-
Technischer Bereich der Offenlegung
-
Diese Offenbarung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Anwesenheit oder Konzentration von Zielmolekülen. Die Vorrichtung kann zum Beispiel in einem Assay (manchmal auch als molekularer Interaktionstest bezeichnet) verwendet werden, der das Vorhandensein oder die Konzentration eines bestimmten Zielmoleküls messen soll.
-
Hintergrund der Offenlegung
-
Es sind Techniken bekannt, mit denen die spezifische Wechselwirkung zwischen Biomolekülen nachgewiesen oder sichtbar gemacht werden kann. Eine solche Technik oder ein solcher Test kann als molekularer Interaktionstest bezeichnet werden, der so angelegt ist, dass er das Vorhandensein oder die Konzentration eines bestimmten Zielmoleküls (das als Analyt bezeichnet werden kann) misst. Bei einem molekularen Interaktionstest wird in der Regel ein Biorezeptor verwendet, der an den Analyten binden kann. Solche Wechselwirkungen sind äußerst spezifisch, wobei sich der Biorezeptor und der Analyt ähnlich wie ein Schlüssel und ein Schloss verbinden. In der Regel ist nur der richtige Analyt in der Lage, an den Biorezeptor zu binden.
-
Viele solcher Tests erfordern auch die Verwendung eines Reportermoleküls. Das Reportermolekül ist in der Lage, an den Analyten zu binden, in der Regel erst dann, wenn der Analyt an den Biorezeptor gebunden hat. Das Reportermolekül kann das Vorhandensein des Zielmoleküls des Analyten auf irgendeine Weise melden. Das Reportermolekül kann beispielsweise ein Enzym verwenden, wie bei einem enzymgebundenen Immunosorbent Assay (enzyme linked immunosorbent assay, ELISA), Radioaktivität, wie bei einem Radio-Immunosorbent Assay (radio immunosorbent assay, RIA), oder, häufiger, ein Fluorophor, wie bei einem fluoreszierenden Immunosorbent Assay (fluorescent immunosorbent assay, FIA).
-
Als Alternative zur Verwendung von Reportermolekülen wurden markierungsfreie Nachweismethoden entwickelt, die sich zunehmender Beliebtheit erfreuen. Eine bekannte markierungsfreie Nachweismethode ist die Oberflächenplasmonenresonanz (surface plasmon resonance, SPR).
-
Eine Anordnung zur Nutzung der Oberflächenplasmonenresonanz als markierungsfreie Nachweismethode (die auch als Oberflächenplasmonenresonanzgerät bezeichnet werden kann) umfasst ein Prisma, das auf einer seiner Seiten mit einer relativ dünnen Metallschicht (z. B. Gold) versehen ist. Elektromagnetische Strahlung wird in das Prisma eingekoppelt und trifft auf die Grenzfläche zwischen dem Prisma und dem Metall, so dass es zu einer internen Totalreflexion kommt. Dadurch wird in der Metallschicht eine evaneszente Welle erzeugt, die sich parallel zur Grenzfläche zwischen dem Prisma und dem Metall (und in der Einfallsebene) ausbreitet und eine Amplitude hat, die in einer Richtung senkrecht zur Grenzfläche zwischen dem Prisma und dem Metall exponentiell abfällt.
-
An der Grenzfläche zwischen der Metallschicht und einem angrenzenden (dielektrischen) Medium können Oberflächenplasmonenpolaritonen erzeugt werden. Oberflächenplasmonenpolaritonen sind eine Art gekoppelte Schwingung von Elektronen (Plasmonen) innerhalb der Metallschicht und eine elektromagnetische Schwingung (Polaritonen) im dielektrischen Medium. Insbesondere handelt es sich bei Oberflächenplasmonen um kollektive Leitungselektronenschwingungen an der Grenzfläche zweier Schichten, wobei eine Schicht aus einem Metall (in der Regel einem Edelmetall) und die zweite Schicht aus einem Dielektrikum besteht. Wenn die Dicke der Metallschicht ausreichend dünn ist (in Bezug auf die Eindringtiefe der evaneszenten Welle) und eine Resonanzbedingung erfüllt ist, kann eine evaneszente Welle Oberflächenplasmonenpolaritonen auf einer dem Prisma gegenüberliegenden Seite der Metallschicht anregen. Dadurch wird ein Teil der Energie der einfallenden elektromagnetischen Strahlung genutzt und die Intensität der elektromagnetischen Strahlung, die von der Grenzfläche zwischen dem Prisma und der Metallschicht reflektiert wird, verringert.
-
Die reflektierte elektromagnetische Strahlung wird aus dem Prisma ausgekoppelt und trifft auf einen Detektor, der so angeordnet ist, dass er die Intensität der reflektierten elektromagnetischen Strahlung bestimmt (die wiederum davon abhängt, ob Plasmonenpolaritonen an der Oberfläche angeregt worden sind).
-
Die Resonanzbedingung ist abhängig von der Wellenlänge und dem Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung. Die Resonanzbedingung hängt auch von den optischen Eigenschaften sowohl des Metalls als auch des angrenzenden (dielektrischen) Mediums ab. Ist das Metall auf seiner Oberfläche mit einem Biorezeptor versehen, können diese optischen Eigenschaften (und damit die Resonanzbedingung) in Abhängigkeit von der Anwesenheit oder Abwesenheit eines bestimmten Zielmoleküls (oder Analyten), das an den Biorezeptor gebunden ist, variieren. Durch die Messung von Informationen über die Resonanzbedingung ist es daher möglich, Informationen über das Vorhandensein und/oder die Menge des spezifischen Zielmoleküls in der Nähe der Metallschicht zu bestimmen.
-
In einigen Systemen werden mehrere verschiedene Biorezeptoren auf der Metallschicht angebracht; jeder einzelne wird mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt und die von jedem reflektierte elektromagnetische Strahlung wird von einem separaten Detektor erfasst. Eine solche Anordnung ist als bildgebende SPR (imaging SPR, iSPR) bekannt.
-
Eine Herausforderung bei dem oben beschriebenen bildgebenden Oberflächenplasmonenresonanzgerät besteht darin, dass die Resonanzbedingung sehr eng ist und es daher wichtig ist, eine angemessene Kontrolle über die Wellenlänge und den Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zu haben. Eine der größten Herausforderungen bei der Konstruktion des oben beschriebenen Oberflächenplasmonenresonanzgeräts ist das optische System. Normalerweise werden viele Linsen benötigt, um das Licht richtig auf das Prisma zu projizieren und das reflektierte Licht auf dem Bildsensor zu beobachten. Jede Linse hat einen bestimmten optischen Pfad und eine bestimmte Brennweite, um die beste Beleuchtungs- und Bildqualität zu erzielen. Insbesondere die Optik, die die Metallschicht beleuchtet, muss mit einer Genauigkeit von 0,1 ° arbeiten, um korrekt zu funktionieren.
-
Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Vorhandenseins oder der Konzentration von Zielmolekülen bereitzustellen, mit der eines oder mehrere der Probleme gelöst werden können, die mit den Methoden des Standes der Technik verbunden sind, unabhängig davon, ob sie oben genannt wurden oder nicht.
-
Zusammenfassung
-
Im Allgemeinen schlägt diese Offenlegung vor, die Probleme in bestehenden Anordnungen zu überwinden, indem eine Vorrichtung bereitgestellt wird, die bei der Verwendung die lokale Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) in metallischen Nanopartikeln anregt und einen Spektralfilter verwendet, um eine spektrale Resonanzkurve der LSPR abzutasten. Das Multiplexen mehrerer Signale wird durch die Bereitstellung einer Vielzahl von Rezeptorstellen mit jeweils einem entsprechenden Detektor ermöglicht, und ein Wellenleiter ist so angeordnet, dass er die von einer Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung empfängt, die elektromagnetische Strahlung aufteilt und einen Teil der elektromagnetischen Strahlung auf jede einzelne einer zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen leitet. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da sie ein Gerät mit einem sehr hohen Grad an Multiplexing bietet und sehr kompakt ist.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des Vorhandenseins oder der Konzentration von Zielmolekülen bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Oberfläche, die eine zweidimensionale Anordnung von Rezeptorstellen definiert; einen Wellenleiter, der so angeordnet ist, dass er mindestens einen Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung empfängt, die elektromagnetische Strahlung aufteilt und einen Teil der elektromagnetischen Strahlung zu jeder der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen leitet; einen Detektor, der eine zweidimensionale Anordnung von Sensorelementen umfasst, wobei jedes Sensorelement so angeordnet ist, dass es elektromagnetische Strahlung von einer anderen der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen empfängt; und einen Spektralfilter, der zwischen der Oberfläche und dem Detektor vorgesehen ist.
-
Vorteilhafterweise bietet die Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung eine Vorrichtung mit einem sehr hohen Grad an Multiplexing und die sehr kompakt ist, wie nun diskutiert.
