DE4419586A1 - Integriert-optischer Sensor zur Analyse von Stoffen in flüssiger Phase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Sensor zur Analyse von Stoffen in flüssiger Phase, wie er in der Stoffanalytik, vorzugsweise in der molekularbiologi­ schen Analytik und bei medizinisch-diagnostischen Aufgabenstellungen Anwendung findet.

Integriert-optische Sensoren werden zunehmend für den Nachweis von biologisch und medizinisch wirksamen Substanzen verwendet. Das Funktionsprinzip beruht auf der Beeinflussung der effektiven Brechzahl an der analytisch wirksamen Oberfläche. Die analytisch wirksame Oberfläche ist der Teil des Sensors, an dem die im Wellenleiter geführten Lichtwellen durch die zu analysierende Substanz beeinflußt werden. Es ist üblich, diesen Bereich durch ein Fenster in einer Deckschicht definiert einzugrenzen, um zu quantitativen Aussagen zu gelangen.

Im Stand der Technik ist aus der EP-PS 226604 B1 ein optischer Sensor zum selektiven Nachweis von Substanzen bekannt, der aus einem Substrat und einer an der Oberfläche des Substrats vorhandenen wellenleitenden Struktur, deren Brechzahl größer als die des Substrates ist und die mit einem Beugungsgitter zur Auskopplung des Laserlichts aus dem Wellenleiter versehen ist, besteht.

Für die praktische Anwendung solcher integriert-optischer Sensoren reicht die Nachweisempfindlichkeit oft nicht aus. Das geschieht insbesondere dann, wenn Substanzen in Konzentrationen zu analysieren sind, die im physiologischen oder pathophysiologischen Funktionsbereich des lebenden Körpers vorkommen. Es müssen dann mechanische Fördereinrichtungen (z. B. Pumpen oder Traufvorrichtungen) eingesetzt werden, die die Proben zur Meßstelle (analytisch wirksame Oberfläche) transportieren.

Eine völlig andere Art der biologischen oder medizinischen Stoffanalyse stellen die Elektrophoreseverfahren dar, die auf einer photometrischen oder autoradiogra­ fischen Auswertung der Lage von Konzentrationsfronten in Polymermatrizen beru­ hen. Bei der dort ablaufenden elektrolytischen Wanderung des untersuchten Stoff­ gemisches durch eine Folie, poröse Schicht oder Kapillare bilden sich Konzentra­ tionsfronten mit einer charakteristischen Dichteverteilung aus, die mit einer Photo­ meteranordnung ausgewertet oder auf einem Röntgenfilm aufgezeichnet werden. Der dazu notwendige mechanische und optische Aufwand bestimmt demnach maß­ geblich die Größe und Komplexität des Meßsystems. Weiterhin ist die Sichtbarmachung der Konzentrationsfronten an den Einsatz von Markersubstanzen gebunden, wobei insbesondere die radioaktiven Marker Sicherheitslaboratorien und eine gesetzlich vorgeschriebene Entsorgung der Substanzen erforderlich machen, die die Kosten einer Untersuchung weiter erhöhen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen einfach handhabbaren integriert-optischen Sensor bereitzustellen, auf dessen Grundprinzip eine selektiv empfindliche Auswertung von Konzentrationen spezieller biologisch oder medizinisch wirksamer Substanzen erfolgt und der eine nachträgliche Lokalisierung überflüssig macht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem integriert-optischem Sensor zur Analyse von Stoffen in flüssiger Phase, bestehend aus einem Substrat mit einer an der Oberfläche befindlichen wellenleitenden Struktur, deren Brechzahl größer als die des Substrats ist und die mit einer optischen Auskoppelanordnung zur Führung des durchgeleiteten Lichts auf einen Empfänger versehen ist, wobei der Empfänger die durch den Stoffkontakt geänderte Lichtintensität aufnimmt, dadurch gelöst, daß die wellenleitende Struktur mindestens ein streifenförmiger Lichtwellenleiter ist, der in das Substrat eingelassen ist, im wesentlichen linear entlang der Oberfläche verläuft und eine analytisch wirksame Fläche bildet, daß das Substrat an der den Lichtwellenleiter enthaltenden Oberfläche mit einer Schicht in Form einer Matrixschicht für den Stofftransport überzogen ist, wobei die Matrixschicht aufnahmefähig für Wasser ist, und daß auf der Matrixschicht beiderseits der streifenförmigen wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters parallele Elektroden angebracht sind, wobei bei angelegter Spannung ein elektrophoretischer Transport geladener Teilchen der untersuchten Substanz innerhalb der Matrixschicht stattfindet.

