DE4424336A1 - Vorrichtung und Verfahren zur differentiellen Messung der Adsorbtion von Molekülen oder Ionen an Oberflächen mittels Oberflächenplasmonenresonanz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Sensoren zum spezifischen Nachweis von Mole­ külen oder Ionen, insbesondere Sensoren, die Moleküle in Flüssigkei­ ten oder Gasen mittels der Oberflächenplasmonenresonanz-Technik nachweisen.

Oberflächenplasmonenresonanz (abgekürzt OPR) ist eine wohlbekannte und bedeutende Methode zum Nachweis von Molekülen und zur Bestim­ mung von chemischen Reaktionen an Oberflächen und wird in kommer­ ziellen Geräten und vielen Forschungsprojekten angewandt.

Oberflächenplasmonen können angeregt werden, wenn ein p-polari­ sierter (also in der Einfallsebene des Lichts polarisierter) Licht­ strahl an einer Grenzfläche zwischen einem dielektrischem Medium (z. B. Glas) und einer dünnen Metallschicht gedämpfte Totalreflektion erleidet.

Die Technik und Bedingungen, unter denen die Oberflächenplasmonen angeregt werden können, sind z. B. beschrieben in einem Artikel von Kretschmann in der "Zeitschrift für Physik", Vol. 221, Seite 313-324 (1971). Eine ausführliche Darstellung der Physik und von Anwendun­ gen von Oberflächenplasmonen findet sich z. B. in dem Artikel von Raether in dem Buch "Physics of Thin Films", Vol. 9, S. 145-262 (Herausgeber: Hass, Francombe und Hoffman; Verlag Academic Press, 1977). Die Nutzung von Oberflächenplasmonen in Sensoren zum Nach­ weis von Molekülen ist z. B. beschrieben in einem Artikel von Liedberg, Nylander und Lundström in der Fachzeitschrift "Sensors and Actua­ tors", Vol. 4, Seite 299-304 (1983).

Die resonante Anregung von Oberflächenplasmonen läßt sich auf ver­ schiedene Arten nachweisen. Bei Kretschmann wird eine Methode be­ schrieben, bei der der Einfallswinkel von p-polarisierten Licht einer konstanten Wellenlänge auf die Metallschicht variiert und die Inten­ sität des daran reflektierten Lichtstrahls als Funktion des Einfalls­ winkels gemessen wird. Die Anregung zeigt sich dabei an einer deut­ lichen Verminderung der reflektierten Intensität bei einem bestimm­ ten Einfallswinkel. Der Winkel, an dem die reflektierte Intensität ein lokales Minimum aufweist, wird Resonanzwinkel genannt.

Von Zhang et al wird in der Fachzeitschrift "Electronics Letters", Vol. 24, Seite 1469 (1988) eine andere Methode beschrieben. Bei die­ ser Methode bleibt der Einfallswinkel unverändert, statt dessen wird die reflektierte Intensität als Funktion der Lichtwellenlänge gemes­ sen. Dazu wird eine breitbandige Lichtquelle verwendet, die weißes Licht abgibt. Das Spektrum des reflektierten Lichts wird analysiert. Die Anregung der Oberflächenplasmonen führt auch hier zu einer deut­ lichen Verringerung der reflektierten Intensität, an der sogenannten Resonanzwellenlänge durchläuft die Intensität ein lokales Minimum.

Es sind noch andere Methoden bekannt, OPR anzuregen und zu vermes­ sen. Die meisten haben jedoch mit den beiden genannten Methoden ge­ meinsam, daß die reflektierte Intensität entweder als Funktion des Winkels oder als Funktion der Wellenlänge bestimmt wird. Nur die Art und Weise der Bestimmung dieser Abhängigkeit unterscheidet sich.

Sensoren, die auf OPR beruhen, nutzen die Abhängigkeit der Resonanz- Bedingung von der optischen Schichtdicke der an die Metall-Schicht angrenzenden Schicht und dem Brechungsindex des angrenzenden Me­ diums. Verändert sich diese optische Schichtdicke oder der Bre­ chungsindex, so verschiebt sich der Resonanzwinkel bzw. die Reso­ nanzwellenlänge. Diese Verschiebung kann mit den obengenannten Methoden verfolgt werden.