-
Ein Gerät nach dem Stand der Technik zur Bestimmung des Vorhandenseins oder der Konzentration von Zielmolekülen ist ein abbildendes Oberflächenplasmonenresonanzgerät. Eine Art von abbildenden Oberflächenplasmonenresonanzgeräten umfasst ein Prisma, auf dem eine Metallschicht angeordnet ist, um eine Vielzahl von Rezeptorstellen zu bilden. Diese Art der Anordnung ist so beschaffen, dass Oberflächenplasmonenpolaritonen auf einer Außenfläche der Metallschicht angeregt werden. Wenn bestimmte Moleküle an die Rezeptoren binden, werden die optischen Eigenschaften des Mediums in der Nähe der Außenfläche der Metallschicht verändert. Eine solche Anordnung besteht jedoch aus einem Prisma und einer Optik, die die Strahlung in das Prisma hinein und aus ihm heraus koppelt. Solche Anordnungen sind daher recht sperrig und haben mehrere optische Komponenten, die genau ausgerichtet werden müssen. Es kann sogar wichtig sein, dass die Optik so ausgerichtet ist, dass die Strahlung in das Prisma in einem bestimmten Winkel mit einer sehr geringen Toleranz in der Größenordnung von 0,1° eintritt, damit das Gerät funktioniert.
-
Im Vergleich zu solchen bekannten Systemen hat das hier vorgestellte bildgebende Oberflächenplasmonenresonanzgerät die folgenden Vorteile. Erstens: Durch die Bereitstellung eines Spektralfilters zwischen der Oberfläche und dem Detektor empfängt jedes Sensorelement des Detektors elektromagnetische Strahlung von einer der Rezeptorstellen mit einer einzigen Wellenlänge (oder zumindest einem engen Wellenlängenbereich). Auf diese Weise kann das vorliegende Gerät lokale Oberflächenplasmonenresonanzgeräte verwenden, wie sie jetzt erörtert werden. Bei der Verwendung werden Metall-Nanopartikel auf der Oberfläche an jeder der Rezeptorstellen bereitgestellt. Die Nanopartikel sind mit Rezeptoren beschichtet. Beispielsweise können die Nanopartikel an den verschiedenen Rezeptorstellen mit unterschiedlichen Rezeptoren beschichtet sein.
-
Lokale Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) tritt an der Grenzfläche zwischen der Oberfläche eines metallischen Nanopartikels, einer Nanoschale oder Nanostruktur und einem Dielektrikum auf. Wenn Strahlung auf ein metallisches Nanopartikel trifft, können die Leitungselektronen der metallischen Schicht so angeregt werden, dass sie mit hoher Amplitude kohärent schwingen. Die Anregung der lokalen Oberflächenplasmonenresonanz ist abhängig von der Wellenlänge der Strahlung. Fällt breitbandige Strahlung (z. B. weißes Licht oder sichtbares Vollspektrumlicht) auf das metallische Nanopartikel, so hat die Streueffizienz ein Maximum, die Resonanzfrequenz. Das Absorptionsspektrum der metallischen Nanopartikel (und z. B. die maximale Resonanzfrequenz) hängt von den optischen Eigenschaften des (dielektrischen) Mediums in der Nähe der metallischen Nanopartikel ab. Die optischen Eigenschaften des (dielektrischen) Mediums, das an die metallischen Nanopartikel angrenzt, hängen wiederum vom Vorhandensein und der Konzentration bestimmter Zielmoleküle ab, die an die Rezeptoren gebunden sind, mit denen die metallischen Nanopartikel beschichtet sind. Daher können durch die Bestimmung von Informationen über das LSPR-Absorptionsspektrum der metallischen Nanopartikel das Vorhandensein und die Konzentration spezifischer Zielmoleküle bestimmt werden, die an die Rezeptoren gebunden sind, mit denen die metallischen Nanopartikel beschichtet sind.
-
Da die Konzentration des spezifischen Zielmoleküls (oder Analyten), das an die Rezeptoren an einer Rezeptorstelle gebunden ist, variiert, ändert sich auch die LSPR-Resonanzkurve. Bei der Bindung bestimmter Moleküle kann sich beispielsweise die Streuwellenlänge der Nanopartikel zum roten Ende des Spektrums hin verschieben. Der zwischen der Oberfläche und dem Detektor angebrachte Spektralfilter tastet das Resonanzspektrum bei einer festen Wellenlänge ab. Wenn sich die LSPR-Resonanzkurve in der Wellenlänge verschiebt, nimmt der abgetastete Wert zu oder ab.
-
Unter einem Rezeptor wird hier alles verstanden (z. B. ein Molekül), das etwas anderes aufnehmen und an sich binden kann. Rezeptoren können aus einer Reihe biologischer Moleküle bestehen, wie z. B. Proteine, Viren und dergleichen.
-
Das Gerät kann ferner eine Strahlungsquelle umfassen, die elektromagnetische Strahlung erzeugt, und die vom Wellenleiter empfangene einfallende elektromagnetische Strahlung kann zumindest einen Teil dieser elektromagnetischen Strahlung umfassen.
-
Die Vorrichtung kann ferner eine Strahlungsquelle umfassen, die elektromagnetische Strahlung erzeugen kann, und der Wellenleiter kann so beschaffen sein, dass er mindestens einen Teil der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung empfängt, die elektromagnetische Strahlung aufteilt und einen Teil der elektromagnetischen Strahlung auf jede der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen richtet.
-
In einigen Ausführungsformen kann das Gerät eine Vielzahl von Strahlungsquellen umfassen, die elektromagnetische Strahlung erzeugen können, und der Wellenleiter kann so angeordnet sein, dass er zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung empfängt, die von jeder der Vielzahl von Strahlungsquellen erzeugt wird.
-
Bei der Strahlungsquelle kann es sich um eine Breitbandstrahlungsquelle handeln.
-
Beispielsweise kann das Spektrum der Strahlungsquelle eine Bandbreite von mindestens 100 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Strahlungsquelle weißes Licht erzeugen, d. h. Strahlung im gesamten sichtbaren Spektrum.
-
Die Strahlungsquelle kann eine weiße Leuchtdiode umfassen.
-
Die Vorrichtung kann ferner eine metallische Nanostruktur umfassen, die auf jeder der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen auf der Oberfläche angeordnet ist.
-
Die metallische Mikrostruktur kann beispielsweise eine Vielzahl von Nanopartikeln umfassen.
-
Die Nanopartikel können jede gewünschte Form haben. Mögliche Formen der Nanopartikel sind z. B. Kugeln, Würfel, Äste oder Sterne, Stäbe und/oder Bi-Pyramiden. Die Brechungsindexeinheit (refractive index unit, RIU) für LSPR kann definiert werden als eine Verschiebung (in Nanometern) der LSPR-Resonanzkurve pro Einheit des Brechungsindex des umgebenden (dielektrischen) Mediums. Die LSPR-RIU ist abhängig von der Form der Nanopartikel. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Asymmetrie eines Nanopartikels, desto höher der RIU. Im Allgemeinen führt ein höheres Seitenverhältnis einer Form (z. B. ein Stab oder eine Doppelpyramide) zu einem höheren RIU.
-
Im Allgemeinen kann es wünschenswert sein, dass die Nanopartikel eine Form mit einem relativ großen RIU haben. Im Allgemeinen kann es wünschenswert sein, dass die Nanopartikel eine Form haben, die durchgängig mit einem gut kontrollierten Größen- und Seitenverhältnis hergestellt werden kann.
-
Die metallische Nanostruktur kann aus jeder Art von Metall bestehen. Die metallische Nanostruktur kann aus einem Edelmetall bestehen. Vorteilhaft ist, dass Edelmetalle weniger anfällig für Oxidation sind. Die metallische Nanostruktur kann z. B. aus Gold-Nanopartikeln bestehen.
-
Das Gerät kann außerdem einen Rezeptor auf jeder metallischen Mikrostruktur aufweisen.
-
Das Gerät kann ferner eine gedruckte Leiterplatte umfassen, und der Detektor kann auf der gedruckten Leiterplatte montiert werden.
-
Bei Ausführungen, die eine Strahlungsquelle umfassen, können sowohl die Strahlungsquelle als auch der Detektor auf der gedruckten Leiterplatte montiert werden.
-
Zum Beispiel können die Strahlungsquelle und der Detektor auf der gedruckten Leiterplatte nebeneinander liegen.
-
Der Wellenleiter kann zwischen dem Detektor und der Oberfläche angeordnet sein, die die zweidimensionale Anordnung der Rezeptorstellen bildet.
-
Der Wellenleiter kann aus einem allgemein ebenen Körper bestehen. Die Oberfläche, die die zweidimensionale Anordnung der Rezeptorstellen definiert, kann eine Oberfläche des Körpers sein.
-
Der Körper kann aus Glas geformt sein. Der Wellenleiter kann einen im Allgemeinen ebenen Körper umfassen. Der Körper kann eine Vielzahl von Kanälen umfassen, die in dem Körper ausgebildet sind, wobei jeder Kanal so angeordnet ist, dass er einen Teil der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung empfängt und diesen Teil der elektromagnetischen Strahlung zu einer zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen leitet. Die Kanäle können beispielsweise aus einem Material mit einem größeren Brechungsindex als der umgebende Teil des Körpers gebildet werden.
