyl steht,
R¹⁰ für Methyl oder Ethyl steht und
R⁵ bis R⁸ die oben angegebene Bedeutung besitzen.
Bevorzugte Farbstoffmonomere für Polyacrylate oder -methacrylate haben dann die Formel (II)
worin
R für Wasserstoff oder Methyl steht und
die anderen Reste die oben angegebene Bedeutung besitzen.
Besonders geeignet sind Farbstoffmonomere der folgenden Formel (IIa)
worin
X³ CN, und alle anderen bekannten elektronenziehenden Substituenten bedeutet, und bevorzugt dann R¹ auch CN ist,
und die Reste R, S¹, T¹, Q¹, X^1', und R² sowie i, m und n die oben angegebene Bedeutung haben.
Das erfindungsgemäße polymere oder oligomere organische, amorphe Material kann neben den Farbstoffen, beispielsweise der Formel (I), formanisotrope Gruppierungen tragen. Auch diese sind, in der Regel über einen Spacer, an die Polymergerüste kovalent gebunden.
Formanisotrope Gruppierungen haben beispielsweise die Struktur der Formel (III)
worin
Z für einen Rest der Formeln
worin
A für O, S oder N-C₁- bis C₄-Alkyl steht,
X³ für -X^3'-(Q²)_j-T²-S²- steht,
X⁴ für X^4'-R¹³ steht,
X^3' und X^4' unabhängig voneinander für eine direkte Bindung, -O-, -S-, -(N-R⁵)-, -C(R⁶R⁷)-, -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR⁵)-, -(SO₂)-, -(SO₂-O)-, -(SO₂-NR⁵)-, -(C=NR⁸)- oder -(CNR⁸-NR⁵)- stehen,
R⁵, R⁸ und R¹³ unabhängig voneinander für Wasserstoff, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl, C₆- bis C₁₀-Aryl, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl-(C=O)-, C₂- bis C₂₀-Alkenyl-(C=O)-, C₆- bis C₁₀-Aryl-(C=O)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(SO₂)-, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl-(SO₂)-, C₂- bis C₂₀-Alkenyl-(SO₂)- oder C₆- bis C₁₀-Aryl-(SO_z)- stehen oder
X^4'-R¹³ für Wasserstoff, Halogen, Cyan, Nitro, CF₃ oder CCl₃ stehen kann,
R⁶ und R⁷ unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C_z- bis C₂₀-Alkenyl oder C₆- bis C₁₀-Aryl stehen,
Y für eine einfache Bindung, -COO-, OCO-, -CONH-, -NHCO-, -CON(CH₃)-, -N(CH₃)CO-, -O-, -NH- oder -N(CH₃)- steht,
R¹¹, R¹², R¹⁵ unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, Cyano, Nitro, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, Phenoxy, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl oder C₆- bis C₁₀-Aryl, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-, C₆- bis C₁₀-Aryl-(C=O)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(SO₂)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-O-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-NH-, C₆- bis C₁₀-Aryl-(C=O)-NH-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-O-(C=O)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-NH-(C=O)- oder C₆- bis C₁₀-Aryl-NH-(C=O)- stehen,
q, r und s unabhängig voneinander für eine ganze Zahl von 0 bis 4, vorzugsweise 0 bis 2 stehen,
Q² für -O-, -S-, -(N-R⁵)-, -C(R⁶R⁷)-, -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR⁵)-, -(SO₂)-, -(SO₂-O)-, -(SO₂-NR⁵)-, -(C=NR⁸)-, -(CNR⁸-NR⁵)-, -(CH₂)_p-, p- oder m-C₆H₄- oder einen zweibindigen Rest der Formeln
steht,
j für eine ganze Zahl von 0 bis 4 steht, wobei für j > 1 die einzelnen Q¹ verschiedene Bedeutungen haben können,
T² für -(CH₂)_p- steht, wobei die Kette durch -O-, -NR⁹-, oder -OSiR¹⁰ ₂O- unterbrochen sein kann, S² für eine direkte Bindung, -O-, -S- oder -NR⁹- steht,
p für eine ganze Zahl von 2 bis 12, vorzugsweise 2 bis 8, insbesondere 2 bis 4 steht,
R⁹ für Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Propyl steht und
R¹⁰ für Methyl oder Ethyl steht.
Bevorzugte Monomere mit solchen formanisotropen Gruppierungen für Polyacrylate oder -methacrylate haben dann die Formel (IV)
worin
R für Wasserstoff oder Methyl steht und
die anderen Reste die oben angegebene Bedeutung besitzen.
Die Alkyl-, Cycloalkyl-, Alkenyl- und Arylreste können ihrerseits durch bis zu 3 Reste aus der Reihe Halogen, Cyano, Nitro, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀Alkoxy, C₃- bis C₁₀-Cyclo alkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl oder C₆- bis C₁₀-Aryl substituiert sein und die Alkyl- und Alkenylreste können geradkettig oder verzweigt sein.
Unter Halogen ist Fluor, Chlor, Brom und Iod zu verstehen, insbesondere Fluor und Chlor. Besonders bevorzugte formanisotrope Monomere der Formel (IV) sind beispielsweise:
Neben diesen funktionalen Bausteinen können die erfindungsgemäßen Oligo- oder Polymeren auch Bausteine enthalten, die hauptsächlich zur Erniedrigung des prozentualen Gehalts an funktionalen Bausteinen, insbesondere an Farbstoffbausteinen, dienen. Neben dieser Aufgabe können sie auch für andere Eigenschaften der Oligo- oder Polymeren verantwortlich sein, z. B. die Glasübergangstemperatur, Flüssigkristallinität, Filmbildungseigenschaft, usw.
