DE19647644A1 - Mikromechanische Transmissionsmeßzelle - Google Patents
Mikromechanische TransmissionsmeßzelleInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Trans
missionsmeßzellen und Reaktoren mit integriertem optischem
Detektionsmechanismus und insbesondere auf eine mikromecha
nische Transmissionsmeßzelle zur Bestimmung einer optischen
Absorption eines Probenfluids.
Reaktoren sowohl mit als auch ohne integrierte Auswertekom
ponente werden gegenwärtig in verschiedenen Bereichen der
chemischen Analytik und Synthese eingesetzt. Eine in der
chemischen Analytik häufig verwendete Ausführungsform ist
die Mikrotiterplatte, die bei immunologischen Testverfahren,
wie z. B. dem Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay (ELISA), ver
wendet wird. Mikrotiterplatten bestehen üblicherweise aus
einem optisch transparenten Kunststoffkörper, der eine An
zahl von Vertiefungen als Reaktionsgefäße aufweist. Die In
nenwand der Reaktionsgefäße ist mit einer geeigneten bioche
mischen Rezeptorschicht belegt, die nach Einfüllen der Pro
benlösung eine selektive Bindung des zu bestimmenden Analyt
moleküls an mindestens eine Reaktorwand erlaubt. In weiteren
Reaktionsschritten wird im Reaktionsgefäß ein Farbumschlag
als Indikatorreaktion erzeugt, der eine Meßgröße für die
Menge an gebundenen Analytmolekülen darstellt. Die quantita
tive Bestimmung der Farbveränderung erfolgt üblicherweise
durch eine optische Transmissionsmessung durch das Reaktor
innenvolumen und den Kunststoffkörper hindurch.
Weitere Ausführungsformen von Mikroreaktoren bestehen aus
einem durchströmten Volumen, wie z. B. einer Kapillare oder
einem mit einem Trägermaterial gefüllten Strömungskanal, an
dessen innerer Fläche (der inneren Wandung bzw. Oberfläche
des Trägermaterials) eine Rezeptorschicht immobilisiert ist.
Ein derartiges System ist in E. Yacoub-George, H. Wolf, S.
Koch, P. Woias, A Miniaturized ISFET-ELISA System with a
Pretreated Fused Silica Capillary as Reaction Cartridge,
Proc. of the Transducers '95 - Eurosensors IX, Stockholm,
Schweden, 1995, S. 898-901, beschrieben. Der dabei verwen
dete chemische Reaktionsmechanismus gleicht dem oben be
schriebenen Vorgehen und erzeugt als letzten Schritt im Flüs
sigkeitsvolumen, das im Reaktor vorhanden ist, wiederum eine
Indikatorreaktion. Das Reaktorinnenvolumen wird anschließend
einer nachgeschalteten Auswertekomponente, wie z. B. einem
Photometer oder einem elektrochemischen Sensor, zugeführt,
um die quantitative Bestimmung der Indikatorreaktion durch
zuführen.
Wie auch Reaktoren mit und ohne integrierte Auswertekompo
nente werden auch optische Transmissionszellen derzeit in
verschiedensten Ausführungen in der chemischen Analytik und
Synthese eingesetzt. Einfache Ausführungsformen bestehen aus
Meßküvetten, die mit der zu analysierenden Flüssigkeit ge
füllt und in den Strahlengang einer Anordnung aus Lichtquel
le und optischem Detektor gebracht werden. Dagegen beinhal
ten Durchflußküvetten einen Strömungskanal, der in Strö
mungsrichtung oder auch quer zur Strömungsrichtung in den
Strahlengang der optischen Anordnung, die aus Lichtquelle
und optischem Detektor besteht, gebracht wird.
In E. Verpoorte, A. Manz, H. Lüdli, H.M. Widmer, B.H. van
der Schoot, N.F. de Rooij, A Novel Optical Detector for Use
in Miniaturized Total Chemical Analysis Systems, Transducers
'91, Book of Abstracts, S. 796-799, ist eine mikromechani
sche Durchflußküvette beschrieben, welche aus einem durch
anisotrope Ätzverfahren realisierten Kanal besteht, der an
seiner Oberfläche mit einem mit Fenstern versehenen Silizi
umchip abgedeckt ist. Durch Verwendung von Siliziumwafern
mit einer <100<-Kristallorientierung weisen die anisotrop
geätzten Kanalseitenwände die Orientierung der ätzresisten
ten <111<-Kristallebene auf. Wie es für Fachleute bekannt
ist, weist diese Ebene einen Winkel von etwa 54° zu einer
waagerechten Bezugsebene auf. Bei der bekannten mikromecha
nischen Durchflußküvette erfolgt die Lichteinkopplung durch
annähernd senkrechte Einstrahlung mit einem Lichtwellenlei
ter durch eine optisches Eintrittsfenster, der auf eine ge
neigte Stirnseite des geätzten Kanals justiert wird. Senk
recht bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine zur
Flußrichtung des Probenfluids senkrechte Richtung. Durch
Reflexion an der einen Stirnseite des Kanals wird Licht in
das Zelleninnere und durch Mehrfachreflexionen an den
Seitenwänden zur zweiten Stirnseite geführt, wo es durch ein
optisches Fenster, d. h. durch den Deckchip, aus dem Kanal
ausgekoppelt und in eine senkrecht zur Flußrichtung der
Probenflüssigkeit angeordnete Glasfaser eingespeist wird.
