DE19830727A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Nachweis physikalischer oder chemischer Wechselwirkungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Nach­ weis einer An- oder Einlagerung mindestens einer stofflichen Spezies an oder in mindestens einer dünnen Schicht aufgrund physikalischer oder chemischer Wechselwirkung sowie ein mit der Vorrichtung durchführbares Verfahren.

Derartige Vorrichtungen und Verfahren können insbesondere zum Nachweis physikalischer, chemischer, biochemischer oder bio­ logischer Vorgänge eingesetzt werden. Es ist schon eine Viel­ zahl optischer Meßmethoden zum Nachweis derartiger Vorgänge vorgeschlagen worden. Diese Methoden haben sich teilweise auch schon Interferenzerscheinungen, d. h. die Überlagerung zweier oder mehrerer Lichtstrahlen, zunutze gemacht.

Aus der DE 42 00 088 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Licht eines geeigneten Spektralbereiches auf eine dünne Schicht eingestrahlt wird. Die Interferenzerscheinungen an der dünnen Schicht führen zu einer Modulation des Reflexions- oder Transmissionsspektrums. Wenn an oder in der dünnen Schicht Wechselwirkungen mit stofflichen Spezies und/oder der Spezies untereinander stattfinden, dann können diese zu Änderungen der optischen Schichtdicke der dünnen Schicht führen. Diese Änderungen aufgrund der Wechselwirkung machen sich als Ände­ rungen des Reflexions- oder Transmissionsspektrums bemerkbar. Das Spektrum wird spektral erfaßt, und aus der Änderung der optischen Schichtdicke kann Information über die Art der Wechselwirkung abgeleitet werden. Die "optische Schichtdicke" kann als Produkt von Brechungsindex und der physikalischen Schichtdicke der dünnen Schicht beschrieben werden.

Das in der DE 42 00 088 vorgeschlagene Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen sind vom Prinzip her hervor­ ragend für den Nachweis unterschiedlichster physikalischer, chemischer, biochemischer oder biologischer Vorgänge geeig­ net. Die praktische Umsetzung des Prinzips kann jedoch tech­ nisch aufwendig und entsprechend teuer sein.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die besonders einfach und kosten­ günstig realisiert werden können. Eine geeignete Vorrichtung soll insbesondere kompakt aufbaubar sein. Vorzugsweise soll eine sehr genaue Charakterisierung der beobachteten Vorgänge ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren nach Anspruch 21 gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Serie von mindestens drei Wellen­ elementen unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt, wobei für jede Wellenlänge eine gesonderte Lichtquelle verwendet wird.

Die Wellenelemente werden nacheinander auf die dünne Schicht eingestrahlt, wobei vorzugsweise jeweils nur ein einzelnes Wellenelement auf die dünne Schicht trifft. Die dünne Schicht ist für die verwendeten Wellenlängen mindestens teilweise optisch transparent. Dies führt zu einer Erzeugung von modu­ lierten Wellenelementen, wobei sich ein moduliertes Wellen­ element für jedes eingestrahlte Wellenelement durch Inter­ ferenzerscheinungen an der dünnen Schicht ergibt und durch die Wechselwirkung veränderbar ist. Die in ihrer Intensität modulierten Wellenelemente werden detektiert. Dann erfolgt eine Bestimmung der optischen Schichtdicke bzw. einer Ände­ rung der optischen Schichtdicke der dünnen Schicht aus den modulierten Wellenelementen.

Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten können dann auftreten, wenn im betrachteten Wellenlängenbereich der Wel­ lenelemente ein Teil des Lichtes an den Phasengrenzen der dünnen Schicht zu benachbarten Medien reflektiert wird. Dies wird beispielsweise durch einen ausreichenden Unterschied in der Brechzahl im Vergleich zum Nachbarmedium oder durch eine Teilverspiegelung erreicht. Zudem sollen die Grenzflächen ausreichend eben und parallel zueinander angeordnet sein. Schließlich soll der Gangunterschied der interferierenden Teilstrahlen kleiner als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichtes sein. Unter "dünnen Schichten" im Sinne dieser Anmel­ dung sind danach solche zu verstehen, deren physikalische Schichtdicke in der Größenordnung der Wellenlänge des einge­ strahlen Lichts liegt. Es sollte die doppelte Schichtdicke kleiner als die Kohärenzlänge des Lichtes sein. Dies hat zur Folge, daß mit Licht hoher Kohärenz dickere Schichten für das Verfahren verwendet werden können als mit Licht geringerer Kohärenz. Typische Schichtdicken dünner Schichten liegen im Bereich zwischen 0,3 µm und 10 µm, wobei eine Obergrenze von 5 µm, insbesondere 2 µm bevorzugt ist.

Die Detektion modulierter Wellenelemente kann in Transmission erfolgen, wobei durch die dünne Schicht hindurchgelangendes Licht zur Detektion verwendet wird. Hierbei ist jedoch wegen des üblicherweise schlechteren Signal/Rauschverhältnisses bei der Detektion oder Auswertung erhöhter technischer Aufwand erforderlich. Bei einem bevorzugten Verfahren werden für die Detektion modulierte Wellenelemente genutzt, die von der dün­ nen Schicht reflektiert werden. Bei der Detektion in Reflexi­ on treten deutlich günstigere Signal/Rauschverhältnisse auf. Dies verringert in vorteilhafter Weise den erforderlichen technischen Aufwand bei der Detektion und nachfolgenden Aus­ wertung. Eine Reflexionsanordnung ermöglicht auch eine ein­ fache Durchführung des Verfahrens, da die zur Erzeugung der Wellenelemente und zur Detektion der modulierten Wellenele­ mente notwendigen Einrichtungen auf einer Seite der dünnen Schicht angeordnet werden können, während von der anderen Seite der oder die Analyten mit den zu beobachtenden stoffli­ chen Spezies an die dünne Schicht herangeführt werden können.

Ein "Wellenelement" im Sinne dieser Anmeldung besteht aus Licht mit im wesentlichen einer einzigen geeigneten Wellen­ länge. Das Wellenelement kann dementsprechend auch als "Wel­ lenlängenelement" bezeichnet werden. Praktisch handelt es sich in der Regel um Licht mit einer geringen spektralen Ver­ teilung, also um einen engen Ausschnitt aus einem Spektrum. Gemäß der Erfindung erfolgt die Zuordnung von Signalen zu einem Wellenlängenbereich in vorteilhafter Weise auf der Ein­ strahlseite durch die Erzeugung der verschiedenen Wellenele­ mente unterschiedlicher (mittlerer) Wellenlänge. Dadurch kann eine spektrale Selektion der im modulierten Licht ent­ haltenen Information auf der Empfänger- bzw. Detektionsseite entfallen. Die für die Detektion einsetzbaren technischen Mittel brauchen nicht für eine spektrale Analyse geeignet zu sein, so daß nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtungen wesentlich kostengünstiger als bekannte Vorrichtungen aufge­ baut werden können. Es reicht aus, technisch einfache Detek­ tionsmittel zur Feststellung der Intensität der modulierten Wellenelemente einzusetzen. Eine quasi-spektrale Auswertung der in den modulierten Wellenelementen enthaltenen Informa­ tion kann in einem oder mehreren der Detektion nachgeschalte­ ten Schritten, beispielsweise mit Hilfe von Computer-Soft­ ware, erfolgen. Insgesamt kann ein wesentlich kostengünsti­ gerer Aufbau ermöglicht werden.

