DE202019003812U1

DE202019003812U1 - On-Chip-Absorptionssensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe

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Publication number: DE202019003812U1
Application number: DE202019003812.4U
Authority: DE
Original assignee: HOCHSCHULE KARLSRUHE
Current assignee: HOCHSCHULE KARLSRUHE
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: US20210080370A1; US11085865B2

Abstract

Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) zum Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe (1), wobei der optische Absorptionssensor umfasst:wenigstens eine Licht emittierende Vorrichtung (2), die dafür ausgestaltet ist, Licht (LD, LU) in einer ersten Richtung (D) und einer zu der ersten Richtung (D) entgegengesetzten zweiten Richtung (U) zu emittieren;wenigstens einen Probenhalter (3), der dafür ausgestaltet ist, die Probe (1) aufzunehmen, wobei der wenigstens eine Probenhalter (3) derart für das emittierte Licht (LD) wenigstens teilweise transparent ist, dass sich wenigstens ein Teil des Lichtes (LD), das in die erste Richtung (D) emittiert wird, durch wenigstens einen Abschnitt des Probenhalters (3) ausbreiten kann;wenigstens einen ersten Lichtdetektor (4), der so angeordnet ist, dass wenigstens teilweise die Intensität / des Ausbreitungslichtes (LP), das sich durch den Probenhalter (3) in die erste Richtung (D) ausgebreitet hat, zu detektieren;wenigstens einen zweiten Lichtdetektor (5), der so angeordnet ist, dass wenigstens teilweise die Intensität / des Lichtes (LU), das in der zweiten Richtung (U) emittiert wird, zu detektieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen On-Chip-Absorptionssensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe, ein System, das den optischen On-Chip-Absorptionssensor umfasst, ein Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe und einen optischen On-Chip-Absorptionssensor vom Sandwichtyp.
Systeme des Typs „Lab on a chip“ (Labor auf einem Chip), so beispielsweise optofluidische On-Chip-Analysesysteme ermöglichen die Analyse verschiedener Proben und spielen insbesondere bei medizinischen Diagnostiken eine wichtige Rolle. Blut kann beispielsweise direkt im Krankenwagen analysiert werden, chemische und/oder biologische Produkte können in der chemischen Industrie online in der Fabrik überwacht werden, und Schadstoffe können in der Umweltanalyse außerhalb des Labors detektiert werden. Die Absorptionsspektroskopie, die ein im Wesentlichen nichtdestruktives und/oder nichtinvasives Analyseverfahren ist, hat sich für die In-situ-Analyse biologischer oder chemischer Proben als brauchbar erwiesen. Optofluidische On-Chip-Analysesysteme, die sich der Absorptionsspektroskopie bedienen, können daher für die medizinische Diagnose, insbesondere für die Einsatzpunktdiagnose, eingesetzt werden.
Optofluidische On-Chip-Analysesysteme, die auf der Absorptionsspektroskopie beruhen, erfordern eine Lichtquelle, so beispielsweise einen Laser und insbesondere einen organischen Laser. Systeme mit organischem Laser, so beispielsweise mit organischen DFB-Lasern, können miniaturisiert werden, damit auf On-Chip-Vorrichtungen passen. Ein organischer DFB-Laser kann auf einer Gitterstruktur beruhen, die in einem transparenten Substrat implementiert ist. Eine Laminierungsprozedur, die sich eines Glasmasters oder Stempelnegatives zur Herstellung einer Gitterstruktur eines DFB-Lasers bedient, ist in der Druckschrift DE 10 2017 011 726 A1 beschrieben.
Entsprechend einem Aspekt der Offenbarung betrifft die Aufgabe die Bereitstellung eines zuverlässigen und kompakten Systems zum Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen optischen On-Chip-Absorptionssensor nach Anspruch 1, ein System nach Anspruch 16 und einen optischen On-Chip-Absorptionssensor vom Sandwichtyp nach Anspruch 17. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche
Entsprechend einem ersten Aspekt dient ein optischer On-Chip-Absorptionssensor dem Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe, wobei der optische Absorptionssensor umfasst:

wenigstens eine Licht emittierende Vorrichtung, die dafür ausgestaltet ist, Licht in einer ersten Richtung und einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu emittieren;
wenigstens einen Probenhalter, der dafür ausgestaltet ist, die Probe aufzunehmen, wobei der wenigstens eine Probenhalter derart für das emittierte Licht wenigstens teilweise transparent ist, dass sich wenigstens ein Teil des Lichtes, das in der ersten Richtung bzw. in die erste Richtung emittiert wird, durch wenigstens einen Abschnitt des Probenhalters ausbreiten kann;
wenigstens einen ersten Lichtdetektor, der so angeordnet ist, dass wenigstens teilweise die Intensität / des Ausbreitungslichtes, das sich durch den Probenhalter in der ersten Richtung bzw. in die erste Richtung ausgebreitet hat, zu detektieren;
wenigstens einen zweiten Lichtdetektor, der so angeordnet ist, dass wenigstens teilweise die Intensität / des Lichtes, das in der zweiten Richtung emittiert wird, zu detektieren.

Vorzugsweise kann die Licht emittierende Vorrichtung eine kohärentes Licht emittierende Vorrichtung sein, und das in der ersten und der zweiten Richtung emittierte Licht kann kohärentes Licht sein. Alle hier beschriebenen Aspekte, die eine kohärentes Licht emittierende Vorrichtung und kohärentes Licht betreffen, können auch bei einer Licht emittierenden Vorrichtung realisiert sein, die keine kohärentes Licht emittierende Vorrichtung ist und die nicht dafür ausgestaltet ist, kohärentes Licht zu emittieren. Mit anderen Worten, ein optischer On-Chip-Absorptionssensor kann derart ausgestaltet sein, dass die wenigstens eine Licht emittierende Vorrichtung wenigstens eine kohärentes Licht emittierende Vorrichtung umfasst, die dafür ausgestaltet ist, Licht, das kohärentes Licht ist, in einer ersten Richtung und in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu emittieren.
Eingedenk der vorbeschriebenen Kohärenz des emittierten Lichtes dient ein optischer On-Chip-Absorptionssensor entsprechend einem Aspekt dem Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe, wobei der optische Absorptionssensor umfasst:

wenigstens eine Licht emittierende Vorrichtung, die dafür ausgestaltet ist, Licht in einer ersten Richtung und einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu emittieren;
wenigstens einen Probenhalter, der dafür ausgestaltet ist, die Probe aufzunehmen, wobei der wenigstens eine Probenhalter derart für das emittierte Licht wenigstens teilweise transparent ist, dass sich wenigstens ein Teil des Lichtes, das in der ersten Richtung emittiert wird, durch wenigstens einen Abschnitt des Probenhalters ausbreiten kann;
wenigstens einen ersten Lichtdetektor, der dafür angeordnet ist, wenigstens teilweise die Intensität / des Ausbreitungslichtes, das sich durch den Probenhalter in der ersten Richtung ausgebreitet hat, zu detektieren;
wenigstens einen zweiten Lichtdetektor, der dafür angeordnet ist, wenigstens teilweise die Intensität / des Lichtes, das in der zweiten Richtung emittiert wird, zu detektieren.