Die Auskopplung des Lichts erfolgt also an der zweiten
Stirnseite, wobei die Auskopplungsglasfaser zu einem Detek
tor führt, der konventionell aufgebaut sein kann.
Ein Nachteil der handelsüblichen Mikrotiterplatten besteht
darin, daß dieselben typische Reaktorinnenvolumina im Be
reich einiger ml und Diffusionsweglängen im Bereich einiger
mm aufweisen. Dies führt dazu, daß der Ablauf der chemischen
Prozesse im Inneren des Reaktors, d. h. die Bindung der Ana
lytmoleküle an die Rezeptorschicht, die Erzeugung der Indi
katorgröße, usw., hauptsächlich durch die vergleichsweise
langen Diffusionswege und die damit verbundenen langen Dif
fusionszeiten bestimmt wird. Die Dauer einer Analyse kann
daher im Bereich einiger Stunden liegen.
Ferner erfolgt die Prozessierung von Mikrotiterplatten-Tests
durch automatisierte Analysengeräte, die einen vergleichs
weise hohen Mechanisierungsgrad aufweisen müssen (z. B. Pi
pettierroboter, Platten-Transportmechanismen), wodurch die
Kosten und die Fehleranfälligkeit erhöht werden.
Die Verwendung von Reaktoren ohne integrierte Auswertekompo
nente erfordert im allgemeinen zusätzliche Transportschritte
am Ende der Indikatorreaktion, die zu erhöhtem Aufwand und
je nach Ausgestaltung zu Signalverlusten, wie z. B. durch
Vermischungsprozesse beim Transport in einem Durchflußsy
stem, führen können.
Optische Transmissionszellen nach dem Küvettenprinzip weisen
ein vergleichsweise großes Flüssigkeitsvolumen im Bereich
einiger ml auf und sind nicht für einen Durchflußbetrieb ge
eignet. Die automatische Prozessierung von Probenserien kann
dementsprechend nur mit hohem mechanischem Aufwand unter
Verwendung eines Robotersystem bzw. von Handlingautomaten,
erfolgen.
Optische Durchflußküvetten werden häufig in konventioneller
Technik, wie z. B. durch Kunststoff-Spritzguß, hergestellt,
wodurch eine Miniaturisierung nur bis zu einem gewissen Grad
möglich ist.
Die mikromechanische Durchflußküvette in Siliziumtechnolo
gie, die oben erwähnt ist, weist ferner, wie es oben be
schrieben wurde, eine bewußt gewählte senkrechte Lichtein
kopplung auf, damit ein Strahlengang mit Mehrfachreflexionen
an den Kanalwänden entsteht. Durch eine hohe Anzahl von
Mehrfachreflexionen soll die effektive optische Weglänge der
Zelle im Vergleich zum Kanaldurchmesser um Faktoren 10 bis
50 wesentlich erhöht werden, wodurch eine verbesserte Er
fassungsempfindlichkeit erreicht werden soll. Da die geätz
ten Kanalwände aus Silizium jedoch lediglich verlustbehaf
tete Reflexionen zulassen, muß in diese bekannte Transmis
sionsmeßzelle eine hohe Lichtleistung eingekoppelt werden,
um eine meßbare Lichtleistung am Ausgang auszukoppeln.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
mikromechanische Transmissionsmeßzelle zu schaffen, welche
einen geringen Probenfluid- bzw. Reagenzienverbrauch ermög
licht und eine hohe Erfassungsgenauigkeit erreicht.
Diese Aufgabe wird durch eine mikromechanische Transmis
sionsmeßzelle gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für eine
hohe Erfassungsgenauigkeit Mehrfachreflexionen von in einen
Probenfluidbehälter eingekoppeltem Licht an der Behälter
innenwand vermieden werden müssen, um die Reflexionsverluste
in dem Probenfluidbehälter auf ein Minimum zu bringen. Daher
wird bei der mikromechanischen Transmissionszelle gemäß der
vorliegenden Erfindung ein quasiparalleles Lichtstrahlen
bündel, das im folgenden als "Lichtstrahl" bezeichnet wird,
mit einem Durchmesser, der kleiner als der Innenquerschnitt
des Fluidbehälters ist, zur Transmissionsmessung verwendet.
Der "Lichtstrahl" wird definiert auf eine erste Reflektor
einrichtung derart eingekoppelt, daß er den Probenfluidbe
hälter, der mikromechanisch in einem Siliziumsubstrat her
gestellt sein kann, weitgehende ohne Mehrfachreflexionen an
der Behälterwand durchläuft. Diese Reflektoreinrichtung kann
beispielsweise mit Gold beschichtet sein, wodurch ihre Re
flexionseigenschaften optimal werden. Es ist nicht notwen
dig, die restliche Innenwand mit Gold zu beschichten, da
lediglich ein kleiner Anteil des in den Behälters eingespei
sten Lichts Mehrfachreflexionen an der Behälterwand erfährt.
