DE60316985T2

DE60316985T2 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE60316985T2
Application number: DE60316985T
Authority: DE
Inventors: Shu Sato
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: DE60316985D1; EP1566628A3; EP1562036A3; EP1566628B1; EP1394532A3; EP1562036A2; US7075657B2; US20040042012A1; EP1566628A2; EP1394532A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung unter Ausnutzung einer flüchtigen Welle (evanescent wave), die eine Probe dadurch analysiert, dass ein Lichtstrahlbündel zur Reflexion an der Grenzfläche zwischen einer Dünnfilmschicht in Berührung mit der Probe und einem dielektrischen Blockteil gebracht wird, um eine flüchtige Welle hervorzurufen und anschließend eine Änderung der Intensität des totalreflektierten Lichtstrahlbündels aufgrund der flüchtigen Welle zu messen.
Beschreibung des Standes der Technik
Wenn freie Elektronen in einem Metall kollektiv schwingen, kommt es zu einer Druckwelle, die als Plasmawelle bezeichnet wird. Die Druckwelle, die in der Metalloberfläche erzeugt und quantisiert wird, wird als Oberflächenplasmon bezeichnet.
Es gibt verschiedene Arten von Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtungen zum quantitativen Analysieren einer Substanz in einer Flüssigprobe, wobei der Vorteil eines Phänomens genutzt wird, wonach Oberflächenplasmon durch eine Lichtwelle angeregt wird. Unter diesen Vorrichtungen ist besonders bekannt eine Vorrichtung, die von der „Kretschmann-Konfiguration" Gebrauch macht (siehe die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 6(1994)-167443 ).
Die Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung, die von der erwähnten „Kretschmann-Konfiguration" Gebrauch macht, besteht im wesentlichen aus (1) einem dielektrischen Blockteil in Form eines Prismas; (2) einem Metallfilm, der auf einer Oberfläche des dielektrischen Blockteils gebildet ist, um darauf eine Substanz (als Messsubstanz), beispielsweise eine Flüssigprobe, zu platzieren; (3) eine Lichtquelle zum Emittieren eines Lichtbündels; (4) eine Optik, die das Lichtbündel dazu bringt, in den dielektrischen Blockteil unter unterschiedlichen Winkeln einzutreten, so dass eine Bedingung für totale interne Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Blockteil und dem Metallfilm erfüllt ist; und (5) eine Photodetektoreinrichtung zum Nachweisen des Zustands der Oberflächenplasmonresonanz (SPR), das heißt eines Zustands gedämpfter Totalreflexion (ATR), wozu die Intensität des an der Grenzfläche totalreflektierten Lichtbündels gemessen wird; und (6) eine Messeinrichtung zum Messen des Zustands der Oberflächenplasmonresonanz (SPR) auf der Grundlage des durch die Photodetektoreinrichtung gewonnenen Nachweisergebnisses.
Um verschiedene Einfallwinkel in der oben beschriebenen Weise zu erreichen, kann ein relativ dünnes Lichtstrahlbündel dazu gebracht werden, auf die erwähnte Grenzfläche unter verschiedenen Einfallwinkeln aufzutreffen, oder man kann ein relativ dickes Lichtbündel dazu bringen, die Grenzfläche in konvergenter oder divergenter Weise derart zu treffen, dass die einfallenden Komponenten unterschiedlichen Winkeln entsprechen. Im erstgenannten Fall lässt sich ein Lichtbündel, dessen Reflexionswinkel sich bei einer Änderung des Einfallwinkels ändert, mit Hilfe eines kleinen Photodetektors ermitteln, der synchron mit einer Änderung des Reflexionswinkels bewegt wird, oder mit einem flächigen Sensor, der sich in der Richtung erstreckt, in der sich der Reflexionswinkel ändert. In letztgenanntem Fall hingegen lassen sich unter verschiedenen Winkeln reflektierte Lichtbündel von einem Flächensensor nachweisen, der sich in einer Richtung erstreckt, in der die reflektierten Lichtbündel empfangen werden können.
