DE19905757A1 - Oberflächenplasmonen-Sensor basierend auf der Bestimmung der Oberflächenplasmonenresonanz mit Hilfe von linearer oder rotierender Bewegung des Transducers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Oberflächenplasmonenresonanz-Transducer, in dem die Eigenschaften der Oberflächenplasmonenresonanz tragenden Oberfläche (5) und/oder die Eigenschaften mindestens eines benachbarten Bereiches (7, 8) derart ausgebildet und/oder veränderbar sind, daß durch eine räumlich und/oder zeitlich aufgelöste Bestimmung der Intensität der von der Oberfläche reflektierten Strahlung die Oberflächenplasmonenresonanz meßbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Oberflächenplasmonen.

Die Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (engl. Surface Plasmon Resonance - SPR) beobachtet Änderungen sowohl von Dicke d als auch Brechungsindex n einer dünnen Schicht eines Metalles und eventuell auf dieser aufgebrach­ ter Schichten. Oberflächenplasmonen sind kollektive Anregun­ gen der freien Elektronen in einem Metall, die von einem Lichtfeld, das an der Grenze der dünnen Metallschicht re­ flektiert wird, angeregt werden können. Die Anregung erfolgt dann, wenn sowohl Energie als auch Impuls des einfallenden Lichtfeldes mit dem der Plasmonen übereinstimmt. Die Ober­ flächenplasmonenresonanz kann somit sowohl mit Hilfe der Va­ riation der Wellenlänge (Energie) des einfallenden Lichtes, bei konstantem Winkel (Impuls) als auch durch Variation des Anregungswinkels bei konstanter Wellenlänge beobachtet wer­ den. Beide Prinzipien und Apparaturen zu ihrer Verwendung werden in dem Artikel von Erwin Kretschmann, "Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Ober­ flächenplasmaschwingungen", Z. Physik 241, 313-314 (1971) beschrieben.

Die Position der SPR im Spektrum hängt nicht allein von den Eigenschaften der plasmonentragenden Schicht des Freielek­ tronenmetalles ab.

Vielmehr hängt die Position der SPR und auch ihre Form von den optischen Eigenschaften des an die Oberfläche angrenzen­ den Mediums ab. Diese Eigenschaft wird für die Verwendung der SPR in Sensoren genutzt. Speziell in Biosensoren wird das angrenzende Medium so gestaltet, daß seine optischen Eigenschaften (Dicke und Brechungsindex) durch spezifische Adsorption von Analytmolekülen modifiziert werden. Dies ge­ schieht typischerweise dadurch, daß in einer dünnen Schicht, die unspezifische Adsorption verhindert, spezielle Ligand-Mo­ leküle fest gebunden werden. Diese Liganden sind spezifi­ sche Bindungspartner für die zu analysierenden Moleküle. Beispielsweise ist ein solches typisches Paar ein Antikörper (Ligand) und das entsprechende Antigen (Analyt). Auf diese Art und Weise kann mit Hilfe der Verschiebung im Spektrum oder allgemeiner Änderung der SPR auf die Anwesenheit und Konzentration von Analytmolekülen und die Bindungsmechanis­ men zwischen ihnen und der modifizierten Sensoroberfläche geschlossen werden. Die so erzeugten Sensoren heißen Affini­ tätssensoren. Mit ihrer Hilfe kann die Reaktion zwischen Analyt in einer Probenlösung und Ligand zeitaufgelöst ver­ messen werden. Eine Übersicht zeigt Gunnar Brink, "Selbstor­ ganisierte ultradünne Schichtsysteme auf Basis von Proteinen und Lipidmembranen; Erzeugung, Charakterisierung und Anwen­ dung in der Biosensorik", VDI Verlag.

Die im Stand der Technik beschriebenen Sensoren und die zu Grunde liegenden Verfahren basieren auf der Beobachtung der Verschiebung der SPR entweder im Spektrum des einfallenden Lichtes oder im Anregungswinkel. Dabei hat die Verwendung eines Verfahrens, daß auf der spektralen Vermessung der SPR beruht, den Vorteil, daß der Ortsraum zur Gewinnung zusätz­ licher Information zur Verfügung steht. Wird die wellenlän­ genaufgelöste Messung mit einer ortsaufgelösten Messung ver­ knüpft, läßt sich die Informationsdichte deutlich erhöhen. Der Unterschied entspricht dem zwischen einem Schwarz-Weiß-Bild­ schirm und einem Farbbildschirm.

Sowohl die winkel- als auch die wellenlängenaufgelöste Ver­ messung von SPR benutzt die kontrollierte Veränderung (das Durchstimmen) einer äußeren Größe über die Breite der Reso­ nanz oder das Einstrahlen von Licht mit der Breite der Reso­ nanz - spektral, ca. 100 nm oder mehr, winkelaufgelöst, einige Grad - um Veränderungen der SPR zu messen. Diese Ver­ fahren haben den Nachteil, daß sie entweder keine optimale Zeitauflösung, keine optimale Energiedichte oder keines der beiden zur Verfügung stellen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Oberflächenplasmonen bereit zustellen, die eine bessere Zeitauflösung und/oder Energiedichte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.

Ideal unter Aspekten der Zeitauflösung und der Empfindlich­ keit ist die Vermessung der SPR mit einem spektral schmal­ bandigen, parallelen, konstanten Lichtstrahl hoher Intensi­ tät. Damit kann sowohl die zeitliche, als auch die Auflösung bei der Messung von Intensitäten und damit die Sensitivität optimiert werden.