Das Verfahren und entsprechende Vorrichtungen benötigen keine zur Spektralanalyse geeigneten Detektoren. Vielmehr liefern die modulierten Wellenelemente "spektrale Stützpunkte", mit deren Hilfe ein Spektrum, insbesondere ein Reflexionsspek­ trum, bestimmt werden kann. Vorzugsweise wird bei der Bestim­ mung der optischen Schichtdicke eine, vorzugsweise parabelar­ tige, Hüllkurve der modulierten Wellenelemente bestimmt und aus der Hüllkurve wird ein Spektrum abgeleitet. Das Spektrum ist ein Maß für die optische Schichtdicke, die wiederum In­ formation über die Art der Wechselwirkung enthält. Auch ande­ re Auswerteverfahren ohne Hüllkurve, beispielsweise Schwer­ punktverfahren, sind möglich. Die Ableitung des Spektrums aufgrund der Stützpunkte kann schaltungstechnisch realisiert werden, beispielsweise in einem entsprechenden Mikrocontrol­ ler. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung mit Hilfe von Compu­ ter-Software durch Errechnung des Spektrums. Aus den Intensi­ tätsänderungen bei den verschiedenen Wellenlängen der Wellen­ elemente einer Serie läßt sich die optische Schichtdicke be­ stimmen.

Es ist bevorzugt, wenn die Erzeugung der Wellenelemente einer Serie durch monochromatische Lichtquellen erfolgt, von denen jede im wesentlichen nur die gewünschte mittlere Wellenlänge eines Wellenelementes aussendet. Vorzugsweise werden Leucht­ dioden (LED) oder Laserdioden verwendet, deren Anzahl vor­ zugsweise der Zahl der Wellenelemente einer Serie entspricht. Derartige Lichtquellen sind kostengünstig und in ihren Abmes­ sungen kompakt. Üblicherweise werden drei oder vier Leucht­ dioden eingesetzt, die auf die mindestens eine dünne Schicht gerichtet sind. Es ist auch möglich, das Licht einer Licht­ quelle entsprechend der gewünschten spektralen Breite der Wellenelemente schmalbandig zu filtern. Eine Lichtquelle kann eine polychromatische Lichtquelle, ggf. mit mehreren relativ scharf definierten Wellenlängen, oder eine Lichtquel­ le mit kontinuierlichem Spektrum, vorzugsweise im Bereich des sichtbaren Lichtes, sein. Je nach Anwendung können z. B. Transmissionsfilter und/oder Reflexionsfilter zur Monochroma­ tisierung verwendet werden. Es kann ggf. auch polarisiertes Licht für die Ermittlung einer Orientierungsabhängigkeit der Brechzahl- und Schichtdickenbestimmung eingesetzt werden.

Es ist möglich, die Wellenelemente im wesentlichen senkrecht zur dünnen Schicht einzustrahlen, beispielsweise mit Hilfe eines Y-Lichtleiters. Besonders kostengünstige und kompakte Ausführungen zeichnen sich dadurch aus, daß das Licht der Lichtquellen direkt, das heißt ohne Zwischenschaltung von eine Lichtleitung, Lichtlenkung und/oder Strahlformung bewir­ kenden optischen Elementen, wie Linsen, Prismen, Blenden oder dergleichen, auf die dünne Schicht eingestrahlt wird. Vorzugsweise erfolgt die Einstrahlung der Wellenelemente in einem spitzen Winkel zu einer Schichtnormalen der dünnen Schicht, wobei der Winkel vorzugsweise zwischen 2° und 40°, insbesondere bei ca. 30° liegt. Eine variable Einstellbarkeit des Einstrahlwinkels ermöglicht es, in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlängen-Schichtsystem-Kombination das jewei­ lige Maximum der Amplitude der reflektierten (bzw. transmit­ tierten) Strahlung einzustellen, was im Zusammenhang mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert wird.

Es ist möglich, daß für mindestens ein Wellenelement, vor­ zugsweise für jedes der Wellenelemente, ein Wellenelement-Inten­ sitätswert bestimmt wird und daß der Wellenelement-Inten­ sitätswert zur Korrektur eines Intensitätswertes des zugehörigen modulierten Wellenelementes verwendet wird. Hier­ durch kann eine inhärente Referenzierung realisiert werden, mit der der Einfluß von Schwankungen der Beleuchtungsstärke des eingestrahlten Lichtes auf die Intensitäten der modulier­ ten Wellenelemente berücksichtigt werden kann. Aktefakte auf­ grund von Einstrahlintensitätsänderungen können auf diese Weise ganz oder teilweise vermieden werden. Beispielsweise kann eine fest fixierte Photodiode im Transmissionsbetrieb zur Aufnahme der Wellenelement-Intensitätswerte verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können Intensitätsschwan­ kungen von Leuchtdioden über die Rückwärtsabstrahlung direkt gemessen und zur Korrektur des Intensitätswertes des zugehö­ rigen modulierten Wellenelementes herangezogen werden.

Mindestens drei Wellenelemente, und damit mindestens drei modulierte Wellenelemente, reichen aus, um aus dem detektier­ ten Licht Information abzuleiten, die bisher nur durch Spek­ tralanalyse zu ermitteln war. Bei Erzeugung von Serien mit vier unterschiedlichen Wellenelementen kann unter Umständen die Genauigkeit der Auswertung verbessert werden. In der überwiegenden Zahl praktisch relevanter Anwendungen wird die Erzeugung von weniger als zehn unterschiedlichen Wellenele­ menten pro Serie ausreichen, um die gewünschte Information aus den detektierten Signalen mit ausreichender Genauigkeit abzuleiten.

Es hat sich herausgestellt, daß Ergebnisse ausreichender Qualität erreicht werden können, wenn die Wellenelemente einer Serie eine Halbwertsbreite haben, die zwischen 5 und 50 nm liegt, insbesondere zwischen 10 und 30 nm. Wellenele­ mente mit schmalerer spektraler Ausdehnung können für Spe­ zialanwendungen nützlich sein, wenn z. B. eine bessere Auf­ lösung erwünscht ist. Vorzugsweise haben die Wellenelemente eine Halbwertsbreite von etwa 20 nm, was einerseits in den meisten Fällen ausreichende Auflösung erlaubt und anderer­ seits technisch besonders kostengünstig realisierbar ist.

Üblicherweise haben benachbarte Wellenelemente einer Serie einen Wellenlängenabstand zueinander, der größer als die entsprechenden Halbwertsbreite der Wellenelemente ist, wobei der Wellenlängenabstand vorzugsweise das Zweifache bis Fünf­ fache der Halbwertsbreite beträgt. Damit läßt sich Informa­ tion mit ausreichende Auflösung aus einem genügend breiten Wellenlängenbereich ermitteln. Die Wellenelemente einer Serie können im wesentlichen gleiche Wellenlängenabstände zueinan­ der aufweisen. Insbesondere wenn aus bestimmten Wellenlängen­ bereichen Feininformation ermittelt werden soll, kann es al­ lerdings auch zweckmäßig sein, eine variable Verteilung der Wellenlängenabstände einzusetzen.

Es hat sich herausgestellt, daß bei Wellenelementen mit einer Strahldauer in der Größenordnung von etwa einer Sekunde de­ tektionsseitig in der Regel eine ausreichende Lichtmenge vor­ handen ist, um eine genaue Auswertung zu gewährleisten. Es können jedoch erforderlichenfalls auch Lichtimpulse mit einer Strahldauer in der Größenordnung von Millisekunden oder im Zehntel-Sekundenbereich verwendet werden oder Wellenelemente, deren Strahldauer mehrere Sekunden bis beispielsweise 10 Se­ kunden beträgt. Falls es, beispielsweise zur Bestimmung der Dynamik der nachzuweisenden Vorgänge, gewünscht ist, kann die Strahldauer der Wellenelemente der Ablaufdauer eines zu mes­ senden Vorganges zwischen einem Beginn der Wechselwirkung und einem Ende, insbesondere einer Sättigung, derart angepaßt werden, daß während der Ablaufdauer des beobachteten Prozes­ ses mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier Serien von Wellenelementen einstrahlbar sind. Dies kann beispielsweise zweckmäßig sein, wenn Diffusionskoeffizienten von in die dünne Schicht eindringenden Spezies oder Adhäsionskoeffizien­ ten von an der dünnen Schicht anhaftenden Spezies bestimmt werden sollen.