Die optischen On-Chip-Absorptionssensoren entsprechend den vorbeschriebenen Aspekten, das heißt die optischen On-Chip-Absorptionssensoren, die kohärentes und/oder nichtkohärentes Licht emittierende Vorrichtungen beinhalten, die kohärentes beziehungsweise nichtkohärentes Licht emittieren, können zum Bestimmen einer Konzentration eines oder mehrerer Teststoffe in einer oder mehreren Proben in einem miniaturisierten und tragbaren Aufbau verwendet werden. Es ist nicht erforderlich, eine Probe zu einem Spektrometer zu bringen oder ein großes Spektrometer zum Einsatzpunkt, das heißt zu demjenigen Ort, wo es für die Analyse benötigt wird, also beispielsweise zu einem Krankenwagen oder zu einer anderen Position, wo ein Patient befindlich ist, zu bringen. Die Probe kann eine fluide Probe und insbesondere eine flüssige Probe sein. Der Teststoff kann eine in der Probe enthaltene Substanz von Interesse sein, so beispielsweise in Blut enthaltenes Insulin.
Der optische On-Chip-Absorptionssensor ist besonders kompakt, da die Referenzmessung, das heißt die Detektion der Referenzintensität I₀ keine weiteren optischen Elemente, so beispielsweise einen Spiegel, einen Strahlteiler oder einen optischen Bypass der Probe, benötigt. Strahlteiler oder Spiegel können gleichwohl außerhalb des optischen On-Chip-Absorptionssensors verwendet werden. Die Detektion der Referenzintensität I₀ kann des Weiteren im Wesentlichen gleichzeitig mit der Detektion der Intensität I, die durch die Probe gedämpft ist, durchgeführt werden.
Optional kann die Licht emittierende Vorrichtung organische Lasermaterialien umfassen. Oftmals weisen derartige organische Lasermaterialien eine kurze Lebensdauer auf und bauen sich nach kurzer Zeit im Betriebsmodus ab. Daher kann das Leistungsvermögen der organischen Lasermaterialien zeitlich variieren und/oder abweichen und/oder sich abbauen. Bedingungen, so beispielsweise die Temperatur und die Feuchtigkeit, bei denen der optische On-Chip-Absorptionssensor verwendet werden kann, können ebenfalls zeitlich variieren. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn eine Referenzmessung der Referenzintensität I₀ annähernd zur gleichen Zeit, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig mit der Detektion der Intensität I, die durch die Probe gedämpft ist, durchgeführt wird.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann die Licht emittierende Vorrichtung als im Wesentlichen planare Licht emittierende Schicht bzw. Lage ausgestaltet sein, wobei die Normalenrichtung der Licht emittierenden Schicht im Wesentlichen parallel zu den ersten und zweiten Richtungen des emittierten Lichtes sein kann.
Eine im Wesentlichen planare Licht emittierende Schicht ist besonders kompakt und kann eine große Oberfläche bereitstellen, von der aus Licht in der ersten und zweiten Richtung emittiert werden kann. Daher kann auch eine im Wesentlichen ebene Probenschicht mit geringer Dicke in der ersten Richtung effizient analysiert werden, da sich eine große Lichtmenge durch die Probe ausbreiten kann. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines sehr kompakten optischen On-Chip-Absorptionssensors.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann die Licht emittierende Vorrichtung einen vertikal emittierenden Laser umfassen, der wenigstens einen Laser mit verteilter Rückkopplung, dirstibuted feedback laser, DFB, insbesondere einen DFB gerader Ordnung, einen Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor, distributed Bragg reflector laser, DBR, einen Tapered-Laser, einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Kavität, vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL und/oder einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler externer Kavität, vertical external cavity surface-emitting laser, VECSEL umfasst.
Systeme mit vertikal emittierendem Laser können dafür ausgestaltet sein, eine Lichtemission in zwei entgegengesetzten Richtungen bereitzustellen, wobei die Beziehung / das Verhältnis der Intensitäten des Lichtes, das in den beiden entgegengesetzten Richtungen emittiert wird, im Wesentlichen nicht zeitlich variiert. Entsprechend kann das Licht, das in einer Richtung emittiert wird, als Referenz verwendet werden, während das Licht, das in der entgegengesetzten Richtung emittiert wird, als Sonde verwendet werden kann. Einige der oben genannten Lasersysteme sind gegebenenfalls einfach, kostengünstig, leicht in der Herstellung und/oder kompakt, was dann von Vorteil ist, wenn sie in einer tragbaren On-Chip-Vorrichtung und insbesondere in einer On-Chip-Vorrichtung zur einmaligen Verwendung oder einer On-Chip-Vorrichtung, die Elemente zur einmaligen Verwendung umfasst, eingesetzt werden.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann die Licht emittierende Vorrichtung einen organischen DFB-Laser zweiter Ordnung, der ein Gitter umfasst, umfassen.
Eine Architektur mit einem Laser zweiter Ordnung mit verteilter Rückkopplung (DFB) kann als System mit vertikal emittierendem Laser verwendet werden. Ein DFB-Laser zweiter Ordnung kann von Vorteil sein, da er in einem sehr einfachen und kostengünstigen Herstellungsprozess hergestellt werden kann.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann die Licht emittierende Vorrichtung eine Array-Anordnung von Licht emittierenden Elementen umfassen, wobei die Licht emittierenden Elemente in wenigstens einer Spalte angeordnet und in einem Abstand Δ voneinander beabstandet sein können.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann die Array-Anordnung von Licht emittierenden Elementen wenigstens zwei Spalten von Licht emittierenden Elementen umfassen, wobei die wenigstens zwei Spalten in einem Abstand β voneinander beabstandet sein können.
Eine optische On-Chip-Absorptionsvorrichtung kann individualisiert werden, wenn eine Array-Anordnung von Licht emittierenden Elementen bereitgestellt wird. Es können beispielsweise einige oder alle Licht emittierenden Elemente entlang einer oder mehrerer Spalten Licht mit einer bestimmten Wellenlänge emittieren, die von einer anderen Wellenlänge verschieden ist, die von anderen Licht emittierenden Elementen derselben Licht emittierenden Vorrichtung emittiert wird. Die Konzentration eines oder mehrerer Teststoffe einer oder mehrerer Proben kann daher mit nur einer einzigen optischen On-Chip-Absorptionsvorrichtung detektiert werden.
Des Weiteren kann effizient sein, Licht emittierende Elemente nur über einem Mikrofluidkanal derart bereitzustellen, dass sich im Wesentlichen das gesamte emittierte Licht oder wenigstens ein großer Teil des Lichtes, das in der ersten Richtung emittiert wird, durch das Volumen des Kanals, der eine Probe in einer Messausgestaltung umfassen kann, ausbreiten kann.
Die Abstände Δ und β ermöglichen Isolationszonen zwischen verschiedenen Licht emittierenden Zonen, die Licht mit verschiedenen Wellenlängen emittieren.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann der Probenhalter eine Probenkammer umfassen, die wenigstens ein Probenkammervolumen, das hier als Kammervolumen bezeichnet wird, beinhalten kann, wobei das Kammervolumen Mikrofluidkanäle zum Aufnehmen und Leiten einer fluiden Probe und/oder Halteelemente zum Halten der Probe oder der Probenkammer beinhalten kann. Mit anderen Worten, die Probenkammer kann ein Volumen (Kammervolumen) umfassen, in dem eine Probe, insbesondere ein Volumen einer Probe, das als Probenvolumen bezeichnet wird, aufgenommen sein kann. Ist das Kammervolumen im Wesentlichen mit einer Probe gefüllt, so ist das Kammervolumen gleich dem Probenvolumen. Das Kammervolumen ist daher das maximale Volumen, das mit einer Probe gefüllt sein kann.
Der Probenhalter kann ein Leerraum zum Positionieren einer festen oder quasifesten, das heißt einer weichen, jedoch im Wesentlichen nicht flüssigen oder fluiden Probe sein oder diesen umfassen. Beinhalten können derartige Proben dünne Scheiben einer biologischen und/oder chemischen Probe, einer Gewebeprobe einer Biopsie, eine Flüssigkeit und/oder eine weiche und/oder feste Probe, die auf einem Mikroskopobjektträger oder zwischen zwei Mikroskopobjektträgern positioniert ist, so beispielsweise Zellen oder Blut entweder in einer flüssigen Umgebung oder an dem Mikroskopobjektträger angetrocknet.
Es können Halteelemente zum Halten der vorbeschriebenen Proben verwendet werden. Alternativ können Halteelemente zum Halten einer Probenkammer verwendet werden. Die Halteelemente können sicherstellen, dass die Probe oder die Probenkammer in der korrekten Position in Bezug auf die Licht emittierende Vorrichtung und den ersten Lichtdetektor positioniert werden kann. Die Halteelemente können des Weiteren sicherstellen, dass die Probe oder die Probenkammer aus der Vorrichtung entfernt und sodann im Wesentlichen in derselben Position wie vorher in der Vorrichtung neupositioniert werden kann.
Das Kammervolumen kann zum Aufnehmen, Leiten und Halten oder Unterbringen einer im Wesentlichen fluiden Probe, die ein Probenvolumen aufweist, verwendet werden. Ein Fluid kann allgemein ein Material sein, das den Gesetzen der Rheologie, das heißt dem Fließen von Materie insbesondere im flüssigen Zustand genügt, jedoch auch als rheologisch „weiche Feststoffe“ oder Feststoffe vorliegen kann. Derartige Materialien sind in einem Zustand befindlich, in dem sie fluidisches Verhalten zeigen. Beispiele für fluide Zustände können eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Pulver sein. Ein Fluid kann zudem eine Kombination aus Materialien in Zuständen, die fluidisches Verhalten zeigen, sein, so beispielsweise eine Flüssigkeit, in der Teilchen suspendiert sind. Die Probenkammer ermöglicht den Umgang mit einer flüssigen Probe in definierter Form, wobei eine definierte Probendicke in der ersten Richtung durch das Kammervolumen bestimmt ist, während eine Verunreinigung der Vorrichtung mit der Probe oder eine Verunreinigung der Probe mit Teststoffen aus der Umwelt vermieden wird.
Das Kammervolumen kann wenigstens einen Mikrofluidkanal zum Aufnehmen und Leiten einer fluiden Probe umfassen. Ein Mikrofluidkanal weist den Vorteil auf, dass er lediglich minimale Mengen einer Probe benötigt. Gegebenenfalls sind Proben sehr wertvoll oder nur in kleinsten Mengen verfügbar. In diesem Fall können Mikrofluidkanäle einen Teil einer Probe, die ein Probenvolumen aufweist, das heißt beispielsweise ein Volumen einer flüssigen Probe, durch Kapillarkräfte aufnehmen. Vorzugsweise ist ein Kammervolumen und insbesondere ein Mikrofluidkanal mit zwei Öffnungen versehen, die offene Enden sein können, die zum Umgebungsdruck hin freiliegen, der entweder an der Öffnung anliegt oder gegebenenfalls in der Luft vorhanden ist. Auf diese Weise kann in einem Kammervolumen und insbesondere in einem Mikrofluidkanal eine Kapillarkraft und/oder eine Unter- und/oder Überdruckkraft, die an einer Öffnung der Mikrofluidkanäle anliegt, die Flüssigkeit wenigstens teilweise in das Kammervolumen saugen und/oder schieben. Einige Kammervolumen und insbesondere die Mikrofluidkanäle können verbunden sein, was dann von besonderem Nutzen ist, wenn nur eine Probe innerhalb der Probenkammer analysiert werden soll. Alternativ können Kammervolumen und insbesondere die Mikrofluidkanäle auch voneinander isoliert sein, sodass verschiedene Proben analysiert werden können, ohne eine wechselseitige Verunreinigung der mehreren verschiedenen Proben innerhalb einer Probenkammer zu riskieren.
Insbesondere ist eine Probenkammer und insbesondere ein Kammervolumen im Wesentlichen steril und kann sterilisiert werden und ist zudem im Wesentlichen träge, das heißt reagiert im Wesentlichen nicht mit einer Probenkomponente. Entsprechend einem weiteren Aspekt ist die Probenkammer ein Element zur einmaligen Verwendung, das nach erfolgter Befüllung des Kammervolumens mit der Probe und nach erfolgter Analyse der Probe entfernt und entsorgt werden kann.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann die Probenkammer als im Wesentlichen planare Probenkammerschicht ausgestaltet sein, wobei die Normalenrichtung der Probenkammerschicht im Wesentlichen parallel zu den ersten und zweiten Richtungen des emittierten Lichtes sein kann.
Eine im Wesentlichen planare Probenkammerschicht kann ein Kammervolumen mit im Wesentlichen konstanter Dicke in den ersten und zweiten Richtungen des emittierten Lichtes bereitstellen.
Entsprechend einem weiteren Aspekt können wenigstens zwei aus der Licht emittierenden Vorrichtung, dem Probenhalter, dem ersten Lichtdetektor und dem zweiten Lichtdetektor als entfernbare und/oder ersetzbare Moduleinheiten ausgestaltet sein.
Betrachtet werden kann eine modulare Ausgestaltung der Vorrichtung, die separat gestaltete Module verwendet, so beispielsweise Subkomponenten, Elemente oder Einheiten, die kombiniert, ersetzt oder anders zusammengebaut werden können, um eine komplexe modulare Vorrichtung zu bilden. Moduleinheiten oder Module können des Weiteren zur Wartung, Ersetzung oder vollständigen Beendigung der Nutzung aus der modularen Vorrichtung entfernt werden.
Elemente einer optischen On-Chip-Absorptionsvorrichtung, so beispielsweise der Licht emittierenden Vorrichtung, des Probenhalters, des ersten Lichtdetektors und des zweiten Lichtdetektors und/oder eines oder mehrerer Filterelemente, weisen gegebenenfalls verschiedene Lebensdauern auf. Die Licht emittierende Vorrichtung kann beispielsweise ein organisches Lasermaterial umfassen, das sich nach einer kurzen Betriebsdauer abbauen kann, wohingegen ein Lichtsensor eine lange Lebensdauer aufweisen kann. Des Weiteren kann die Licht emittierende Vorrichtung kostengünstig und einfach in der Herstellung sein, wohingegen der Lichtsensor wesentlich kostenintensiver sein kann. Es ist daher von Vorteil, wenn zwei Elemente als Module ausgestaltet sind, da diese zu verschiedenen Zeiten nach Ende ihrer Lebensdauern ersetzt werden können.
Dasselbe gilt für eine Probenkammer, die zur einmaligen Verwendung ausgestaltet ist. Nach einer einzigen Messung kann die Probenkammer daher ersetzt werden. Dies ermöglicht das Durchführen einer schnellen und effizienten Untersuchung verschiedener Proben ohne notwendige Reinigung und insbesondere Sterilisierung des Kammervolumens einer Probenkammer. Die Probenkammer kann ein kostengünstiges Element sein. Es ist daher gegebenenfalls zeit- und kosteneffizienter, die Probenkammer zu ersetzen, wenn sie als Modul ausgestaltet ist.
Entsprechend einem weiteren Aspekt können wenigstens zwei aus der Licht emittierenden Vorrichtung, dem Probenhalter, dem ersten Lichtdetektor und dem zweiten Lichtdetektor integral, das heißt als integrale Einheit, ausgebildet sein.
Weisen zwei oder mehr Elemente und insbesondere Module im Wesentlichen dieselbe oder eine ähnliche Lebensdauer auf, so kann von Vorteil sein, diese zwei oder mehr Elemente als eine einzige Einheit statt als zwei Einheiten auszugestalten. Die Einheit kann daher effizient ersetzt, entfernt oder an der optischen On-Chip-Absorptionsvorrichtung oder innerhalb dieser positioniert werden. Es kann beispielsweise effizient sein, mittels 3D-Druck oder einer anderen Schicht-für-Schicht-Technik eine Licht emittierende Vorrichtung zusammen mit einer Probenkammer als integrale Einheit herzustellen. Die Licht emittierende Vorrichtung kann ein Lasermaterial umfassen, das sich nach einmaliger Verwendung im Wesentlichen abbaut. Zudem kann die Probenkammer zur einmaligen Verwendung ausgestaltet sein. Es kann daher praktisch oder kompakt sein, diese beiden Elemente als eine einzige integrale Einheit bereitzustellen.
Demgegenüber können alternativ oder zusätzlich Lichtsensoren, die eine längere Lebensdauer aufweisen können, integral miteinander unter Bereitstellung eines Raumes zwischen ihnen ausgebildet werden, um darin eine Probe und eine Licht emittierende Vorrichtung zu positionieren. Dies kann von Nutzen sein, da die Lichtsensoren im Wesentlichen dieselben oder ähnliche Lebensdauern aufweisen und dieselbe elektrische oder datenübertragungstechnische Infrastruktur aufweisen können.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann der optische On-Chip-Absorptionssensor des Weiteren wenigstens ein Filterelement umfassen, das dafür ausgestaltet sein kann, Transmission wenigstens eines Teilbereichs des Emissionswellenlängenbereiches des emittierten Lichtes zu ermöglichen.
Ein Filterelement kann eine Wellenlänge einer Pumpstrahlung aus einem Pumplaser, der zum Anregen des Lasermaterials benötigt wird, derart ausfiltern, dass im Wesentlichen verhindert wird, dass der Lichtdetektor die Intensität der Pumpstrahlung detektiert. Das Filterelement kann beispielsweise ein Notch- bzw. Kerbfilter sein, der ein Bandstoppfilter für eine sehr schmale Bandbreite ist. Daher kann nur das (kohärente) Licht, das von der Licht emittierenden Vorrichtung emittiert wird, durch den Filter hindurchgehen.
Ein Filterelement kann zudem ermöglichen, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge, die von der Licht emittierenden Vorrichtung emittiert wird, hindurchgeht, sodass nur eine Intensität dieser Wellenlänge an den Lichtdetektoren detektiert werden kann.
Wenigstens ein Filterelement kann zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung und dem zweiten Lichtdetektor und/oder zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung und dem ersten Lichtdetektor und insbesondere zwischen dem Probenhalter oder der Probenkammer und dem ersten Lichtdetektor positioniert sein.
Ist die Licht emittierende Vorrichtung dafür ausgestaltet, Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich oder mit verschiedenen Wellenlängen zu emittieren, so kann von Vorteil sein, einen oder mehrere Filter bereitzustellen, die jeweils die Transmission von Licht ermöglichen, das eine individuell ausgewählte Wellenlänge der verschiedenen Wellenlängen, die von der Licht emittierenden Vorrichtung emittiert werden, aufweist. Der Filter kann verschiedene Zonen mit verschiedenen Filtermaterialien umfassen, damit Licht verschiedener Wellenlängen an verschiedenen spezifischen Orten durch den Filter hindurchtreten kann. Mit anderen Worten, ein Filter einer Filterschicht kann nur den Durchtritt einer ersten Wellenlänge oder eines ersten Wellenlängenbereiches an einer ersten Position ermöglichen, wohingegen ein anderer Filter derselben Filterschicht nur den Durchtritt einer zweiten Wellenlänge oder eines zweiten Wellenlängenbereiches an einer zweiten Position ermöglichen kann. Daher kann eine Probe mit verschiedenen Wellenlängen an verschiedenen Orten einer Probenkammerschicht analysiert werden, um die jeweiligen Konzentrationen verschiedener Teststoffe in der Probe zu bestimmen. Ein optischer On-Chip-Absorptionssensor kann daher im Wesentlichen als Spektrometer verwendet werden.
Alternativ kann wenigstens einer von dem ersten und dem zweiten Lichtdetektor dafür ausgestaltet sein, Licht nur in einem Wellenbereich, der die Wellenlänge der Pumpstrahlung nicht beinhaltet, zu detektieren.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann der optische On-Chip-Absorptionssensor wenigstens eine Sandwichstruktur geschichteter bzw. gestapelter Schichten aufweisen, wobei die eine Sandwichstruktur umfassen kann:

die Licht emittierende Vorrichtung, die als im Wesentlichen planare Licht emittierende Schicht ausgestaltet sein kann;
den Probenhalter, der als im Wesentlichen planare Probenkammerschicht ausgestaltet sein kann;
den ersten Lichtdetektor, der als erste Lichtdetektionsschicht ausgestaltet sein kann; und
den zweiten Lichtdetektor, der als zweite Lichtdetektionsschicht ausgestaltet sein kann, wobei (1) die erste Lichtdetektionsschicht, (2) die Probenkammerschicht, (3) die planare Licht emittierende Schicht und (4) die zweite Lichtdetektionsschicht in dieser Reihenfolge von (1) bis (4) entlang der zweiten Richtung des emittierten Lichtes geschichtet bzw. gestapelt sein können.

Eine Sandwichstruktur aus gestapelten Schichten ermöglicht einen sehr kompakten optischen On-Chip-Absorptionssensor. Der optische On-Chip-Absorptionssensor ist tragbar und kann leicht zu einem Einsatzpunkt gebracht werden.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann der optische On-Chip-Sensor zum Bestimmen von Konzentrationen eines oder mehrerer Teststoffe in wenigstens zwei Proben ausgestaltet sein.
Es kann nützlich und effizient sein, Konzentrationen des Teststoffes in wenigstens zwei Proben zu bestimmen, da beispielsweise Teststoffe aus zwei verschiedenen Proben auf einen Zustand, der beurteilt werden soll, hinweisen können. Es kann beispielsweise notwendig sein, das Blut und den Urin eines Patienten zu analysieren, um den Zustand des Patienten zu bestimmen. Daher kann ein einziger optischer On-Chip-Sensor zur Durchführung dieser Beurteilung verwendet werden.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann der optische On-Chip-Absorptionssensor wenigstens zwei Sandwichstrukturen zum Bestimmen der Konzentration eines Teststoffes in einer der Proben in jeder der Sandwichstrukturen umfassen.
Sollen zwei verschiedene Proben mit Blick auf den Teststoff, also beispielsweise das Blut eines Patienten zu einem ersten Zeitpunkt und das Blut des Patienten zu einem zweiten Zeitpunkt, analysiert werden, so kann es von Vorteil sein, diese Proben in einem optischen On-Chip-Sensor mit zwei identischen Sandwichstrukturen bereitzustellen. Dieser optische On-Chip-Sensor kann kompakt und leicht im Umgang sein.
Soll eine einzige Probe mit Blick auf zwei verschiedene Teststoffe analysiert werden, soll also beispielsweise das Blut eines Patienten mit Blick auf den Blutzucker und das Insulin analysiert werden, so können ein Teil der Probe in einer Probenkammer einer ersten Sandwichstruktur mit einer ersten Licht emittierenden Vorrichtung und ein anderer Teil der Probe in einer Probenkammer einer zweiten Sandwichstruktur mit einer zweiten Licht emittierenden Vorrichtung bereitgestellt werden, wobei eine Wellenlänge der ersten Licht emittierenden Vorrichtung für den Teststoff Blutzucker und die andere Wellenlänge der zweiten Licht emittierenden Vorrichtung für den Teststoff Insulin spezifisch ist. Mit anderen Worten, eine Wellenlänge λ₁ der ersten Licht emittierenden Vorrichtung kann von einem Analyt, einem Marker, einem Farbstoff und/oder einer Substanz zur Anzeige des ersten Teststoffes wie beispielsweise des Blutzuckers absorbiert werden, wohingegen die andere Wellenlänge λ₂ der zweiten Licht emittierenden Vorrichtung spezifisch von einem Analyt, einem Marker, einem Farbstoff und/oder einer Substanz zur Angabe des zweiten Teststoffes wie beispielsweise des Insulins absorbiert werden kann.
Auf ähnliche Weise können zwei verschiedene Proben mit Blick auf zwei verschiedene Teststoffe analysiert werden. Eine erste Probe, die einem Patienten zu einem ersten Zeitpunkt entnommen wird, kann beispielsweise mit Blick auf den Blutzucker analysiert werden, während eine zweite Probe, die dem Patienten zu einem zweiten Zeitpunkt entnommen wird, mit Blick auf das Insulin analysiert werden kann.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann der optische On-Chip-Absorptionssensor umfassen:

eine erste Licht emittierende Vorrichtung, die dafür ausgestaltet sein kann, Licht mit einer ersten Wellenlänge λ₁ zu emittieren, und
eine zweite Licht emittierende Vorrichtung, die dafür ausgestaltet sein kann, Licht mit einer zweiten Wellenlänge λ₂ zu emittieren, wobei die erste Wellenlänge λ₁ von der zweiten Wellenlänge λ₂ verschieden ist.