Der Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, die Mate­ rialeigenschaften derjenigen Bereiche, die an die SPR tra­ gende Oberfläche des SPR-Sensors (Transducers) angrenzen, bzw. sich so nah - ±5 µm - an der SPR tragenden Oberflä­ che befinden, daß sie die SPR signifikant beeinflussen, der­ gestalt zu modifizieren, daß eine räumlich oder zeitlich aufgelöste Bestimmung der Intensität der von der Oberfläche reflektierten Strahlung die Vermessung der SPR ermöglicht. Diese Schichten können das Freielektronenmetall (Metall­ schicht) oder eine erste auf der Lichteinkopplungs-Seite oder eine zweite auf der Probenseite befindliche (dielektri­ sche) Schicht sein. Die erste und zweite Schicht kann direkt an die Metallschicht angrenzen. Alternativ kann die erste oder zweite Schicht durch eine erste bzw. zweite Zwischen­ schicht oder mehrere Zwischenschichten von der Metallschicht getrennt sein. Ebenso kann die zweite Schicht direkt an das Probenvolumen angrenzen. Es werden in erster Linie Form und Lage der SPR entweder räumlich oder zeitlich beeinflußt. Die Erfindung ermöglicht die oben geforderte Bestimmung der SPR sowohl mit optimaler zeitlicher (nur bei räumlich aufge­ löster Bestimmung), als auch mit optimaler Intensitätsauflö­ sung. Außerdem besitzt sie den Vorteil, daß gegebenenfalls die übrigen räumlichen Achsen zur Gewinnung weiterer Infor­ mation genutzt werden können. Dies wird in den Ausführungs­ beispielen verdeutlicht. Insbesondere gestattet die Erfin­ dung auch die Kombination von räumlich oder zeitlich aufge­ lösten Messungen und schmalbandiger spektraler Modulation der Lichtquelle zur Unterdrückung äußerer Störgrößen und Er­ zielung eines optimalen Signal- zu Rauschen-Verhältnisses. Zur räumlichen Modifikation der Transduceroberfläche - ge­ nauer: von komplexen Brechungsindex n, Dicke d oder dem Produkt n.d - stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Dabei kann einerseits die dünne Schicht des Freielektronen­ metalls entsprechend strukturiert erzeugt oder modifiziert werden, oder auch eine oder mehrere Schichten, die an die Metallschicht mittelbar oder unmittelbar angrenzen. Techni­ ken, die zur Modifikation zur Verfügung stehen, basieren auf der ortsaufgelösten Aufbringung von Material, wie beispiels­ weise ortsaufgelöste Aufsputterung von Material auf Oberflä­ chen, oder durch Bedrucken, durch gerichtete Eindiffusion von Fremdmaterialien, durch ortsaufgelöste Ionenimplanta­ tion, durch ortsaufgelöste fotoinduzierte Bindung oder auch durch gezielte Entfernung von Material von der Oberfläche beispielsweise durch Sputtern oder lithograpische Techniken, Plasmaätzen usw.

Eine weitere Möglichkeit zur erfindungsgemäßen räumlichen Modifikation ist die Erzeugung einer stehenden Welle - bei­ spielsweise als Dichtemodifikation auf akustischem Wege - im Bereich des Transducers, der an die SPR-tragende Oberfläche angrenzt.

Alternativ ist die Verwendung eines Materials an der Grenz­ fläche, dessen Brechungsindex durch Einstrahlung eines wei­ teren Lichtfeldes orts- oder zeitaufgelöst modifiziert wer­ den kann, möglich. Ein solches Material ist beispielsweise ein Farbstoff.

Neben der Bestimmung der Oberflächenplasmonenresonanz durch räumliche Modifikation des Transducers, in dem Bereich, der empfindlich auf Form und Lage der SPR wirkt, ist auch die zeitaufgelöste Modifikation dieses Bereiches geeignet, die Detektion von SPR und die darauf basierende Sensorik zu ver­ bessern. Unter zeitaufgelöster Modifikation wird hier ver­ standen, die Änderung der Eigenschaften einer oder mehrerer Schichten, in einem SPR-Transducer, die dazu geeignet sind, Form und Lage der SPR zu verändern, so durchzuführen, daß diese Änderungen reversibel sind und durch zeitliche Ände­ rung einer äußeren Größe zustande kommen. Beispielsweise kann eine oder mehrere der beschriebenen Schichten oder der ganze Transducer komprimiert oder expandiert werden, oder die Temperatur entsprechender Bereiche kann verändert werden oder ein Lichtfeld wie oben beschrieben kann eingestrahlt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Vermessung von SPR,

Fig. 1b eine schematischen Aufbau eines SPR-Sensors mit einer Konfiguration nach Kretschmann zur Anregung von SPR,

Fig. 1c eine Prinzipdarstellung an einem Ausschnitt eines Sensors gemäß Fig. 1b;

Fig. 1d eine Diagrammdarstellung der Stärke des elektri­ schen Feldes E im Grenzbereich Freielektronenme­ tall 5/Probe 6;

Fig. 1e eine schematisch Darstellung eines Schichtaufbaus des auf Gestalt und Lage der SPR wirkenden Trans­ ducer-Bereiches;

Fig. 2a eine schematisch Darstellung einer Variation der Schichtdicke d des Freielektronenmetalls 5 in einem SPR-Sensor gemäß einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 2b eine schematisch Darstellung einer Variation der Schichtdicke einer zusätzlichen dielektrischen Schicht 7 zwischen Freielektronenmetall 5 und Probe 6;

Fig. 2c eine Prinzipdarstellung einer Verschiebung eines ortsaufgelösten SPR-Signals;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Variation des Bre­ chungsindex n des Freielektronenmetalls 5 oder einer Schicht 7, 8;