-
Der Wellenleiter kann eine integrierte Optik enthalten. Solche integrierten Optiken können als On-Chip-Technologie oder On-Chip-Optik bezeichnet werden.
-
Der Wellenleiter kann eine integrierte optische Platte umfassen, die so angeordnet ist, dass sie die von einer Strahlungsquelle abgegebene elektromagnetische Strahlung an einem Eingang empfängt und die elektromagnetische Strahlung über die Oberfläche verteilt, die die zweidimensionale Anordnung von Rezeptorstellen definiert.
-
Der Wellenleiter kann einen oder mehrere Diffusoren, Kollimationsrohre, Lochblenden und/oder geformte Linsen umfassen.
-
Der Wellenleiter kann eine Vielzahl von Strahlteilern oder optischen Wellenleiteraufteilern umfassen, die so angeordnet sind, dass sie die einfallende Strahlung über die Oberfläche verteilen, die die zweidimensionale Anordnung der Rezeptorstellen bildet.
-
Der Wellenleiter kann eine oder mehrere Gitterstrukturen umfassen, die so angeordnet sind, dass sie ein Interferenzmuster erzeugen und die Strahlung über die Oberfläche verteilen, die die zweidimensionale Anordnung der Rezeptorstellen bildet.
-
Die Vorrichtung kann ferner einen Prozessor umfassen, der in der Lage ist, die Konzentration eines Zielmoleküls aus der Intensität der elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen, die von einer entsprechenden Stelle der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen empfangen wird.
-
Als Detektor kann jeder geeignete Detektor für elektromagnetische Strahlung verwendet werden. Geeignete Detektoren sind z. B. Einzelphotonen-Lawinendetektoren (single photon avalanche detector, SPAD), Fotodioden, CMOS-Diodenarrays und/oder CCD-Arrays (charge-coupled device).
-
In einigen Ausführungsformen kann das Gerät einen oder mehrere Polarisatoren umfassen, die so angeordnet sind, dass sie einen Teil der Strahlung polarisieren. In anderen Ausführungsformen können solche Polarisatoren weggelassen werden.
-
Das Gerät kann außerdem einen oder mehrere Sensoren umfassen, die eine oder mehrere Umgebungsbedingungen bestimmen können.
-
So kann das Gerät beispielsweise Sensoren umfassen, mit denen die relative Luftfeuchtigkeit, die Temperatur und/oder der Druck in der Nähe der Metallschicht bestimmt werden können.
-
Das Gerät kann ferner eine Benutzerschnittstelle für den Empfang von Signalen vom Detektor umfassen.
-
So kann die gedruckte Leiterplatte beispielsweise mit einem USB-Anschluss versehen sein, der Teil der Benutzerschnittstelle sein kann. Bei Ausführungsformen mit einer Strahlungsquelle kann die Benutzerschnittstelle auch dazu geeignet sein, Signale an die Strahlungsquelle zu liefern.
-
Der Spektralfilter kann eine Bandbreite von 10 nm oder weniger beim halben Maximum (full width at half maximum bandwidth) haben.
-
Der Spektralfilter kann beispielsweise eine Bandbreite von 5 nm oder weniger beim halben Maximum haben.
-
Der Spektralfilter kann eine zweidimensionale Anordnung von einzelnen Spektralfiltern umfassen, wobei jeder einzelne Spektralfilter neben einem anderen der zweidimensionalen Anordnung von Sensorelementen angeordnet ist.
-
Der Wellenleiter kann eine Vielzahl von Wellenleiterkanälen umfassen, die in einem Körper des Wellenleiters ausgebildet sind, wobei jeder Wellenleiterkanal so angeordnet ist, dass er die Strahlung auf eine andere aus einer Vielzahl von diskreten Positionen innerhalb des Körpers lenkt, wobei jede dieser diskreten Positionen an eine andere der zweidimensionalen Anordnung von Sensorelementen angrenzt.
-
Jeder Wellenleiterkanal kann aus einem Kernmaterial gebildet werden, das von einem Mantelmaterial umgeben ist. Das Mantelmaterial kann die Strahlung auf das Kernmaterial beschränken und die Strahlung leiten.
-
Der Wellenleiter kann eine Vielzahl von Wellenleiterkanälen und Wellenleiteraufteilern (waveguide splitters) umfassen.
-
Jeder der Wellenleiteraufteiler kann so angeordnet sein, dass er einen Teil der Strahlung von der Strahlungsquelle empfängt, diese elektromagnetische Strahlung aufteilt und einen Teil dieser elektromagnetischen Strahlung auf jeden der beiden Wellenleiterkanäle leitet. Die Wellenleiterkanäle und die Wellenleiteraufteiler können hintereinander angeordnet sein, so dass die Strahlung in jedem der beiden Wellenleiterkanäle, die Strahlung von einem der Wellenleiteraufteiler empfangen, wiederum von einem anderen der Wellenleiteraufteiler empfangen werden kann.
-
Der Wellenleiter kann eine zweidimensionale Anordnung von Koppeloptiken umfassen, wobei jede Koppeloptik so angeordnet ist, dass sie Strahlung aus dem Wellenleiter heraus und zu einer anderen der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen koppelt.
-
Jede Koppeloptik kann einen strukturierten Abschnitt an einem Ende eines Wellenleiterkanals in einem Körper des Wellenleiters umfassen.
-
Der strukturierte Abschnitt am Ende eines Wellenleiterkanals kann eine Vielzahl von Rillen umfassen, die auf einem Mantelmaterial des Wellenleiterkanals ausgebildet sind.
-
Der strukturierte Abschnitt kann beispielsweise auf einer Oberfläche des Mantelmaterials des Wellenleiterkanals gebildet werden, die sich distal zu einem benachbarten Element der zweidimensionalen Anordnung von Sensorelementen und proximal zu einem Element der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen befindet. Die Rillen des strukturierten Abschnitts können jede beliebige Querschnittsform haben. Beispielsweise können die Rillen des strukturierte Abschnitts quadratisch oder abgerundet (z. B. kreisförmig) sein.
-
Alternativ kann auf einer Oberfläche des Mantelmaterials der Wellenleiterkanäle eine andere Form von strukturierten Abschnitten gebildet werden. Beispiele für unterschiedliche strukturierte Abschnitte zum Auskoppeln von Strahlung aus einem Wellenleiterkanal sind: Öffnungen im Mantelmaterial; dünnere Abschnitte des Mantelmaterials; ein Mantelmaterial mit einem anderen Brechungsindex (als die anderen Seiten des Mantelmaterials); oder andere gerillte oder strukturierte Strukturen.
-
Alternativ kann jede Koppeloptik auch einen Spiegel oder ein Prisma umfassen.
-
Jede Kopplungsoptik kann eine Mikrolinsenanordnung umfassen, die so angeordnet ist, dass sie Strahlung empfängt, die aus einem Wellenleiterkanal auskoppelt, und diese Strahlung als Beleuchtungsstrahl auf eine der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen richtet.
-
Figurenliste
-
Einige Ausführungsformen der Offenbarung werden jetzt nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
- 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 zeigt ein Beispiel für ein lokales Oberflächenplasmonenresonanz-Absorptionsspektrum für Goldnanostäbchen;
- 3 zeigt die lokalen Oberflächenplasmonenresonanz-Absorptionsspektren von fünf unterschiedlich großen Nanopartikeln;
- 4 zeigt ein Gerät, das das in 1 dargestellte Gerät umfasst;
- 5 zeigt eine Draufsicht (von oben) auf eine schematische Anordnung von Wellenleiterkanälen, die im Wellenleiter der in 1 dargestellten Vorrichtung gebildet werden können;
- 6 ist eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung eines Teils eines Wellenleiters, der an ein einzelnes Sensorelement des Detektors der in 1 dargestellten Vorrichtung angrenzt;
- 7 ist eine Querschnittsansicht der in 6 dargestellten schematischen Darstellung durch die Linie A-A; und
- 8 ist eine Querschnittsansicht der in 6 gezeigten schematischen Darstellung durch die Linie B-B.
-
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
Im Allgemeinen wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die bei der Verwendung die lokale Oberflächenplasmonenresonanz (local surface plasmon resonance, LSPR) in metallischen Nanopartikeln anregt und einen Spektralfilter verwendet, um eine spektrale Resonanzkurve der LSPR zu erfassen. Der Spektralfilter kann Teil eines Detektor-Sensorelements sein. Das Multiplexen mehrerer Signale wird durch die Bereitstellung einer Vielzahl von Rezeptorstellen mit jeweils einem entsprechenden Detektor ermöglicht, und ein Lichtwellenleiter ist so angeordnet, dass er die von einer Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung empfängt, die elektromagnetische Strahlung teilt und einen Teil der elektromagnetischen Strahlung auf jede einzelne einer zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen richtet. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da sie eine Vorrichtung mit einem sehr hohen Grad an Multiplexing bietet und die sehr kompakt ist, wie nun diskutiert.
-
Einige Beispiele für ein solches Gerät sind in den beigefügten Figuren dargestellt, wie sie jetzt besprochen werden.
-
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Gerät 100 eignet sich zur Bestimmung der Anwesenheit oder Konzentration von Zielmolekülen. Die Vorrichtung 100 umfasst: eine Strahlungsquelle 102, einen Wellenleiter 104, einen Detektor 106 und einen Spektralfilter 108.