Die erste Licht emittierende Vorrichtung kann in einer ersten Sandwichstruktur vorgesehen sein, während die zweite Licht emittierende Vorrichtung in einer zweiten Sandwichstruktur vorgesehen sein kann. Beide Licht emittierenden Vorrichtungen sind als individuelle Licht emittierende Schichten ausgestaltet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Licht emittierende Vorrichtung einer einzelnen Licht emittierenden Schicht zwei Licht emittierende Elemente umfassen, wobei ein Licht emittierendes Element Licht mit der ersten Wellenlänge λ₁ emittiert, während das andere Licht emittierende Element Licht mit der zweiten Wellenlänge λ₂ emittiert.
Wie vorstehend bereits beschrieben worden ist, kann das Analysieren einer oder mehrerer Proben mit Blick auf eine Konzentration eines oder mehrerer Teststoffe möglich sein. Dies kann als gebündeltes Einsatzpunkttesten (multiplexed point-of-care testing) betrachtet werden. Während das Einsatzpunkttesten das Quantifizieren eines einzigen Teststoffes oder Analyts aus einer in-vitro-Probe (beispielsweise Blut, Plasma oder Urin) ist, ist das gebündelte Einsatzpunkttesten die gleichzeitige vor Ort erfolgende Quantifizierung verschiedener Teststoffe oder Analyte aus einer einzigen Probe oder aus mehreren Proben.
Dies kann beispielsweise zur Beurteilung des Zustandes eines Patienten auf Grundlage mehrerer Parameter effizient sein. Eine Diagnose kann daher sogar dann zuverlässig sein, wenn sie außerhalb eines Labors durchgeführt wird. Ein ganzes „Labor“ kann eigentlich auf einem einzigen „Chip“ bereitgestellt werden. Mit anderen Worten, mehrere Diagnostiken können in einer tragbaren und kompakten On-Chip-Vorrichtung, die man in der Hand halten kann, bereitgestellt werden. Der optische On-Chip-Sensor kann kompakt sein, kann jedoch auch eine Tischvorrichtung anstatt einer Handvorrichtung sein.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann der optische On-Chip-Absorptionssensor des Weiteren wenigstens einen Referenzhalter umfassen, der dafür ausgestaltet ist, eine Referenzsubstanz aufzunehmen, wobei der Referenzhalter derart für das emittierte Licht wenigstens teilweise transparent sein kann, dass sich wenigstens ein Teil des in die zweite Richtung emittierten Lichtes durch wenigstens einen Abschnitt des Referenzhalters ausbreiten kann.
Vorzugsweise umfasst der Referenzhalter eine Referenzkammer und zwar insbesondere in dem Fall, in dem auch eine Probenkammer vorgesehen ist. In diesem Fall kann besonders bevorzugt sein, wenn die Probenkammer und die Referenzkammer mit Blick auf Aufbau, Form sowie physische und optische Eigenschaften identisch sind. Insbesondere weisen die Probenkammer und die Referenzkammer dasselbe Kammervolumen und dieselbe Dicke des Kammervolumens entlang der ersten Richtung auf.
Vorzugsweise ist die Referenzsubstanz wenigstens eine Substanz, so beispielsweise eine flüssige Substanz, die ebenfalls in der Probe enthalten ist. Insbesondere enthält die Referenzsubstanz ein Lösungsmittel, das in der Substanz der Probe enthalten ist, oder besteht im Wesentlichen hieraus. Das Lösungsmittel kann beispielsweise dafür verwendet werden, den Teststoff im Wesentlichen zu lösen, zu dispergieren und/oder zu emulgieren.
Der optische On-Chip-Absorptionssensor entsprechend diesem Aspekt weist den Vorteil auf, dass die Referenzintensität bereits Faktoren wie Dämpfungseffekte, die von der Referenzsubstanz herrühren, umfasst. Wird beispielsweise eine wässrige Pufferlösung, so beispielsweise eine Phosphatpuffersalzlösung, als Lösungsmittel in der Probe verwendet, so wird dieselbe wässrige Pufferlösung vorzugsweise als Referenz verwendet. Die wässrige Pufferlösung kann eine Absorption verursachen. Um zwischen dem Absorptionseffekt der Pufferlösung und demjenigen des Teststoffes zu unterscheiden, wird dieselbe Pufferlösung vorzugsweise insbesondere derart in der Referenzkammer verwendet, dass sich das Licht, das in der ersten Richtung emittiert wird, und das Licht, das in der zweiten Richtung emittiert wird, durch die Probe beziehungsweise die Referenz ausbreiten, wobei die Probe und die Referenz dieselbe optische Weglänge aufweisen. Im Ergebnis kann die Konzentration des Teststoffes sogar noch genauer bestimmt werden, wenn die Intensität / mögliche Effekte bereits umfasst, die von dem Lösungsmittel und/oder dem Material der Probenkammer und/oder den optischen Eigenschaften der Probenkammer und/oder anderen Aspekten im Zusammenhang mit der Probe oder der Probenkammer herrühren.
Andere Effekte können beispielsweise ebenfalls von Reflexionen an der Oberfläche der Probenkammer, dem Absorptionsverhalten des Probenkammermaterials, von Lichtstreueffekten und dergleichen mehr herrühren.
Innerhalb einer Probenkammer kann ein Probe, so beispielsweise eine getrocknete Probe, von einem Objektträger, so beispielsweise einem Mikroskopobjektträger, der einen Glasobjekträger umfasst, gestützt werden. Der Probenhalter kann dafür ausgestaltet sein, den Mikroskopobjektträger zwischen der Licht emittierenden Quelle und dem ersten Detektor zu halten. Daher kann auch der Referenzhalter dafür ausgestaltet sein, einen Mikroskopobjektträger zwischen der Licht emittierenden Quelle und dem zweiten Detektor zu halten.
Ein besonderer Vorteil kann verwirklicht werden, wenn für die Probenkammer und/oder die Referenzkammer ein Material wie Glas und/oder ein Polymer verwendet wird, da Glas und/oder einige Polymere in vielen Fällen Licht im UV-Bereich wenigstens teilweise filtern. Die Probenkammer selbst kann daher als Filterelement wirken, das die aus dem Pumplaser stammende Pumpstrahlung filtert. Nicht nur die Materialien, die für die Probenkammer und/oder die Referenzkammer verwendet werden, können Licht im UV-Bereich absorbieren, sondern es können auch Lösungsmittel wie Wasser Licht im UV-Bereich wenigstens teilweise filtern.
Alternativ oder zusätzlich können Filterelemente verwendet werden, um die Lichtsensoren vor dem Empfangen der Pumpstrahlung zu schützen. Derartige Filterelemente können zwischen der Licht emittierenden Quelle und dem ersten Detektor und/oder zwischen der Licht emittierenden Quelle und dem zweiten Detektor angeordnet sein. Insbesondere können Filterelemente zwischen der Licht emittierenden Quelle und der Probenkammer und/oder zwischen der Licht emittierenden Quelle und der Referenzkammer angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können Filterelemente zwischen der Probenkammer und dem ersten Detektor und/oder zwischen der Referenzkammer und dem zweiten Detektor angeordnet sein.
Entsprechend einem weiteren Aspekt umfasst ein System den optischen On-Chip-Absorptionssensor entsprechend einem der beschriebenen Aspekte und wenigstens eine Verarbeitungseinheit zum Bestimmen der Konzentrationen des Teststoffes in der Probe entsprechend $c = - ln (k_{I} \frac{I}{I_{0}}) / (d ε *),$
wobei / eine Intensität des Ausbreitungslichtes, das von dem ersten Lichtdetektor detektiert wird, ist, I₀ eine Referenzintensität des Lichtes, das in der zweiten Richtung emittiert und von dem zweiten Lichtdetektor detektiert wird, ist, ε* ein Extinktionskoeffizient des Teststoffes bei einer Wellenlänge λ des Lichtes unter Einbeziehung des natürlichen Logarithmus ist, c eine molare Konzentration des Teststoffes in der Probe ist, d eine Dicke der Probe in der ersten Richtung ist und k_I ein Faktor ist, der die Beziehung zwischen den Intensitäten I_D, I_U von Licht, das in den ersten und den zweiten Richtungen emittiert wird, berücksichtigt.
k_I kann beispielsweise gleich 1 sein, wenn die Menge, das heißt die Intensität des Lichtes, das in der ersten Richtung emittiert wird, gleich der Intensität des Lichtes, das in der zweiten Richtung emittiert wird, ist. Alternativ kann k_I beispielsweise gleich 0,5 sein, wenn die Menge, das heißt die Intensität des Lichtes, das in der ersten Richtung emittiert wird, gleich der Hälfte der Intensität des Lichtes, das in der zweiten Richtung emittiert wird, ist. Der Faktor k_I kann aus Folgendem berechnet werden: $k_{I} = \frac{I_{D}}{I_{U}}$
Hierbei ist I_D die Intensität des Lichtes, das in der ersten Richtung (von der Licht emittierenden Vorrichtung nach unten) emittiert wird, während I_U die Intensität des Lichtes ist, das in der zweiten Richtung (von der Licht emittierenden Vorrichtung nach oben) emittiert wird.
Der Faktor k_I weicht von 1 ab, wenn die Licht emittierende Vorrichtung Licht emittiert, wobei das Licht, das in der ersten Richtung emittiert wird, eine im Wesentlichen andere Intensität als das Licht, das in der zweiten Richtung emittiert wird, aufweist. Gleichzeitig können die Intensitäten auch zeitlich variieren, also beispielsweise fluktuieren, abnehmen oder zunehmen. Die Beziehung, die in dem Faktor k_I zum Ausdruck kommt, ist jedoch wenigstens über eine Zeitspanne hinweg, so beispielsweise während einer einzigen Messung, im Wesentlichen stabil, das heißt konstant. Der Faktor k_I kann des Weiteren auch für verschiedene Licht emittierende Vorrichtungen von verschiedenen optischen On-Chip-Absorptionssensoren beispielsweise infolge von Abweichungen zwischen den Präparations- und Herstellungsschritten variieren. Darüber hinaus kann der Faktor k_I räumlich entlang der Oberfläche der Licht emittierenden Vorrichtung variieren. Es ist daher vorzuziehen, wenigstens einmal eine Kalibrierungsmessung, insbesondere vor der Messung einer Probe, durchzuführen, um die Werte I_D und I_U zur Bestimmung des Faktors k_I zu ermitteln. Es kann sogar bevorzugt sein, eine oder mehrere Kalibrierungsmessungen vor jeder Messung einer oder mehrerer Proben unter Verwendung eines einzigen optischen On-Chip-Absorptionssensors durchzuführen. Alternativ kann eine Kalibrierungsmessung nach einer oder mehreren Messungen einer oder mehrerer Proben durchgeführt werden.
Wird eine Kalibrierungsmessung durchgeführt, um die Werte I_D und I_U zu ermitteln, so bleiben vorzugsweise alle optischen Elemente in dem optischen On-Chip-Absorptionssensor, da mögliche Reflexionen, Dämpfungen und/oder Ablenkungen oder andere optische Effekte, die von den optischen Elementen herrühren, in den Kalibrierungsmessdaten berücksichtigt werden können.
Alternativ können alle optischen Elemente mit Ausnahme der Licht emittierenden Vorrichtung und der Lichtdetektoren, so dies möglich ist, entfernt werden. Die Probenkammern können beispielsweise entfernt werden. Ist eine Licht emittierende Vorrichtung mit einer Probenkammer beispielsweise als integrale Einheit und/oder dauerhaft verbundene Einheit ausgebildet, so bleibt die Probenkammer während einer Kalibrierungsmessung in dem optischen On-Chip-Absorptionssensor; das Kammervolumen kann jedoch weiterhin ungefüllt oder nur mit einer flüssigen Lösung, die den Teststoff nicht enthält, gefüllt sein.
Die Werte I_D und I_U können als Intensitäten I und I₀ betrachtet werden, die an den ersten und zweiten Lichtdetektoren bei einer Kalibrierungsausgestaltung, das heißt einer Ausgestaltung, die für eine Kalibrierungsmessung verwendet wird, wie vorstehend bei der bevorzugten oder der alternativen Ausgestaltung beschrieben worden ist, gemessen werden. Insbesondere wird eine Kalibrierungsmessung bei Abwesenheit einer Probe und insbesondere eines Teststoffes durchgeführt, das heißt, ohne eine Probe mit einem Teststoff in dem Probenhalter und/oder der Probenkammer zu platzieren.
Die Extinktion eines Teststoffes ist bei einer bestimmten Wellenlänge λ: $E_{λ} = {log}_{10} (k_{l} \frac{l_{0}}{l_{1}}) = ε_{λ} * c * d$
Hierbei ist I₁ eine (gedämpfte) Intensität des Ausbreitungslichtes, das von dem ersten Lichtdetektor detektiert wird, I₀ ist eine Referenzintensität des Lichtes, das in der zweiten Richtung emittiert und von dem zweiten Lichtdetektor detektiert wird, ε_λ ist ein (dekadischer) Extinktionskoeffizient (oftmals als Absorptionskoeffizient bezeichnet) des Teststoffes bei einer Wellenlänge λ des Lichtes, das in der ersten Richtung emittiert wird, c ist eine molare Konzentration des Teststoffes in der Probe, und d ist eine Dicke der Probe in der ersten Richtung.
ε_λ ist eine für den Teststoff (das heißt die absorbierende Substanz) spezifische Variable und kann unter anderem vom pH-Wert oder dem Lösungsmittel abhängen. Die Konzentration c kann in mol/l angegeben werden, während ε_λ als dekadischer molarer Extinktionskoeffizient beispielsweise in l·mol^-1·cm^-1 angegeben werden kann. Die Beziehung zwischen dem dekadischen Extinktionskoeffizient ε_λ und dem Extinktionskoeffizient des Teststoffes lautet bei einer Wellenlänge λ des Lichtes unter Berücksichtigung des natürlichen Logarithmus ε* lautet: $ε_{λ} = {log}_{10} (e) ε * .$
Die Verarbeitungseinheit kann Teil einer tragbaren Handvorrichtung sein, die auch den optischen On-Chip-Absorptionssensor umfasst. Die von der Verarbeitungseinheit berechneten Ergebnisse können unmittelbar an einer Anzeige der tragbaren Handvorrichtung angezeigt werden. Daher kann die Konzentration eines Teststoffes in der Probe direkt, das heißt schnell oder binnen kurzer Zeit nach Einbringen der Probe und Start der Messung, bestimmt werden. Es kann wichtig sein, eine Diagnose schnell durchzuführen, und zwar beispielsweise dann, wenn ein Arzt eine Entscheidung über eine vorzunehmende Handlung treffen muss, wenn ein Patient in einem akuten, jedoch nicht identifizierten Zustand befindlich ist. Das System, das den optischen On-Chip-Absorptionssensor umfasst, kann für derartige Gegebenheiten sehr geeignet sein.
Alle bislang aufgeführten Vorteile können auch für das System können, wenn die vorgenannten Aspekte in dem System beinhaltet sind.
Entsprechend einem Beispiel zum besseren Verständnis der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe die nachfolgenden Schritte:

Bereitstellen des optischen On-Chip-Absorptionssensors entsprechend einem der beschriebenen Aspekte;
Bereitstellen der Probe in dem Probenhalter;
Anregen der Licht emittierenden Vorrichtung, damit diese Licht emittiert;
wenigstens teilweise erfolgendes Detektieren
- • der Intensität / des Ausbreitungslichtes, das in der ersten Richtung emittiert wird und sich durch den Probenhalter ausgebreitet hat, mittels des ersten Lichtdetektors; und
- • der Intensität I₀ des Lichtes, das in der zweiten Richtung emittiert wird, mittels des zweiten Lichtdetektors; und

Bestimmen der Konzentration des Teststoffes in der Probe entsprechend $c = - ln (k_{l} \frac{I}{I_{0}}) / (d ε *)$
wobei / eine gedämpfte Intensität des Ausbreitungslichtes, das von dem ersten Lichtdetektor detektiert wird, ist, I₀ eine Referenzintensität des Lichtes, das in der zweiten Richtung emittiert und von dem zweiten Lichtdetektor detektiert wird, ist, ε* ein Extinktionskoeffizient des Teststoffes bei einer Wellenlänge λ des Lichtes ist, c eine molare Konzentration des Teststoffes in der Probe ist, d eine Dicke der Probe in der ersten Richtung ist und k_I ein Faktor ist, der die Beziehung zwischen den Intensitäten von Licht, das in den ersten und den zweiten Richtungen emittiert wird, berücksichtigt.
Entsprechend einem bevorzugten Beispiel kann das Verfahren zudem umfassen:

Bereitstellen einer Referenzkammer in einem Referenzhalter;
Bereitstellen einer Referenzsubstanz in der Referenzkammer;
wobei das Licht, das in der zweiten Richtung emittiert wird, wenigstens teilweise durch die Referenzkammer und insbesondere durch die Referenzsubstanz hindurchtritt, um Dämpfungseffekte zu berücksichtigen, die vom Aufbau, den optischen Elementen, einem Lösungsmittel und/oder anderen Einflüssen, jedoch nicht vom Teststoff in der Substanz, also beispielsweise von einer Komponente der Probensubstanz wie beispielsweise dem Lösungsmittel, herrühren.

Entsprechend einem bevorzugten Beispiel kann das Verfahren zudem eine Kalibrierungsmessung umfassen, die umfassen kann:

Detektieren von I₀ und / vor dem Bereitstellen der Probe oder einer Probenkammer in dem Probenhalter und gegebenenfalls vor dem Bereitstellen einer Referenzkammer, um den Faktor $\frac{I_{D}}{I_{U}} = \frac{I}{I_{0}} = k_{I}$
zu bestimmen, wobei in diesem Fall I₀ und I gleich I_U beziehungsweise I_D sind, die die Intensitäten darstellen, die an dem zweiten beziehungsweise dem ersten Lichtdetektor bei Abwesenheit einer Probe und gegebenenfalls einer Referenzsubstanz gemessen werden.

Alle vorstehend aufgeführten Vorteile können auch für das Verfahren gelten, wenn die vorgenannten Aspekte bei dem Verfahren auftreten.
Entsprechend einem weiteren Aspekt dient ein optischer On-Chip-Absorptionssensor vom Sandwichtyp dem Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe, wobei der optische Absorptionssensor in einer geschichteten bzw. gestapelten Ausgestaltung entlang der ersten Richtung umfasst:

einen zweiten Lichtdetektor, der als zweite Lichtdetektionsschicht ausgestaltet ist;
eine Licht emittierende Vorrichtung, die ein einem organischen DFB-Laser zweiter Ordnung zugeordnetes Gitter umfasst, das als im Wesentlichen planare Licht emittierende Schicht ausgestaltet sowie dafür ausgestaltet ist, Licht in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung zu emittieren, wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist;
einen Probenhalter, der wenigstens einen Mikrofluidkanal zum Aufnehmen und Leiten einer fluiden Probe mit einer Ausgestaltung als im Wesentlichen planare Probenkammerschicht umfasst, wobei der Mikrofluidkanal derart für das emittierte Licht wenigstens teilweise transparent ist, dass sich wenigstens ein Teil des Lichtes, das in der ersten Richtung emittiert wird, durch wenigstens einen Abschnitt des Mikrofluidkanals der Probenkammerschicht als Ausbreitungslicht ausbreiten kann; und
einen ersten Lichtdetektor, der als erste Lichtdetektionsschicht ausgestaltet ist; wobei
eine Intensität I₀ des Lichtes, das in der zweiten Richtung emittiert wird, wenigstens teilweise von dem zweiten Lichtdetektor als Referenzintensität detektiert werden kann;
eine Intensität / des Ausbreitungslichtes wenigstens teilweise von dem ersten Lichtdetektor als Probenintensität zum Bestimmen der Konzentration des Teststoffes in der Probe detektiert werden kann.

