DE3723159C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Chemosensor zum selektiven Nachweis zumindest einer Substanz mittels einer selekti­ ven Schicht sowie ein Verfahren dazu unter Verwendung des Chemosensors.

Insbesondere in der Praxis der technischen Chemie und in der Biotechnologie nimmt die Nachfrage nach Chemosenso­ ren zu, welche beispielsweise durch die geeignete Kombi­ nation eines selektiven Systems mit einem Empfänger od. dgl. ein der Konzentration einer definierten Substanz proportionales Meßsignal erzeugen und es so ermöglichen, Veränderungen aufzunehmen und in meßbare, insbesondere auch verstärkbare elektrische Größen umzusetzen. So be­ faßt sich beispielsweise die europäische Patentanmel­ dung 01 84 600 mit einem Chemosensor der eingangs er­ wähnten Art.

Die DE-OS 32 15 484 beschreibt einen aus mehreren Schichten bestehenden Körper im Zusammenhang mit chemi­ schen Substanzen biologischer Herkunft. Es werden mehre­ re Schichten benötigt, nämlich z. B. ein Träger, eine dielektrische Schicht und ein Nachweisreaktionsmittel. Der Aufbau ist relativ kompliziert, eine maschinelle bzw. automatische Auswertung kaum möglich.

Durch die DE-OS 31 33 538 ist ein ebenfalls mehrschich­ tiges Analyseelement bekannt, und es erfolgt eine Mes­ sung von Farbveränderungen in einer Reagenzschicht. Falls man keine Farbänderung mißt, wird die Absorption in der Referenzschicht festgestellt.

Ein Artikel aus ANALYTICAL CHEMISTRY, Vol. 52, No. 12, Okt. 1980, S. 1331 ff., erörtert zwei spektroskopische Ab­ sorptionsverfahren im Infrarot (IR)-Bereich.

Bei einem dieser Verfahren handelt es sich um direkte Absorption im Strahlengang; die IR-Quelle wird in zwei Teilstrahlen zerlegt sowie einerseits durch eine luftge­ füllte Meßzelle und andererseits durch eine gasgefüllte Referenzzelle geleitet. Der Nachteil dieser Anordnung, die - wie gesagt - auf reine Absorption ausgeht, ist die relativ geringe Detektionsgrenze. Stoffe, die in Konzentrationen von einigen ppm oder weniger vorkommen, sind in der Regel nur schwer meßbar. Gute Meßresultate bedingen sehr lange Meßzellen (beispielsweise 20 m), einen hohen Druck oder einen genau auf der gewünschten Wellenlänge arbeitenden teueren Strahl. Die Autoren des zitierten Aufsatzes berichten in ihrer Argumentation selbst von einer großen Zahl von Nachteilen und empfehlen stattdessen ein MIR-Verfahren (Multiple Internal Reflection), das auf Mehrfachreflexion in einem für IR geeigneten Kristall basiert. Der Einstrahlwinkel in den von zwei planparallelen Ebenen begrenzten Kri­ stall ist etwas größer als der kritische Winkel. Dies hat Totalreflexionen zur Folge, wobei trotzdem an jedem Reflexionspunkt ein Quantum der IR-Strahlung in das zu messende Medium eindringt.

Will man nicht spektroskopisch arbeiten, da man zum Bei­ spiel die delikaten Bindungsvorgänge - die man detek­ tieren möchte - nicht stören will, so ist der IR-Be­ reich ungeeignet. Wird beim MIR-Verfahren nicht die richtige Wellenlänge eingesetzt, geht die Empfindlich­ keit des Sensors drastisch zurück. Zudem werden verhält­ nismäßig große Mengen der zu messenden Substanz benötigt.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Er­ finder das Ziel gesetzt, ein Nachweisverfahren mit einem Chemosensor sowie letzteren selbst zu schaffen, mit dem die bisher bekannten Meßmöglichkeiten erheblich erwei­ tert werden. Der Einsatz von Markierungsstoffen wie Far­ ben soll überflüssig werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die selektive Schicht ein dünner, optische Wellen leitender Film einer Dicke unter etwa 50 µm aus einer selektiven, permeablen Matrix mit oder ohne Zusatzschicht ist, in welcher durch Diffusion die optischen Charakteristika der Welle durch eine gasförmige, flüssige und/oder feste Substanz auch in Lösungen und Gasen veränderbar ist. Hierbei kommt man mit verhältnismäßig geringen Mengen der zu messenden Substanz aus.

Ein weiterer vorteilhafter Lösungsweg wird darin gesehen, daß in dem Substrat ein Einschnitt mit einer Aus­ dehnung von 100 Mikron und kleiner zur Aufnahme einer selektiven, permeablen Matrix vorgesehen ist, in welcher durch Diffusion die optischen Charakteristika einer Wel­ le durch eine gasförmige, flüssige und/oder feste Sub­ stanz - auch in Lösungen und Gasen - veränderbar ist. Die Brechzahl der Matrix ist hier vorteilhafterweise größer als die Brechzahl des Substrates.