Zweckmäßig ist zwischen der Substratoberfläche und der Matrixschicht eine zusätzliche Deckschicht vorhanden, deren Brechungsindex größer als der des Lichtwellenleiters ist und die durch definierte Fenster die wirksame Fläche des Lichtwellenleiters einschränkt.

Für die Analyse unterschiedlicher Substanzen und den Nachweis von bestimmten Konzentrationen und Diffusionsfronten von Bestandteilen der untersuchten Substanz sind vorteilhaft an der Grenzfläche zwischen der analytisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters und der Matrixschicht stoffspezifische Reagenzien immobilisiert. Das können z. B. Antikörper, Antigene, Enzyme und ähnliche biologisch oder chemisch wirksame Substanzen sein.

Als Matrixschicht für die Elektrophorese wird zweckmäßig ein mit dem Substrat fest verbundenes Polymer verwendet.

Vorteilhaft kann die Matrixschicht aber durch ein Gel gebildet werden.

Eine weitere Möglichkeit für die Gestaltung der Matrixschicht stellt eine Flüssigkeitsschicht dar, die bei einem definierten Abstand zwischen dem Substrat und einem Deckglas den entstehenden Spalt ausfüllt.

Weiterhin kann als Matrixschicht eine anorganische Schicht geeigneter Struktur eingesetzt werden.

Die Gestaltung der lichtwellenleitenden Strukturen auf dem Substrat ist in vielfacher Weise erweiterbar.

Vorteilhaft sind mindestens zwei Lichtwellenleiter an mindestens einer der Oberflächen des Substrats parallel zueinander angeordnet. Dabei können die zwei Lichtwellenleiter durch einen integriert-optischen Verzweiger aus einer Wellenleiterbahn erzeugt werden. Führt man die zwei getrennten Lichtwellenleiter erneut über einen Verzweiger wieder zusammen, ergibt sich zusätzlich die Möglichkeit, die getrennten Lichtwellenleiter als Meß- und Referenzstrecke eines Interferometers zu verwenden.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenigstens einen der Lichtwellenleiter nicht mit einer Matrixschicht zu überziehen, um eine Vergleichsbasis zu erhalten.

Besonders zweckmäßig ist der Einsatz mehrerer paralleler Lichtwellenleiter, wenn auf der wirksamen Fläche der Lichtwellenleiter unterschiedliche spezifisch wirksame Reagenzien immobilisiert sind.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Lichtwellenleiter auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats angeordnet sind. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß auf den unterschiedlichen Lichtwellenleitern dieselben wirksamen Reagenzien immobilisiert sind, um eine zur untersuchten Substanz geeignete Vergleichsprobe ohne Vermischungsgefahr im direkten Vergleich zu analysieren und gegebenenfalls interferometrisch auszuwerten.

Zweckmäßig wird die Lichteinkopplung in die auf unterschiedlichen Seiten des Substrats befindlichen Lichtwellenleiter von derselben Substratseite vorzugsweise über ein Beugungsgitter realisiert, wobei die Beugungsgitter in geeigneter Weise zueinander ausgerichtet sind. Gleiches ist für die Auskopplung auf den Empfänger sinnvoll.

Mit dem erfindungsgemäßen integriert-optischen Sensor ist es möglich, eine selektiv empfindliche Auswertung von Konzentrationen spezieller biologisch oder medizinisch wirksamer Substanzen einschließlich der Lokalisierung von Diffusionsfronten vorzunehmen. Dabei bleibt der Sensor einfach handhabbar und kompakt und ist aufgrund des erfindungswesentlichen Trenn- und Anreicherungseffekts seines elektrophoretischen Transportsystems für die untersuchten Stoffe eine hochempfindliche Einrichtung, die mit kleinsten Stoffproben und ohne mechanische Umlaufsysteme auskommt.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den Grundaufbau eines integriert-optischen Sensorelements,