Als Detektoren können bei der Erfindung alle üblichen Systeme zur spektralen und/oder monochromatischen Messung von Licht­ intensitäten eingesetzt werden, wie beispielsweise Photohalb­ leiter, Photomultiplier oder dergleichen. Dank der Erfindung kann jedoch bei der Detektion auf Detektoren, die zur spek­ tralen Erfassung von Strahlung ausgelegt sind, wie beispiels­ weise Polychromatoren, Diodenarray-Detektoren oder derglei­ chen, verzichtet werden. Es kann ein einziger Detektor aus­ reichen, der für Licht der in den modulierten Wellenelementen einer Serie enthaltenen Wellenlängen empfindlich ist. Beson­ ders kostengünstig ist der Einsatz von Photodioden zur Si­ gnalerfassung.

Es kann zum Nachweis einer An- oder Einlagerung der minde­ stens einen stofflichen Spezies, d. h. des/der Analyten, aus­ reichen, eine einzige dünne Schicht mit einer Serie von Wel­ lenelementen zu bestrahlen und aus den durch Interferenz modulierten Wellenelementen ein Spektrum abzuleiten, das ein Maß für die optische Schichtdicke bzw. deren Änderung ist. Eine bessere Charakterisierbarkeit des beobachteten Vorganges läßt sich häufig dadurch erreichen, daß die Wechselwirkung einer bestimmten Spezies mit bezüglich ihrer chemisch/physi­ kalischen Eigenschaften unterschiedlichen dünnen Schichten ermittelt wird. Bei mehreren stofflichen Spezies kann der Einsatz mehrerer unterschiedlicher dünner Schichten auch zweckmäßig sein, wenn eine dünne Schicht besonders für eine stoffliche Spezies und mindestens eine zweite dünne Schicht für eine andere stoffliche Spezies besonders empfindlich ist und/oder charakteristisch reagiert. Insgesamt kann der Infor­ mationsgehalt bei einer Analyse häufig verbessert werden, wenn eine erste und mindestens eine zweite Serie von Wellen­ elementen erzeugt wird, wobei die erste Serie auf eine erste dünne Schicht und die zweite Serie auf mindestens eine zweite dünne Schicht eingestrahlt wird, wobei sich die erste dünne Schicht und die zweite dünne Schicht bezüglich der Wechsel­ wirkung mit der stofflichen Spezies oder den stofflichen Spe­ zies unterscheiden. Die Beobachtung der unterschiedlichen dünnen Schichten kann nacheinander erfolgen. Vorzugsweise kann die erste Serie und die zweite Serie gleichzeitig er­ zeugt werden, so daß eine Parallelbeobachtung mehrerer dünner Schichten möglich wird. Wenn die erste Serie und die zweite Serie von Wellenelementen im wesentlichen identisch sind, können die Unterschiede bei den detektierten modulierten Wel­ lenelementen in besonders einfacher Weise mit dem Charakter der Wechselwirkung korreliert werden. Es können also auf ver­ schiedene Weise parallele Sensorsysteme realisiert werden.

Es ist auch möglich, die Einstrahlung der Wellenelemente so vorzunehmen, daß eine oder mehrere Serien von Wellenelementen nacheinander auf unterschiedliche Bereiche einer dünnen Schicht und/oder auf unterschiedliche dünne Schichten er­ folgt. Eine dünne Schicht kann beispielsweise einen Gradien­ ten ihrer chemisch/physikalischen Eigenschaften aufweisen. Hierbei ist es möglich, die eine oder mehreren dünnen Schich­ ten ortsfest zu lassen und die Einstrahlung entsprechend be­ weglich zu gestalten. Vorzugsweise erfolgt die Einstrahlung ortsfest, während sich die mindestens eine dünne Schicht be­ wegt.

Eine direkte, ggf. zeitauflösende Beobachtung der nachzuwei­ senden Vorgänge ist vorteilhaft möglich, wenn die Einstrah­ lung der Wellenelemente erfolgt, während die dünne Schicht in Kontakt mit einem stoffliche Spezies enthaltenden flüssigen oder gasförmigen Medium ist. Es ist auch möglich, den Kon­ takt mit den Spezies und die mit der Einstrahlung verbundene Analyse zeitlich zu trennen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung sind die stofflichen Spezies anorganische Stoffe, organische Mole­ küle oder Biomoleküle. Dabei soll der Begriff "Spezies" um­ fassend zu verstehen sein. Bei den anorganischen Stoffen kann es sich beispielsweise um Ammoniak (NH₃) oder Kohlendioxid (CO₂) handeln. Im Bereich der Biologie kann es sich um Orga­ nismen, im Bereich der Biochemie um beliebige Stoffe, wie beispielsweise Enzyme, Antikörper und dergleichen sowie im Bereich der Chemie und Physik um Ionen oder Moleküle handeln. Voraussetzung ist, daß die Wechselwirkungen zu Änderungen der Interferenzerscheinungen bei eingestrahlten Wellenelementen geeigneter Wellenlänge führen. Der Einsatz des Verfahrens im Bereich der Chemo- oder Biosensorik ist bevorzugt. Insbeson­ dere können auch Kohlenwasserstoffe nachgewiesen werden, deren Wechselwirkung mit der dünnen Schicht beobachtet wird.

Besonders geeignet ist das Verfahren zum insbesondere direk­ ten Nachweis von Vorgängen, die auf die Wechselwirkung zwi­ schen mindestens zwei stofflichen Spezies, insbesondere zwei biochemischen Spezies, zurückzuführen ist. Besonders vorteil­ haft ist das Verfahren nach der Erfindung bei der Verfolgung von Immunreaktionen und den zugrundeliegenden Antigen-Anti­ körper-Wechselwirkungen einsetzbar. Bevorzugte Anwendungsge­ biete der vorliegenden Erfindung entsprechend denjenigen, die in der DE 42 00 088 beschrieben sind. Diese werden durch Be­ zugnahme auch zu bevorzugten Anwendungsgebieten der vorlie­ genden Erfindung gemacht.

Eine insbesondere zur Durchführung des Verfahrens der Erfin­ dung geeignete Vorrichtung hat mindestens eine Lichterzeu­ gungsanordnung, die zur Erzeugung einer Serie von mindestens drei aufeinanderfolgenden Wellenelementen unterschiedlicher Wellenlänge ausgebildet ist und mindestens drei auf die dünne Schicht ausrichtbare, gesonderte Lichtquellen hat. Es ist mindestens eine Probeneinrichtung mit mindestens einer dünnen Schicht vorgesehen sowie mindestens ein Detektor zur aufein­ anderfolgenden Einzelerfassung modulierter Wellenelemente. Eine mit dem Detektor signalleitend verbindbare Auswerteein­ richtung zur Bestimmung einer optischen Schichtdicke umfaßt vorzugsweise einen Computer und/oder einen Mikroprozessor.