-
Die Strahlungsquelle 102 ist in der Lage, elektromagnetische Strahlung 110 zu erzeugen. Bei der Strahlungsquelle 102 handelt es sich im Allgemeinen um eine Breitbandstrahlungsquelle. Beispielsweise kann ein Spektrum der Strahlungsquelle 102 eine Bandbreite von mindestens 100 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Strahlungsquelle weißes Licht erzeugen, d. h. Strahlung im gesamten sichtbaren Spektrum. In einer Ausführungsform umfasst die Strahlungsquelle 102 eine weißes Licht emittierende Diode.
-
Der Detektor 106 umfasst eine zweidimensionale Anordnung von Sensorelementen 112. In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst der Detektor 106 eine zweidimensionale Anordnung von 8x8 Sensorelementen 112. Es wird deutlich, dass nur eine Reihe von 8 Sensorelementen 112 in der Ebene von 1 dargestellt ist, dass aber weitere 7 Reihen von 8 Sensorelementen 112 in Ebenen parallel zur Ebene von 1 vorhanden sind. Es wird deutlich, dass es in anderen Ausführungsformen weniger oder mehr als 64 Sensorelemente 112 geben kann.
-
Der Detektor 106 kann jede geeignete Art von Detektor für elektromagnetische Strahlung umfassen. Geeignete Detektoren sind z. B. Einzelphotonen-Lawinendetektoren (single - photon avalance diode, SPAD), Fotodioden, CMOS-Diodenarrays und/oder CCD-Arrays (charge-coupled device, CCD). In einer Ausführungsform ist der Detektor 106 eine Anordnung von Fotodioden 112. Alternativ kann der Detektor 106 auch aus einem Bildsensor bestehen.
-
Der Detektor 106 kann jede gewünschte Auflösung haben. In einer Ausführungsform umfasst der Detektor 106 16-Bit-Analog-Digital-Wandler. Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Detektor 106 in anderen Ausführungsformen auch Analog-Digital-Wandler mit anderen Auflösungen umfassen kann.
-
Das Gerät 100 umfasst außerdem eine gemeinsame Leiterplatte 126. Die Strahlungsquelle 102 und der Detektor 108 sind beide auf der Leiterplatte 126 montiert. Insbesondere sind die Strahlungsquelle 102 und der Detektor 106 nebeneinander auf der Leiterplatte 126 angeordnet. Der Wellenleiter 104 ist über der Strahlungsquelle 102 und dem Detektor 106 angeordnet. Das heißt, die Strahlungsquelle 102 und der Detektor 106 sind zwischen der Leiterplatte 126 und dem Wellenleiter 104 angeordnet.
-
Der Wellenleiter 104 besteht aus einem im Allgemeinen ebenen Körper. Wie in 1 eher schematisch dargestellt, kann der Wellenleiter 104 zwei allgemein ebene Körperabschnitte umfassen: einen benachbarten Körperabschnitt 114, der neben dem Detektor 106 angeordnet ist, und einen distalen Körperabschnitt 116, der sich distal vom Detektor 106 befindet. Der benachbarte und der distale Körperabschnitt 114, 116 sind durch einen zentralen Wellenleiterabschnitt 118 getrennt.
-
Eine Oberfläche 120 des distalen Körperabschnitts 116 definiert eine zweidimensionale Anordnung von Rezeptorstellen 122, wie nun beschrieben. Jede der Rezeptorstellen 122 umfasst einen Abschnitt der Oberfläche 120 des distalen Körperabschnitts 116, der einem oder den Sensorelementen 112 des Detektors 106 gegenüberliegt. Insbesondere umfasst jede der Rezeptorstellen 122 einen Teil der Oberfläche 120 des distalen Körperabschnitts 116, der Strahlung aussenden kann, die von einem entsprechenden Sensorelement 112 des Detektors 106 empfangen werden kann. Daher kann davon ausgegangen werden, dass jedes Sensorelement 112 des Detektors 106 so angeordnet ist, dass es elektromagnetische Strahlung von einer anderen der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen 122 empfängt.
-
Der Wellenleiter 104 ist zwischen dem Detektor 106 und der Oberfläche 120 angeordnet, die die zweidimensionale Anordnung der Rezeptorstellen 122 definiert.
-
Der Spektralfilter 108 ist zwischen der Oberfläche 120 des Wellenleiters 104 und dem Detektor 106 angeordnet. In dieser Ausführungsform umfasst der Spektralfilter 108 eine Vielzahl einzelner Spektralfilter 124, von denen jeder neben einem anderen Sensorelement 112 des Detektors 106 angeordnet ist.
-
Der Spektralfilter 108 und/oder jederder mehreren einzelnen Spektralfilter 124 kann jede beliebige Art von Filter umfassen. Geeignete Filter sind z. B. Bandpassfilter mit einer relativ schmalen Bandbreite, z. B. mit einer vollen Breite bei halbem Maximum von 5 bis 10 nm. Geeignete Filter sind auch Interferenzfilter und/oder dichroitische Filter. Im Allgemeinen können der Spektralfilter 108 und/oder jeder der mehreren einzelnen Spektralfilter 124 eine relativ schmale Bandbreite haben, beispielsweise eine volle Breite beim halben Maximum von 5 bis 10 nm.
-
In dieser Ausführungsform umfasst der Spektralfilter 108 eine Vielzahl von einzelnen Spektralfiltern 124. Die Vielzahl der einzelnen Spektralfilter 124 kann bei unterschiedlichen Wellenlängen oder im Wesentlichen bei derselben Wellenlänge abtasten. Obwohl in dieser Ausführungsform der Spektralfilter 108 eine Vielzahl einzelner Spektralfilter 124 umfasst, könnte in alternativen Ausführungsformen ein einziger Filter über allen Sensorelementen 112 des Detektors 106 vorgesehen werden.
-
Zusätzlich zum Spektralfilter 106 kann jedes Sensorelement 112 des Detektors 106 mit einem Winkelfilter versehen werden, um die numerische Apertur jedes Sensorelements 112 zu begrenzen. Dies kann dazu beitragen, dass jedes Sensorelement nur Strahlung empfängt, die von der entsprechenden Rezeptorstelle 122 gestreut wird.
-
Wie in 1 eher schematisch dargestellt, erstreckt sich der distale Körperabschnitt 116 des Wellenleiters sowohl über die Strahlungsquelle 102 als auch über den Detektor 106, während sich der benachbarte Körperabschnitt 114 des Wellenleiters 104 nur über den Detektor 104 erstreckt. Das heißt, der benachbarte Körperabschnitt 114 des Wellenleiters 104 erstreckt sich nicht über die Strahlungsquelle 102. Daher kann die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung 110 in den zentralen Wellenleiterabschnitt 118 einkoppeln. Auf diese Weise ist der Wellenleiter 104 so angeordnet, dass er zumindest einen Teil der von der Strahlungsquelle 102 erzeugten elektromagnetischen Strahlung 110 empfängt.
-
Zwischen der Strahlungsquelle 102 und dem Detektor 106 befindet sich eine Barriere 128. Die Barriere kann verhindern, dass die von der Strahlungsquelle 102 emittierte Strahlung 110 direkt vom Detektor 106 empfangen wird.
-
Der Wellenleiter 104 ist ferner so angeordnet, dass er die elektromagnetische Strahlung 110, die er von der Strahlungsquelle empfängt, aufteilt und einen Teil dieser elektromagnetischen Strahlung 110 auf jede einzelne einer zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen 122 lenkt. Wie dem Fachmann klar sein wird, gibt es eine Reihe von optischen Anordnungen, die es dem Wellenleiter ermöglichen, auf diese Weise zu funktionieren, von denen einige jetzt erörtert werden.
-
Der Körper des Wellenleiters 104 kann aus Glas geformt sein. Zum Beispiel können die benachbarten und distalen Körperabschnitte 114, 116 aus Glas geformt sein. In ähnlicher Weise kann der zentrale Wellenleiterabschnitt 118 aus Glas geformt sein.
-
In einigen Ausführungsformen kann der zentrale Wellenleiterabschnitt 118 eine Vielzahl von Kanälen umfassen, die im Körper des Wellenleiters 104 ausgebildet sind. Jeder Kanal kann so angeordnet sein, dass er einen Teil der von der Strahlungsquelle 102 erzeugten elektromagnetischen Strahlung 110 empfängt und diesen Teil der elektromagnetischen Strahlung 110 auf eine zweidimensionale Anordnung von Rezeptorstellen 122 lenkt. Die Kanäle können beispielsweise aus einem Material mit einem größeren Brechungsindex als der umgebende Teil des Körpers des Wellenleiters 104 gebildet werden.
-
Der Wellenleiter 104 kann eine integrierte Optik enthalten. Solche integrierten Optiken können als On-Chip-Technologie oder On-Chip-Optik bezeichnet werden.