Bei der oben beschriebenen Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung wird, wenn ein Lichtbündel auf einen Metallfilm unter einem spezifischen Einfallwinkel θ_sp, der größer als ein kritischer Einfallwinkel ist, bei welchem es zu totaler interner Reflexion (TIR) kommt, auftrifft, eine flüchtige Welle mit einer elektrischen Feldverteilung innerhalb einer Messsubstanz (der zu messenden Flüssigkeitsprobe) in Berührung mit dem Metallfilm erzeugt. Diese flüchtige Welle regt das oben angesprochene Oberflächenplasmon in der Grenzfläche zwischen dem Metallfilm und der Messsubstanz (der zu messenden Flüssigprobe) an. Wenn der Wellenzahlvektor der flüchtigen Welle der Wellenzahl des Oberflächenplasmons gleicht und deshalb die Wellenzahlen zwischen den beiden übereinstimmen, gelangt die flüchtige Welle mit dem Oberflächenplasmon in Resonanz, und die Lichtenergie überträgt sich auf das Oberflächenplasmon. Im Ergebnis fällt die Intensität des an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Blockteil und dem Metallfilm totalreflektierten Lichts scharf ab. Dieser scharfe Intensitätsabfall wird im allgemeinen in Form einer Dunkellinie mit Hilfe der oben beschriebenen Photodetektoreinrichtung nachgewiesen.
Man beachte, dass die oben angesprochene Resonanz nur dann auftritt, wenn das einfallende Lichtbündel p-polarisiertes Licht ist. Aus diesem Grund ist es notwendig, vorab solche Einstellungen vorzunehmen, dass das einfallende Lichtbündel die erwähnte Grenzfläche in Form von p-polarisiertem Licht trifft.
Wenn die Wellenzahl des Oberflächenplasmons aus einem Einfallwinkel θ_sp aufgefunden wird, bei dem gedämpfte Totalreflexion (ATR) stattfindet (der Einfallwinkel θ_sp wird im folgenden als Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp bezeichnet), lässt sich die Dielektrizitätskonstante der Messsubstanz (der Flüssigprobe) nach folgender Gleichung errechnen:
wobei K_sp die Wellenzahl des Oberflächenplasmons ist, ω die Kreisfrequenz des Oberflächenplasmons ist, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist und ε_m und ε_s die Dielektrizitätskonstanten von Metall bzw. der Messsubstanz sind.
Das heißt: die auf den Brechungsindex bezogenen Eigenschaften lassen sich dadurch auffinden, dass man den Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp ermittelt, bei dem es sich um einen Einfallwinkel handelt, bei dem die Intensität des reflektierten Lichts verringert ist.
In dieser Art von Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung kann ein Photodiodenarray (als Photodetektoreinrichtung) mit dem Ziel des Messens des erwähnten Totalreflexion-Dämpfungswinkels θ_sp in einem großen dynamischen Bereich eingesetzt werden, wie es aus dem US-Patent 6 577 396 bekannt ist. Die Photodetektoreinrichtung besteht aus einer Mehrzahl von in einer vorbestimmten Richtung nebeneinander angeordneten Lichtempfangselementen. Die Lichtempfangselemente sind so nebeneinander angeordnet, dass sie die Komponenten eines an der vorerwähnten Grenzfläche unter verschiedenen Reflexionswinkeln totalreflektierten Lichtbündels empfangen.
In diesem Fall ist eine Differenziereinrichtung vorgesehen, um die optischen Detektorsignale zu differenzieren, die von den Lichtempfangselementen der Photodetektoreinrichtung ausgegeben werden, und zwar in einer Richtung, in welcher die Lichtempfangselemente nebeneinander angeordnet sind. Basierend auf den differenzierten Werten, die durch dieses Differenziereinrichtung ausgegeben werden, wird der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp spezifiziert, wodurch die Eigenschaften in Verbindung mit dem Brechungsindex einer Messsubstanz häufig analysiert werden.