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer zyklischen Variation der optischen Eigenschaften des Freielektronenme­ talls 5 oder einer Schicht 7, 8;

Fig. 5a eine Aufsicht auf einen kreisförmigen Transducer 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin­ dung;

Fig. 5b eine schematische Anordnung verschiedener Pro­ benkanäle 10 entlang des Radius r des kreisförmi­ gen Transducers gemäß Fig. 5a;

Fig. 5c eine Prinzipdarstellung eines SPR-Signals als Funktion des Drehwinkels bei einem Transducer ge­ mäß Fig. 5a;

Fig. 6a eine perspektivische Ansicht eines Sensors basie­ rend auf der rotationsaufgelösten Messung eines SPR-Signals gemäß einer alternativen Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 6b einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Vermessung von SPR mit einem Sensor gemäß Fig. 6a;

Fig. 7a eine perspektivische Ansicht eines Sensors mit einer linearen Anordnung zur Bestimmung von Ana­ lytkonzentrationen mit Hilfe ortsaufgelöster Mes­ sung eines SPR-Signals und

Fig. 7b eine Prinzipdarstellung eines SPR-Signals als Funktion des Ortes bei einem Transducer gemäß Fig. 7a.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung be­ schrieben.

In Fig. 1a wird ein schematischer Aufbau eines optischen Sensors gezeigt. Es wird ein paralleler Lichtstrahl konstan­ ter Wellenlänge aus einer Lichtquelle 1, vorzugsweise ein Laser, z. B. ein Diodenlaser, auf einen SPR-Transducer 2 ein­ gestrahlt. Das vom Transducer abgegebene Licht wird von einem Detektor 3 erfaßt und anschließend von einer Auswerte­ einheit (nicht dargestellt) ausgewertet. Der Transducer 2 wird beispielsweise wie in Fig. 1b gezeigt in Kretschmann-Konfiguration verwendet. Der Transducer be­ steht aus einer Freielektronenmetallschicht 5 auf dessen lichteinkoppelnder Seite ein Glasprisma 4 angeordnet ist. Auf der Probenseite der Metallschicht 5 ist eine Probe 6 an­ geordnet. Der Lichtstrahl wird von einer Seite des Glaspris­ mas 4, das als einkoppelndes Medium dient, auf die Oberflä­ che der Metallschicht 5 gerichtet. Das reflektierte Licht wird an einer gegenüberliegenden Seite des Glasprismas 4 ausgegeben.

Wie aus Fig. 1c, die einen Auschnitt von Fig. 1b zeigt, hervorgeht, kommt es an der Metallschicht 5 zu einer Total­ reflexion des Lichtes. In der Metallschicht 5 und der an­ grenzenden Probe bildet sich ein evaneszentes Feld, welches an der gegenüberliegenden Seite der Metallschicht Oberflä­ chenplasmonen anregt. Der entsprechende Feldverlauf der Oberflächenplasmonen ist in Fig. 1d gezeigt. Unter bestimm­ ten Bedingungen kommt es zu einer Oberflächenplasmonenreso­ nanz (SPR). Abhängig von den Verhältnissen an der Proben­ seite ändert sich diese SPR. Diese Änderung wird für Auswer­ tung der Probe verwendet.

Wie in Fig. 1e dargestellt, kann der Transducer 2 aus meh­ reren übereinanderangeordneten Schichten bestehen. Auf der lichteinkoppelnden Seite ist eine erste dielektrische Schicht 7 angeordnet, die direkt oder wie dargestellt über eine oder mehrere erste Zwischenschichten 7a an der Metall­ schicht 5 angrenzt. In gleicher Weise ist an der Probenseite eine zweite Schicht 8 direkt angrenzend oder durch eine oder mehrere zweite Zwischenschichten 8a getrennt angeordnet.

Der Aufbau oder die Oberfläche des erfindungsgemäßen Trans­ ducers ist dergestalt, daß entlang mindestens einer seiner Achsen die Dicke mindestens einer der Schichten variiert. Die übrigen Schichten sind jeweils gleichmäßig dick. Alter­ nativ oder zusätzlich variiert der Brechungsindex bei minde­ stens einer der genannten Schichten.

Fig. 2a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Trans­ ducers gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem SPR-Sen­ sor variiert die Dicke der Schicht des Freielektronenmetalls 5 in y-Richtung. In dem Beispiel nimmt die Dicke von links (von der ersten Seite der Prismas) nach rechts (zu der zwei­ ten Seite des Prismas) gesehen linear von 40 auf 50 nm zu.

Als Freielektronenmetall wird beispielsweise Gold oder Sil­ ber verwendet.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 2b gezeigt ist, variiert die Dicke einer auf der Pro­ benseite einer Goldschicht 5 befindlichen dünnen Glasschicht 8 in y-Richtung des Transducers. Bei dem Beispiel ändert sich die Dicke linear von 20 auf 100 nm. Die Dicke der Gold­ schicht 5 ist bei diesem Beispiel einheitlich. Alternativ kann die Dicke der Goldschicht ebenfalls variieren.

