DE112008003435T5

DE112008003435T5 - Wegwerfbarer Oberflächenplasmonenresonanzbiosensor und System zu dessen Verwendung

Info

Publication number: DE112008003435T5
Application number: DE112008003435T
Authority: DE
Inventors: Hyeon Bong Pyo; Moon Youn Jung; Seon Hee Park
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2011-03-10
Also published as: KR100922578B1; KR20090064916A; WO2009078510A1

Abstract

Oberflächenplasmonenresonanzbiosensor (SPR), umfassend:
ein Sensorsubstrat, das dazu ausgelegt ist, ein Prisma und ein transparentes dielektrisches Substrat vom flachen Typ, die vom selben Material gebildet sind, in einem Körper zu haben; und
einen dünnen Metallfilm, der in einer dem Prisma gegenüberliegenden Position einer gegenüberliegenden Oberfläche zu einer Oberfläche, auf welcher das Prisma des Sensorsubstrats gebildet ist, gebildet ist, und der SPR durch Licht erzeugt, das auf das Prisma trifft.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Biosensor zum quantitativen Messen von Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen in Echtzeit unter Verwendung von Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) und ein System zu dessen Verwendung.
Die Erfindung wurde durch das ”ITR&D Program of MIC/IITA” [2006-S-007-02, Entwicklung eines ubiquitären Moduls und Systems zur Gesundheitsüberwachung, ”Ubiquitous Health Monitoring Module and System Development”] unterstützt.
Stand der Technik
Wenn in einer transversalen magnetischen (TM) Mode polarisiertes Licht auf einen dünnen Metallfilm wie Gold (Au) und Silber (Ag) einfällt, wobei der Realteil einer dielektrischen Funktion von diesen einen negativen (–) Wert hat, wird das Licht mit einem Oberflächenplasmon gekoppelt und ein Resonanzphänomen tritt bei einem spezifischen Einfallswinkel auf, der einer Resonanzbedingung genügt. Dies wird 'Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)' genannt. Das Oberflächenplasmon ist eine kollektive Oszillationsmode von Elektronen an einer Metalloberfläche. Insbesondere in einer Resonanzbedingung, wo ein Wellenvektor des auf einen dünnen Metallfilm einfallenden Lichts mit dem von Oberflächenplasmonen übereinstimmt, wird die Intensität des Lichts, das der Totalreflektion an einer Metalloberfläche unterliegt, infolgedessen minimiert, da die Energie des einfallenden Lichts fast ganz in einer Oberflächenplasmonenmode absorbiert wird.
Die Resonanzbedingung ändert sich aufgrund der Änderung des Brechungsindexes des dielektrischen Materials auf einer Metalloberfläche. Durch Messung dieser Änderung können physikalische, biophysikalische sowie biochemische Wechselwirkungen von Molekülen quantitativ in Echtzeit analysiert werden.
Es wurden kontinuierlich Anstrengungen unternommen, dieses SPR-Phänomen auf Bio- oder chemische Sensoren anzuwenden. Als ein Ergebnis sind SPR-basierte Biosensoren zu einem der typischen nicht markierenden Sensorsysteme geworden, die dazu fähig sind, biomolekulare Wechselwirkungen ohne jegliche Markierungen wie Fluorophore zu messen.
Eine Vielzahl von SPR-basierten Biosensorsystemen, wie winkel-, wellenlängen- und intensitätsabhängigen (interrogated) SPR-Sensoren wurden bis jetzt entwickelt. Zum Beispiel wird in einem wellenlängenabhängigen (interrogated) SPR-Sensorsystem, das eine polarisationserhaltende Glasfaser verwendet, in welcher eine TM-polarisierte, polychromatische Lichtquelle eingespeist wird, die geführte Lichtwelle an dem Dielektrikum (teilweise freigelegter Kern) und der Umgebungsgrenzfläche (zum Beispiel Luft, Wasser etc.) totalreflektiert. Wenn ein dünner Edelmetallfilm oben auf einer freigelegten Faserkernoberfläche gebildet ist, resultieren die Änderungen in der (effektiven) optischen Dicke oder des Brechungsindexes auf der Metallschicht in der SPR-Wellenlängenänderung, welche über ein Spektrometer beobachtet werden kann. In einem anderen Typ des SPR-Sensors wird die Miniaturisierung durch Integrieren einer Lichtquelle und einer Lichtempfangseinheit in einem Lichtwellenleiter aus Plastik erreicht.
1 bis 3 sind schematische Zeichnungen, die die Anordnungen von konventionellen SPR-Biosensoren darstellen. Gemäß 1 bis 3 basieren die konventionellen SPR-Biosensoren auf einer sogenannten Kretschmann-Raether-Anordnung, um einfallendes Licht durch ein Prisma 10, das aus einem transparenten dielektrischen Material mit einem hohen Brechungsindex gemacht ist, zu leiten und um Licht innen zu reflektieren, um einen Wellenvektor oder Impuls des Lichts zu erhöhen und es an die Oberflächenplasmonen zu koppeln.
