DE60132757T2

DE60132757T2 - Totalreflexion nutzender Sensor

Info

Publication number: DE60132757T2
Application number: DE60132757T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Ashigarakami-gun Shimizu
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: EP1219954A1; EP1219954B1; US6678053B2; DE60132757D1; US20020080358A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, der mit gedämpfter Totalreflexion arbeitet (im Folgenden als ATR-Sensor bezeichnet), entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3, beispielsweise einem Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor zur quantitativen Analyse einer Substanz in einer Probe unter Ausnutzung der Anregung eines Oberflächenplasmons, insbesondere betrifft sie einen mit ATR arbeitenden Sensor eines Typs, der eine Dunkellinie erkennt, die in einem reflektierten Lichtstrahlbündel aufgrund der ATR auftritt bei Verwendung einer Photodetektoreinrichtung in Form von mehreren nebeneinander in einer vorbestimmten Richtung angeordneten Lichtempfangselementen.
Beschreibung des Standes der Technik
Wenn in Metallen freie Elektronen gruppenweise in Schwingung versetzt werden, entstehen Druckwellen, die als Plasmawellen bezeichnet werden. Die Druckwellen, die in einer Metallfläche entstehen, sind quantisiert und werden als Oberflächenplasmon bezeichnet.
Es wurde eine Vielfalt von Oberflächenplasmonenresonanz-Sensoren zur quantitativen Analyse einer Substanz in einer Probe vorgeschlagen, wobei vorteilhafterweise ein Phänomen genutzt wird, nach welchem ein Oberflächenplasmon durch Lichtwellen angeregt wird. Von diesen Sensoren ist ein Sensor, der von einem als „Kretschmann-Konfiguration" bezeichneten System Gebrauch macht, besonders bekannt (vergleiche z. B. die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung 6(1994)-67443 ).
Der Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor unter Verwendung der „Kretschmann-Konfiguration" ist hauptsächlich mit einem dielektrischen Block in Form beispielsweise eines Prismas ausgestattet, ferner mit einem Metallfilm auf einer Fläche des dielektrischen Blocks zur Platzierung einer Probe, einer Lichtquelle zum Emittieren eines Lichtstrahls, einer Optik, die den Lichtstrahl dazu bringt, unter verschiedenen Einfallswinkeln in den dielektrischen Block einzutreten, so dass die Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Block und dem Metallfilm erfüllt ist; und eine Photodetektoreinrichtung zum Nachweisen des Zustands der Oberflächenplasmonenresonanz, d. h. des ATR-Zustands, in dem die Intensität des Lichtstrahls gemessen wird, der an der Grenzfläche die interne Totalreflexion erleidet.
Um unterschiedliche Einfallswinkel in der oben angesprochenen Weise zu erreichen, kann ein relativ dünnes Lichtbündel dazu gebracht werden, auf die erwähnte Grenzfläche unter verschiedenen Einfallswinkeln aufzutreffen, oder es können relativ dicke, konvergente oder divergente Strahlen dazu gebracht werden, auf die Grenzfläche aufzutreffen, so dass die Strahlen Komponenten enthalten, die unter verschiedenen Winkeln auftreffen. In ersterem Fall kann der Lichtstrahl, dessen Reflexionswinkel sich mit Änderung des Einfallswinkels des einfallenden Lichts ändert, mit Hilfe eines kleinen Photodetektors erfasst werden, der synchron mit der Änderung des Reflexionswinkels bewegt wird, oder mit einem flächigen Sensor, der sich in der Richtung variierenden Reflexionswinkels erstreckt. Im letzteren Fall können hingegen unter verschiedenen Winkeln reflektierte Strahlen durch einen Flächensensor erfasst werden, der sich in der Richtung erstreckt, in der sämtliche reflektierten Strahlen empfangen werden können.
In dem oben angesprochenen Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor werden, wenn ein Lichtstrahl auf den Metallfilm unter einem spezifischen Einfallswinkel θ_sp gleich oder größer einem kritischen Einfallswinkel, bei dem es zu interner Totalreflexion kommt, auftrifft, unendlich kleine Wellen mit einer elektrischen Feldverteilung in der mit dem Metallfilm in Berührung stehenden Probe erzeugt, wobei an der Grenzfläche zwischen Metallfilm und Probe ein Oberflächenplasmen angeregt wird. Wenn der Wellenvektor des verschwindenden Lichts gleich der Wellenzahl des Oberflächenplasmons ist und daher die Wellenzahlen zwischen beiden übereinstimmen, sind die verschwindenden Wellen und das Oberflächenplasmon in Resonanz, und es wird Lichtenergie zu dem Oberflächenplasmon übertragen, demzufolge die Intensität von Licht, das die Bedingung für innere Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Block und dem Metallfilm erfüllt, schart abfällt. Der scharte Intensitätsabfall wird im Allgemeinen von der oben angesprochenen Photodetektoreinrichtung in Form einer Dunkellinie erkannt.
Man beachte, dass die oben angesprochene Resonanz nur dann eintritt, wenn der einfallende Lichtstrahl ein p-polarisierter Lichtstrahl ist. Um also Resonanz hervorzurufen, ist es notwendig, dass der Lichtstrahl p-polarisiert wird, bevor er auf die Grenzfläche auftrifft.
Wenn die Wellenzahl des Oberflächenplasmons aus einem Einfallswinkel θ_sp, bei dem ATR stattfindet, ermittelt wird, so lässt sich die Dielektrizitätskonstante einer Probe nach folgender Gleichung gewinnen: Ksp(ω) = (ω/c){εm(ω)εs}1/2/{εm(ω) + εs}1/2 wobei K_sp die Wellenzahl des Oberflächenplasmons, ω die Kreisfrequenz des Oberflächenplasmons, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und ε_m und ε_s die Dielektrizitätskonstanten des Metalls bzw. der Probe sind.
Wenn die Dielektrizitätskonstante ε_s der Probe aufgefunden ist, lässt sich die Dichte einer spezifischen Substanz innerhalb der Probe basierend auf einer vorbestimmten Kalibrierungskurve und dergleichen ermitteln. Im Ergebnis lässt sich durch Auffinden des Einfallswinkels θ_sp, bei dem die Intensität des reflektierten Lichts abfällt, die Dielektrizitätskonstante der Probe, d. h. die Eigenschaften der Probe in Bezug auf deren Brechungsindex spezifizieren.
Ein Sensor der oben genannten Art ist aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesem Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor kann eine Photodetektoreinrichtung in Form eines Arrays mit dem Ziel verwendet werden, den erwähnten Einfallswinkel θ_sp mit einem hohen Grad an Genauigkeit und großem dynamischen Bereich zu messen, wie dies in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung 11(1999)-326194 offenbart ist. Die Photodetektoreinrichtung wird gebildet durch eine Mehrzahl von Lichtempfangselementen, die in einer vorbestimmten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Die Lichtempfangselemente sind so angeordnet, dass sie die Komponenten eines Lichtstrahls, der die Bedingung für innere Totalreflexion erfüllt, unter verschiedenen Reflexionswinkeln der erwähnten Grenzfläche empfangen.
In diesem Fall ist eine Differenziereinrichtung zum Differenzieren der Photodetektorsignale vorhanden, die von den Lichtempfangselementen der Photodetektoreinrichtung ausgegeben werden, und zwar in der Richtung, in der die Lichtempfangselemente nebeneinander angeordnet sind. Die Eigenschaften der Probe in Bezug auf ihren Brechungsindex werden häufig anhand von differenzierten Werten analysiert, die durch die Differenziereinrichtung ausgegeben werden, insbesondere des differenzierten Werts, der einer Dunkellinie entspricht, welche in einem reflektierten Lichtstrahl auftrifft.
Außerdem ist ein Leckwellensensor als Sensor bekannt, der dem Sensor unter Nutzung der ATR ähnlich ist, offenbart beispielsweise in „Spectral Researches", Bd. 47, Nr. 1 (1998), Seiten 21 bis 23 und Seiten 26 und 27. Der Leckwellensensor besteht hauptsächlich aus einem dielektrischen Block in Form eines Prismas; einer auf einer Oberfläche des dielektrischen Blocks gebildeten Mantelschicht; einer optischen Wellenleiterschicht, die auf der Mantelschicht ausgebildet ist, um darauf eine Probe zu platzieren; einer Lichtquelle zum Emittieren eines Lichtstrahls; einer Optik, die den Lichtstrahl dazu bringt, in den dielektrischen Block unter verschiedenen Einfallswinkeln einzutreten, so dass die Bedingung für innere Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Block und der Mantelschicht erfüllt ist; und einer Photodetektoreinrichtung zum Erfassen des Anregungszustands des Wellenleitermodus, d. h. des Zustands der ATR, in dem die Intensität des Lichtstrahls gemessen wird, der die Bedingung für innere Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Block und der Mantelschicht erfüllt. In dem Leckwellensensor mit dem oben angegebenen Aufbau wird, wenn ein Lichtstrahl durch den dielektrischen Block unter Einfallswinkeln von gleicher Größe wie der Einfallswinkel, bei dem innere Totalreflexion stattfindet, auf den Mantel fällt, der Lichtstrahl durch die Mantelschicht hindurchgelassen, und anschließend wird nur Licht mit einer spezifischen Wellenzahl, das unter einem spezifischen Winkel auftrifft, im Wellenleitermodus innerhalb der optischen Wellenleiterschicht ausgebreitet. Wenn der Wellenleitermodus auf diese Weise angeregt ist, wird der größe re Teil des einfallenden Lichts in der optischen Wellenleiterschicht eingegrenzt, und folglich kommt es zu der ATR, bei der die Intensität des innere TotalReflexion an der erwähnten Grenzfläche erzeugenden Lichts scharf abfällt. Da die Wellenzahl des sich in der optischen Wellenleiterschicht ausbreitenden Lichts von dem Brechungsindex der Probe auf der optischen Wellenleiterschicht abhängt, lässt sich der Brechungsindex der Probe und/oder lassen sich die Eigenschaften der Probe in Verbindung mit dem Brechungsindex dadurch analysieren, dass man den erwähnten spezifischen Auftreffwinkel auffindet, bei dem ATR stattfindet.
Der Leckwellensensor kann auch von der oben angesprochenen Photodetektoreinrichtung in Form eines Arrays Gebrauch machen, um die Stelle der Dunkellinie zu ermitteln, die in dem reflektierten Licht aufgrund der ATR auftritt. Darüber hinaus wird häufig die erwähnte Differenziereinrichtung in Verbindung mit der Photodetektoreinrichtung verwendet.
Auf dem Gebiet der pharmazeutischen Forschung und dergleichen werden der oben erläuterte Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor und Leckwellensensor manchmal bei einem auf dem Zufallsprinzip beruhenden Reihenuntersuchungsverfahren, eingesetzt, mit dem eine spezifische Substanz aufgefunden werden soll, die an ein gewünschtes Sensormedium gekoppelt wird. In diesem Fall wird das Sensormedium auf der erwähnten Dünnfilmschicht platziert (das ist der Metallfilm im Fall des Oberflächenplasmonenresonanz-Sensors oder die Mantelschicht und die optische Wellenleiterschicht im Fall des Leckwellensensors), und es werden verschiedene Lösungen von Substanzen (Flüssigprobe) dem Sensormedium hinzugefügt, und nach jeweils dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne wird der erwähnte differenzierte Wert gemessen. Werden die hinzugefügten Substanzen an dem Sensormedium gekoppelt, ändert sich der Brechungsindex des Sensormediums im Verlauf der Zeit aufgrund der Kopplung. Durch Erfassen des oben angesprochenen differenzierten Werts nach jeweils dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne und durch anschließendes Beurteilen, ob sich der differenzierte Wert geändert hat oder nicht, kann also beurteilt werden, ob die hinzugefügten Substanzen und das Sensormedium gekoppelt wurden oder nicht, d. h., ob die hinzugefügten Substanzen spezifische Substanzen sind, die mit dem Sensormedium in Kopplung treten, oder nicht. In diesem Fall müssen sowohl das Sensormedium als auch die Flüssigprobe analysiert werden. Als derartige Kombination spezifischer Substanzen und eines Sensormediums kennt man z. B. eine Kombination aus einem Antigen und einem Antikörper.
Eine Änderung des differenzierten Werts für jede vorbestimmte Zeit ist allerdings nur geringfügig. Um also eine geringfügige Messung des differenzierten Werts mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu messen, ist es wünschenswert, den differenzierten Wert mit einer Verstärkereinrichtung zu verstärken und zu detektieren. Allerdings wird der einer Dunkellinie in einem reflektierten Lichtstrahl entsprechende differenzierte Wert zu einem Wert, der der Lagebeziehung zwischen dem Photodetektorelement und der Dunkellinie entspricht, und selbst wenn ein differenzierter Wert mit kleinstem Absolutwert ausgewählt ist, gibt es eine Schwankung des Werts. Aufgrund dieses Umstands steht in dem Fall, dass der Grad der Verstärkung groß und der Absolutwert des differenzierten Werts ebenfalls groß ist, zu befürchten, dass die nachfolgenden elektrischen Schaltungen in Sättigung gelangen. Aus diesem Grund stand keine ausreichende Verstärkung zur Verfügung, und die Messungen waren nicht in der Lage, eine hohe Empfindlichkeit zu liefern.
Die US-A-4 844 613 zeigt einen Oberflächenplasmonensensor, bei dem ein Photodetektorarray zum Erfassen eines Dunkelbands entsprechend dem Winkel, bei dem Plasmonenresonanz die Intensität des an der Grenzfläche zwischen einem dielektrischen Block und einer Dünnfilmschicht reflektierten Lichts reduziert. Um die Genauigkeit der Messung zu steigern, werden die Ausgangssignale des Detektorarrays einer Signalverarbeitung unterzogen. Um die Differenzen in den Photodetektorelementen des Photodetektorarrays zu kompensieren, werden individuelle Korrekturfaktoren gewonnen und auf jedes Signal angewendet, welches von einem gewissen Detektorelement stammt.
Die US-A-5 485 277 zeigt einen Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor, bei dem Ausgangssignale eines Photodetektorarrays einer Signalverarbeitung unterzogen werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben angesprochenen Umstände gemacht. Folglich ist das Hauptziel der Erfindung, einen Sensor unter Ausnutzung von ATR anzugeben, der in der Lage ist, exakt eine Probe dadurch zu analysieren, dass eine Änderung im Verlauf der Zeit bei einem differenzierten Wert mit hoher Empfindlichkeit gemessen wird.
Um dieses Ziel zu erreichen und entsprechend einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 3 geschaffen.
In den oben angesprochenen Sensoren unter Ausnutzung gedämpfter Totalreflexion (ATR) ist es bevorzugt, wenn der „differenzierte Wert" nahe einem Punkt, an dem eine Änderung des Photodetektorsignals einen Übergang zwischen Abnahme zu Zunahme vollzieht, „ein differenzierter Wert" ist, der möglichst nahe an einem Punkt liegt, an welchem eine Änderung des Photodetektorsignals einen Übergang von Abnahme auf Zunahme vollzieht. Allerdings ist die Erfindung nicht auf den differenzierten Wert in größter Nähe des Punkts begrenzt. Der differenzierte Wert kann ein differenzierter Wert nahe einem Punkt sein, an welchem eine Änderung des Photodetektorsignals einen Übergang von Abnahme auf Zunahme vollzieht. Der erwähnte „Anfangswert" kann den Wert eines differenzierten Werts nahe einem Punkt nutzen, an welchem eine Änderung des Photodetektorsignals einem Übergang von Abnahme auf Zunahme entspricht. Durch Ausführen eines arithmetischen Prozesses wie z. B. Rückkopplung zur Zeit des Beginns der Messungen und anschließendes Auffinden eines Werts, der einen Messwert zur Zeit des Beginns der Messungen in die Nähe von 0 verschiebt, kann eine Einstellung als Anfangswert erreicht werden. Durch eine Subtraktion wird ein Anfangswert von dem differenzierten Wert nahe einem Punkt subtrahiert, an welchem eine Änderung des Photodetektorsignals einen Übergang von Abnahme auf Zunahme vollzieht, wozu ein Subtrahierer und dergleichen verwendet wird. Außerdem kann eine Subtraktion dadurch ausgeführt werden, dass eine Differenz zwischen den beiden mit Hilfe einer Differenzschaltung oder dergleichen ermittelt wird.
In dem erfindungsgemäßen Sensor ist es bevorzugt, wenn die Differenziereinrichtung eine Differenz zwischen den optischen Signalen, die von zwei benachbarten Lichtempfangselementen der Photodetektoreinrichtung ausgegeben werden, bildet. Außerdem ist bevorzugt, wenn die Photodektoreinrichtung ein Photodiodenarray ist.
In dem erfindungsgemäßen Sensor kann die erwähnte Differenziereinrichtung von einer Analogschaltung Gebrauch machen. Darüber hinaus kann die erwähnte Messeinrichtung die Subtraktion mit Hilfe einer Analogschaltung ausführen, und nach Durchführen einer A/D-Umwandlung des differenzierten Werts, von dem der Anfangswert subtrahiert wurde, erfolgt die Messung durch eine digitale Schaltung. Die erwähnte Messeinrichtung kann außerdem eine Verstärkungseinrichtung mit einer Analogschaltung zum Verstärken des differenzierten Werts, von dem der Anfangswert subtrahiert wurde, aufweisen.
Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Sensor unter Ausnutzung von ATR außerdem eine Filtereinrichtung zum Ausführen eines Filterprozesses bezüglich des differenzierten Werts aufweisen.
Der Ausdruck „Ausführen eines Filterprozesses bezüglich des differenzierten Werts" beinhaltet zusätzlich zu der Ausführung des Filterprozesses bezüglich des differenzierten Werts selbst den Filterprozess bezüglich der Photodetektorsignale, die dazu dienen, den differenzierten Wert zu berechnen, das Ausführen des Filterprozesses bezüglich des differenzierten Werts, von dem ein Anfangswert subtrahiert wurde, und dergleichen.
In dem erfindungsgemäßen Sensor kann die Filtereinrichtung beispielsweise von einem Tiefpassfilter Gebrauch machen, welches ein Signal mit einer Frequenz von 100 Hz oder weniger durchlässt. Das Tiefpassfilter kann ein Filter sein, welches ein Signal mit einer Frequenz von 10 Hz oder weniger durchlässt.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor unter Ausnutzung von ATR wird die Photodetektoreinrichtung in Form eines Arrays, bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Lichtempfangselementen, verwendet, und die von den Lichtempfangselementen ausgegebenen Photodetektorsignale werden in Anordnungsrichtung der Lichtempfangselemente mit Hilfe der Differenziereinrichtung differenziert. Eine zeitliche Änderung des differenzierten Werts wird gemessen, um die Eigenschaften einer Probe zu analysieren. Aus diesem Grund wird zunächst der Anfangswert eines differenzierten Werts gemessen. Jedes Mal, wenn ein differenzierter Wert gemessen wird, wird der Anfangswert von dem differenzierten Wert, der von der Differenziereinrichtung ausgegeben wird, subtrahiert. Im Ergebnis enthält der differenzierte Wert, von dem der Anfangswert subtrahiert wurde, keine Schwankung des Absolutwerts entsprechend der Lagebeziehung zwischen dem Photodetektorelement und einer Dunkellinie, und wird zu einem Wert, der ausschließlich eine zeitliche Änderung des differenzierten Werts gegenüber dem Zeitpunkt des Beginns der Messungen wiedergibt. Deshalb hat der Wert nach der Subtraktion einen geringen Absolutwert im Vergleich zu einem differenzierten Wert ohne Subtraktion, und der Wert kann mit einem ausreichend hohen Verstärkungsfaktor verstärkt werden. Damit lässt sich eine zeitliche Änderung des differenzierten Werts mit hoher Empfindlichkeit messen, und es kann eine exakte Analyse einer Probe vorgenommen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird anhand der begleitenden Zeichnungen in weiterer Einzelheit beschrieben. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Oberflächenplasmonenresonanz-Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Blockdiagramm des elektrischen Aufbaus des in 1 gezeigten Sensors;
3A eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Einfallswinkel eines Lichtstrahls und Intensität des Lichtstrahls, gewonnen mit dem in 1 gezeigten Oberflächenplasmonenresonanz-Sensors;
3B ein Diagramm eines Photodiodenarrays, welches in dem in 1 gezeigten Sensor eingesetzt wird;
3C eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Einfallswinkel des Lichtstrahls und dem differenzierten Wert am Ausgang der Photodetektoreinrichtung;
4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Zeit und einem Änderungsmaß des differenzierten Werts;
5 eine seitliche Ansicht eines Oberflächenplasmonenresonanz-Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6 ein Blockdiagramm des elektrischen Aufbaus des in 5 gezeigten Sensors;
7 ein Blockdiagramm der Nullpunkt-Korrekturschaltung des in
5 gezeigten Sensors;
8 eine Seitenansicht, die einen Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
9 ein Blockdiagramm, welches den elektrischen Aufbau des in 8 gezeigten Sensors veranschaulicht;
10A u. 10B Schaltungsdiagramme eines Tiefpassfilters, der in dem in 8 gezeigten Sensor verwendet wird;
11 eine Seitenansicht eines Oberflächenplasmonenresonanz-Sensors gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
12 ein Blockdiagramm des elektrischen Aufbaus des in 11 gezeigten Sensors; und
13 eine Seitenansicht eines Leckwellensensors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nunmehr im Einzelnen auf die Zeichnungen und zunächst auf 1 Bezug nehmend, ist ein Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor (im Folgenden einfach: Sensor) gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Sensor besitzt einen dielektrischen Block 10 und einen Metallfilm 12. Der dielektrische Block 10 ist z. B. in Form eines quadratischen Pyramidenstumpfs ausgebildet. Der Metallfilm 12 ist auf einer Fläche (der oberen Fläche in 1) des dielektrischen Blocks 10 ausgebildet und besteht z. B. aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium oder dergleichen.
Der dielektrische Block 10 ist beispielsweise aus einem transparenten Harzmaterial gebildet, er ist an einem Bereich 10A verdickt, um einen Probenhalteteil zu bilden, in dem eine Flüssigprobe 11 aufgenommen ist. Bei der ersten Ausführungsform ist auf dem Metallfilm 12 ein Sensormedium 30 platziert (dieses wird weiter unten noch beschrieben).
Der dielektrische Block 10 und der Metallfilm 12 bilden einen Wegwert-Messchip. Mehrere Messchips sind in Chiphaltelöcher 31a eingesetzt, die in einem Drehtisch 31 ausgebildet sind. Mit den so in die Chiphaltelöcher 31a des Drehtischs 31 eingesetzten dielektrischen Blöcken 10 wird der Drehtisch 31 jeweils um einen vorbestimmten Winkel intermittierend gedreht. Wenn ein dielektrischer Block 10 an einer vorbestimmten Stelle angehalten wird, wird die Flüssigprobe 12 in den dielektrischen Block 10 eingetropft und von dem Probenhalteteil 10a gehalten. Wenn der Drehtisch 31 um einen vorbestimmten Winkel weitergerückt wird, wird der dielektrische Block 10 zu der in 1 dargestellten Messposition bewegt und dort angehalten.
Der Sensor der ersten Ausführungsform ist zusätzlich zu dem dielektrischen Block 10 mit einer Lichtquelle 14, bestehend aus beispielsweise einem Halbleiterlaser, zum Emittieren eines Lichtstrahls 13 ausgestattet, ferner mit einer Optik 15, die den Lichtstrahl 13 dazu bringt, in den dielektrischen Block 10 derart einzutreten, dass verschiedene Eintrittswinkel in Bezug auf eine Grenzschicht 10b zwischen dem dielektrischen Block 10 und dem Metallfilm 12 erhalten werden; und einer Kollimatorlinse 16 zum Kollimieren des Lichtstrahls 13, so dass dieser an der Grenzfläche 10b die Bedingung für innere Totalreflexion erfüllt.
Der Sensor ist außerdem ausgestattet mit einer Photodetektoreinrichtung 17 zum Detektieren des kollimierten Lichtstrahls 13, mit einem Differenzverstärkerarray (einer Differenziereinrichtung) 18, das an die Photodetektoreinrichtung 17 angeschlossen ist; einem Treiber (einer Messeinrichtung) 19, einem Signalverarbeitungsabschnitt 20, aufgebaut aus einem Computersystem und dergleichen; eine Anzeigeeinrichtung 21, die an den Signalverarbeitungsabschnitt 20 angeschlossen ist; und einer Korrekturschaltung 5, die an den Signalverarbeitungsabschnitt 20 und den Treiber 19 angeschlossen ist.
2 zeigt den elektrischen Schaltungsaufbau des in 1 gezeigten Sensors. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Treiber 19 aus Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ... zum Halten der Ausgangssignale der Differenzverstärker 18a, 18b, 18, ... des Differenzialverstärkerarrays 18 gebildet, außerdem durch einen Multiplexer 23, in den die Ausgangssignale der Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ... eingegeben werden; und einem A/D-Wandler 24 zum Digitalis sieren des Ausgangssignals des Multiplexers 23 und zum anschließenden Eingeben des digitalisierten Ausgangssignals in den Signalverarbeitungsabschnitt 20. Der Treiber 19 ist weiterhin aufgebaut aus einer Treiberschaltung 25 zum Treiben des Multiplexers 23 und der Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ...; einer Steuerung 26 zum Steuern des Betriebs der Treiberschaltung 25 abhängig von einem von dem Signalverarbeitungsabschnitt 20 gelieferten Steuersignals; einem Subtrahierer 28 zum Subtrahieren des Anfangswerts eines von der Korrekturschaltung 5 ausgegebenen differenzierten Werts von einem differenzierten Wert I', der von dem Multiplexer 23 geliefert wird; und einem Verstärker 29 zum Verstärken des Ausgangssignals des Subtrahierers 28. Der Verstärker 29 wird von dem Signalverarbeitungsabschnitt 20 gesteuert und kann einen der Verstärkungsfaktoren 1, 10 und 100 auswählen.
Die Korrekturschaltung 5 besteht aus einem D/A-Wandler 7 zum Umwandeln des Ausgangssignals des Signalverarbeitungsabschnitts 20 in ein Analogsignal, und einem Dämpfungsglied 6 zum Dämpfen des Ausgangssignals des D/A-Wandlers 7. Das Dämpfungsglied 6 wird von dem Signalverarbeitungsabschnitt 20 gesteuert und kann einen der Dämpfungsfaktoren 1, 1/10 und 1/100 auswählen.
Wie in 1 gezeigt ist, wird der von der Laserlichtquelle 14 divergent oder gestreut emittierte Lichtstrahl 13 auf die Grenzfläche 10b zwischen dem dielektrischen Block 10 und dem Metallfilm 12 mit Hilfe der Optik 15 gebündelt. Auf diese Weise enthält der Lichtstrahl 13 Komponenten, die unter verschiedenen Einfall- oder Auftreffwinkeln θ in Bezug auf die Grenzfläche 10b auftreffen. Die Auftreffwinkel θ sind gleich oder größer als ein kritischer Auftreffwinkel, bei dem innere Totalreflexion stattfindet. Folglich wird der Lichtstrahl 13 an der Grenzfläche 10b reflektiert, so dass innere Totalreflexion erhalten wird. Der reflektierte Lichtstrahl 13 enthält Komponenten, die unter verschiedenen Winkeln reflektiert sind.
Man beachte, dass der Lichtstrahl 13 p-polarisiert wurde und dann auf die Grenzfläche 10b auftrifft. Aus diesem Grund muss die Laserlichtquelle 14 derart angeordnet sein, dass ihre Polarisationsrichtung einer vorbestimmten Richtung entspricht. Alternativ lässt sich die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls 13 mit Hilfe einer Wellenlängenplatte, einer Polarisationsplatte oder dergleichen steuern.
Der an der Grenzfläche 10b innere Totalreflexion erleidende Lichtstrahl wird von der Kollimatorlinse 16 kollimiert und von der Photodetektoreinrichtung 17 detektiert. Die Photodetektoreinrichtung 17 der ersten Ausführungsform ist ein Photodiodenarray, bestehend aus mehreren nebeneinander in einer Reihe angeordneten Photodioden 17a, 17b, 17c ... Wie in 1 gezeigt ist, verläuft die Richtung der Anordnung der Photodioden nebeneinander etwa rechtwinklig zur Laufrichtung des kollimierten Lichtstrahls 13. Deshalb werden sämtliche Komponenten des Lichtstrahls 13, die die Bedingung für innere TotalReflexion bei verschiedenen Auftreffwinkeln 10b erfüllen, von den verschiedenen Photodioden 17a, 17b, 17c ... empfangen.
Die Ausgangssignale der Photodioden 17a, 17b, 17c ... werden in die Differenzverstärker 18a, 18b, 18c ... des Differenzialverstärkerarrays 18 eingegeben. Man beachte, dass die Ausgangsgrößen der beiden benachbarten Photodioden gemeinsam auf einen einzelnen Differenzverstärker gegeben werden. Deshalb werden die Ausgangssignale der Differenzverstärker 18a, 18b, 18c als Werte betrachtet, die man erhält durch Differenzieren der Photodetektorsignale aus den Photodioden 17a, 17b, 17c ... in der Richtung, in der die Photodioden nebeneinander angeordnet sind.
Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 18a, 18b, 18c ... werden zu vorbestimmten Zeitpunkten von den Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ... gehalten und werden in den Multiplexer 23 eingegeben, der die gehaltenen Ausgangssignale der Differenzverstärker 18a, 18b, 18c ... in einer vorbestimmten Reihenfolge ausgibt. Dabei wird der Subtrahierer 28 nicht betrieben, und der Verstärker 29 ist auf einen Verstärkungsfaktor von 10 eingestellt. In diesem Zustand werden die Ausgangssignale der Differenzverstärker 18a, 18b, 18c ... von dem Verstärker 29 verstärkt und in den A/D-Wandler 24 hereingegeben, der die Ausgangssignale digitalisiert und die digitalen Signale dann an den Signalverarbeitungsabschnitt 20 liefert. Die Schaltung von dem Operationsverstärkerarray 18 ist zu der dem A/D-Wandler 24 vorausgehenden Stufe, d. h. das Operationsverstärkerarray 18, die Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ..., der Subtrahierer 28 und der Verstärker 29, sind durch Analogschaltungen gebildet.
3A zeigt die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel θ des Lichtstrahls 13 bezüglich der Grenzfläche 10b und der oben angesprochenen Lichtintensität I. Licht, welches unter einem spezifischen Winkel θ_sp an der Grenzfläche 10b zwischen dem Metallfilm 12 und der Probe 11 auftrifft, regt an der Grenzfläche 10b Oberflächenplasmonen an. Aus diesem Grund fällt für unter dem spezifischen Winkel θ_sp einfallendes Licht die Intensität I des reflektierten Lichts scharf ab. Das heißt: Der spezifische Einfallswinkel θ_sp ist ein Einfallswinkel, bei dem ATR stattfindet. Bei dem spezifischen Einfallswinkel θ_sp nimmt die Intensität I des reflektierten Lichts den Minimumwert an. Der scharfe Abfall der Reflexionslichtintensität I wird als Dunkellinie im reflektierten Licht beobachtet, wie bei D in 1 gezeigt ist.
3B zeigt die Richtung, in der die Photodioden 17a, 17b, 17c ... nebeneinander angeordnet sind. Wie bereits beschrieben, entsprechen die Positionen der Photodioden 17a, 17b, 17c ..., die rechtwinklig zu dem reflektierten Licht angeordnet sind, den oben angesprochenen Einfallswinkeln θ.
3C zeigt die Beziehung zwischen den nebeneinander liegenden Stellen der Photodioden 17a, 17b, 17c ... (d. h. der Einfallswinkel θ) und den Ausgangssignalen I' der Differenzverstärker 18a, 18b, 18c ... (das sind die differenzierten Werte der Reflexionslichtintensitäten I).
Vor der Messung führt der Signalverarbeitungsabschnitt 20 ein Verfahren zum Einstellen eines Anfangswerts I'r für einen differenzierten Wert I' durch. Der Si gnalverarbeitungsabschnitt 20 stellt erst den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 29 auf 10 und den Dämpfungsfaktor des Dämpfungsglieds 6 auf 1/10 ein. Basierend auf dem differenzierten Wert I' (× 10), der von dem A/D-Wandler 24 eingegeben wird, wählt der Signalverarbeitungsabschnitt 20 einen Differenzverstärker der Differenzverstärker 18a, 18b, 18c ... aus, der einen differenzierten Wert I'min nahe eines Punkts ausgibt, an welchem eine Änderung der Reflexionslichtintensität I einen Übergang von Abnahme auf Zunahme vollzieht, das ist ein differenzierter Wert I'min in größter Nähe des differenzierten Werts I' = 0 entsprechend dem spezifischen Einfallswinkel θ_sp, bei dem ATR stattfindet. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel wird der Verstärker 18e ausgewählt.
Der differenzierte Wert I'min, der von dem Differenzverstärker 18e ausgegeben wird, wird von dem Verstärker 29 um einen Faktor 10 verstärkt und in den Signalverarbeitungsabschnitt 20 eingegeben, welcher einen Anfangswert I'r gleicher Spannung wie der differenzierte Wert "min (× 10) an den D/A-Wandler 7 gibt. Der analoge Ausgangswert (I'r) des D/A-Wandlers 7 wird von dem Dämpfungsglied 6, das eine Analogschaltung ist, um einen Faktor 1/10 gedämpft. In dem als Analogschaltung ausgebildeten Subtrahierer 28 wird das Ausgangssignal des Dämpfungsglieds 67 subtrahiert von dem differenzierten Wert I'min, der von dem Multiplexer 23 ausgegeben wird. Aus diesem Grund wird ein Subtraktionswert des Anfangswerts I'r (× 1/10) und dem differenzierten Wert I'-min, der von dem Differenzverstärker 18e ausgegeben wird, erneut an den Signalverarbeitungsabschnitt 20 gegeben. Der Signalverarbeitungsabschnitt 20 führt eine Feinjustierung auf die Spannung des Anfangswertes I'r aus, so dass der Wert des Eingangssignals 0 wird, anschließend speichert er den Anfangswert I'r in einem (nicht gezeigten) Speicherteil. Die Feineinstellungen für den Anfangswert I'r können den Einfluss von Offsets etc. des Verstärkers 29, des A/D-Wandlers 24, des Signalverarbeitungsabschnitts 20, des D/A-Wandlers 7, des Dämpfungsglieds 6 und des Subtrahierers 28 beseitigen.
Man beachte, dass durch Einstellen des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 20 auf 10 und des Dämpfungsfaktors des Dämpfungsglieds 6 auf 1/10 Feineinstellungen des Anfangswerts auch dann vorgenommen werden, wenn ein Wandler mit einer geringeren Anzahl von Bits als D/A-Wandler 7 verwendet wird. Darüber hinaus kann dann, wenn der Absolutwert des differenzierten Werts I', der von dem Multiplexer 23 ausgegeben wird, groß ist, der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 29 auf 1 und gleichzeitig auch der Dämpfungsfaktor des Dämpfungsglieds 6 auf 1 eingestellt werden.
Nach dem Einstellen des Anfangswerts I'r stellt der Signalverarbeitungsabschnitts 20 den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 29 auf 100 ein und startet die Messungen. Der Verstärkungsfaktor des Dämpfungsglieds 6 wird auf 1/10 gehalten. Der Signalverarbeitungsabschnitt 20 veranlasst den Multiplexer 23 zur Abgabe des differenzierten Werts I' aus dem Differenzverstärker 18e über die Steuerung 26 und die Treiberschaltung 25. Der Signalverarbeitungsabschnitt 20 gibt auch den Anfangswert I'r aus, der in dem (nicht gezeigten) Speicherteil gespeichert ist, und der Wert wird an den D/A-Wandler 7 gegeben. Der Anfangswert I'r wird an dem Dämpfungsglied 6 um einen Faktor 1/10 gedämpft, und im Subtrahierer 28 wird der gedämpfte Anfangswert I'r von dem differenzierten Wert I' subtrahiert. Auf diese Weise wird von dem Subtrahierer 28 eine Größenänderung ΔI' des differenzierten Werts I' ausgegeben. Die Größenänderung ΔI' wird von dem Verstärker 29 mit 100 multipliziert und an den A/D-Wandler 24 gegeben, wo er digitalisiert wird. Die Signalverarbeitungseinheit 20 misst die Größenänderung ΔI', die mit 100 multipliziert wurde. Jede mit 100 multiplizierte Größenänderung ΔI' wird auf der Anzeigeeinrichtung 21 gemäß 4 angezeigt.
Zur Zeit der ersten Messung ist der angezeigte Wert unabhängig vom Betrag des differenzierten Werts I' aus dem Differenzverstärker 18e annähernd 0. Danach wird jedesmal, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, eine Größenänderung ΔI' in dem differenzierten Wert I' aus der ersten Messung bis zur nächsten Messung um einen Faktor 100 verstärkt und als Graph von der Anzeigeeinrichtung 21 angezeigt.
Wenn die Dielektrizitätskonstante oder der Brechungsindex, der mit dem Metallfilm 1 (siehe 1) in Berührung stehenden Substanz sich ändert und deshalb die Kurve nach 3A in horizontaler Richtung verschoben wird, nimmt der differenzierte Wert I' abhängig von der Verschiebung zu oder ab. Durch kontinuierliches Messen einer Größenänderung ΔI' des differenzierten Werts I' im Verlauf der Zeit kann also eine Änderung des Brechungsindex der mit dem Metallfilm 12 in Berührung stehenden Substanz, d. h. eine Änderung der Eigenschaft der Substanz, nachgewiesen werden.
Bei der ersten Ausführungsform wird insbesondere das Sensormedium 30, welches mit einer spezifischen Substanz in der Flüssigprobe 12 eine Kopplung eingeht, auf dem Metallfilm 12 platziert, und entsprechend dem Kopplungszustand ändert sich der Brechungsindex des Sensormediums 30. Durch kontinuierliches Messen einer Größenänderung ΔI' des differenzierten Werts I' lässt sich also ermitteln, wie sich der Kopplungszustand ändert.
Wie oben beschrieben wurde, verwendet die erste Ausführungsform das Photodiodenarray, bestehend aus einer Mehrzahl von Photodioden 17a, 17b, 17c, ..., die in einer Reihe als Photodetektoreinrichtung 17 nebeneinander angeordnet sind. Selbst wenn daher die Kurve nach 3A in horizontaler Richtung abhängig von der Änderung der Flüssigprobe 11 stark verschoben wird, lässt sich die Dunkellinie nachweisen. Das heißt: Die Verwendung der Photodetektoreinrichtung 17 in Form eines Arrays ermöglicht es, einen starken dynamischen Bereich der Messungen zu erreichen.
Man beachte, dass das Differenzverstärkerarray 18, bestehend aus den Differenzverstärkern 18a, 18b, 18c ... ersetzt werden kann durch einen einzelnen Differenzverstärker. In diesem Fall werden die Ausgangssignale der Photodioden 17a, 17b, 17c ... von einem Multiplexer weitergeschaltet, so dass zwei benachbarte Ausgangsgrößen sequentiell an den einzelnen Differenzverstärker gegeben werden.
In dem Sensor der ersten Ausführungsform wählt, wie oben beschrieben wurde, zur Zeit des Messbeginns der Signalverarbeitungsabschnitt 20 den Differenzverstärker 18e aus, bei dem ein differenzierter Wert I'min nah einem Punkt mit einer Änderung der Reflexionslichtintensität I von Abnahme zu Zunahme, d. h. ein differenzierter Wert I'min in größter Nähe des differenzierten Werts I' = 0 entsprechend dem spezifischen Einfallswinkel θ_sp, bei dem ATR stattfindet. Basierend auf dem differenzierten Wert, der von dem Differenzverstärker 18e ausgegeben wird, wird ein Anfangswert des differenzierten Werts berechnet und in dem (nicht gezeigten) Speicherteil gespeichert. Anschließend wird nach jedem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne eine Größenänderung ΔI' des differenzierten Werts I' zunächst dadurch berechnet, dass der Anfangswert von dem von dem Differenzverstärker 18e kommenden differenzierten Werts I' subtrahiert wird. Anschließend wird eine Größenänderung ΔI' um einen Faktor 100 verstärkt und von dem A/D-Wandler 24 digitalisiert. Die digitalisierte Grö ßenänderung ΔI' wird auf der Anzeigeeinrichtung 21 angezeigt. Auf diese Weise kann eine im Verlauf der Zeit eintretende Änderung des differenzierten Werts mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden, ohne dass nachgeordnete elektrische Schaltungen in Sättigung gehen. Während bei der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform der dielektrische Block 10 und der Metallfilm 12 einen Wegwert-Messtyp bilden, lassen sich die gleichen Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform auch dann erreichen, wenn der dielektrische Block 10 in den Hauptkörper des Oberflächenplasmonenresonanz-Sensors inkorporiert ist.
5 bis 7 zeigen einen zweiten Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In 5 und 6 sind den gleichen Teilen wie in den 1 und 2 gleiche Bezugszeichen beigefügt, ihre Beschreibung erfolgt nur, soweit dies besonders notwendig erscheint.
Wie in 5 gezeigt ist, ist der Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor der zweiten Ausführungsform mit einem dielektrischen Körper 10, einer Laserlichtquelle 14, einer Optik 15 und einer Kollimatorlinse 16 zum Kollimieren eines Lichtstrahls 13 ausgestattet. Außerdem besitzt der Sensor eine Photodetektoreinrichtung 17 zum Detektieren des kollimierten Lichtstrahls 13, ein Differenzverstärkerarray oder eine Differenziereinrichtung 18, die an die Photodetektoreinrichtung 17 angeschlossen ist, einen Signalverarbeitungsabschnitt 51 in Form eines Computersystems und eines Treibers (einer Messeinrichtung) 50, und einer Anzeigeeinrichtung 21, die an den Signalverarbeitungsabschnitt 51 angeschlossen ist.
6 zeigt den elektrischen Schaltungsaufbau des Oberflächenplasmonenresonanz-Sensors der in 5 gezeigten zweiten Ausführungsform. Wie aus 6 hervorgeht, besteht der Treiber 50 aus Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ...; einem Multiplexer 23, dem die Ausgangssignale der Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ... zugeführt werden, und einem A/D-Wandler 24 zum Digitalisieren des Ausgangssignals des Multiplexers 23 und zum anschließenden Eingeben des digitalisierten Ausgangssignals in den Signalverarbeitungsabschnitt 51. Der Treiber 50 besteht außerdem aus einer Treiberschaltung 25 zum Treiben des Multiplexer 23 und der Abtast- und Halteschaltung 22a, 22b, 22c ...; einer Steuerung 26 für Steuervorgänge der Treiberschaltung 25 abhängig von einem von dem Signalverarbeitungsabschnitt 51 kommenden Steuersignal; einer Nullpunkt-Korrekturschaltung 52 zum Ausgeben einer Differenz zwischen einem differenzierten Wert I', der von dem Multiplexer 23 ausgegeben wird, und einem Anfangswert des differenzierten Werts, der bei der ersten Messung eingestellt wird; und einem Verstärker 29 zum Verstärken des Ausgangssignals der Nullpunkt-Korrekturschaltung 52.
Wie in 7 gezeigt ist, ist die Nullpunkt-Korrekturschaltung 52 aufgebaut mit einem Schalter 55, der an die Signalverarbeitungsschaltung 51 angeschlossen ist, einem ersten Differenzierer 56 zum Ausgeben einer Differenz zwischen dem Anfangswert eines differenzierten Werts und einem Nullpunkt; einer Abtast- und Halteschaltung 57 zum Halten des von dem Differenzierers 56 ausgegebenen Werts; und einem zweiten Differenzierer 58 zum Berechnen einer Differenz zwischen einem gemessenen differenzierten Wert und einem Anfangswert des differenzierten Werts. Diese Schaltungen der Nullpunkt-Korrekturschaltung 52 sind analoge Schaltkreise. Der andere Anschluss des Differenzierers 56, der nicht mit dem Schalter 55 verbunden ist, liegt auf Masse.
Vor den Messungen führt der Signalverarbeitungsabschnitt 51 eine Einstellung eines Anfangswerts I'r für den differenzierten Wert I' durch. Der Signalverarbei tungsabschnitt 51 stellt als Erstes den Verstärkungsfaktor 29 auf 10 ein. Basierend auf dem differenzierten Wert I' (× 10), der von dem A/D-Wandler 24 eingegeben wird, wählt der Signalverarbeitungsabschnitt 51 einen Differenzverstärker unter den Differenzverstärkern 18a, 18b, 18c ... aus, welcher einen differenzierten Wert (Differenzwert) in der Nähe eines Punkts ausgibt, an welchem eine Änderung der Reflexionslichtintensität I einem Übergang von Abnahme auf Zunahme entspricht, das ist ein differenzierter Wert I'min in größter Nähe des Differenzwerts I' = 0 entsprechend dem spezifischen Einfallswinkel θ_sp, bei dem ATR auftritt. Beispielsweise wird der Differenzverstärker 18e ausgewählt.
Als Nächstes bewirkt der Signalverarbeitungsabschnitt 51, dass der Schalter 55 der Nullpunkt-Korrekturschaltung 52 eingeschaltet wird. Der erste Differenzierer 56 gibt die Differenz zwischen dem differenzierten Wert I'min, der von dem Differenzverstärker 18a geliefert wird, und einem Nullpunkt, das ist ein Anfangswert I'r, aus. Der Anfangswert I'r (die Differenz) wird von der Abtast- und Halteschaltung 57 gehalten. Im Anschluss daran bewirkt der Signalverarbeitungsabschnitt 51, dass der Schalter 55 ausgeschaltet wird.
Nach dem Einstellen des Anfangswerts I'r stellt der Signalverarbeitungsabschnitt 51 den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 29 auf 100 ein und startet die Messungen. Der Signalverarbeitungsabschnitt 51 veranlasst den Multiplexer 23 zur Ausgabe des von dem Differenzverstärker 18e gelieferten differenzierten Werts I' über die Steuerung 26 und die Treiberschaltung 25. Weil der Schalter 25 ausgeschaltet ist, wird der differenzierte Wert I' nur an die Differenzierschaltung (Differenzbildungsschaltung) 58 gegeben. Der zweite Differenzierer 58 gibt die Differenz zwischen dem differenzierten Wert I' und dem Anfangswert I'r aus. Das heißt: Eine Größenänderung ΔI des differenzierten Werts I' wird ausgegeben. Die Größenänderung ΔI' wird am Verstärker 29 mit 100 multipliziert und in den A/D-Wandler 24 eingegeben, wo er digitalisiert wird. Die Signalverarbeitungseinheit 51 misst die mit 100 multiplizierte Größenänderung ΔI'. Der Messwert wird auf der Anzeigeeinrichtung 21 angezeigt.
Zum Zeitpunkt der ersten Messung ist der angezeigte Wert unabhängig von dem Betrag des von dem Differenzverstärker 18e ausgegebenen Differenzwerts I'0. Anschließend wird jedesmal, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, eine Größenänderung ΔI' des differenzierten Werts I' von der ersten Messung zur nächsten Messung um einen Faktor 100 verstärkt und auf der Anzeigeeinrichtung 21 dargestellt.
In dem Sensor der zweiten Ausführungsform wählt, wie oben beschrieben wurde, zum Beginn der Messungen der Signalverarbeitungsabschnitt 51 den Differenzverstärker 18e aus, der einen Differenzwert I'min nahe einem Punkt ausgibt, an dem eine Änderung der Reflexionslichtintensität I einem Übergang von Abnahme auf Zunahme entspricht, d. h. einem Differenzwert I'min, der dem Differenzwert I' = 0, welcher dem spezifischen Einfallswinkel θ_sp, bei dem ATR stattfindet, entspricht, am nächsten kommt. Die Differenz (der Anfangswert) zwischen dem von dem Differenzverstärker 18e ausgegebenen differenzierten Wert und einem Nullpunkt wird von der Abtast- und Halteschaltung 57 gehalten. Nach jedem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne wird eine Größenänderung ΔI' des differenzierten Werts I' dadurch ermittelt, dass die Differenz gebildet wird zwischen dem differenzierten Wert I', der von dem Differenzverstärker 18e ausgegeben wird, und dem Anfangswert. Dann wird die Größenänderung ΔI' um einen Faktor 100 verstärkt und von dem A/D-Wandler 24 digitalisiert. Die digitalisierte Größenänderung ΔI' wird auf der Anzeigeeinrichtung 21 angezeigt. Auf diese Weise lässt sich eine Änderung des differenzierten Werts im Lauf der Zeit mit hoher Empfindlichkeit messen, ohne das nachgeordnete elektrische Schaltungsteile in Sättigung gelangen. Im Ergebnis kann eine exakte Analyse einer Probe vorgenommen werden.
8 bis 10 zeigen einen Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor, der nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist. Bei dem Sensor der dritten Ausführungsform ist ein Filterteil 60 dem Sensor der ersten Ausführungsform nach 1 hinzugefügt. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie der des Sensors der ersten Ausführungsform. Man beachte in den 8 und 9, dass gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile wie in den 1 und 2 stehen, und dass deren Beschreibung nur erfolgt, falls dies besonders notwendig erscheint.
Wie in 8 und 9 gezeigt ist, besteht der Filterteil 60 aus Tiefpassfiltern 60a, 60b, 60c ... und befindet sich zwischen einem Differenzverstärkerarray 18 und einem Treiber 19. Die Tiefpassfilter 60a, 60b, 60c ... befinden sich zwischen den Differenzverstärkern 18a, 18b, 18c ... und Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ... Jedes Tiefpassfilter ist ein Analog-Tiefpassfilter, bestehend aus einer Spule 62 und einer Kapazität 63, wie in 10A gezeigt ist. Das Tiefpassfilter ermöglicht es nur einem Signal mit einer Frequenz von 100 Hz oder weniger, durchgelassen zu werden.
In dem Sensor der dritten Ausführungsform werden nur Signale von 100 Hz oder weniger in den differenzierten Werten I', die von den Differenzverstärkern 18a, 18b, 18c ... ausgegeben werden, durch die Tiefpassfilter 60a, 60b, 60c ... hindurchgelassen und sie werden an die Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ... gegeben. Nach den Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ... erfolgt der gleiche Ablauf wie bei der ersten Ausführungsform mit den Differenzwerten I', aus denen Signale mit mehr als 100 Hz von den Tiefpassfiltern 60a, 60b, 60c ... beseitigt wurden. Eine Größenänderung ΔI' des Differenzwerts I' wird gemessen und auf der Anzeigeeinrichtung 21 angezeigt.
Auf diese Weise wird bei der dritten Ausführungsform Rauschen mit einer Frequenz von mehr als 100 Hz, welches zur Überlagerung an den Photodioden 17a, 17b, 17c ... und den Differenzverstärkern 18a, 18b, 18c ... gelangt, beseitigt. Man beachte, dass der Differenzwert I' nicht in einem Hochfrequenzsignal enthalten ist, so dass ausschließlich Rauschen entfernt wird. Der Rauschabstand (S/N) des Differenzwerts I' wird verbessert, und folglich wird auch der Rauschabstand einer Größenänderung ΔI' des differenzierten Werts I' verbessert. Damit lässt sich eine Änderung des Differenzwerts mit Verstreichen der Zeit bei höherer Empfindlichkeit messen.
Wenn die Durchlassbänder der Tiefpassfilter 60a, 60b, 60c ... 10 Hz oder weniger betragen, kann Rauschen mit einer Frequenz von mehr als 10 Hz beseitigt werden, wodurch sich der Rauschabstand für den differenzierten Wert I' zusätzlich verbessern lässt.
Man beachte, dass die Tiefpassfilter 60a, 60b, 60c ... Filter mit Operationsverstärkern sein können, wie dies in 10b gezeigt ist. Außerdem kann abhängig von dem Frequenzband des Rauschens, welches möglicherweise in dem Differenzwert I' enthalten ist, auch ein variables Bandpassfilter verwendet werden, dessen Wellenlängen-Durchlassband veränderlich ist. Außerdem können die Tiefpassfilter 60a, 60b, 60c ... an einer anderen Stelle als zwischen den Differenzverstärkern 18a, 18b, 18c ... und den Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ... angeordnet sein. Beispielsweise können sie sich zwischen den Abtast- und Halteschaltungen 22a, 22b, 22c ... und dem Multiplexer 23 befinden, oder zwischen den Photodioden 17a, 17b, 17c ... und den Differenzverstärkern 18a, 18b, 18c. Wenn die Tiefpassfilter hinter dem Multiplexer 23 liegen, kann auch ein einzelnes Tiefpassfilter verwendet werden. In diesem Fall lässt sich der Filterteil 60 baulich vereinfachen.
11 und 12 zeigen einen Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor der vierten Ausführungsform besitzt zusätzlich einen Filterteil 61 gegenüber der ersten Ausführungsform nach 1. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie der der ersten Ausführungsform. Man beachte in den 11 und 12, dass gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile wie in den 1 und 2 stehen, und dass deren Beschreibung nur erfolgt, falls dies besonders notwendig erscheint.
Der Filterteil 61 ist ein digitales Tiefpassfilter, welches es nur einem Signal mit einer Frequenz von 100 Hz oder weniger gestattet, hindurch zu gelangen. Wie in den 11 und 12 gezeigt ist, befindet sich der Filterteil 61 zwischen einem Treiber 19 und einem Signalverarbeitungsabschnitt 20. Das Digitalfilter des Filterteils 61 kann von einem Butterworth-Filter Gebrauch machen, bei dem die Dämpfungskennlinie im Durchlassband bei Gleichstrom an glattesten ist, während sich die Dämpfung im Sperrband jeweils monoton ändert, oder es kann ein Bessel-Filter sein, bei dem die Gruppenlaufzeitverzögerung im Durchlassband sich ebenso wie im Sperrband monoton ändert. Das Digitalfilter kann auch von einer Additions-Mittelwertschaltung Gebrauch machen, die einen Additions-Durchschnittswert oder -Mittelwert der Signalwerte aus N-Signalen vor und hinter einem vorbestimmten Signal berechnet und den Additions-Mittelwert ausgibt, oder es kann eine Wichtungsschaltung sein, die einen Signalwert dadurch berechnet, dass sie eine Wichtung von N-Signalen vor und nach einem vorbestimmten Signal vornimmt und den Signalwert ausgibt.
In dem Sensor der vierten Ausführungsform werden nur Signale von 100 Hz oder weniger mit einer Größenänderung ΔI' in den differenzierten Werten I' aus dem A/D-Wandler 24 des Treibers durch den Filterteil 61 hindurchgelassen und an den Signalverarbeitungsabschnitt 20 ausgegeben, in welchem der gleiche Prozess wie bei der ersten Ausführungsform ausgeführt und eine Größenänderung ΔI' der Differenzwerte I' auf der Anzeigeeinrichtung 21 dargestellt wird.
Auf diese Weise wird bei der vierten Ausführungsform Rauschen mit einer Frequenz oberhalb von 100 Hz, welches dem Signal vor dem Eingang des Signalverarbeitungsabschnitts 20 überlagert ist, aus der Größenänderung ΔI' des Differenzwerts I' beseitigt. Man beachte, dass die Größenänderung ΔI' in dem Differenzwert I' nicht in einem Hochfrequenzsignal enthalten ist, so dass ausschließlich Rauschen entfernt wird. Der Rauschabstand (S/N-Verhältnis) für eine Größenänderung ΔI' in dem Differenzwert I' wird verbessert. Damit lässt sich eine Änderung des Differenzwerts im Verlauf der Zeit mit höherer Empfindlichkeit messen.
Wenn außerdem das Durchlassband des Filterteils 61 einen Wert von 10 Hz oder weniger hat, lässt sich Rauschen mit einer Frequenz von mehr als 10 Hz beseitigen, so dass sich der Rauschabstand für eine Größenänderung ΔI' des Differenzwertes I' zusätzlich verbessern lässt.
Man beachte, dass bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen die dielektrischen Blöcke 10 und der Metallfilm 12 das Wegwert-Messchip bilden. Aber auch dann, wenn die dielektrischen Blöcke 10 nicht als Chips ausgebildet sind, sondern in den Sensor eingebaut sind, lassen sich ähnliche Effekte erzielen.
13 zeigt einen Sensor nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung. In der Figur sind gleiche Bezugszeichen für entsprechende Teile wie in 1 verwendet, ihre Beschreibung erfolgt jedoch nur dann, wenn dies besonders notwendig erscheint.
Der Sensor der fünften Ausführungsform unter Ausnutzung von ATR ist ein Leckwellensensor. Wie bei der ersten Ausführungsform, ist auch die fünfte Ausführungsform so aufgebaut, dass sie von mehreren dielektrischen Blöcken 10 als Messchips Gebrauch macht. Jeder dielektrische Block 10 besitzt auf seiner Oberfläche eine Mantelschicht 40 (d. h. auf der Oberseite in 11), und auf der Mantelschicht 40 ist eine optische Wellenleiterschicht 41 ausgebildet.
Der dielektrische Block 10 ist beispielsweise aus Kunstharz oder aus einem optischen Glas, wie z. B. BK7, gebildet. Die Mantelschicht 40 hat die Form einer Dünnschicht aus einem Dielektrikum mit einem geringeren Brechungsindex als der dielektrische Block 10, oder aber aus Metall, wie z. B. Gold und dergleichen. Die optische Wellenleiterschicht 41 ist ebenfalls als Dünnschicht aus einem Dielektrikum mit einem höheren Brechungsindex als die Mantelschicht 40 ausgebildet, so z. B. aus Polymethylmethacrylat (PMMA). Die Mantelschicht 40 hat eine Dicke von 36,5 nm, wenn sie aus einer dünnen Goldschicht besteht. Die optische Wellenleiterschicht 41 hat eine Dicke von etwa 700 nm, wenn sie aus PMMA gebildet ist.
In dem Leckwellensensor der fünften Ausführungsform erfüllt, wenn ein von einer Laserlichtquelle 14 emittierter Laserstrahl 13 die Mantelschicht 40 über den dielektrischen Block 10 unter Einfallswinkeln gleich oder größer einem Einfallswinkel trifft, bei dem innere TotalReflexion stattfindet, der Lichtstrahl 13 diese Bedingung an der Grenzfläche 10b zwischen dem dielektrischen Block 10 und der Mantelschicht 40. Allerdings pflanzt sich das Licht mit einer spezifischen Wellenzahl, welches über der Mantelschicht 40 unter einem spezifischen Einfallswinkel auf die optische Wellenleiterschicht 41 auftrifft, in einem Wellenleitermodus innerhalb der optischen Wellenleiterschicht 41 fort. Wenn auf diese Weise der Wellenleitermodus angeregt ist, wird der größere Teil des einfallenden Lichts in der optischen Wellenleiterschicht 41 eingegrenzt, und folglich kommt es zu ATR, wobei die Intensität des an der Grenzfläche 10b die Bedingung für innere Totalreflexion erfüllenden Lichts scharf abfällt.
Da die Wellenzahl des sich in der optischen Wellenleiterschicht 41 ausbreitenden Lichts von dem Brechungsindex eines Sensormediums 30 auf der optischen Wellenleiterschicht 41 abhängt, lässt sich der Brechungsindex des Sensormediums 30 basierend auf dem Differenzwert I', der von jedem Differenzverstärker des Differenzverstärkerarrays 18 ausgegeben wird, messen.
Bei der fünften Ausführungsform führen ebenso wie bei der ersten Ausführungsform der Signalverarbeitungsabschnitt 20 und die Korrekturschaltung 5 den gleichen Prozess bezüglich des Differenzwerts I' aus, um eine Größenänderung ΔI' des Differenzwerts I' zu erhalten. Die Größenänderung ΔI' wird darum um einen Faktor 100 verstärkt. Nach der A/D-Umwandlung wird der Messwert auf der Anzeigeeinrichtung 21 dargestellt. Auf diese Weise kann die fünfte Ausführungsform ebenso wie die erste Ausführungsform eine Änderung mit verstreichender Zeit in dem Differenzwert messen, das ist eine zeitliche Änderung des Zustands der ATR, ohne dass nachgeordnete elektrische Schaltungen in Messung gehen, und damit lässt sich dann der Kopplungszustand zwischen einer Target-Substanz und dem Sensormedium 30 messen.
In dem Substrahierer 28 des Treibers 19 der ersten Ausführungsform und der dritten bis fünften Ausführungsform wird ein Anfangswert I'r des differenzierten (Differenz-)Werts I', bei dem es sich um ein Analogsignal handelt, von dem ein Analogsignal bildenden Differenzwert I' subtrahiert. Wenn eine Subtraktion mit digitalen Signalen durchgeführt ist, steht zu befürchten, dass die Bit-Fehler bei geringer Signalstärke groß wird. Durch Verwendung von Analogsignalen ist aber das Subtraktionsergebnis nur mit einem geringeren Fehler behaftet, auch wenn ein kleiner Signalwert vorliegt. Weil außerdem das Differenzverstärkerarray 18 und der Verstärker 29 ebenfalls von Analogschaltungen Gebrauch machen, wird die Größenänderung ΔI', die um einen Faktor 100 verstärkt wurde und in den Signalverarbeitungsabschnitt 20 eingegeben wurde, zu einer Größe, deren Fehler zusätzlich reduziert ist.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde der Differenzverstärker 18e als derjenige Verstärker ausgewählt, bei dem ein Differenzwert I'min nahe einem Punkt liegt, bei dem eine Änderung der Reflexionslichtintensität I einen Übergang von Abnahme auf Zunahme vollzieht, das ist ein Differenzwert I'min in größter Nähe bei einem Differenzwert I' = 0, entsprechend einem Einfallswinkel θ_sp, bei dem ATR stattfindet. Allerdings ist die Erfindung nicht auf den Differenzverstärker 18e beschränkt. Der Differenzverstärker 18d oder 18f kann ebenfalls ausgewählt werden zur Zeit der Messungen, um den Anfangswert zu subtrahieren. Das heißt: Selbst wenn irgendein Differenzverstärker ausgewählt wird, lässt sich die zeitliche Änderung erfassen, wenn der Verstärker einen Differenzwert ausgibt, der einen Änderung in der Eigenschaft einer Probe widerspiegelt. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf das Ausgangssignal eines Differenzverstärkers beschränkt. Beispielsweise lässt sich die Reflexionslichtintensität I auch mit einem Photodetektor erfassen, der an einen Differenzverstärker angeschlossen ist, welcher einen Differenzwert ausgibt, der eine An derung in der Eigenschaft einer Probe widerspiegelt. In diesem Fall wird ein Anfangswert der Reflexionslichtintensität I von der detektierten Intensität I subtrahiert, und eine zeitliche Änderung der Intensität I wird direkt gemessen. Als Abwandlung der fünften Ausführungsform kann man von der Nullpunkt-Korrekturschaltung 52 wie bei der zweiten Ausführungsform Gebrauch machen, oder die Schaltung kann mit dem Filterteil 60 oder 61 gemäß der dritten und vierten Ausführungsform ausgestattet sein.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurde, ist die Erfindung aber nicht auf die hier angegebenen Einzelheiten beschränkt, sondern lässt sich im Rahmen des durch die Ansprüche definierten Schutzumfangs modifizieren.

Claims

Mit gedämpfter Totalreflexion arbeitender Sensor, umfassend: einen dielektrischen Block (10); eine Dünnfilmschicht (12), die auf einer Oberfläche des dielektrischen Blocks gebildet ist, um darauf eine Probe zu platzieren; eine Lichtquelle (14) zum Emittieren eines Lichtstrahlbündels; eine Optik (15), die das Lichtstrahlbündel dazu bringt, in den dielektrischen Block (10) unter unterschiedlichen Einfallwinkeln einzutreten, so dass die Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Block (10) und der Dünnfilmschicht (12) erfüllt ist; eine Fotodetektoreinrichtung (17) mit einer Mehrzahl von Lichtempfangselementen (17a, 17b, ...), die nebeneinander in einer vorbestimmten Richtung angeordnet und so gelegen sind, dass sie jeweils Komponenten des die Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche erfüllenden Lichts empfangen, um die gedämpfte Totalreflexion zu detektieren; eine Differenziereinrichtung (18) zum Differenzieren eines Fotodetektorsignals, welches von jedem der Lichtempfangselemente der Fotodetektoreinrichtung ausgegeben wird, in der Anordnungsrichtung der Lichtempfangselemente und zum anschließenden Ausgeben eines differenzierten Werts (11); dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (5; 51, 52) vorgesehen ist zum Messen eines differenzierten Anfangswerts (I'r) zu dem Zeitpunkt, zu dem eine Messung begonnen wird, wobei der differenzierte Anfangswert (I'r) in der Nähe eines Punkts vorliegt, wo eine Änderung des differenzierten Werts (I') in der Anordnungsrichtung der Lichtempfangselemente (17a, 17b, ...) einen Übergang von einem negativen auf einen positiven Wert vollzieht, um an einem ausgewählten Element der Lichtempfangselemente jenen differenzierten Wert (I') jedes Mal dann zu messen, wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, und um den differenzierten Anfangswert (I'r) bei jeder Messung von dem differenzierten Wert (I') zu subtrahieren.
Sensor nach Anspruch 1, ausgebildet zum Detektieren der durch Oberflächenplasmonenresonanz hervorgerufenen gedämpften Totalreflexion.
Mit gedämpfter Totalreflexion arbeitender Sensor, umfassend: einen dielektrischen Block (10); eine Mantelschicht, die auf einer Oberfläche des dielektrischen Blocks gebildet ist; eine optische Wellenleiterschicht, gebildet auf einer Oberfläche der Mantelschicht, um darauf eine Probe zu platzieren; eine Lichtquelle (14) zum Emittieren eines Lichtstrahlbündels; eine Optik (15), die das Lichtstrahlbündel dazu bringt, unter verschiedenen Einfallwinkeln derart in den dielektrischen Block einzutreten, dass eine Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Block und der Dünnfilmschicht erfüllt ist; eine Fotodetektoreinrichtung (17) umfassend eine Mehrzahl von Lichtempfangselementen, die nebeneinander in einer vorbestimmten Richtung angeordnet und derart gelegen sind, dass sie Komponenten des die Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche erfüllenden Lichts empfangen, um die gedämpfte Totalreflexion zu detektieren, die durch Anregung eines Wellenleitermoden in der optischen Wellenleiterschicht hervorgerufen wird; eine Differenziereinrichtung (18) zum Differenzieren eines Fotodetektorsignals, welches von jedem der Lichtempfangselemente der Fotodetektoreinrichtung ausgegeben wird, in der Anordnungsrichtung der Lichtempfangselemente und zum anschließenden Ausgeben eines differenzierten Werts (I'); dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (5; 51, 52) vorgesehen ist zum Messen eines differenzierten Anfangswerts (I'r) zu dem Zeitpunkt, zu dem eine Messung begonnen wird, wobei der differenzierte Anfangswert (I'r) in der Nähe eines Punkts vorliegt, wo eine Änderung des differenzierten Werts (I') in der Anordnungsrichtung der Lichtempfangselemente (17a, 17b, ...) einen Übergang von einem negativen auf einen positiven Wert vollzieht, um an einem ausgewählten Element der Lichtempfangselemente jenen differenzierten Wert (I') jedes Mal dann zu messen, wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, und um den differenzierten Anfangswert (I'r) bei jeder Messung von dem differenzierten Wert (I') zu subtrahieren.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Differenziereinrichtung (18) eine Differenz zwischen optischen Signalen ausgibt, die von zwei benachbarten Lichtempfangselementen der Fotodetektoreinrichtung ausgegeben werden.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Fotodetektoreinrichtung (17) ein Fotodioden-Array ist.
Sensor nach der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Differenziereinrichtung eine Analogschaltung ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Messeinrichtung die Subtraktion mit Hilfe einer Analogschaltung ausführt, und, nachdem eine A/D-Umwandlung des differenzierten Werts, von welchem der Anfangswert subtrahiert wurde, ausgeführt wurde, die Messung von einer digitalen Schaltung durchgeführt wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Messeinrichtung außerdem eine Verstärkungseinrichtung (29) mit einer Analogschaltung zum Verstärken des differenzierten Werts, von dem der Anfangswert subtrahiert wurde, aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend eine Filtereinrichtung (60) zum Ausführen eines Filterverfahrens an dem differenzierten Wert.
Sensor nach Anspruch 9, bei dem die Filtereinrichtung ein Tiefpassfilter (60a, 60b, ...) ist, welches ein Signal mit einer Frequenz von 100 Hz oder weniger durchlässt.
Sensor nach Anspruch 10, bei dem das Tiefpassfilter den Durchgang eines Signals mit einer Frequenz von 10 Hz oder weniger ermöglicht.