Vorzugsweise arbeitet die Vorrichtung in Reflexion, wobei die Lichterzeugungsanordnung und der Detektor derart auf der gleichen Seite der Probeneinrichtung angeordnet sind, daß in den Detektor an der Probeneinrichtung reflektierte modulierte Wellenelemente einfallen. Die Lichterzeugungsanordnung hat mindestens drei, vorzugsweise genau drei auf die dünne Schicht ausrichtbare Lichtquellen, von denen jede zur Erzeu­ gung eines einziges Typs eines Wellenelementes ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die Lichtquellen Leuchtdioden (LED), es können aber z. B. auch Laserdioden sein. Die Lichterzeu­ gungsanordnung kann auch mindestens eine Filtereinrichtung umfassen, die zur Erzeugung eines schmalbandigen Wellenele­ mentes aus einem breiteren Lichtspektrum einer Lichtquelle vorgesehen ist. Beispielsweise kann das Licht einer Weiß­ lichtquelle, insbesondere einer Xenon-Hochdrucklampe, durch Transmissionsfilter und/oder Reflexionsfilter schmalbandig gefiltert werden, um z. B. Wellenelemente mit einer spektralen Breite in der Größenordnung von 20 nm zu erzeugen. Die dis­ kreten, kleinen Lichtquellen können derart gegeneinander ver­ setzt angeordnet sein, daß sich für jede Wellenlänge ein optimaler Einstrahlwinkel ergibt, bei dem die Amplitude des modulierten Wellenelementes maximal ist.

Auf der Detektorseite ist vorzugsweise für jede Lichterzeu­ gungsanordnung genau ein Detektor vorgesehen. Dieser muß für die Wellenlängen der modulierten Wellenelemente ausreichende Empfindlichkeit aufweisen. Besonders einfach und kostengün­ stig ist der Einsatz einer Photodiode als Detektor.

Die dünne Schicht aus mindestens teilweise optisch transpa­ rentem Material kann beispielsweise eine Membran, eine Folie oder ein Film sein. Bevorzugt ist der Einsatz von Polymer­ schichten, insbesondere quellfähigen Polymerschichten. Ent­ sprechende Polymere sind unter anderen Polysiloxane und Poly­ etherurethane. Bei Verwendung von organischen Polymerschich­ ten ist beispielsweise auch eine Schicht aus Polystyrol zum Nachweis von Antigen-Antikörper-Wechselwirkungen besonders geeignet. Eine dünne Schicht kann auch aus anderen organi­ schen oder anorganischen Materialien bestehen, die sich in ihrer Brechzahl hinreichend von der Brechzahl der angrenzen­ den Medien unterscheiden. Insbesondere können abgeschiedene Schichten aus anorganischen Oxiden oder Nitriden, wie bei­ spielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder dergleichen verwendet werden.

Der Einsatz selbsttragender dünner Schichten ist möglich. Vielfach ist es zweckmäßig, wenn sich die dünne Schicht auf einer Unterlage befindet, die einen stabilen Träger für die dünne Schicht bilden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungs­ form ist die Unterlage durch eine Glasplatte gebildet. Die Unterlage kann ausreichend transparent für die verwendeten Wellenlängen sein und die dünne Schicht kann sich auf der der Lichterzeugungsanordnung abgewandten Seite der Unterlage be­ finden. Eine Reflexionsanordnung kann aufgebaut werden, wenn sich der Detektor und die Lichterzeugungseinrichtung auf der gleichen Seite der Probeneinrichtung befinden.

Zur Verringerung von Intensitätsverlusten durch Grenzflächen­ reflexionen ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorge­ sehen, daß ein freier Bereich zwischen der Lichterzeugungsan­ ordnung und der Probeneinrichtung mindestens teilweise, vor­ zugsweise vollständig durch ein transparentes Medium ausge­ füllt ist, dessen Brechzahl an die dünne Schicht und/oder an eine vorhandene Unterlage und/oder an das die stoffliche Spe­ zies enthaltende Medium angepaßt sein kann. Die Brechzahl ist normalerweise größer als die Brechzahl von Luft und liegt insbesondere zwischen 1.1 und 1.5. Das Medium kann insbeson­ dere ein festes Medium sein, beispielsweise ein hinreichend transparenter Kunststoff. Neben der Brechzahlanpassung kann das Medium auch dazu dienen, die Lichterzeugungsanordnung und die Probeneinrichtung starr zu verbinden, so daß die geome­ trische Anordnung dieser Baugruppen zueinander festliegt. Auch der Raum zwischen Probeneinrichtung und Detektor kann mit dem Medium ausgefüllt sein. Dadurch kann die relative Lage der Lichterzeugungsanordnung, der Probeneinrichtung und des Detektors zueinander fixiert werden.

Eine Lichterzeugungsanordnung, eine Probeneinrichtung und ein Detektor bilden ein Sensorelement. Die Baugruppen können, wie beschrieben, beispielsweise in ihrer korrekten geometrischen Orientierung zueinander in einem transparenten Kunststoff ge­ eigneter Brechzahl eingegossen sein. Die dünne Schicht kann vorzugsweise auf einer der Lichterzeugungsanordnung abgewand­ ten Seite einer die dünne Schicht tragenden, transparenten Unterlage, insbesondere einer Glasplatte, angeordnet sein. Dadurch kann ein kompaktes Sensorelement geschaffen werden, an dessen einer Außenseite eine oder mehrere dünne Schichten angeordnet sind, die in Kontakt mit einem den oder die nach­ zuweisenden Spezies enthaltenden Medium gebracht werden kann. Aus mehreren Sensorelementen kann eine vorzugsweise regelmä­ ßige Anordnung von zwischen zwei und beispielsweise 20 Sen­ sorelementen, insbesondere zwischen fünf und zehn Sensorele­ menten, gebildet werden. Ein derartiges Sensorarray mit meh­ reren parallel betreibbaren Sensorelementen kann kompakt auf­ gebaut sein. Es kann signalleitend mit einer nachfolgenden Auswerteeinrichtung verbunden sein, beispielsweise durch Ka­ bel. In der Auswerteeinrichtung kann eine Wandlung des Detek­ torsignals beispielsweise durch den Einsatz von 12- bis 16-Bit-Analog-Digitalwandlern mit handelsüblicher einfacher Elektronik erfolgen. Die Bewertung der resultierenden Daten­ struktur, insbesondere von parallelen Datenstrukturen mehre­ rer parallel betriebener Sensorelemente, kann über multi­ variante Datenanalyse erfolgen, beispielsweise über neuronale Netze.

Es ist auch möglich, die Reaktionen an mehreren verschiedenen dünnen Schichten und/oder an mehreren bezüglich ihrer Eigen­ schaften verschiedenen Orten einer Gradientenschicht gleich­ zeitig oder zeitlich nacheinander zu analysieren. Die Vor­ richtung kann eine Bewegungseinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der mindestens einen dünnen Schicht und der mindestens einen Lichterzeugungsanordnung aufweisen, die derart ausgebildet ist, daß Wellenelemente bzw. Serien von Wellenelementen nacheinander auf verschiedene Stellen einer oder mehrerer Gradientenschichten und/oder auf ver­ schiedene Schichten unterschiedlicher Wechselwirkungseigen­ schaften eingestrahlt werden. Vorzugsweise wird bei geome­ trisch festgelegter Anordnung von Lichterzeugungsanordnung und Detektor die Probeneinrichtung mit der mindestens einen dünnen Schicht bewegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere dünne Schichten nach Art von Tortenstücken sek­ toriell auf einer Drehscheibe angeordnet, bei deren Drehung die verschiedenen Sektoren dünner Schichten nacheinander in den Einstrahlbereich der Lichterzeugungsanordnung gelangen. Alternativ oder zusätzlich können die Lichterzeugungsanord­ nung und/oder der oder die Detektoren bewegt werden, wobei deren Geometrie zueinander derart einzustellen ist, daß aus­ reichend durch Interferenz moduliertes Licht in den Detektor gelangt.

