DE4305830C1

DE4305830C1 - SPR-Sensor

Info

Publication number: DE4305830C1
Application number: DE4305830A
Authority: DE
Inventors: Claus Dr Rer Nat Renschen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1994-08-18
Anticipated expiration: 2013-02-27

Description

Die Erfindung betrifft einen SPR-Sensor auf der Grundlage der Oberflächenplasmonenresonanz (surface plasmon resonance) für verschiedene analytische Anwendungen, z. B. zur Untersuchung von Antikörpern.

Ein erster SPR-Sensor wird in (1) beschrieben. Ein Prisma ist mit einem 40 bis 50 nm dicken Goldfilm oder einem anderen Metall beschichtet. Von der Glasseite her wird polarisiertes Licht auf die Metallschicht gestrahlt. Bei bestimmten Einfallswinkeln R oder Wellenlängen verschwindet das Licht in der Metallschicht. Zwischen den Elektronen des Metalls und dem einfallenden Licht findet eine resonante Wechselwirkung statt. Dieser Effekt ist energetisch quantisiert und wird nach dem Modell der Plasmonen mit Hilfe von Quasiteilchen beschrieben.

Der Winkel bzw. die Wellenlänge, bei dem der Effekt auftritt,ist in erster Linie von den Brechzahlen der beiden Materialien (Glas und Metall) und des sich an das Metall unmittelbar anschließenden Mediums abhängig. Durch die Messung der Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge des polarisierten Lichtes können Rückschlüsse auf die Spezifik der Probe gezogen werden. Die Probe ist an "ihrer Wellenlänge" erkennbar.

In (1) ist auf dem Goldfilm eine 100 bis 200 nm dicke biologisch selektive Membran aufgebracht. Durch sie gelangen selektiv nur bestimmte Teilchen einer Probe an die Metallschicht. Es kann festgestellt werden, ob diese Teilchen in der Probe enthalten sind oder nicht.

Die Meßeinrichtung ist hoch empfindlich. Sie ist aber noch zu groß und unhandlich.

Dieser Umstand führte zu zahlreichen Vorschlägen, das Meßprinzip in eine kleine handliche faseroptische Variante umzuwandeln.

In (2) wird ein miniaturisierter Meßkopf für biologische Anwendungen vorgeschlagen.

Durch die Verwendung einer optischen Faser als lichtleitendes Element ist der Polarisationszustand am Meßort unbestimmt. Dies führt zu einer Verschlechterung des Signal-/Rausch verhältnisses und damit der Meßempfindlichkeit. Die in (3) vorgeschlagene Lösung verwendet einen massiven Glaskörper als Sensorkopf, ist demzufolge relativ groß und nicht für invasive Messungen, z. B. im Inneren des menschlichen Körpers, geeignet. Weiterhin ist die Polarisation des Lichtes unbestimmt. Selbst bei Verwendung von Monomodefasern ist der Polarisationszustand zeitlich instabil.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen miniaturisierten SPR- Sensor zu schaffen, an dessen Meßfläche stabile Polarisationsverhältnisse bestehen und der dadurch eine höhere Empfindlichkeit und Langzeitkonstanz des Meßsignals aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in Höhe der metallbeschichteten Fläche der Faser eine zweite Faser angeordnet ist, deren Stirnfläche unter einem vom Winkel (R) verschiedenen Winkel (β) angeschliffen ist und mit einem reflektierenden Material bzw. Schichtsystem beschichtet ist und dieser Faser Mittel zur Einkopplung oder Messung des breitbandigen Lichtes zugeordnet sind.

Der Sensor bzw. die Sensorspitze ist flexibel und mit einem Durchmesser der Faser von etwa 0,1 mm stark miniaturisiert. In vivo-Messungen sind möglich.

Die in Höhe der metallbeschichteten Fläche liegende Stirnfläche der zweiten Faser ist dabei mit einem auf den Polarisationszustand wirkenden Schichtsystem oder auch nur einer Einfachschicht beschichtet.

Die im Ausführungsbeispiel näher dargestellte Lösung ist, soweit es den Sensor betrifft, in Massenproduktion billig herstellbar.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Meßanordnung mit dem erfindungsgemäßen SPR-Sensor,

Fig. 2 den Ausschnitt A aus Fig. 1.

Die Spitze des erfindungsgemäß ausgebildeten SPR-Sensors besteht aus zwei abgeschrägten Lichtleitfasern 1, 2. Die Faser 1 ist mit der dünnen Metallschicht 3 und einer biologisch selektiven Membran 4 überzogen. Auf der unter dem Brewster- Winkel β abgeschrägten Stirnseite der Faser 2 ist ein Schichtsystem 5 aus Titandioxid aufgebracht.

Dies Schichtsystem ist selektiv für ausgewählte Polarisationsrichtungen des einfallenden Lichtes. Beide Spitzen sind mit nicht dargestelltem Klebstoff fest miteinander verbunden. Der aus der Faser 2 etwa senkrecht zur Faserachse austretende breitbandige polarisierte Lichtstrahl trifft unter dem Winkel R auf die Metallschicht 3. In der Meßanordnung gemäß Fig. 1 sind am Anfang der Faser 2 eine LED 6 und eine Kugellinse 7 zur Erzeugung und Einkopplung eines breitbandigen Lichtstrahles angeordnet.

Am Ausgang der Faser 1 befinden sich hintereinander ein Queensgate-Mikrofilter 8, eine Fotodiode 9, ein Verstärker 10 und ein Rechner mit Bildschirm 11.

Rechnergestützt scannt das Mikrofilter 8 das transmittierte Licht über den Wellenlängenbereich der LED 6 ab. Die von der Fotodiode 9 aufgenommene Lichtintensität wird verstärkt. Auf dem Bildschirm wird die Intensität als Funktion der Wellenlänge λ dargestellt. Punkt 12 zeigt den für die untersuchte Probe charakteristischen Resonanzdip.

In Betracht gezogene Druckschriften

(1) Stefan Löfas u. a.: "Bioanalysis with surface plasmon resonance"; In "Sensors and Actuators B. 5 (1991) 79-84
(2) EP 0326291 A1: "Biological Sensors"
(3) EP 0410505 A2: "Optical fiber sensor based on the excitation of surface plasma".

Bezugszeichenliste

1, 2 Optische Fasern
3 Metallschicht
4 biologisch selektive Membran
5 polarisationsselektives Schichtsystem
6 LED
7 Kugellinse
8 Mikrofilter
9 Fotodiode
10 Verstärker
11 Rechner mit Analogschnittstelle
12 SPR-Resonanzdip

Claims

1. SPR-Sensor aus einer dünnen, schräg unter einem ersten Winkel (R) angeschliffenen optischen Faser, deren Stirnfläche mit einer Metallschicht überzogen ist, mit Mitteln zur Erzeugung und Einkopplung von spektral breitbandigem Licht in diese Faser sowie Mitteln zur Messung der Intensität des gestreuten Lichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge, gekennzeichnet dadurch, daß in Höhe der metallbeschichteten Fläche (3) der Faser (1) eine zweite Faser (2) angeordnet ist, deren Stirnfläche unter einem vom ersten Winkel (R) verschiedenen zweiten Winkel (β) angeschliffen ist und mit einem reflektierenden Material oder Schichtsystem (5) beschichtet ist und dieser Faser (2) Mittel (6, 7) zur Einkopplung oder Messung des breitbandigen Lichtes zugeordnet sind.

2. SPR-Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der zweite Winkel (β) gleich dem Brewsterwinkel gewählt wird.