Das zur Messung verwendete Licht kann in der Regel nicht als
"Lichtstrahl" vorliegen, sondern dasselbe kann divergent
sein. In solchen Fällen kann optional ein kollimierendes
Linsensystem an geeigneter Stelle in dem Lichtstrahlengang
eingefügt werden. Diese Verfahren ist aus der Optik allge
mein bekannt. Wird das aus einem Lichtwellenleiter austre
tenden divergente Licht verwendet, so wird zweckmäßigerweise
eine Gradientenlinse geeigneter Länge unmittelbar auf die
Endfläche des Lichtwellenleiters aufgebracht.
Die mikromechanische Transmissionszelle zur Bestimmung der
optischen Absorption eines Probenfluids umfaßt einen Behäl
ter zum Halten des Probenfluids, eine Lichtdurchlaßöffnung
zum Einführen des Lichts in den Behälter und die Reflektor
einrichtung, die das Licht derart bezüglich des Behälters
richtet, daß ein Großteil des Lichts den Behälter ohne Mehr
fachreflexionen an einer Behälterwand durchläuft.
Im Vergleich zu makroskopischen Reaktoren, wie z. B. der ein
gangs beschriebenen Mikrotiterplatte, bietet die mikromecha
nische Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung
den Vorteil des geringen Reaktorinnenvolumens, der durch die
mikromechanische Siliziumverarbeitungstechnik möglich ist.
Dadurch ergeben sich kurze Diffusionswege und Diffusions
zeiten, ein geringer Reagenzien- und Analyt- bzw. Proben
fluid-Verbrauch. Die mikromechanische Transmissionszelle
kann eine Probenfluideinlaßöffnung aufweisen, durch die ein
Probenfluid in den Behälter eingebracht wird, wonach sie im
sogenannten "Stopped-Flow" Betrieb betrieben wird, d. h. das
Probenfluid fließt nicht durch die mikromechanische Trans
missionsmeßzelle durch sondern steht gewissermaßen in der
selben. Durch Vorsehen einer Probenfluidauslaßöffnung kann
die mikromechanische Transmissionszelle gemäß der vorlie
genden Erfindung jedoch auch im Durchflußbetrieb eingesetzt
werden. Sie weist somit eine hohe Flexibilität im Einsatz
auf. Bei Vorhandensein einer Ein- und einer Auslaßöffnung
ist ebenfalls der "Stopped-Flow"-Betrieb möglich. In diesem
Fall wird das Reagens eingepumpt, wonach die Pumpe gestoppt,
und der Ablauf der Reaktion abgewartet werden.
Im Vergleich zu Reaktoren ohne integrierte Auswertekompo
nente (wie z. B. einer Fused Silica Kapillare) ermöglicht sie
eine in-situ-Bestimmung von Reaktionsergebnissen ohne den
Aufwand zusätzlicher Transporte. Ferner können Reaktionsab
läufe im Reaktorinnenvolumen beispielsweise durch Messungen
der Reaktionskinetik in-situ-mäßig bestimmt werden.
Wie es bereits erwähnt wurde, bestehen die Hauptvorteile der
mikromechanischen Transmissionszelle gegenüber der bekannten
mikromechanischen Durchflußküvette mit integrierter Auswer
tekomponente in der minimalen Anzahl von Reflexionen in dem
Probenfluidbehälter durch die Wahl des Strahlenganges pa
rallel oder senkrecht zur Strömungsrichtung sowie parallel
zur Behälterwand, wodurch Reflexionsverluste des durch den
Behälter transmittierten Lichts minimiert werden. Ferner er
laubt die mikromechanische Transmissionszelle gemäß der vor
liegenden Erfindung beliebige Kombinationsmöglichkeiten der
Lichtein- und Lichtauskopplung bzw. der fluidischen Zu- und
Abfuhr auf der Ober- bzw. Unterseite des Behälters.
Die mikromechanische Transmissionszelle gemäß der vorliegen
den Erfindung kann durch Immobilisierung einer biochemischen
Komponente an der Behälterinnenwand, welche durch Wechsel
wirkung mit einem zugehörigen, zu detektierenden Reaktions
partner, wie z. B. einem Enzymsubstrat oder einem Antigen,
eine chemische Reaktion im Reaktorinneren auslöst bzw. be
einflußt und so ein optisch detektierbares Reaktionsergebnis
erzeugt, das mit der Analytkonzentration korreliert werden
kann, auch als biochemischer Reaktor eingesetzt werden, ohne
daß die Transmission durch die Reflexionseigenschaften der
biochemischen Komponente an der Innenwand der Behälters
beeinflußt wird. Ohne Immobilisierung einer biochemischen
Komponente an dem Behälter kann die mikromechanische Trans
missionszelle als universell einsetzbare Transmissionszelle
verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Grundstruktur der Transmissionszelle mit ge
neigten Wänden an den Stirnflächen eines Behälters
und mit einer Lichteinkopplung aus einem
Lichtwellenleiter;
Fig. 2 eine Grundstruktur des Reaktors mit geneigten Wän
den an den Seitenflächen des Behälters;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die mikromechanische Transmis
sionszelle von Fig. 1, bei der der Deckel entfernt
ist;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der mikromechanischen
Transmissionszelle von Fig. 3, bei der eine Einlaß- und
eine Auslaßöffnung direkt unterhalb bzw. ober
halb des Behälters gezeigt sind;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine bezüglich Fig. 4 modifi
zierte Transmissionszelle mit seitlichem Einlaß;
Fig. 6 eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A von
Fig. 5;
Fig. 7 eine mikromechanische Transmissionszelle gemäß ei
nem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er
findung;
Fig. 8 eine mikromechanische Transmissionszelle gemäß ei
nem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung mit integrierter Ein- und Auskoppeloptik
für Lichtwellenleiter;
Fig. 9 eine mikromechanische Transmissionszelle gemäß ei
nem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung; und
Fig. 10 eine mikromechanische Transmissionszelle gemäß ei
nem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung.