Durch die Einführung der selektiven Matrix als wellenlei­ tendem Film wird das Spektrum der Messungsmöglichkeiten aufgabengemäß erheblich verbessert; nicht nur die bevor­ zugten Streuungs- bzw. Fluoreszenzmessungen, sondern auch Intensitäts-, Polarisations-, Beugungs- und Interferenz­ messungen werden in einfacher Weise möglich. Letztere kön­ nen gar erst durch die Einführung der selektiven Matrix in besonders wirtschaftlicher Weise realisiert werden.

Darüber hinaus können Empfindlichkeit und Geschwindigkeit des Meßverfahrens erhöht werden, da die Wechselwirkung direkt im Wellenleiter und nicht nur auf dessen Oberfläche stattfindet.

Gegenüber der Offenbarung der europäischen Patentanmel­ dung 01 84 600 ermöglicht der Erfindungsgegenstand di­ rekte Meßverfahren, d. h. man benötigt keine der üblichen Markierungen wie Fluoreszenz- oder Enzymemarkierungen bei einfachsten Anordnungen. Außerdem entstehen universelle Einsatzmöglichkeiten: Messungen auch in Flüssigkeiten und Gasen.

Die Miniaturisierung der Meßanordnung bewirkt:

• - dank hoher Spezifität und Empfindlichkeit einen spar­ samen Umgang mit teueren Reagenzien;
• - es werden nur kleinste Probenvolumina benötigt (da Wechselwirkung direkt im Wellenleiter stattfindet ist der optische Weg für eine Meßreaktion bei weitem größer als bei anderen Anordnungen, wo zum Beispiel nur an den Reflexionspunkten im Bereich der Eindring­ tiefe spezifische Reaktionen ablaufen); dies ermög­ licht den Einsatz hochreiner Reagenzien in wirtschaft­ licher Weise (z. B. verschiedene Antigenproteine), wel­ che die Empfindlichkeit der Ergebnisse für die Dia­ gnostik wesentlich erhöht;
• - nebst den in vitro-Anordnungen können insbesondere in­ vasive Sensoren im Bereich der Humandiagnostik reali­ siert werden;
• - es lassen sich in wirtschaftlicher Weise Einwegsenso­ ren realisieren.

Nach der Erfindung soll zudem die selektive Matrix ein Beugungsgitter aufweisen.

Im Rahmen der Erfindung haben sich auch Stoffe als vor­ teilhaft erwiesen, die eine ausgeprägte natürliche Git­ terstruktur besitzen, so daß bei Erfüllen beispielsweise der Bragg-Konditionen ein Sensor durch das Ein- und Aus­ schalten jener Konditionen als Folge der chemischen Wech­ selwirkungen entsteht.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Reaktion bzw. eine Folge­ reaktion der zu messenden Substanz/en mit dem selekti­ ven Reaktionspartner in oder auf der selektiven Matrix und dadurch eine Änderung bestimmter physikalischer Ei­ genschaften, beispielsweise der optischen Dicke bzw. des Brechnungsindex in der Matrix bzw. der Phase, der Polari­ sation, der Intensität am Strahl. Die Veränderungen durch molekulare Anlagerungen, molekulare Umlagerungen und/oder Umsetzungen werden durch Messen der physikalischen Eigen­ schaften erfaßt, nachdem die selektive Matrix mit dem die zu messende Substanz enthaltenden Medium in Wechselwir­ kung getreten ist.

Durch die Einführung der selektiven Matrix gemäß vorliegen­ der Erfindung direkt in den Wellenleiter werden eine Reihe von bekannten Problemen vermieden, z. B. Kopplung zur Sen­ sorfläche, Abdeckung der Nicht-Sensor-Flächfläche, Herstel­ lung der Masken, Licht-/Energieverluste u. a. Es lassen sich in besonders einfacher Weise Interferometer vom Typ Michelson, bzw. Mach-Zehnder realisieren, indem die selekti­ ve Matrix mittels Stirnkopplung in den Strahlengang gebracht wird. In diesem Falle muß der Brechungsindex der selektiven Matrix nicht größer sein als jener der Umgebung.

Die Zu- bzw. Abführung des Lichtstrahls erfolgt mittels pla­ naren Wellenleitern, die entweder als dünne Filme auf ein Substrat aufgetragen oder mittels Ionenbeschuß vorgezeich­ neten Wegen im Substrat integriert sind; im letzteren Fall bewirkt die Beschießung vom Substrat mit z. B. Sauerstoff­ Ionen einen erhöhten Brechungsindex, welcher die Zu- bzw. Ab­ führung des Lichtes zur/von der selektiven Matrix gewährleistet.

Von besonderer Bedeutung ist ein Substrat, in welches er­ findungsgemäß Einschnitte - bevorzugt V-, U- oder recht­ eckförmigen bzw. polygonen Querschnitts - geringer Aus­ maße von weniger als 100 Mikron eingefügt werden und dann selektive Matrix aufnehmen. Überschüssige Matrix kann durch einfaches Abstreifen entfernt werden, was die Handhabung sehr vereinfacht.

Im Rahmen der Erfindung eignet sich für das Substrat be­ vorzugt SiO₂, dies insbesondere in kristalliner Form.

Werden die erwähnten Einschnitte auf der ganzen Substrat­ länge angebracht, so kann die Einkopplung mittels Glasfa­ sern - bzw. die Auskopplung - besonders leicht erfolgen, indem diese in die Einschnitte hineingelegt und festge­ halten werden.