Für Polyacrylate oder -methacrylate sind solche Monomeren Acryl- oder Methacrylsäureester der Formel (V)
worin
R für Wasserstoff oder Methyl steht,
X⁵ für -O- oder -(N-R¹⁵)- steht
R¹⁴ und R¹⁵ unabhängig voneinander für gegebenenfalls verzweigtes C₁- bis C₂₀-Alkyl oder für einen wenigstens eine weitere Acryleinheit enthaltenden Rest stehen oder zusammen einen Brückenglied -(CH₂)_f- .-CH₂-CH₂-O- CH₂-CH₂- oder .-CH₂-CH₂-N(R)- CH₂-CH₂- bilden, wo f für 2 bis 6 steht.
Es können aber auch andere Comonomere enthalten sein.
Das Mengenverhältnis zwischen II, IV und V ist beliebig. Bevorzugt beträgt die Konzentration von II je nach Absorptionskoeffizienten von II zwischen 0.1 und 100 % bezogen auf das jeweilige Gemisch. Das Verhältnis zwischen II und IV beträgt zwischen 100:0 und 1:99, bevorzugt zwischen 100:0 und 20:80, ganz besonders bevorzugt zwischen 100:0 und 50:50.
Durch die Struktur der Polymeren und Oligomeren werden die zwischenmolekularen Wechselwirkungen der Strukturelemente der Formeln (II) untereinander oder der Formeln (IV) und (V) untereinander so eingestellt, dass die Ausbildung flüssigkristalliner Ordnungszustände unterdrückt wird und optisch isotrope, transparente nichtstreuende Filme, Folien, Platten oder Quader hergestellt werden können. Andererseits sind die zwischenmolekularen Wechselwirkungen dennoch stark genug, dass bei Bestrahlung mit Licht ein photochemisch induzierter, kooperativer, gerichteter Umorientierungsprozess der photochromen und der nicht photochromen Seitengruppen bewirkt wird.
Bevorzugt treten zwischen den Seitengruppen der wiederkehrenden Einheiten der Formel (II) oder zwischen denen der Formel (IV) Wechselwirkungskräfte auf, die ausreichen, daß die photoinduzierte Konfigurationsänderung der Seitengruppen der Formel (II) eine gleichgerichtete – sogenannte kooperative – Umorientierung der anderen Seitengruppen (IV) bewirkt.
In den optisch isotropen amorphen photochromen Polymeren können extrem hohe Werte der optischen Anisotropie induziert werden (Δn bis 0.4).
Durch den Einfluß von aktinischem Licht werden in den Polymeren oder Oligomeren Ordnungszustände generiert und modifiziert und damit die optischen Eigenschaften moduliert.
Als Licht wird polarisiertes Licht verwendet, dessen Wellenlänge im Bereich der Absorptionsbande, vorzugsweise im Bereich der langwelligen n-π*-Bande der wiederkehrenden Einheiten der Formel (II) liegt.
Durch Tempern der mit polarisierten Licht orientierten Probe bei den Temperaturen zwischen 70 und 150°C, bevorzugt zwischen 100 und 140°C kann die optische Anisotropie noch erhöht werden.
Die Herstellung der Polymeren und Oligomeren kann nach literaurbekannten Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise nach DD 276 297 , DE-A 3 808 430 , Makromolekulare Chemie 187, 1327–1334 (1984), SU 887 574 , Europ. Polym. 18, 561 (1982) und Liq. Cryst. 2, 195 (1987).
Besonders geeignete Materialien enthalten es mindestens eines der Polymere der Formel XIII bis XX
Die Verwendung lichtempfindlicher Polymere als Wellenleitermaterial, sog. photoadressierbare Polymere (PAP) ist besonders vorzuziehen. Die PAP zeigen sehr hohe lichtinduzierte Brechungsindexänderungen, die gezielt über die eingestrahlte Lichtenergie eingestellt werden können (Brechungsindex n=1,3 bis 2,0 und Doppelbrechung vorzugsweise größer als 0,5 im VIS-Spektralbereich). Damit ist es möglich in einer homogenen PAP-Schicht durch Belichtung Bereiche zu generieren, die einen abweichenden Brechungsindex besitzen und damit als optischer Wellenleiter oder als Ein- bzw. Auskoppelgitter für Licht verwendet werden können, was mit anorganischen Wellenleitern nicht möglich ist. Auf diese Weise kann allein durch Belichtung der PAP-Schicht eine Vielzahl von separaten Wellenleitern in einer Schicht generiert werden, die durch die unbelichteten Bereiche zwischen ihnen optisch voneinander getrennt sind. Das Gleiche gilt auch für Ein- bzw. Auskoppelgitter wodurch eine sehr einfache und flexible Produktion einer Vielzahl von einzeln adressierbaren Sensorbereichen bestehend aus Koppelgitter und Wellenleiter in einer PAP-Schicht produziert werden können. Damit eignen sich PAP-Wellenleiter sehr gut für Sensorarrays, bei denen gleichzeitig mehrere Analyten bei verschiedenen Wellenlängen detektiert werden können (Multiplexing).
Alternativ können PAP-Schichten, die direkt auf eine wellenleitende Schicht aufgebracht sind, auch nur als Ein- oder Auskoppelgitter verwendet werden. Durch die sehr empfindliche lichtinduzierte Brechungsindexänderung können durch Belichtung sehr einfach und kostengünstig Absorptions- oder Brechungsindexgitter, auch als Phasengitter bezeichnet, in der PAP-Schicht erzeugt werden, beides im Volumen oder oberflächennah, wobei die Oberfläche der Seite des der PAP-Schicht entspricht, die dem aktinischen Licht zugewandt ist. Die Wellenleitung erfolgt dann in der wellenleitenden Schicht, die aus organischen oder anorganischen Materialien bestehen kann. Diese Wellenleitende Schicht kann auch ein PAP-Material sein, das unterschiedliche optische Eigenschaften von der PAP-Schicht hat, in die optische Gitter eingeschrieben wurden.