In dem SPR-Biosensor von 1 wird einfallendes Licht einer monochromatischen Welle von einer Lichtquelle 30 erzeugt, durch einen Polarisator 31 polarisiert und fällt dann auf ein Prisma 10 ein. Durch Bewegen der Lichtquelle 30 unter Verwendung eines Goniometers (nicht gezeigt) zum Variieren eines Einfallswinkels mißt der SPR-Biosensor durch Überwachung der SPR-Winkeländerung die Änderung des effektiven Brechungsindexes oder der effektiven Dicke, die durch die Existenz eines auf einem dünnen Metallfilm 20 adsorbierten dielektrischen Materials 40 verursacht wird.
In dem SPR-Biosensor von 2 wird von einer Lichtquelle 30 erzeugtes einfallendes Licht einer monochromatischen Welle geweitet und in einer zweidimensionalen ebenen Form bereitgestellt, wobei sein Einfallswinkel festgehalten wird. Dabei drückt der SPR-Biosensor durch eine relative Helligkeitsdifferenz die Änderungen im effektiven Brechungsindex oder in der effektiven Dicke aus, welche aus der Existenz eines dielektrischen Materials 40 resultierten, wie in jeweiligen Punkten auf einem dünnen Metallfilm 20 erschienen. Allgemein wird so ein SPR-Biosensor in einer Form eines Multikanalsensorsystems angewendet.
In dem SPR-Biosensor von 3 wird von einer Lichtquelle 30 erzeugtes einfallendes Licht einer monochromatischen Welle unter Verwendung einer Linse 33 so fokussiert, dass das einfallende Licht immer lotrecht zu der Oberfläche eines Prismas 10 sein kann. Wie der SPR-Biosensor von 1 mißt der SPR-Biosensor von 3 durch eine Änderung des SPR-Winkels eine Änderung eines effektiven Brechungsindexes oder einer effektiven Dicke, die durch ein dielektrisches Material 40 auf einem dünnen Metallfilm 20 verursacht wird.
Jedoch wird in den konventionelllen SPR-Biosensoren der dünne Metallfilm 20 nicht direkt auf die Oberfläche des Prismas 10, sondern auf ein flaches transparentes dielektrisches Substrat 11 wie ein Objektträger oder ein Mikroskopdeckglas mit demselben Brechungsindex wie das Prisma 10 aufgetragen, um es leicht zu machen, zum Beispiel einen Self-Assembled-Monolayer (SAM) auf einer Sensoroberfläche zu bilden, oder andere biochemische Verfahren zu vereinfachen und auch zum weiteren Gebrauch des Prismas 10, das aus Glas mit hohen Brechungsindex (zum Beispiel BK7, SF11, LaSFN9 etc.) gemacht ist.
Somit benötigen die konventionellen SPR-Biosensoren die Einführung eines Mediums zum optischen Koppeln zwischen dem Prisma 10 und dem transparenten dielektrischen Substrat vom flachen Typ 11. Zurzeit wird ein Fluid, wie indexgleiches Öl, oder ein fester transparenter Elastomer für diesen Zweck verwendet.
Wie oben beschrieben wurden in den konventionellen SPR-Biosensoren das transparente dielektrische Substrat vom flachen Typ 11 und das Prisma 10 mit Glasmaterial mit hohem Brechungsindex separat gemacht und deswegen gab es viele Unbequemlichkeiten und Schwierigkeiten bei Verwendung eines Fluids wie indexgleiches Öl.
Im Detail ist es schwierig, die Kontamination der Sensoroberfläche zu verhindern, weil es stark von dem Grad der Fähigkeit des Anwenders abhängt. Auch erzeugt indexgleiches Öl, ein Fluid, im Verlauf der Zeit Luftblasen oder wird leicht verdampft, und Öl mit einem hohen Brechungsindex ist im Allgemeinen giftig. Insbesondere in dem Fall des SPR-Biosensors von 2 erscheint die Bildung von Luftblasen von dem indexgleichen Öl als eine Verschlechterung der Bildqualität.
Offenbarung der Erfindung
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorhergehenden Probleme mit dem Stand der Technik zu lösen und deshalb sieht die vorliegende Erfindung einen wegwerfbaren SPR-Biosensor vor, der für unterschiedliche Arten von SPR-Sensorensystemen ohne indexgleiches Öl (oder einen transparenten Festkörper mit derselben Funktion wie das indexgleiche Öl) zwischen einem Sensorchip mit einem dünnen Metallfilm und einem Prisma, das das einfallende Licht mit den Oberflächenplasmonen der dünnen Metalloberfläche koppelt, anwendbar ist.