Das bekannte Fabry-Perot Interferometer läßt sich beson­ ders gut mit einem der erwähnten Einschnitte realisieren: man nimmt zwei Glasfaserstücke, von denen eines von einer Lichtquelle kommt und das andere zu einem Detektor führt, deren beide freie Enden sehr sauber und plan sein müssen, da sie allenfalls mit einer halbdurchlässigen Silber- oder Aluminium-Schicht versehen werden. Die so be­ schichteten Enden werden in jenen Einschnitt eines Sub­ strat-Teilchens gelegt und so zusammengeschoben, daß der Abstand in der Regel weniger als einen Millimeter beträgt. Dadurch entsteht eine kleine Kavität, in welche nun die selektive Matrix eingebracht werden kann. Beim Fabry-Perot Interferometer braucht der Brechungsindex der selektiven Matrix nicht unbedingt größer als derje­ nige des Substrats zu sein. Die Glasfasern werden mit Vorteil so ausgewählt, daß das System im Monomode betrie­ ben werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß hochempfindliche Interferenzan­ ordnungen eigentlich erst durch die Integration der Selektivität in den Wellenleiter in wirtschaftlicher Wei­ se realisiert werden können; dies trifft vor allem da zu, wo die Dimensionen der selektiven Matrix klein sind (klei­ ner als 1 mm).

Die Anordnung mit einem freischwebenden selektiven Faden - der keine Glasfaser ist, da bei dieser die Selektivität nicht integriert werden kann - erlaubt erfindungsgemäß in besonders einfacher Weise die Realisierung einer konti­ nuierlichen Meßanordnung bei der die Ein- bzw. Auskopplung des Lichtstrahles kontaktlos geschieht, die Einkopplung erfolgt via Prismenkopplung und die Auskopplung erfolgt durch Streuverluste, bedingt durch die Inhomogenitäten des Fadens; diese Streuverluste werden eingefangen mittels eines zylindrischen Parabolspiegels und eines Linsensystems, welches auf einen Detektor abbildet. Wegen der kontaktlo­ sen Kopplungsanordnung kann nun von einer Meßung zur anderen einfach der Faden transportiert werden. Das Meß­ prinzip basiert bei vorstehender Anordnung auf Absorption. Es ist sehr schnell und vor allem für große Durchssatzvo­ lumina gedacht, da in einem Arbeitsgang gleich mehrere parallele Fäden verschiedener Selektivität mit der glei­ chen Probe benetzt zu werden vermögen.

Zudem bedingt die Integration der Selektivität gewisse In­ homogenitäten des Wellenleiters, welche bei größeren Di­ mensionen (Strecken von einigen cm und mehr) zu Streuver­ lusten führen können; dieselben können hervorragend ausge­ nutzt werden indem eine Anordnung basierend auf Absorption gewählt wird, wie diese vorstehend beschrieben ist.

Es gibt eine Reihe von wellenleitenden selektiven Matrix- Materialien die genügend Festigkeit aufweisen, um auch oh­ ne Substrat existieren zu können, d. h. das Substrat ist die umgebende Luft; das Brechungsindexprofil ist dann be­ sonders ausgeprägt, da der Brechungsindex von Luft etwa 1 beträgt. Dabei soll diese Matrix insbesondere entweder als planarer Film oder als runder Faden ausgebildet sein. Als Ein- bzw. Auskoppelung eignet sich insbesondere die Stirn­ koppelung oder die Prismenkopplung (z. B. an Glasfaser) aber auch die Gitterkopplung, z. B. an planaren Wellen­ leitern.

Der erfindungsgemäße Chemosensor wird insbesondere für die Diagnostik und verwandte Zwecke eingesetzt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeich­ nung; diese zeigt jeweils in schematisierter Wiedergabe und Schnittbildern in

Fig. 1 bis 4: Grundelemente einer Sensorvorrichtung mit selektiver Matrix;

Fig. 5: eine Meßanordnung mit präpariertem Monofil- Faden bei loser Lichtkopplung, (zugeordneter Seitenriß: Fig. 5 _a ).

Fig. 6: eine Meßanordnung mit Detektoren in Schräg­ sicht;

Fig. 7 bis 9: Meßanordnungen zur Beugung;

Fig. 10: eine Meßanordnung zur Fluorimetrie;

Fig. 11: eine Meßanordnung zur Interferometrie;

Fig. 12: ein Brechungsindexprofil zu Fig. 11;

Fig. 13 bis 19: Meßanordnungen für ein Michelson-Inter­ ferometer;

Fig. 20 bis 22: den voraufgehenden Figuren entsprechende Wiedergabe zu einem Mach Zehnder Inter­ ferometer;

Fig. 23 bis 26: skizzenhafte Beispiele für das Einkoppeln und Auskoppeln von Wellen oder Strahlen mit erfindungsgemäßer Matrix;

Fig. 27 bis 30: andere Beispiele mit selektiver Matrix;

Fig. 31 bis 35: Beispiele unter Verwendung von Glasfasern.