Aus WO 90/05305 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der auf die Me­ tallschicht eine sensitive Schicht aufgebracht wird, die spezifische Bindungspartner für eine oder mehrere nachzuweisende Arten von Molekülen enthält. Sind die besagten Moleküle in dem zu untersuchen­ den Probenmedium (z. B. Flüssigkeit oder Gas) vorhanden, werden sie spezifisch von diesen Bindungspartnern an die Oberfläche gebunden. Diese spezifischen Bindungspartner werden im folgenden auch "Re­ zeptoren" genannt.

Die Anreicherung der Moleküle an oder in der Rezeptorschicht führt zu einer Veränderung der optischen Schichtdicke der Rezeptorschicht. Damit kann das Vorhandensein der besagten Moleküle im Probenme­ dium über die Verschiebung der OPR quantitativ und/oder qualitativ nachgewiesen werden.

Oft ergeben sich Meßprobleme aus der komplexen Zusammensetzung des Probenmediums, z. B. eines Serums. Durch Kreuzreaktionen oder unspezifische Bindung anderer Moleküle an die sensitive Schicht kann ebenfalls eine Anreicherung von Molekülen an der Oberfläche erfolgen. Dies täuscht eine höhere Konzentration des nachzuweisenden Moleküls im Probenmedium vor als tatsächlich vorliegt. Das macht Referenz­ messungen notwendig, in denen die unspezifische Bindung alleine ver­ messen wird. Durch Vergleich beider Messungen können spezifische und unspezifische Bindung unterschieden werden.

Unter Verwendung einer einfachen OPR-Apparatur sind dazu zwei Ar­ beitsschritte notwendig, einmal Messung der unspezifischen Adsorb­ tion, einmal Messung der spezifischen Adsorbtion, jeweils inklusive aller Schritte der Probenpräparation. Dies verursacht einerseits dop­ pelten Arbeits- und Materialaufwand, andererseits kann es ein Pro­ blem sein, zu gewährleisten, daß in den beiden Messungen alle ande­ ren Parameter, die die OPR beeinflussen, unverändert sind.

Die Rezeptor- und die Referenzschicht können sich dann auf nur einer Sensoroberfläche befinden, wenn die Meßapparatur in der Lage ist, die OPR an verschieden präparierten Orten der Probe unabhängig zu mes­ sen. Aus einem Artikel von Fischer, Heyn, Egger und Gaub in der Fach­ zeitschrift "Langmuir", Vol. 9, Seite 136-140 (1993) ist ein Verfah­ ren bekannt, in dem eine heterogen beschichtete Oberfläche mit Hilfe eines OPR-Mikroskopes beobachtet wurde und damit verschiedenes Bindungsverhalten auf unterschiedlichen Bereichen der Oberfläche mit einer Messung nachgewiesen werden konnten. Wegen des hohen technischen Aufwandes eines dafür benötigten OPR-Mikroskopes fand es keine Anwendung in einem kommerziellen Chemo- oder Biosensor.

Aus WO 90/05295 ist eine Vorrichtung bekannt, die ebenfalls die gleichzeitige Vermessung der OPR an mehreren Stellen der Metall­ schicht erlaubt. Dazu sind auf der Metallschicht mindestens zwei ge­ trennte Bereiche der Sensorfläche von eigenen Durchflußkammern umschlossen. Die Bereiche werden von einer Lichtquelle gleichzeitig beleuchtet. Das an der Metallschicht reflektierte Licht wird so auf eine zweidimensionale Matrix von unabhängigen Einzeldetektoren ab­ gebildet, daß zu jedem der sensitiven Bereiche auf der Metallschicht eine andere Menge von Spalten der Detektormatrix gehört.

Die Vorrichtung wird als Chemo- und Biosensor kommerziell vertrie­ ben, ist jedoch technisch sehr aufwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein einfaches Verfahren und eine einfache und preiswerte Vorrichtung zur gleichzeitigen Mes­ sung der Verschiebung der OPR an mindestens zwei Stellen einer Pro­ benoberfläche bzw. Metallschicht bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Weitere vorteilhafte Aus­ gestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und unter Be­ zugnahme auf die Fig. 1 bis 7 der Zeichnungen näher erläutert. Die Dicken der verschiedenen Schichten sind in den Zeichnungen zur bes­ seren Veranschaulichung nicht maßstabsgerecht dargestellt. Prismen, Polarisatoren und anderes optisches Gerät wurden in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Ihre Beschaffenheit und Anordnung ist Fachleuten bekannt.