Darüber hinaus ist als ähnliche Messvorrichtung, die Gebrauch von einer flüchtigen Welle macht, eine Leckwellen-Messvorrichtung bekannt (siehe zum Beispiel „Spectral Researches", Vol. 47, Nr. 1 (1998), Seiten 21 bis 23 und Seiten 26 bis 27). Diese Leckwellen-Messvorrichtung besteht im wesentlichen aus (1) einem dielektrischen Blockteil in Form eines Prismas; (2) einer auf einer Oberfläche des dielektrischen Blockteils gebildeten Mantelschicht; (3) einer optischen Wellenleiterschicht, die auf der Mantelschicht gebildet ist, um darauf eine Flüssigkeitsprobe zu platzieren; (4) eine Lichtquelle zum Emittieren eines Lichtbündels; (5) eine Optik, die das Lichtbündel dazu bringt, in den dielektrischen Blockteil unter verschiedenen Einfallwinkeln einzutreten, so dass eine Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Blockteil und der Mantelschicht erfüllt ist; und (6) eine Photodetektoreinrichtung zum Nachweisen des Anregungszustands eines Wellenleitungsmodus, das heißt eines Zustands der gedämpften Totalreflexion (ATR) durch Messen der Intensität des an der erwähnten Grenzfläche totalreflektierten Lichtbündels.
In der oben erläuterten Leckwellen-Messvorrichtung wird, wenn ein Lichtbündel auf die Mantelschicht durch den dielektrischen Blockteil hindurch unter einem Einfallwinkel auftrifft, der größer ist als der kritische Winkel, bei dem es zu innerer Totalreflexion (TIR) kommt, das Lichtbündel durch die Mantelschicht hindurch übertragen. Anschließend wird innerhalb der auf der Mantelschicht gebildeten optischen Wellenleiterschicht nur Licht mit einer spezifischen Wellenzahl, welches unter einem spezifischen Einfallwinkel einfällt, in einem Wellenleitermodus geführt. Wenn der Wellenleitermodus auf diese Weise angeregt ist, wird der größte Teil des einfallenden Lichts innerhalb der optischen Wellenleiterschicht eingegrenzt, und demzufolge kommt es zu gedämpfter Totalreflexion (ATR), bei der die Intensität des an der erwähnten Grenzfläche totalreflektierten Lichts scharf abfällt. Die Wellenzahl des sich durch die optische Wellenleiterschicht ausbreitenden Lichts hängt ab vom Brechungsindex der Messsubstanz (der Flüssigkeitsprobe) auf der optischen Wellenleiterschicht. Durch Auffinden des Totalreflexion-Dämpfungswinkels θ_sp, bei dem es zu gedämpfter Totalreflexion ATR kommt, lässt sich der Brechungsindex der Messsubstanz ebenso analysieren wie die Eigenschaften der Messsubstanz, die zu dem Brechungsindex in Beziehung stehen.
Man beachte, dass die Leckwellen-Messvorrichtung auch von der oben erwähnten Photodetektoreinrichtung (Photodiodenarray) Gebrauch machen kann, um die Lage einer Dunkellinie nachzuweisen, die in dem reflektierten Licht vorhanden ist aufgrund der gedämpften Totalreflexion (ATR). In zahlreichen Fällen wird außerdem zusätzlich zu der Photodetektoreinrichtung die oben angesprochene Differenziereinrichtung in der Leckwellen-Messvorrichtung eingesetzt.