Fig. 2 Verlauf des evaneszenten Feldes im Leerversuch,

Fig. 3 das Sensorelement gemäß Fig. 1 mit aufgebrachter Probe,

Fig. 4 das Sensorelement gemäß Fig. 3 nach elektrophoretischem Transport der Probe in den Bereichen des Lichtwellenleiters,

Fig. 5 den Verlauf des evaneszenten Feldes bei Absorption an der Probensubstanz,

Fig. 6 ein Sensorelement mit immobilisierter, selektiv wirksamer Bedeckung des Lichtwellenleiters zur Anreicherung einer Molekülsorte,

Fig. 7 ein Sensorelement zur Multifaktorenanalyse mit drei unterschiedlichen immobilisierten, selektiv wirksamen Substanzen,

Fig. 8 ein Sensorelement als Zweistrahl-System ausgeführt,

Fig. 9 ein Sensorelement als Interferometer ausgeführt,

Fig. 10 ein Sensorelement als Zweistrahl-System in Zwei-Ebenen-Struktur ausgeführt,

Fig. 11 ein Sensorelement als Zweistrahl-System mit immobilisierter selektiv wirksamer Bedeckung,

Fig. 12 ein Sensorelement in Zwei-Ebenen-Struktur für ortsaufgelöste elektrophoretische Untersuchung,

Fig. 13 ein Sensorelement in Zwei-Ebenen-Struktur gemäß Fig. 12 mit selektiv wirksamen Bedeckungen zur Multifaktorenanalyse,

Fig. 14 ein Sensorelement als Interferometersystem in Zwei-Ebenen- Struktur,

Fig. 15 ein Sensorelement gemäß Fig. 14 mit einer immobilisierten selektiv wirksamen Bedeckung in einem Interferometerarm,

Fig. 16 ein interferometrisches Sensorelement mit verschiedenen selektiv wirksamen Bedeckungen zur Multifaktorenanalyse.

Der erfindungsgemäße Sensor besteht - wie in Fig. 1 dargestellt - im wesentlichen aus einem Substrat 1, auf dem sich mindestens ein streifenförmiger Lichtwellenleiter 2 befindet, der die maximal wirksame Fläche des Sensors ausmacht. Diese maximal wirksame Fläche des Sensors kann bei Verwendung einer passivierenden Deckschicht 3 durch die Größe eines Fensters eingeschränkt sein. Über eine wasseraufnahmefähige Matrixschicht 4 sowie parallel und beiderseits der wirksamen streifenförmigen Sensorfläche angebrachte Elektroden 5, wird erfindungsgemäß die zu untersuchende Stoffprobe senkrecht zur Richtung des Lichtwellenleiters 2 elektrophoretisch transportiert. Die Matrixschicht 4 hat einen gegenüber dem Lichtwellenleiter 2 kleineren Brechungsindex, so daß im Leerlauf des Sensors Totalreflexion an dieser Grenzschicht im Lichtwellenleiter 2 erfolgt. Durch den Kontakt mit einer Stoffprobe wird der effektive Brechungsindex der Matrixschicht 4 verändert und führt zu einer Lichtauskopplung, die als eine Lichtschwächung des vom Lichtwellenleiter 2 auf den Empfänger 8 gelangenden Lichts meßbar ist.

Das einfallende Lichtbündel 6 wird in den Lichtwellenleiter (LWL) 2 eingekoppelt. Zugleich wird in der Matrixschicht 4 über die Elektroden 5 und 5′ ein evaneszentes Feld aufgebaut. Im Ausgangszustand wird das einfallende Lichtbündel 6 durch die Matrixschicht 4 nicht absorbiert und der Brechungsindex der Matrixschicht 4 führt zu einer konstanten Phasenlage im LWL 2.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Substrat 1, den LWL 2 und die Matrixschicht 4 längs des LWL 2. Die Deckschicht 3 mit dem wirksamen Fenster zum LWL 2 ist aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 2 und allen nachfolgenden Figuren nicht mehr dargestellt. In einem Koordinatensystem ist die Feldstärke einer Lichtwelle über der Richtung z senkrecht zum LWL 2 aufgetragen. Das evaneszente Feld 10 greift aus dem LWL 2 in die Matrixschicht 4 hinein.