Die mikromechanische Transmissionszelle der vorliegenden
Erfindung kann für eine integrierte optische Transmissions
messung verwendet und vollständig durch die Verfahren der
Silizium-Mikromechanik hergestellt und miniaturisiert wer
den. Die mikromechanische Transmissionszelle kann für die
folgenden Zwecke verwendet werden:
An der Innenwand des Reaktors wird eine biochemische Kompo
nente immobilisiert, wie z. B. ein Enzym oder ein Rezeptor,
die durch Wechselwirkung mit einem zugehörigen, zu detektie
renden Reaktionspartner, wie z. B. einem Enzymsubstrat oder
Antigen, eine chemische Reaktion im Reaktorinneren auslöst
bzw. beeinflußt und so ein optisch detektierbares Reaktions
ergebnis erzeugt, das mit der Analytkonzentration korreliert
werden kann.
Des weiteren kann die mikromechanische Transmissionszelle
gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Immobilisierung einer
biochemischen Komponente als universell einsetzbare Trans
missionszelle verwendet werden. Durch das geringe realisier
bare Innenvolumen können zeitlich und lokal aufgelöste Mes
sungen wesentlich besser durchgeführt werden als mit makros
kopischen Zellen. Beispielsweise kann der Ablauf einer che
mischen Reaktion im Inneren der vom Reaktionsmedium durch
strömten Zelle unmittelbar anhand eines optisch detektier
baren Reaktionsergebnisses überwacht werden. Auf diese Weise
kann die Reaktionskinetik unmittelbar verfolgt und eventuell
durch geeignete Wahl der Reaktionsparameter, wie z. B. der
Durchflußrate, des Mischungsverhältnisses der Reagenzien vor
der Zelle, während der Messung, d. h. on-line, gesteuert wer
den.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen das fluidische Grundkonzept der
mikromechanischen Transmissionszelle gemäß der vorliegenden
Erfindung. Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch die Zelle
12 dar, wohingegen Fig. 2 einen Querschnitt derselben lie
fert. In einem Substrat 10, das vorzugsweise aus Silizium
besteht, ist ein Behälter 12 gebildet. In den Behälter 12
kann mittels einer Einlaßöffnung 14 ein Probenfluid einge
führt werden, welches durch eine Auslaßöffnung 16 aus dem
Behälter 12 austreten kann. Wie es in Fig. 1 und Fig. 2 ge
zeigt ist, weisen sowohl die Einlaßöffnungen 14 als auch die
Auslaßöffnung 16 sowie der Behälter 12 geneigte Wände 18, 26
auf, die mittels bekannter anisotroper Ätzverfahren für Si
lizium, wie z. B. Ätzen mit Kalilauge, hergestellt werden. An
dieser Stelle sei angemerkt, daß die Ein- bzw. die Auslaß
öffnung 14, 16 keine geneigten Wände benötigen. Für Fach
leute ist es offensichtlich, daß das anisotrope Ätzen mit
Kalilauge relativ glatte geneigte Wände 18, 26 ergibt, die
auch zur Reflexion von Licht ohne nennenswerte Streuung ge
eignet sind.
Wenn die mikromechanische Transmissionszelle sowohl die Ein
laßöffnung 14 als auch die Auslaßöffnungen 16 aufweist,
dient der Behälter 12 als Probenfluidkanal. Auf der dem
Substrat 10 gegenüberliegenden Seite ist der Behälter 12
durch einen Deckel 20 abgeschlossen. Aus der weiteren Be
schreibung wird es offensichtlich, daß die Querschnitt- bzw.
Längsschnittform des Behälters 12 unerheblich ist, solange
Licht derart in den Behälter 12 gerichtet wird, damit mög
lichst wenig Mehrfachreflexionen des Lichts an den Wänden
auftreten.
In Fig. 1 ist beispielhaft die Transformation eines aus ei
nem Lichtwellenleiter 7 austretenden, divergenten Strahlen
bündels in ein quasiparalleles Strahlenbündel 24 ("Licht
strahl") mit Hilfe einer Gradientenlinse 6 gezeigt.
Wie es in Fig. 3 zu sehen ist, weist der Behälter 12 der
optischen Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfin
dung bevorzugterweise eine längliche Form auf. Insbesondere
zeigt Fig. 3 eine Draufsicht auf die mikromechanische Trans
missionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der der
Deckel 20 weggelassen ist. Bei dieser Variante ist durch das
Siliziumsubstrat 10 eine Einlaßöffnung 14 zum Einführen ei
nes Probenfluids in den Behälter 12 gebildet. Wie es aus
Fig. 4 ersichtlich ist, ist die Auslaßöffnung 16 jedoch
nicht, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ebenfalls in dem
Siliziumsubstrat 10 gebildet, sondern in dem Deckel 20.