Technische Lösung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Oberflächenplasmonenresonanz-(SPR-)Biosensor bereitgestellt. Der Biosensor umfaßt ein Sensorsubstrat und einen dünnen Metallfilm. Das Sensorsubstrat ist dazu ausgelegt, ein Prisma und ein transparentes dielektrisches Substrat vom flachen Typ, die vom selben Material geformt sind, in einem Körper zu haben. Der dünne Metallfilm ist in einer dem Prisma gegenüberliegenden Position auf einer gegenüberliegenden Oberfläche zu einer Oberfläche, auf welcher das Prisma des Sensorsubstrats gebildet ist, gebildet und erzeugt SPR durch Licht, das auf das Prisma trifft.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Oberflächenplasmonenresonanz-(SPR-)Biosensorsystem bereitgestellt. Das System umfaßt einen SPR-Biosensor, eine Lichtquelle, eine Lichtempfangseinheit, einen Polarisator und einen Signalprozessor. Der SPR-Biosensor umfaßt ein Sensorsubstrat und einen dünnen Metallfilm. Das Sensorsubstrat ist dazu ausgelegt, ein Prisma und ein transparentes dielektrisches Substrat vom flachen Typ, die vom selben Material gebildet sind, in einem Körper zu haben. Der dünne Metallfilm unterstützt Oberflächenplasmonen und ist in einer dem Prisma gegenüberliegenden Position auf einer gegenüberliegenden Oberfläche zu einer Oberfläche, auf welcher das Prisma des Sensorsubstrats gebildet ist, gebildet. In dem SPR-Biosensor trifft Licht auf das Prisma in die obere Oberfläche des Substrats genau unter dem dünnen Metallfilm auf und führt die innere Totalreflektion (TIR) über dem kritischen Winkel durch. Die Lichtquelle stellt das auf das Prisma treffende Licht bereit. Die Lichtempfangseinheit empfängt das reflektierte Licht, das von dem Zentrum des Prismas durch das Prisma emittiert wird und konvertiert das reflektierte Licht in ein elektrisches Signal. Der Polarisator spaltet das einfallende oder das von dem Prisma emittierte reflektierte Licht in eine transversale magnetische (TM) Mode auf. Der Signalprozessor analysiert das elektrische Signal von der Lichtempfangseinheit und detektiert eine Änderung einer effektiven Dicke oder eines effektiven Brechungsindexes einer Probe oben auf dem dünnen Metallfilm durch Überwachung der Änderung des SPR-Winkels.
Der Biosensor kann darüber hinaus einen oder mehrere Kanäle umfassen, die auf dem dünnen Metallfilm über die SPR-Absorptionsabfalllinie hinweg, an welcher reflektiertes Licht durch Plasmonenresonanzabsorption des einfallenden Lichts minimiert ist, gebildet sind und wobei alle oder ein Teil der Kanäle aus einem unterschiedlichen dielektrischen Material gebildet sein können.
Gemäß einem weiteren anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Oberflächenplasmonenresonanz-(SPR-)Biosensorsystem bereitgestellt. Das System umfaßt einen SPR-Biosensor, eine Lichtquelle, einen Polarisator und eine zweidimensionale Abbildeeinheit. Der SPR-Biosensor umfaßt ein Sensorsubstrat, einen dünnen Metallfilm und einen oder mehrere Kanäle. Das Sensorsubstrat ist dazu ausgelegt, ein Prisma und ein transparentes dielektrisches Substrat vom flachen Typ, die vom selben Material gebildet sind, in einem Körper zu haben. Der dünne Metallfilm unterstützt Oberflächenplasmonen und ist in einer dem Prisma gegenüberliegenden Position auf einer gegenüberliegenden Oberfläche zu einer Oberfläche, auf welcher das Prisma des Sensorsubstrats gebildet ist, gebildet. Der eine oder die mehreren Kanäle sind auf dem dünnen Metallfilm über die SPR-Absorptionsabfalllinie hinweg, an welcher reflektiertes Licht durch Plasmonenresonanzabsorption des einfallenden Lichts minimiert ist, gebildet, und alle oder ein Teil der Kanäle können aus einem unterschiedlichen dielektrischen Material gebildet sein. In dem SPR-Biosensor trifft Licht auf das Prisma in die obere Oberfläche des Substrats genau unter dem dünnen Metallfilm und führt die innere Totalreflektion (TIR) über dem kritischen Winkel durch. Die Lichtquelle stellt das auf das Prisma treffende Licht bereit. Der Polarisator spaltet das einfallende oder das von dem Prisma emittierte reflektierte Licht in eine transversale magnetische (TM) Mode auf. Die zweidimensionale Abbildeeinheit zeigt das durch das Prisma emittierte reflektierte Licht als ein zweidimensionales ebenes Bild an.
Vorteilhafte Effekte
Wie oben dargelegt realisiert der SPR-Biosensor der vorliegenden Erfindung ein Prisma und ein transparentes Substrat vom flachen Typ mit einem dünnen Metallfilm in einem Körper durch Spritzgießen eines optischen Polymers mit einem hohen Brechungsindex. Dabei hat der SPR-Biosensor exzellente Auswirkungen, da er keinen Bedarf zur Einführung von indexgleichem Öl zwischen einem Sensorchip und dem Prisma zum Abgleichen des Brechungsindexes hat und relativ leicht hergestellt werden kann. Zusätzlich werden Herstellungskosten im Vergleich zu einem konventionellen SPR-Biosensor, der ein hochbrechendes Glassubstrat verwendet, bedeutend eingespart und Vereinfachung, Miniaturisierung und Gewichtsersparnis können erzielt werden, und eine Wegwerfverwendung kann geschaffen werden.
Auch hat der Biosensor der vorliegenden Erfindung einen Vorteil, falls nötig eine Lichtquelle, eine Lichtempfangseinheit, eine Linse und eine Abbildeeinheit zu umfassen und in verschiedenen Arten von SPR-Sensorsystemen mit einer unterschiedlichen Anordnung durch Realisierung eines Sensorchips und eines Prismas in nur einem Körper anwendbar zu sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 bis 3 sind schematische Zeichnungen, die die Anordnungen von konventionellen SPR-Biosensoren darstellen;
4 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines SPR-Biosensors gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines SPR-Biosensors gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist eine schematische Zeichnung, die das Abtastprinzip unter Verwendung des SPR-Biosensors gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist ein Graph, der die Reflektivität gegen den Einfallswinkel in einem SPR-Biosensor gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Graph, der die Reflektivität gegen den Einfallswinkel in einem SPR-Biosensor gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 ist eine Zeichnung, die einen Fall darstellt, wo Biomoleküle und Zielmoleküle spezifisch auf einem SPR-Biosensor gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebunden sind.
Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung sind bekannte Funktionen oder Anordnungen nicht im Detail beschrieben, da sie die Erfindung durch unnötige Details verdecken würden.
Es sollte bemerkt werden, dass durchgehend in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um dieselben oder ähnliche Elemente, Merkmale und Strukturen abzubilden.
Durchgehend in der Beschreibung umfaßt 'Verbinden eines beliebigen Teils mit einem anderen Teil' nicht nur 'direktes Verbinden', sondern auch 'indirektes Verbinden' mit einem anderen Element, das zwischen diesen angeordnet ist. 'Umfassen eines beliebigen Elements' bedeutet nicht Ausschließen eines anderer Elements, sondern auch die Möglichkeit, ein weiteres anderes Element zu umfassen, falls keine gegenteilige Offenbarung.
4 zeigt einen SPR-Biosensor gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4(a) ist eine perspektivische Zeichnung, die den SPR-Biosensor gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 4(b) ist eine entlang der Linie A-A' von 4(a) aufgenommene Querschnittsansicht.
Gemäß 4 umfaßt der SPR-Biosensor 100 ein Sensorsubstrat 110 und einen dünnen Metallfilm 120. Das Sensorsubstrat 110 ist eine Integration eines Prismas 111 und eines transparenten dielektrischen Substrats vom flachen Typ 112. Der dünne Metallfilm 120 ist oben auf der Oberfläche des Prismas 111 des Sensorsubstrats 110 gebildet und unterstützt Oberflächenplasmonen.
Das Sensorsubstrat 110 ist aus einem transparentem optischen Polymer mit einem hohen Brechungsindex und das Polystylen (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) und zyklisches Olefinkopolymer (COC) umfaßt, gebildet. Das Sensorsubstrat 110 kann in einem Spritzgußverfahren oder ähnlichem hergestellt werden.
Der dünne Metallfilm 120 ist aus Metall wie Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) bei einer Dicke von Dutzenden von Nanometern (nm) gebildet, wobei der Realteil einer dielektrischen Funktion von diesen einen negativen (–) Wert hat. Unter den Metallen wird im Allgemeinen Silber (Ag), das den schärfsten SPR-Resonanzpeak zeigt, und Gold (Au), das eine exzellente Oberflächenstabilität hat, verwendet.
Das Prisma 111 veranlaßt Licht von jeglicher Lichtquelle (nicht gezeigt) dazu, hindurchzugehen, und veranlaßt es dazu, von der oberen Oberfläche des Substrats genau unter dem dünnen Metallfilm totalreflektiert zu werden, um Licht mit den Oberflächenplasmonen im Metall 120 zu koppeln. Das Prisma 111 kann eine hemisphärische, trianguläre oder trapezoidale Form haben. Genauer gesagt kann zum bequemen Gebrauch das Sensorsubstrat 110 dieselbe Form und Größe wie ein weit verwendetes Objektträgerformat haben. Zum Beispiel ist das Sensorsubstrat 110 in einer rechteckigen Form gebildet. Das heißt, dass das Prisma 111 an einer Seite auf einer unteren Oberfläche des rechteckigen Sensorsubstrats 110, das eine vorherbestimmte Dicke hat, gebildet ist. Der dünne Metallfilm 120 ist oben auf dem Sensorsubstrat 110 gebildet, von dem die Position lotrecht zu dem Prisma 111 ist.
Der SPR-Biosensor 100 kann durch Überwachung der Änderungen im Resonanzwinkel eine biochemische Reaktion wie selektives Binden oder Entbinden zwischen den Biomolekülen durch richtige chemische Behandlung des Metalls 120 überwachen. Der SPR-Biosensor 100 kann die Stärke des spezifischen Bindens und Entbindens und die Konzentration der Biomoleküle mit monochromatischem Licht, das auf den dünnen Metallfilm durch das Prisma 111 einfällt, dann von dem dünnen Metallfilm 120 reflektiert und dann durch das Prisma 111 emittiert wird, messen.
Das heißt, ein SPR-Biosensorsystem kann durch Verbinden des SPR-Biosensors 100 mit einer Lichtquelle, einer Lichtempfangseinheit, einem Polarisator, einem Goniometer und einem Signalprozessor realisiert werden. Die Lichtquelle stellt einfallendes Licht mit einem Merkmal einer monochromatischen oder einer polychromatischen Wellenlänge bereit. Die Lichtempfangseinheit empfängt von dem Prisma 111 reflektiertes Licht. Der Polarisator transmittiert das einfallende Licht oder das reflektierte Licht in einer TM-Mode an einem hinteren Ende der Lichtquelle oder an einem vorderen Ende der Lichtempfangseinheit. Die Einfallswinkelsteuervorrichtung steuert einen Einfallswinkel des Lichts, das auf das Prisma 111 von der Lichtquelle einfällt. Der Signalprozessor analysiert ein Signal von der Lichtempfangseinheit und detektiert durch eine Änderung eines SPR-Winkels eine Änderung einer effektiven Dicke oder eines effektiven Brechungsindexes einer Probe oben auf dem dünnen Metallfilm 120.
