DE3687543T2

DE3687543T2 - Messfuehler fuer biologische molekuele mit verwendung optischer wellenleiter.

Info

Publication number: DE3687543T2
Application number: DE8686302650T
Authority: DE
Inventors: William James Stewart
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: Marconi UK Intellectual Property Ltd
Priority date: 1985-04-12
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2006-04-11
Also published as: EP0205236A2; GB8608448D0; GB8509491D0; ATE84876T1; EP0205236B1; JPS61292044A; DE3687543D1; JPH07117486B2; US4857273A; GB2174802A; EP0205236A3; GB2174802B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Meßfühler für biologische Moleküle (kurz Biosensoren) mit Verwendung optischer Wellenleiter, d. h. Sensoren zum Erfassen und/oder Überwachen oder zur quantitativen Bestimmung des Vorhandenseins und/oder Verhaltens spezifischer molekularer Testgattungen in Testfluidproben. Die Erfindung weist beispielsweise folgende Anwendung auf: Immunitätsprüfung (die Detektion von Antikörpern, Antigenen oder Hormonen in Blutproben), Verunreinigungsüberwachung; und Überwachung klinischer diagnostischer Reaktionen, die z. B. Enzyme und dergleichen umfassen.
In einem Artikel mit dem Titel "Detection of Antibody-Antigen Reactions at a glass-Liquid Interface as a Novel Optical Immunoassay Concept" (1984) (Proceedings der 2ten Optischen Wellenleitertagung (Stuttgart 1984) Seite 75) beschreiben R.M. Sutherland et al einen Biosensor, in dem eine Antikörpergattung kovalent auf der Oberfläche eines planaren oder faseroptischen Wellenleiters immobilisiert wird. Die Reaktion des immobilisierten Antikörpers mit Antigen in Probenlösung wird unter Ausnutzung der Dämpfungs- oder Evaneszenzwellenkomponente eines Lichtstrahls, der viele Male innerhalb des Wellenleiters intern total reflektiert worden ist, erfaßt. Die evanesente Welle weist eine charakteristische Eindringtiefe eines Bruchteils einer Wellenlänge in die wässrige Phase auf, so daß sie optisch mit Substanzen, die an die Grenzschicht angebunden sind oder sehr dicht an dieser liegen, und nur minimal mit der Hauptlösung wechselwirkt.
Es wird auch auf die Britische Patentanmeldung GB-A-2156970 verwiesen, die optisches Wellenleiter-Biosensoren und eine ähnliche Technik offenbart.
In "Analytical Chemistry", Band 54, Nr.9, August 1982, Seiten 1071-1080, ist eine Technik zur Analyse einer Filmbeschichtung beschrieben, in der Licht über Prismen in einen optischen Körper, auf dem die Beschichtung ausgebildet ist, hineingekoppelt und aus diesem herausgekoppelt wird.
Die vorliegende Erfindung dient dazu, die Antwort der Vorrichtung für eine gegebene Strahlleistung anzuheben.
Gemäß der Erfindung ist ein Meßfühler für biologische Moleküle mit Verwendung optischer Wellenleiter vorgesehen, der einen Wellenleiter, welcher eine Grenzfläche mit einer Beschichtung aufweist, die für eine gegebene Testgattung sensibilisiert ist, wobei der Wellenleiter einen höheren Brechungsindex als die Beschichtung aufweist, und zwei Lichtkopplungsteile angrenzend an den Wellenleiter umfaßt, die Licht in den Wellenleiter hinein- bzw. herauslenken, dadurch gekennzeichnet, daß der Biomeßfühler ein dielektrisches Festkörpermedium umfaßt, das zwischen dem Wellenleiter und einem oder beiden dieser Kopplungsteile angeordnet ist und eine Licht reflektierende und teilweise durchlässige Grenzfläche mit dem Wellenleiter und eine Grenzfläche mit diesem einen oder beiden Kopplungsteilen aufweist; daß der Wellenleiter einen solchen Brechungsindex in Relation zu diesem Medium aufweist, daß der Wellenleiter und die Grenzflächen des Wellenleiters mit der Beschichtung und mit dem Medium gemeinsam einen verspiegelten Resonanzhohlraum bilden.
Die Strahlungsleistung innerhalb des Hohlraums wird so in Bezug auf die Eingangsstrahlleistung gesteigert und die Leistung der interaktiven evaneszenten Welle, die sich in die sensibilisierte Beschichtung erstreckt, wird gleichermaßen gesteigert, wodurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber durch die Beschichtung absorbierter Gattungen verbessert wird.
Das dielektrische Festkörpermedium kann eine einzige Schicht aus transparentem Material sein. Alternativ kann es eine dielektrische Mehrfachschichtstruktur sein.
In den beiliegenden Zeichnungen
ist Fig. 1 eine illustrative Querschnittsansicht eines bekannten optischen Wellenleiter-Biosensors;
ist Fig. 2 eine illustrative Querschnittsansicht eines optischen Wellenleiter-Biosensors, der gemäß der Erfindung modifiziert ist; und
zeigt Fig. 3 in schematischer Weise Brechungsindexprofile für einen modifizierten Biosensor, der
a) einen Einzelschichtreflektor; bzw.