Fig. 3 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 1 mit einer aufgebrachten flüssigen Probe 9. Die zu analysierenden Substanzen müssen eine effektive Nettoladung besitzen. Auf die Matrixschicht 4 wird die zu untersuchende flüssige Probe 9 aufgebracht. Sie enthält geladene Teilchen, die beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden 5 und 5′ im elektrischen Feld wandert und beim Erreichen des Fensters über dem LWL 2 mit dem evaneszenten Feld 10 wechselwirken. Die Stärke der Absorption und die Größe der Phasenverschiebung sind meßbar am Empfänger 8. Weiterhin ist aus den elektrischen und geometrischen Daten die Beweglichkeit der wandernden Teilchen ermittelbar.

Fig. 4 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 3, nachdem durch Anlegen eines Potentials zwischen den Elektroden 5 und 5′ die zu analysierende Probe 9′ durch Elektrophorese in die über dem LWL 2 gelegene Position gewandert ist.

Fig. 5 zeigt das evaneszente Feld 10, das infolge der Absorption geringer ist, als bei dem in Fig. 2 dargestellten Fall ohne absorbierende Substanz.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung gemäß Fig. 1 mit einer stoffspezifisch kopplungsfähigen monomolekularen Bedeckung 21 an der Oberfläche des LWL 2. Die Bedeckung 21 besteht entweder aus einer Schicht immobilisierter Antikörper, die, falls vorhanden, mit Antigenen aus der zu analysierenden Substanz koppeln, oder aus immobilisierten Antigenen, die mit Antikörpern aus der zu analysierenden Probe 9′ konjugieren.

Hier liegt eine Anordnung mit erhöhter Empfindlichkeit vor. Auf dem LWL 2 an der Grenzfläche zur Matrixschicht 4 sind Antikörper oder Antigene oder andere selektiv wirkende Bedeckungen 21 immobilisiert, die ihren jeweils komplementären Komplexteil aus der elektrophoretisch über diese Stelle transportierten Probe 9′ entnehmen und binden. Auf diese Weise reichert sich der gesamte in der Probe 9′ enthaltene komplementäre Teil des Antigen-Antikörper-Komplexes über der empfindlichen Sensorfläche an. Diese Fläche ist nur wenige µm breit. Die Erhöhung der Flächendichte der nachzuweisenden Substanz über die langgestreckte empfindliche Sensorfläche macht einen Faktor von etwa 1000 aus und ist meßtechnisch sehr vorteilhaft.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung gemäß Fig. 6 mit beispielsweise drei LWL 2, deren Oberflächen mit drei verschiedenen Antikörpern, Antigenen, Enzymen oder anderen Bedeckungen 21, 21′ und 21′′ beschichtet sind. An den freiliegenden Grenzflächen der LWL 2 sind im Beispiel drei verschiedene Sorten von Antigenen bzw. Antikörpern immobilisiert. Der Elektrophoresevorgang transportiert das zu analysierende Stoffgemisch über die drei LWL 2 hinweg, wobei die zum immobilisierten Teil komplementären Teile des Komplexes über dem jeweiligen LWL 2 ankoppeln und dort optisch wirksam werden.

Fig. 8 zeigt eine Ausgestaltung des Erfindungsgedankens in einer Zweistrahl- Anordnung. Ein integriert-optischer Verzweiger 22 teilt den LWL 2 auf zwei Bahnen auf. Demgemäß treten aus der Anordnung zwei Lichtbündel 7 und 7′ aus und gelangen auf die Empfängerflächen eines lichtelektrischen Differenzempfängers 82. Durch den Verzweiger 22 ist der LWL 2 in zwei Wellenleiter 22′ und 22′′ aufgespalten. Er ist mit einer Matrixschicht 4 überdeckt. Die Wellenleiter 22′ und 22′′ liegen parallel und symmetrisch zu den Elektroden 5, 5′ und 5′′.

Zwei unterschiedliche Aufgaben werden mit dieser Anordnung gelöst. In der in Fig. 8 dargestellten Ausgestaltungsform lassen sich zwei Proben unmittelbar miteinander vergleichen, indem die zu untersuchende Probe 9 an den Elektroden 5 und 5′ aufgebracht werden. Die Elektroden 5 und 5′ liegen gegenüber der Elektrode 5′′ auf demselben Potential. Das Material zweier Proben 9′ wird nun unter identischen Elektrophorese-Bedingungen über die Wellenleiter 22′ und 22′′ hinweg zur Elektrode 5′′ transportiert. Dabei lassen sich Gleichheit oder Unterschiedlichkeit der Proben 9′ bezüglich aller in ihnen enthaltenen optisch wirksamen Gemischanteile mit dem lichtelektrischen Differenzempfänger 82 mit hoher Genauigkeit und meßtechnisch komfortabel erfassen. Besteht die Aufgabe, Probengleichheit bzw. Ungleichheit bezüglich nur eines bestimmten Gemischanteiles zu ermitteln, so sind an den Grenzflächen der Wellenleiter 22′ und 22′′ die jeweils wirksamen Antikörper bzw. Antigene zu immobilisieren, wie das zu Fig. 6 funktionell erläutert wurde.