Zudem zeigen manche PAP-Schichten stark ausgeprägte Oberflächengitter in holographischen Experimenten, die als reguläre Profile in der PAP-Filmoberfläche auftreten, und die als Ein-/Auskoppelgitter für den Sensor verwendet werden können. Sie sind temperatur- und langzeitstabil. Die Absorption der PAP-Materialien kann über einen weiten Wellenlängenbereich eingestellt werden, so dass eine hohe Transparenz (< 3 dB/cm) bei der technisch eingesetzten Laserwellenlänge erzielt werden kann.
Die Vorteile der PAP-Schichten liegen vor allem in der lichtinduzierten Erzeugung von optischen Wellenleiter- und Gitterstrukturen. Es sind keine photolithographischen Schritte und Ätzschritte nötig, um diese Strukturen zu erzeugen.
Dünne Schichten (10 nm bis 1000 nm) von PAP können auf einem geeigneten Substratmaterial durch grundsätzlich bekannte Techniken z.B. Spincoaten, Sprühen, Rakeln, Dipcoating etc. aufgetragen werden. Diese Prozesse sind einfacher und kostengünstiger bei der Produktion als das Zerstäuben oder Aufdampfen von anorganischen Wellenleitern auf Substrate im Hochvakuum.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Polymeren besitzen PAP hohe Brechungsindizes (bis n=2), wodurch sie für den Einsatz in hochsensitiven Bio- und Chemosensoren sehr gut geeignet sind.
Diese PAP-Bereiche haben, je nach Implementation, mindestens eine der folgenden Funktionen:

1. Die Realisation von Bereichen mit sehr hoher Brechzahl, z.B. zur Erzielung von hoch-empfindlichen (Haupt-)Wellenleitern. Kostengünstige und "kompatible" Herstellung der Schichten.
2. Die kostengünstige unaufwändige Realisierung von Nano-, Mikro- und Makro-Strukturen mittels Direkt-Belichtung des PAP-Materials ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen Prozess-Schritten.

Diese Funktion dient zur flexiblen Definition von Bereichen auf der Plattform, welche zur Ein- und Auskopplung von Licht mit großer Effizienz dienen (z.B. für Gitter-basierte Sensorik, und zur Definition von Sensor- und Referenz-Mess-Feldern. Im weiteren können auch Strukturen hergestellt werden zur Führung von seitlich begrenzten Lichtwellen auf der Plattform, z.B. zur Realisierung von Interferometer-Strukturen.
Hauptvorteil der Erfindung ist eine drastische Kostensenkung und Vereinfachung der Herstellung, da nur wenige Prozessschritte nötig sind und die Qualität der Schichten durch die wenigen Prozessschritte bei der Produktion hoch sein wird (z.B. Ankopplung von Erkennungsschichten etc.) Es können in das PAP z.B. funktionelle Gruppen durch Copolymerisation eingebaut werden, oder durch Plasmabehandlung der Oberfläche Proteine absorbiert werden. Ähnlich wie bei Mikrotiterplatten, ist auch eine lichtinduzierte Ankopplung über Photochemie möglich.
Das Nebeneinander von hohen und niedrigen Brechzahlen ist möglich, und zwar sowohl im Nanometerbereich (z.B. eingeschriebene Gitter-Nano-Strukturen), also auch im Mikro- und Makroskopischen Bereich (z.B. Einschreiben von Streifenwellenleitern und Definition von Sensorfeldern mit Dimensionen von Mikrometern bis Milli- und Zentimetern).
Bevorzugt ist eine Schichtstruktur, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das photoadressierbare Polymer einen Brechungsindex von > 1,65, bevorzugt von > 1,75 aufweist.
Bevorzugt ist auch eine Schichtstruktur, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die wellenleitende Schicht, mehrere lichtinduzierte, mikroskopische und/oder makroskopische lichtführende Unterstrukturen aufweist. Diese weisen einen Brechungsindex auf, der deulich von demjenigen der umgebenden Bereiche abweicht.
Nicht nur die Gitter, sondern auch die Wellenleiter können gegebenenfalls lichtinduziert erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Substratschicht optisch transparent.
Optisch transparent in Sinne der Erfindung heißt, dass das Material für Strahlung einer Wellenlänge im Bereich von 450 bis 900 mm einen Bereich mit einer Durchlässigkeit von min. 90 % aufweist.
In einer bevorzugten alternativen Ausführung ist die Substratschicht optisch nicht transparent, dafür ist aber eine oberhalb der Substratschicht angeordnete zusätzliche Pufferschicht optisch transparent.
In einer bevorzugten Ausführung der Schichtstruktur ist das Einkoppelelement ein Gitter.
Besonders bevorzugt ist das Einkoppelelement ein Gitter, das in der Schicht angebracht ist, die das photoadressierbare Polymer aufweist.
Bevorzugt ist weiter eine Schichtstruktur, bei der die wellenleitende Schicht auf photoadressierbaren Polymeren basiert.
Besonders bevorzugt ist eine Schichtstruktur, bei der die wellenleitende Schicht auf einem Material ausgewählt aus der Reihe Tantalpentoxid, Titandioxid, Hafniumdioxid, Zinkoxid, Niobpentoxid oder Zirkonoxid, allein oder in Mischung, insbesondere auf Titanoxid basiert.
In einer besonders bevorzugten Variante der Schichtstruktur sind mehrere Gitter unterschiedlicher Gitterkonstante als Einkoppelelemente vorhanden.
Der Brechungsindex der wellenleitenden Schicht ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung > 1,6, besonders bevorzugt > 1,67.