b) einen Reflektor mit mehrschichtigem Aufbau enthält.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun lediglich beispielhalber unter Bezug auf die der Beschreibung beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In Fig. 1 ist die Form eines optischen Wellenleiter-Biosensors gezeigt, der in dem zuvor erwähnten Artikel von R.M Sutherland et al offenbart ist, in welchem Sensor Licht von einer Quelle S mittels eines ersten Kopplungsprismas 3 in einen ebenen Wellenleiter 1 gerichtet wird und sich durch mehrfache interne Totalreflexion zum Austritt mittels eines zweiten Kopplungsprismas 5 ausbreitet, von wo aus es in einen Lichtdetektor D geleitet wird. Die äußere Oberfläche des Wellenleiters 1 ist mit einer sensibilisierten organischen Beschichtung 7 versehen. Letztere ist einer Probenflüssigkeit 9 ausgesetzt, die in einer Anordnung mit Strömungszelle 11 und Dichtung 13 enthalten ist. In der Beschichtung 7 ist Antikörpermaterial kovalent immobilisiert und dies spricht auf jedwedes spezifisches Antigenmaterial in der Probenflüssigkeit an, der es ausgesetzt ist. Der Wellenleiter besteht aus geschmolzenem Quarzmaterial und dies sorgt für eine großes Differential in der optischen Dichte zwischen dem Quarzwellenleiter 1 (hohen Brechungsindex n&sub1;) und der angrenzenden Beschichtung 7 (geringen Brechungsindex n&sub2;). Licht wird innerhalb des Körpers vom Wellenleiter 1 intern total reflektiert, ein Teil der optischen Leistung breitet sich jedoch als eine evaneszente Welle im Beschichtungsmedium 7 aus. Die Antigenbindung durch den immobilisierten Antikörper wird durch eine resultierende Zunahme der Lichtabsorption überwacht, die vom Detektor D gemessen wird.
In der in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Modifikation ist eine Schicht 15 (beispielsweise eine aufgedampfte oder aufgesputterte Schicht aus Magnesiumfluorid) zwischen die Kopplungsprismen 3,5 und den planaren Wellenleiter 1 eingefügt. Die Schicht 15 weist einen geringeren Brechungsindex auf als der Wellenleiter 1 und die Grenzfläche zwischen der Schicht 15 und dem Wellenleiter 1 ist lichtreflektierend und teilweise durchlässig. Dieser Aufbau kann in Verbindung mit einem Infrarotlicht-Injektionslaser als Lichtquelle S mit einer typischen Wellenlänge von 0,8 um verwendet werden. Ein ähnlicher Apparat kann für sichtbares Licht und für ultraviolettes Licht verwendet werden, wobei jedoch in letzterem Fall eine Schicht 15 aus Aluminiumoxid oder ähnlichem Material verwendet würde, wobei die typische Wellenlänge 270 nm beträgt. Licht wird in den Wellenleiter 1 durch behinderte interne Totalreflexion (interne FTR von Frustrated Total Reflection) gekoppelt und die Dicke der zwischengefügten Schicht 15 wird entsprechend gewählt. Das Brechungsindexprofil für diese Anordnung von Medien
- Beschichtung 7, Wellenleiter 1, Schicht 15 und Kopplungsteil 3 - ist in Fig. 3(a) gezeigt. Wie dort ersichtlich ist, ist der Wellenleiter 1 durch die Medien 7, 15 geringeren Brechungsindex isoliert. Einfallendes, in den Wellenleiter eingekoppeltes Licht wird daher resonant im verspiegelten Hohlraum zwischen den Grenzflächen des Wellenleiters 1 mit der Schicht 15 und der Beschichtung 7 eingefangen. Der Leistungspegel ist in diesem Hohlraumbereich hoch. Der geführte Lichtstrahl zweigt darauffolgend zurück in das Grundmedium, das zweite Kopplungsteil 5, ab, wonach er durch den Fotodetektor D aufgenommen wird. Die evaneszente Welle in der Beschichtung 7 wird mit jedweder in dieser Beschichtung 7 absorbierter Gattung wechselwirken und wird daher dann wiederum die Absorption und Phasenschiebung des aufgenommenen Lichtstrahls modifizieren. Letztere Komponente wird durch diesen Resonanzeffekt verstärkt.
Als eine alternative Modifikation kann die zwischengefügte einzelne Schicht 15 der in Fig. 2 gezeigten Anordnung durch eine dielektrische mehrschichtige Struktur 15' ersetzt werden. Ein typisches Indexprofil für diese modifizierte Anordnung ist in Fig. 3(b) gezeigt. Als Beispiel liefert eine mehrschichtige Struktur, die 90% Reflexion und 10% Transmission vorsieht, einen Faktor x10 an Leistungssteigerung innerhalb des Resonanzhohlraums.
Das Vorhandensein der Prüf- oder Testgattung kann durch Messen der Änderungen in der Absorption oder Polarisation des aufgenommenen Lichtstrahls erfaßt und/oder überwacht werden. Die Wechselwirkung wird von der Frequenz und dem Einfallswinkel des Lichtstrahls abhängen. Die Quelle S und der Detektor D können singuläre Komponenten sein, die mechanisch über einen Bereich von Winkeln gescannt werden, oder können jeweils eine ausgedehnte Anordnung umfassen, wobei jede Komponente zur Simulierung einer Abtastung elektronisch adressiert wird. Alternativ können die Quelle und der Detektor D in einer statischen optischen Konfiguration angeordnet sein.