Fig. 9 zeigt eine Ausgestaltung des Erfindungsgedankens in einer Interferometer- Anordnung. Die Verzweigung und Wiederzusammenführung des LWL 2 mittels integriert-optischer Verzweiger 22 lassen ein Interferometer mit Meßstrecke 22′ und Referenzstrecke 22′′ entstehen.

Der LWL 2 wird am Verzweiger 22 aufgespalten, Meß- und Referenzarm 22′ werden parallel weitergeführt und am Verzweiger 22 wieder vereinigt. An den Elektroden 5 und 5′ werden die zu vergleichenden Proben 9 aufgebracht. Der Abgleichzustand des Interferometers wird nun nach Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 5 und 5′ einerseits und der Elektrode 5′′ andererseits durch den elektrophoretischen Transport der Proben von 5 nach 5′′ und von 5′ nach 5′′ verändert und mit dem phasenempfindlichen Empfänger 81 nachgewiesen.

Soll die Gleichheit bzw. Ungleichheit nur bezüglich eines Gemischanteiles nachgewiesen werden, so werden auch in dieser Anordnung an den Grenzflächen der Meß- und Referenzstrecke 22′ und 22′′ die jeweiligen Antikörper oder Antigene immobilisiert.

Was über die selektive Wirkung immobilisierter Antikörper und Antigene gesagt wurde, gilt auch für die meßtechnische Nutzung und selektive Wirkung von Enzymen, sonstigen Katalysatoren und speziellen Reagenzien.

Fig. 10 stellt eine Zwei-Ebenen-Struktur für ein Zweistrahl-Sensorsystem schematisch dar. An zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen eines Substrates 11 verlaufen parallel zueinander LWL 23 und 23′. Ein Beugungsgitter 24 ist auf dem LWL 23 angebracht, um Licht einzukoppeln. Auf dem LWL 23′ ist ebenfalls ein Beugungsgitter 24 angebracht. Auf dem Substrat 11 ist eine Matrixschicht 41 auf einer ersten und eine Matrixschicht 41′ auf einer zweiten Oberfläche aufgebracht, die, wie in den bereits beschriebenen Konfigurationen, als Basismaterial für die Elektrophorese dienen.

Die Zweistrahlanordnung in einer Zwei-Ebenen-Konfiguration gemäß Fig. 10 funktioniert wie folgt. Das einfallende Licht 6 fällt auf das Beugungsgitter 24 und wird zu einem Anteil, vorzugsweise zu 50%, in den LWL 23 der ersten Ebene gelenkt. Der durchtretende Rest fällt auf das Beugungsgitter 24 des LWL 23′ der zweiten Ebene und wird dort möglichst vollständig eingekoppelt. Über Beugungsgitter 24 wird das Licht aus beiden LWL 23 und 23′ wieder ausgekoppelt und verläßt das Sensorsystem in zwei parallelen Lichtbündeln 7 und 7′, welche auf den lichtelektrischen Differenzempfänger 82 fallen. Das Sensorsystem wird vorzugsweise mit der von der Elektrode 41 bedeckten Seite in die flüssige Probe eingetaucht, wobei diese so in die beiderseits des Substrates 11 angebrachten Matrixschichten 41 und 41′ eindringen kann. Bei Anlegen einer Potentialdifferenz an die Elektroden 51 und 51′ wird das Probenmaterial über die Lichtwellenleiter 23 und 23′ transportiert und dort optisch wirksam. Unterschiede in der Absorption bzw. Probengleichheit werden mit dem Differenzempfänger 82 festgestellt.