Die Intensität des von der Transduceroberfläche reflektier­ ten Lichtes wird mit einem Detektor 3 gemessen, der so ge­ staltet ist, daß er mindestens in einer Dimension ortsaufge­ löste Messungen gestattet. Der Detektor ist beispielsweise ein Photodiodenarray, das in y-Richtung angeordnet wird. Das resultierende Signal ist eine ortsaufgelöste SPR. Ändern sich die optischen Eigenschaften der an die Goldschicht (Fig. 2a) oder an die Glasschicht (Fig. 2b) angrenzenden Schicht 6, verschiebt sich die SPR wie in Fig. 2c schema­ tisch dargestellt. Die Verschiebung ist beispielsweise ein Maß für die in der angrenzenden Schicht gebundenen Analyt­ atome.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Der optische Aufbau entspricht dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1b. Die Transducer-Oberfläche ist so gestaltet, daß der Brechungsindex n der Schicht des Freielektronenmetalls 5 oder einer anderen Schicht 7, 8 entlang einer Transducer­ achse, wie im Diagramm dargestellt, zunimmt. Das resultie­ rende Signal ist wie in den Ausführungsbeispielen von Fig. 2a und 2b eine ortsaufgelöste SPR. Eine Kombination der Aus­ führungsbeispiele von Fig. 2a bzw. 2b mit dem von Fig. 3, bei der die optischen Eigenschaften dem Produkt aus Dicke d und Brechungsindex n entsprechen, führt zu einem entspre­ chenden Effekt.

In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 erfolgt die Variation der optischen Eigenschaften d.n der plasmonen-tragenden Schicht 5 oder einer anderen Schicht 7, 8 zyklisch. Das Pro­ dukt n.d gibt die Variation der Dicke d und/oder des Bre­ chungsindex n an, die in y-Richtung des Transducers vorhan­ den ist. Die Amplitude der zyklischen Modifikation der opti­ schen Eigenschaften ist vorzugsweise gerade so groß, daß in einer Periode die komplette SPR überstrichen wird. Diese zyklische Variation kann z. B. entsprechend einer sägezahn­ förmigen Funktion, einer Dreiecks-Funktion, einer Sinusfunk­ tion oder beispielsweise einer Funktion sein, die das Ober­ flächenplasmon auf eine der genannten Funktionen abbildet.

Das zugrunde liegende Koordinatensystem ist nicht unbedingt ein rechtwinkliges, wie in Fig. 1 bis 4 angegeben. Es kann beispielsweise auch eine kreisförmiger Transducer ver­ wendet werden - Fig. 5a. Dann ist die entsprechende Koordi­ nate in den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen nicht mehr y sondern der Drehwinkel Φ und die ortsaufgelöste Mes­ sung der Intensität mit Hilfe einer Diodenzeile oder einer Kamera kann durch Detektion mit einer Photodiode und gleich­ zeitige Drehung des kreisförmigen Transducers erfolgen. Ein solcher Aufbau ist in Fig. 5a gezeigt. Die Rotation kann gleichförmig oder auch stufenweise erfolgen. Bei gleichför­ miger Rotation und zum Beispiel einer Oberfläche, die so ge­ staltet ist, daß bei einer vollständigen Drehung das Plasmon gerade auf eine Periode einer Sinusfunktion abgebildet wird, kann das Signal-der Photodiode gerade bei der Rotationsfre­ quenz ausgelesen werden. Eine Verschiebung der SPR kann dann beispielsweise als Phasenverschiebung gemessen werden. Vor­ zugsweise wird dazu gleichzeitig mit dem eigentlichen Meß­ signal ein Referenzsignal konstanter Phase aufgenommen und mit Hilfe einer PLL-Schaltung (Phase Locked Loop) ein Ver­ gleich durchgeführt.

Wie bereits oben gesagt kann die zweite Dimension der Trans­ ducer-Oberfläche dazu verwendet werden, weitere Informatio­ nen über die zu untersuchende Probe zu liefern. Beispiels­ weise kann entlang der x-Achse (siehe Fig. 1b) oder des Ra­ dius r (siehe Fig. 5b) in einem Affinitätssensor unter­ schiedliche Liganden für verschiedene Analyte oder Liganden unterschiedlicher Affinität für einen oder mehrere Analyte aufgebracht werden. Beispielsweise kann aber auch die Kon­ zentration der Liganden an der Oberfläche entlang der x-Achse oder von r variiert werden. Ebenso kann eine Anzahl verschiedener Probenkanäle, die entsprechend verlaufen (in Fig. 5b in Form von konzentrischen Kreisen), mit verschie­ denen Proben verwendet werden.

Entsprechend den obigen Ausführung und den dort beschriebe­ nen Verfahren und allgemeinen Ausführungsformen können ins­ besondere sehr stark vereinfachte Affinitätssensoren reali­ siert werden. Insbesondere können völlig neuartige Geräte für die Verwendung als diagnostische Affinitätssensoren re­ alisiert werden. Zwei dieser Geräte werden im folgenden als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 beschrieben.

Das hier beschriebene und in Fig. 6 schematisch gezeigte Gerät basiert auf der Verwendung einer kreisförmigen Trans­ ducer-Oberfläche mit konzentrischen halbkreisförmigen Pro­ benkanälen 10. Als Lichtquelle 1 dient eine Laserdiode oder beispielsweise eine Leuchtdiode, deren spektrale Breite durch Verwendung eines optischen Filters eingeschränkt wird oder irgendeine andere Lichtquelle mit einer spektralen Breite, die klein gegenüber der spektralen Breite des Ober­ flächenplasmons bei konstantem Einfallswinkel des anregenden Lichtes ist oder eine Lichtquelle, die mit einem spektralen Filter, wie einem Monochromator versehen ist. Bei einer Re­ sonanzwellenlänge von ca. 780 nm, einer ca. 50 nm dicken, ebenen Goldschicht als Transducer-Oberfläche und entspre­ chendem Einstrahlungswinkel ist die SPR ca. 100 nm breit (2.FWHM - Full Width Half Minimum). Eine LED in diesem Wel­ lenlängenbereich mit einer spektralen Breite des abgestrahl­ ten Lichtes von ca. 15 nm-30 nm ist bereits klein genug um eine entsprechende Vermessung des Oberflächenplasmons zu er­ möglichen.