Gemäß Fig. 1 ruht auf einem Substrat 10 der Dicke a als wellenleitender Film eine selektive Matrix 11 der Höhe b. Diese ist so geartet, daß sich einfallendes Licht I _o in dieser wellenleitenden Schicht über Totalreflexion ausbreiten kann; hierfür muß die Brechzahl der Matrix 11 zumindest ein Prozent größer sein als die Brechzahl des Substrates 10 sowie einer auf der Matrix 11 erkennbaren Meßsubstanz 13, in welcher eine - durch S-förmige Symbo­ le angedeutete - zu messende Substanz 12 verteilt ist.

Die Meßsubstanz 13 ist von einer die Matrix 11 überlagern­ den Schutzschicht 14 der Dicke i (beispielsweise aus SiO₂) umgeben, welche einen Meßbereich M bestimmt.

Die selektive Matrix 11 bindet nur eine bestimmte Substanz chemisch, wobei die optischen Eigenschaften jener Matrix 11 verändert werden.

Diese Selektivität wird für den Nachweis von Substanzen, welche beispielsweise eine wichtige Rolle in biochemischen Prozessen spielen - d. h. niedrig molekulare Substanzen: wie Hormone; Vitamine; Medikamente; Haptene oder hochmolekulare Verbindungen: wie Proteine und Kohlehydrate -, beispiels­ weise herbeigeführt durch den Einbau von Proteinen oder derivatisierten Proteinen (Reaktionspartner 12 _r in Fig. 1).

Der Einbau der spezifischen Reaktionspartner 12 _r für eine bestimmte Substanz 12 in die wellenleitende Matrix 11 kann durch adsorbtive oder chemisorptive Bindung aus homogener Lösung bzw. homogener Verteilung des Reaktionspartners 12 _r in der Matrixsubstanz vor oder nach der Matrixbildung er­ folgen, kann aber auch durch chemische Bindungen zwischen reaktiven Gruppen der Matrixgrundsubstanz und des spezifi­ schen Reaktionspartners 12 _r herbeigeführt werden.

Beispiele einer selektiven Matrix 11, welche den spezifi­ schen Reaktionspartner 12 _r aus homogener Verteilung chemi­ sorptiv oder adsorbtiv eingebaut enthält:

Polyacrylamidgele, die in Anwesenheit der spezifischen Reaktionspartner 12 _r (beispielsweise Protein) auf dem Substrat 10 zur Polymerisation gebracht wurden; Agarose­ gele, die in Anwesenheit der spezifischen Reaktionspartner auf dem Substrat 10 geliert wurden; ebenso weitere Poly­ mere, die entsprechende Eigenschaften aufweisen.

Beispiel einer selektiven Matrix 11, die den spezifischen Reaktionspartner durch chemische Bindungen eingebaut ent­ hält:

Die Matrixgrundsubstanz wird zunächst durch Einführung von sogenannten reaktiven Gruppen verändert. Letztere gehen in der Folge mit dem spezifischen Reaktionspartner 12 _r oder einem Derivat davon chemische Bindungen ein und werden somit durch chemische Bindung Bestandteil der Matrixgrundsubstanz. Diese selektive Matrix 11 kann direkt oder mit gelierfähigem oder polymerisierbaren Substanzen (beispielsweise Agarose, Polyacrylamid, usw.) zusammen als dünne homogene Schicht auf dem Substrat 10 zur Gelierung bzw. Polymerisation gebracht werden.

Zu beiden beschriebenen Beispielsgruppen - aber auch bei anderen Beispielen - können Pulver durch Pressen bzw. durch elekrostatisches Aufspritzen lichtdurchlässig als filmförmig dünne wellenleitende Matrix 11 aufgetragen werden.

Gemäß Fig. 1 kann die Substanz 12 auch in der selektiven Matrix 11 der Höhe b selbst verteilt sein. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist im Meßbereich M die selektive Matrix 11 durch eine - Antikörper 16 ent­ haltende - selektive Zusatzschicht 15 überdeckt, die eine Detektion dort ermöglichen soll, wo Anordnungen nach Fig. 1, 2 gegebenenfalls nicht ganz ausreichen.

Bei einer anderen Ausführung nach Fig. 4 ist im Grenzbe­ reich zwischen Matrix 11 und Substrat 10 ein Beugungsgitter 17 vorgesehen. Dieses wird auf der Substratoberfläche - oder in bzw. auf der Matrix 11 - beispielsweise durch ein Aufguß-Abzugverfahren hergestellt. Auch können ein photolitho­ graphisches Verfahren verbunden mit bekannten Ätztechniken und Laser-, bzw. Elektronen- oder Ionenstrahlen-Verfahren Anwendung finden.

Die beschriebenen Beispiele der Fig. 1 bis 4 bieten je­ weils eine selektive Matrix 11 mit oder ohne integrier­ tem Beugungsgitter 17 an. Zu beiden dieser Anwendungsfälle kann gegebenenfalls die selektive Zusatzschicht 15 hinzu­ treten.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Anordnung mit einem frei­ schwebenden selektiven präparierten - monofilen - Faden 25 aus Kunst­ stoff, die in besonders einfacher Weise die Realisierung einer kontinuierlichen Meßanordnung erlaubt bei der die Ein- bzw. Auskopplung des Lichtstrahles kontaktlos ge­ schieht; die Einkopplung erfolgt bei 61 via Prismenkopplung - wobei Pfeil 62 zum HE-Ne-Laser (633 nm ) weist - und die Auskopplung durch Streuverluste, bedingt durch die In­ homogenitäten des Fadens 25; diese Streuverluste werden eingefangen mittels eines zylindrischen Parabolspiegels 64 und einem Linsensystems 66, welches auf einen Detektor 67 abbildet. Mit 68 sind geschwärzte Seitenwände bezeichnet, mit 70 die Stelle chemischer Reaktion. Das Substrat ist Luft.