Bei der Untersuchung der Probe auf Gleichheit oder Unterschied bezüglich nur eines Anteils aus dem Gemisch werden in der bereits beschriebenen Weise Antikörper, Antigene, Enzyme oder andere spezifisch wirksame Reagenzien an den Grenzflächen der LWL 23 bzw. 23′ immobilisiert.

Fig. 11 stellt das erfindungsgemäße Sensorelement gemäß Fig. 10 unter Einbeziehung einer immobilisierten selektiv wirksamen Bedeckung 21 dar. Die Funktion des Interferometers in einer Zwei-Ebenen-Struktur ist weitgehend analog zur Funktion des Zweistrahl-Sensor-Systems aus Fig. 2. Das Beugungsgitter 24 ist so dimensioniert und positioniert, daß die aus 23 und 23′ ausgekoppelten Lichtbündel miteinander interferieren.

Der elektrophoretische Transport des Probenmaterials bewirkt eine Veränderung des Abgleichszustandes des Interferometers, die beispielsweise mit Empfängerzeilen 83 festgestellt wird. Der Vorteil der Zwei-Ebenen-Struktur besteht darin, daß Probe und Vergleichsprobe räumlich getrennt sind und die Vermischungsgefahr vermieden wird.

Fig. 12 zeigt eine Ausgestaltung der Grundform gemäß Fig. 10. In dieser Ausgestaltung verlaufen mehrere parallele LWL 23 bzw. 23′ paarweise auf beiden Ebenen der Zwei-Ebenen-Struktur. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur zwei Lichtleiterpaare 23 und 23′ gezeichnet. Jeweils paarweise werden als Differenzempfänger 82 geschaltete lichtelektrische Detektoren verwendet. Es ist vorteilhaft, Empfängerzeilen 83 als Empfängereinheit einzusetzen.

Fig. 13 stellt das erfindungsgemäße Sensorelement gemäß Fig. 12 unter Einbeziehung einer Anzahl verschiedener immobilisierter selektiv wirksamer Bedeckungen 21 und 21′ dar.

Weitere wesentliche Vorteile der Zwei-Ebenen-Struktur ergeben sich bei der engen Aneinanderreihung einer Vielzahl paralleler Wellenleitersysteme sowohl für die ortsaufgelöste Untersuchung der Lage von Diffusionsfronten gemäß Fig. 12 als auch für die Multifaktorenanalyse gemäß Fig. 13. In dieser funktionellen Ausbildung stellt der erfindungsgemäße integriert-optische Sensor eine Weiterentwicklung elektrophoretischer Nachweissysteme dar, welche die nachträgliche Auswertung in einem zusätzlichen Auswertegerät erspart, miniaturisiert ist und eine bequeme Handhabung ermöglicht.

Die nachfolgenden Fig. 14 bis 16 gestalten diesen Gedanken in kleinen Details weiter aus. Die Bezeichnung der Elemente und ihre Funktion entspricht den vorangegangenen Figuren und der zugehörigen Beschreibung.

Fig. 14 zeigt ein Sensorelement in Zwei-Ebenen-Struktur als Interferometeranordnung. Ein LWL 23 auf der einen Seite des Substrates 11 bildet einen Interferometerarm, ein LWL 23′ auf der gegenüberliegenden Seite den zweiten. Die Einkopplung des Lichtes erfolgt mit Beugungsgittern 24, wie bereits beschrieben. Die Auskoppelgitter 24 lenken die aus den LWL 23 und 23′ austretenden Strahlen 7 gemeinsam auf den phasenempfindlichen Detektor 81.

Fig. 15 zeigt das interferometrische Sensorelement gemäß Fig. 14 mit einer selektiv wirksamen Bedeckung 21. Ergänzend zeigt Fig. 16 ein Sensorelement mit verschiedenen selektiv wirksamen Bedeckungen 21 und 21′.