Für eine höhere Genauigkeit der Vermessung der SPR wird vor­ zugsweise eine wesentlich schmalbandigere Lichtquelle ver­ wendet. Eine solche Lichtquelle ist eine Laserdiode, die bei der genannten Wellenlänge mit einer spektralen Breite von ca. 1 pm oder weniger leuchtet. Das eingestrahlte Licht wird möglichst parallel aufgebracht. Vorzugsweise ist das Maß für eine tolerierbare Abweichung von der Parallelität die Breite der SPR im Winkelraum bei konstanter Wellenlänge des ein­ fallenden Lichtes. Diese Breite beträgt bei den o. g. Bedin­ gungen ca. 2 Winkelgrad, so daß ein Lichtstrahl einen Kon­ vergenz- bzw. Divergenzwinkel von ca. 0,5° oder weniger auf­ weisen sollte. Die geforderte Parallelität bezieht sich auf den Einstrahlwinkel in der Reflexionsebene. Dieser paral­ lele, monochromatische Lichtstrahl wird beispielsweise mit Hilfe einer Strahlformungsoptik 11 aus Zylinderlinsen in der Richtung senkrecht zur Reflexionsebene aufgeweitet, so daß ein "Lichtvorhang" entsteht. Der so gestaltete Lichtstrahl wird in ein Zylinderprisma 12 beispielsweise aus BK7-Glas eingekoppelt. Dieses Zylinderprisma ist so angeordnet, daß an seiner Basis eine Scheibe beispielsweise ebenfalls mit einer BK7-Oberfläche als Kopplungsschicht 13 rotierend vorbeistreicht. Zwischen der Basis des Prismas und der ro­ tierenden Scheibe ist eine Schicht zur Brechungsindexanpas­ sung 14 beispielsweise Silikonöl gebracht. Statt einer Flüs­ sigkeit kann beispielsweise auch ein Kissen aus Silikon­ kautschuk zwischen Prisma und rotierender Scheibe zur Bre­ chungsindexanpassung verwendet werden. Auf der Seite, die dem Prisma gegenüberliegend angeordnet ist, trägt die Scheibe eine Schicht eines Freielektronenmetalls 5 bei­ spielsweise Gold und möglicherweise einer oder mehrerer wei­ terer Schichten 7, 8 beispielsweise Glas und Dextran. Diese sind entsprechend der obigen Ausführungen so modifiziert, daß die SPR eine Funktion des Rotationswinkels Φ ist. Ent­ lang des Radius dieser Scheibe sind gegenüber des Prismas Kammern oder Kanäle 10 angeordnet, die verschiedene Proben 6 enthalten. Diese Kanäle können über einen großen Winkelbe­ reich ausgedehnt sein. Sie dienen zunächst der Funktionali­ sierung der Sensoroberfläche, d. h. mit Hilfe einer bestimm­ ten Abfolge chemischer Reaktionen werden Liganden an der Sensoroberfläche immobilisiert. Anschließend können die zu untersuchenden Proben aufgebracht werden. Wie bereits gesagt können die Kanäle über einen großen Bereich des Rotations­ winkels Φ ausgedehnt sein. Sinnvoll ist aber auch eine Ab­ folge von verschiedenen Kammern beispielsweise mit Probe und Pufferlösung. Wobei u. U. die Anordnung des kompletten Systems dergestalt sein kann, daß die eigentliche Intensi­ tätsmessung immer in einem Bereich mit Pufferlösung ge­ schieht, da das SPR-Signal in Affinitätssensoren immer auch abhängig ist, von den optischen Eigenschaften des Mediums, das an die sensitive Oberfläche angrenzt. Das reflektierte Licht wird entlang des Radius r der Rotation ortsaufgelöst detektiert, beispielsweise mit Hilfe eines Photodioden­ arrays, einer CCD-Zeile oder einer Kamera. Die Information über Form und Lage erhält man nun für jeden einzelnen Kanal zeitaufgelöst, entsprechend der Rotation der Transdu­ cer-Scheibe. Ist man nur an der Lage der SPR interessiert, ist bei entsprechender Gestaltung der Oberfläche (Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 4) die ausschließliche Bestimmung der Phase eines periodischen SPR-Signals ausreichend. Steht zur Messung genügend Zeit zur Verfügung, ist auch eine schritt­ weise Abtastung der SPR-Signale aus den einzelnen Kanälen denkbar. Auf diese Weise ist die Synergie mit der modernen CD-Player-Technologie umfassend.

Das mit Bezug auf Fig. 6 beschriebene Ausführungsbeispiel eines SPR-Systems eignet sich zur simultanen Bestimmung einer Vielzahl von Analyten und beispielsweise ihrer Konzen­ trationen. Die Zahl der unabhängig ermittelbaren Information hängt lediglich von der Möglichkeit ab, Systeme zur Handha­ bung der Proben mit genügender Packungsdichte zu erzeugen, die Oberfläche mit entsprechender Auflösung modifizieren zu können und eine entsprechende Ortsauflösung für die optische Detektion zur Verfügung zu stellen.