-
In einigen Ausführungsformen kann der Wellenleiter 104 eine integrierte optische Platte umfassen, die so angeordnet ist, dass sie die von der Strahlungsquelle 102 abgegebene elektromagnetische Strahlung 110 an einem Eingang empfängt und die elektromagnetische Strahlung über die Oberfläche 120 verteilt, die die zweidimensionale Anordnung der Rezeptorstellen 122 definiert.
-
Der Wellenleiter 104 kann einen oder mehrere Diffusoren, Kollimationsrohre, Lochblenden und/oder geformte Linsen umfassen.
-
In einigen Ausführungsformen kann der Wellenleiter 104 eine Vielzahl von Strahlteilern oder optischen Wellenleiterteilern umfassen, die so angeordnet sind, dass sie die Strahlung über die Oberfläche 120 verteilen, die die zweidimensionale Anordnung der Rezeptorstellen 122 definiert.
-
In einigen Ausführungsformen kann der Wellenleiter 104 eine oder mehrere Gitterstrukturen umfassen, die so angeordnet sind, dass sie ein Interferenzmuster erzeugen und die Strahlung über die Oberfläche 120 verteilen, die die zweidimensionale Anordnung der Rezeptorstellen 122 definiert.
-
Der Wellenleiter 104 ist ein asymmetrischer Lichtleckwellenleiter. Insbesondere entweicht die Strahlung 110 innerhalb des Wellenleiters 104 durch den distalen Körperabschnitt 116 (wie durch gestrichelte Linien angezeigt). Die Strahlung 110 innerhalb des Wellenleiters 104 tritt jedoch nicht durch den angrenzenden Körperabschnitt 114 aus. Die Strahlung 110 innerhalb des Wellenleiters 104 entweicht durch den distalen Körperabschnitt 116 an einer Vielzahl von diskreten Positionen, wobei jede dieser diskreten Positionen an eine der Rezeptorstellen 122 angrenzt. Da die Strahlung 110 durch den distalen Körperabschnitt 116 des Wellenleiters an diesen diskreten Positionen entweicht oder aus ihm ausgekoppelt wird, können die Rezeptorstellen 122 vom Wellenleiter aus beleuchtet werden.
-
Es wird deutlich, dass die elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenleiter 104 in der Nähe jeder der Rezeptorstellen 122 auf verschiedene Weise ausgekoppelt werden kann. Zum Beispiel kann die Strahlung 110 innerhalb des Wellenleiters 104 durch den distalen Körperabschnitt 116 an jeder der mehreren diskreten Positionen unter Verwendung von Spiegeln, Prismen und/oder Mustern in einem Mantelmaterial des Wellenleiters 104 ausgekoppelt werden. Zu den Mustern in einem Mantelmaterial des Wellenleiters 104 kann beispielsweise gehören, dass auf einer Seite des Wellenleiters 104, die den Rezeptorstellen 122 am nächsten ist, Öffnungen oder dünnere Abschnitte des Mantelmaterials, ein Material mit einem anderen Brechungsindex (als auf den anderen Seiten des Wellenleiters) oder gerillte Strukturen vorgesehen werden.
-
Wie weiter unten erörtert, werden bei der Verwendung mit einem Rezeptor funktionalisierte Nanopartikel an den Rezeptorstellen 122 bereitgestellt. Der Wellenleiter 104 ermöglicht es, dass diese durch Rezeptoren funktionalisierten Nanopartikel von der Seite beleuchtet werden, was eine lokale Oberflächenplasmonenresonanz anregen kann. Dies führt zu einer Streuung der Strahlung, die durch den Detektor 106 gemessen werden kann. Da die Strahlung 110 innerhalb des Wellenleiters 104 nicht durch den angrenzenden Körperabschnitt 114 entweicht, kann die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung 110 den Detektor 106 nicht direkt beleuchten. Dies ist vorteilhaft, da eine solche direkte Beleuchtung des Detektors 106 durch die Strahlungsquelle 102 einen Hintergrund für die LSPR-Messung darstellen würde.
-
Vorteilhafterweise ermöglicht das Gerät 100 die Beleuchtung der Oberfläche und der Rezeptorstellen 122, wobei sich die Strahlungsquelle 102 in derselben Leiterplattenschicht wie der Detektor 106 befindet.
-
Im Allgemeinen regt die Vorrichtung 100 bei der Verwendung die lokale Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) in metallischen Nanopartikeln an und verwendet den Spektralfilter 108 in Kombination mit dem Detektor 106, um eine spektrale Resonanzkurve der LSPR abzutasten. Das Multiplexen mehrerer Signale wird durch die Bereitstellung einer Vielzahl von Rezeptorstellen 122 mit jeweils einem entsprechenden Sensorelement 112 ermöglicht. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da sie ein Gerät mit einem sehr hohen Grad an Multiplexing ermöglicht, das, wie jetzt besprochen, sehr kompakt ist.
-
Bei der Verwendung wird eine metallische Nanostruktur auf jeder der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen 122 auf der Oberfläche 120 des Wellenleiters angeordnet. Die metallische Mikrostruktur kann zum Beispiel aus einer Vielzahl von Nanopartikeln bestehen.
-
Die Nanopartikel können jede gewünschte Form haben. Mögliche Formen der Nanopartikel sind z. B. Kugeln, Würfel, Äste oder Sterne, Stäbe und/oder Bi-Pyramiden.
-
Die Brechungsindexeinheit (refractive index unit, RIU) für LSPR kann definiert werden als eine Verschiebung (in Nanometern) der LSPR-Resonanzkurve pro Einheit des Brechungsindex des umgebenden (dielektrischen) Mediums. Die LSPR-RIU ist abhängig von der Form der Nanopartikel. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Asymmetrie eines Nanopartikels, desto höher der Rill. Im Allgemeinen führt ein höheres Seitenverhältnis einer Form (z. B. ein Stab oder eine Doppelpyramide) zu einem höheren RIU.
-
Im Allgemeinen kann es wünschenswert sein, dass die Nanopartikel eine Form mit einem relativ großen RIU haben. Im Allgemeinen kann es wünschenswert sein, dass die Nanopartikel eine Form haben, die mit einem gut kontrollierten Größen- und Seitenverhältnis konsistent hergestellt werden kann.
-
Alternativ zur Abscheidung von Nanopartikeln auf der Oberfläche 120 können in anderen Ausführungsformen Nanolithografien verwendet werden, um Nanostrukturen, beispielsweise aus Gold, auf der Oberfläche 120 zu bilden.
-
Die metallische Nanostruktur kann ein Edelmetall umfassen. Die metallische Nanostruktur kann beispielsweise Gold-Nanopartikeln umfassen.
-
Jede metallische Nanostruktur ist mit Rezeptoren beschichtet. So können beispielsweise die Nanopartikel an den verschiedenen Rezeptorstellen 122 mit unterschiedlichen Rezeptoren beschichtet sein.
-
Lokale Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) tritt an der Grenzfläche zwischen der Oberfläche eines metallischen Nanopartikels, einer Nanoschale oder Nanostruktur und einem Dielektrikum auf. Wenn Strahlung auf ein metallisches Nanopartikel trifft, können die Leitungselektronen der metallischen Schicht so angeregt werden, dass sie mit hoher Amplitude kohärent schwingen. Die Anregung der lokalen Oberflächenplasmonenresonanz ist abhängig von der Wellenlänge der Strahlung. Wenn breitbandige Strahlung (z. B. weißes Licht oder sichtbares Vollspektrumlicht) auf das metallische Nanopartikel trifft, hat die Streueffizienz ein Maximum bei der Resonanzfrequenz.
-
Das Absorptionsspektrum der metallischen Nanopartikel (und z. B. die maximale Resonanzfrequenz) hängt von den optischen Eigenschaften des (dielektrischen) Mediums in der Nähe der metallischen Nanopartikel ab. Die optischen Eigenschaften des (dielektrischen) Mediums, das an die metallischen Nanopartikel angrenzt, hängen wiederum vom Vorhandensein und der Konzentration bestimmter Zielmoleküle ab, die an die Rezeptoren gebunden sind, mit denen die metallischen Nanopartikel beschichtet sind. Daher können durch die Bestimmung von Informationen über das LSPR-Absorptionsspektrum der metallischen Nanopartikel das Vorhandensein und die Konzentration spezifischer Zielmoleküle bestimmt werden, die an die Rezeptoren gebunden sind, mit denen die metallischen Nanopartikel beschichtet sind.
-
Da die Konzentration des spezifischen Zielmoleküls (oder Analyten), das an die Rezeptoren an einer Rezeptorstelle gebunden ist, variiert, ändert sich auch die LSPR-Resonanzkurve. Im Allgemeinen ist die LSPR-Resonanzkurve vom Nettobrechungsindex in der unmittelbaren Umgebung der Nanopartikel abhängig. Luft hat im Allgemeinen einen Brechungsindex von 1, während Geruchsmoleküle typischerweise einen Brechungsindex von etwa 1,45 haben. Die Nanopartikel sind mit Rezeptoren funktionalisiert, so dass sie selektiv die Bindung/Interaktion von Geruchsmolekülen zulassen. Daher kann sich bei der Bindung bestimmter Moleküle die Streuwellenlänge der Nanopartikel verschieben, z. B. in Richtung des roten Endes des Spektrums. Der zwischen der Oberfläche 120 und dem Detektor 106 vorgesehene Spektralfilter 108 tastet das Resonanzspektrum bei einer festen Wellenlänge effektiv ab. Wenn sich die LSPR-Resonanzkurve in der Wellenlänge verschiebt, nimmt der abgetastete Wert zu oder ab.