Wegen der kontaktlosen Kopplungsanordnung kann nun von einer Messung zur anderen einfach der Faden transportiert werden (letzterer wird bei der Messung kontaminiert; mit dem Transport wird eine vorbereitete Fadenspule nach und nach aufgebraucht). Das Meßprinzip basiert hier auf Ab­ sorption. Es ist sehr schnell und kann vor allem große Durchsatzvolumina bewältigen, da in einem Arbeitsgang gleich mehrere parallele Fäden mit verschiedener Selekti­ vität mit der gleichen Probe benetzt werden können.

Die selektive Matrix 11 leitet eingekoppelte Laserstrahlen durch Totalreflexion mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit durch effektive Brechzahl) des im Wellenleiter geführten sogenannten Modes. Eine Verän­ derung am wellenleitenden Medium - beispielsweise durch jene Zusatzschicht 15, welche die Höhe b der Matrix 11, 21 vermehrt - bedingt eine Änderung jener effektiven Brech­ zahl N.

Eine so erzielte Änderung der effektiven Brechzahl N wird dann detektiert, beispielsweise mit einem Bragg-Reflek­ tor, wie er in Fig. 6 angedeutet ist, dort sind zwei De­ tektoren mit 22, 22 _a bezeichnet. Mittels dieses Reflektors 23 wird die Beugung bei einer selektiven Matrix 11 mit selektiver Zusatzschicht 15 - mit oder ohne Beugungsgit­ ter 17 - beobachtet. Weitere Meßanordnungen zur Betrach­ tung der Beugung sind den Fig. 7 bis 9 zu entnehmen. Der eingehende Laserstrahl ist mit I _o bezeichnet, der aus­ gehende Strahl mit I. Mit w bzw. w₁ sind Einfall- bzw. Ausfallwinkel angegeben. In Fig. 9 gehen vom austretenden Strahl I zum einen Strahlen I _t durch Glasfasern 27 zu ei­ nem Fotomultiplier 26 als bevorzugten Detektor, Strahlen I _h nach oben entstehen nur dann, wenn keine Schutzschicht 14 vorhanden ist.

Zur Messung der optischen Dichte mit einer selektiven Matrix 11 ohne Beugungsgitter 17 wird ein Lichtstrahl I _o horizontal durch die Matrix 11 bzw. 21 geschickt, der aus­ tretende Strahl I gelangt zu einem Detektor.

Bei einer etwa der Fig. 7 ohne Beugungsgitter 17 ent­ sprechenden Meßanordnung wird für die Polarisation ent­ weder mit selektiver Matrix 11 ohne Beugungsgitter 17 oder mit nicht selektiver Matrix 21 (ohne Beugungsgitter, mit selektiver Zusatzschicht 15) der ausgehende Strahl I vor dem Detektor durch einen Analysator geführt, wobei hier der polarisierte Eingangsstrahl I parallel zu dem Substrat 10 durch die Matrix 11 bzw. 21 geleitet wird.

Für die soeben erwähnten Beispiele (selektive Matrix 11 ohne Beugungsgitter 17 - mit oder ohne Zusatzschicht 15 - oder nicht selektive Matrix 21 mit Zusatzschicht 15) gilt auch eine - nicht dargestellte - Meßanordnung zur Nephelometriemessung. Dort wird der Strahl I _o ebenfalls parallel zum Substrat 10 durch die Matrix 11 bzw. 21 ge­ führt und nach dem Austritt aus dieser einer Streulicht­ messung unterzogen. Ist der ausgehende Strahl I um 90° umgelenkt, kann er durch eine Glasfaser 27 zu einem Foto­ multiplier 26 geführt werden.

Fig. 10 gibt eine Meßanordnung zur Fluorimetrie wieder, bei der - ebenfalls für die drei genannten Anwendungsfälle - zwischen Matrix 11, 21 und Substrat 10 ein Filter 50 verläuft, bevorzugt ein Monochromat- oder Interferenzfilter. Letzteres kann auch mit dem Substrat 10 zusammenfallen. Der einkommen­ de Strahl I _o ist ein einfacher Lichtstrahl der Wellenlänge lambda₁, der emmittierte Lichtstrahl I hat die Wellenlänge lambda₂.

Eine Meßanordnung für Interferometrie weist ein wellenleiten­ des Medium 31 gabelförmiger Draufsicht auf, dessen Sensor im Querschnitt nach oben hin eine selektive Schicht auf­ weist und nach unten hin eine nicht selektive Referenz­ schicht. Das Umfeld des Mediums 31 hat keine oder sehr geringe optische Leitfähigkeit; das Brechungsindexprofil ist näherungsweise in Fig. 12 dargestellt, in welcher 32 einen Wellenleiter bedeutet.