In Fig. 7 ist ein alternatives System gezeigt, welches ähn­ lich, wie das aus dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 die notwendige Ortsauflösung für die erfindungsgemäße SPR-Meß­ technik aus der Bewegung des Transducer-Chips oder der Transducer-Scheibe gewinnt. Dieses System zeichnet sich ins­ besondere durch einen einfachen Aufbau aus. Außerdem ist die erforderliche Energie für die Bewegung des Transducers ge­ ring. Zum Betreiben der Lichtquelle 1, des Detektors 3 und der Auswerte- und Anzeigeeinheiten ist ebenfalls eine ge­ ringe Energie erforderlich. Das System kann mit einer Batte­ rie betrieben werden. Vorzugsweise kann die Energie aus der Umsetzung von mechanischer oder aus Lichtenergie gewonnen werden. Dies ermöglicht den netzunabhängigen Betrieb des Ge­ rätes. Es werden nur wenige parallele Kanäle verwendet. Als mögliche Bewegungsform kommt hier neben der Rotation des Transducers 2 insbesondere die lineare Verschiebung des Transducers in Richtung der SPR-Achse in Frage, die den Sta­ tus einer erfolgten Reaktion nach einer bestimmten Zeit - beispielsweise nach Erreichen des Gleichgewichts der ent­ sprechenden Reaktion - abfragt. Ein solches System kann bei­ spielsweise zur Selbstüberwachung von Patienten mit Krank­ heiten verwendet werden, bei denen krisenhafte Komplikatio­ nen durch Überwachen (Monitoren) bestimmter Faktoren bei­ spielsweise im Serum vorhergesagt werden können. Damit kann der Patient entsprechend frühzeitig gegensteuern.

Das System beinhaltet insbesondere einen optischen Aufbau entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1. Der Trans­ ducer-Chip wird entlang der y-Achse bewegt. Die Bewegung er­ folgt beispielsweise getrieben von einer Feder, die einfach, beispielsweise durch Drehung (Unruhe) oder durch Ausein­ anderziehen oder Zusammendrücken gespannt wird. Beispiels­ weise wird mit der gleichen Bewegung oder einer zweiten Be­ wegung eine weitere Feder gespannt, die die Energie zum Be­ trieb der Lichtquelle, des Detektors, und der elektronischen Auswerte- und Anzeigeeinrichtungen zur Verfügung stellt. Al­ ternativ wird die elektrische Energie zum Betrieb des Detek­ tionssystems mit Hilfe eines photovoltaischen Systems, einer Batterie oder eines Akkumulators zur Ladung über das elek­ trische Netz zur Verfügung gestellt.

Die Messung in verschiedenen Kanälen erfolgt entweder durch Vervielfachung des optischen und/oder des elektrischen Meß­ systems oder durch zeitversetzte Beobachtung der verschie­ denen Kanäle, oder durch Verwendung einer Lichtquelle die entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 in einen Lichtvorhang entlang der y-Achse abgebildet wird und dann entweder zeitversetzt mit einem Photodetektor oder simultan mit Hilfe mehrerer Photodioden, einer Photodiodenzeile, einer CCD-Zeile oder einer angepaßten Anordnung von Photode­ tektoren vermessen wird. Die Modifikation der Oberfläche kann wie in den bisherigen Beispielen vorgeschlagen, be­ stimmten kontinuierlichen Funktionen folgen, aber auch stu­ fenförmig sein. Letztere Oberflächenmodifikation ist insbe­ sondere dann mit großem Nutzen einsetzbar, wenn eine JA/NEIN-Antwort gefordert wird, wie dies häufig der Fall in diagnostischen Systemen ist. Ein Teil der Oberfläche (A) ist so gestaltet, daß im Normalzustand die reflektierte Intensi­ tät minimal (klein) ist, dagegen in einem anderen Teil der Oberfläche (B) die reflektierte Intensität groß ist - A=0, B=1 -. Weicht der Zustand nun stark von der Normalität ab, wird die Intensität bei A groß und bei B klein A=1, B=0. Unter Umständen können auch die Zustände A=0, B=0 und A=1, B=1 zur Darstellung von Information genutzt werden.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 bis 7 beschrei­ ben die ortsaufgelöste Messung von SPR beziehungsweise dar­ auf beruhender technischer Geräte. Entsprechend dem bereits oben gesagten können die dazu notwendigen örtlichen. Varia­ tionen der Schichten 5, 7 und 8 durch entsprechende reversi­ ble zeitliche Modifikationen ersetzt werden. Möglichkeiten dazu sind insbesondere Brechungsindexvariationen einer oder mehrerer entsprechend gestalteter Schichten 5, 7 und 8 durch Einstrahlung starker Lichtfelder, Einkopplung von Dichte­ fluktuationen oder Temperaturänderungen. Das resultierende SPR-Signal wird entsprechend zeitlich aufgelöst gemessen und seine Form und Lage bei Bestrahlung mit parallelem, mono­ chromatischen Licht bezüglich der Zeitachse bestimmt und als Information in entsprechenden Sensorsystemen verwendet.

Bezugszeichenliste

1

Lichtquelle

2

Transducer

3

Detektor

4

Einkoppelndes Medium

5

Freielektronenmetall

6

Probe

7

Dielektrische Schicht (lichteinkopplungsseitig)

7

a Zwischenschichten (lichteinkopplungsseitig)

8

Dielektrische Schicht (probenseitig)

8

a Zwischenschichten (probenseitig)

9

Kreisförmiger Transducer

10

Probenkanäle

11

Strahlformungsoptik

12

Zylinderprisma

13

Koppelschicht

14

Brechungsindex anpassende Schicht

Claims (46)

1. Optischer Sensor mit einer Lichtquelle (1); einem Ober­ flächenplasmonenresonanz-Transducer (2) und einem De­ tektor (3), wobei auf der Lichteinkopplungs-Seite des Transducers ein einkoppelndes Medium (4, 12) angeordnet ist und der Transducer relativ zu dem einkoppelnden Me­ dium (4, 12) linear bewegbar ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, wobei der Transducer (2) entlang mindestens einer Richtung bewegbar angeord­ net und mit einem Antrieb verbunden ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei an der Probenseite des Transducers ein Probenraum vorgesehen ist, der vorzugsweise mehrere Probenkanäle (10) auf­ weist.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, wobei der Transducer (2) rechteckförmig ist und mindestens ein Probenkanal (10) in der Bewegungsrichtung des Transducers angeord­ net ist, wobei vorzugsweise sich jeder Probenkanal über einen Bereich erstreckt, der zwischen 5% und 100% des Bewegungsweges des Transducers beträgt.