-
2 zeigt ein beispielhaftes LSPR-Absorptionsspektrum 200 für Gold-Nanostäbchen mit einer maximalen Resonanzwellenlänge von 775 nm. Ein Spektralfilter bei 840 nm mit einer Halbwertsbreite (FWHM) von 5 nm ist durch eine Linie 202 dargestellt. Würde das Absorptionsspektrum 200 (z. B. mit einem der Sensorelemente 112 des Detektors 106) unter Verwendung eines solchen Spektralfilters 108 gemessen, würde die beobachtete Streueffizienz etwa 0,5 des Spitzenwerts betragen.
-
2 zeigt auch ein Beispiel für ein LSPR-Absorptionsspektrum 204 für Goldnanostäbchen, die mit einem Rezeptor funktionalisiert wurden. Nach der Funktionalisierung mit einem Rezeptor verschiebt sich der Extinktionspeak zu 783,6 nm.
-
Die beobachtete Streuintensität, die vom Filter abgetastet wird, nimmt zu. 2 zeigt auch ein LSPR-Absorptionsspektrum 206 für Gold-Nanostäbchen, die mit dem Rezeptor funktionalisiert wurden und an die ein Zielmolekül gebunden wurde. Der Extinktionspeak dieses Spektrums 206 verschiebt sich weiter zu 789,2 nm, was einer Gesamtverschiebung von 5,6 nm entspricht. Die beobachtete Streuintensität steigt ebenfalls weiter auf 0,65 an. Wenn die Auflösung des Detektors 106 16 Bit beträgt, beträgt die beobachtbare Genauigkeit der Intensitätsänderung 1,5×10-5 (ausgedrückt in 0 bis 1) pro Intensitätsstufe.
-
Es ist wichtig, dass der Detektor 106 nur die Antwort von Nanopartikeln empfängt, die eine Bindung oder Wechselwirkung mit z. B. Geruchsmolekülen eingehen. Zu diesem Zweck sind die Spektralfilter 108 (insbesondere einzelne Spektralfilter 124) über dem Detektor 106 vorgesehen.
-
Vorteilhafterweise stellt die Vorrichtung 100 gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung eine Vorrichtung mit einem sehr hohen Grad an Multiplexing zur Verfügung, die sehr kompakt ist und die eine Reihe von Vorteilen gegenüber bestehenden Vorrichtungen hat, wie jetzt diskutiert.
-
Ein Gerät nach dem Stand der Technik zur Bestimmung des Vorhandenseins oder der Konzentration von Zielmolekülen ist ein abbildendes Oberflächenplasmonenresonanzgerät. Eine Art von abbildenden Oberflächenplasmonenresonanzgeräten umfasst ein Prisma, auf dem eine Metallschicht angeordnet ist, um eine Vielzahl von Rezeptorstellen zu bilden. Diese Art der Anordnung ist so beschaffen, dass Oberflächenplasmonenpolaritonen auf einer Außenfläche der Metallschicht angeregt werden. Wenn bestimmte Moleküle an die Rezeptoren binden, werden die optischen Eigenschaften des Mediums in der Nähe der Außenfläche der Metallschicht verändert. Eine solche Anordnung besteht jedoch aus einem Prisma und einer Optik, die die Strahlung in das Prisma hinein und aus ihm heraus koppelt. Solche Anordnungen sind daher recht sperrig und haben mehrere optische Komponenten, die genau ausgerichtet werden müssen. Es kann sogar wichtig sein, dass die Optik so ausgerichtet ist, dass die Strahlung in das Prisma in einem bestimmten Winkel mit einer sehr geringen Toleranz in der Größenordnung von 0,1° eintritt, damit das Gerät funktioniert. Ein großes Problem bei einem solchen prismenbasierten SPR-System ist die Winkelausrichtung des Prismas und des Beleuchtungs- und Detektorsystems. Bei diesen engen Toleranzen wird die Massenfertigung entweder problematisch oder sehr teuer.
-
Vorteilhaft ist, dass das vorliegende Gerät 100, das streuende Nanopartikel verwendet, dieses Problem beseitigt.
-
Im Vergleich zu solchen bekannten Systemen hat das hier vorgestellte Gerät für bildgebende Oberflächenplasmonenresonanz die folgenden Vorteile.
-
Erstens ist kein sperriges optisches System mit Prismen und Linsen erforderlich. Im Gegensatz dazu ist der Wellenleiter 104 der vorliegenden Vorrichtung 100 flach und kompakt. Tatsächlich kann das gesamte Abbildungssystem der Vorrichtung 100 auf weniger als einen Kubikzentimeter Volumen reduziert werden oder sogar auf ähnliche Abmessungen wie die aktuellen Kameramodule in Mobiltelefonen. Die Strahlungsquelle 102 und der Detektor 106 sind auf der gleichen Ebene angeordnet (z. B. nebeneinander auf der gemeinsamen Leiterplatte 126 oder sogar im gleichen Gehäuse).
-
Zweitens erfordert die Vorrichtung nicht, dass eine Goldschicht auf die Optik aufgebracht wird, zum Beispiel durch physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD). Dies ist vorteilhaft, da die PVD-Goldschicht nicht mit der CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) kompatibel ist, so dass das CMOS-Array und die PVD-Goldschicht an getrennten Orten hergestellt werden müssten.
-
Drittens gibt es keine strengen Anforderungen an die Ausrichtung oder die damit verbundenen Risiken einer Dejustierung des Prismas. Daher kann das System präziser und zuverlässiger gebaut werden, mit weniger Komponenten und daher zu deutlich geringeren Kosten.
-
Im Allgemeinen ist das LSPR-Absorptionsspektrum von der Größe und Form der Nanopartikel oder Nanostruktur abhängig. Wenn also z. B. Nanostäbchen verwendet werden, wirkt sich eine gewisse Variation der Länge und/oder des Seitenverhältnisses der Nanostäbchen auf das LSPR-Absorptionsspektrum aus. Aufgrund der großen führenden Seite des LSPR-Absorptionsspektrums (siehe z. B. das LSPR-Absorptionsspektrum 200 in ) haben potenzielle Schwankungen in der Größe oder Form der Nanopartikel jedoch keine großen Auswirkungen auf das System, wie jetzt mit Bezug auf 3 erörtert wird.
-
Solange die Wellenlänge, bei der ein LSPR-Absorptionsspektrum abgetastet wird (z. B. durch den Spektralfilter 108), auf einer Seite des LSPR-Absorptionsspektrums verbleibt (vorzugsweise in einem Bereich, in dem das LSPR-Absorptionsspektrum ziemlich linear ist), und zwar im Wesentlichen über den gesamten Bereich der Positionen des LSPR-Absorptionsspektrums als Brechungsindex in der Nähe der metallischen Nanopartikel, ist es im Allgemeinen möglich, die selektive Bindung von Zielmolekülen an die Nanopartikel zu messen.
-
3 zeigt die LSPR-Absorptionsspektren 300, 302, 304, 306, 308 von fünf unterschiedlich großen Nanopartikeln. Die Nanostäbchen haben alle eine Breite (Durchmesser) von 20 nm. 3 zeigt: ein LSPR-Absorptionsspektrum 300 für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 700 nm; das LSPR-Absorptionsspektrum 302 für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 750 nm; das LSPR-Absorptionsspektrum 304 für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 780 nm; das LSPR-Absorptionsspektrum 306 für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 808 nm; das LSPR-Absorptionsspektrum 308 für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 850 nm. Die Intensität wird bei einer Wellenlänge von -850 nm gemessen (d. h. dies ist die Wellenlänge, bei der der Spektralfilter diese LSPR-Absorptionsspektren 300, 302, 304, 306, 308 abtastet), wie durch die Linie 310 angegeben. Die Vorrichtung 100 wäre in der Lage, die selektive Bindung von Zielmolekülen an die Nanostäbchen mit Resonanzwellenlängen von 750 nm, 780 nm und 808 nm zu messen, da in jedem Fall die Kurve (siehe LSPR-Absorptionsspektren 302, 304, 306) nach rechts verschoben werden kann, was zu einer Zunahme der beobachteten Intensität führt. Es wäre auch möglich, die selektive Bindung von Zielmolekülen an die Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 700 nm zu messen, obwohl die Abtastung bei Linie 310 auf einem Teil des LSPR-Absorptionsspektrums 300 liegt, der nicht sehr linear ist, und es daher schwieriger sein kann, die Reaktion korrekt zu bestimmen. Da die Wellenlänge, bei der die Intensität gemessen wird (-850 nm), mit der Spitze des LSPR-Absorptionsspektrums 308 zusammenfällt, wäre es nicht möglich, die selektive Bindung von Zielmolekülen an die Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 850 nm zu messen.