Auf dem Gebiet der pharmazeutischen Forschung werden die oben beschriebene Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung und die Leckwellen-Messvorrichtung manchmal im Rahmen eines Screening-Verfahrens auf Zufallbasis eingesetzt, um eine spezifische Substanz nachzuweisen, die sich mit einer gewünschten Messsubstanz verbindet. In diesem Fall wird die Messsubstanz als die oben angesprochene Messsubstanz auf der Dünnfilmschicht fixiert (bei der es sich um den erwähnten Metallfilm bei Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtungen oder um die Mantelschicht und die optische Wellenleiterschicht im Fall von Leckwellen-Messvorrichtungen handelt). Dann wird der Messsubstanz eine Flüssigprobe, die verschiedene Prüfsubstanzen enthält (wobei es sich um die zu prüfenden Substanzen handelt) hinzugefügt. Jedes Mal, wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, wird der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp gemessen.
Wenn eine Prüfsubstanz in der Flüssigkeitsprobe eine Substanz ist, die an die Messsubstanz ankoppelt, so bewirkt diese Ankopplung, dass sich der Brechungsindex der Messsubstanz mit Verstreichen der Zeit ändert. Es wird also jedes Mal nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp gemessen. Basierend auf dem Messwert wird gemessen, ob es in dem Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp eine Änderung gegeben hat oder nicht. Basierend auf diesem Ergebnis lässt sich beurteilen, ob die Prüfsubstanz eine spezifische Substanz ist, welche an die Messsubstanz ankoppelt, oder nicht. Beispiele für eine solche Kombination einer spezifischen Substanz und einer Messsubstanz sind eine Kombination aus einem Antigen und einem Antikörper sowie einer Kombination aus einem Antikörper und einem Antikörper. Insbesondere kann als Messsubstanz (die auf der Dünnfilmschicht fixiert wird) bzw. als spezifische Substanz ein Rabbit-Antihuman-IgG-Antikörper sowie ein menschlicher IgG-(Immunoglobulin-G)-Antikörper verwendet werden.
Man beachte, dass zum Messen des Kopplungszustands zwischen einer Prüfsubstanz in einer Flüssigprobe und einer Messsubstanz der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp selbst nicht unbedingt ermittelt werden muss. Beispielsweise wird eine Flüssigprobe mit einer Target-Substanz einer Messsubstanz hinzugefügt. Als nächstes wird eine Änderung des Totalreflexions-Dämpfungswinkels θ_sp gemessen. Basierend auf dem Betrag der Änderung lässt sich der Kopplungszustand zwischen der Prüfsubstanz und der Messsubstanz messen. Für den Fall, dass die oben angesprochene Photodetektoreinrichtung und Diffe renziereinrichtung in einer von der ATR Gebrauch machenden Messvorrichtung verwendet werden, entspricht der Umfang einer Änderung in einem differenzierten Wert der Größe einer Änderung im Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp. Basierend auf einer Größe der Änderung in einem differenzierten Wert lässt sich folglich der Kopplungszustand zwischen der Messsubstanz und der Target-Substanz messen.
Die US 6 415 235 (Bartholomew et al.) zeigt eine Oberflächenplasmonresonanz-Vorrichtung mit einer Software-Schnittstelle, die Standardverfahren zum Analysieren der SPR-Kurve liefert.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren und der oben beschriebenen Vorrichtung, die von der ATR Gebrauch machen, wird eine Flüssigprobe, welche ein Lösungsmittel und eine Prüfsubstanz beinhaltet, einem becherförmigen oder petrischalenförmigen Messchip zugeleitet, in welchem eine Messsubstanz auf einer Dünnfilmschicht auf der Bodenfläche fixiert ist, und der oben angesprochene Umfang einer Änderung im Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp wird gemessen.
Man beachte, dass die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2001-330560 eine Messvorrichtung unter Verwendung von ATR offenbart, die in der Lage ist, eine große Anzahl von Proben innerhalb einer kurzen Zeit dadurch zu messen, dass seriell mehrere auf einem Drehtisch oder dergleichen angebrachte Messchips ausgemessen werden.