Fig. 13 zeigt ein Michelson-Interferometer bekannter Bau­ art mit einem Lasergerät 35, einem Referenzteil 34 sowie Spiegeln 35, 35 _a . An der Kreuzungsstelle des vom Laserge­ rät 33 ausgehenden Eingangsstrahles I _o und des zum Detek­ tor 22 verlaufenden Strahles ist ein halbdurchlässiger Spiegel 36 vorgesehen. Neu ist hier, daß der erfindungsge­ mäße Sensor 20 mit der Meßsubstanz 13 auf dem Strahl I _o nach dem halbdurchlässigen Spiegel 56 vorgesehen ist.

Eine mögliche integrierte Struktur zeigt Fig. 14, wobei Pfeil XIV auf einen Bereich hindeutet, in welchem ein so­ genannter beam splitter 37 untergebracht ist - dieser ist bekannt und aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt. In einem Arm 38 _h der Vorrichtung 40 befindet sich der erfindungsgemäße Sensor 20 mit der Meßsubstanz 13, im anderen Arm 38 _z der Referenzteil 34, ein Kompensator. Beide Zweigarme 38 _h , 38 _t gehen von einem Hauptarm 38 aus und sind endwärts durch Spiegel 35 geschlossen.

Abwandlungen der Vorrichtung 40 zeigen die Fig. 15 bis 18, wobei in Fig. 15 zwischen den beiden Zweigarmen 38 _h , 38 _t eine Trenn­ wand 41 verläuft, welche von der Meßsubstanz 13 durch­ drungen ist. Die Vorrichtung 40 _a der Fig. 15 ist Teil der Fig. 17, wobei in letzterer zwischen dem rechtsliegenden Kopf und dem halbdurchlässigen Spiegel 36 ein verhältnis­ mäßig großer Zwischenraum ist, der beispielsweise durch Glasfasern 27 überbrückt ist. Eine entsprechende Vorrich­ tung ohne sich verjüngendem Hauptarm 38 zeigt Fig. 18.

Fig. 19 läßt in Seitenansicht die Vorrichtung der Fig. 15, 17 deutlich werden, vor allem die selektive Schicht 11/21, die Trennwand 41 und die Meßsubstanz 13. Mit 42 ist eine gegebenenfalls vorhandene Nadelspitze bezeichnet.

Die Fig. 20 und 22 bieten Ausführungsformen 40 _b in Ab­ wandlung zu Fig. 15, 18 an; diese Vorrichtungen 40 _b sind zwischen zwei Enden des Hauptarmes 38 mit den Zweigarmen 38 _t und 38 _h versehen, welche durch die bereits beschriebene Trennwand 41 voneinander getrennt sind. Auch hier durch­ greift die Meßsubstanz 13 jene Trennwand 41.

Um die erfindungsgemäße Sensorik anzuwenden, können auch folgende Interferometer Verwendung finden:

- Pohl Interferometer
- Sagnac Interferometer
- Fabry-Perot Interferometer
- Jamin Interferometer

Das Einkoppeln sowie das Auskoppeln der Wellen ist bei­ spielhaft in den Fig. 23 bis 25 wiedergegeben, und zwar in Fig. 23 eine Stirnflächeneinkopplung mit rechts erkennbarer Auskopplung. Fig. 24 zeigt eine Prismeneinkopplung mit zwei Prismen 45 _a und zwei alternativen Strahlengängen (oberhalb bzw. unterhalb der Wellenleiter 11/21). Eine solche Alternative gibt auch Fig. 25 an einer Gittereinkopplung wieder.

Der Winkel w wird im übrigen so gewählt, daß eine maxi­ male Intensität der angeregten Welle erreicht wird; w ist abhängig von der/den Brechzahl/en der am Wellenlei­ ter beteiligten Medium.

Das Einkoppeln mit dem Tapered Film gibt Fig. 26 wieder, welche am rechten Zeichnungsrand das Auskoppeln erkennen läßt.

Durch die selektive Matrix 11 wird das Spektrum der Meß­ möglichkeiten erheblich erweitert, insbesondere Beugung und Interferenz. Die Empfindlichkeit und die Geschwindig­ keit des Meßverfahrens sind ebenfalls verbessert, da die Wechselwirkung unmittelbar im Wellenleiter erfolgt und nicht nur auf dessen Oberfläche.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 27 bis 29 sind statt der beschriebenen planaren Substratfläche auch Substrate 10 _a - bevorzugt SiO₂ in kristalliner Form - mit quer­ schnittlich V-, U- oder rechteckförmigen Einschnitten 50 dargestellt; Höhe d und Breite e dieser Einschnitte 50 mes­ sen weniger als 100 µ. Sie sind mit großer Genauigkeit - beispielsweise durch chemisches Ätzen - herstellbar und mit wellenleitender selektiver Matrix 11 _a gefüllt, die ent­ sprechend Fig. 27, links, auch in eine plane Schicht 11 übergehen kann. Nicht wiedergegeben sind mögliche andere Querschnittsformen der Einschnitte 50, beispielsweise polygonale.

Fig. 30 zeigt, daß die etwa zu Fig. 15 erwähnte Trennwand 41 zwischen jeweils zwei parallelen Einschnitten 50 in "natürlicher" Weise durch stehengebliebenes Substrat 10 _a dargestellt werden kann. Der in Fig. 11 ff angedeutete wellenleitende Kanal wäre dann nicht planar sondern z. B. querschnittlich V-förmig. Das Brechungsindex-Profil nach Fig. 12 bleibt auch bei V-förmigem Einschnitt 50 i. w. un­ verändert. Fig. 30 zeigt links, daß der Einschnittabstand f auch verhältnismäßig groß sein kann.