-
Es hat sich gezeigt, dass die von der Vorrichtung 100 angewandte Methode bei einer Größenvariation, die zu einer Verschiebung der Resonanzwellenlänge um mehr als 50 nm führt, robust ist. Dies entspricht einer Längenvariation von -20 nm bei 20 nm breiten Goldnanostäbchen. Dies wiederum entspricht einer Robustheit von ~24 bis 33 % bei Größenvariationen der Nanopartikel.
-
Um einen Fingerabdruck zu erhalten, kann es wünschenswert sein, mehrere Rezeptoren gleichzeitig zu messen. Der Detektor 106 ist in der Lage, 64 Punkte nahezu gleichzeitig zu messen (z. B. mit 16-Bit-Analog-Digital-Wandlern). Bei einem solchen Gerät 100 kann der Großteil der Sensorelemente 112 (z. B. 60 Sensorelemente 112) für verschiedene Rezeptoren verwendet werden, und die verbleibenden Sensorelemente (z. B. 4 Sensorelemente 112) können für Hintergrundzwecke verwendet werden. Dies kann als Multiplexing bezeichnet werden.
-
Da die Vorrichtung 100 aufgrund der verwendeten Rezeptoren verschleißt und altert, was zu einem Verlust der Empfindlichkeit führt, ist es wünschenswert, dass die Vorrichtung 100 leicht austauschbar ist. Eine Anordnung, die diese Funktionalität bietet, wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
-
4 zeigt eine Vorrichtung 400, die die in 1 dargestellte und oben beschriebene Vorrichtung 100 umfasst. Die Vorrichtung 100 ist zusammen mit funktionalisierten Nanostrukturen, die auf den Rezeptorstellen 122 vorgesehen sind, auf einer herausnehmbaren Tochterkarte 402 montiert. Die herausnehmbare Tochterkarte 402 kann einer (Mikro-) Secure Digital (SD)-Karte ähneln. Ein Vorteil des SD-Karten-Formfaktors ist die Anzahl der Pins, die für die Kommunikation und die Stromversorgung des Geräts 100 zur Verfügung stehen.
-
Die Tochterkarte 402 bietet dem Gerät 100 eine Benutzerschnittstelle, um Signale an die Strahlungsquelle 102 zu liefern und/oder Signale vom Detektor 106 zu empfangen.
-
Das in 4 gezeigte Gerät 400 hat den Vorteil, dass es besonders kostengünstig ist. Vorteilhaft ist, dass das Mikrokartenformat in tragbare Geräte (Wearables) passen kann. Vorteilhaft ist, dass die Mikrokarte wesentlich einfacher auszutauschen ist (z. B. im Vergleich zu einer Optik wie einem Prisma).
-
Die Vorrichtung 400 umfasst ferner ein Gehäuse 404, das mit einem Anschluss 406 zum lösbaren Eingriff mit der Tochterkarte 402 versehen ist. Das Gehäuse 404 (in 4 teilweise weggeschnitten dargestellt) ist mit Öffnungen 408 versehen, um einen Strömungskanal bereitzustellen, der einen Strom 410 von Fluid (z. B. Gas) durch das Gehäuse 404 (und an der auf der Tochterkarte 402 vorgesehenen Vorrichtung 100 vorbei) ermöglicht.
-
Die Vorrichtung 400 kann ferner einen Prozessor 412 umfassen, der in der Lage ist, die Konzentration eines Zielmoleküls aus der Intensität der elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen, die von einer entsprechenden Stelle der zweidimensionalen Anordnung von Rezeptorstellen 122 empfangen wird.
-
Die Vorrichtung 400 umfasst ferner einen oder mehrere Sensoren 414, mit denen eine oder mehrere Umgebungsbedingungen ermittelt werden können. So kann die Vorrichtung 400 beispielsweise Sensoren umfassen, mit denen eine oder mehrere der folgenden Größen bestimmt werden können: relative Luftfeuchtigkeit, Temperatur und/oder Druck in der Nähe der Metallschicht. Für Anwendungen in der Gasphase kann es nützlich sein, die relative Luftfeuchtigkeit, die Temperatur und den Luftdruck der Umgebung zu kennen, da alle diese Variablen die Wechselwirkung der Geruchsmoleküle auf der Oberfläche der Nanopartikel beeinflussen können. Die Sensoren 414 können in einem Strömungskanal oder Luftkanal der Vorrichtung 400 angebracht werden, um genaue Informationen über die Bindung zu erhalten.
-
Die Luftprobe, die die Geruchsmoleküle enthält, kann mit Hilfe einer Pumpe in den Strömungskanal gedrückt werden. Alternativ kann der Flüssigkeitsstrom 410 durch das Gehäuse 404 auch durch Luftdiffusion erzeugt werden. Ausführungsformen, die Diffusion verwenden, reagieren langsamer, aber der Verzicht auf ein aktives Element wie eine Pumpe reduziert die Komplexität und die Kosten der Vorrichtung 400.
-
5 zeigt eine Draufsicht auf eine schematische Anordnung 500 von Wellenleiterkanälen, die innerhalb des Wellenleiters 104 der in 1 dargestellten Vorrichtung 100 gebildet werden können. 5 zeigt schematisch den Detektor 106 mit einer 8x8 großen zweidimensionalen Anordnung von Sensorelementen 112.
-
Die Anordnung 500 umfasst eine Vielzahl von Wellenleiterkanälen 502 und Wellenleiteraufteilern 504. Jeder der Wellenleiteraufteiler 504 ist so angeordnet, dass er einen Teil der Strahlung von der Strahlungsquelle 102 empfängt, diese elektromagnetische Strahlung aufteilt und einen Teil dieser elektromagnetischen Strahlung auf jeden der beiden Wellenleiterkanäle 502 richtet. Die Wellenleiterkanäle 502 und die Wellenleiteraufteiler 504 sind so hintereinander angeordnet, dass die Strahlung in jedem der beiden Wellenleiterkanäle 502, die Strahlung von einem der Wellenleiteraufteiler 504 empfangen, wiederum von einem anderen der Wellenleiteraufteiler 504 empfangen werden kann.
-
Auf diese Weise wird in der in 5 gezeigten beispielhaften Anordnung 500 die von einem ersten Wellenleiteraufteiler 504 empfangene Strahlung auf jeweils zwei Wellenleiterkanäle 502 aufgeteilt. Die Strahlung in diesen beiden Wellenleiterkanälen 502 wird dann von zwei Wellenleiteraufteilern 504 auf vier Wellenleiterkanäle 502 aufgeteilt. Die Strahlung in diesen vier Wellenleiterkanälen 502 wird dann durch vier Wellenleiteraufteiler 504 auf acht Wellenleiterkanäle 502 aufgeteilt. Die Strahlung in diesen acht Wellenleiterkanälen 502 wird dann durch acht Wellenleiteraufteiler 504 auf sechzehn Wellenleiterkanäle 502 aufgeteilt. Die Strahlung in diesen sechzehn Wellenleiterkanälen 502 wird dann durch sechzehn Wellenleiteraufteiler 504 auf zweiunddreißig Wellenleiterkanäle 502 aufgeteilt.
-
Diese zweiunddreißig Wellenleiterkanäle 502 können als Endwellenleiter 506 bezeichnet werden. Jeder dieser Endwellenleiter 506 ist so angeordnet, dass er die Strahlung zu einer anderen aus einer Vielzahl von diskreten Positionen 508 leitet, wobei jede dieser diskreten Positionen 508 an ein anderes der Sensorelemente 112 des Detektors 106 angrenzt. Auf diese Weise wird die Strahlung auf eine Vielzahl von diskreten Positionen 508 gerichtet, die an die Hälfte der Sensorelemente 112 des Detektors 106 angrenzen.
-
In der in 5 gezeigten Anordnung kann ein weiterer, nicht dargestellter Wellenleiter vorgesehen werden, um Licht um den Detektor 106 herum zu einer Kante des Detektors 106 gegenüber der Strahlungsquelle 102 zu leiten. Auf dieser gegenüberliegenden Seite des Detektors 106 kann eine weitere Anordnung 500 ähnlich der oben beschriebenen verwendet werden, um die Strahlung auf eine Vielzahl von diskreten Positionen 508 neben der anderen Hälfte der Sensorelemente 112 des Detektors 106 zu richten.
-
Es wird deutlich, dass in alternativen Ausführungsformen eine ähnliche Anordnung von Wellenleiterkanälen 502 und Wellenleiteraufteilern 504 verwendet werden kann, um die Strahlung zwischen einer anderen Anzahl oder Anordnung von diskreten Positionen 508 neben den Sensorelementen des Detektors 106 aufzuteilen.
-
Jeder Wellenleiterkanal 502 kann aus einem Kernmaterial gebildet werden, das von einem Mantelmaterial umgeben ist. Das Mantelmaterial begrenzt die Strahlung auf das Kernmaterial und leitet die Strahlung.
-
Zusätzlich zu einer Anordnung 500 des in 5 gezeigten und oben beschriebenen Typs kann der Wellenleiter 104 mit einer Vielzahl von Koppeloptiken an jeder der Vielzahl von diskreten Positionen 508 versehen sein, die so angeordnet sind, dass sie Strahlung aus den Endwellenleitern 506 auskoppeln, wie jetzt unter Bezugnahme auf die 6, 7 und 8 erörtert.