Alle vorstehend genannten Aspekte, die mit dem optischen On-Chip-Absorptionssensor vom Sandwichtyp verträglich sind, können hier beinhaltet sein. Infolgedessen können alle vorstehend genannten Vorteile bei dem optischen On-Chip-Absorptionssensor vom Sandwichtyp erreicht werden, wenn die Aspekte hier beinhaltet sind.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann die Licht emittierende Vorrichtung als vertikal emittierender Laser ausgestaltet sein, der wenigstens eines von einem DFB-Laser, einem DBR-Laser und einem VCSEL umfasst. Gegebenenfalls sind die Array-Anordnungen in rechteckigen Anordnungen aus Spalten und Reihen von Licht emittierenden Elementen ausgestaltet. Es können jedoch auch andere Array-Anordnungsstrukturen implementiert sein, so beispielsweise kreisförmige Strukturen.
Entsprechend einem weiteren Aspekt können die ersten und zweiten Richtungen im Wesentlichen parallel zu Normalenrichtungen der ersten Lichtdetektionsschicht, der zweiten Lichtdetektionsschicht, der Licht emittierenden Schicht und der Probenkammerschicht sein.
Die ersten und zweiten Lichtdetektionsschichten können jedoch in Bezug auf die Licht emittierende Schicht leicht verkippt sein, um Mehrfachreflexionen zwischen der entsprechenden Detektionsschicht oder Oberfläche und der Licht emittierenden Schicht oder Oberfläche zu vermeiden.
Im Folgenden werden einige exemplarische Ausführungsformen detailliert beschrieben, wobei die Erfindung nicht derart gedeutet werden soll, dass sie auf die exemplarisch beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Einzelne Merkmale, die bei einer bestimmten Ausführungsform beschrieben sind, können beliebig kombiniert werden, vorausgesetzt, sie schließen einander nicht aus. Zusätzlich sollen verschiedene Merkmale, die bei den exemplarischen Ausführungsformen zusammen angegeben sind, nicht als erfindungsbeschränkend betrachtet werden.
Insbesondere können alle beschriebenen Beispiele, Ausführungsformen und Aspekte mit kohärentem und nichtkohärentem Licht realisiert werden, das von kohärentes Licht emittierenden Vorrichtungen beziehungsweise nichtkohärentes Licht emittierenden Vorrichtungen emittiert wird, wobei nichtkohärentes Licht emittierende Vorrichtungen hier einfach „Licht emittierende Vorrichtungen“ genannt werden.
Figurenliste

1 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors entsprechend einem Aspekt.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors entsprechend einem weiteren Aspekt.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors entsprechend einem weiteren Aspekt, wobei der zweite Lichtdetektor nicht gezeigt ist.
4a ist eine Frontansicht eines Licht emittierenden Elementes einer Licht emittierenden Vorrichtung entsprechend einem Aspekt.
4b ist eine Frontexplosionsansicht eines Details des Licht emittierenden Elementes von 4a.
5 ist eine Frontexplosionsansicht eines Details einer Licht emittierenden Vorrichtung, die das Licht emittierende Element von 4a umfasst.
6 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors entsprechend einem weiteren Aspekt.
7 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors entsprechend einem weiteren Aspekt.
8 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors entsprechend einem weiteren Aspekt.
9 ist eine schematische Ansicht eines Systems entsprechend einem Aspekt, das einen optischen On-Chip-Absorptionssensor umfasst.
10 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors entsprechend einem weiteren Aspekt.