Die Einfallswinkelsteuervorrichtung kann abhängig von einer Anordnung und eines Prinzips des Biosensorsystems selektiv hinzugefügt werden. Zum Beispiel kann die Einfallswinkelsteuervorrichtung als ein Treiber zum Bewegen der Lichtquelle in einem mechanischen Verfahren und Kontrollieren des Einfallswinkels oder einer Linse zum Steuern des Fokus des einfallenden Lichts realisiert werden.
5 zeigt einen SPR-Biosensor gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5(a) ist eine perspektivische Zeichnung, die den SPR-Biosensor gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 5(b) ist eine entlang der Linie B-B' von 5(a) aufgenommene Querschnittsansicht.
Gemäß 5 umfaßt der SPR-Biosensor 200 ein Sensorsubstrat 110, einen dünnen Metallfilm 120 und einen oder mehrere Kanäle 130. Das Sensorsubstrat 110 ist eine Integration eines Prismas 111 und eines transparenten dielektrischen Substrats vom flachen Typ 112. Der dünne Metallfilm 120 ist oben auf der Oberfläche des Prismas 111 des Sensorsubstrats 110 gebildet und unterstützt Oberflächenplasmonen. Der eine oder die mehreren Kanäle 130 sind oben auf dem dünnen Metallfilm so gebildet, dass diese auf dem dünnen Metallfilm über die SPR-Absorptionsabfalllinie hinweg gebildet sind, an welcher reflektiertes Licht durch Plasmonenresonanzabsorption des einfallenden Lichts durch den dünnen Metallfilm 120 minimiert ist. Der eine oder die mehreren Kanäle 130 können eine unterschiedliche Brechungsindex- oder effektive Dickenänderung durch unterschiedliche Arten des Koppelns mit Biomolekülen haben.
Das heißt, der SPR-Biosensor 200 ist durch weitere Bildung von einem oder mehreren Kanälen 130 auf dem SPR-Biosensor 100 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet. Andere konstituierende Elemente als der Kanal 130 werden identisch zu der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisiert.
Der eine oder die mehreren Kanäle 130 sind aus dielektrischen Materialien gebildet, von denen ein Teil oder alle von jedem Kanal einen unterschiedlichen Brechungsindex haben. Durch eine Änderung der Brechungsindizes der dielektrischen Materialien, die auf dem einen oder den mehreren Kanälen 130 adsorbiert sind, tritt die Änderung des Absorptionsbandes durch SPR des dünnen Metallfilms 120 auf. Dies kann zum Messen einer Änderung einer effektiven Dicke und/oder eines effektiven Brechungsindexes auf dem dünnen Metallfilm 120 verwendet werden.
6 ist eine schematische Zeichnung, die das Abtastprinzip unter Verwendung des SPR-Biosensors 200 gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Licht von einer beliebigen Lichtquelle wird in 6 aufgeweitet, um eine parallele, kollimierte zweidimensionale Lichtquelle 150 zu bilden und das Licht trifft so auf das Prisma 111 des SPR-Biosensors 200, dass eine zentrale Linie des Prismas 111 eine Brennlinie wird. Das heißt, das einfallende Licht ist immer lotrecht zu der Oberfläche eines Prismas 111.
Der dünne Metallfilm 120 ist gebildet, eine Dicke von ungefähr Dutzenden von Nanometern (nm) (im allgemeinen 40 nm bis 50 nm) oben auf dem Sensorsubstrat 110 gegenüberliegend zu dem Prisma 111 umfassend die Brennlinie des einfallenden Lichts, zu haben, um die Oberflächenplasmonen des dünnen Metallfilms 120 zu koppeln. Der dünne Metallfilm 120 ist aus Metall (zum Beispiel Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Aluminium (Al) und ähnlichem) gemacht, deren Imaginärteil der dielektrischen Funktion (ε) in einem Wellenlängenbereich zur Beobachtung einen negativen (–) Wert hat. Die dielektrische Funktion (ε) ist durch den Brechungsindex (n) und das Extinktionsverhältnis (k) wie in Gleichung 1 unten definiert: ε = ε' + iε'' = (n + ik)² = (n² – k²) + i2nk (1) wobei

ε':: Realteil der dielektrischen Funktion, n² – k², und
ε'':: Imaginärteil der dielektrischen Funktion, 2nk.

Währenddessen wird Licht, das totalreflektiert von der Brennlinie ist, in welcher das gesamte einfallende Licht konvergiert ist, wieder innerhalb eines Winkelbereichs von
θ_min < θ_SPR < θ_max
in derselben Form wie das einfallende Licht reflektiert. Das reflektierte Licht kann in einer zweidimensionalen ebenen Form unter Verwendung einer zylindrischen Linse und eines Spiegels integriert werden. Das gesammelte reflektierte Licht erscheint als ein zweidimensionales ebenes Bild unter Verwendung einer zweidimensionalen Lichtempfangseinheit, eines Projektionsschirms oder anderen Elementen und Vorrichtungen. Die zweidimensionale Empfangseinheit kann zum Beispiel ein „Charge-Coupled Device” (CCD) oder ein „Complementary Metal Oxide Semiconductor”-Abbildesensor (CMOS) sein. Die anderen Elemente und Vorrichtungen können Helligkeiten von jeweiligen Punkten der zweidimensionalen Ebene detektieren.