Der Deckel 20, der den Behälter an der Substratoberseite ab
schließt, sollte aus einem geeigneten Material bestehen, das
abhängig von der Art der nachfolgend beschriebenen Lichtein
kopplung zumindest stellenweise eine optische Transparenz
aufweisen muß. Ein geeignetes Material für den Deckel 20
könnte beispielsweise Glas sein. Abgesehen von den für die
Lichtein- bzw. Lichtauskopplung erforderlichen optisch
transparenten Fenstern kann die gesamte Innenwand des Behäl
ters, vorzugsweise jedoch lediglich die als Spiegelflächen
bzw. Reflektoreinrichtungen verwendeten geneigten Wände 18
beschichtet werden, um ein optimales optisches Reflexions
verhalten zu erzielen. Ein geeignetes Beschichtungsmaterial
für Silizium ist beispielsweise Gold.
Wie es aus dem Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 1 offensicht
lich ist, können der Zu- und Abfluß des Behälters 12 auf be
liebige Art und Weise kombiniert werden. Der Zu- und der Ab
fluß können entweder an der Rückseite des Substrats 10 oder
im Deckel 20 realisiert werden.
Wie es in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt ist, wobei Fig. 6 ein
Querschnitt entlang der Linie A-A von Fig. 5 ist, kann die
Einlaßöffnung 14 bzw. die Auslaßöffnung 16 (Fig. 6) auch
seitlich von dem Behälter 12 angeordnet werden, wobei die
selben mittels eines kurzen Zuführungskanals 22 jeweils mit
dem Behälter 12 verbunden sind.
Fig. 7 zeigt eine Funktionsdarstellung der mikromechanischen
Transmissionszelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Durch den transparenten Deckel
20 wird der "Lichtstrahl" 24, der schematisch durch einen
Strahlenzug dargestellt ist, unter einem definierten Winkel
auf eine Reflektoreinrichtung 26 eingestrahlt. Die Reflek
toreinrichtung 26 ist bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausfüh
rungsbeispiel der mikromechanischen Transmissionsmeßzelle
als eine geneigte Wand des Behälters 12 realisiert, welche
mit einer hochreflektierenden Schicht, beispielsweise mit
Gold, beschichtet sein kann, um ein optimales Reflexionsver
halten zu erreichen.
Der "Lichtstrahl" 24 (im nachfolgenden auch als das "Licht"
24 bezeichnet) wird von einem ersten Medium mit einem Bre
chungsindex n1, das beispielsweise Luft sein kann, in den
optisch transparenten Deckel 20 mit einem Brechungsindex n2
und von dort in das Probenfluid mit dem Brechungsindex n3
eingestrahlt, um von der Reflektoreinrichtung 26 zu einer
weiteren Reflektoreinrichtung im wesentlichen parallel zu
der einen Behälterwand, die durch das Substrat 10 realisiert
ist, und der anderen Behälterwand, die durch die Unterseite
des Deckels 20 realisiert ist, zu einer weiteren Reflektor
einrichtung 28 gerichtet zu werden, welche wiederum durch
eine geneigte Wand des Behälters 12 realisiert sein kann,
die optional mit Gold beschichtet ist. Von der weiteren Re
flektoreinrichtung 28 aus wird das Licht von dem Probenfluid
mit dem Brechungsindex n3 wieder in den optisch transparen
ten Deckel mit dem Brechungsindex n2 und von dort in das
äußere Medium mit dem Brechungsindex n1, das Luft sein kann,
gerichtet, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.
Der optisch transparente Deckel 20 in Fig. 7 wirkt somit als
Lichtdurchlaßöffnung 30 zum Einkoppeln des Lichts 24 in den
Behälter 12 und gleichzeitig als weitere Lichtdurchlaßöff
nung 32, um das Licht 24 aus dem Behälter 12 wieder austre
ten zu lassen. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß der
Deckel 20 nicht unbedingt vollständig aus transparentem Ma
terial sein muß, sondern daß derselbe beispielsweise eben
falls aus dem Substratmaterial 10, wie z. B. Silizium, gebil
det sein kann, wobei er jedoch dann als die Lichtdurchlaß
öffnung 30 ein transparentes Fenster und auch für die weite
re Lichtdurchlaßöffnung 32 ebenfalls ein entsprechend ge
staltetes transparentes Fenster aufweisen muß. Falls kein
"Lichtstrahl", also kein vollständig kollimiertes Licht zur
Verfügung steht, so wird dasselbe jedoch durch die Einkopp
lung des Lichts 24 auf die Reflektoreinrichtung 26 annähernd
parallel zu den Begrenzungswänden des Behälters 12 gerichtet
sein, derart, daß ein Großteil des Lichts 24 den Behälter 12
ohne Mehrfachreflexionen an einer Wand desselben durchläuft.
In diesem Fall kann es sinnvoll sein, die Seitenwände des
Behälters vollständig mit einer hochreflektierenden Schicht,
z. B. Gold, zu versehen. Ein wesentlicher Punkt der vorlie
genden Erfindung besteht demnach darin, daß das Licht 24 im
wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats 10 läuft,
die die bezüglich Fig. 7 untere Wand des Behälters 12 bil
det.