Fig. 1 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Beschichtung der Metallschicht (3) mit einer Resonanzverschiebungsschicht (2).

Fig. 2 zeigt einen prinzipiellen, vereinfachten Aufbau eines Chemo- oder Biosensors, der mit OPR arbeitet.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung der Beschichtung der Metallschicht (3) mit einer Resonanzverschiebungsschicht (2).

Fig. 4 zeigt eine Doppel-OPR vor (20) und nach (21) der Inkubation der Sensoroberfläche mit einem Protein. Die beiden Minima der Kurve (20) der reflektierten Intensität verschieben sich unterschied­ lich stark während der Inkubation.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, in der die Sensi­ tive Schicht (1) selbst als Resonanzverschiebungsschicht dient.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, in der die Ver­ schiebung der Resonanz in den verschiedenen Bereichen der Sensor­ oberfläche durch unterschiedliche Dicken der Metallschicht (3) er­ reicht wird.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, in der die die Referenzbereiche (R) der Sensoroberfläche als Domänen in der sensi­ tiven Schicht (S) verteilt sind.

Zunächst soll an Fig. 2 der prinzipielle Aufbau eines Chemo- oder Biosensors nach der OPR-Technik erläutert werden. Licht (11) wird unter einem Winkel θ auf eine dünne Metallschicht (3) eingestrahlt, daran gedämpft totalreflektiert und in einem Detektor (10) aufgefan­ gen. Die Metallschicht (3) ist vorzugsweise durch Aufdampfen auf ein Dielektrikum (4) aufgebracht, das einen höheren Brechungsindex haben muß, als das Medium, das auf der anderen Seite an die Metallschicht (3) angrenzt (siehe hierzu die oben genannten Artikel von Kretsch­ mann und Raether). Vorzugsweise wird als Dielektrikum Quarzglas verwendet.

Die Metallschicht sitzt in der Regel auf einem Prisma (6) mit drei­ eckiger oder halbkreisförmiger Grundfläche, damit der einfallende Lichtstrahl (11) und der reflektierte Lichtstrahl (12) unter einem geringen Winkel die Grenzfläche Luft/Dielektrikum durchtreten.

Die Metallschicht (3) wird dabei vorzugsweise nicht direkt auf das Prisma aufgebracht, sondern auf einen Träger (4) (z. B. einen Objekt­ träger für Mikroskope), der mit einem Immersionsöl (5) in optischen Kontakt mit dem Prisma gebracht (6) wird. Dadurch kann die Sen­ soreinheit (bestehend aus dem Träger 4 mit den Schichten 1, 3 dar­ auf) leicht ausgetauscht werden, ohne daß man den optischen Aufbau verändern muß.

Auf die Metallschicht ist die sensitive Schicht (1) aufgebracht, die das nachzuweisende Molekül spezifisch binden kann. Als spezifische Bindungspartner können z. B. DNA-Fragmente, Antigene oder Antikörper dienen.

Die sensitive Schicht (1) steht mit dem zu untersuchenden Probenme­ dium (8) (meist Flüssigkeiten, oder Gas) in Kontakt, das sich in der Probenkammer (7) befindet oder durch sie hindurchgespült wird.

Ist das nachzuweisende Molekül im Probenmedium vorhanden, wird es durch spezifische Bindung an die oder in der sensitiven Schicht ange­ reichert, wodurch sich deren optische Schichtdicke verändert. Diese Veränderung wird durch die Verschiebung des Resonanzwinkels nach­ gewiesen.

Da die Erfindung unter anderem in einer speziellen Ausgestaltung der Metallschicht und der daran angrenzenden Schichten besteht, wird in den Fig. 3, 5, 6 und 7 nur der Schichtaufbau auf dem Träger (4) ge­ zeigt, um die wesentlichen Merkmale besser hervortreten zu lassen. Die Zeichenebene (yz-Ebene) liegt in diesen Figuren senkrecht zur Einfallsebene des Lichts (xz-Ebene). Die Dicken sind zur besseren Veranschaulichung in den Figuren nicht maßstabsgerecht dargestellt.

Fig. 1 zeigt perspektivisch die vorzugsweise Geometrie der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 3 zeigt diesselbe Anordnung aus ei­ ner anderen Sichtrichtung. Die Zeichenebene (yz-Ebene) steht hier senkrecht auf der Einfallsebene (xz-Ebene).

Die Metallschicht (3) sitzt hier direkt auf einem Träger aus einem ge­ eigneten Dielektrikum mit hohem Brechungsindex (z. B. Quarzglas). Vorzugsweise wird Gold in Schichtdicken von 50 nm (bei einer Licht­ wellenlänge von 1300 nm) verwendet, alternativ Silber, Aluminium oder andere Metalle mit anderen Schichtdicken. Auswahlkriterien für das Metall und die Bestimmung der optimalen Dicke der Metallschicht werden in der Fachliteratur (z. B. Raether) ausführlich diskutiert und sind Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt.

Zwischen Metallschicht (3) und Träger (4) können noch weitere di­ elektrische oder metallische Schichten gebracht werden, um die Eigenschaften der OPR zu verändern oder die Haftung der Metall­ schicht auf dem Dielektrikum zu verbessern.

Auf einen Teil der Metallschicht (3) ist erfindungsgemäß eine Reso­ nanzverschiebungsschicht (2) aufgebracht, darauf dann die sensitive Schicht (1), die die nachzuweisenden Moleküle selektiv binden kann. Die Referenzfläche (R) bleibt unbeschichtet oder wird mit einer Schicht versehen, die die selben Oberflächeneigenschaften wie die sensitive Fläche (S) hat, aber keine spezifische Bindung mit dem nachzuweisenden Molekül eingehen kann. Die verschiedenen Bereiche S und R auf der Metallschicht müssen sich durch Verschiedenheit ihrer Schichtdicke oder durch Verschiedenheit ihrer Brechungsindizes un­ terscheiden.

Wesentlich ist nun, daß sowohl ein Teil der sensitiven Fläche (S) als auch ein Teil der Referenzfläche (R) auf der Metallschicht (3) vom einfallenden Lichtstrahl (11) gleichzeitig beleuchtet werden, und daß an beiden Bereichen reflektiertes Licht (12) zugleich im Detektor (10) aufgefangen wird; der Detektor (10) mißt die über den aufgefan­ genen Strahlquerschnitt gemittelte Intensität.

Bei der Präparation der unterschiedlichen Bereiche R und S ist darauf zu achten, daß der Übergang zwischen den verschiedenartigen Berei­ chen S und R möglichst scharf erfolgt, so daß die von Übergangsbe­ reich eingenommene Fläche klein gegenüber der gesamten beleuchte­ ten Fläche ist. Präparationstechniken werden weiter unten genauer beschrieben.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß in den verschiedenen Be­ reichen S und R der Metalloberfläche gleichzeitig Oberflächenplasmo­ nen mit unterschiedlichen Resonanzwinkeln bzw. -wellenlängen an­ geregt werden. Liegen diese Resonanzen weit genug auseinander, las­ sen sie sich in der durch die beschriebene Vorrichtung gemessene Summenintensität unterscheiden. Die reflektierte Intensität, aufge­ tragen als Funktion des Einfallswinkels bzw. der Lichtwellenlänge, weist dann zwei lokale Minima auf, die den beiden angeregten OPR entsprechen.

Dies ist in Fig. 4 gezeigt, in der die reflektierte Intensität in will­ kürlichen Einheiten über dem Einfallswinkel aufgetragen ist. Es sind zwei Kurven 20 und 21 dargestellt. Kurve 20 zeigt eine Doppel-OPR vor der Zugabe von Protein in die Probenflüssigkeit, Kurve 21 nach der Zugabe. Es ist deutlich erkennbar, daß sich die beiden Minima der Kurve 20 unterschiedlich stark verschieben.

Zwei lokale Minima erhält man nur dann in der Intensitätskurve, wenn die optische Schichtdicke der Resonanzverschiebungsschicht (2) aus­ reichend groß ist. Für die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen jedoch nicht notwendig zwei lokale Minima vor­ handen sein. An die gemessene Intensitätskurve kann auch eine Kurve angepaßt werden, die mathematisch die Überlagerung zweier Absorb­ tionskurven ist und die nur ein lokales Minimum aufweist. Vorzugs­ weise geschieht dies durch einen elektronischen Rechner.

Gemäß 6 können zwei verschiedenartige Bereiche auf der Metall­ schicht durch Langmuir-Blodgett-Beschichtung einer Hälfte der Me­ tallschicht hergestellt werden. Man erhält dabei die vorzugsweise Geometrie der beiden Bereiche wie in Fig. 1 dargestellt.

Vorzugsweise verwendet man zur Langmuir-Blodgett-Beschichtung ein Material, das mit dieser Technik in beliebig vielen Schichten auf­ bringbar ist, und das einen anderen Brechungsindex bei der verwende­ ten Lichtwellenlänge aufweist als das Probenmedium; beispielsweise Phtalocyaninatopolysiloxane oder andere Polymere vom Hairy-Rod- Typ. Diese Polymer-Klasse wird von Wegner in der Fachzeitschrift "Molecular Crystals and Liquid Crystals" , Vol. 235, Seite 1-34 (1993) beschrieben. Weitere Details betreffend die Langmuir-Blodgett- Technik sind Fachleuten bekannt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 12, in der die sensitive Schicht (1) selbst als Resonanzverschiebungs­ schicht wirkt, in dem sich ihre optische Schichtdicke ausreichend stark von der der Referenzfläche R unterscheidet. Wiederum müssen der sensitive Bereich S und der Referenzbereich R gleichzeitig be­ leuchtet und das daran reflektierte Licht im Detektor aufgefangen werden.

Gemäß Anspruch 7 kann auch durch Aufbringen oder Abtragen von Schichten unter Verwendung von Masken eine unterschiedliche Präpa­ ration der Oberfläche erfolgen, beispielsweise durch Belichtung, durch Bedampfung, durch Ätzen. Details dieser Methoden sind Fachleu­ ten bekannt.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung der Erfindung, die mit einer solchen Technik hergestellt werden kann. Mittels Masken wird die Metall­ schicht (3) in den Bereichen S und R der Sensoroberfläche in ver­ schiedenen Schichtdicken aufgedampft, so daß die OPR in den beiden Bereichen bei unterschiedlichen Resonanzwinkeln bzw. -wellenlängen stattfindet. Einer der beiden Bereiche wird mit einer sensitiven Schicht (1) weiter funktionalisiert, der andere fungiert wieder als Referenzbereich (R).

In Fig. 7 ist eine Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 13 ge­ zeigt, in der die Referenzfläche R nicht mehr einfach zusammenhän­ gend ist, sondern als Domänen in der sensistiven Fläche S verteilt ist. Die Domänen müssen dabei Ausdehnungen haben, die groß gegenüber der lateralen Zerfallslänge der Oberflächenplasmonen sind, da sonst keine Doppelresonanz ausgebildet wird, sondern eine einfache OPR, die einer über die beleuchtete Fläche gemittelten optischen Schicht­ dicke entspricht.

Die Domänen müssen dabei wieder eine andere optische Schichtdicke haben als die sensitiven Bereiche S der Sensoroberfläche. Eine solche Domänenbildung kann selbständig durch zweidimensionale Kristalli­ sierung der Moleküle in der sensitiven Schicht erfolgen.

In einer anderen Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 14 liegt die sensitive Fläche (S) als Domänen verteilt in einer Matrix der Re­ ferenzfläche (R) vor.

In den vorangegangenen Ausführungen wurde die Sensoroberfläche im­ mer in zwei verschiedene Typen von Bereichen unterteilt: eine sensi­ tive Fläche S, die mit spezifischen Bindungspartnern für das nachzu­ weisende Molekül versehen ist, und einer Referenzfläche R ohne spezifische Bindungspartner für das nachzuweisende Molekül, mit deren Hilfe ein Maß für die unspezifische Adsorption von Molekülen an die Sensorfläche gewonnen werden kann.

Alternativ kann letztere Fläche ebenfalls mit einem spezifischen Bindungspartner für ein anderes Molekül versehen werden so daß das Vorhandensein von zwei verschiedenen Molekülen im Probenmedium gleichzeitig geprüft werden kann. Dies bietet sich insbesondere an, wenn die unspezifische Adsorption aus dem Probenmedium gering ist und deshalb nicht unbedingt eine Referenzmessung notwendig ist.

In den vorangegangenen Ausführungen wurde die Sensorfläche immer in zwei verschiedene Bereiche unterteilt. Das Konzept der Erfindung ist auch auf eine Unterteilung der Sensorfläche in mehr als zwei ver­ schiedene Bereiche ausdehnbar, z. B. drei, vier usw. Wesentlich ist, daß die verschiedenen Bereiche so präpariert sind, daß in ihnen die OPR jeweils unterschiedlichen Resonanzbedingungen unterliegt, und daß Licht, das gleichzeitig an all diesen Bereichen reflektiert wurde, in einen Detektor gelangt, der die mittlere Intensität mißt.

Beschreibung einer beispielhaften Ausführung der Erfindung

Als Lichtquelle (9) wird eine Indium-Gallium-Arsenid-Laserdiode mit einer Emissionswellenlänge von 1300 nm verwendet. Verwendung von Licht dieser Wellenlänge bringt den Vorteil, auf preisgünstige Kompo­ nenten aus der Glasfaser-Technik zurückgreifen zu können.

Als Detektor (10) findet eine Photodiode Anwendung, die bei dieser Wellenlänge eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Das Ausgangssignal der Photodiode wird vorverstärkt und über einen Analog-Digital- Wandler in einen Steuerrechner eingelesen.

Lichtquelle und Detektor sind auf jeweils einen Arm eines Zweiarm- Goniometers befestigt. Die beiden Goniometerarme können vom Steuerrechner unabhängig angesteuert werden. Der Steuerrechner variiert während der Messung den Winkel des Lichtquellenarms in Be­ zug auf die Sensoroberfläche und symmetrisch dazu den Winkel des Detektorarms, so daß der Einfallswinkel des Lichts immer gleich dem Ausfallswinkel des reflektierten, im Detektor gemessenen Licht­ strahls ist.

Als Träger (4) für die Metallschicht (3) dient eine rechteckige Silizi­ umscheibe mit den Abmessungen 20 mm × 10 mm × 0.5 mm. Silizium kann als Träger verwendet werden, da es für die Lichtwellenlänge von 1300 nm transparent ist. Auf den Silizium-Träger ist Goldschicht (3) mit einer Dicke von 50 nm aufgedampft.

Die verschiedenartige Präparation der beiden Hälften der Metall­ schicht geschieht gemäß Anspruch 4 durch Langmuir-Blodgett-Be­ schichtung. Dazu wird beispielsweise Phtalocyaninatopolysiloxan auf einem Langmuir-Trog gespreitet und auf einen Lateraldruck von 20 mN/m komprimiert. Die Beschichtung erfolgt dann durch senk­ rechtes Eintauchen des Siliziumträgers in seiner Längsrichtung bis zur Hälfte und wieder Herausziehen in den und aus dem Langmuir- Trog. Um eine größere Verschiebung der beiden Plasmonenresonanzen zu erhalten, wird dieser Vorgang ein- oder mehrmals wiederholt.

Der Träger wird auf das Glasprisma gelegt, die Metallschicht auf der vom Prisma abgewandten Seite. Zur Vermeidung von Reflexionen zwi­ schen den Siliziumträger und dem Glasprisma wird Immersionsöl ein­ gesetzt. Auf den Träger wird anschließend eine Meßkammer aufge­ setzt, die die Zuführung der Meßflüssigkeit auf die Sensoroberfläche gestattet. Das Prisma mit dem Silizium-Träger darauf wird so vor dem Goniometer positioniert, daß die verlängerte Drehachse des Goniometers durch die Ebene der Metallschicht verläuft.

Claims (14)

1. Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Anreicherung von Molekülen oder Ionen an einer Metallschicht mit Oberflächenplas­ monenresonanz durch gleichzeitige Messung der Veränderung der Oberflächenplasmonenresonanz an mindestens zwei verschie­ denen Stellen der Metallschicht dadurch gekennzeichnet,

• - daß die verschiedenen Stellen so präpariert sind, daß in ihnen die Oberflächenplasmonenresonanz bei unterschied­ lichen Resonanzwinkeln oder -wellenlängen angeregt wird,
• - daß die verschieden präparierten Stellen der Metallschicht von mindestens einer Lichtquelle gleichzeitig beleuchtet werden,
• - daß die Summe der Intensitäten der von den verschieden präparierten Stellen reflektierten oder absorbierten Lichtstrahlen in mindestens einem Detektor gemessen wird.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Sensor zum qualitativen und/oder quanti­ tativen Nachweis von bestimmten Molekülen oder Ionen verwendet werden.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung an einem einzigen Meßfleck an der Metallschicht durchgeführt wird, der verschiedene, unterschiedlich prä­ parierte Stellen der Metallschicht enthält.

4. Vorrichtungen und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung an mehreren Meßflecken an der Metallschicht durchgeführt wird, die sich jeweils innerhalb der verschiedenen, unterschiedlich präparierten Bereiche der Metallschicht befinden.

5. Vorrichtungen und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Präparation der verschiedenen Stellen dadurch geschieht, daß auf die Metallschicht, an der die Oberflächenplasmonenresonanz angeregt wird, Schichten (2) verschiedener optischer Dicke aufgebracht werden, die einen anderen Brechungsindex haben als das Proben-Medium (8), das untersucht werden soll, so daß die Oberflächenplasmonen­ resonanz an den verschiedenen Stellen bei unterschiedlichen Resonanzwinkeln bzw. -wellenlängen stattfindet.

6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Präparation der verschiedenen Stellen der Oberfläche durch Langmuir-Blodgett-Beschichtung oder Langmuir-Schaefer-Beschichtung aus einem Langmuir-Trog erfolgt.

7. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Präparation verschiedener Stellen der Oberfläche durch Aufbringen oder Abtragen von Schichten unter Verwendung von Masken erfolgt.

8. Vorrichtungen und Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Präparation verschiedener Stellen der Oberfläche dadurch geschieht, daß die Metallschicht (3), an der die Oberflächenplasmonenresonanz angeregt wird, an den ver­ schiedenen Stellen in unterschiedliche Schichtdicken aufgebracht wird, so daß die Oberflächenplasmonenresonanz an den verschie­ denen Stellen bei unterschiedlichen Resonanzwinkeln bzw. -wellenlängen stattfindet (Fig. 6).

9. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens eine der verschiedenen Stellen der Metall­ schicht spezifische Bindungspartner für nachzuweisende Mole­ küle aufgebracht werden.

10. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf die verschiedenen Stellen der Metallschicht unterschied­ liche Arten von spezifischen Bindungspartnern für unterschied­ liche nachzuweisende Arten von Molekülen aufgebracht werden.

11. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens eine der verschiedenen Stellen der Proben­ oberfläche spezifische Bindungspartner für nachzuweisende Moleküle aufgebracht werden und mindestens eine der verschiedenen Stellen der Probenoberfläche keine spezifische Bindungs-Partner für nachzuweisende Moleküle trägt, so daß sie als Referenz (R) dient.

12. Vorrichtungen und Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Schicht (1) mit den spezifischen Bindungspart­ nern für nachzuweisende Moleküle selbst als Resonanzverschie­ bungsschicht verwendet wird, ohne daß eine zusätzliche resonanzverschiebende Schicht (2) auf die Metallschicht aufgebracht wird.

13. Vorrichtungen und Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfläche ohne spezifische Bindungspartner für das nachzuweisende Molekül in Form nicht-zusammenhängender Bereiche (R in Fig. 7) in der sensitiven Fläche S mit spezifischen Bindungspartnern für das nachzuweisende Molekül verteilt ist (Fig. 7).

14. Vorrichtungen und Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Fläche mit spezifischen Bindungspartnern für das nachzuweisende Molekül in Form nicht-zusammenhängender Bereiche in der Referenz-Fläche ohne spezifische Bindungspartner für das nachzuweisende Molekül verteilt ist.