Detailbeschreibung exemplarischer Ausführungsformen
1 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors 100. Insbesondere ist in 1 ein Beispiel für eine Sandwichstruktur S1 gezeigt und wird nachstehend beschrieben.
Zwischen zwei Lichtdetektoren, nämlich einem ersten Lichtdetektor 4 und einem zweiten Lichtdetektor 5, ist eine Licht emittierende Vorrichtung 2 positioniert oder angeordnet. Ein Lichtdetektor 4, 5 kann auch als Lichtsensor und/oder Fotodetektor betrachtet werden.
Die Licht emittierende Vorrichtung 2 emittiert Licht L_D , L_U wenigstens teilweise in einer ersten Richtung D und einer zweiten Richtung U. Die ersten und zweiten Richtungen D, U sind im Wesentlichen entgegengesetzt zueinander, das heißt, sie weisen einen Winkel von im Wesentlichen 180° zueinander auf. Bei der schematischen Ansicht von 1 weist die erste Richtung D mit im Wesentlichen 90° von der Horizontalebene xy aus „nach unten“, während die zweite Richtung U mit 90° von der Horizontalebene xy aus im Wesentlichen „nach oben“ weist, wobei beide parallel zu einer vertikalen Achse z sind.
Zwischen dem ersten Lichtdetektor 4 und der Licht emittierenden Vorrichtung 2 ist ein Probenhalter 3 befindlich. Der Probenhalter 3 kann als Freiraum betrachtet werden, der im Wesentlichen in den ersten und zweiten Richtungen D, U, das heißt in der vertikalen z-Richtung, durch die Oberflächen des ersten Lichtdetektors 4 beziehungsweise der Licht emittierenden Vorrichtung 2 beschränkt oder eingegrenzt ist. Der Probenhalter 3 kann zudem Halteelemente 33 zum Halten einer Probe 1 oder einer Probenkammer 31, wie in 1 dargestellt ist, bereitstellen. Die Probe 1 kann im Wesentlichen fluid und insbesondere flüssig sein. Das Fluid kann in das Kammervolumen 34 der Probenkammer 31, wie in 1 gezeigt ist, eingefüllt sein. Die Probe 1 ist derart ausgestaltet und/oder geschichtet, dass sie eine bestimmte Schichtdicke d in der ersten Richtung D aufweist.
Ein Fluid kann ein Material in einem Zustand mit fluidischem Verhalten sein, so beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Pulver. Ein Fluid kann zudem eine Kombination aus Materialien in Zuständen mit fluidischem Verhalten sein, so beispielsweise eine Flüssigkeit, in der Teilchen suspendiert sind. Andere Beispiele für gemischte Materialien mit verschiedenen Zuständen, die fluidisches Verhalten zeigen, sind Aerosole, Schäume, Suspensionen, Emulsionen und Pulvermischungen. Alternativ kann die Probe 1 auch im Wesentlichen fest und/oder weich, jedoch nicht fluidisch sein. Die Probe 1 kann beispielsweise eine dünne Ausschneidung eines Materials und insbesondere eine biologische Präparation sein. Der Probenhalter 3 kann Halteelemente 33 zum Aufnehmen, Halten, Fixieren und/oder Anordnen einer nichtfluidischen Probe 1 aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können der Probenhalter 3 und insbesondere die Halteelemente 33 dafür ausgestaltet sein, die Probenkammer 31, die ein Kammervolumen 34 zum Aufnehmen, Leiten und/oder Unterbringen einer fluiden Probe und insbesondere einer flüssigen Probe beinhaltet, aufzunehmen, zu halten, zu fixieren und/oder anzuordnen.
Bei einer Messausgestaltung, das heißt, wenn eine Konzentration eines Teststoffes in einer Probe 1 bestimmt werden soll, wird die Probe 1 in dem Probenhalter 3 platziert, angeordnet und/oder positioniert. Die Anordnung ist derart, dass sich das Licht L_D , das von der Licht emittierenden Vorrichtung 2 in der ersten Richtung D emittiert wird, wenigstens teilweise durch einen Abschnitt des Volumens der Probe 1 ausbreiten kann. Der Teil des Lichtes, der den Probenhalter 3 in der ersten Richtung D verlässt, nachdem er beispielsweise durch die Probe und die Probenkammer 31 hindurchgetreten ist oder sich dort ausgebreitet hat, wird als Ausbreitungslicht L_P bezeichnet. Die Intensität I des Ausbreitungslichtes L_P (oder wenigstens eines Teiles hiervon) kann sodann von dem ersten Lichtdetektor 4 detektiert werden. Die Intensität des Ausbreitungslichtes L_P kann im Wesentlichen gleich der Intensität des Lichtes L_D , das von der Licht emittierenden Vorrichtung 2 in der ersten Richtung D emittiert wird, sein, und zwar in dem Fall, in dem keine Probe 1 oder keine Probenkammer 33 oder kein anderes Element zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung 2 und dem ersten Lichtdetektor 4 platziert ist.
Das Licht, das an dem ersten Lichtdetektor 4 detektiert wird, kann als eingehendes Licht L_I4 an dem ersten Lichtdetektor 4 betrachtet werden. Das Ausbreitungslicht L_P kann gedämpftes Licht sein, wobei die Dämpfung gegebenenfalls wenigstens teilweise durch die Wechselwirkung mit dem Teststoff in der Probe 1 verursacht sein kann. Die Wechselwirkung zwischen dem Licht L_D , das durch die Probe und den Teststoff in der Probe 1 hindurchtritt, kann eine Energieübertragung mittels molekularer Schwingungs- und Streuereignisse umfassen. Nach dem Durchtritt durch die Probe 1 weist das Ausbreitungslicht L_P gegebenenfalls keine Eigenschaften mehr auf. Streuereignisse können beispielsweise eine Eigenschaft des Lichtes L_D derart zerstören, dass das Ausbreitungslicht L_P gegebenenfalls nichtkohärent ist. Die Intensität von Licht kann auch als Lichtmenge bezeichnet werden.
Die Licht emittierende Vorrichtung 2 emittiert Licht Lu wenigstens teilweise in der zweiten Richtung U. Die Intensität I₀ des eingehenden lichtes L_I5 , das an dem zweiten Lichtdetektor 5 detektiert wird, kann im Wesentlichen identisch zur Intensität des Lichtes L_U , das von der Licht emittierenden Vorrichtung 2 in der zweiten Richtung U emittiert wird, sein. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn kein Element zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung 2 und dem zweiten Lichtdetektor 5 positioniert ist.
Die Licht emittierende Vorrichtung 2 emittiert Licht L_D und L_U in einer ersten Richtung D beziehungsweise einer zweiten Richtung U, wobei die Intensität I_D des Lichtes L_D , das in der ersten Richtung D emittiert wird, im Wesentlichen identisch zu der Intensität I_U des Lichtes Lu, das in der zweiten Richtung U emittiert wird, ist, und dies wenigstens für eine Zeitspanne und insbesondere für eine Zeitspanne, die für eine Messung benötigt wird: $I_{D} ≅ I_{U}$
Alternativ im Wesentlichen gleich sein können die Intensität I_D des Lichtes, das in der ersten Richtung D emittiert wird, und die Intensität I_U des Lichtes, das in der zweiten Richtung U emittiert wird, multipliziert mit einem Faktor k_I, der über wenigstens eine kurze Zeitspanne hinweg, das heißt über wenigstens annähernd 5 s hinweg, bevorzugt über wenigstens annähernd 15 s hinweg und besonders bevorzugt über wenigstens annähernd 30 s hinweg, im Wesentlichen konstant ist. Insbesondere kann eine kurze Zeitspanne beispielsweise annähernd 2 s bis 10 min sein.
Mit anderen Worten, die Beziehung oder das Verhältnis zwischen der Intensität I_D des Lichtes, das in der ersten Richtung D emittiert wird, und der Intensität I_U des Lichtes, das in der zweiten Richtung U emittiert wird, ist im Wesentlichen über wenigstens eine kurze Zeitspanne hinweg im Wesentlichen konstant. $\frac{I_{D}}{I_{U}} = k_{I} ≅ c o n s t .$
k_I kann in einem Fall, in dem die Intensität I_D des Lichtes L_D , das in der ersten Richtung D emittiert wird, gleich der Intensität I_U des Lichtes L_U , das in der zweiten Richtung U emittiert wird, ist, beispielsweise gleich 1 sein. Alternativ kann k_I in einem Fall, in dem die Intensität I_D des Lichtes L_D , das in der ersten Richtung D emittiert wird, gleich der Hälfte der Intensität I_U des Lichtes L_U , das in der zweiten Richtung U emittiert wird, beispielsweise gleich 0,5 sein.
Eine Kalibrierungsmessung wird üblicherweise durchgeführt, um die Werte I_D und I_U zu bestimmen. Wird eine Kalibrierungsmessung durchgeführt, um die Werte I_D und I_U zu ermitteln, so verbleiben vorzugsweise alle optischen Elemente in dem optischen On-Chip-Absorptionssensor, da mögliche Reflexionen, Dämpfungen und/oder Ablenkungen oder andere optische Effekte, die von den optischen Elementen herrühren, in den Kalibrierungsmessungsdaten berücksichtigt werden können.
Alternativ können alle optischen Elemente mit Ausnahme der Licht emittierenden Vorrichtung 2 und der Lichtdetektoren 4, 5 entfernt werden; so dies möglich ist, können insbesondere die Probenkammern 31 entfernt werden. Ist beispielsweise eine Licht emittierende Vorrichtung 2 mit einer Probenkammer 31 als integrale oder dauerhaft verbundene Einheit ausgebildet, so verbleibt die Probenkammer in dem optischen On-Chip-Absorptionssensor; gleichwohl kann das Kammervolumen Vs ungefüllt bleiben oder nur mit einer flüssigen Lösung, die die Probe 1 und insbesondere den Teststoff nicht enthält, gefüllt sein.
Die Werte I_D und I_U können als Intensitäten I und I₀ betrachtet werden, die an den ersten und zweiten Lichtdetektoren 4, 5 bei einer Kalibrierungsausgestaltung, das heißt einer Ausgestaltung, die für eine Kalibrierungsmessung verwendet wird, wie vorstehend bei der bevorzugten oder alternativen Ausgestaltung beschrieben worden ist, gemessen werden. Insbesondere wird eine Kalibrierungsmessung bei Abwesenheit der Probe 1 und insbesondere des Teststoffes durchgeführt, das heißt, ohne ein Probe 1 mit einem Teststoff in dem Probenhalter 3 und/oder der Probenkammer 31 zu platzieren.
Der Faktor k_I weicht in einem Fall, in dem die Licht emittierende Vorrichtung 2 Licht L_D , L_U in der ersten Richtung D beziehungsweise der zweiten Richtung U mit im Wesentlichen verschiedenen Intensitäten I_D, I_U emittiert, von 1 ab. Gleichzeitig können die Intensitäten I_D, I_U über eine Zeitspanne hinweg auch variieren, also beispielsweise fluktuieren oder abnehmen. Die Beziehung, die in dem Faktor k_I ausgedrückt wird, ist jedoch wenigstens über eine Zeitspanne hinweg, also beispielsweise während einer Messung, im Wesentlichen stabil, das heißt konstant.
Der Faktor k_I kann bei verschiedenen Licht emittierenden Vorrichtungen 2 verschiedener optischer On-Chip-Absorptionssensoren beispielsweise infolge von Abweichungen bei Präparations- und Herstellungsschritten variieren.
Darüber hinaus kann der Faktor k_I räumlich entlang der Oberfläche der Licht emittierenden Vorrichtung 2 variieren. Hierbei ist bevorzugt, eine Kalibrierungsmessung wenigstens einmal durchzuführen, um die Werte I_D, I_U für die Bestimmung des Faktors k_I zu ermitteln. Es kann sogar bevorzugt sein, derartige Kalibrierungsmessungen vor jeder Messung unter Verwendung eines einzigen optischen On-Chip-Absorptionssensors durchzuführen.
Die Intensität I₀ des eingehenden Lichtes L_I5 , das an dem zweiten Lichtdetektor 5 detektiert wird, wird daher als Referenzintensität zum Bestimmen der Konzentration des Teststoffes in der Probe 1 entsprechend der mathematischen Formel $c = - ln (k_{I} \frac{I}{I_{0}}) / (d ε *)$
verwendet, wobei / eine gedämpfte Intensität des Ausbreitungslichtes (L_P), das von dem ersten Lichtdetektor 4 detektiert wird, ist, I₀ eine Referenzintensität des Lichtes L_U , das in der zweiten Richtung U emittiert und von dem zweiten Lichtdetektor 5 detektiert wird, ist, ε* ein Extinktionskoeffizient des Teststoffes bei einer Wellenlänge λ des Lichtes ist, c eine molare Konzentration des Teststoffes in der Probe 1 ist und d eine Dicke der Probe 1 in der ersten Richtung D ist.
Die Licht emittierende Vorrichtung 2 kann durch einen Pumplaser angeregt werden. Der Pumplaser emittiert eine Pumpstrahlung 11 mit einer bestimmten Wellenlänge λ₁₁ oder in einem Wellenlängenbereich (in 1 nicht gezeigt), bei dem das Lasermedium, beispielsweise ein organisches Lasermaterial 23 (in 1 ebenfalls nicht gezeigt), absorbiert und zur Emission von Licht L_D und L_U angeregt werden kann.
Um zu verhindern, dass die Lichtdetektoren 4, 5 die Intensität der Pumpstrahlung und/oder des Pumplichtes 11 detektieren, können Filterelemente 6, 7 zwischen den Lichtdetektoren 4, 5 und der Licht emittierenden Vorrichtung 2 positioniert werden. Ein Filterelement 7 kann beispielsweise zwischen dem ersten Lichtdetektor 4 und der Probenkammer 31 positioniert sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein weiteres Filterelement 6 zwischen dem zweiten Lichtdetektor 5 und der Licht emittierenden Vorrichtung 2 positioniert sein. Die Filterelemente 6, 7 filtern vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Pumpstrahlung 11, die von dem Pumplaser emittiert wird, aus, sodass die Intensität der Pumpstrahlung 11 bei der Wellenlänge λ₁₁ oder in dem Wellenlängenbereich nach Durchtritt durch die Filterelemente 6, 7 im Wesentlichen gleich 0 ist. Vorzugsweise werden das Licht L_D und L_U und das Ausbreitungslicht L_P von den jeweiligen Filterelementen 6, 7 nicht blockiert oder wesentlich gedämpft, sodass die Intensität dieser Lichtteile von den Filtern 6, 7 nicht gefiltert wird bzw. gedämpft ist. Mit anderen Worten, das Licht L_D und L_U und das Ausbreitungslicht L_P können die Filter 6, 7 durchlaufen, ohne wesentlich gedämpft oder modifiziert zu werden.
Die Probenkammer 31 kann eine Öffnung 10 zum Einfüllen einer fluiden Probe 1 in das Volumen 34 der Probenkammer 31, wie in 1 angezeigt ist, aufweisen. Zusätzlich kann eine zweite Öffnung ermöglichen, dass Luft oder Material innerhalb des Volumens 34 austritt, wenn die Probe 1 in das Volumen 34 gefüllt wird.
Die Lichtdetektoren 4, 5 sind jeweils mit einem Kabel 9, siehe insbesondere 1, versehen. Alternativ benötigen die Lichtdetektoren 4, 5 gegebenenfalls kein Kabel, und zwar beispielsweise dann, wenn Energie durch eine Batterie zugeleitet wird und/oder Daten drahtlos übertragen werden. Die Kabel 9 können der Energieversorgung und/oder der Datenübertragung dienen. Es kann auch mehr als ein Kabel 9 für jeden Detektor 4, 5 zur Energieversorgung und/oder Datenübertragung vorhanden sein. Auf ähnliche Weise ist die Licht emittierende Vorrichtung 2, siehe insbesondere die Zeichnung bzw. 1, mit einem Kabel 9 zur Energieversorgung und/oder zur Bereitstellung einer Spannung und/oder zur Einkopplung einer Pumpstrahlung 11 in das Lasermaterial versehen, wobei das Kabel im Allgemeinen eine optionales Element ist. Im letztgenannten Fall kann das Kabel eine Faseroptik zum Leiten von Licht sein. Das Kabel 9 ist an der Licht emittierenden Vorrichtung 2 optional. Gegebenenfalls ist es daher in einigen Fällen nicht von Nöten. Insbesondere kann die Pumpstrahlung (in 1 nicht dargestellt) direkt durch Bestrahlen der Oberfläche der Licht emittierenden Vorrichtung 2 ohne die Notwendigkeit eines Kabels 9, so beispielsweise einer Faseroptik, bereitgestellt werden.
In 1 ist der optische On-Chip-Absorptionssensor 100 in einer geschichteten Ausgestaltung gezeigt, in der alle Elemente im Wesentlichen als Einzelstücke ausgestaltet sind. Die geschichtete Ausgestaltung S1 liegt derart vor, dass der erste Lichtdetektor 4, der Filter 7, der Probenhalter 3, der die Probenkammer 31 beinhaltet, die Licht emittierende Vorrichtung 2, der Filter 6 und der zweite Lichtdetektor 5 entlang der zweiten Richtung U geschichtet oder in einer Stapelung ausgestaltet sind. Die vorgenannten Elemente sind dafür ausgestaltet, in oder an einer Montierung 8 geschichtet und/oder gestapelt und/oder angeordnet zu sein. Die vorgenannten Elemente können dauerhaft oder vorübergehend in oder an der Montierung angeordnet sein. Alternativ können einige der vorgenannten Elemente dauerhaft in oder an der Montierung angeordnet sein, wohingegen andere Elemente entfernt, ersetzt, ausgetauscht und/oder hinzugefügt werden können. Die Probenkammer 31 kann beispielsweise eine Probe 31 zur einmaligen Verwendung sein, die nach einmaliger Verwendung ersetzt wird. Die Licht emittierende Vorrichtung 2 kann beispielsweise ebenfalls ausgetauscht werden. Zudem können beispielsweise eines oder beide der Filterelemente 6, 7 ersetzt werden.
Die geschichtete Ausgestaltung S1 kann derart vorliegen, dass der erste Lichtdetektor 4 als erste Lichtdetektionsschicht A₄ ausgestaltet ist, der Filter 7 als erste Filterschicht A₇ ausgestaltet ist, der Probenhalter 3, der die Probenkammer 31 beinhaltet, als Probenkammerschicht A₃₁ ausgestaltet ist, die Licht emittierende Vorrichtung 2 als Licht emittierende Schicht A₂₁ ausgestaltet ist, der Filter 6 als zweite Filterschicht A₆ ausgestaltet ist und der zweite Lichtdetektor 5 als zweite Lichtdetektionsschicht A₅ ausgestaltet ist, wohingegen alle Schichten entlang der zweiten Richtung U geschichtet oder in einer Stapelung ausgestaltet sind.
Wenigstens einige Elemente können derart geschichtet sein, dass ihre Oberflächen mit den Oberflächen der benachbarten Elemente im Wesentlichen bündig sind. Wenigstens einige Elemente können derart geschichtet sein, dass ihre Oberflächen durch einen Spalt von den Oberflächen der benachbarten Elemente beabstandet sind. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, ist die Oberfläche des zweiten Detektors 5, die in die erste Richtung D weist, in einem Abstand Y_5-6 von der Oberfläche des Filterelementes 6, die in die zweite Richtung U weist, beabstandet. Die Oberfläche des Filterelementes 6, die in die erste Richtung D weist, ist in einem Abstand Y_6-2 von der Oberfläche der Licht emittierenden Vorrichtung 2, die in die zweite Richtung U weist, beabstandet. Die Oberfläche der Licht emittierenden Vorrichtung 2, die in die erste Richtung D weist, ist in einem Abstand Y_2-31 von der Oberfläche des Filterelementes 7, die in die zweite Richtung U weist, beabstandet. Die Oberfläche des Filterelementes 7, die in die erste Richtung D weist, ist in einem Abstand Y_7-4 von der Oberfläche des ersten Lichtdetektors 4, die in die zweite Richtung U weist, beabstandet. Diese Abstände können über die jeweiligen Oberflächenzonen hinweg konstant sein.
Liegen die Oberflächen im Wesentlichen nicht bündig zueinander, so können die Abstände individuell zwischen annähernd 100 µm und 1 cm und optional zwischen annähernd 500 µm und 5 mm und noch optionaler zwischen annähernd 800 µm und 2 mm variieren. Sind die Oberflächen zueinander bündig, so können die Abstände in dem Bereich von 0 bis 100 µm sein.
Der Probenhalter 3 und insbesondere die Probenkammer 31 und/oder die Mikrofluidkanalstruktur 32 stellen ein Kammervolumen 34 mit einer Volumendicke dv in der ersten Richtung D bereit. Eine Probe 1, die in das Kammervolumen 34 eingefüllt ist, kann daher in Abhängigkeit von dem Volumenteil, der mit der Probe 1 gefüllt ist, eine Dicke von d ≤ dv aufweisen. Die Dicke dv kann zwischen annähernd 5 µm und 8 mm und optional zwischen annähernd 100 µm und 3 mm und noch optionaler zwischen annähernd 300 µm und 1 mm schwanken. Eine flüssige Probe 1 kann in das Kammervolumen 34 fließen. Die flüssige Probe kann durch das Kammervolumen 34 von einer Eingangsöffnung 10 zu einer Ausgangsöffnung 10 fließen und aus dem Kammervolumen 34 austreten.
Das Probenvolumen V_S , das von dem Kammervolumen 34 aufgenommen werden kann, kann zwischen annähernd 500 ml bei einer großen optischen On-Chip-Absorptionsvorrichtung und 5 µl bei einer kleinen optischen On-Chip-Absorptionsvorrichtung liegen. Das Probenvolumen V_S kann optional zwischen annähernd 30 µl und 1 ml und insbesondere zwischen annähernd 100 µl und 800 µl liegen. Ist das Kammervolumen 34 vollständig mit dem Probenvolumen V_S gefüllt, so ist das Kammervolumen 34 gleich dem Probenvolumen V_S .
Die Normalenrichtungen einer jeden der Oberflächen oder Ebenen, die im Wesentlichen einen 90°-Winkel zu den Oberflächen aufweisen, sind im Wesentlichen zu den ersten und den zweiten Richtungen D, U parallel. Im Detail bedeutet dies, dass die Normalenrichtung N₅ des zweiten Lichtdetektors 5, die Normalenrichtung N₆ des Filters 6, die Normalenrichtung N₂ der Licht emittierenden Vorrichtung 2, die Normalenrichtung N₃₁ der Probenkammer 31, die Normalenrichtung N₇ des Filters 7 und die Normalenrichtung N₄ des ersten Lichtdetektors 4 die jeweiligen Normalenrichtungen der xy-Ebenen der jeweiligen Schichten sind und im Wesentlichen parallel zueinander sowie im Wesentlichen parallel zu den ersten und den zweiten Richtungen D, U sind. In 1 sind die Normalenrichtungen parallel zu der vertikalen Achse z und senkrecht zu der horizontalen Ebene xy. Die planaren Hauptoberflächen der Schichten sind im Wesentlichen parallel zu der horizontalen Ebene xy.
Die Montierung 8 kann dafür ausgestaltet sein, weitere optische Elemente aufzunehmen, so beispielsweise einen optischen Wellenleiter zum Einkoppeln der Pumpstrahlung 11 in die Licht emittierende Vorrichtung 2. Darüber hinaus kann eine schichtartige Vorrichtung, die eine Pumpstrahlung 11 insbesondere mit Überdeckung des UV-Bereiches emittieren kann, derart nahe an der Licht emittierenden Vorrichtung 2 positioniert sein, dass der Pumplaser in die Sandwichstruktur integriert ist. Eine derartige schichtartige Vorrichtung kann beispielsweise eine Pumplaserkomponente umfassen, die über und/oder unter der Licht emittierenden Vorrichtung 2 positioniert sein kann, damit Pumplicht (in 1 nicht gezeigt) die Licht emittierende Vorrichtung 2 von oben und/oder unten her und insbesondere von oberen und/oder unteren Seiten her mit Einfall unter einem Winkel anregen kann.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors 110 entsprechend einem weiteren Aspekt.
Im Vergleich zu 1 umfasst die Licht emittierende Vorrichtung 2 des Weiteren eine Array-Anordnung 21 von Licht emittierenden Elementen 2a, 2b, 2c, 2d, die in einer Licht emittierenden Schicht A₂ angeordnet sind, die im Wesentlichen planar ist. Die Licht emittierenden Elemente 2b und 2d sind in einer Spalte c₁ angeordnet, wobei die Licht emittierenden Elemente 2b und 2d voneinander in einem Abstand Δ beabstandet sind, der der Abstand von der Kante des Licht emittierenden Elementes 2d, die zu dem Licht emittierenden Element 2b weist, zu der Kante des Licht emittierenden Elementes 2d, die zu dem Licht emittierenden Element 2b weist, ist. Die Spalte c₁ ist parallel zu der Spalte c₂ , die die Licht emittierenden Elemente 2a und 2c umfasst, und ist von dieser in einem konstanten Abstand β beabstandet. Der Abstand β erstreckt sich von der Kante des Licht emittierenden Elementes 2c, die zu dem Licht emittierenden Element 2d weist, zu der Kante des Licht emittierenden Elementes 2d, die zu dem Licht emittierenden Element 2c weist.
Die Abstände β und Δ können unabhängig voneinander zwischen annähernd 5 µm und 5 mm, optional zwischen annähernd 300 µm und 1 mm und optional auch zwischen annähernd 500 µm und 700 µm variieren.
Die Array-Anordnung 21 der Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c umfasst daher eine Spalte c₁ , die die zwei Licht emittierenden Elemente 2b und 2d umfasst, sowie eine Spalte c₂ , die die die zwei Licht emittierenden Elemente 2a und 2c umfasst. Die Spalten c₁ , c₂ sind derart angeordnet, dass sie zwei Reihen r₁ , r₂ bilden, die die zwei Licht emittierenden Elemente 2a und 2b in der Reihe r₁ und die zwei Licht emittierende Elemente 2c und 2d in der Reihe r₂ umfassen.
Die Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c, 2d emittieren jeweils Licht L_D , L_U in einer ersten Richtung D und einer zweiten Richtung U. Das Licht L_D , das in der ersten Richtung D emittiert wird, tritt wenigstens teilweise durch das Volumen der Probenkammer 31, die Mikrofluidkanäle 32a, 32b umfassen kann, hindurch. Die Mikrofluidkanäle 32a, 32b sind dafür angeordnet, zwei Spalten zu bilden, die im Wesentlichen parallel zu den Spalten c₁ , c₂ der Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c, 2d sind.
Die Array-Anordnung 21 der Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c ist im Wesentlichen rechteckig und aus im Wesentlichen rechteckigen Licht emittierenden Elementen 2a, 2b, 2c, 2d gebildet. Es können jedoch eine beliebige Form der Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c, 2d und ein beliebiges Muster der Array-Anordnung gewählt werden. Die Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c, 2d können zudem Kreisform aufweisen, wobei das Muster beispielsweise eine kreisförmige Anordnung von Licht emittierenden Elementen 2a, 2b, 2c, 2d, die beispielsweise äquidistant um eine Mitte herum platziert sind, aufweisen kann.
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors entsprechend einem weiteren Aspekt. Der optische On-Chip-Absorptionssensor 120 ist in einer Sandwichstruktur S3 ausgestaltet, die im Folgenden beschrieben wird.
Die Abstände β und Δ zwischen zwei Licht emittierenden Elementen 2a bis 2i können, wie vorstehend anhand 2 beschrieben worden ist, unabhängig voneinander variieren. Insbesondere können die Licht emittierenden Elemente in einer Reihe r₁ , r₂ , r₃ in einer nicht äquidistanten Ausgestaltung positioniert sein. Auf ähnliche Weise können die Licht emittierenden Elemente in einer Reihe c₁ , c₂ , c₃ ebenfalls in einer nicht äquidistanten Ausgestaltung positioniert sein. Es kann zudem möglich sein, dass alle Licht emittierenden Elemente 2a bis 2i an beliebigen Orten mit beliebigen Kante-zu-Kante-Abständen β und Δ zu den nächsten Nachbarn positioniert sind.
Der zweite Lichtdetektor 5 der Sandwichstruktur S3 ist in 3 nicht gezeigt, ist jedoch Teil der Struktur S3. Im Vergleich zu der in 2 gezeigten Vorrichtung beschreibt 3 eine 3×3-Array-Anordnung 21 aus neun Licht emittierenden Elementen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i. Die neun Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i sind in drei Spalten c₁ , c₂ , c₃ , angeordnet, die drei Reihen r₁ , r₂ , r₃ bilden, die alle in einer Licht emittierenden Schicht A₂ angeordnet sind.
Jedes Licht emittierende Element 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i kann Licht L_D , L_U mit einer eigenen Wellenlänge emittieren. So emittiert das Licht emittierende Element 2a beispielsweise Licht bei einer Wellenlänge λ₁ , das Licht emittierende Element 2b emittiert Licht bei einer Wellenlänge λ₂ , das Licht emittierende Element 2c emittiert Licht bei einer Wellenlänge λ₃ und dergleichen mehr, wobei λ₁ , λ₂ und λ₃ verschieden voneinander sind.
Die Probenkammer 31 umfasst eine Mikrofluidkanalstruktur 32. Die Mikrofluidkanalstruktur 32 umfasst drei Mikrofluidkanäle 32a, 32b, 32c, die jeweils im Wesentlichen in Linie mit einer der Spalten c₁ , c₂ , c₃ und parallel hierzu sowie und im Wesentlichen in einer Probenkammerschicht A₃₁ angeordnet sind. Jeder der Mikrofluidkanäle 32a, 32b, 32c kann eine Probe 1A, 1B, 1C unterbringen. Ist die Wellenlänge für jede Spalte von der Wellenlänge einer anderen Spalte verschieden, so können Konzentrationen von verschiedenen Teststoffen entlang jeder Spalte gemessen werden. Zusätzlich können die Mikrofluidkanäle 32a, 32b, 32c verschiedene Proben 1A, 1B, 1C auf einer optischen On-Chip-Absorptionsvorrichtung 120 unterbringen.
Der optische On-Chip-Absorptionssensor 120 kann daher beim gebündelten Einsatzpunkttesten angewendet werden.
Die Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i werden von einer Pumpstrahlung 11 angeregt, die eine Wellenlänge λ₁₁ oder einen Wellenlängenbereich Δλ₁₁ aufweist. Der Wellenlängenbereich Δλ₁₁ oder die verschiedenen Wellenlängen können in einem Bereich liegen, in dem die Lasermaterialien der Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i Licht absorbieren und zur Emission von Licht L_D , Lu angeregt werden können.
Das Licht L_D , das in der ersten Richtung emittiert wird, breitet sich wenigstens teilweise durch das Kammervolumen der Mikrofluidkanäle 32a, 32b, 32c aus. Sind eine oder mehrere Proben 1A, 1B, 1C innerhalb der Mikrofluidkanäle 32a, 32b, 32c vorgesehen, so kann das Licht L_D infolge der Wechselwirkung zwischen dem Licht L_D und dem Teststoff, der in den Proben 1A, 1B, 1C enthalten ist, gedämpft werden. Wenigstens ein Teil L_I4 des Ausbreitungslichtes L_P erreicht den ersten Detektor 4, nachdem es sich durch die Proben 1A, 1B, 1C ausgebreitet hat. Die Intensität / des eingehenden Lichtes L_I4 wird an dem ersten Detektor 4 detektiert.
Mit anderen Worten kann bei Betrachtung exemplarischer Aspekte der optische On-Chip-Absorptionssensor 120 eine organische Laser-Array-Anordnung von Licht emittierenden Elementen 2a bis 2i mit verschiedenen Laserwellenlängen λ₁ , λ₂ , λ₃ usw. umfassen, wobei die organische Laser-Array-Anordnung der Licht emittierenden Elemente 2a bis 2i die Spalten c₁ , c₂ , c₃ umfasst, die über den Spalten 32a, 32b, 32c der Mikrofluidkanalstruktur 32 positioniert sind. Das Licht L_D , das von den Licht emittierenden Elementen 2a, 2b, 2c in der ersten Richtung D emittiert wird, breitet sich bezugsrichtig wenigstens teilweise durch die Proben 1A, 1B, 1C innerhalb der Mikrofluidkanäle oder Spalten c₁ , c₂ , c₃ aus. Zur Bestimmung der Absorption eines bestimmten Teststoffes/Analyts wird die Intensität / des Laserlichtes L_D von dem ersten Detektor 4, der auch eine Detektor-Array-Anordnung sein kann, detektiert.