Die beschriebenen Merkmale und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzug­ ten Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen und den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht des Aufbaues einer Ausführungsform einer Nachweis­ vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 vier Diagramme, die eine zeitliche Abfolge detektierter modulierter Wellenelemente zeigen,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Bestimmung eines Reflexionsspektrums aus den modulierten Wellenelementen von Fig. 2, und

Fig. 4 eine schematische, perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Nachweis­ vorrichtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Meßaufbau zur Interferenzmessung nach der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 1 hat fünf zeitgleich betreibbare Sensorelemente, von denen nur zwei Sensorelemente 2 und 3 dargestellt sind. Andere Ausführungsformen haben bis zu zehn oder mehr Sensorelemente, die bei Bedarf parallel oder zeitversetzt zueinander betrieben werden können. Für viele Anwendungen sind Vorrichtungen mit einem einzigen Sen­ sorelement ausreichend.

Am Beispiel des Sensorelementes 2 wird der Aufbau einer Vor­ richtung näher erläutert. Das Sensorelement 2 hat eine Licht­ erzeugungsanordnung 4, die zur Erzeugung einer Serie von drei nacheinander ausgesandten Wellenelementen unterschiedlicher Wellenlängen drei versetzt nebeneinander angeordnete Leucht­ dioden 5, 6 und 7 aufweist. Eine Probeneinrichtung 8 besteht im wesentlichen aus einer planparallelen Glasplatte 9 mit einer Dicke von ca. einem Millimeter, die als Träger bzw. Unterlage für eine im wesentlichen planparallele dünne Poly­ merschicht 10 mit einer Schichtdicke von ca. 1/2 µm dient. Die Lichterzeugungsanordnung 4 ist auf der der dünnen Schicht 10 angewandten Seite der Glasplatte 9 angeordnet. Auf der gleichen Seite ist ein Detektor 11 angeordnet, der durch einen einzigen Photohalbleiter in Form einer Photodiode ge­ bildet wird. Bei dem gezeigten Freistrahl-Aufbau sind die Leuchtdioden 5, 6 und 7 und der Detektor 11 derart zueinander und zur Probeneinrichtung 8 ausgerichtet, daß von den Leucht­ dioden 5, 6 und 7 ausgesandtes Licht unter einem Winkel von ca. 30° zu der Schichtnormalen auf die Probeneinrichtung 8 trifft und von dieser zu einem ausreichenden Anteil in den Detektor 11 einfällt. Die gezeigte Reflexionsanordnung ist unter anderem wegen des erreichbaren guten Signal/Rauschver­ hältnisses in dem reflektierten Licht bevorzugt. Grundsätz­ lich ist es auch möglich, in Transmission zu messen, wobei die Lichterzeugungsanordnung und der Detektor auf verschiede­ nen Seiten der Probeneinrichtung angeordnet sind.

Jede der Leuchtdioden 5 bis 7 kann im wesentlichen monochro­ matisches Licht im Bereich des sichtbaren Spektrums aussen­ den, wobei die auf diese Weise erzeugbaren Wellenelemente im gezeigten Beispiel einer Halbwertsbreite von ca. 20 nm haben. Beispielsweise können eine Blaulicht-, eine Grünlicht und eine Rotlicht-Leuchtdiode (LED) zum Aufbau einer Lichter­ zeugungsanordnung eingesetzt werden. Die Wellenlängen der drei unterschiedlichen Wellenelemente haben etwa gleiche Wel­ lenlängenabstände zueinander, die üblicherweise in der Größen­ ordnung von 60 bis 100 nm liegen. Üblicherweise werden die als Lichtquellen wirkenden Leuchtdioden derart angesteuert, daß sie ihr Licht für eine Strahldauer in der Größenordnung einer Sekunde ausstrahlen. Diese Strahldauer hat sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, da die ausgestrahlte Lichtmenge ausreicht, um von handelsüblichen, kostengünstigen Detektoren sicher in Reflexion detektiert werden zu können. Kürzere, beispielsweise impuls- oder blitzartige Einstrahlung ist jedoch ebenfalls möglich, genauso wie längere Strahldauer über mehrere Sekunden.

Das Licht der Leuchtdioden trifft unter einem Winkel von we­ nigen Grad zur Schichtnormalen der dünnen Schicht in Form von diskreten Wellenelementen 12, 13, 14 auf. In Fig. 1 sind die Wellenelemente zu Zwecken der Erläuterung gleichzeitig er­ kennbar. Nach der Erfindung werden sie jedoch zeitversetzt zueinander ausgestrahlt, so daß sie nacheinander, insbeson­ dere ohne zeitliche Überlappung, auf die Probeneinrichtung 8 treffen. Der an den Grenzflächen der transparenten Glasplatte 9 und der im wesentlichen transparenten dünnen Schicht 10 re­ flektierte Anteil des Lichtes trifft in Form von nacheinander auftretenden, durch Interferenzerscheinungen modulierten Wel­ lenelementen 15, 16, 17 auf den Detektor 11.

Wenn die Kohärenzbedingung erfüllt ist, kommt es zur Über­ lagerung von reflektierten Teilstrahlen, die entweder kon­ struktiv oder destruktiv sind. Dies führt im wesentlichen zu einer Intensitätsmodulation bzw. Intensitätsänderung der ein­ gestrahlten Wellenelemente, wobei das Ausmaß der Änderung bzw. Modulation von der Schichtdicke und der Brechzahl der Substanzen auf oder in der dünnen Schicht abhängt. Ändert sich nun die optische Schichtdicke durch den zu untersuchen­ den Vorgang, so ändern sich auch die Intensitätsmodulationen der Wellenelemente in charakteristischer Weise. Dieser Effekt wird zur Charakterisierung des untersuchten Vorganges bei der Auswertung verwendet.

Aus der schematischen Darstellung in Fig. 1 ist erkennbar, daß jede der sehr kleinen, eine praktisch punktförmige Licht­ quelle bildenden Leuchtdioden 5, 6, 7 Licht aus einer unter­ schiedlichen Einstrahlrichtung auf die Probeneinrichtung ein­ strahlt, wobei der Einstrahlwinkel für die langwellige Rot­ lichtquelle 5 am größten, der der kurzwelligen Blaulicht­ quelle 7 am kleinsten ist und der der Grünlichtquelle 6 zwi­ schen diesen beiden liegt. Für jede Wellenlänge ist vorteil­ haft der Einstrahlwinkel derart gewählt, daß sich am Detektor 11 ein Maximum der Amplitude des zugeordneten modulierten Wellenelementes ergibt. Die durch die Erfindung mögliche Ver­ wendung mehrerer diskreter, räumlich voneinander getrennter Lichtquellen für die unterschiedlichen Wellenlängen ermög­ licht es, eine sich detektorseitig ergebende Signatur des Schichtsystems in besonders vorteilhafter Weise für die rechnerisch gesteuerte Auswertung vorzubereiten, wobei ins­ besondere für jede eingestrahlte Wellenlänge gesondert ein Reflexionsmaximum eingestellt werden kann. Dies ermöglicht es beispielsweise, ein sehr breites bzw. flaches Extremum optisch aufzuwerten, um Anpassungen beispielsweise von Hüll­ kurven mit kleineren Fehlern durchführen zu können. Es ist noch zu erwähnen, daß die optimale Winkeleinstellung für jede Lichtquelle nicht nur von der Wellenlänge abhängt, sondern auch von der Art des bestrahlten Schichtsystems, so daß vorteilhafte Einstrahlwinkel in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlängen-Schichtsystem-Kombination zu opti­ mieren sind. Eine Einstrahlwinkeloptimierung ist bei anderen Verfahren, die beispielsweise zur Erzielung einer homogenen Ausleuchtung einer größeren Fläche mit einer Vielzahl von Proben und ortsauflösender Auswertung aufwendige Abbildungs­ verfahren mit Blenden und optischen Linsen einsetzen müssen, nicht möglich.