Vorteilhaft ist ein Aufbau der Schichtstruktur, bei dem die Schichtdicke der wellenleitenden Schicht kleiner ist als die Wellenlänge der Strahlung, die in dem Wellenleiter geführt wird.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Schichtstruktur, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die wellenleitende Schicht im Einmodenbetrieb betreibbar ist.
In einer weiteren besonderen Ausführung der Schichtstruktur ist zusätzlich eine Auskoppelungseinheit zur Auskopplung der optischen Strahlung vorgesehen, insbesondere ein optisches Gitter.
In einer besonders bevorzugten Form der Schichtstruktur beträgt die Dicke der wellenleitenden Schicht 30 bis 300 Nanometer.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführung der Schichtstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wellenleitender Schicht und Substratschicht eine Zwischenschicht mit niedrigerem Brechungsindex als der der Wellenleiterschicht vorgesehen ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführung dieser Schichtstruktur basiert die Zwischenschicht auf einem optisch transparenten Polymer.
Besonders bevorzugt ist ebenfalls eine andere Ausführungsform der Schichtstruktur, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Schicht aus photoadressierbaren Polymeren das Einkoppelelement enthält und eine angrenzende, insbesondere eine über der Schicht mit dem Einkoppelelement befindliche Schicht die wellenleitende Schicht ist.
Eine besonders bevorzugte Detektionsplattform besteht aus einem transparenten Substrat und einer oder mehreren optisch anisotropen Schichten auf Basis von PAP, in die über einen oder mehrere geeignete Belichtungsschritte mindestens eine Sensorstruktur, bestehend aus einer optischen Wellenleiter- und mindestens einer optischen Gitterstruktur, eingeschrieben wurden, die sich vom unbelichtetem Teil des PAP dadurch unterscheiden, dass sie einen unterschiedlichen Brechungsindex haben und über die Gitterstrukturen eingekoppeltes Licht in der Wellenleiterstruktur transportiert wird, in dessen evaneszentem Feld an der Grenzfläche vom Wellenleiter zu einer damit in Kontakt stehenden Probe die optischen Eigen schalten der Probe wie Brechungsindex, Lumineszenz, Absorption etc. mit einem geeigneten Detektionsgerät nachgewiesen wird.
Ein bevorzugter integrierter optischer Wellenleiter zur Verwendung als Bio- oder Chemosensor, besteht z.B. aus einem transparenten Substrat und einer optisch anisotropen Schicht auf Basis von PAP, in die über einen oder mehrere geeignete Belichtungsschritte mindestens eine Sensorstruktur, bestehend aus einer optischen Wellenleiter- und mindestens einer optischen Gitterstruktur, eingeschrieben wurden, die sich vom Rest des PAP dadurch unterscheiden, dass sie einen unterschiedlichen Brechungsindex haben und über die Gitterstrukturen eingekoppeltes Licht in der Wellenleiterstruktur über Totalreflexion oder als geführte Mode transportiert wird.
Möglich ist auch bevorzugt eine Detektionsplattform bestehend aus einem transparenten Substrat, auf das ein planarer optischer Wellenleiter und eine dünnen optisch anisotropen Schicht auf Basis von PAP aufgebracht sind, in die über einen oder mehrere geeignete Belichtungsschritte mindestens eine optische Gitterstruktur, eingeschrieben wurde, die sich vom Rest des PAP dadurch unterscheiden, dass sie einen unterschiedlichen Brechungsindex haben und über die Gitterstrukturen Licht in den angrenzenden Wellenleiter eingekoppelt und darin transportiert wird, und in dem evaneszentem Lichtfeld an der Grenzfläche vom Wellenleiter zu einer damit in Kontakt stehenden Probe die optischen Eigenschaften der Probe wie Brechungsindex, Lumineszenz, Absorption etc. mit einem geeigneten Detektionsgerät nachgewiesen wird.
Bevorzugt ist dann auch ein integrierter optischer Wellenleiter zur Verwendung als Bio- oder Chemosensor, bestehend aus einem transparenten Substrat und einer optisch anisotropen Schicht auf Basis von PAP, in die über einen oder mehrere geeignete Belichtungsschritte mindestens eine Sensorstruktur, bestehend aus einer optischen Wellenleiter- und mindestens einer optischen Gitterstruktur, eingeschrieben wurden, die sich vom Rest des PAP dadurch unterscheiden, dass sie einen unterschiedlichen Brechungsindex haben und über die Gitterstrukturen eingekoppeltes Licht in der Wellenleiterstruktur über Totalreflexion oder als geführte Mode transportiert wird.
Eine bevorzugte Detektionsplattform besteht z.B. aus einem transparenten Substrat und einer optisch anisotropen Schicht auf Basis von PAP, in die über einen oder mehrere geeignete Belichtungsschritte mindestens eine Sensorstruktur, bestehend aus einer optischen Wellenleiter- und mindestens einer optischen Gitterstruktur, eingeschrieben wurden, die sich vom Rest des PAP dadurch unterscheiden, dass sie einen unterschiedlichen Brechungsindex haben und über die Gitterstrukturen eingekoppeltes Licht in der Wellenleiterstruktur transportiert wird, dessen evaneszentes Feld an der Grenzfläche vom Wellenleiter zu einer damit in Kontakt stehenden Probe lumineszenzfähige Stoffe zur Lumineszenz anregt und die in den Raum abgestrahlte Lumineszenz mit einem geeigneten Detektionsgerät nachgewiesen wird.