Die Licht emittierende Vorrichtung 2 kann eine organische Laser-Array-Anordnung, wie in 3 gezeigt ist, und insbesondere eine Architektur mit einem Laser zweiter Ordnung mit verteilter Rückkopplung (DFB) sein. Die Laserwellenlänge λ₁ , λ₂ , λ₃ und dergleichen kann durch die Wahl der Gitternetzperiodizität Λ eines DFB-Gitters 22 (in 3 nicht gezeigt) in den Licht emittierenden Elementen 2a bis 2i der Array-Anordnung 21 der Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c usw. passgenau festgelegt sein. Jedes Licht emittierende Element 2a bis 2i ist mit dem organischen Lasermaterial beschichtet. Organische Lasermaterialien absorbieren üblicherweise das Pumplicht 11 bei der Wellenlänge λ₁₁ im ultravioletten Spektralbereich (UV) und emittieren ihre Lumineszenz als Licht mit den Wellenlängen λ₁ , λ₂ , λ₃ im sichtbaren Spektrum. Es kann ein beliebiges aus einer Vielzahl von organischen Lasermaterialien mit Lichtemission im gesamten sichtbaren Spektralbereich betrachtet werden. Der Pumplaser kann beispielsweise sehr kurze Laserpulse im Nanosekundenbetrieb emittieren.
Im Folgenden wird ein exemplarisches Licht emittierendes Element 2a detaillierter beschrieben.
4a ist eine Frontansicht eines exemplarischen Licht emittierenden Elementes 2a, beispielsweise einer Array-Anordnung 21 von Licht emittierenden Elementen 2a, 2b, 2c usw. einer Licht emittierenden Vorrichtung 2, wie in 3 gezeigt ist. Das Licht emittierende Element 2a umfasst eine Überschicht eines organischen Lasermaterials 23 und eine Unterschicht eines DFB-Gitters 22, das als Gitternetz ausgestaltet ist. Das DFB-Gitter 22 weist eine Gitterkonstante Λ auf. In der vorliegenden Beschreibung kann die Gitterkonstante als periodische Länge der Gitterstruktur, das heißt als kombinierte Breite einer Linie und eines Raumes in der periodischen Abfolge von Linien und Räumen verstanden werden. Mit anderen Worten, die Gitterkonstante kann als Summe der Breite einer einzelnen Linie und eines einzelnen Raumes verstanden werden.
Die Laseremissionswellenlänge kann durch die Wahl des organischen Lasermaterials 23 und der geometrischen Eigenschaften und insbesondere der Gitterkonstante Λ der Gitterstruktur 22 passgenau festgelegt werden. Es ist möglich, Laserlicht dadurch im gesamten sichtbaren Spektrum zu generieren, dass diese Parameter variiert werden. Die Gitterkonstante Λ kann zwischen annähernd 3 µm und 3 nm und optional zwischen annähernd 1,5 µm und 150 nm und optional von annähernd 300 nm bis 700 nm variiert werden. Das Verfahren zum Herstellen einer Licht emittierenden Vorrichtung 2 mit einem DFB-Gitter 22 ist in der Druckschrift DE 10 2017 011 726 A1 beschrieben, deren Offenbarung hiermit in Gänze mit aufgenommen wird.
Organische Lasermaterialien absorbieren oftmals Pumplicht im ultravioletten Spektralbereich (UV) und emittieren dabei eine Lumineszenz und eine stimulierte Emission im sichtbaren Spektrum. Es gibt zahlreiche organische Lasermaterialien, die Lichtemissionswellenlängen im gesamten sichtbaren Spektralbereich abdecken.
Die Laseremissionswellenlänge des Gitters 22 kann, wie vorstehend beschrieben worden ist, zwischen annähernd 450 nm und 700 nm und optional zwischen annähernd 500 nm und 590 nm, beispielsweise bei annähernd 540 nm eingestellt sein.
Ein Licht emittierendes Element 2a kann eine Länge 25 und eine Breite 24 aufweisen, wobei die Länge 25 und die Breite 24 unabhängig voneinander zwischen annähernd 50 µm und 10 mm, optional zwischen annähernd 500 µm und 5 mm und optional auch zwischen annähernd 800 µm und 1 mm variieren können. Eine Array-Anordnung 21 der Licht emittierenden Elemente 2a bis 2i kann, wie in 3 dargestellt ist, Licht emittierende Elemente 2a bis 2i mit verschiedenen Größen umfassen, wobei die Länge 25 und/oder die Breite 24 von wenigstens zweien oder eines jeden der Licht emittierenden Elemente 2a bis 2i voneinander verschieden sind.
Ein Licht emittierendes Element 2a kann zudem eine im Vergleich zum Vorbeschriebenen größere Größe aufweisen. Ein Licht emittierendes Element 2a kann eine Länge 25 und eine Breite 24 aufweisen, die unabhängig voneinander zwischen annähernd 1 cm und 5 cm und optional zwischen annähernd 2 cm und 3 cm variieren.
Eine Licht emittierende Vorrichtung 2 kann beispielsweise lediglich annähernd ein bis neun Licht emittierende Elemente 2a, 2a, 2b usw. aufweisen. Optional kann eine Licht emittierende Vorrichtung 2 zwischen 50 und 1000 Licht emittierende Elemente 2a, 2a, 2b usw. umfassen.
4b ist eine Frontexplosionsansicht eines Abschnittes des Licht emittierenden Elementes 2a von 4a. Insbesondere ist das DFB-Gitter 22 mit einer Gitterkonstante Λ mit einer Überschicht eines organischen Lasermaterials 23 in einer Explosionsansicht dargestellt, um das Verständnis für die Gitterstruktur 22 zu fördern. Die Gitterstruktur 22 kann rechteckige Vorsprünge oder Zähne umfassen, die jeweils eine Länge 26 und eine Breite 27 aufweisen. Die Länge 26 der Gitterstruktur 22 kann der Breite 24 eines Licht emittierenden Elementes 2a entsprechen. Die Breite 27 der Gitterstruktur 22 kann homogen sein oder in dem Licht emittierenden Element 2a variieren. Die Breite 27 der Gitterstruktur 22 ist durch die Gitterkonstante Λ bestimmt.
5 ist eine Frontexplosionsansicht eines Abschnittes 140 eines optischen On-Chip-Absorptionssensors, der das Licht emittierende Element 2a von 4a umfasst. Die Sandwichstruktur S4, die in 5 gezeigt ist, kann ein Ausschnitt der Sandwichstruktur S3 des optischen On-Chip-Absorptionssensors 120 von 3 sein. Der Ausschnitt kann entlang der Querschnittslinie W' eines einzelnen Licht emittierenden Elementes 2a, wie in 3 dargestellt ist, gegeben sein.
Alternativ kann die Sandwichstruktur S4, die in 5 gezeigt ist, auch als vollständiger optischer On-Chip-Absorptionssensor 140 betrachtet werden, wenn die Licht emittierende Vorrichtung keine Array-Anordnung der Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c usw. ist, sondern nur ein einziges Licht emittierendes Element 2a umfasst.
6 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors 150 entsprechend einem weiteren Aspekt. Die Sandwichstruktur S5, die in 6 gezeigt ist, wird im Folgenden beschrieben.
Der Unterschied zwischen den Sandwichstrukturen S5 von 6 und S1 von 1 sind verkippte Lichtdetektorschichten A4, A5. Mit anderen Worten, die Normalenrichtungen N₄ , N₅ der Lichtdetektorschichten A4, A5 sind nicht zu der ersten Richtung D und der zweiten Richtung U und der vertikalen Achse z parallel. Die Lichtdetektorschichten A4, A5 sind unter Winkeln α, τ beispielsweise in Bezug auf die Licht emittierende Schicht A2 und die horizontale Richtung y von 6 verkippt. Mit anderen Worten, Licht L_D , L_U , das von der Licht emittierenden Vorrichtung 2 entlang der Richtungen D und U emittiert wird, trifft im Allgemeinen nicht unter einem Winkel von 90° auf die Lichtdetektorschichten A4, A5 auf. Als Ergebnis dieser Ausgestaltung können Mehrfachreflexionen zwischen den Oberflächen der Lichtdetektorschichten A4, A5 und der Licht emittierenden Schicht A2 vermieden werden. Die Winkel α, τ können voneinander verschieden sein, da optische Elemente und/oder die Probenkammer 31 und/oder die Probe 1 die Richtung des Lichtes L_D in der ersten Richtung D ablenken oder ändern können, wohingegen das Licht Lu, das in der zweiten Richtung emittiert wird, die Richtung im Allgemeinen nicht ablenkt oder ändert oder einen anderen Winkel verursacht.
Die Winkel α, τ können beispielsweise zwischen annähernd 0,2° und 7°, optional zwischen annähernd 0,5° und 5° und noch optionaler zwischen annähernd 1° und 4° sein.
7 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors 160 entsprechend einem weiteren Aspekt. Der Unterschied zwischen den Sandwichstrukturen S6 von 7 und S1 von 1 besteht darin, dass die Licht emittierende Vorrichtung 2 und die Probenkammer 31 in der vorliegenden Sandwichstruktur S6 integral miteinander ausgebildet sind. Mit anderen Worten, die Probenkammer 31 ist mit der Licht emittierenden Vorrichtung 2 derart verbunden, dass diese nicht voneinander getrennt werden können. In 7 sind die Licht emittierende Schicht A₂ und die Probenkammerschicht A₃₁ nicht in einem merklichen Abstand voneinander beabstandet. Ein Abstandshalter kann dennoch beinhaltet sein, um den Abstand zwischen der Licht emittierenden Schicht A₂ und der Probenkammerschicht A₃₁ zu halten.
Die Licht emittierende Vorrichtung 2 kann sich nach einer kurzen Zeitspanne aufgrund dessen abbauen, dass das organische Lasermaterial im Betriebsmodus nur eine kurze Lebensdauer aufweist. Auf ähnliche Weise kann erforderlich sein, dass eine Probenkammer 31 nur ein einziges Mal verwendet werden kann, da beispielsweise eine Reinigungsprozedur zu kompliziert und zeitaufwändig wäre, um sicherzustellen, dass eine Probe 1 nicht mit Teststoffen einer vorher verwendeten Probe 1 verunreinigt ist. Sind die Lebensdauer der Licht emittierenden Vorrichtung 2 und die Lebensdauer der Probenkammer 31 beide annähernd im Bereich der Betriebszeit einer einmaligen Verwendung, so kann von Vorteil sein, die Licht emittierende Vorrichtung 2 und die Probenkammer 31 als integral ausgebildete Elemente zur einfachen Verwendung bereitzustellen. Die Sandwichstruktur S6 kann derart ausgestaltet sein, dass die Lichtdetektoren 4, 5 zur dauerhaften Verwendung sind, also beispielsweise dauerhaft an der Montierung 8 angebracht sind, während die Einheit der Probenkammer 31, die mit der Licht emittierenden Vorrichtung 2 verbunden ist, im Stile einer Kassette vor jeder neuen Messung ersetzt werden kann. Wenigstens ein Filter 6, 7 kann in der Sandwichstruktur S6 zur dauerhaften und/oder mehrfachen und/oder einfachen Verwendung beinhaltet sein. Wenigstens ein Filterelement kann zudem mit der Licht emittierenden Vorrichtung 2 und/oder der Probenkammer 31 integral ausgebildet sein.
Alternativ kann die gesamte Sandwichstruktur S6 zur einmaligen Verwendung ausgestaltet sein. Alle Elemente, so beispielsweise wenigstens die Lichtdetektoren 4, 5, die Licht emittierende Vorrichtung 2 und die Probenkammer 31, können daher integral miteinander ausgebildet und zur einfachen Verwendung ausgestaltet sein.
Alternativ kann die gesamte Sandwichstruktur S6 zur dauerhaften oder wenigstens zur mehrfachen Verwendung ausgestaltet sein, während wenigstens zwei Elemente integral miteinander ausgebildet sind. Es kann beispielsweise praktisch sein, wenn die Licht emittierende Vorrichtung 2 und die Probenkammer 31 einstückig durch Herstellung einer Multischicht, die 3D-Druck oder eine Schicht-für-Schicht-Generierung ((Spin-)Coating, Laminieren und dergleichen) beinhaltet, hergestellt werden.
8 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors 170 entsprechend einem weiteren Aspekt. Die Sandwichstrukturen S7A und S7B betreffen jeweils im Wesentlichen die Sandwichstruktur S1 von 1. Jede der Sandwichstrukturen S7A und S7B kann als Sandwichstruktureinheit betrachtet werden. Optionale Filterelemente 6, 7 sind in 8 nicht dargestellt. Die beiden Sandwichstruktureinheiten S7A und S7B sind kombiniert, um eine Sandwichstruktur S7, die daher zwei Einheiten umfasst, zu bilden.
Auf ähnliche Weise kann wie im Fall von 3, wo verschiedene Mikrofluidkanäle 32a, 32b, 32c vorgesehen sind, eine Sandwichstruktur mit mehr als einer Einheit sehr effizient sein, da verschiedene Proben 1A, 1B gleichzeitig untersucht werden können. Die Aspekte der Sandwichstrukturen S3 von 3 und S7 von 8 können optional kombiniert werden.
Die Sandwichstruktur S7 kann beispielsweise dafür ausgestaltet sein, zwei Proben 1A, 1B aufzunehmen, von denen die Konzentration desselben Teststoffes gleichzeitig bestimmt werden soll. In diesem Fall können die Licht emittierenden Vorrichtungen 2A, 2B Licht mit derselben Wellenlänge λ₁ = λ₂ emittieren.
es geladen ist und läuft, veranlasst, dass der Computer Schritte zum Bestimmen der Konzentration eines oder mehrerer Teststoffe in einer oder mehreren Proben durchführt. Der Computer 1100 kann veranlassen, dass die Messung gestartet wird, damit der Pumplaser die Pumpstrahlung 11 emittiert, wodurch der Laser zur Emission des Lichtes L_D , L_U angeregt wird, damit die Lichtdetektoren 4, 5 zum Detektieren der Intensitäten I und I₀ des einfallenden Lichtes L_I4 , L_I5 veranlasst werden, sodass die Lichtdetektoren 4, 5 die Daten im Zusammenhang mit den Intensitäten I und I₀ übertragen und der Computer die Konzentration des einen oder der mehreren Teststoffe in der einen oder den mehreren Proben 1 entsprechend dem Ausdruck $c = - ln (k_{l} \frac{I}{I_{0}}) / (d ε *)$
berechnet oder bestimmt, wobei / eine gedämpfte Intensität des Ausbreitungslichtes L_P, das von dem ersten Lichtdetektor 4 detektiert wird, ist, I₀ eine Referenzintensität des Lichtes L_U , das in der zweiten Richtung U emittiert und von dem zweiten Lichtdetektor 5 detektiert wird, ist, ε* ein Extinktionskoeffizient des Teststoffes bei der Wellenlänge λ des Lichtes ist, c eine molare Konzentration des Teststoffes in der Probe 1 ist, d eine Dicke des Teststoffes 1 in der ersten Richtung D ist und k_I ein Faktor ist, der die Beziehung zwischen den Intensitäten I_D, I_U von Licht L_D , L_U , das in der ersten Richtung D beziehungsweise der zweiten Richtung U emittiert wird, entsprechend $k_{l} = \frac{I_{D}}{I_{U}}$
berücksichtigt.
Die vorbeschriebenen Rechenvorgänge können auch von mehr als einem Computer 1100 durchgeführt werden. Der Pumplaser kann beispielsweise von einem externen System betrieben werden. Der Computer 1100 und der optische On-Chip-Absorptionssensor 110 können Handvorrichtungen sein.
Der Begriff „Computer“ kann hier eine beliebige Einheit bezeichnen, die dafür ausgestaltet ist, Berechnungen durchzuführen, so beispielsweise insbesondere einen Mikrocontroller, einen Prozessor oder dergleichen.
Alternativ kann die Sandwichstruktur S7 dafür ausgestaltet sein, zwei identische Proben 1A, 1B aufzunehmen, wobei die Konzentration der verschiedenen Teststoffe gleichzeitig bestimmt werden soll. In diesem Fall können die Licht emittierenden Vorrichtungen 2A, 2B Licht mit einer anderen Wellenlänge λ₁ ≠ λ₂ emittieren, da zwei verschiedene Teststoffe bei verschiedenen Wellenlängen infolge ihrer verschiedenen Molekularstrukturen absorbieren.
Bei einer Ausgestaltung, bei der Aspekte der Sandwichstruktur S3 mit Aspekten der Sandwichstruktur S7 kombiniert werden, werden alternativ wenigstens zwei Sandwichstrukturen S7A, S7B, die wenigstens zwei Licht emittierende Vorrichtungen 2A, 2B beinhalten, bereitgestellt, wobei jede Licht emittierende Vorrichtung 2A, 2B Licht emittierende Elemente 2a, 2b, 2c usw., wie in 3 dargestellt ist, umfasst. Diese Licht emittierenden Elemente 2a, 2b, 2c usw. können Licht L_D , L_U bei Wellenlängen λ₁ , λ₂ , λ₃ , die verschieden voneinander sind, derart emittieren, dass die Konzentration c verschiedener Teststoffe in der einen Probe 1A in der einen Probenkammer 31A der einen Sandwichstruktur S7A bestimmt werden kann. Gleichzeitig kann die Konzentration c desselben Teststoffes oder anderer Teststoffe derselben Probe oder einer anderen Probe 1B in der anderen Probenkammer 31B der anderen Sandwichstruktur S7B bestimmt werden.
Die Sandwichstrukturen S7A, S7B weisen im Wesentlichen dieselbe Geometrie in dem optischen On-Chip-Absorptionssensor 170 auf. Alternativ können auch andere Geometrien und Ausgestaltungen, wie sie hier exemplarisch beschrieben sind, im vorliegenden Fall zum Einsatz kommen.
Der optische On-Chip-Absorptionssensor 170 kann daher zum gebündelten Einsatzpunkttesten verwendet werden.
9 ist eine schematische Ansicht eines einem Aspekt entsprechenden Systems 1000, das einen exemplarischen optischen On-Chip-Absorptionssensor 110 entsprechend 2 und einen Computer 1100 umfasst. Der Computer 1100 ist dafür ausgestaltet, Daten von dem optischen On-Chip-Absorptionssensor 110 und insbesondere die Intensitäten I und I₀ zu empfangen, um die Konzentration eines oder mehrerer Teststoffe in einer oder mehreren Proben zu bestimmen.
Der Computer 1100 kann ein Computerprogrammerzeugnis umfassen, das dann, wenn 10 ist eine Frontexplosionsansicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors 180 entsprechend einem weiteren Aspekt. Bei dem dargestellten Beispiel ist ein Referenzhalter 3' zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung 2 und dem zweiten Lichtdetektor 5 vorgesehen. Entsprechend diesem Aspekt kann auch eine Referenzkammer 31' zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung 2 und dem zweiten Lichtdetektor 5 positioniert sein. Die Referenzkammer 31' kann von der Probenkammer 31 verschieden sein; gleichwohl ist die Referenzkammer 31' entsprechend einem bevorzugten Aspekt mit Blick auf Geometrie, optische und physische Eigenschaften und Aufbau im Wesentlichen identisch mit der Probenkammer 31. Die Referenzkammer 31' umfasst ein Referenzkammervolumen 34', das vorzugsweise mit Blick auf die Form und insbesondere mit Blick auf die Dicke entlang der ersten Richtung D im Wesentlichen identisch mit dem Kammervolumen 34 der Probenkammer 31 ist.
Das Referenzkammervolumen 34' kann wenigstens teilweise mit einer Referenzsubstanz 1', beispielsweise mit einem Lösungsmittel gefüllt sein, das beispielsweise auch in der Probe 1 zum Lösen oder Dispergieren des Teststoffes vorhanden ist. Die Referenzmessung, das heißt die Messung von I₀ , kann daher Dämpfungseffekte bereits berücksichtigen. Derartige Dämpfungseffekte können von dem Material, aus dem die Probenkammer 31 und die Referenzkammer 31' bestehen, von Reflexionen an den Oberflächen der Probenkammer 31 und der Referenzkammer 31', von der Lösungsmittelabsorptionsfähigkeit und/oder von Streueffekten des Lösungsmittels herrühren. Insbesondere können die Extinktion des Lösungsmittels und/oder der Probenkammer 31 und gegebenenfalls andere optische Dämpfungseffekte, die entstehen (und nicht von dem Teststoff herrühren), bestimmt und im Wesentlichen von der bloßen Extinktion des Teststoffes isoliert werden.
Anstatt einer Probenkammer 31 und einer Referenzkammer 31' können auch eine Probe 1 und eine Referenzsubstanz 1' von Mikroskopobjektträgern gestützt werden.
Filterelemente, die in 10 nicht gezeigt sind, können zudem an einer oder zwei beliebigen Positionen zwischen der Licht emittierenden Vorrichtung 2 und dem ersten Lichtdetektor 4 und/oder dem zweiten Lichtdetektor 5 hinzugefügt werden, um zu vermeiden, dass der erste Detektor 4 und/oder der zweite Detektor 5 der Pumpstrahlung 11 gegenüber freiliegt. Gleichwohl können auch die Probenkammer 31 und die Referenzkammer 31' und/oder die Probe 1 und/oder die Referenzsubstanz 1' die Pumpstrahlung 11 insbesondere im UV- oder Nah-UV-Bereich filtern.
Die Licht emittierende Vorrichtung 2 kann integral mit dem einen oder mit beiden von der Probenkammer 31 und der Referenzkammer 31' ausgebildet sein. Alle Aspekte, die für die Probenkammer 31 gelten, gelten allgemein auch für die Referenzkammer 31'.
Die leere Referenzkammer 31' und die leere Probenkammer 31 können während einer Kalibrierungsmessung, wie vorstehend beschrieben worden ist, innerhalb des optischen On-Chip-Absorptionssensors 180 positioniert sein. Gleichwohl kann wenigstens eine von der Referenzkammer 31' oder der Probenkammer 31 während einer Kalibrierungsmessung auch von dem optischen On-Chip-Absorptionssensor 180 entfernt sein.
Das Einsatzpunkttesten (Point-of-Care Testing POCT) kann einen diagnostischen Test zeit- und ortsnah am Patienten ermöglichen. Das POCT verwendet die Konzentration eines Teststoffes/Analyts, um für den Nutzer Information über den physiologischen Zustand des Patienten und/oder eines biologischen Systems und/oder eines Ökosystems bereitzustellen. Ein Analyt, beispielsweise ein Marker, ist ein chemischer oder biologischer Teststoff, der unter Verwendung eines bestimmten Instrumentes, so beispielsweise eines Spektrometers oder eines optischen On-Chip-Absorptionssensors, wie hier beschrieben wird, analysiert wird. Während das Einsatzpunkttesten die Quantifizierung eines einzigen Analyts aus einer in-vitro-Probe (beispielsweise Blut, Plasma oder Urin) ist, ist das gebündelte Einsatzpunkttesten die gleichzeitige Vor-Ort-Quantifizierung verschiedener Analyte aus einer einzigen Probe. Das gebündelte Einsatzpunkttesten (Multiplex Point-of-Care Testing xPOCT) ist daher eine komplexere Form des Einsatzpunkttestens (POCT) oder des Testens am Krankenbett.
Das Bearbeiten einer biologischen Probe zu dem Zweck, mehrere Biomarkerergebnisse zu erhalten, ermöglicht das Ausführen eines POCT-Testens an Patienten, die gegebenenfalls Zustände aufweisen, die die Bestätigung mehrerer Biomarker und Tests vor einer Diagnose erfordern (was beispielsweise bei vielen Typen von Krebs der Fall ist). xPOCT weist zunehmend wichtige Anwendungen in Umgebungen mit beschränkten Ressourcen auf (beispielsweise in Entwicklungsländern, in Arztpraxen oder zu Hause bei Nichtfachleuten). xPOCT ist in letzter Zeit für in-vitro-Diagnostiken zunehmend wichtiger geworden.
Der Begriff „Array-Anordnung“ im Zusammenhang mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet hier allgemein eine Array-Anordnung bzw. Feldanordnung, die Spalten und Reihen aus Licht emittierenden Elementen 2a, 2b, 2c usw. umfasst.
Der Begriff „Gitterstruktur“ im Zusammenhang mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet hier allgemein die Struktur eines Gitters, das durch die Gitterkonstante Λ charakterisiert ist. Der Begriff „Gitterstruktur“ darf nicht mit dem Begriff „Array-Anordnung“ verwechselt werden.
Die Konzentration eines Teststoffes kann direkt aus einer gemessenen (gedämpften) Intensität einer nativen Probe entsprechend dem Lambert-Beer-Gesetz hergeleitet werden. Alternativ kann erforderlich sein, in die Probe einen Marker oder ein Reagens zu geben, der/das im Wesentlichen mit wenigstens einem Teil des Teststoffes in der Probe reagiert. Das Ergebnis dieser Reaktion kann sodann als (gedämpfte) Intensität detektiert werden und kann daher als Indikator für die Konzentration des Teststoffes wirken.
Im Folgenden sind einige hier verwendete Definitionen aufgeführt.
Ein Teststoff, das heißt ein Analyt, kann eine Verbindung, so beispielsweise ein bestimmter Typ von Molekül sein. Eine Probe kann eine biologische und/oder chemische Substanz sein, die einige Teststoffe umfassen kann. Die Probe kann eine Mischung aus Molekülen, so beispielsweise Proteine, Wasser, Lipide und Ionen, umfassen. Die Probe kann beispielsweise eine Blutprobe, eine Abwasserprobe und eine Lebensmittelprobe sein.
Insbesondere liegt die Zeitspanne, die für eine einzelne Messung erforderlich ist, zwischen annähernd 0,5 s und 20 min, insbesondere zwischen annähernd 3 s und 30 s und ganz besonders zwischen annähernd 5 s und 10 s.
Pumplaser können beispielsweise UV-Laser oder Nah-UV-Laser sein, das heißt Laser, die das Pumplicht in einem Wellenlängenbereich, der den UV-Bereich überdeckt, emittieren. UV-Licht (Ultraviolettlicht) kann allgemein eine Wellenlänge zwischen annähernd 10 und 400 nm aufweisen. Das Pumplicht kann eine Wellenlänge in diesem Bereich aufweisen; insbesondere beinhaltet das Pumplicht zudem Wellenlängen nahe am UV-Bereich (Nah-UV-Bereich). Vorzugsweise umfasst die Pumpstrahlung Licht mit Wellenlängen zwischen annähernd 350 nm und 490 nm. Es ist wichtig, einen Wellenlängenbereich zu wählen, in dem eine bestimmte Leistung erreicht werden kann, um die stimulierte Emission in dem organischen Laser zu verwirklichen. Insbesondere können Blue-Ray-Laserdioden verwendet werden, die Licht vorzugsweise bei einer Wellenlänge von annähernd 405 nm emittieren. Pumplaser können auch gepulste Laser sein.
Die organischen Lasermaterialien können beispielsweise die nachfolgenden Farbstoffe umfassen: ADS233YE, ADS100RE, ADS133YE, ADS232GE, ADS145UV.
Wenigstens einige der Breiten der Schichten reichen insbesondere von annähernd 10 mm bis 300 mm. Wenigstens einige der Längen der Schichten reichen insbesondere von annähernd 10 mm bis 300 mm. Die Dicke, die durch den Abstand zwischen der oberen Oberfläche und der am weitesten oberen Schicht zur unteren Oberfläche der am weitesten unteren Schicht (beispielsweise vom ersten zum zweiten Lichtdetektor) in den ersten/zweiten Richtungen definiert ist, kann von annähernd 1 mm bis 30 mm reichen. Die Dicke hängt auch von der Anzahl der Schichten, die in der Sandwichstruktur verwendet werden, und/oder der Anzahl von Sandwicheinheiten, die in einer kombinierten Sandwichstruktur verwendet werden, ab. Bei einem Beispiel ist die Größe eines optischen On-Chip-Absorptionssensors annähernd 76 mm mal 26 mm mal 5 mm.
Insbesondere ist das Gewicht eines optischen On-Chip-Absorptionssensors zwischen annähernd 3 g und 10 g, insbesondere zwischen annähernd 10 g und 50 g und ganz besonders zwischen annähernd 20 g und 30 g, so beispielsweise annähernd 25 g.
Aufweisen können die Probenkammer 31 und/oder die Referenzkammer 31' wenigstens ein beliebiges von Glas, Zinkselenid, Kalziumfluorid, Saphir, BK7-Glas, Silizium (vom n- oder p-Typ), einem Polymer und/oder einer organischen Verbindung, beispielsweise einer organischen UV-Absorptionsschicht über der Oberfläche.
Eine Licht emittierende Vorrichtung kann, solange sie nicht zum Emittieren von kohärentem Licht ausgestaltet ist, beispielsweise ein flexibles LED-Feld, eine Faseroptik oder eine beliebige Lichtquelle sein, die Licht und insbesondere monochromatisches Licht emittieren und die als Dünnschicht vorgesehen sein kann. Einige Lasersysteme, so beispielsweise organisch basierte Mikrokavitätslaser, können sogar Licht emittieren, das hier nicht als kohärentes Licht betrachtet wird (was nachstehend noch detaillierter beschrieben wird).
Insbesondere wird kohärentes Licht mit Blick auf die räumliche und zeitliche Kohärenz als kohärent betrachtet, das heißt als im Wesentlichen monochromatisches Licht mit Wellenzügen, die im Wesentlichen parallele Wellenfronten aufweisen. Kohärentes Licht wird hierbei als kohärent betrachtet, wenn die Kohärenzlänge des Lichtes einen Bereich zwischen annähernd 1 cm bis annähernd 10 cm übersteigt, insbesondere, wenn die Kohärenzlänge des Lichtes annähernd 1 m übersteigt, und ganz besonders, wenn die Kohärenzlänge des Lichtes annähernd 100 m übersteigt.
Insbesondere kann Licht, das eine Kohärenzlänge von weniger als 1 cm aufweist, hier als unkohärent, das heißt nichtkohärent, betrachtet werden.
Zum Vergleich weisen Multi-Mode-Helium-Neon-Laser üblicherweise eine Kohärenzlänge von annähernd 20 cm auf, während die Kohärenzlänge von Single-Mode-Lasern annähernd 100 m übersteigen kann. Halbleiterlaser können annähernd einige 100 m erreichen, während kleine kostengünstige Halbleiterlaser kürzere Längen, so beispielsweise annähernd 20 cm, aufweisen. Single-Mode-Faserlaser mit Linienbreiten von einigen wenigen Kilohertz können Kohärenzlängen aufweisen, die 100 km übersteigen. Die räumliche Kohärenzlänge einer OLED auf Basis eines Europiumkomplexes kann im Mikrometerbereich sein; sie kann beispielsweise zwischen annähernd 1,7 µm und 1,9 µm liegen.
Alle hier beschriebenen Beispiele und Aspekte können mit einer kohärentes und einer nichtkohärentes Licht emittierenden Vorrichtung realisiert werden. Eine kohärentes Licht emittierende Vorrichtung emittiert im Wesentlichen kohärentes Licht, während eine nichtkohärentes Licht emittierende Vorrichtung im Wesentlichen nichtkohärentes Licht emittiert.
Es sind Fälle vorhanden, in denen Laser nichtkohärentes Licht im Sinne der vorstehenden Definition emittieren. Einige Free-Running-Diodenlaser können beispielsweise eine Kohärenzlänge von weniger als 1 mm aufweisen. Organisch basierte Mikrokavitätslaser können beispielsweise eine Kohärenzlänge im Mikrometerbereich, so beispielsweise von annähernd 45 µm aufweisen (Camposeo, Andrea & Persano, Luana & Del Carro, Pompilio & Papazoglou, Dimitris & Stassinopoulos, Andreas & Anglos, Demetrios & Pisignano, Dario (2008) „Longitudinal coherence of organic-based microcavity lasers“, Optics Express, 16. 10384-9. 10.1364/OE.16.010384.).
Bezugszeichenliste