Es ist weiterhin in Fig. 1 zu erkennen, daß sowohl zwischen der Lichterzeugungsanordnung 4 und der Probeneinrichtung 8, als auch zwischen der Probeneinrichtung 8 und dem Detektor 11 ein freier Bereich existiert, in dem weder Lichtleiter, noch optische Linsen oder Prismen oder andere der Lichtlenkung, Lichtleitung und/oder Strahlformung dienende optische Ele­ mente vorgesehen sind. Dieser weitere Vorteil eines durch die Erfindung ermöglichten Aufbaus schafft die Möglichkeit, die quasi-punktförmigen, sehr kleinen Lichtquellen 5, 6, 7 und/oder den ebenfalls sehr klein dimensionierten Detektor 11 sehr nahe an die Probeneinrichtung heranzubringen, so daß sich erfindungsgemäß arbeitende Vorrichtungen mit sehr kom­ pakten Bauformen realisieren lassen. Die Erfindung schafft die Möglichkeit, mit minimalem optischen Aufwand eine bzgl. der Reflexion optimierte Kombination von Lichterzeugungsan­ ordnung, Detektor und Probeneinrichtung zu schaffen. Da der Aufbau einerseits sehr kompakt sein kann und andererseits mit sehr kostengünstigen, handelsüblichen Bauteilen aufbaubar ist, läßt sich ein derartiger Aufbau ohne Aufwand verviel­ fachen, falls die parallele Untersuchung von vielen unter­ schiedlichen Proben gewünscht sein sollte. Die gesamte, ein Sensorelement bildende Anordnung aus Lichterzeugungseinrich­ tung 4, Probeneinrichtung 8 und Detektor 11 kann in der geo­ metrisch optimierten gegenseitigen Orientierung der Bauteile in einen transparenten Kunststoff eingegossen sein, der einerseits der Lage- und Orientierungsfixierung der Bauteile dient und diese vor Beschädigungen schützt und der anderer­ seits eine reflexmindernde Brechzahlanpassung zwischen den Komponenten bewirkt.

Die Auswertung erfolgt in einer (nicht gezeigten) Auswerte­ einrichtung, die signalleitend mit dem Detektor 11 verbunden ist und die einen Computer bzw. ein Mikroprozessor mit der entsprechenden Auswerte-Software beinhaltet. Das Auswertever­ fahren wird im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 näher er­ läutert. Dort wurde von einer Lichterzeugungsanordnung eine Serie mit vier Wellenelementen unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt, die nacheinander auf die Probeneinrichtung einge­ strahlt und entsprechend zeitlich versetzt von einem Detektor aufgenommen wurden. In den Diagrammen in den Fig. 2 und 3 ist die Intensität I modulierter Wellenelemente gegen deren Wellenlänge Lambda aufgetragen. Fig. 2 zeigt oben links ein zum Zeitpunkt t1 aufgezeichnetes moduliertes Wellenelement 18, oben rechts ein zu einem späteren Zeitpunkt t2 detektier­ tes moduliertes Wellenelement 19, unten links ein zu einem noch späteren Zeitpunkt t3 detektiertes moduliertes Wellen­ element 20 und unten rechts ein danach detektiertes modulier­ tes Wellenelement 21. Die Zeitpunkte t1 bis t4 liegen nur wenige Sekunden auseinander, so daß der Gesamtvorgang von Einstrahlung und Detektion nur wenige Sekunden dauert. Zwar werden im gezeigten Beispiel mit fortschreitender Zeit modu­ lierte Wellenelemente mit immer größer werdenden Wellenlängen aufgefangen; jedoch ist prinzipiell die Reihenfolge der ein­ gestrahlten und aufgefangenen Wellenelemente beliebig.

Die den modulierten Wellenelementen 18 bis 21 entsprechenden Signale des Detektors werden durch geeignete 12- bis 16-Bit-Analog-Digitalwandler in durch einen Rechner verarbeitbare und/oder speicherbare Daten umgewandelt. Die modulierten Wel­ lenelemente 18 bis 21 können als Wellenlängenausschnitte eines Reflexionsspektrums verstanden werden. Mit Hilfe der Intensitäten dieser im wesentlichen punktuellen Information kann rechnerisch ein entsprechendes Reflexionsspektrum ermit­ telt werden. Dies wird im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert. Fig. 3 zeigt die modulierten Wellenelemente 18 bis 21 aus Fig. 2 in einem gemeinsamen Diagramm. Mit Hilfe der Compu­ ter-Software der Auswerteeinrichtung wird eine parabelartige Hüllkurve 22 an die modulierten Wellenelemente 18 bis 21 an­ gepaßt. Diese dienen als "spektrale Stützpunkte", deren In­ tensitäten I den Verlauf der Parabel 22 und damit auch die spektrale Lage des Maximums 23 der Parabel festlegen.

Es ist dem Fachmann verständlich, daß eine entsprechende Auswertung der eingestrahlten, unmodulierten Wellenelemente, die noch keine Intensitätsmodulation erfahren haben, durch eine Parabel anderer Form und in der Regel anderer Lage des Maximums angepaßt werden könnte. Die Interferenzerscheinungen an der dünnen Schicht führen zu einer Verschiebung von Extre­ ma von Hüllkurven, wobei die Verschiebungen der Extrema in der Regel in der Größenordnung bis 10 nm liegen. Eine Hüll­ kurve repräsentiert ein eingestrahltes bzw. reflektiertes Spektrum. Jedoch wird bei dem Verfahren weder ein kontinuier­ liches Spektrum eingestrahlt noch wird detektorseitig ein Spektrum aufgefangen. Die Auswertung, die im Ergebnis den Informationsgehalt einer Spektralanalyse liefern kann, er­ folgt im wesentlichen in der Auswerteeinrichtung durch Soft­ ware, die kostengünstig bereitgestellt werden kann. Die zum Aufbau der Nachweisvorrichtung erforderlichen Hardware-Kom­ ponenten (Leuchtdioden, Glasplatten, dünne Schichten, Photo­ dioden oder dergleichen), sind im Handel kostengünstig er­ hältlich. Die Erfindung ermöglicht somit die Erzielung aller Vorteile einer Spektralanalyse ohne den Einsatz technischer Einrichtungen, wie Spektralapparaten oder dergleichen.

Die Größenordnung der Intensität der eingestrahlten Wellen­ elemente und der modulierten Wellenelemente ist im wesent­ lichen gleich. Die Interferenzerscheinungen führen in der Regel zu Intensitätsänderungen in der Größenordnung bis eini­ ger 10 Prozente. Wenn die Leuchtstärke der Lichtquellen bei­ spielsweise aufgrund von Spannungsschwankungen schwankt, dann führt dies auch zu einer Intensitätsänderung der modulierten Wellenelemente, die als Stützpunkte für die Hüllkurve 22 dienen. Es ist denkbar, daß Intensitätsschwankungen auf der Einstrahlseite zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen können. Bei der herkömmlichen Spektralanalyse können derar­ tige Ergebnisverfälschungen nicht oder praktisch nur mit hohem apparativem Aufwand gering gehalten oder vermieden werden. Bei dem Verfahren der Erfindung kann dagegen dieser Effekt berücksichtigt werden, indem beispielsweise die Inten­ sitätsschwankungen der Leuchtdioden über deren Rückwärtsab­ strahlung ermittelt wird. Ein daraus abgeleiteter Wellenele­ ment-Intensitätswert kann bei der Auswertung dazu verwendet werden, den Intensitätswert des zugehörigen modulierten Wel­ lenelementes zu korrigieren. Auf diese Weise kann eine inhä­ rente Referenzierung der Anordnung erreicht werden. Als Al­ ternative zur Messung der Rückwärtsabstrahlung der Lichtquel­ len, oder zusätzlich, kann beispielsweise auch eine fest fixierte Diode im Transmissionsbetrieb die Einstrahl-Licht­ stärke bzw. den entsprechenden Wellenelement-Intensitätswert feststellen.