Das auf Seite 19 erwähnte Fabry-Perot-Interferometer läßt sich mit einem V-förmigen Einschnitt 50 besonders gut realisieren; man verwendet zwei Glasfaserabschnitte 28, 28 _a , von denen einer von einer Lichtquelle L kommt und der andere zu einem Detektor 22 _e führt. Die beiden einander gegenüberstehenden Faserstirnen 29 müssen sehr sauber und eben sein, da sie mit einer - in der Zeichnung nicht er­ kennbaren - halbdurchlässigen Silber- oder Aluminium­ schicht versehen und in den V-förmigen Einschnitt 50 eines Substrat-Teilchens 10 _a gelegt werden (Fig. 31, 32). Diese En­ den oder Stirnen 29 werden so zusammengeschoben, daß deren Abstand n in der Regel weniger als einen Millimeter be­ trägt. Dadurch entsteht eine kleine Kavität, in welche nun die in Fig. 33 nicht gezeigte selektive Matrix eingebracht werden kann. Beim Fabry-Perot Interferometer muß der Bre­ chungsindex der selektiven Matrix nicht unbedingt größer sein als derjenige des Substrates. Die Glasfasern 28, 28 _a ­ werden so ausgewählt, daß das System im Monomode betrieben werden kann.

Fig. 31 zeigt eine Faser 28/28 _a aus Glas oder anderem Werk­ stoff in einem Einschnitt 50, in dem - wie die Draufsicht nach Fig. 32 verdeutlicht - eine Matrix 11 _a lagert. Nicht dargestellt ist, daß selbstverständlich auch in den paralle­ len Einschnitten 50 der Fig. 30 - dann parallel - mehrere Fasern 28/28 _a bzw. spezifische Matrizen 11 _a lagern können; diese sind bevorzugt entsprechend Fig. 15, 20 mit übergrei­ fenden Meßsubstanzen 13 versehen.

Einige wellenleitende selektive Matrixmaterialien weisen eine so gute Festigkeit auf, daß sie auch ohne Substrat existieren können; das Substrat ist die umgebende Luft, wie beispielsweise zu Fig. 5 beschrieben. Dabei soll diese Matrix insbesondere entweder als planer Film oder als run­ der Faden ausgebildet sein. Als Ein- bzw. Auskopplung eignet sich besonders die Stirnkopplung oder kontaktfreie Prismen­ kopplung etwa an Glasfasern 28, 28 _a .

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein sehr empfindliches Sensorelement 52 mit einer ringförmigen perio­ dischen Gitterstruktur 54 einer Dichte von beispielsweise 4800 Ringen pro Millimeter über eine Länge q von mindestens 10 mm versehen. Die selektive Matrix wird im Gitterbereich 54 auf die Glasfaser 27 _a aufgetragen. Die Detektion erfolgt über den Intensitätsverlust, der je nach Reaktionsverlauf mehr oder weniger stark ist; Glas wirkt als Bragg-Reflektor.

Claims (33)

1. Chemosensor zum selektiven Nachweis zumindest einer Sub­ stanz mittels einer selektiven Schicht an einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht ein dünner optische Wellen leitender Film einer Dicke unter etwa 50 µm aus einer selektiven, permea­ blen Matrix (11) mit oder ohne Zusatzschicht ist, in wel­ cher durch Diffusion die optischen Charakteristika der Welle durch eine gasförmige, flüssige und/oder feste Sub­ stanz, auch in Lösungen und Gasen, veränderbar sind.

2. Chemosensor zum selektiven Nachweis zumindest einer Sub­ stanz mittels einer selektiven Schicht an einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Substrat (10 _a ) ein Einschnitt (50) mit einer Ausdehnung von 100 Mikron und kleiner zur Aufnahme einer selektiven, permeablen Matrix (11 _a ) vorgesehen ist, in welcher durch Diffusion die op­ tischen Charakteristika einer Welle durch eine gasförmi­ ge, flüssige und/oder feste Substanz, auch in Lösungen und Gasen, veränderbar ist.

3. Chemosensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine querschnittlich polygone oder U-förmige selektive Ma­ trix (11 _a ), die gegebenenfalls von einem Wellen leiten­ den Film überspannt ist (Fig. 27).

4. Chemosensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine dreiecksförmige oder rechteckige selektive Matrix.

5. Chemosensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Matrix (11 _a ) in einem Einschnitt (50) entsprechenden Querschnitts des Substrates (10 _a ) lagert.

6. Chemosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeich­ net durch eine interferometrische Anordnung, welche wenig­ stens einen Einschnitt (50) enthält.

7. Chemosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die selektive Matrix ein Beugungsgit­ ter (1) aufweist.

8. Chemosensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschicht (15) oder der wellenleitende Film selektiv ist.

9. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (11, 11 _a ) aus anorganischen Stoffen aufgebaut ist.

10. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (11, 11 _a ) zumindest teilweise aus organischen Stoffen aufge­ baut ist.

11. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (11, 11 _a ) spezifisch reagierende Stoffe enthält.

12. Chemosensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Schicht (11, 11 _a ) aus Nukleinsäuren aufgebaut ist.

13. Chemosensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zumindest im Meßbereich (M) mikroporöse Matrix (21), de­ ren Poren zumindest teilweise mit der Zusatzschicht (15) gefüllt sind.

14. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (11, 11 _a , 21) aus­ serhalb des Meßbereiches (M) mit einer Schutzschicht (14) bedeckt ist.

15. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein Polyacrylamidgel in der selek­ tiven Matrix (11, 11 _a ), insbesondere ein auf dem Substrat (10, 10 _a ) in Anwesenheit spezifischer Reaktionspartner zur Polymerisation gebrachtes Polyacrylamidgel.

16. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein Agarosegel in der selektiven Matrix (11, 11 _a ) insbesondere ein in Anwesenheit der spe­ zifischen Reaktionspartner auf dem Substrat (10, 10 _a ) ge­ liertes Agarosegel.

17. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine selektive Matrix (11, 11 _a ), die direkt oder mit gelierfähigen oder polymerisierbaren Sub­ stanzen, insbesondere mit Agarose oder Polyacrylamid, zu­ sammen als homogene Schicht auf dem Substrat (10, 10 _a ) zur Gelierung bzw. Polymerisation gebracht ist.

18. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine Matrix (11, 11 _a ) aus Pulver, das gegebenfalls insbesondere durch Pressen bzw. elektro­ statisches Aufspritzen lichtdurchlässig als dünner wellen­ leitender Film aufgetragen ist.

19. Chemosensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß im Einschnitt (50) des Substrates (10 _a ) eine selektive Faser (25, 27, 28, 28 _a ) zumindest teilweise un­ tergebracht ist.

20. Chemosensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Einschnitt (50) des Substrates (10 _a ) eine Glasfaser (27, 28, 28 _a ) in ein selektiv wellenlei­ tendes Material eingebettet ist, das den Einschnitt ausfüllt.

21. Chemosensor nach Anspruch 2 oder 19 oder 20, dadurch gekenn­ net, daß mehrere Einschnitte (50) nebeneinander angeord­ net und zwischen diesen Trennwände (41 _a ) des Substrates (10 _a ) vorgesehen sind.

22. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Einschnitt (50) einander die Stirnflächen (29) zweier Glasfasern (28, 28 _a ) in ge­ ringem Abstand (n) gegenüberliegen, von denen eine an ei­ ne Lichtquelle (L), die andere an einen Detektor (22 _e ) angeschlossen ist, und daß zwischen die Stirnfläche (29) die selektive Matrix eingebracht ist.

23. Chemosensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Stirnflächen (29) der Glasfasern (28, 28 _a ) mit einer halbdurchlässigen Schicht, z. B. ei­ ner Silber- oder Aluminiumschicht, versiegelt ist.

24. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Luft ist.

25. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 19 bis 24, gekennzeichnet durch eine ringförmige periodische Gitterstruktur (55) der Glasfaser (27 _a ).

26. Chemosensor nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine ringförmige Gitterstruktur (55) aus zumindest 450 Ringen je Millimeter Länge, bevorzugt etwa 4500 bis 4800 Ringen/ mm, wobei sich die Gitterstruktur über einen Bereich von wenigstens 10 mm erstreckt.

27. Chemosensor nach wenigstens einem der Ansprüche 19 bis 26, gekennzeichnet durch eine Glasfaser (27, 28, 28 _a ) aus perio­ disch dotiertem Material.

28. Verfahren zum selektiven Nachweis zumindest einer Substanz mit einem Chemosensor, der eine selektive Schicht an ei­ nem Substrat enthält, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß durch die selektive Matrix mit oder ohne Beugungsgitter sowie mit oder ohne selektiver Zusatzschicht ein Strahl, insbesondere ein La­ serstrahl, geführt und einem Detektor zugeleitet wird, wo­ bei durch die Reaktion/en bzw. Folgereaktion/en der zu mes­ senden Substanz in gasförmiger, flüssiger und/oder fester Form mit dem selektiven Reaktionspartner/n in der selekti­ ven Matrix eine Änderung physikalischer Eigenschaften durch molekulare Anlagerung/en erfolgt bzw. molekulare Umlagerung/ en und/oder molekulare Umsetzungen in Form chemischer Reak­ tionen, und daß nach dem Eintreten einer Wechselwirkung zwischen selektiver Matrix und dem die Substanz enthalten­ den Medium Änderungen der physikalischen Eigenschaften ge­ messen werden.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß durch Chemisorbtion, Adsorbtion oder chemische Reaktion entstehende Änderungen der Brechzahl gemessen werden.

30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeich­ net, daß durch die Änderung der selektiven Phase in ei­ ner interferometrischen Anordnung in Abhängigkeit von der optischen Dicke entstehende Interferenz, insbesondere In­ terferenzmuster detektiert werden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Änderung der Intensität des über das Beugungsgitter eingekoppelten Modes gemessen wird.

32. Verfahren nach Anspruch 28 oder 31, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahl unter einem Einfallswinkel auf das Beugungsgitter geführt und die Änderung des Einfallwinkels gemessen wird.

33. Verwendung eines Chemosensors nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 27 für die Diagnostik aller Art.