Die Neigung der Reflektoreinrichtung 26 sowie der weiteren
Reflektoreinrichtung 28 bezüglich der Längsrichtung des Be
hälters 12 kann durch das anisotrope Kaliumlauge-Ätzen be
stimmt sein, wodurch sich ein Neigungswinkel von etwa 55∘
ergibt. Geneigte Wände mit anderen Neigungswinkeln oder ex
tra in dem Probenfluidbehälter geformte Reflektoren können
jedoch ebenfalls bei der Transmissionszelle gemäß der vor
liegenden Erfindung verwendet werden, solange ein Großteil
des in den Probenfluidbehälter eingestrahlten Lichts den
selben ohne Mehrfachreflexionen an der Behälterwand durch
läuft. Durch den Einkopplungswinkel des Lichtstrahls 24 in
den transparenten Deckel 20 kann jeder beliebige Einfalls
winkel des Lichts 24 auf die Reflektoreinrichtung 26 er
reicht werden, derart, daß der Strahl im wesentlichen pa
rallel zu dem Substrat 10 geführt wird, wodurch nur ein
geringer Teil an Mehrfachreflexionen an einer Wand des Be
hälters 12 auftritt, um optische Verluste in dem Behälter 12
minimal zu halten. Durch den Einkopplungswinkel des Lichts
24 in den optisch transparenten Deckel kann somit jede
Brechzahl n3 des Probenfluids ausgeglichen werden, wodurch
die optische Transmissionsmeßzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung eine große Flexibilität im Einsatz aufweist, um
immer eine möglichst optimal parallele Führung des Lichts zu
erreichen.
Die Bestimmung der transmittierten Lichtintensität, d. h. des
Lichts, das durch die weitere Lichtdurchlaßöffnung 32 aus
dem Deckel 20 austritt, erfolgt mit Hilfe eines für Fachleu
te bekannten Detektionsverfahrens.
Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der optischen
Transmissionsmeßzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Im
Vergleich zum in Fig. 7 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel
weist das zweite Ausführungsbeispiel zusätzlich eine
Ein/Auskopplungseinrichtung 34 für Lichtwellenleiter auf, welche
einen Einkopplungsspiegel 36, einen Auskopplungsspiegel 38,
und zwei Kugellinsen 6 und die zwei Lichtwellenleiter 7 auf
weist. Die Ein/Auskopplungseinrichtung besteht vorzugsweise
ebenfalls aus einem Siliziumchip, wobei der Einkopplungs
spiegel 36 sowie der Auskopplungsspiegel 38 als geneigte
Seitenflächen realisiert sind, sowie die Lichtwellenleiter 7
und die Linsen 6 selbstjustierend in V-förmig geätzte Ver
tiefungen positioniert sind, wie es in Fig. 8 dargestellt
ist.
Optional können der Einkopplungsspiegel 36 sowie der Aus
kopplungsspiegel 38 z. B. mit Gold beschichtet werden, um
das Reflexionsverhalten der Spiegel zu optimieren.
Der optische Brechungsindex n1 zwischen dem Ein- und dem
Auskopplungsort und dem jeweiligen ersten Reflexionspunkt
kann zur Erzielung einer exakt achsparallelen Lichteinkopp
lung dem Brechungsindex des Mediums im Kanal n3 angepaßt
werden. Diese Anpassung kann beispielsweise durch optisch
transparente Vergußmassen oder Flüssigkeiten in dem mit n1
bezeichneten Raum in Fig. 8 erreicht werden. Der Brechungs
index n2 des Deckels 20 erzeugt unter diesen Umständen nur
eine Parallelverschiebung der Lichtstrahlen, die beim Ent
wurf der optischen Transmissionsmeßzelle gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berücksich
tigt werden kann.
Gegenüber dem ersten in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel
weist das in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel ferner den
Vorteil auf, daß die Fehleranfälligkeit gegenüber einem fal
schen Einkopplungswinkel in den optischen transparenten
Deckel 20 beim zweiten Ausführungsbeispiel deutlich redu
ziert ist, da das in Fig. 8 gezeigte zweite Ausführungs
beispiel immer eine parallel zu dem Substrat 10 bzw. zu der
Ein/Auskopplungsvorrichtung 34 ausgerichtete Einkopplung
möglich macht, wobei der Brechungsindex n3, wie es erwähnt
wurde, gewissermaßen durch das Medium mit dem Brechungsindex
n1 strukturmäßig berücksichtigt wird.
Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der mikromecha
nischen Transmissionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Einkopplung bzw.
Auskopplung des Lichts 24 an der Rückseite des Substrats 10,
wodurch es nicht mehr erforderlich ist, daß der Deckel 20
optisch transparent ist. Um eine Einkopplung des Lichts 24
auf die Reflektoreinrichtung 26 zu ermöglichen, wird ein
Lichtschacht 40 in dem Substrat 10 hergestellt. Die Auskopp
lung des Lichts 24 erfolgt durch einen weiteren Lichtschacht
42, der ebenfalls in dem Substrat 10 hergestellt ist, wie es
in Fig. 9 gezeigt ist. Der Lichtschacht 40 und der weitere
Lichtschacht 42 sind als geätzte Vertiefungen ausgeführt,
die an die Stirnseiten des Behälters 12 bzw. an gegenüber
liegenden Stellen der Behälterwände anschließen und zum Be
hälter hin jeweils eine optisch transparente Membran auf
weisen. Die optisch transparente Membran 30 dient somit als
Lichtdurchlaßöffnung, während die optisch transparente Mem
bran 32 als weitere Lichtdurchlaßöffnung zum Auskoppeln des
Lichts 24 aus dem Behälter 12 wirkt. Die Einkopplung und
Auskopplung des Lichts erfolgt durch Reflexion an der Re
flexionseinrichtung 26 bzw. an der weiteren Reflektorein
richtung 28, welche als geneigte Wände in dem Lichtschacht
40 bzw. in dem weiteren Lichtschacht 42 realisiert sind. Der
Einstrahlwinkel des Lichts 24, die Einstrahlebene und die
Einstrahlorte sind wiederum so gewählt, daß in dem Behälter
12 ein Strahlengang parallel zur Oberfläche des Substrats 10
und entweder parallel (Stirneinstrahlung) oder senkrecht
(Seiteneinstrahlung) zur Strömungsrichtung des Probenfluids
entsteht, das beispielsweise durch die in Fig. 5 oder Fig. 6
gezeigte seitliche Konfiguration in den Behälter 12 ein- bzw.