5. Optischer Sensor mit einer Lichtquelle (1); einem Ober­ flächenplasmonenresonanz-Transducer (2) und einem De­ tektor (3), wobei auf der Lichteinkopplungs-Seite des Transducers ein einkoppelndes Medium (4, 12) angeordnet ist und der Transducer relativ zu dem einkoppelnden Me­ dium (4, 12) drehbar ist.

6. Optischer Sensor nach Anspruch 5, wobei der Transducer um eine Achse drehbar angeordnet und mit einem Antrieb verbunden ist.

7. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wo­ bei an der Probenseite des Transducers ein Probenraum vorgesehen ist, der vorzugsweise mehrere Probenkanäle (10) aufweist.

8. Optischer Sensor nach Anspruch 7, wobei der Transducer (2) kreisförmig ist und mindestens ein Probenkanal (10) konzentrisch angeordnet ist, wobei vorzugsweise sich jeder Probenkanal über einen Winkelbereich erstreckt, der zwischen 10° und 360° beträgt.

9. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wo­ bei das einkoppelnde Medium ein dreieckförmiges Prisma (4) oder ein Zylinderprisma (12) oder einen Abschnitt eines Prismas aufweist.

10. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wo­ bei zwischen der Lichteinkopplungs-Seite (13) des Transducers (2) und dem einkoppelnden Medium (4, 12) ein Mittel zur Anpassung des Brechungsindexes, vorzugs­ weise ein Immersionsöl (14) angeordnet ist.

11. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wo­ bei an der Lichteinkopplungsseite (13) des Transducers (2) direkt auf dem einkoppelnden Medium (4, 12) eine Metallschicht angeordnet ist.

12. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 4, 8 bis 11, wobei jeder Probenkanal (10) verschiedene Kammern auf­ weist zur Aufnahme von beispielsweise einer Probe oder einer Pufferlösung.

13. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wo­ bei die Lichtquelle eine spektrale Breite aufweist, die klein gegenüber der spektralen Breite des Oberflächen­ plasmons bei konstantem Einfallswinkel des anregenden Lichtes ist und/oder einen im wesentlichen parallelen Lichtstrahl aussendet.

14. Optischer Sensor nach Anspruch 13, wobei die Licht­ quelle eine Laserdiode oder Leuchtdiode mit einem spek­ tralen Filter wie ein Monochromator aufweist.

15. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer Strahlformungsoptik (11) vorzugsweise aus Zylin­ derlinsen, die den Lichtstrahl von der Lichtquelle (1) in der Richtung senkrecht zur Reflexionsebene aufweiten und einen parallelen monochromatischen Lichtstrahl bil­ den.

16. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wo­ bei der Detektor (3) mehrere Photoempfänger aufweist, vorzugsweise in Form einer Photodiodenzeile, eines Pho­ todiodenarrays, einer CCD-Zeile oder einer Kamera oder einer angepaßten Anordnung von Photoempfängern.

17. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wo bei der Transducer (2) mindestens zwei Bereiche (A, B) aufweist, wobei in einem Normalzustand die reflektierte Intensität in einem ersten Bereich (A) klein ist und in einem zweiten Bereich (B) die reflektierte Intensität groß ist und sich beim Abweichen vom Normalzustand die reflektierte Intensität in den Bereichen (A, B) ändert.

18. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wo­ bei bei dem Oberflächenplasmonenresonanz-Transducer die Eigenschaften der Oberflächenplasmonenresonanz tragen­ den Oberfläche (5) und/oder die Eigenschaften minde­ stens eines benachbarten Bereiches (7, 8), derart aus­ gebildet und/oder veränderbar sind, daß durch eine räumlich und/oder zeitlich aufgelöste Bestimmung der Intensität der von der Oberfläche reflektierten Strah­ lung die Oberflächenplasmonenresonanz meßbar ist.

19. Optischer Sensor nach Anspruch 18, wobei der benach­ barte Bereich in einem Abstand von bis ±5 µm von der Oberfläche, die die Oberflächenplasmonenresonanz trägt, liegt oder daran angrenzt.

20. Optischer Sensor nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Materialeigenschaften der Oberflächenplasmonenresonanz tragenden Oberfläche (5) und/oder des benachbarten Be­ reiches derart veränderbar sind, daß Form und Lage der Oberflächenplasmonenresonanz räumlich und/oder zeitlich beeinflußbar sind.

21. Optischer Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenplasmonenresonanz tragende Ober­ fläche eine Metallschicht (5) aufweist und der benach­ barte Bereich mindestens eine Schicht (7, 8) aufweist.

22. Optischer Sensor nach Anspruch 21, wobei mindestens eine Schicht (7) auf der Lichteinkopplungs-Seite des Transducers und/oder mindestens eine Schicht (8) auf der Probenseite des Transducers angeordnet ist.

23. Optischer Sensor nach Anspruch 22, wobei zwischen der Metallschicht (5) und einer ersten Schicht (7) auf der Lichteinkopplungs-Seite mindestens eine erste Zwischen­ schicht (7a) angeordnet ist, und/oder zwischen der Me­ tallschicht (5) und einer zweiten Schicht (8) auf der Probenseite mindestens eine zweite Zwischenschicht (8a) angeordnet ist.