1; 1A; 1B; 1C: Probe
1': Referenzsubstanz
2; 2A, 2B: (kohärentes) Licht emittierende Vorrichtung
2a, 2b, 2c, 2d; 2e, 2f, 2g, 2h, 2i: (kohärentes) Licht emittierende Elemente mit Anordnung in wenigstens einer Spalte und zwei Reihen
3: Probenhalter
3': Referenzhalter
4: erster Lichtdetektor
5: zweiter Lichtdetektor
6: (erstes) Filterelement
7: (zweites) Filterelement
8: Montierung
9: Kabel zur Datenübertragung und/oder Energieversorgung Öffnung zum Füllen des Volumens der Probenkammer mit einer
10: Probe
11: Pumpstrahlung eines Pumplasers
21: Array-Anordnung aus (kohärentes) Licht emittierenden Elementen mit wenigstens einer Spalte und wenigstens zwei Reihen
22: (DFB-)Gitter oder Gitterstruktur
23: organisches Lasermaterial
24: Breite eines Gitters
25: Länge eines Gitters
31; 31A, 31B: Probenkammer
31': Referenzkammer
32: Mikrofluidkanalstruktur
32a, 32b; 32c: Mikrofluidkanal
33: Haltelemente zum Halten der Probe oder der Probenkammer
34: Kammervolumen in der Probenkammer
34': Referenzkammervolumen
100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180: Ausführungsformen von optischen On-Chip-Absorptionssensoren
1000: System mit einem optischen On-Chip-Absorptionssensor und einem Computer
1100: Computer
α: Winkel zwischen der zweiten Lichtdetektionsschicht und (einer Parallele) der Licht emittierenden Schicht in einer Dimension
A_2; A_2A; A_2B: Licht emittierende Schicht
A₃₁; A_31A; A_31B: Probenkammerschicht
A_31': Referenzkammerschicht
A₄, A_4A, A_4B: erste Lichtdetektionsschicht
A₅; A_5A; A_5B: zweite Lichtdetektionsschicht
A₆, A₇: Filterschichten
β: Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstand zwischen zwei Spalten von (kohärentes) Licht emittierenden Elementen
c₁, c₂; c₃: Spalten
d; dA; dB: Dicke der Probe in der ersten Richtung
d_v: Dicke des Kammervolumens in der ersten Richtung
D; D₁; D₂: erste Richtung (beispielsweise vertikal nach unten)
Δ: Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstand zwischen zwei (kohärentes) Licht emittierenden Elementen in einer Spalte, das heißt Abstand zwischen zwei Reihen
Y_5-6: Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstand zwischen dem zweiten Lichtdetektor und dem (ersten) Filterelement
Y_5-2: Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstand zwischen dem zweiten Licht-detektor und der (kohärentes) Licht emittierenden Vorrichtung
Y_2-31: Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstand zwischen der (kohärentes)Licht emittierenden Vorrichtung und der Probenkammer
Y_31-7: Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstand zwischen der Probenkammer und dem (zweiten) Filterelement
Y_31-4: Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstand zwischen der Probenkammer und dem ersten Lichtdetektor
Y_7-4: Oberfläche-zu-Oberfläche-Abstand zwischen dem (zweiten) Filterelement und dem ersten Lichtdetektor
Λ: Gitterkonstante des Gitters oder der DFB-Gitterstruktur
I: Intensität des Referenzlichtes
I₀: Intensität des Ausbreitungslichtes, insbesondere Intensität des gedämpften Lichtes
L_D: (kohärentes) Licht, das in der ersten Richtung mit der Intensität I_D emittiert wird
L_I4: eingehendes Licht an dem ersten Lichtdetektor
L_I5: eingehendes Licht an dem zweiten Lichtdetektor
L_U: (kohärentes) Licht, das in der zweiten Richtung mit der Intensität I_U emittiert wird
L_p: Licht, das in der ersten Richtung emittiert wird und sich durch den Probenhalter hindurch ausgebreitet hat, insbesondere gedämpftes Licht
L_s: Licht, das in der zweiten Richtung emittiert wird und sich durch ein Lösungsmittel in dem Referenzhalter ausgebreitet hat, insbesondere gedämpftes Licht
λ₁: erste Wellenlänge des (kohärentes) Licht emittierenden Elementes
λ₂: zweite Wellenlänge des (kohärentes) Licht emittierenden Elementes
λ₃: dritte Wellenlänge des (kohärentes) Licht emittierenden Elementes
λ₄: vierte Wellenlänge des (kohärentes) Licht emittierenden Elementes
λ₁₁: Wellenlänge der Pumpstrahlung
N₂: Normale der Licht emittierenden Schicht
N₃₁: Normale der Probenkammer
N₄: Normale des ersten Lichtdetektors
N₅: Normale des zweiten Lichtdetektors
N₆: Normale des (ersten) Filterelementes
N₇: Normale des (zweiten) Filterelementes
r₁, r₂; r₃: Reihen
S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7, S7A, S7B: Ausführungsformen von Sandwichstrukturen
T: Winkel zwischen der ersten Lichtdetektionsschicht und (einer Pa rallele) der Licht emittierenden Schicht in einer Dimension
U; U₁; U₂: erste Richtung (beispielsweise vertikal nach oben)
V_S: Probenvolumen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017011726 A1 [0003, 0132]