Das Sensorelement 3 in Fig. 1 gleicht im Aufbau im wesentli­ chen dem Sensorelement 2. Der einzige Unterschied besteht in der Art des für die dünne Schicht 10 verwendeten Materials. Beispielsweise ist die erste dünne Schicht 10 für einen er­ sten Kohlenwasserstoff empfindlich und für einen zweiten Kohlenwasserstoff im wesentlichen unempfindlich, während die zweite dünne Schicht 25 für den ersten Kohlenwasserstoff im wesentlichen unempfindlich, für einen zweiten Kohlenwasser­ stoff dagegen empfindlich reagiert. Wird die Vorrichtung 1 mit den Sensorelementen 2 und 3 derart in Kontakt mit einem beispielsweise gasförmigen oder flüssigen Analyten gebracht, der sowohl den ersten Kohlenwasserstoff als auch den zweiten Kohlenwasserstoff enthält, so können die Meßergebnisse der beiden Sensorelemente 2 und 3 ein wesentlich besseres Bild von der Zusammensetzung des Analyten geben als ein Sensorele­ ment mit einer einzigen dünnen Schicht.

Es ist auch zu beachten, daß beispielsweise der Anreicher­ ungskoeffizient einer Spezies an der Schicht und die Kon­ zentration der Spezies in dem Analyten bei Einsatz einer einzigen dünnen Schicht nur gemeinsam bestimmbar sind, ohne daß die Einzelbeiträge dieser Einflußgrößen getrennt ermit­ telt werden können. Eine Trennung wird möglich, wenn z. B. zwei unterschiedliche dünne Schichten aus Polymeren mit unterschiedlichen Dipolmomenten in zwei parallelen Sensor­ elementen gleichzeitig eingesetzt werden. Die Trennung der Einflußgrößen aus den Meßergebnissen des Parallelverfahrens kann durch multivariante Datenanalyse erfolgen.

Es kann daher vorteilhaft sein, mehrere Sensorelemente, bei­ spielsweise vom Typ der Sensorelemente 2 und 3, in einer vorzugsweise regelmäßigen Anordnung bzw. einem Sensorarray zusammenzufügen. Die dünnen Schichten bilden Interaktions­ flächen mit dem Analyten, der beispielsweise mit Hilfe von Elementen der Mikrofluidik an die dünnen Schichten heran­ gebracht werden kann. Anders als in der schematischen Dar­ stellung in Fig. 1 können verschiedenartige dünne Schichten auch auf einer einzigen Unterlage, beispielsweise auf einer größeren Glasplatte, angeordnet sein. Diese kann die dünnen Schichten aufweisende Interaktionsseite mit dem Analyten von der Seite der Hardware mit Lichterzeugungsanordnung und De­ tektor trennen.

Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung einer oder mehrerer unterschiedlicher dünnen Schichten können auch dünne Schich­ ten verwendet werden, die einen Gradienten bezüglich ihrer Empfindlichkeit für eine bestimmte Art von Wechselwirkung aufweisen. Bei der in Fig. 4 gezeigten anderen Ausführungs­ form einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung sind auf einer beweglichen Unterlage in Form einer Drehscheibe 30 acht kreissektorförmige dünne Schichten unterschiedlicher Eigen­ schaften aufgebracht. Die dünnen Schichten 31 und 32 haben einen durch die enger werdende Schraffierung symbolisierten Gradienten ihre Empfindlichkeit für zwei unterschiedliche Kohlenwasserstoffe. Die Drehscheibe 30 in Form einer Glas­ platte mit den auf ihrer Unterseite angebrachten dünnen Schichten bildet eine Probeeinrichtung 33, die gegenüber der zugeordneten Lichterzeugungsanordnung 34 mit drei Leuchtdio­ den und dem Detektor 35 in Form einer Photodiode beweglich ist. Die relative Beweglichkeit der dünnen Schichten gegen­ über den auf sie einfallenden Wellenelementen kann durch Drehung der Scheibe erreicht werden, wodurch zeitlich nach­ einander die Wellenelemente auf verschiedene sektorielle dünne Schichten der Probeneinrichtung 33 einfallen. Die Drehung der Scheibe 30 kann jeweils für die Zeitdauer der Messung angehalten werden. Es ist auch möglich, die dünnen Schichten und die Lichterzeugungsanordnung derart relativ zueinander zu bewegen, daß Interferenzerscheinungen an ver­ schiedenen radialen Positionen einer Schicht beobachtet werden können (siehe Pfeil 36 auf Gradientenschicht 31).

Bevorzugte Anwendungen des Verfahrens nach der Erfindung und erfindungsgemäßer Vorrichtungen liegen im Bereich der Chemo­ sensorik und Biosensorik. Insbesondere kann die Wechselwir­ kung von kohlenwasserstoffhaltigen flüssigen oder gasförmigen Analyten mit dünnen Schichten in Form von Polyinerfilmen beob­ achtet und nachgewiesen werden. So wurde beispielsweise ein Polysiloxanfilm auf eine Glasscheibe aufgebracht und als Sen­ sor für Kohlenwasserstoffe verwendet. Die Probeneinrichtung wurde mit verschiedenen Kohlenwasserstoffen, wie beispiels­ weise n-Pentan, n-Hexan, n-Heptan oder auch mit Ether in Be­ rührung gebracht. Bei allen Stoffen zeigte sich eine deut­ liche Verschiebung des Maximums 23 der Hüllkurve unter Ein­ fluß der genannten Kohlenwasserstoffe. Nach Kalibrierung des Systems bestand über einen weiten Bereich von Kohlenwasser­ stoffkonzentrationen ein guter linearer Zusammenhang zwischen der relativen Änderung der optischen Schichtdicke und der Menge der verwendeten Substanzen.

Claims (35)

1. Vorrichtung zum optischen Nachweis einer An- oder Ein­ lagerung mindestens einer stofflichen Spezies an oder in mindestens einer dünnen Schicht aufgrund physikali­ scher oder chemischer Wechselwirkung, mit:

• - mindestens einer Lichterzeugungsanordnung (4; 34), die zur Erzeugung einer Serie von mindestens drei aufeinanderfolgenden Wellenelementen (12, 13, 14) unterschiedlicher Wellenlängen mindestens drei auf die dünne Schicht (10, 25, 31, 32) ausrichtbare, gesonderte Lichtquellen (5, 6, 7) aufweist;
• - mindestens einer Probeneinrichtung (8; 33) mit mindestens einer dünnen Schicht (10, 25; 31, 32)
• - mindestens einem Detektor (11; 35) zur aufeinander­ folgenden Einzelerfassung modulierter Wellenele­ mente (15, 16, 17);
• - einer Auswerteeinrichtung, die insbesondere einen Computer aufweist, zur Bestimmung einer optischen Schichtdicke.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichterzeugungsanordnung (4; 34) und der Detek­ tor (11; 35) derart auf der gleichen Seite der Proben­ einrichtung (8; 33) angeordnet sind, daß in den Detektor von der Probeneinrichtung reflektierte modulierte Wel­ lenelemente einfallen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichterzeugungsanordnung (4; 34) genau drei auf die dünne Schicht (10, 25; 31, 32) ausrichtbare Lichtquellen (5, 6, 7) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Lichtquellen (5, 6, 7) zur Erzeugung eines Wellenelements mit im wesentli­ chen einer einzigen geeigneten Wellenlänge ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5, 6, 7) eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (5, 6, 7) derart zur dünnen Schicht (10, 25; 31, 32) angeordnet sind, daß die Einstrahlung der Wellenelemente in einem spitzen Einstrahlwinkel zu einer Schichtnormalen der dünnen Schicht erfolgt, wobei der Einstrahlwinkel vorzugsweise zwischen 2° und 40°, insbesondere bei ca. 30°, liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstrahlwinkel für jede Lichtquelle gesondert ein­ gestellt oder einstellbar ist, wobei vorzugsweise der Einstrahlwinkel in Abhängigkeit von der durch eine Lichtquelle erzeugbaren Wellenlänge und der dünnen Schicht derart einstellbar oder eingestellt ist, daß sich am Detektor ein Maximum der Amplitude der modulier­ ten Wellenelemente ergibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß jede der Lichtquellen (5, 6, 7) in einem anderen Einstrahlwinkel relativ zur dünnen Schicht angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichterzeu­ gungsanordnung (4; 34) und der Probeneinrichtung (8; 33) und/oder zwischen der Probeneinrichtung (8; 33) und dem Detektor (11; 35) ein freier Bereich ohne der Lichtlen­ kung, Lichtleitung und/oder Strahlformung dienende optische Elemente vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Lichterzeugungsan­ ordnung (4; 34) genau ein Detektor (11; 35) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11; 35) eine Photodiode ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (10, 25; 31, 32) eine Polymerschicht ist, insbesondere eine quellfähige Polymerschicht ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die dünne Schicht (10, 25; 31, 32) auf einer Unterlage (9; 30) befindet, ins­ besondere auf einer Glasplatte.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (9; 30) ausreichend transparent ist und daß sich die dünne Schicht (10, 25; 31, 32) auf der der Lichterzeugungsanordnung (4; 34) abgewandten Seite der Unterlage befindet.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein freier Bereich zwischen der Lichterzeugungsanordnung und der Probeneinrichtung und/oder ein freier Bereich zwischen Probeneinrichtung und Detektor mindestens teilweise, vorzugsweise voll­ ständig, durch ein transparentes Medium ausgefüllt ist, dessen Brechzahl größer als 1 ist, insbesondere zwischen 1.1 und 1.5 liegt, wobei das Medium vorzugsweise fest und insbesondere ein Kunststoff ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichterzeugungsanord­ nung, eine Probeneinrichtung und ein Detektor ein Sen­ sorelement (2, 3) bilden und daß ein erstes und minde­ stens ein zweites Sensorelement vorgesehen sind, wobei die Probeneinrichtung des ersten Sensorelements eine erste dünne Schicht und die Probeneinrichtung des zwei­ ten Sensorelements eine zweite dünne Schicht aufweist und die erste dünne Schicht und die zweite dünne Schicht sich bezüglich der Wechselwirkung mit der mindestens einen stofflichen Spezies unterscheiden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise regelmäßige Anordnung von zwischen 2 und 20 Sensorelementen, insbesondere zwischen 5 und 10 Sensorelementen, vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegungseinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der minde­ stens einen dünnen Schicht (31, 32) und der mindestens einen Lichterzeugungseinrichtung (34) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise mindestens zwei unterschiedliche dünne Schichten auf einer drehbaren Unterlage (30) angeordnet sind.

19. Sensorelement, insbesondere nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, mit einer Lichterzeugungsanordnung (4; 34), die zur Erzeugung einer Serie von mindestens drei aufeinanderfolgenden Wellenelementen (12, 13, 14) un­ terschiedlicher Wellenlänge mindestens drei gesonderte Lichtquellen (5, 6, 7) aufweist, mit einer Probenein­ richtung (8; 33), die mindestens eine dünne Schicht (10, 25; 31, 32) aufweist, die auf einer der Lichterzeugungs­ anordnung abgewandten Seite einer die dünnen Schicht tragenden, transparenten Unterlage (9; 30) angeordnet ist und mit einem Detektor (11; 35) zur aufeinander­ folgenden Einzelerfassung modulierter, reflektierter Wellenelemente.

20. Sensorelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichterzeugungsanordnung, die Probeneinrichtung und der Detektor in einer fest vorgegebenen geometri­ schen Orientierung zueinander in einem festen, transpa­ renten Medium, insbesondere einem geeigneten Kunststoff, eingegossen sind.

21. Verfahren zum optischen Nachweis einer An- oder Einlage­ rung mindestens einer stofflichen Spezies an oder in mindestens einer dünnen Schicht aufgrund physikalischer oder chemischer Wechselwirkung mit folgenden Schritten:

• - Erzeugung einer Serie von mindestens drei Wellen­ elementen unterschiedlicher Wellenlänge, wobei ein Wellenelement aus Licht mit im wesentlichen einer einzigen geeigneten Wellenlänge besteht und wobei für jede Wellenlänge eine gesonderte Lichtquelle verwendet wird;
• - Einstrahlung der Wellenelemente nacheinander auf die dünne Schicht;
• - Detektion von modulierten Wellenelementen;
• - Bestimmung einer optischen Schichtdicke der dünnen Schicht aus den modulierten Wellenelementen.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß für die Detektion modulierte Wellenelemente genutzt werden, die von der dünnen Schicht reflektiert werden.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeich­ net, daß bei der Bestimmung der optischen Schichtdicke eine Hüllkurve der modulierten Wellenelemente bestimmt und aus der Hüllkurve ein Spektrum, insbesondere ein Reflexionsspektrum, abgeleitet, insbesondere errechnet wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Wellenelemente durch monochromatische Lichtquellen erfolgt, wobei ein Wellenelement vorzugsweise das Licht einer Leuchtdiode (LED) oder einer Laserdiode ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlung der Wellenelemente in einem spitzen Winkel zu einer Schichtnormalen der dünnen Schicht erfolgt, wobei der Winkel vorzugsweise zwischen 2° und 40° liegt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß Wellenelemente unterschiedlicher Wellenlänge unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln eingestrahlt werden, wobei vorzugsweise für jede Wellen­ länge der Einstrahlwinkel derart angepaßt wird, daß sich am Detektor ein Maximum der Amplitude des zugeordneten modulierten Wellenelementes ergibt.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens ein Wellenelement, vorzugsweise für jedes Wellenelement, ein Wellenelement-Inten­ sitätswert bestimmt wird und daß der Wellenelement-Inten­ sitätswert zur Korrektur eines Intensitätswerts des zugehörigen modulierten Wellenelements verwendet wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht direkt, insbesondere ohne Zwischenschaltung einer optischen Abbildung und/oder Lichtlenkung, auf die dünne Schicht eingestrahlt wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und mindestens eine zweite Serie von Wellenelementen erzeugt wird, wobei die erste Serie auf eine erste dünne Schicht und die zweite Serie auf mindestens eine zweite dünne Schicht einge­ strahlt wird, wobei sich die erste dünne Schicht und die zweite dünne Schicht bezüglich der Wechselwirkung mit der stofflichen Spezies unterscheiden.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Serie und die zweite Serie im wesentlichen gleichzeitig erzeugt werden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Serie im wesentlichen identisch mit der zweiten Serie ist.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlung der Wellenelemente derart erfolgt, daß eine oder mehrere Serien von Wellen­ elementen nacheinander auf unterschiedliche Bereiche einer dünnen Schicht, insbesondere einer Gradienten­ schicht, und/oder auf unterschiedliche dünne Schichten erfolgt, wobei vorzugsweise die mindestens eine dünne Schicht bewegt wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlung der Wellenelemente erfolgt, während die dünne Schicht in Kontakt mit einem die stoffliche Spezies enthaltenden flüssigen oder gas­ förmigen Medium ist.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die stofflichen Spezies organische Moleküle oder Biomoleküle, insbesondere Kohlenwasser­ stoffe sind.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkung von mindestens zwei stofflichen Spezies an oder in der dünnen Schicht nachgewiesen wird.