7 ist ein Graph, der die Reflektivität als eine Funktion des Einfallswinkels gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Gemäß 7 nimmt in dem Fall der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher der Kanal 130 nicht auf dem dünnen Metallfilm 120 gebildet ist, die bei einem Resonanzabsorptionswinkel (θ_SPR) durch SPR des dünnen Metallfilms 120 erhaltene minimale Reflektivität des reflektierten Lichts die Form eines Resonanzabsorptionsbandes an. Hier kann, falls die Helligkeit von jedem Punkt absolut unterschieden werden kann, das Resonanzabsorptionsband unter Verwendung einer Absorptionslinie am Ende ausgedrückt werden. Somit ist jeder Punkt auf der Absorptionslinie der durch SPR-Absorption verursachte minimale Punkt (d. h. ein Resonanzabfall) der Reflektivität. Im Prinzip sollte die Form des Querschnitts des Absorptionsbandes oder der Absorptionslinie gleich zu einer SPR-Absorptionskurve 51 in einem einzelnen in 7 gezeigten Kanal sein.
Alternativ tritt, in dem Fall der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher einer oder mehrere Kanäle auf dem dünnen Metallfilm 120 über die SPR-Absorptionsabfalllinie hinweg gebildet sind und das Dielektrikum mit einer kleinen Dicke entlang dem Kanal 130 bereitgestellt ist, eine Änderung eines SPR-Winkels für jeden Kanal abhängig von der Dicke des Dielektrikums auf dem dünnen Metallfilm 120 auf. Die Änderung des SPR-Winkels für jeden Kanal erscheint als eine Änderung einer Position der Absorptionslinie in einem zweidimensionalen ebenen Bild vom reflektierten Licht, das von dem SPR-Biosensor 200 gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detektiert wird.
8 ist ein Graph, der die Reflektivität gegen den Einfallswinkel des Lichts in einem SPR-Biosensor gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Gemäß 8 ist es zu verstehen, dass die Änderung des SPR-Winkels (Δθ_SPR) individuell für jeden Kanal 130 stattfindet. Somit hat wie in 9 gezeigt der SPR-Biosensor 200 eine Mehrzahl von Kanälen 131 bis 13n auf dem dünnen Metallfilm 120. Biomoleküle 311, 321 und 331 von einer unterschiedlichen Art, die jeweils an die Kanäle 131 bis 133 befestigt sind, werden spezifisch mit Zielmolekülen 312, 322 und 332 gekoppelt, die in dem ganzen Blut, im Blutplasma, im Serum, im Urin, im Speichel und in anderen Bioproben, die zu messen wären, existieren. In diesem Fall tritt die Änderung der Oberflächenkonzentration von jedem Kanal 131 bis 133 aufgrund des Koppelns der Biomoleküle auf. Die Oberflächenkonzentrationsänderung in jedem Kanal 131 bis 133 kann von der Änderung der effektiven Dicke oder des effektiven Brechungsindexes einer Probe, die auf die Metalloberfläche 120 gebunden ist, geschätzt werden. Zusätzlich ist auch, falls bekannte Werte von Brechungsindizes von Materialien verwendet werden, eine Quantifizierung durch eine angemessene Kalibrierung möglich. Die Oberflächenkonzentration kann auch durch zweidimensionales ebenes Abbilden eines reflektierten Lichts, das von dem Prisma 111 des SPR-Biosensors 200 emittiert wird, ausgedrückt werden.
Das zweidimensionale ebene Abbilden des reflektierten Lichts unter Verwendung des SPR-Biosensors 200 ist von einem Oberflächenplasmonenresonanzabbildungsverfahren (SPRI) verschieden. In dem SPRI-Verfahren wird monochromatisches Licht und ein trianguläres Prisma verwendet und ein Einfallswinkel wird festgehalten, um unter Verwendung einer Intensitätsdifferenz (zum Beispiel ein Differenzbild) von reflektiertem Licht von jedem Punkt (zum Beispiel ein Bildpixel) eine Änderung einer effektiven Dicke oder eines effektiven Brechungsindexes des Dielektrikums zu lesen, das zusätzlich auf einer Metalloberfläche hinzugefügt ist und räumlich in einer unterschiedlichen Art und Weise verteilt ist.
Beim SPRI hängt die Differenz in der Helligkeit nicht nur von den Dicke- oder Brechungsindexänderungen ab, sondern auch von anderen optischen Variablen, zum Beispiel von der Wellenlänge oder vom Einfallswinkel.
Jedoch ist das zweidimensionale ebene Abbilden des reflektierten Lichts unter Verwendung des SPR-Biosensors 200 im Wesentlichen dasselbe SPR-Winkelabhängigkeitsverfahren (SPR angle interrogation method). In dem SPR-Winkelabhängigkeitsverfahren mißt man im Wesentlichen die Änderungen des SPR-Abfalls, während die Wellenlänge von einfallendem Licht in einem Kanal festgehalten wird. Auch können sogar, falls man exakt die funktionalen Werte des Brechungsindexes des Dielektrikums auf dem Metallfilm 130 kennt, die absolute Dickenänderung des Dielektrikums durch eine Fresnel-Gleichung berechnet werden.