Eine besonders bevorzugte Detektionsplattform besteht aus einem transparenten Substrat und einer optisch anisotropen Schicht auf Basis von PAP, in die über einen oder mehrere geeignete Belichtungsschritte mindestens eine Sensorstruktur, bestehend aus einer optischen Wellenleiterstruktur, die zwischen zwei optischen Gitterstrukturen liegt, eingeschrieben wurden, die sich vom Rest des PAP dadurch unterscheiden, dass sie einen unterschiedlichen Brechungsindex haben und über eine der Gitterstrukturen eingekoppeltes Licht in der Wellenleiterstruktur transportiert wird, dessen evaneszentes Feld an der Grenzfläche vom Wellenleiter zu einer damit in Kontakt stehenden Probe lumineszenzfähige Stoffe zur Lumineszenz anregt und das in den Wellenleiter zurückgekoppelte Licht an dem zweiten Gitter wieder ausgekoppelt wird und mit einem geeigneten Detektionsgerät nachgewiesen wird.
Entscheidend für die Verwendung von Wellenleitern als Signalwandler in Bio- oder Chemosensoren ist dabei, dass die Änderung der optischen Eigenschaften des Mediums nur sehr nahe an der Oberfläche des Wellenleiters detektiert wird. Wird nämlich das Erkennungselement oder der Analyt an der Grenzfläche des Wellenleiters immobilisiert, kann das Binden an das Erkennungselement oder die Reaktion des Erkennungselementes oberflächensensitiv detektiert werden, wenn sich dabei die optischen Eigenschaften des Detektionsmediums (flüssig, fest, gasförmig) an der Grenzfläche zum Wellenleiter ändern.
Insbesondere bevorzugt ist ein integrierter optischer Wellenleitersensor bestehend aus einem transparenten Substrat und einer optisch anisotropen Schicht auf Basis von PAP, in die über einen oder mehrere geeignete Belichtungsschritte mindestens eine Sensorstruktur, bestehend aus einer optischen Wellenleiter- und mindestens einer optischen Gitterstruktur, eingeschrieben wurden, die sich vom Rest des PAP dadurch unterscheiden, dass sie einen unterschiedlichen Brechungsindex haben und über die Gitterstrukturen eingekoppeltes Licht in der Wellenleiterstruktur transportiert wird.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Sensor umfassend eine Sensorschicht, eine Lichtquelle und eine Erkennungsschicht sowie einen optischen Detektor für Lumineszenz, Streu licht, Absorption oder Änderung des Brechungsindex aufweisend eine erfindungsgemäße Schichtstruktur.
Als Bio- oder Chemosensoren bezeichnet man Geräte, die mit Hilfe eines Signalwandlers (Sensorschicht) und einer Erkennungsreaktion einen Analyten qualitativ oder quantitativ nachweisen können. Als Erkennungsreaktion wird ganz allgemein die spezifische Bindung oder Reaktion eines sogenannten Analyten mit einem sogenannten Erkennungselement bezeichnet. Beispiele für Erkennungsreaktionen sind die Bindung von Liganden an Komplexe, die Komplexierung von Ionen, die Bindung von Liganden an (biologische) Rezeptoren, Membranrezeptoren oder Ionenkanäle, von Antigenen oder Haptenen an Antikörper, von Substraten an Enzyme, von DNA oder RNA an bestimmte Proteine, die Hybridisierung von DNA/RNA/PNA oder die Prozessierung von Substraten durch Enzyme. Analyten können sein: Ionen, Proteine, natürliche oder künstliche Antigene oder Haptene, Hormone, Cytokine, Mono- und Oligosaccharide, Soffwechselprodukte, oder andere biochemische Marker, die in der Diagnostik verwendet werden, Enzymsubstrate, DNA, RNA, PNA, potentielle Wirkstoffe, Medikamente, Zellen, Viren. Beispiele für Erkennungselemente sind: Komplexbildner für Metalle/Metallionen, Cyclodextrine, Kronenether, Antikörper, Antikörperfragmente, Anticaline, Enzyme, DNA, RNA, PNA, DNA/RNA-bindende Proteine, Enzyme, Rezeptoren, Membranrezeptoren, Ionenkanäle, Zelladhäsionsproteine, Ganglioside, Mono- oder Oligosaccharide.
Die Integration der Erkennungsreaktion mit dem Signalwandler zu einem Bio- oder Chemosensor kann geschehen, indem man das Erkennungselement oder den Analyten auf der Oberfläche des Signalwandlers z.B. der erfindungsgemäßen Schichtstruktur direkt oder über eine organische Zwischenschicht immobilisiert. Durch die Erkennungsreaktion, d. h. das Binden oder die Reaktion des Analyten mit dem Erkennungselement, ändern sich die optischen Eigenschaften des Mediums direkt an der Oberfläche der Signalwandlers (z. B. Änderung des optischen Brechungsindexes, der Absorption, der Fluoreszenz, der Phosphoreszenz, der Lumineszenz etc.), was vom Signalwandler in ein Messsignal übersetzt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner auch die Verwendung des vorgenannten Sensors zur Analyse von Biomolekülen, Markern und Wirkstoffen in der Umweltanalytik, dem Nahrungsmittelbereich, der Human- und Veterinärdiagnostik, der (bio-) chemischen Forschung und der Wirkstoffsuche.
Diese Bio- oder Chemosensoren können in der Umweltanalytik, dem Nahrungsmittelbereich, der Human- und Veterinärdiagnostik und dem Pflanzenschutz eingesetzt werden, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Die Spezifität der Erkennungsreaktion ermöglicht es, auch Analyten in komplexen Proben wie z. B. Umgebungsluft, verschmutztem Wasser oder Körperflüssigkeiten ohne oder nur mit geringer vorherige Aufreinigung qualitativ oder quantitativ zu bestimmen. Zusätzlich können Bio- oder Chemosensoren auch in der (bio-) chemischen Forschung und Wirkstoffsuche eingesetzt werden, um die Interaktion zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen zu untersuchen (z. B. zwischen Proteinen, DNA, RNA, oder biologisch aktiven Substanzen und Proteinen, DNA, RNA etc.).