In der US-Patent-Offenlegungsschrift Nr. 20020046992 ist ebenfalls eine Messvorrichtung unter Verwendung der ATR beschrieben, die Messungen unter Verwendung eines Messchips durchführt, welches mit mehreren Probenhalteteilen ausgestattet ist. In einer derartigen Messvorrichtung lässt sich eine große Anzahl von Proben innerhalb kurzer Zeit ohne Bewegen des Messchips messen.
In den oben angesprochenen herkömmlichen Messvorrichtungen wird insbesondere eine Differenz zwischen benachbarten Lichtempfangselementen der erwähnten Photodetektor einrichtung im allgemeinen berechnet mit Hilfe einer Differenziereinrichtung, um einen differenzierten Wert auszugeben. In solchen Fällen allerdings, in denen es einen individuellen Unterschied zwischen den Empfindlichkeiten der Lichtempfangselemente gibt, oder es gibt Fälle, bei denen Signale aus den Lichtempfangselementen verschiedenen Arten von Rauschen oder Wellenformverzerrungen unterliegen. In diesen Fällen geschieht es zum Beispiel, dass ein differenzierter Wert, der vor und nach einer Dunkellinie abnehmen und dann ansteigen sollte entsprechend einer Zunahme des Einfallwinkels θ, zunächst ansteigt und dann abfällt. Das heißt: ein differenzierter Wert ändert sich nicht linear bei einer Änderung des Einfallwinkels θ, und demzufolge besteht die Gefahr, dass die Genauigkeit beim Messen des Zustands der gedämpften Totalreflexion (ART) beeinträchtigt ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Umstände gemacht. Es ist folglich das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung anzugeben, die in der Lage ist, den Zustand der gedämpften Totalreflexion (ART) exakt auch dann zu messen, wenn es individuelle Unterschiede zwischen den Empfindlichkeiten der Lichtempfangselemente gibt, und auch dann, wenn Signale von den Lichtempfangselementen verschiedenen Arten von Rauschen oder Wellenformverzerrungen ausgesetzt sind.
Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Messvorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen.
In der Messvorrichtung gemäß der Erfindung spezifiziert das vorbestimmte Verfahren ein Lichtempfangselement, welches ein optisches Detektorsignal mit einem Minimumwert ausgibt, unter den Lichtempfangselementen als das erwähnte Referenz-Lichtempfangselement.
Wenn in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Ausgangssignale zweier benachbarter Lichtempfangselemente in der Richtung differenziert werden, in der die Lichtemp fangselemente nebeneinander angeordnet sind, kann das vorbestimmte Verfahren zwei Lichtempfangselemente spezifizieren, deren differenzierter Wert dem Wert 0 am nächsten kommt, um als Referenz-Lichtempfangselemente zu fungieren. In diesem Fall kann, während zwei Lichtempfangselemente als Referenz-Lichtempfangselemente spezifiziert werden, die oben angesprochene Beurteilung nur bezüglich eines der beiden Elemente erfolgen, oder die Beurteilung kann auch bezüglich der beiden Lichtempfangselemente erfolgen.
In der oben beschriebenen Messvorrichtung kommt es zu Fällen, in denen die Wellenform in einem Strahlbündelprofil von optischen Detektorsignalen, die von den Lichtempfangselementen aufgenommen wurden, zusätzlich zu einem Tal aufgrund einer durch den oben beschriebenen Oberflächenplasmonresonanz-Effekt und dergleichen erzeugten Dunkellinie ein Tal enthält, welches durch Überlagerung von Rauschen, beispielsweise in Form von Störspannungsspitzen etc. enthält. Wenn das Strahlbündelprofil mehrere Täler enthält, entstehen mehrere Nulldurchgangsstellen in einem differenzierten Signal, und es wird schwierig, die Lage einer Dunkellinie exakt zu berechnen.
Die Wellenform des Tals aufgrund von Rauschen bildet im allgemeinen ein scharf ausgeprägtes Tal mit geringer Breite, wohingegen die Wellenform des Tals, welches durch eine Dunkellinie gebildet wird, eine gewisse Breite abhängig von dem optischen System der Messvorrichtung aufweist. Erfindungsgemäß spezifiziert deshalb das oben angesprochene Verfahren ein Referenz-Lichtempfangselement aus dem durch die Photodetektoreinrichtung ermittelten Strahlbündelprofil. Sodann wird beurteilt, ob Werte der optischen Detektorsignale einer ersten vorbestimmten Anzahl von Lichtempfangselementen in Richtung zu beiden Seiten bezüglich der Mitte des Referenz-Lichtempfangselements monoton ansteigen oder nicht. Sodann werden Werte dadurch erhalten, dass man die Ausgangssignale einer zweiten vorbestimmten Anzahl von Lichtelementen differenziert, die das Referenz-Lichtempfangselement einschließen, wenn die Beurteilung ergibt, dass die Werte der optischen Detektorsignale monoton ansteigen, und zwar in der Richtung, in der die Lichtempfangselemente nebeneinander angeordnet sind. Basierend auf den differenzierten Werten, das heißt basierend auf den differenzierten Signalen, wird ein Bereich entsprechend einer Dunkellinie spezifiziert. Basierend auf der Lage eines Nulldurchgangspunkts wird dann die Lage einer Dunkellinie gemessen. Dies ermöglicht die exakte Berechnung der Lage der Dunkellinie.
Man beachte, dass die erste vorbestimmte Anzahl in dem Ausdruck „erste vorbestimmte Anzahl von Lichtempfangselementen" nicht die gleiche sein muss wie die zweite vorbestimmte Anzahl in dem Ausdruck „zweite vorbestimmte Anzahl von Lichtempfangselementen, die das Referenz-Lichtempfangselement einschließen". Es können unterschiedliche Zahlen sein.
Es gibt eine zweite Messvorrichtung, die nicht im Rahmen der Erfindung liegt, und welche aufweist:
einen Messchip, umfassend:
einen dielektrischen Blockteil,
eine Dünnfilmschicht auf einer Oberfläche des dielektrischen Blockteils, und
einen Probenhaltemechanismus zum Halten einer Probe auf einer Oberfläche der Dünnfilmschicht;
eine Lichtquelle zum Emittieren eines Lichtstrahlbündels;
ein optisches Einfallsystem zum Veranlassen, dass der Lichtstrahl in den dielektrischen Blockteil unter Einfallwinkeln derart eintrat, dass ein Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Blockteil und der Dünnfilmschicht erfüllt ist;
eine Photodetektoreinrichtung, welche eine Mehrzahl von Lichtempfangselementen enthält, um Intensitäten des Lichtstrahls mit unterschiedlichen Einfallwinkeln, die an der Grenzfläche totalreflektiert werden, zu detektieren;
eine Differenziereinrichtung zum Differenzieren eines optischen Detektorsignals, welches von jedem der Lichtempfangselemente der Photodetektoreinrichtung ausgegeben wird, in einer Richtung, in der die Lichtempfangselemente nebeneinander angeordnet sind, und in Intervallen von Ausgangssignalen zweier benachbarter Lichtempfangselemente; und
eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer Stelle einer Dunkellinie, die bei der aktuellen Messung erhalten wird, indem ein Abstand (L) von einer vorbestimmten Grundlinie zu der Stelle der Dunkellinie mit Hilfe folgender Gleichung berechnet wird: L = (m – r) × R – Vr/αr + Vm/αmwobei R ein dynamischer Bereich eines differentiellen Kanals ist, wenn ein Differenzkanal zwei benachbarte Lichtempfangselemente umfasst, r die Reihenfolge der Anordnung eines Differentialkanals entsprechend der vorbestimmten Grundlinie ist, Vr ein Spannungswert äquivalent einem differenzierten Wert ist, welcher die von dem r-ten Differentialkanal ausgegebenen Basislinie ist, αr der Differential-Gradient des r-ten Differentialkanals ist, m die Reihenfolge der Anordnung eines Differentialkanals ist, der die Dunkellinie detektiert, die in dem an der Grenzfläche reflektierten Lichtstrahl enthalten ist, Vm ein Spannungswert äquivalent einem differenzierten Wert aus dem m-ten Differentialkanal ist und αm der Differential-Gradient des m-ten Differentialkanals ist.