Somit kann ein SPR-Biosensorsystem angeordnet werden, den SPR-Biosensor 200, die Lichtquelle, den Polarisator und die zweidimensionale Abbildeeinheit zu umfassen. Die Lichtquelle stellt einfallendes Licht, das auf das Prisma 111 einfällt, bereit. Der Polarisator spaltet das auf das Prisma 111 treffende Licht oder das von dem Prisma 111 emittierte reflektierte Licht in eine TM-Mode auf. Die zweidimensionale Abbildeeinheit verarbeitet durch zweidimensionales ebenes Abbilden das durch das Prisma 111 emittierte reflektierte Licht. In dem SPR-Biosensorsystem kann die Änderung der effektiven Dicke oder des effektiven Brechungsindexes einer Probe, die oben auf dem dünnen Metallfilm existiert, als die Änderung des Absorptionsbandes, das in dem zweidimensionalen ebenen Bild erscheint, erscheinen.
Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang von der wie in den angehängten Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Ein Oberflächenplasmonenresonanzbiosensor (SPR) und ein System zu dessen Verwendung werden bereitgestellt. Der Biosensor umfaßt ein Sensorsubstrat und einen dünnen Metallfilm. Das Sensorsubstrat ist dazu ausgelegt, ein Prisma und ein transparentes dielektrisches Substrat vom flachen Typ, die vom selben Material geformt sind, in einem Körper zu haben. Der dünne Metallfilm ist in einer dem Prisma gegenüberliegenden Position auf einer gegenüberliegenden Oberfläche zu einer Oberfläche, auf welcher das Prisma des Sensorsubstrats gebildet ist, gebildet und erzeugt SPR durch Licht, das auf das Prisma trifft.

Claims

Oberflächenplasmonenresonanzbiosensor (SPR), umfassend: ein Sensorsubstrat, das dazu ausgelegt ist, ein Prisma und ein transparentes dielektrisches Substrat vom flachen Typ, die vom selben Material gebildet sind, in einem Körper zu haben; und einen dünnen Metallfilm, der in einer dem Prisma gegenüberliegenden Position einer gegenüberliegenden Oberfläche zu einer Oberfläche, auf welcher das Prisma des Sensorsubstrats gebildet ist, gebildet ist, und der SPR durch Licht erzeugt, das auf das Prisma trifft.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei das Sensorsubstrat von einem beliebigen ausgewählt aus der optischen Polymergruppe mit einem hohen Brechungsindex und bestehend aus Polystylen (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) und zyklischem Olefincopolymer (COC) gebildet ist.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei das Sensorsubstrat unter Verwendung eines Spritzgußverfahrens gebildet ist.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei der dünne Metallfilm aus einem beliebigen von Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) gebildet ist.
Biosensor nach Anspruch 1, wobei das Prisma eine hemisphärische, trianguläre oder trapezoide Form hat.
Biosensor nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen oder mehrere Kanäle, die auf dem dünnen Metallfilm über die SPR-Absorptionsabfalllinie hinweg, an welcher reflektiertes Licht durch Plasmonenresonanzabsorption des einfallenden Lichts minimiert ist, gebildet sind, und wobei alle oder ein Teil von diesen aus einem unterschiedlichen dielektrischen Material gebildet sind.
Biosensor nach Anspruch 6, wobei auf allen oder einem Teil des einen oder der mehreren Kanäle jeweils unterschiedliche Arten von Biomolekülen zum spezifischen Koppeln mit Zielmolekülen so immobilisiert sind, dass die Oberflächenkonzentration von Komplexmolekülen für jeden Kanal detektiert werden kann.
Oberflächenplasmonenresonanzbiosensorsystem (SPR), umfassend: einen SPR-Biosensor, umfassend: ein Sensorsubstrat, das dazu ausgelegt ist, ein Prisma und ein transparentes dielektrisches Substrat vom flachen Typ, die vom selben Material gebildet sind, in einem Körper zu haben; und einen dünnen Metallfilm, der Oberflächenplasmonen unterstützt und in einer dem Prisma gegenüberliegenden Position auf einer gegenüberliegenden Oberfläche zu einer Oberfläche, auf welcher das Prisma des Sensorsubstrats gebildet ist, gebildet ist, wobei der SPR-Biosensor Licht dazu veranlasst, auf das Prisma in die obere Oberfläche des Substrats genau unter dem dünnen Metallfilm zu treffen, und die innere Totalreflektion über dem kritischen Winkel durchführt; eine Lichtquelle zum Bereitstellen des einfallenden Lichts, das auf das Prisma einfällt; eine Lichtempfangseinheit zum Empfangen des reflektierten Lichts, welches von dem Zentrum des Prismas durch das Prisma emittiert wird, und Konvertieren des reflektierten Lichts in ein elektrisches Signal; einen Polarisator zum Aufspalten des einfallenden oder des reflektierten Lichts, das von dem Prisma emittiert wird, in eine transversale magnetische (TM) Mode; und einen Signalprozessor zum Analysieren des elektrischen Signals von der Lichtempfangseinheit und Detektieren einer Änderung einer effektiven Dicke oder eines effektiven Brechungsindexes einer Probe oben auf dem dünnen Metallfilm durch eine Änderung eines SPR-Winkels.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend: eine Einfallswinkelsteuervorrichtung zum Steuern des Winkels des einfallenden Lichts.