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Erkennung von Biomolekülen unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1a–f verschiedene Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Schichtstruktur in schematischer Darstellung
2 Die Sensor-Empfindlichkeit für eine Schichtstruktur gemäss 1(a), d.h. die Änderung des effektiven Brechungsindex N bei einer Änderung der Dicke hl einer (bio-)chemischen Zusatzschicht (z.B. durch die Adsorption von Molekülen aus dem Analyt-Medium (Brechzahl nc = 1.33), die sich zusätzlich noch auf der Grund-Schichtstruktur befindet, um daraus erfindungsgemäss einen Refraktometrie-Sensor-Chip zu realisieren. Die übrigen Daten sind wie folgt: das Substrat 2 besteht hier aus Glas mit einer Brechzahl ns = 1.521; die Empfindlichkeits-Kurven sind gezeigt für eine Wellenleiterschicht 1 mit Brechzahlen of = 1.6/1.75/1.95/2.15/2.35 als Funktion der Filmdicke hf. Die Resultate gelten für die Propagation einer TM0-Mode mit einer Wellenlänge von 633 nm. Die Figur zeigt klar, dass es essentiell ist, eine Schicht 1 zu verwenden mit einer Brechzahl of von deutlich mehr als 1.6. Aus der Figur kann dann die jeweils optimale Dicke hf der Schicht 1 abgelesen werden sowie die maximal erzielbare Empfindlichkeit.
3 Den Kopplungs-Faktor für Fluoreszenz-Emission von emittierenden Zentren (z.B. Molekülen) in den Wellenleiter. Die genaue Definition des Kopplungs-Faktors ist in der Publikation [G. Voirin et al., "Si3N4/SiO2/Si waveguide grating for fluorescent biosensors", Proc. SPIE, Vol. 3620 (1999)] beschrieben. Die Schichtstruktur-Daten sind dieselben wie für 2, d.h. mit derselben Schichtstruktur wird ein Sensor-Chip realisiert, der in einem Fluoreszenz-basierten Sensor eingesetzt wird um die Fluoreszenz-Emission von Zentren zu messen, die sich in der Nähe der Wellenleiter-Oberfläche befinden.
Der Faktor ist ein Mass für den Bruchteil der Fluoreszenzstrahlung welcher in den Wellenleiter abgestrahlt wird, d.h. ein 2x grösserer Faktor bedeutet, dass 2x mehr Energie in den Wellenleiter gelangt. Es wurde angenommen, dass sich die Moleküle direkt auf dem Wellenleiter befinden. 3(a) zeigt den Fluoreszenz-Kopplungs-Faktor für die Abstrahlung in den TM Mode bei 633 nm Wellenlänge, während 3(b) die Verhältnisse für die Abstrahlung in den TE Mode zeigt. Durch einen Vergleich der Figuren (a) und (b) für das Beispiel eines Schicht-Brechungsindex nf = 1.95 ersieht man, dass die Abstrahlung in die TM-Mode (maximaler Faktor ca. 1 bei einer Schichtdicke hf von ca. 180 nm) etwa 3x effizienter ist als die Abstrahlung in die TE-Mode (maximaler Faktor ca. 0.3 bei einer Schichtdicke von etwa 90 nm). Dieses Beispiel gilt für eine Region des Wellenleiters ohne Kopplungsgitter.
Beispiele
1(a) zeigt eine Ausführungsvariante der Schichtstruktur, bei der die PAP-Schicht 1 gleichzeitig die wellenleitende Schicht ist und direkt auf ein optisch transparentes Substrat 2 aufgebracht ist. Die Gitterstruktur 3 ist direkt in der Schicht 1 hergestellt worden. Zur Herstellung werden nur zwei Prozess-Schritte gebraucht, nämlich das Aufbringen der Schicht 1 und die Belichtung der Gitterstruktur 3. Bevorzugte Materialien für das Substrat sind Kunststoffe und Glas.
1(b) zeigt eine Variante, bei welcher zwischen der PAP-Schicht 1 und dem Substrat noch eine weitere Schicht 4 mit hoher Brechzahl befindet. Vorteile dieser Variante sind, dass die Eigenschaften der Schicht 1 auf das optimale Einschreiben der Gitterstruktur 3 angepasst werden können, während für die wellenleitende Schicht 4 eine hochbrechende Polymer-Schicht verwendet werden kann, deren Eigenschaften im Hinblick auf eine niedrige Dämpfung der sich darin ausbreitenden Moden und/oder niedrige Streuung optimiert werden kann. Die Schicht 4 kann auch eine PAP-Schicht sein, muss aber nicht. Die Brechzahlen der Schichten 1 und 4 können gleich oder unterschiedlich sein. Schicht 4 muss aber eine höhere Brechzahl aufweisen als die Substratschicht 2.
1(c) zeigt eine Variante, bei der die Reihenfolge der Schichten 1 und 4 vertauscht ist. Im wesentlichen gilt das bei Figur (b) gesagte, aber hier muss die Schicht 1 eine höhere Brechzahl aufweisen als die Schicht 2. Für gewisse Anwendungen kann ein Vorteil entstehen, indem die Oberflächen-Eigenschaften der Schicht 4 speziell für die Ankopplung einer biochemischen Erkennungsschicht optimiert werden können, während die Schicht 1 auf hohe Brechzahl hin und auf die Erzeugung der Gitterstruktur 3 optimiert werden kann. Im weiteren kann es vorteilhaft sein, die PAP-Schicht mit der Einkoppelstruktur 3 vor Umgebungseinflüssen zu schützen (die Schicht 1 steht hier nicht im Kontakt mit dem Analyt-Medium, welches nur im Kontakt ist mit der Schicht 4).