Claims

Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) zum Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe (1), wobei der optische Absorptionssensor umfasst: wenigstens eine Licht emittierende Vorrichtung (2), die dafür ausgestaltet ist, Licht (L_D, L_U) in einer ersten Richtung (D) und einer zu der ersten Richtung (D) entgegengesetzten zweiten Richtung (U) zu emittieren; wenigstens einen Probenhalter (3), der dafür ausgestaltet ist, die Probe (1) aufzunehmen, wobei der wenigstens eine Probenhalter (3) derart für das emittierte Licht (L_D) wenigstens teilweise transparent ist, dass sich wenigstens ein Teil des Lichtes (L_D), das in die erste Richtung (D) emittiert wird, durch wenigstens einen Abschnitt des Probenhalters (3) ausbreiten kann; wenigstens einen ersten Lichtdetektor (4), der so angeordnet ist, dass wenigstens teilweise die Intensität / des Ausbreitungslichtes (L_P), das sich durch den Probenhalter (3) in die erste Richtung (D) ausgebreitet hat, zu detektieren; wenigstens einen zweiten Lichtdetektor (5), der so angeordnet ist, dass wenigstens teilweise die Intensität / des Lichtes (L_U), das in der zweiten Richtung (U) emittiert wird, zu detektieren.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Licht emittierende Vorrichtung (2) wenigstens eine kohärente Licht emittierende Vorrichtung (2) umfasst, die dafür ausgestaltet ist, Licht (L_D, L_U), das kohärentes Licht ist, in einer ersten Richtung (D) und einer zu der ersten Richtung (D) entgegengesetzten zweiten Richtung (U) zu emittieren.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 160; 170; 180) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Licht emittierende Vorrichtung (2) als im Wesentlichen planare Licht emittierende Schicht bzw. Lage (A₂) ausgestaltet ist, wobei die Normalenrichtung (N₂) der Licht emittierenden Schicht (A₂) im Wesentlichen parallel zu den ersten und zweiten Richtungen (D, U) des emittierten Lichtes (L_D, L_U) ist.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Licht emittierende Vorrichtung (2) einen vertikal emittierenden Laser umfasst, der wenigstens einen Laser mit verteilter Rückkopplung, distributed feedback laser, DFB, einen Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor, distributed Bragg reflector laser, DBR, einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Kavität, vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL, einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler externer Kavität, vertical external cavity surface-emitting laser, VECSEL und/oder einen Trapezlaser, tapered laser, umfasst.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Licht emittierende Vorrichtung (2) einen organischen DFB-Laser zweiter Ordnung umfasst.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Licht emittierende Vorrichtung eine Array-Anordnung (21) von Licht emittierenden Elementen (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i) umfasst, wobei die Licht emittierenden Elemente (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i) in wenigstens einer Spalte (c₁, c₂, c₃) angeordnet und in einem Abstand Δ voneinander beabstandet sind.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach Anspruch 6, wobei die Array-Anordnung (21) von Licht emittierenden Elementen (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i) wenigstens zwei Spalten (c₁, c₂, c₃) von Licht emittierenden Elementen (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i) umfasst, wobei die wenigstens zwei Spalten (c₁, c₂, c₃) in einem Abstand β voneinander beabstandet sind.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Probenhalter (3) eine Probenkammer (31) umfasst, die wenigstens ein Kammervolumen (34) beinhaltet, wobei das Kammervolumen (34) Mikrofluidkanäle (32a, 32b, 32c) zum Aufnehmen und Leiten einer fluiden Probe (1) und/oder Halteelemente (33) zum Halten der Probe (1) oder der Probenkammer (31) beinhalten kann.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach Anspruch 8, wobei die Probenkammer (31) als im Wesentlichen planare Probenkammerschicht (A₃₁) ausgestaltet ist, wobei die Normalenrichtung (N₃₁) der Probenkammerschicht (A₃₁) im Wesentlichen parallel zu den ersten und zweiten Richtungen (D, U) des emittierten Lichtes (L_D, L_U) ist.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei aus der Licht emittierenden Vorrichtung (2), dem Probenhalter (3), dem ersten Lichtdetektor (4) und dem zweiten Lichtdetektor (5) als entfernbare und/oder ersetzbare Moduleinheiten ausgestaltet sind.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (110; 120; 160) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei aus der Licht emittierenden Vorrichtung (2), dem Probenhalter (3), dem ersten Lichtdetektor (4) und dem zweiten Lichtdetektor (5) als integrale Einheit ausgebildet sind.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (150) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend wenigstens ein Filterelement (6, 7), das dafür ausgestaltet ist, Transmission wenigstens eines Teilbereichs des Emissionswellenlängenbereiches des emittierten lichtes (L_D, L_U) zu ermöglichen.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische On-Chip-Absorptionssensor wenigstens eine Sandwichstruktur (S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7) geschichteter bzw. gestapelter Schichten aufweist, wobei eine Sandwichstruktur (S1; S2; S3; S4; S5; S6;) umfasst: die Licht emittierende Vorrichtung (2), die als im Wesentlichen planare Licht emittierende Schicht (A₂) ausgestaltet ist; den Probenhalter (3), der als im Wesentlichen planare Probenkammerschicht (A₃₁) ausgestaltet ist; den ersten Lichtdetektor (4), der als erste Lichtdetektionsschicht (A₄) ausgestaltet ist; und den zweiten Lichtdetektor (5), der als zweite Lichtdetektionsschicht (A₅) ausgestaltet ist; wobei die erste Lichtdetektionsschicht (A₄), die Probenkammerschicht (A₃₁), die planare Licht emittierende Schicht (A₂) und die zweite Lichtdetektionsschicht (A₅) in dieser Reihenfolge entlang der zweiten Richtung (U) des emittierten Lichtes (L_U) geschichtet bzw. gestapelt sind.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170; 180) nach Anspruch 13, wobei der optische On-Chip-Sensor dafür ausgestaltet ist, Konzentrationen eines oder mehrerer Teststoffe in wenigstens zwei Proben (1a, 1b) zu bestimmen.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (170) nach Anspruch 14, umfassend wenigstens zwei Sandwichstrukturen (S7a, S7b) zum Bestimmen der Konzentration eines Teststoffes in einer der Proben (1a, 1b) in jeder der Sandwichstrukturen (S7a, S7b) umfasst.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (120; 170) nach Ansprüchen 14 oder 15, umfassend: eine erste Licht emittierende Vorrichtung (2), die dafür ausgestaltet ist, Licht (L_D, L_U) mit einer ersten Wellenlänge (λ₁) zu emittieren; und eine zweite Licht emittierende Vorrichtung (2), die dafür ausgestaltet ist, Licht (L_D, L_U) mit einer zweiten Wellenlänge (λ₂) zu emittieren, wobei die erste Wellenlänge (λ₁) von der zweiten Wellenlänge (λ₂) verschieden ist.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor (180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend wenigstens einen Referenzhalter (3'), der dafür ausgestaltet ist, eine Referenzsubstanz (1') aufzunehmen, wobei der Referenzhalter (3') derart für das emittierte Licht (L_U) wenigstens teilweise transparent ist, dass sich wenigstens ein Teil des in die zweite Richtung (U) emittierten Lichtes (L_U) durch wenigstens einen Abschnitt des Referenzhalters (3') ausbreiten kann.
System (1000), umfassend: den optischen On-Chip-Absorptionssensor (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und wenigstens eine Verarbeitungseinheit (1100) zum Bestimmen der Konzentrationen des Teststoffes in der Probe (1) entsprechend $c = - ln (k_{l} \frac{I}{I_{0}}) / (d ε *)$
wobei / eine abgeschwächte Intensität des Ausbreitungslichtes (L_P), das von dem ersten Lichtdetektor (4) detektiert wird, ist, I₀ eine Referenzintensität des Lichtes (L_U), das in der zweiten Richtung (U) emittiert und von dem zweiten Lichtdetektor (5) detektiert wird, ist, ε* ein Extinktionskoeffizient des Teststoffes bei einer Wellenlänge λ des Lichtes (L_D) ist, c eine molare Konzentration des Teststoffes in der Probe (1) ist, d eine Dicke der Probe (1) in der ersten Richtung (D) ist und k_I ein Faktor ist, der die Beziehung zwischen den Intensitäten von Licht, das in den ersten und den zweiten Richtungen emittiert wird, berücksichtigt.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor vom Sandwichtyp (100; 110; 120; 140; 150; 160; 170) zum Bestimmen einer Konzentration eines Teststoffes in einer Probe (1), wobei der optische Absorptionssensor in einer geschichteten Ausgestaltung entlang der ersten Richtung (D) umfasst: einen zweiten Lichtdetektor (5), der als zweite Lichtdetektionsschicht (A₅) ausgestaltet ist; eine Licht emittierende Vorrichtung (2), die ein einem organischen DFB-Laser zweiter Ordnung zugeordnetes Gitter (22) umfasst, die als im Wesentlichen planare Licht emittierende Schicht (A₂) ausgestaltet ist und dafür ausgestaltet ist, Licht (L_D, L_U) in einer ersten Richtung (D) und einer zweiten Richtung (U) zu emittieren, wobei die zweite Richtung (U) entgegengesetzt zu der ersten Richtung (D) ist; einen Probenhalter (3), der wenigstens einen Mikrofluidkanal (32a, 32b, 32c) zum Aufnehmen und Leiten einer fluiden Probe (3) umfasst und als im Wesentlichen planare Probenkammerschicht (A₃₁) ausgestaltet ist, wobei der Mikrofluidkanal (32a, 32b, 32c) derart für das emittierte Licht (L_D) wenigstens teilweise transparent ist, dass sich wenigstens ein Teil des Lichtes (L_D), das in der ersten Richtung (D) emittiert wird, durch wenigstens einen Abschnitt des Mikrofluidkanals (32a, 32b, 32c) der Probenkammerschicht (A₃₁) als Ausbreitungslicht (L_P) ausbreiten kann; und einen ersten Lichtdetektor (4), der als erste Lichtdetektionsschicht (A₄) ausgestaltet ist; wobei eine Intensität I₀ des Lichtes (L_U), das in der zweiten Richtung (U) emittiert wird, wenigstens teilweise von dem zweiten Lichtdetektor (5) als Referenzintensität detektiert werden kann; eine Intensität / des Ausbreitungslichtes (L_P) wenigstens teilweise von dem ersten Lichtdetektor (4) als Probenintensität zum Bestimmen der Konzentration des Teststoffes in der Probe (1) detektiert werden kann.
Optischer On-Chip-Absorptionssensor vom Sandwichtyp (100; 110; 120; 140; 160; 170) nach Anspruch 19, wobei die ersten und die zweiten Richtungen (D, U) im Wesentlichen parallel zu den Normalenrichtungen (N₄, N₅, N₂, N₃₁) der ersten Lichtdetektionsschicht (A₄), der zweiten Lichtdetektionsschicht (A₅), der Licht emittierenden Schicht (A₂) und der Probenkammerschicht (A₃₁) sind.