ausgeführt wird.
Fig. 10 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der optischen
Transmissionsmeßzelle gemäß der vorliegenden Erfindung, wel
ches dem in Fig. 8 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel
ähnlich ist, wobei jedoch nun das Licht 24 von der Rückseite
des Substrats 10 aus über den Einkopplungsspiegel der
Ein-/Auskopplungseinrichtung 34 durch die Lichtdurchlaßöffnung
30 und durch die weitere Lichtdurchlaßöffnung 32 zu der wei
teren Reflektoreinrichtung 28 und von dort auf den Auskopp
lungsspiegel 38 gerichtet wird, um die Transmissionszelle zu
verlassen. Zur Erreichung eines optimal parallelen Strahlen
gangs in dem Behälter 12 kann zum Auffüllen der Lichtschäch
te 40 und 42, wie es bezüglich Fig. 8 beschrieben wurde, ein
Material mit einem bestimmten Brechungsindex n1 verwendet
werden.
In Abweichung von den im Vorhergehenden beschriebenen Aus
führungsbeispielen könnte beispielsweise statt der weiteren
Reflektoreinrichtung 28 eine Lichtdurchlaßöffnung beispiels
weise mittels einer mikromechanischen Bohrung in dem Sub
strat 10 vorhanden sein, um das Licht 24 ohne eine zweite
Reflexion in dem Behälter 12 aus demselben heraus zu führen.
Ferner könnte die weitere Reflektoreinrichtung 28 statt
einer geneigten Wand zum Richten des Lichts 24 in den Deckel
20 als senkrecht stehender Spiegel ausgeführt sein, wodurch
das Licht 24 nach dem Einkoppeln auf die Reflektoreinrich
tung 26 und dem parallelen Verlauf durch den Behälter voll
ständig auf dem gleichen Weg zurück reflektiert wird und
durch eine Reflexion an der Reflektoreinrichtung wieder auf
dem gleichen Weg der Einkopplung aus dem Behälter 20 aus
tritt. Fachleute wissen, wie ein hin- und rücklaufender op
tischer Strahl getrennt werden kann, wie z. B. durch optische
Filtereinrichtungen.
Claims (19)
1. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle zur Bestimmung
einer optischen Absorption eines Probenfluids, mit fol
genden Merkmalen:
einem in einem Substrat (10) gebildeten Behälter (12) zum Halten des Probenfluids;
einer Lichtdurchlaßöffnung (30) zum Einführen des Lichts in den Behälter (12);
einer Reflektoreinrichtung (26), die das Licht (24) derart bezüglich des Behälters (12) richtet, daß ein Großteil des Lichts (24) den Behälter (12) ohne Mehr fachreflexionen an einer Wand des Behälters (12) durch läuft.
einem in einem Substrat (10) gebildeten Behälter (12) zum Halten des Probenfluids;
einer Lichtdurchlaßöffnung (30) zum Einführen des Lichts in den Behälter (12);
einer Reflektoreinrichtung (26), die das Licht (24) derart bezüglich des Behälters (12) richtet, daß ein Großteil des Lichts (24) den Behälter (12) ohne Mehr fachreflexionen an einer Wand des Behälters (12) durch läuft.
2. Mikromechanische Transmissionsmeßzelle nach Anspruch 1,
bei der das Substrat (10) aus Silizium besteht.
3. Mikromechanische Transmissionszelle nach Anspruch 1
oder 2,
bei der der Behälter (12) eine längliche Form aufweist.
4. Mikromechanische Transmissionszelle nach einem der An
sprüche 1 bis 3,
bei der der Behälter (12) durch einen Deckel (20) ab
geschlossen ist.
5. Mikromechanische Transmissionszelle nach Anspruch 3
oder 4,
bei der die Reflektoreinrichtung (26) eine bezüglich
der Längsrichtung des Behälters (12) geneigte Wand ist.
6. Mikromechanische Transmissionszelle nach einem der
Ansprüche 1 bis 5,
bei der eine Strahltransformation von eingespeistem
Licht in ein im wesentlichen paralleles Strahlenbündel
(24) durch eine Linse (6) bewirkt wird, wohingegen eine
weitere Linse (6) den umgekehrten Vorgang bewirkt.