1(d) zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich zwischen der Schicht 1 und dem Substrat 2 eine optisch transparente Pufferschicht 5 befindet. Die PAP-Schicht 1 ist hier die wellenleitende Schicht, während die Pufferschicht 5 die Funktion hat, einen Abstand zwischen Substrat 2 und Schicht 1 zu schaffen, so dass sich die evaneszente Welle unterhalb der Schicht 1 in der Schicht 5 ausbreitet und nicht im Substrat 2. Der Vorteil dieser Anordnung kann mehrfach sein. Z.B. kann die Brechzahl der Pufferschicht sehr klein gewählt werden, sodass die evaneszente Welle auf der Analytseite (oberhalb der Schicht 1) weit in das Analyt-Medium hineinreicht, und so auch größere Bereiche in der Nähe Wellenleiter- Oberfläche als Probenvolumen definiert werden kann. Solche Anordnungen werden auch als "Reverse-Symmetry Waveguides" bezeichnet und wurden z.B. von Horvath et al. beschrieben (siehe Appl. Phys. Lett., Vol. 81/12, pp. 2166–2168 (16 September, 2002). Je nach Anwendung und Herstellungsverfahren kann ein weiterer Vorteil darin bestehen, dass die Substrat-Schicht nicht transparent sein muss. Es können z.B. Halbleiter wie Silizium, III-V-Verbindungen oder opto-elektronische Polymere verwendet werden und somit auch aktive elektrische Schaltkreise im Substrat verwirklicht werden, die zur Auswertung der Sensor-Signale verwendet werden können (eventuell Detektoren zur optischen Auslesung direkt im Substrat). Es können aber auch Metalle oder andere Materialien verwendet werden, d.h. die Sensor-Chips können auf irgendwelche Gegenstände aufgebracht werden. Die optische Auslesung der Signale erfolgt in diesem Fall von der Seite der Schicht 1 aus oder aber durch Löcher oder transparente Bereiche in der Substratschicht 2.
1(e) zeigt eine etwas kompliziertere Variante von (d), bei welcher zwischen Pufferschicht 5 und PAP-Schicht 1 eine Schicht 4 mit hoher Brechzahl verwendet wird. Verschiedene Ausführungen sind möglich. Von besonderem Interesse ist es, die Schicht 1 auf die Herstellung der Einkoppelstruktur 3 und die Ankopplung von Erkennungsschichten zu optimieren, während die Schicht 4 als Wellenleiter optimiert werden kann. Die weiteren Vorteile sind die selben wie bei der Anordnung gemäss 1(d), insbesondere kann ein nicht-transparentes Substrat verwendet werden mit den dadurch verbundenen zusätzlichen Vorteilen.
1(f) zeigt eine weitere Variante, wo als wellenleitende Schicht eine anorganische hochbrechende Schicht 6 verwendet wird. Zur Auswahl stehen viele Materialien, z.B. aus der Reihe Tantalpentoxid, Titandioxid, Hafniumdioxid, Zinkoxid, Niob, Pentoxid oder Zirkonoxid allein oder in Mischung, insbesondere Tantalpentoxid. Diese Variante hat Vorteile vor allem zur Erreichung höchstmöglicher Empfindlichkeiten, da sehr hohe Brechzahlen zur Verfügung stehen, welche höher als 2.3 sein können. Im weiteren können solche Schichten in sehr guter Qualität hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist hier, dass weder die Substrat-Schicht 2 noch die Schicht 6 strukturierbar sein müssen, was in herkömmlichen Schichtstrukturen wie früher erwähnt große Kosten verursacht. In der gezeigten Variante können die Einkoppelstrukturen 3 bequem in der darüberliegenden PAP-Schicht 1 erzeugt werden ohne weitere Prozessschritte. Selbst in diesem Fall sind nur wenige Prozessschritte notwendig, nämlich (i) Deposition der Schicht 6 auf das Substrat 2, (ii) Deposition der Schicht 1 und (iii) Einbelichtung der Einkoppelstruktur 3.

Claims

Optische Schichtenstruktur mit mindestens zwei Schichten wenigstens umfassend eine Substratschicht und mindestens eine (Licht-) wellenleitende Schicht und ein Einkoppelelement für die Einkopplung der optischen Strahlung, insbesondere ein optisches Gitter, ein Prisma oder eine planare oder gekrümmte transparente Stirnfläche der wellenleitenden Schicht, wobei die der wellenleitenden Schicht benachbarte Schicht einen kleineren Brechungsindex aufweist als die wellenleitende Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht aus einem photoadressierbaren Polymer besteht.
Schichtstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrat-Schicht optisch transparent ist.
Schichtstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrat-Schicht optisch nicht transparent ist, dafür aber eine zusätzliche optisch transparente Pufferschicht 5 oberhalb der nicht transparenten Substratschicht angeordnet ist.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das photoadressierbare Polymer ein polymeres oder oligomeres organisches Material, bevorzugt ein Seitenkettenpolymer ist.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das photoadressierbare Polymer den chemisch gebundene Farbstoff der Formel (I) beinhaltet:
worin R¹ und R² unabhängig voneinander für Wasserstoff oder einen nichtionischen Substituenten stehen und m und n unabhängig voneinander für eine ganze Zahl von 0 bis 4, vorzugsweise 0 bis 2 stehen. X¹ und X² bedeuten -X^1'-R³ bzw. X^2'-R⁴, worin X^1' und X^2' für eine direkte Bindung, -O-, -S-, -(N-R⁵)-, -C(R⁶R⁷)-, -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR⁵)-, -(SO₂)-, -(SO₂-O)-, -(SO₂-NR⁵)-, -(C=NR⁸)- oder -(CNR⁸-NR⁵)- stehen, R³, R⁴, R⁵ und R⁸ unabhängig voneinander für Wasserstoff, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₃-bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl, C₆- bis C₁₀-Aryl, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl-(C=O)-, C₂- bis C₂₀-Alkenyl-(C=O)-, C₆- bis C₁₀-Aryl-(C=O)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(SO₂)-, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl-(SO₂)-, C₂- bis C₂₀-Alkenyl-(SO₂)- oder C₆-bis C₁₀-Aryl-(SO₂)- stehen oder X^1'-R3 und X^2'-R⁴ für Wasserstoff, Halogen, Cyan, Nitro, CF₃ oder CCl₃ stehen können, R⁶ und R⁷ unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl oder C₆- bis C₁₀-Aryl stehen. Unter nichtionischen Substituenten sind zu verstehen Halogen, Cyano, Nitro, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, Phenoxy, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl oder C₆- bis C₁₀-Aryl, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-, C₆- bis C₁₀-Aryl-(C=O)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(SO₂)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-O-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-(C=O)-NH-, C₆- bis C₁₀-Aryl-(C=O)-NH-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-O-(C=O)-, C₁- bis C₂₀-Alkyl-NH-(C=O)- oder C₆- bis C₁₀-Aryl-NH-(C=O)-. Die Alkyl-, Cycloalkyl-, Alkenyl- und Arylreste können ihrerseits durch bis zu 3 Reste aus der Reihe Halogen, Cyano, Nitro, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, C₃- bis C₁₀-Cycloalkyl, C₂- bis C₂₀-Alkenyl oder C₆- bis C₁₀-Aryl substituiert sein und die Alkyl- und Alkenylreste können geradkettig oder verzweigt sein. Unter Halogen ist Fluor, Chlor, Brom und Iod zu verstehen, insbesondere Fluor und Chlor. Die Farbstoffe, insbesondere die Azofarbstoffe der Formel (I) sind an die Polymergerüste kovalent gebunden, in der Regel über einen Spacer. Beispielsweise steht X¹ (oder X²) dann für einen solchen Spacer, insbesondere in der Bedeutung X^1'-(Q¹)_i-T¹-S¹-, wobei X^1' die oben angegebene Bedeutung besitzt, Q¹ für -O-, -S-, -(N-R⁵)-, -C(R⁶R⁷)-, -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR⁵)-, -(SO₂)-, -(SO₂-O)-, -(SO₂-NR⁵)-, -(C=NR⁸)-, -(CNR⁸-NR⁵)-, -(CH₂)_p-, p- oder m-C₆H₄- oder einen zweibindigen Rest der Formeln
steht, i für eine ganze Zahl von 0 bis 4 steht, wobei für i > 1 die einzelnen Q¹ verschiedene Bedeutungen haben können, T¹ für -(CH₂)_p- steht, wobei die Kette durch -O-, -NR⁹-, oder -OSiR¹⁰ ₂O- unterbrochen sein kann, S¹ für eine direkte Bindung, -O-, -S- oder -NR⁹- steht, p für eine ganze Zahl von 2 bis 12, vorzugsweise 2 bis 8, insbesondere 2 bis 4 steht, R⁹ für Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Propyl steht, R¹⁰ für Methyl oder Ethyl steht und R⁵ bis R⁸ die oben angegebene Bedeutung besitzen.
Schichtstruktur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das photoadressierbare Polymer einen Brechungsindex von > 1.65, bevorzugt von > 1,75 aufweist.
Schichtstruktur nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelelement ein Gitter ist.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelelement ein Gitter ist, das in der Schicht angebracht ist, die das photoadressierbare Polymer aufweist.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenleitende Schicht auf photoadressierbaren Polymeren basiert.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenleitende Schicht mehrere mikroskopische und/oder makroskopische lichtführende Unterstrukturen aufweist.
Schichtstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenleitende Schicht auf einem Material ausgewählt aus der Reihe Tantalpentoxid, Titandioxid, Hafniumdioxid, Zinkoxid, Niobpentoxid oder Zirkonoxid allein oder in Mischung, insbesondere auf Titanoxid basiert.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, das mehrere Gitter unterschiedlicher Gitterkonstante als Einkoppelelemente vorhanden sind.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der wellenleitenden Schicht > 1,6, bevorzugt > 1,67 ist.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der wellenleitenden Schicht kleiner ist als die Wellenlänge der Strahlung.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenleitende Schicht im Einmodenbetrieb betreibbar ist.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Auskoppelungseinheit zur Auskopplung der optischen Strahlung vorgesehen ist, insbesondere ein optisches Gitter.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der wellenleitenden Schicht 30 bis 300 Nanometer beträgt.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wellenleitender Schicht und Substratschicht eine Zwischenschicht mit niedrigerem Brechungsindex als dem der Wellenleiterschicht vorgesehen ist.
Schichtstruktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht auf einem optisch transparenten Polymer basiert.
Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus photoadressierbaren Polymeren das Einkoppelelement enthält und eine angrenzende, insbesondere darüber befindliche Schicht die wellenleitende Schicht ist.
Sensor umfassend eine Sensorschicht, eine Lichtquelle und eine Erkennungsschicht sowie einen optischen Detektor für Lumineszenz, Streulicht, Absorption oder Änderung des Brechungsindex aufweisend eine Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Verwendung des Sensors nach Anspruch 21 zur Analyse von Biomolekülen, Markern und Wirkstoffen in der Umweltanalytik, dem Nahrungsmittelbereich, der Human- und Veterinärdiagnostik, der (bio-) chemischen Forschung und Wirkstoffsuche.