Claims

1. Meßfühler für biologische Moleküle mit Verwendung optischer Wellenleiter, aufweisend einen Wellenleiter (1), der eine Grenzfläche mit einer Beschichtung (7) aufweist, die für eine gegebene Prüfgattung sensibilisiert ist, wobei der Wellenleiter (1) einen höheren Brechungsindex als die Beschichtung (7) aufweist, und zwei an den Wellenleiter angrenzende Lichtkopplungsteile (3,5), die Licht in den Wellenleiter (1) hinein- bzw. herausleiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Biomeßfühler ein dielektrisches Festkörpermedium (15,15') umfaßt, das zwischen dem Wellenleiter (1) und einem oder beiden Kopplungsteilen (3,5) angeordnet ist und eine lichtreflektierende und teilweise durchlässige Grenzfläche mit dem Wellenleiter (1) und eine Grenzfläche mit einem oder beiden Kopplungsteilen (3,5) aufweist; daß der Wellenleiter (1) einen derartigen Brechungsindex in Bezug auf dieses Medium (15,15') aufweist, daß der Wellenleiter und die Grenzflächen des Wellenleiters (1) mit der Beschichtung (7) und mit diesem Medium (15,15') gemeinsam einen verspiegelten Resonanzhohlraum bilden.

2. Biomeßfühler nach Anspruch 1, in welchem das dielektrische Festkörpermedium eine einzelne Schicht (15) aus solchem Material und solcher Dicke umfaßt, daß eine Lichtkopplung durch behinderte interne Totalreflexion mit dem Wellenleiter (1) zustande kommt.

3. Biomeßfühler nach Anspruch 2, in welchem die einzelne Schicht (15) aus Magnesiumfluoridmaterial besteht.

4. Biomeßfühler nach Anspruch 2, in welchem die einzelne Schicht (15) aus Aluminiumoxidmaterial besteht.

5. Biomeßfühler nach Anspruch 1, in welchem das dielektrische Festkörpermedium eine dielektrische mehrschichtige Struktur (15') umfaßt.

6. Biomeßfühler nach Anspruch 5, in welchem die mehrschichtige Struktur (15') 90% Reflexion und 10% Transmission liefert.