24. Optischer Sensor nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Metallschicht (5) ein Freielektronenmetall, vorzugsweise Gold oder Silber, aufweist.

25. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei die erste oder zweite Schicht (7, 8) und/oder die erste oder zweite Zwischenschicht (7a, 8a) eine SiOx Schicht (0 ≦ x ≦ 2), insbesondere eine Glasschicht ist.

26. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei mindestens eine Schicht des Transducers in minde­ stens einer Richtung einen sich ändernden komplexen Brechungsindex n aufweist.

27. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei mindestens eine Schicht des Transducers eine sich in mindestens einer Richtung ändernde Dicke d aufweist.

28. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 27, wobei die Dicke der Metallschicht (5) in mindestens ei­ ner Richtung des Transducers variiert, vorzugsweise in mindestens einem Abschnitt die Dicke in mindestens ei­ ner Richtung des Transducers zunimmt, und besonders be­ vorzugt die Dicke der Metallschicht in mindestens einer Richtung von beispielsweise 40 auf 50 nm linear zu­ nimmt.

29. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei die Dicke einer weiteren Schicht (7, 7a, 8, 8a) in mindestens einer Richtung des Transducers variiert, vorzugsweise in mindestens einem Abschnitt die Dicke in mindestens einer Richtung des Transducers zunimmt und besonders bevorzugt die Dicke der Schicht in mindestens einer Richtung von beispielsweise 20 auf 100 nm linear zunimmt.

30. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei die variable Dicke der Metallschicht (5) und/oder weiteren Schicht (7, 7a, 8, 8a) durch ortsaufgelöstes Aufbringen von Material, wie Aufsputtern von Gold auf Oberflächen, Bedrucken, gerichtete Eindiffusion von Fremdmaterialien, Ionenimplantation, oder durch photo­ induzierte Bindung bereitgestellt wird, und/oder durch gezielte Entfernung von Material von der Oberfläche, wie durch Sputtern, lithographische Techniken und/oder Plasmaätzen bereitgestellt wird.

31. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei der Brechungsindex n der Metallschicht (5) und/oder der weiteren Schicht (7, 7a, 8, 8a) in minde­ stens einer Richtung des Transducers variiert, vorzugs­ weise in mindestens einem Abschnitt des Transducers in einer Richtung linear zunimmt.

32. Optischer Sensor nach Anspruch 31, wobei der variable Brechungsindex n mit festen Gradienten durch ortsaufge­ löstes Einbringen von Material, wie gerichtete Eindif­ fusion von Fremdmaterialien oder Ionenimplantation be­ reitgestellt wird.

33. Optischer Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Transducer an einer Grenzfläche ein Material aufweist, dessen Brechungsindex n durch Einstrahlung eines Lichtfeldes ortsaufgelöst modifiziert werden kann.

34. Optischer Sensor nach Anspruch 33, wobei das Material an der Grenzfläche des Transducers vorzugsweise ein Farbstoff ist.

35. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 34, wobei mindestens eine Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) in min­ destens einem Abschnitt des Transducers durch zeitliche Änderung einer äußeren Größe seine Eigenschaften rever­ sibel ändert.

36. Optischer Sensor nach Anspruch 35, wobei mindestens eine Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) des Transducers in ihrer Dichte veränderbar ist, vorzugsweise durch ein akusti­ sches Signal die Dichte veränderbar ist, besonders be­ vorzugt die Dichteveränderung in Form einer stehenden akustischen Welle bereitgestellt wird.

37. Optischer Sensor nach Anspruch 36, wobei die Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) komprimierbar oder expandierbar ist.

38. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei mindestens ein Abschnitt einer Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) durch zeitabhängige Temperaturänderung seine Ei­ genschaften ändert.

39. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 35 bis 38, wobei mindestens eine Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) in Ab­ hängigkeit von einem eingestrahlten Lichtfeld veränder­ bar ist.

40. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 35 bis 39, wobei der Transducer an einer Grenzfläche ein Material aufweist, dessen Brechungsindex n durch Einstrahlung eines Lichtfeldes zeitaufgelöst modifiziert werden kann.

41. Optischer Sensor nach Anspruch 40, wobei das Material an der Grenzfläche des Transducers vorzugsweise ein Farbstoff ist.

42. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 18 bis 41, mit mindestens einer Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a), deren optische Eigenschaften zyklisch veränderbar sind.

43. Optischer Sensor nach Anspruch 42, wobei eine Am­ plitude der zyklischen Modifikation der optischen Eigenschaften vorzugsweise so groß ist, daß in ei­ ner Periode eine komplette Oberflächenplasmonenre­ sonanz überstrichen wird.

44. Optischen Sensor nach Anspruch 43, wobei die zykli­ sche Variation einer sägezahnförmigen Funktion, ei­ ner Dreiecksfunktion, einer Sinusfunktion oder ei­ ner Funktion folgt, die das Oberflächenplasmon auf eine der genannten Funktionen abbildet.

45. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 18 bis 44, wobei eine Veränderung der Eigenschaften des Transducers in einer Richtung in einem karthesi­ schen Koordinatensystem erfolgt, vorzugsweise in Richtung einer Achse y eines rechteckigen Trans­ ducers.

46. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 18 bis 44, wobei eine Veränderung der Eigenschaften des Transducers in einer Richtung in einem Zylinder­ koordinatensystem erfolgt, vorzugsweise in Richtung des Drehwinkels eines kreisförmigen Transducers.