Bezugszeichenliste

1 Substrat
11 Substrat (für Zwei-Ebenen-Struktur)
2 Lichtwellenleiter
21 (selektiv bindend oder reagierend wirkende) Bedeckung
21′ (selektiv bindend oder reagierend wirkende) Bedeckung
21′′ (selektiv bindend oder reagierend wirkende) Bedeckung
22 (integriert-optischer) Verzweiger
22′ Meßstrecke
22′′ Referenzstrecke
23 Lichtwellenleiter in der ersten Ebene
23′ Lichtwellenleiter in der zweiten Ebene
24 Beugungsgitter
3 Deckschicht mit Fenster 4 Matrixschicht
41 Matrixschicht auf erster Oberfläche
41′ Matrixschicht auf zweiter Oberfläche
5 Elektroden
5′ Elektroden
5′′ Elektroden
51 gemeinsame Elektroden
6 einfallendes Lichtbündel
7 austretendes Lichtbündel
7′ austretendes Lichtbündel
8 Empfänger
81 phasenempfindlicher Empfänger
82 Differenzempfänger
83 Empfängerzeile
9 Probe in Startposition
9′ durch Elektrophorese verteiltes Probenmaterial
10 evaneszentes Feld
z Richtung

Claims (18)

1. Integriert-optischer Sensor zur Analyse von Stoffen in flüssiger Phase, bestehend aus einem Substrat mit einer an der Oberfläche befindlichen wellenleitenden Struktur, deren Brechzahl größer als die des Substrats ist und die mit einer optischen Auskoppelanordnung zur Führung des durchgeleiteten Lichts auf einen Empfänger versehen ist, wobei der Empfänger die durch den Stoffkontakt geänderte Lichtintensität aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die wellenleitende Struktur mindestens ein streifenförmiger Lichtwellenleiter (2) ist, der in das Substrat (1) eingelassen ist, im wesentlichen linear entlang der Oberfläche verläuft und eine analytisch wirksame Fläche bildet,
• - das Substrat (1) an der den Lichtwellenleiter (2) enthaltenden Oberfläche mit einer Schicht in Form einer Matrixschicht (4) für den Stofftransport überzogen ist, wobei die Matrixschicht (4) aufnahmefähig für Wasser ist,
• - auf der Matrixschicht (4) beiderseits der streifenförmigen wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters (2) parallele Elektroden (5, 5′) angebracht sind, wobei bei angelegter Spannung ein elektrophoretischer Transport geladener Teilchen der untersuchten Substanz innerhalb der Matrixschicht (4) stattfindet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Substratoberfläche und der Matrixschicht (4) eine zusätzliche Deckschicht (3) vorhanden ist, deren Brechungsindex größer als der des Lichtwellenleiters (2) ist und die durch definierte Fenster die wirksame Fläche des Lichtwellenleiters (2) einschränkt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche zwischen der analytisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters (2) und der Matrixschicht (4) Antikörper lokal immobilisiert sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche zwischen der analytisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters (2) und der Matrixschicht (4) Antigene lokal immobilisiert sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche zwischen der analytisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters (2) und der Matrixschicht (4) Enzyme lokal immobilisiert sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (1) mindestens zwei Lichtwellenleiter (2) mit unterschiedlichen lokal immobilisierten stoffspezifischen Reagenzien aufgebracht sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixschicht (4) für die Elektrophorese ein mit dem Substrat (1) fest verbundenes Polymer ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixschicht (4) ein Gel ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixschicht (4) eine Flüssigkeitsschicht ist, die bei einem definierten Abstand zwischen Substrat (1) und einem Deckglas den entstehenden Spalt ausfüllt.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixschicht (4) eine anorganische Schicht geeigneter Struktur ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Lichtwellenleiter (2) an mindestens einer der Oberflächen des Substrats (1) parallel zueinander angeordnet sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (2) aus einem durch einen integriert-optischen Verzweiger (22) geteilten Lichtwellenleiter (2) gebildet werden.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der geteilte Lichtwellenleiter (2) zwischen zwei Verzweigern (22) eine Meßstrecke (22′) und eine Referenzstrecke (22′′) eines Interferometers darstellt.

14. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Lichtwellenleiter (2) nicht mit einer Matrixschicht (4) überzogen ist.

15. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an den verschiedenen Lichtwellenleitern (2) unterschiedliche spezifisch wirksame Reagenzien immobilisiert sind.

16. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (23; 23′) auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats (11) angeordnet sind.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß dieselben selektiv wirksamen Bedeckungen (21) an den Lichtwellenleitern (23; 23′) immobilisiert sind, wobei sich wenigstens an einem Lichtwellenleiter (23 oder 23′) eine Vergleichsprobe in der Matrixschicht (41 oder 41′) befindet.

18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinkopplung in die gegenüberliegenden Lichtwellenleiter (23; 23′) von derselben Seite des Substrats (11) über Beugungsgitter (24) erfolgt.