7. Mikromechanische Transmissionszelle nach Anspruch 5
oder 6,
bei der ein Neigungswinkel der Reflektoreinrichtung
(26) durch einen Ätzprozeß zum Bearbeiten des Silizium
substrats festgelegt ist.
8. Mikromechanische Transmissionszelle nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
die ferner eine Einlaßöffnung (14) in dem Substrat (10)
zum Einführen des Probenfluids in den Behälter (12)
aufweist.
9. Mikromechanische Transmissionszelle nach Anspruch 8,
die ferner eine in dem Substrat (10) oder in dem Deckel
(20) gebildete Auslaßöffnung (16) für das Probenfluid
aufweist, um einen Durchfluß des Probenfluids durch den
Behälter (12) zu erlauben.
10. Mikromechanische Transmissionszelle nach einem der vor
hergehenden Ansprüche, welche ferner folgende Merkmale
aufweist:
eine weitere Reflektoreinrichtung (28), die von der Re flektoreinrichtung (26) entfernt in dem Weg des Lichts (24) durch den Behälter (12) angeordnet ist und das be züglich des Behälters (12) gerichtete Licht aus dem Be hälter (12) heraus richtet; und
eine weitere Lichtdurchlaßöffnung (32), aus der das durch die weitere Reflektoreinrichtung (28) gerichtete Licht aus dem Behälter (12) austritt.
eine weitere Reflektoreinrichtung (28), die von der Re flektoreinrichtung (26) entfernt in dem Weg des Lichts (24) durch den Behälter (12) angeordnet ist und das be züglich des Behälters (12) gerichtete Licht aus dem Be hälter (12) heraus richtet; und
eine weitere Lichtdurchlaßöffnung (32), aus der das durch die weitere Reflektoreinrichtung (28) gerichtete Licht aus dem Behälter (12) austritt.
11. Mikromechanische Transmissionszelle nach Anspruch 10,
bei die Lichtdurchlaßöffnung (30) und die weitere
Lichtdurchlaßöffnung (32) mittels des Deckels (20) ge
bildet sind, der aus einem für das Licht (24) transpa
renten Material besteht.
12. Mikromechanische Transmissionszelle nach Anspruch 11,
bei der auf der Seite des Deckels (20), die dem Behäl
ter (12) gegenüberliegt, eine Ein/Auskopplungseinrich
tung (34) angeordnet ist, die einen Einkopplungsspiegel
(36) und einen Auskopplungsspiegel (38) aufweist, die
derart bezüglich der Lichtdurchlaßöffnungen (30, 32)
geneigt sind, daß Licht in der Richtung in die Trans
missionszelle ein- bzw. aus derselben auskoppelbar ist,
in der es in dem Behälter (12) für das Probenfluid
läuft.
13. Mikromechanische Transmissionszelle nach einem der An
sprüche 1 bis 9,
bei der die Reflektoreinrichtung (26) außerhalb des Be
hälters (12) in einem in dem Substrat (10) gebildeten
Lichtschacht (40) angeordnet ist.
14. Mikromechanische Transmissionszelle nach Anspruch 13,
die ferner folgende Merkmale aufweist:
eine weitere Lichtdurchlaßöffnung (32), durch die das durch den Behälter (12) laufende Licht (24) aus demsel ben austritt;
eine in einem weiteren Lichtschacht (42) gebildete wei tere Reflektoreinrichtung (28), die das durch die wei tere Lichtdurchlaßöffnung (32) laufende Licht (24) von dem Substrat (10) weg richtet.
eine weitere Lichtdurchlaßöffnung (32), durch die das durch den Behälter (12) laufende Licht (24) aus demsel ben austritt;
eine in einem weiteren Lichtschacht (42) gebildete wei tere Reflektoreinrichtung (28), die das durch die wei tere Lichtdurchlaßöffnung (32) laufende Licht (24) von dem Substrat (10) weg richtet.
15. Mikromechanische Transmissionszelle nach Anspruch 13
oder 14,
bei der der Deckel (20) nicht für das Licht transparent
ist.
16. Mikromechanische Transmissionszelle nach Anspruch 14
oder 15,
bei der in der Nähe der Lichtschächte (40, 42) eine
Ein/Auskopplungseinrichtung (34) angeordnet ist, die
einen Einkopplungsspiegel (36) und einen Auskopplungs
spiegel (38) aufweist, welche derart bezüglich der Re
flexionseinrichtung (26) bzw. der weiteren Reflektor
einrichtung (28) geneigt sind, daß das Licht (24) in
der Richtung in die mikromechanische Transmissionszelle
ein- bzw. aus derselben auskoppelbar ist, in der es
durch den Behälter (12) für das Probenfluid läuft.
17. Mikromechanische Transmissionszelle nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
bei der an einer Innenwand des Behälters (12) eine bio
chemische Komponente immobilisiert ist, die durch
Wechselwirkung mit einem zu erfassenden Reaktionspart
ner in dem Probenfluid eine chemische Reaktion bewirkt,
die ein optisch erfaßbares Reaktionsergebnis liefert.
18. Mikromechanische Transmissionszelle nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Reflektoreinrichtung (26) bzw. die weitere
Reflektoreinrichtung (28) eine hochreflektierende
Beschichtung aufweisen.
19. Mikromechanische Transmissionszelle nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Innenwände des Behälters (12) ganz oder
teilweise mit einer hochreflektierenden Beschichtung
versehen sind.
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |