DE60208961T2

DE60208961T2 - Messplatte zur Verwendung in einem auf dem Prinzip der abgeschwächten Totalreflexion basierenden Sensor

Info

Publication number: DE60208961T2
Application number: DE2002608961
Authority: DE
Inventors: Ltd. Atsushi łc/o Fuji Photo Film Co. Ashigarakami-gun Mukai; Ltd. Toshihitołc/o Fuji Photo Film Co. Ashigarakami-gun Kimura
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: JP2003139694A; EP1308714A1; US6891620B2; EP1308714B1; US20030123063A1; DE60208961D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßplatte zur Verwendung in einem Sensor unter Ausnutzung der Dämpfung der totalen inneren Reflexion gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Beispiel für einen Oberflächenplasmonensensor zum quantitativen Analysieren eines Werkstoffs in einer Probe auf der Basis der Erzeugung von Oberflächenplasmonen.
Eine Meßplatte dieses Typs ist aus der JP(A)2000 065 729 oder der JP(A) 10 300 667 bekannt.
Beschreibung des Standes der Technik
In einem Metall schwingen freie Elektronen in einer Gruppe und erzeugen Druckwellen, die als Plasmawellen bezeichnet werden. Die in einer Metalloberfläche erzeugten Druckwellen werden in Oberflächenplasmonen quantisiert.
Es wurden verschiedene Oberflächenplasmonensensoren zum quantitativen Analysieren eines Werkstoffs in einer Probe unter Ausnutzung eines Phänomens vorgeschlagen, gemäß dem derartige Oberflächenplasmonen durch Lichtwellen angeregt werden. Darunter ist am besten ein System bekannt, welches als „Kretschmann-Konfiguration" bezeichnet wird, vergleiche beispielsweise die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 6(1994)-167443.
Ein Plasmonenresonanzsensor unter Verwendung der Kretschmann-Konfiguration besteht im wesentlichen aus einem beispielsweise prismenförmig geformten dielektrischen Block, einem Metallfilm, der auf einer Fläche des dielektrischen Blocks ausgebildet und in Berührung mit einer Probe gebracht ist, einer einen Lichtstrahl emittierenden Lichtquelle, einer Optik, die den Lichtstrahl dazu bringt, in den dielektrischen Block einzutreten und auf die Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Block und dem Metallfilm unter verschiedenen Einfallwinkeln aufzutreffen, so daß an der Grenzfläche die Bedingungen für innere Totalreflexion erfüllt sind, und einer Photodetektoreinrichtung, die die Intensität des an der Grenzfläche mit innerer Totalreflexion reflektierten Lichtstrahls und außerdem einen Zustand der Oberflächenplasmonenresonanz, das ist ein Zustand der Dämpfung der inneren Totalreflexion, detektiert.
Um verschiedene Einfallwinkel für den Lichtstrahl an der Grenzfläche zu erhalten, kann ein relativ dünner einfallender Lichtstrahl dazu gebracht werden, auf die Grenzfläche aufzutreffen, während der einfallende Lichtstrahl derart abgelenkt wird, daß sich der Einfallwinkel ändert, oder aber ein relativ dicker einfallender Lichtstrahl dazu gebracht wird, auf die Grenzfläche in Form von konvergentem oder divergentem Licht aufzutreffen, so daß Komponenten des einfallenden Lichtstrahls unter verschiedenen Winkeln auf die Grenzfläche auftreffen. In ersterem Fall kann der von der Grenzfläche unter einem Winkel reflektiert Lichtstrahl, welcher bei Ablenkung des einfallenden Lichtstrahls geändert wird, von einem Photodetektor detektiert werden, der synchron mit der Ablenkung des einfallenden Lichtstrahls bewegt wird, oder kann von einem Flächensensor detektiert werden, welcher sich in derjenigen Richtung erstreckt, in der sich der reflektierte Lichtstrahl aufgrund der Ablenkung bewegt. In letzterem Fall kann ein Flächensensor verwendet werden, welcher sich in die Richtungen erstreckt, in denen sämtliche an der Grenzfläche unter verschiedenen Winkeln reflektierten Lichtkomponenten detektiert werden können.
Wenn in einem Plasmonenresonanzsensor ein Lichtstrahl unter einem speziellen Einfallwinkel θsp, der nicht kleiner ist als der Winkel der inneren Totalreflexion, auf die Grenzfläche auftrifft, werden evaneszente, das heißt schwindende Wellen mit einer elektrischen Feldverteilung in der mit dem Metallfilm in Berührung stehenden Probe erzeugt, und in der Grenzfläche zwischen dem Metallfilm und der Probe werden Oberflächenplasmonen angeregt. Wenn der Wellenzahlvektor der evaneszenten Wellen der Wellenzahl der Oberflächenplasmonen gleicht und eine Wellenzahlübereinstimmung vorhanden ist, treten die evaneszenten Wellen und die Oberflächenplasmonen in Resonanz, und es wird Lichtenergie in die Oberflächenplasmonen transferiert, wodurch die Intensität des Lichts, welches mittels innerer Totalreflexion an der Grenzfläche des dielektrischen Blocks und des Metallfilms reflektiert wird, scharf abfällt. Der scharfe Intensitätsabfall wird im allgemeinen als Dunkellinie von dem Photodetektor nachgewiesen.
Die oben angesprochene Resonanz kommt nur zustande, wenn der einfallende Lichtstrahl p-polarisiert ist. Folglich ist es notwendig, den Lichtstrahl so einzurichten, daß er auf die Grenzfläche in Form von p-polarisiertem Licht auftrifft.
Wenn die Wellenzahl der Oberflächenplasmonen aus dem Einfallwinkel θsp, bei dem das Phänomen der Dämpfung der inneren Totalreflexion (ATR) stattfindet, zu ermitteln ist, läßt sich die Dielektrizitätskonstante der Probe erhalten. Das heißt:
wobei K_sp die Wellenzahl der Oberflächenplasmonen ist, ω die Kreisfrequenz der Oberflächenplasmonen ist, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist und ε_m und ε_s die Dielektrizitätskonstanten des Metalls bzw. der Probe sind.
Wenn die Dielektrizitätskonstante ε_s der Probe bekannt ist, läßt sich die Konzentration des spezifischen Materials in der Probe berechnen, und folglich läßt sich eine Eigenschaft in Verbindung mit der Dielektrizitätskonstanten ε_s (Brechungsindex) der Probe nachweisen, indem man den Einfallwinkel θsp ermittelt, bei dem die Intensität des bei innerer Totalreflexion an der Grenzfläche des Prismas und Metallfilms reflektierten Lichtstrahls deutlich abfällt (dieser Winkel θsp wird als „der Dämpfungswinkel θsp" im folgenden bezeichnet).
Als ähnliche Vorrichtung, die das Phänomen der Dämpfung der inneren Totalreflexion ausnutzt, ist ein Leaky-Mode-Sensor (ein „Leckwellen"-Sensor) bekannt, beschrieben beispielsweise in „Spectral Research" Vol. 47, Nr. 1 (1998), Seiten 21–23 und Seiten 26 und 27. Der Leaky-Mode-Sensor enthält im wesentlichen einen beispielsweise prismenförmig gestalteten dielektrischen Block, eine Kaschierung auf einer Seite des dielektrischen Blocks, eine optische Wellenleiterschicht auf der Kaschierung und in Berührung mit einer Probe, eine einen Lichtstrahl aussendende Lichtquelle, eine Optik, die den Lichtstrahl dazu bringt, in den dielektrischen Block einzutreten und auf die Grenzfläche zwischen dem Block und dem Metallfilm unter verschiedenen Einfallwinkeln aufzutreffen, so daß Bedingungen für innere Totalreflexion an der Grenzfläche erfüllt sind, und die Dämpfung bei der inneren Totalreflexion aufgrund der Anregung eines Wellenleitermode in der optischen Wellenleiterschicht stattfindet, und eine Photodetektoreinrichtung, die die Intensität des durch innere Totalreflexion an der Grenzfläche reflektierten Lichtstrahls detektiert und einen Zustand der Wellenleitermoden-Anregung nachweist, das heißt einen Zustand der Dämpfung der inneren Totalreflexion.
Bei dem Leaky-Mode-Sensor dieser Ausgestaltung gelangt, wenn der Lichtstrahl dazu gebracht wird, durch den dielektrischen Block hindurch auf die Kaschierung unter einem Winkel aufzutreffen, der nicht kleiner ist als der Winkel für die innere Totalreflexion, ausschließlich Licht mit einer speziellen Wellenzahl, welches auf die optische Wellenleiterschicht unter einem speziellen Einfallwinkel auftrifft, durch die optische Wellenleiterschicht in einem Wellenleitermode hindurch, nachdem das Licht die Kaschierung passiert hat. Wenn auf diese Weise der Wellenleitermode angeregt ist, wird nahezu das gesamte einfallende Licht in der optischen Wellenleiterschicht aufgenommen, und folglich fällt die Intensität des bei innerer Totalreflexion an der Grenzfläche des dielektrischen Blocks und der Kaschierung reflektierten Lichts scharf ab. Das heißt, es kommt zu einer Dämpfung bei der inneren Totalreflexion. Da die Wellenzahl des in einem Wellenleitermode durch die optische Wellenleiterschicht laufenden Lichts abhängt vom Brechungsindex der Probe an der optischen Wellenleiterschicht, lassen sich der Brechungsindex und/oder die zu dem Brechungsindex in Beziehung stehenden Eigenschaften der Probe anhand des Einfallwinkels, bei dem es zu einer Dämpfung der inneren Totalreflexion kommt, nachweisen.
Bei den herkömmlichen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensoren oder Leaky-Mode-Sensoren wurde ein System vorgeschlagen, bei dem mehrere Meßchips an einer Platte angeordnet sind, um die Meßgeschwindigkeit zu steigern oder die Messung zu automatisieren.
Allerdings hat dieses System den Nachteil, daß die Notwendigkeit besteht, die Meßchips von der Platte einzeln auf den Sensor zu transferieren. Wenn die Messung mit den auf der Platte gehaltenen Meßchips durchgeführt wird, kann es zum Beispiel durch den Bodenbereich eines benachbarten Meßchips zu einer Verdunkelung des Lichtstrahls kommen, was die Meßgenauigkeit beeinträchtigt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die obigen Betrachtungen und Erläuterungen ist es Hauptziel der Erfindung, eine Meßplatte zu schaffen, die es ermöglicht, eine exakte Messung mehrerer auf der Meßplatte befindlicher Proben vorzunehmen, während die Proben auf der Meßplatte gehalten werden.
Erfindungsgemäß wird eine Meßplatte zur Verwendung in einem das Phänomen der Dämpfung der inneren Totalreflexion ausnutzenden Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen.
Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Wenn die erfindungsgemäße Meßplatte in einem Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor einzusetzen ist, enthält die Filmschicht jeder der Ausnehmungen einen Metallfilm, wohingegen dann, wenn die erfindungsgemäße Meßplatte in einem Leaky-Mode-Sensor einzusetzen ist, die Filmschicht jeder Ausnehmung eine Kaschierung und eine darauf ausgebildete optische Wellenleiterschicht enthält.
In der erfindungsgemäßen Meßplatte dient die für jede Ausnehmung vorhandene reflektierende Optik dazu, den Lichtstrahl zum Messen der Probe in der Ausnehmung innerhalb eines vorbestimmen Bereichs einzuschränken, um nicht zu interferieren mit der Ausnehmung benachbarten Ausnehmungen oder Elementen von der Ausnehmung benachbarten Ausnehmungen, während gleichzeitig bevorzugt wird, wenn die Ausnehmungen in im wesentlichen regelmäßigen Intervallen ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, wenn die dielektrische Platte aus Glas oder einem transparenten Harzmaterial gebildet ist. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die dielektrische Platte durch einstückiges Spritzgießen hergestellt wird.
Weiterhin wird bevorzugt, wenn sich jede Ausnehmung nach oben aufweitet.
Wenn in der erfindungsgemäßen Meßplatte die reflektierende Optik, die für jede Ausnehmung vorhanden ist, den Lichtstrahl zum Messen der in der Ausnehmung befindlichen Probe auf einen vorbestimmten Bereich eingrenzt, um nicht mit Ausnehmungen zu interferieren, die der in der Messung involvierten Ausnehmung benachbart sind, oder mit Elementen von Ausnehmungen, die dieser Ausnehmung benachbart sind, kann der Lichtstrahl für jede Ausnehmung nicht verdunkelt werden, beispielsweise durch den Bodenteil der der Ausnehmung benachbarten Ausnehmung, und dementsprechend läßt sich die Probe innerhalb jeder Ausnehmung exakt analysieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Meßplatte gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1,
3 ist eine Teil-Seitenansicht eines Teils eines Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors unter Einsatz der Meßplatte gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
4A und 4B sind graphische Darstellungen, die die Beziehung zwischen dem Lichteinfallwinkel an der Grenzfläche zwischen dem Metallfilm und der dielektrischen Platte einerseits und der von dem Photodetektor in dem Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor detektierten Intensität des reflektierten Lichts andererseits veranschaulicht,
5 ist eine Teil-Querschnittansicht, die die Meßplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
6 ist eine Teil-Querschnittansicht, die die Meßplatte gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
7 ist eine Teil-Querschnittansicht, welche die Meßplatte gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
8 ist eine Teil-Querschnittansicht, die die Meßplatte gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt,
9 ist eine Teil-Querschnittansicht der Meßplatte gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung,
10 ist eine Teil-Querschnittansicht, die die Meßplatte gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
11 ist eine Teil-Querschnittansicht, die die Meßplatte gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Meßplatte gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Meßplatte dieser Ausführungsform dient für einen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor unter Ausnutzung der Oberflächenplasmonenresonanz.
In 1 enthält die Meßplatte 10a eine dielektrische Platte 1a aus einem dielektrischen Werkstoff wie zum Beispiel Glas. Mehrere Ausnehmungen 2a, die als Probenhalter fungieren zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit, sind in der Oberseite der dielektrischen Platte 1a ausgebildet. Beispielsweise kann jede der Ausnehmungen 2a nach oben auseinanderlaufen. Die dielektrische Platte 1a kann beliebige Größe haben, wobei die Ausnehmungen 2a auf der Oberseite der Platte eine beliebige Anzahl haben können (zum Beispiel 96, 384 oder 1536) und in beliebiger Weise angeordnet sein können.
Die dielektrische Platte 1a läßt sich einfach als einstückiges Spritzgußteil herstellen, beispielsweise aus Glas oder transparentem Harzmaterial. Als transparentes Harzmaterial können vorzugsweise PMMA, Polycarbonat, amorphes Polyolefin oder Cycloolefin verwendet werden. Im allgemeinen wird bevorzugt, wenn die dielektrische Platte 1a aus einem Werkstoff hergestellt wird, dessen Brechungsindex in einem Bereich von 1,45 bis 2,5 reicht, da der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Winkel (der Dämpfungswinkel θsp) praktisch im Brechungsindexbereich erhalten wird.
Wie in 2 zu sehen ist, bei der es sich um eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 1 handelt, ist die Bodenfläche jeder Ausnehmung 2a flach, und ein Metallfilm 3a aus beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium befindet sich auf der flachen Bodenfläche jeder Ausnehmung 2a. Eine reflektierende Optik, bestehend aus einem Spiegel 4a, der einen auf ihn von unten auftreffenden Lichtstrahl in Richtung der Grenzfläche 5a zwischen dem Metallfilm 3a und der dielektrischen Platte 1a reflektiert, und einem Spiegel 4b, der den an der Grenzfläche 5a reflektierten Lichtstrahl nach unten reflektiert, befindet sich an der Unterseite der dielektrischen Platte 1a für jede der Ausnehmungen 2a. Die Metallfilme 3a und die Spiegel 4a und 4b können durch Niederschlagen von Metall an vorbestimmten Stellen der dielektrischen Platte 1a gebildet werden.
Die Meßplatte 10a lä0t sich modifizieren zu einer Meßplatte für einen Leaky-Mode-Sensor, indem die Metallfilme 3a ersetzt werden durch eine Kaschierungsschicht und eine optische Wellenleiterschicht.
Im folgenden wird ein Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor beschrieben, der von der Meßplatte 10a dieser Ausführungsform Gebrauch macht.
3 zeigt einen Oberflächenplasmonen-Detektorteil des Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors.
Wie in 3 gezeigt ist, enthält der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor die Meßplatte 10a und den Oberflächenplasmonen-Detektorteil. Der Oberflächenplasmonen-Detektorteil enthält einen Laser (zum Beispiel einen Halbleiterlaser) 14, der einen Lichtstrahl 13 emittiert, eine Einfalloptik 15, die den Lichtstrahl 13 mit Hilfe des Spiegels 4a dazu bringt, auf die Grenzfläche 5a zwischen dem Metallfilm 3a und der dielektrischen Platte 1a unter verschiedenen Einfallwinkeln aufzutreffen, einen ersten und einen zweiten Photodetektor 16 und 17, die die Lichtmenge des Lichtstrahls 13 detektieren, welcher an der Grenzfläche 5a reflektiert wird, und einen Vergleicher 18, der an den ersten und den zweiten Photodetektor 16 und 17 angeschlossen ist.
Bei dieser speziellen Ausführungsform befinden sich der Laser 14, die Einfalloptik 15 und die Photodetektoren 16 und 17 unterhalb der Meßplatte 10a, und der an der Grenzfläche 5a reflektierte Lichtstrahl 13, der auf den ersten und den zweiten Photodetektor 16 und 17 über den Spiegel 4b auftrifft, wird von dem ersten bzw. zweiten Photodetektor 16 und 17 erfaßt.
Die Einfalloptik 15 enthält eine Kollimatorlinse, die den von dem Laser 14 emittierten Lichtstrahl 13 als divergenten Strahl kollimiert, und eine Sammellinse 15b, die den kollimierten Lichtstrahl 13 auf die Grenzfläche 5a konvergiert.
Aufgrund des Konvergierens durch die Kondensorlinse gemäß obiger Beschreibung enthält der Laserstrahl 13 Komponenten, die unter verschiedenen Einfallwinkeln θ auf die Grenzfläche auftreffen. Der Laser 14 und die Einfalloptik 15 sind so angeordnet, daß die Einfallwinkel θ nicht kleiner sind als der Winkel der inneren Totalreflexion. Folglich wird der Laserstrahl 13 mit innerer Totalreflexion an der Grenzfläche 5a reflektiert, wobei der reflektierte Laserstrahl 13 Komponenten enthält, die an der Grenzfläche 5a unter verschiedenen Reflexionswinkeln reflektiert werden. Die Einfalloptik 15 kann so ausgebildet sein, daß sie den Laserstrahl 13 dazu bringt, auf die Grenzfläche 5a in einem defokussierten Zustand aufzutreffen. Diese Anordnung mittelt Fehler in den Detektorzuständen der Oberflächenplasmonenresonanz aus und verbessert die Meßgenauigkeit.
Der Laserstrahl 13 wird dazu gebracht, in einem p-polarisierten Zustand auf die Grenzfläche 5a aufzutreffen. Realisieren läßt sich dies dadurch, daß der Laser 14 derart positioniert wird, daß der Laserstrahl 13 auf die Grenzfläche 5a im p-polarisierten Zustand auftrifft. Im übrigen läßt sich die Richtung der Polarisation des Laserstrahls 13 mit einem Wellenlängenplättchen steuern.
Der erste und der zweite Photodetektor 16 bzw. 17 können beispielsweise eine aufgeteilte Photodiode enthalten. Der erste Photodetektor 16 ist so angeordnet, daß er die Lichtmengenkomponenten des Lichtstrahls 13 in einem ersten vorbestimmten Bereich (einem relativ schmalen Winkelbereich) der Reflexionswinkel erfaßt, während der zweite Photodetektor 17 so angeordnet ist, daß er die Mengen der Lichtkomponenten des Laserstrahls 13 in einem zweiten vorbestimmten Bereich (einem relativ großen Winkelbereich) von Reflexionswinkeln erfaßt.
Eine Analyse der Probe durch den Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor wird im folgenden beschrieben. In jede der Ausnehmungen 2a der Meßplatte 10a wird eine Probe eingebracht, so daß sie in Berührung mit dem in der Ausnehmung 2a befindlichen Metallfilm 3a steht. Ein Lichtstrahl 13 wird auf die Grenzfläche 5a zwischen dem Metallfilm 3a und der dielektrischen Platte 1a gebündelt, und der Lichtstrahl 13 wird mit innerer Totalreflexion an der Grenzfläche 15a reflektiert und von dem ersten und dem zweiten Photo detektor 16 und 17 erfaßt. Ein von dem ersten Photodetektor 16 ausgegebenes erstes Detektorsignal S1, welches die Lichtmenge des Lichtstrahls 13 repräsentiert, die auf den ersten Photodetektor 16 auftrifft, wird in den Vergleicher 18 eingegeben, und außerdem wird in den Vergleicher 18 ein zweites Detektorsignal S2 gegeben, welches von dem zweiten Photodetektor 17 ausgegeben wird und die Lichtmenge des auf den zweiten Photodetektor 17 auftreffenden Lichtstrahls 13 repräsentiert. Der Vergleicher 18 gibt ein Differenzsignal S aus, welches für die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Detektorsignal S1 und S2 steht.
Die auf die Grenzfläche unter einem speziellen Einfallwinkel θsp auftreffende Komponente regt die Oberflächenplasmonen an, und die Intensität I des mit innerer Totalreflexion an der Grenzfläche 5a des reflektierten Lichts fällt für diese Komponente scharf ab. Das heißt: die Relation zwischen der Intensität I des Lichtstrahls 13, der mit innerer Totalreflexion an der Grenzfläche 5a reflektiert wird, und der Einfallwinkel θ entsprechen im wesentlichen der in 4A dargestellten Kurve a bzw. der in 4B dargestellten Kurve b. Wenn der Dämpfungswinkel θsp und die Kurven, die die Relation zwischen der Intensität I des mit innerer Totalreflexion an der Grenzfläche 5a reflektierten Lichtstrahls 13 und dem Einfallwinkel θ wiedergeben, bekannt sind, läßt sich das spezifische Material in der Probe quantitativ analysieren. Der Grund hierfür wird im folgenden im einzelnen beschrieben.
Angenommen, der erste und der zweite vorbestimmte Bereich des Reflexionswinkels sind auf einander abgewandten Seiten des Reflexionswinkels θ_M zusammenhängend, und der erste Photodetektor 16 detektiert die Komponenten des Lichtstrahls 13, die auf die Grenzfläche 5a unter einem Einfallwinkel auftreffen, der kleiner als θ_M ist, während der zweite Photodetektor 17 die Komponenten des Lichtstrahls 13 detektiert, die auf die Grenzfläche 5a unter einem Einfallwinkel auftreffen, der größer ist als θ_M, so detektiert der erste Photodetektor 16 die Komponenten des Lichtstrahls 13 in einem Bereich, der in den 4A und 4B schraffiert dargestellt ist, wobei die von dem ersten Photodetektor 16 erfaßte Lichtmenge im Fall der 4B größer ist als in dem in 4A gezeigten Fall. Im Gegensatz dazu ist die von dem zweiten Photodetektor 17 erfaßte Lichtmenge im Fall der
4B kleiner als im Fall der 4A. Damit weisen die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Photodetektors 16 und 17 eine spezifische Differenz auf, abhängig von der Relation zwischen der Intensität I des Lichtstrahls 13, der mit innerer Totalreflexion an der Grenzfläche 5a reflektiert wird, und dem Einfallwinkel θ.
Dementsprechend können der Dämpfungswinkel θsp, die Kurven, welche die Relation zwischen der Intensität I des mit innerer Totalreflexion an der Grenzfläche 5a reflektierten Lichtstrahls 13 und dem Einfallwinkel θ und dergleichen repräsentieren, auf der Grundlage des Ausgangssignals S des Vergleichers 18 (welches für die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Detektorsignal S1 und S2 steht) abgeschätzt werden, indem auf eine Eichkurve bezug genommen wird, welche für jede Probe erstellt wurde, um so den spezifischen Werkstoff in der Probe quantitativ zu analysieren.
Selbst wenn der erste und der zweite vorbestimmte Reflexionswinkelbereich nicht zusammenhängen, zeigen die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Photodetektors 16 und 17 eine spezifische Differenz abhängig von der Relation zwischen der Intensität I des mit innerer Totalreflexion an der Grenzfläche 5a reflektierten Lichtstrahls 13 und dem Einfallwinkel θ, und folglich läßt sich in der gleichen Weise das spezifische Material in der Probe quantitativ analysieren.
Durch lineares oder durch zweidimensionales Anordnen einer Mehrzahl von Oberflächenplasmonen-Detektorteilen, wobei jeder Detektorteil einer der Ausnehmungen 2a der Meßplatte 10 gegenüberliegt, können Proben in mehreren Ausnehmungen 2a gleichzeitig analysiert werden. Da der optische Weg des Lichtstrahls 13 zum Messen der Probe in jeder Ausnehmung 2a eingegrenzt ist auf den Raum zwischen benachbarten Ausnehmungen 2a, kann der Lichtstrahl 13 für die jeweilige Ausnehmung 2a nicht verdunkelt werden, beispielsweise durch den Bodenbereich der Ausnehmungen 2a neben der betrachteten Ausnehmung 2a, und folglich kann die Probe in jeder Ausnehmung 2a exakt analysiert werden.
Eine Meßplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der 5 beschrieben. In 5 sind Elemente, die jenen analog sind, die in den 1 und 2 gezeigt sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben, wenn es nicht notwendig ist.
In 5 enthält die Meßplatte 10b gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung eine dielektrische Platte 1b und mehrere Ausnehmungen 2a in der Oberseite der dielektrischen Platte 1b. Die Bodenfläche jeder Ausnehmung 2a ist flach, und ein beispielsweise aus Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium bestehender Metallfilm 3a befindet sich auf der flachen Bodenfläche jeder Ausnehmung 2a. Eine Reflexionsoptik, umfassend einen Spiegel 4c, der einen von oben auftreffenden Lichtstrahl auf die Grenzfläche 5a zwischen dem Metallfilm 3a und der dielektrischen Platte 1b reflektiert, und einen Spiegel 4d, der den an der Grenzfläche 5a reflektierten Lichtstrahl nach oben reflektiert, befindet sich auf der Unterseite der dielektrischen Platte 1b für jede der Ausnehmungen 2a.
Bei dieser speziellen Ausführungsform befinden sich der Laser 14, die Einfalloptik 15 und die Photodetektoren 16 und 17 oberhalb der Meßplatte 10b, und der an der Grenzfläche 5a zum Auftreffen auf den ersten und den zweiten Photodetektor 16 und 17 über den Spiegel 4d reflektierte Lichtstrahl 13 wird von dem ersten und dem zweiten Photodetektor 16 und 17 erfaßt.
Bei dieser Ausführungsform kann ein ähnliches Ergebnis erzielt werden wie mit der ersten Ausführungsform.
Eine Meßplatte gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der 6 erläutert. In 6 sind Elemente, die jenen in den 1 und 2 analog sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben, wenn es nicht notwendig ist.
In 6 enthält die Meßplatte 10c gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung eine dielektrische Platte 1c und mehrere Ausnehmungen 2a in der Oberseite der dielektri schen Platte 1c. Die Bodenfläche jeder Ausnehmung 2a ist flach, und ein beispielsweise aus Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium bestehender Metallfilm 3a befindet sich auf der flachen Bodenfläche jeder Ausnehmung 2a. Eine Reflexionsoptik, umfassend einen Spiegel 4c, der einen von oben auftreffenden Lichtstrahl auf die Grenzfläche 5a zwischen dem Metallfilm 3a und der dielektrischen Platte 1c reflektiert, und einen Spiegel 4d, der den an der Grenzfläche 5a reflektierten Lichtstrahl nach oben reflektiert, befindet sich auf der Unterseite der dielektrischen Platte 1b für jede der Ausnehmungen 2a.
Bei dieser speziellen Ausführungsform befinden sich der Laser 14, die Einfalloptik 15 und die Photodetektoren 16 und 17 oberhalb der Meßplatte 10c, und der an der Grenzfläche 5a zum Auftreffen auf den ersten und den zweiten Photodetektor 16 und 17 über den Spiegel 4d reflektierte Lichtstrahl 13 wird von dem ersten und dem zweiten Photodetektor 16 und 17 erfaßt.
Bei dieser Ausführungsform kann ein ähnliches Ergebnis erzielt werden wie mit der ersten Ausführungsform.
Eine Meßplatte gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der 7 erläutert. In 7 sind Elemente, die jenen in den 1 und 2 analog sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben, wenn es nicht notwendig ist.
In 7 enthält die Meßplatte 10d gemäß der vierten Ausführungsform eine dielektrische Platte 1d, und in der Oberseite dieser dielektrischen Platte 1d sind mehrere Ausnehmungen 2a ausgebildet. Die Bodenfläche jeder Ausnehmung 2a ist flach, und auf dieser flachen Bodenfläche jeder Ausnehmung 2a ist ein Metallfilm 3a vorgesehen, beispielsweise aus Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium. Eine Reflexionsoptik oder reflektierende Optik, umfassend einen Spiegel 4c, der einen auf ihn von oben auftreffenden Lichtstrahl in Richtung der Grenzfläche 5a zwischen dem Metallfilm 3a und der dielektrischen Platte 1d reflektiert, und einen Spiegel 4b, der das an der Grenzfläche 5a reflektierte Licht nach unten reflektiert, befindet sich an der Unterseite der dielektrischen Platte 1d für jede der Ausnehmungen 2a.
Bei dieser speziellen Ausführungsform befinden sich der Laser 14 und die Einfalloptik 15 oberhalb der Meßplatte 10c, wobei der erste und der zweite Photodetektor 16 und 17 sich unterhalb der Meßplatte 10d befindet, so daß der Lichtstrahl 13, der an der Grenzfläche 5a reflektiert wird, über den Spiegel 4a auf den ersten und den zweiten Photodetektor 16 und 17 auftrifft und von diesen detektiert wird.
Bei dieser Ausführungsform kann man ein ähnliches Ergebnis erzielen wie bei der ersten Ausführungsform.
Im folgenden wird anhand der 8 eine Meßplatte gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In 8 tragen Elemente, die jenen nach den 1 und 2 analog sind, gleiche Bezugszeichen und werden hier nicht noch einmal beschrieben, wenn es nicht notwendig ist.
In 8 enthält die Meßplatte 10e gemäß der fünften Ausführungsform eine dielektrische Platte 1e, und in deren Oberseite sind mehrere Ausnehmungen 2b ausgebildet. Eine Seitenfläche jeder Ausnehmung 2b ist flach, und auf dieser flachen Seitenfläche jeder Ausnehmung 2b ist ein Metallfilm 3b ausgebildet, beispielsweise aus Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium. Eine reflektierende Optik, umfassend einen Spiegel 4e, der einen auf die Grenzfläche 5b zwischen dem Metallfilm 3b und der dielektrischen Platte 1e von unten auftreffenden und an der Grenzfläche 5b reflektierten Lichtstrahl nach unten reflektiert, befindet sich an der Oberseite der dielektrischen Platte 1e für jede der Ausnehmungen 2b.
Bei dieser speziellen Ausführungsform befinden sich der Laser 14, die Einfalloptik 15 und der erste und der zweite Photodetektor 16 und 17 unterhalb der Meßplatte 10e, und der an der Grenzfläche 5b reflektierte Lichtstrahl 13, der auf den ersten und den zweiten Photodetektor 16 und 17 über den Spiegel 4e auftrifft, wird von diesen Photodetektoren 16 und 17 erfaßt.
Bei dieser Ausführungsform läßt sich ein ähnliches Ergebnis erzielen wie bei der ersten Ausführungsform.
Im folgenden wird eine Meßplatte gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung anhand der 9 erläutert. In 9 sind analoge Elemente wie in den 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht noch einmal beschrieben, wenn es nicht notwendig ist.
In 9 enthält die Meßplatte 10f gemäß der sechsten Ausführungsform eine dielektrische Platte 1f, in deren Oberseite mehrere Ausnehmungen 2b ausgebildet sind. Eine Seitenfläche jeder Ausnehmung 2b ist flach, und ein Metallfilm aus zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium befindet sich auf der flachen Seitenfläche jeder Ausnehmung 2b. Eine reflektierende Optik, bestehend aus einem Spiegel 4e, der den von unten einfallenden Lichtstrahl in Richtung der Grenzfläche 5b zwischen dem Metallfilm 3b und der dielektrischen Platte 1f reflektiert, befindet sich auf der Oberseite der dielektrischen Platte 1f für jede der Ausnehmungen 2b.
Bei dieser Ausführungsform befinden sich der Laser 14, die Einfalloptik 15 und der erste und der zweite Photodetektor 16 und 17 unterhalb der Meßplatte 10f, und der an der Grenzfläche 5b nach unten reflektierte Lichtstrahl 13 trifft auf den ersten und den zweiten Photodetektor 16 und 17 auf und wird von diesen detektiert.
Bei dieser Ausführungsform kann ein ähnliches Ergebnis erzielt werden wie bei der ersten Ausführungsform.
Im folgenden wird anhand der 10 eine Meßplatte gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In 10 sind analoge Elemente wie in den 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht noch einmal beschrieben, wenn es nicht notwendig ist.
In 10 enthält eine Meßplatte 10g gemäß der siebten Ausführungsform eine dielektrische Platte 1g, in deren Oberseite mehrere Ausnehmungen 2c ausgebildet sind. Eine Seitenfläche jeder Ausnehmung 2c ist flach, und an dieser flachen Seitenfläche jeder Ausnehmung 2c ist ein Metallfilm 3c aus zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium ausgebildet. Eine reflektierende Optik, umfassend einen Spiegel 4f der einen auf die Grenzfläche 5c zwischen dem Metallfilm 3c und der dielektrischen Platte 1g von unten auftreffenden und an der Grenzfläche 5b reflektierten Lichtstrahl nach oben reflektiert, befindet sich an der Unterseite der dielektrischen Platte 1g für jede der Ausnehmungen 2c.
Bei dieser Ausführungsform befinden sich der Laser 14 und die Einfalloptik 15 unterhalb der Meßplatte 10g, während sich der erste und der zweite Photodetektor 16 und 17 oberhalb der Meßplatte 10g befindet, wobei der Lichtstrahl 13, der zum Auftreffen auf dem ersten und dem zweiten Photodetektor 16 und 17 an der Grenzfläche 5c von dem Spiegel 4f reflektiert wird, von den Photodetektoren 16 und 17 detektiert wird.
Bei dieser Ausführungsform läßt sich ein ähnliches Ergebnis erzielen wie bei der ersten Ausführungsform.
Im folgenden wird anhand der 11 eine Meßplatte gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In 11 sind analoge Elemente wie in den 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht noch einmal erläutert, wenn dies nicht notwendig ist.
In 11 enthält die Meßplatte 10h gemäß der achten Ausführungsform eine dielektrische Platte 1h, und mehrere Ausnehmungen 2c sind in deren Oberseite ausgebildet. Eine Seitenfläche jeder Ausnehmung 2c ist flach, und an dieser flachen Seitenfläche jeder Ausnehmung 2c befindet sich ein Metallfilm 3c aus zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium. Eine reflektierende Optik, umfassend einen Spiegel 4f, der einen auf ihn von oben auftreffenden Lichtstrahl zu der Grenzfläche 5c zwischen dem Metallfilm 3c und der dielektrischen Platte 1h reflektiert, befindet sich auf der Unterseite der dielektrischen Platte 1h für jede der Ausnehmungen 2c.
Bei dieser speziellen Ausführungsform befinden sich der Laser 14 und die Einfalloptik 15 oberhalb der Meßplatte 10h, wobei der erste und der zweite Photodetektor 16 und 17 sich unterhalb der Meßplatte 10h befinden, und der von dem Spiegel 4f und der Grenzfläche 5c reflektierte Lichtstrahl 13 trifft auf die Photodetektoren 16 und 17 auf und wird von diesen detektiert.
Bei dieser Ausführungsform kann ein ähnliches Ergebnis erzielt werden wie bei der ersten Ausführungsform.

Claims

Meßplatte (10a, ... 10h) zur Verwendung in einem Sensor, der das Phänomen der Dämpfung der totalen inneren Reflexion ausnutzt, umfassend einen dielektrischen Block (1a, .... 1h), der mit einer Filmschicht (3a, 3b, 3c) versehen ist, die in Berührung mit einer Probe zu bringen ist, wobei der Sensor aufweist: eine Lichtquelle (14) zum Emittieren eines Lichtstrahls (13), eine Einfalloptik (15), die den Lichtstrahl (13) dazu bringt, in den dielektrischen Block (1a, ... 1h) einzutreten, so daß an der Grenzfläche (5a, 5b, 5c) des dielektrischen Blocks (1a, ... 1h) und der Filmschicht (3a, 3b, 3c) Bedingungen für totale innere Reflexion erfüllt sind, und verschiedene Einfallwinkel des Lichtstrahls (13) an der Grenzfläche (5a, 5b, 5c) erreicht werden können, und eine Photodetektoreinrichtung (16, 17) zum Detektieren der Intensität des durch totale innere Reflexion an der Grenzfläche (5a, 5b, 5c) reflektierten Lichtstrahls und zum Detektieren eines Dämpfungszustands bei der totalen inneren Reflexion, wobei die Meßplatte (10a, ... 10h) dazu dient, den dielektrischen Block (1a, ... 1h) und die Filmschicht (3a, 3b, 3c) bereitzustellen, und eine dielektrische Platte aufweist, die mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (2a, 2b, 2c) ausgestattet ist, die jeweils eine Filmschicht (3a, 3b, 3c) besitzen und so konfiguriert sind, daß sie eine Probe in Berührung mit der Filmschicht (3a, 3b, 3c) halten, dadurch gekennzeichnet, daß eine reflektierende Optik (4a–4f) mit einer reflektierenden Fläche an der dielektrischen Platte für jede der Ausnehmungen (2a, 2b, 2c) vorhanden ist, um den von der Lichtquelle (14) emittierten Lichtstrahl dazu zu bringen, auf die Grenzfläche (5a, 5b, 5c) zwischen der Filmschicht (3a, 3b, 3c) der Ausnehmung (2a, 2b, 2c) und der dielektrischen Platte aufzutreffen und/oder zu veranlassen, daß der an der Grenzfläche (5a, 5b, 5c) zwischen der Filmschicht (3a, 3b, 3c) der Ausnehmung und der dielektrischen Platte reflektierte Lichtstrahl in Richtung einer vorbestimmten Stelle läuft.
Meßplatte (10a, ... 10h) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platte (1a, ... 1h) aus Glas oder transparentem Harzmaterial gebildet ist.
Meßplatte (10a, 10c) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platte (1a, 1c) mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (2a) versehen ist, die jeweils einen flachen und glatten Boden auf ihrer Oberseite aufweisen, wobei die Filmschicht (3a) am Boden jeder Ausnehmung (2a) ausgebildet ist, und die reflektierende Optik für jede Ausnehmung (2a) eine reflektierende Fläche (4a) aufweist, die auf der unteren Seite der dielektrischen Platte gebildet ist, um einen dort von unten auftreffenden Lichtstrahl in Richtung der Grenzfläche (5a) zwischen der Filmschicht (3a) und der dielektrischen Platte zu reflektieren.
Meßplatte (10a, 10d) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platte (1a, 1d) mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (2a) ausgestattet ist, die jeweils einen flachen und glatten Boden auf ihrer Oberseite besitzen, wobei die Filmschicht (3a) auf dem Boden jeder Ausnehmung (2a) ausgebildet ist, und die reflektierende Optik für jede Ausnehmung eine reflektierende Fläche (4b) aufweist, die auf der Unterseite der dielektrischen Platte ausgebildet ist, um einen an der Grenzfläche (5a) zwischen der Filmschicht und der dielektrischen Platte reflektierten Lichtstrahl nach unten zu reflektieren.
Meßplatte (10b, 10d) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platte (1b, 1d) mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (2a) versehen ist, die jeweils einen flachen und glatten Boden auf ihrer Oberseite aufweisen, wobei die Filmschicht (3a) am Boden jeder Ausnehmung gebildet ist, und die reflektierende Optik für jede Ausnehmung eine reflektierende Fläche (4c) aufweist, die an der Unterseite der dielektrischen Platte ausgebildet ist, um einen dort von oben auftreffenden Lichtstrahl in Richtung der Grenzfläche (5a) zwischen der Filmschicht und der dielektrischen Platte zu reflektieren.
Meßplatte (10b, 10c) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platte (1b, 1c) mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (2a) versehen ist, die jeweils einen flachen und glatten Boden auf ihrer Oberseite aufweisen, wobei die Filmschicht (3a) am Boden jeder Ausnehmung ausgebildet ist, und die reflektierende Optik für jede Ausnehmung eine auf der Unterseite der dielektrischen Platte ausgebildete reflektierende Fläche (4d) besitzt, um einen an der Grenzfläche (5a) zwischen der Filmschicht und der dielektrischen Platte reflektierten Lichtstrahl nach oben zu reflektieren.
Meßplatte (10f) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platte (1f) mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (2b) versehen ist, die jeweils eine flache und glatte Seitenfläche auf ihrer Oberseite aufweisen, wobei die Filmschicht (3b) an der Seitenfläche jeder Ausnehmung ausgebildet ist, und die reflektierende Optik für jede Ausnehmung eine reflektierende Fläche (4e) aufweist, die an der Oberseite der dielektrischen Platte ausgebildet ist, um einen dort von unten auftreffenden Lichtstrahl in Richtung der Grenzfläche (4b) zwischen der Filmschicht (3b) und der dielektrischen Platte zu reflektieren.
Meßplatte (10e) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platte (1e) mit mehreren Ausnehmungen (2b) versehen ist, die jeweils eine flache und glatte Seitenfläche auf ihrer Oberseite besitzen, wobei die Filmschicht (3b) an der Seitenfläche jeder Ausnehmung (2b) ausgebildet ist, und die reflektierende Optik für jede Ausnehmung eine reflektierende Fläche (4e) aufweist, die an der Oberseite der dielektrischen Platte ausgebildet ist, um einen auf die Grenzfläche (5b) zwischen der Filmschicht (3b) und der dielektrischen Platte von unten auf treffenden und an der Grenzfläche (5b) reflektierten Lichtstrahl nach unten zu reflektieren.
Meßplatte (10h) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platte (1h) mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (2c) ausgestattet ist, die jeweils eine flache und glatte Seitenfläche auf ihrer Oberseite besitzen, wobei die Filmschicht (3c) an der Seitenfläche jeder Ausnehmung (2c) ausgebildet ist, und die reflektierende Optik für jede Ausnehmung eine reflektierende Fläche (4f) aufweist, die an der Unterseite der dielektrischen Platte gebildet ist, um einen dort von oben einfallenden Lichtstrahl in Richtung der Grenzfläche (5c) zwischen der Filmschicht und der dielektrischen Platte zu reflektieren.
Meßplatte (10g) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Platte (1g) mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (2c) versehen ist, die jeweils eine flache und glatte Seitenfläche auf ihrer Oberseite besitzen, wobei die Filmschicht (3c) an der Seitenfläche jeder Ausnehmung (2c) gebildet ist, und die reflektierende Optik für jede Ausnehmung eine reflektierende Fläche (4f) aufweist, die an der Unterseite der dielektrischen Platte ausgebildet ist, um einen von unten auf die Grenzfläche (5c) zwischen der Filmschicht (3c) und der dielektrischen Platte auftreffenden und an der Grenzfläche (5c) reflektierten Lichtstrahl nach oben zu reflektieren.
Meßplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Filmschicht (3a, 3b, 3c) einen Metallfilm aufweist.
Meßplatte nach Anspruch 11, bei der die dielektrische Platte (1a, ... 1h) aus Glas oder transparentem Harzmaterial gebildet ist.
Meßplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Filmschicht (3a, 3b, 3c) eine Kaschierung und eine auf der Kaschierung ausgebildete optische Wellenleiterschicht aufweist, die mit einer Probe in Berührung zu bringen ist, wobei die Grenzfläche zwischen der Kaschierung und der Platte definiert ist.
Meßplatte nach Anspruch 13, bei der die dielektrische Platte (1a, ... 1h) aus Glas oder transparentem Harzmaterial gebildet ist.