System nach Anspruch 9, wobei die Einfallswinkelsteuervorrichtung ein Goniometer oder eine Rotationsplattform zum Bewegen der Lichtquelle in einer mechanischen Art und Weise und Steuern des Einfallswinkels ist.
System nach Anspruch 9, wobei die Einfallswinkelsteuervorrichtung eine Linse zum Steuern eines Fokus des Einfallswinkels umfaßt.
System nach Anspruch 8, wobei das Sensorsubstrat von einem beliebigen ausgewählt aus der optischen Polymergruppe mit einem hohen Brechungsindex und bestehend aus Polystylen (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) und zyklischem Olefinkopolymer (COC) gebildet ist.
System nach Anspruch 12, wobei das Sensorsubstrat unter Verwendung eines Spritzgußverfahrens gebildet ist.
System nach Anspruch 8, wobei der dünne Metallfilm aus einem beliebigen von Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) gebildet ist.
System nach Anspruch 8, wobei das Prisma eine hemisphärische, trianguläre oder trapezoide Form hat, Licht dazu veranlaßt, durchzugehen, und es dazu veranlaßt, von der oberen Oberfläche des Substrats genau unter dem dünnen Metallfilm zum Durchführen der inneren Totalreflexion (TIR) totalreflektiert zu werden.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend: einen oder mehrere Kanäle, die auf dem dünnen Metallfilm über die SPR-Absorptionsabfalllinie hinweg, an welcher reflektiertes Licht durch SPR des dünnen Metallfilms minimiert ist, gebildet sind, und wobei alle oder ein Teil von diesen aus einem unterschiedlichen dielektrischen Material gebildet sind.
System nach Anspruch 16, wobei auf allen oder einem Teil des einen oder der mehreren Kanäle jeweils unterschiedliche Arten von Biomolekülen zum spezifischen Koppeln mit Zielmolekülen so immobilisiert sind, dass die Oberflächenkonzentration von Komplexmolekülen für jeden Kanal detektiert werden kann.
Oberflächenplasmonenresonanzbiosensorsystem (SPR), umfassend: einen SPR-Biosensor, umfassend: ein Sensorsubstrat, das dazu ausgelegt ist, ein Prisma und ein transparentes dielektrisches Substrat vom flachen Typ, die vom selben Material gebildet sind, in einem Körper zu haben; einen dünnen Metallfilm, der Oberflächenplasmonen unterstützt und in einer dem Prisma gegenüberliegen Position auf einer gegenüberliegenden Oberfläche zu einer Oberfläche, auf welcher das Prisma des Sensorsubstrats gebildet ist, gebildet ist; und einen oder mehrere Kanäle, die auf dem dünnen Metallfilm über die SPR-Absorptionsabfalllinie hinweg, an welcher reflektiertes Licht durch SPR des dünnen Metallfilms minimiert ist, gebildet sind, und wobei alle oder ein Teil von diesen aus einem unterschiedlichen dielektrischen Material gebildet sind, wobei der SPR-Biosensor Licht dazu veranlaßt, auf das Prisma in die obere Oberfläche des Substrats genau unter dem dünnen Metallfilm zu treffen, und die innere Totalreflektion über dem kritischen Winkel durchführt; eine Lichtquelle zum Bereitstellen des auf das Prisma einfallenden Lichts; einen Polarisator zum Aufspalten des einfallenden oder des reflektierten Lichts, das von dem Prisma emittiert wird, in eine transversale magnetische (TM) Mode; und eine zweidimensionale Abbildeeinheit zum Abbilden des reflektierten Lichts, das durch das Prisma emittiert wird, als ein zweidimensionales ebenes Bild.
System nach Anspruch 18, wobei das einfallende Licht eine parallele zweidimensionale Lichtquellenform hat.
System nach Anspruch 19, ferner umfassend: einen Signalprozessor zum Empfangen eines zweidimensionalen ebenen Bildsignals und Detektieren einer effektiven Dicke oder eines effektiven Brechungsindexes einer Probe oben auf dem dünnen Metallfilm von einer Änderung einer Absorptionslinie.
System nach Anspruch 18, wobei das Sensorsubstrat von einem beliebigen ausgewählt aus der optischen Polymergruppe mit einem hohen Brechungsindex und bestehend aus Polystylen (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) und zyklischem Olefincopolymer (COC) gebildet ist.
System nach Anspruch 18, wobei das Sensorsubstrat unter Verwendung eines Spritzgußverfahrens gebildet ist.
System nach Anspruch 18, wobei der dünne Metallfilm aus einem beliebigen von Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) gebildet ist.
System nach Anspruch 18, wobei das Prisma eine hemisphärische, trianguläre oder trapezoide Form hat, Licht veranlaßt, durchzugehen, und veranlasst, dass es von der oberen Oberfläche des Substrats genau unter dem dünnen Metallfilm zum Durchführen der inneren Totalreflektion (TIR) totalreflektiert wird.
System nach Anspruch 18, wobei auf allen oder einem Teil des einen oder der mehreren Kanäle jeweils unterschiedliche Arten von Biomolekülen zum spezifischen Koppeln mit Zielmolekülen so immobilisiert sind, dass die Oberflächenkonzentration von Komplexmolekülen für jeden Kanal detektiert werden kann.