-
6 ist eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung 600 eines Teils eines Wellenleiters 602, der an ein einzelnes Sensorelement 112 des Detektors 106 (und einen zugehörigen individuellen Spektralfilter 124) angrenzt. 7 ist eine Querschnittsansicht der in 6 gezeigten schematischen Darstellung 600 durch die Linie A-A. 8 ist eine Querschnittsansicht der in 6 gezeigten schematischen Darstellung 600 durch die Linie B-B.
-
Wie in den 6 und 7 eher schematisch dargestellt, ist der Wellenleiter 602 so angeordnet, dass er Strahlung von der Strahlungsquelle 102 empfängt und sie auf eine von mehreren diskreten Stellen 604 neben einem der Sensorelemente 112 des Detektors 106 (und einem zugehörigen individuellen Spektralfilter 124) leitet. Der Wellenleiter 602 kann zum Beispiel einer der in 5 gezeigten und oben beschriebenen Endwellenleiter 506 sein. In ähnlicher Weise kann die diskrete Stelle 604 einer der mehreren diskreten Positionen 508 entsprechen, die in 5 dargestellt und oben beschrieben sind.
-
Wie in den 7 und 8 am besten dargestellt, besteht der Wellenleiter 602 aus einem Kernmaterial 606, das von einem Mantelmaterial 608 umgeben ist. Das Mantelmaterial 608 begrenzt die Strahlung auf das Kernmaterial 606 und leitet die Strahlung entlang des Wellenleiters 602. Es wird deutlich (siehe z. B. die in 5 gezeigte Anordnung 500), dass der Wellenleiter 602 einer aus einer Vielzahl von Wellenleitern sein kann, die in einem Körper 610 (des in 1 gezeigten und oben beschriebenen Wellenleiters 104) ausgebildet sind.
-
Der Wellenleiter 602 erstreckt sich von der Strahlungsquelle 102 bis zu der diskreten Stelle 604. An einem Ende des Wellenleiters 602 ist eine undurchsichtige Wand vorgesehen, um zu verhindern, dass sich die Strahlung aus dem Wellenleiter 602 in den Körper 610 ausbreitet.
-
In der Nähe der diskreten Stelle 604 ist eine Oberfläche des Mantelmaterials 608 des Wellenleiters 602, die sich distal zum Sensorelement 112 des Detektors 106 befindet, mit einem strukturierten Abschnitt 614 versehen. Der strukturierte Abschnitt 614 umfasst eine Vielzahl von Rillen in der Oberfläche des Mantelmaterials 608 des Wellenleiters 602, die sich distal zum Sensorelement 112 des Detektors 106 befindet. Zum besseren Verständnis sind diese Rillen des strukturierten Abschnitts 614 in den beiden Querschnittsansichten der 7 und 8 schematisch dargestellt. Die Rillen des strukturierten Abschnitts 614 können jede beliebige Querschnittsform haben. Beispielsweise können die Rillen des gemusterten Abschnitts 614 quadratisch oder abgerundet (z. B. kreisförmig) sein.
-
Der strukturierte Abschnitt 614 koppelt die Strahlung aus dem Wellenleiter über einen Bereich von Winkeln aus, wie in 8 schematisch dargestellt. Angrenzend an den strukturierten Abschnitt 614 ist eine Mikrolinsenanordnung 616 angeordnet. Die Mikrolinsenanordnung 616 kann aus einer geformten Kondensorlinsenanordnung bestehen. Die Mikrolinsenanordnung 616 ist so angeordnet, dass sie die Strahlung, die über den strukturierten Abschnitt 614 aus dem Wellenleiter 602 austritt, kollimiert und als Beleuchtungsstrahl 620 unter einem gewünschten Einfallswinkel auf die dem Sensorelement 112 benachbarte Empfängerstelle 122 richtet.
-
Wie oben erläutert, kann die Rezeptorstelle 122 mit einer metallischen Nanostruktur 622 (z. B. Goldnanopartikel) versehen sein, die durch einen Rezeptor funktionalisiert werden kann.
-
Der Beleuchtungsstrahl 620 regt die lokale Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) in der metallischen Nanostruktur 622 an, die ihrerseits Streustrahlung 624 aussendet.
-
Zumindest ein Teil der Streustrahlung 624 fällt auf das Sensorelement 112 des Detektors 106 (über den Körper 610 und den individuellen Spektralfilter 124).
-
Es wird deutlich, dass die in den 6, 7 und 8 gezeigte und oben beschriebene schematische Darstellung 600 nur ein Beispiel für eine Anordnung zum Auskoppeln von Strahlung aus einem Wellenleiter 602 und zum Leiten dieser Strahlung zu einer Rezeptorstelle 122 ist.
-
Es wird deutlich, dass die elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenleiter 104 in der Nähe der einzelnen Rezeptorstellen 122 auf verschiedene Weise ausgekoppelt werden kann. Zum Beispiel kann die Strahlung 110 innerhalb des Wellenleiters 104 an jeder der mehreren diskreten Positionen 604 mit Hilfe von Spiegeln, Prismen und/oder Mustern in einem Mantelmaterial des Wellenleiters 104 ausgekoppelt werden.
-
Alternativ kann eine andere Form des strukturierten Abschnitts 614 auf einer Oberfläche des Mantelmaterials 608 des Wellenleiters 602 gebildet werden, die sich distal zum Sensorelement 112 des Detektors 106 befindet und mit einem strukturierten Abschnitt 614 versehen ist. Beispiele für verschiedene strukturierte Abschnitte zum Auskoppeln von Strahlung aus einem Wellenleiter sind: Öffnungen im Mantelmaterial 608; dünnere Abschnitte des Mantelmaterials 608; ein Mantelmaterial mit einem anderen Brechungsindex (als die anderen Seiten des Mantelmaterials); oder andere gerillte Strukturen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Vorrichtung
- 102
- Strahlungsquelle
- 104
- Wellenleiter
- 106
- Detektor
- 108
- Spektralfilter
- 110
- elektromagnetische Strahlung
- 112
- Sensorelemente
- 114
- angrenzender Körperabschnitt
- 116
- distaler Körperabschnitt
- 118
- zentraler Wellenleiterabschnitt
- 120
- Oberfläche
- 122
- Rezeptorstelle
- 124
- einzelner Spektralfilter
- 126
- gedruckte Leiterplatte
- 128
- Barriere
- 200
- Absorptionsspektrum für Goldnanostäbchen
- 202
- Spektralfilter
- 204
- Absorptionsspektrum von Goldnanostäbchen, die mit einem Rezeptor funktionalisiert wurden
- 206
- Absorptionsspektrum von Goldnanostäbchen, die mit dem Rezeptor funktionalisiert wurden und an die ein Zielmolekül gebunden wurde
- 300
- Absorptionsspektrum für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 700 nm
- 302
- Absorptionsspektrum für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 750 nm
- 304
- Absorptionsspektrum für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 780 nm
- 306
- Absorptionsspektrum für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 808 nm
- 308
- Absorptionsspektrum für Nanostäbchen mit einer Resonanzwellenlänge von 850 nm
- 310
- Spektralfilter
- 400
- Vorrichtung
- 402
- Tochterkarte
- 404
- Gehäuse
- 406
- Anschluss
- 408
- Öffnungen
- 410
- Flüssigkeitsstrom
- 412
- Prozessor
- 414
- Sensoren
- 500
- Anordnung der Wellenleiterkanäle
- 502
- Wellenleiterkanäle
- 504
- Wellenleiteraufteiler
- 506
- Endwellenleiter
- 508
- diskrete Positionen
- 600
- Schematische Darstellung der Vorrichtung
- 602
- Wellenleiter
- 604
- diskrete Stelle
- 606
- Kernmaterial
- 608
- Verkleidungsmaterial
- 610
- Körper
- 614
- strukturierter Abschnitt
- 616
- Mikrolinsenanordnung
- 620
- Beleuchtungsstrahl
- 622
- metallische Nanostruktur
- 624
- Streustrahlung
-
Der Fachmann wird verstehen, dass in der vorangehenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen Positionsbegriffe wie „oben“, „entlang“, „seitlich“ usw. unter Bezugnahme auf konzeptionelle Abbildungen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, verwendet werden. Diese Begriffe werden der Einfachheit halber verwendet, sind aber nicht als einschränkend zu verstehen. Diese Begriffe sind daher so zu verstehen, dass sie sich auf ein Objekt beziehen, wenn es sich in einer Ausrichtung befindet, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
-
Obwohl die Offenbarung in Form von bevorzugten Ausführungsformen, wie oben dargelegt, beschrieben wurde, ist es zu verstehen, dass diese Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung dienen und dass die Ansprüche nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sind. Der Fachmann kann im Hinblick auf die Offenbarung Modifikationen und Alternativen vornehmen, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Jedes Merkmal, das in der vorliegenden Beschreibung offenbart oder dargestellt ist, kann in jede beliebige Ausführungsform eingebaut werden, sei es allein oder in einer geeigneten Kombination mit einem anderen hier offengelegten oder dargestellten Merkmal.