Der dynamische Bereich R bezieht sich auf die Breite des Detektiervorgangs pro einem Differentialkanal, das heißt auf den Mittenabstand zwischen den oben beschriebenen, nebeneinander angeordneten Lichtempfangselementen.
In der oben beschriebenen Messvorrichtung kommt es dann, wenn es einen individuellen Unterschied zwischen den Empfindlichkeitskennlinien der Lichtempfangselemente eines Photodiodenarrays gibt, zu einem Fehler in der Breite des Detektiervorgangs, die zwei benachbarte Lichtempfangselemente einnehmen, und folglich wird die Ausgangskennlinie der Photodetektoreinrichtung in bezug auf die Lage einer Dunkellinie nicht-linear. Deshalb besteht bei einem herkömmlichen Verfahren die Möglichkeit, dass sich die Lage der Dunkellinie nicht exakt berechnen lässt (wobei in dem herkömmlichen Verfahren zwischen einem Lichtempfangselement entsprechend einer spezifischen Grundlinie und einem eine Dunkellinie erkennenden Lichtempfangselement die Detektionsbreiten für Elementgruppen aus zwei benachbarten Lichtempfangselementen addiert werden und ein Abstand von der Grundlinie zu der Lage der Dunkellinie berechnet wird).
Folglich wird vorab eine Grundlinie eingerichtet, und die Anzahl von Differentialkanälen von einem der Grundlinie entsprechenden Differentialkanal zu einem eine Dunkellinie erkennenden Differentialkanal wird multipliziert mit dem dynamischen Bereich (der Detektionsbreite pro Differentialkanal), wodurch ein Abstand von der Grundlinie zu der Position der Dunkellinie berechnet wird. Dies ermöglicht das exakte Berechnen der Lage einer Dunkellinie bei Einfluss einer individuellen Differenz zwischen den Empfindlichkeitskennwerten der Lichtempfangselemente eines Photodiodenarrays.
Es wird eine dritte Messvorrichtung, die nicht in den Rahmen der Erfindung fällt, geschaffen, welche aufweist:
einen Messchip, umfassend:
einen dielektrischen Blockteil,
eine Dünnfilmschicht auf einer Oberfläche des dielektrischen Blockteils, und
einen Probenhaltemechanismus zum Halten einer Probe auf einer Oberfläche der Dünnfilmschicht;
eine Lichtquelle zum Emittieren eines Lichtstrahlbündels;
ein optisches Einfallsystem zum Veranlassen, dass der Lichtstrahl in den dielektrischen Blockteil unter Einfallwinkeln derart eintritt, dass ein Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Blockteil und der Dünnfilmschicht erfüllt ist;
eine Photodetektoreinrichtung, welche eine Mehrzahl von Lichtempfangselementen enthält, um Intensitäten des Lichtstrahls mit unterschiedlichen Einfallwinkeln, die an der Grenzfläche totalreflektiert werden, zu detektieren;
eine Differenzeinrichtung zum Berechnen optischer Detektorsignale basierend auf Ausgangssignalen der Lichtempfangselemente und zum Berechnen einer Differenz zwischen den optischen Detektorsignalen mit dem Abstand von mindestens einem Lichtempfangselement in einer Richtung, in der die Lichtempfangselemente nebeneinander angeordnet sind; und
eine Berechnungseinrichtung zum Messen eines Zustands gedämpfter Totalreflexion basierend auf der von der Differenzeinrichtung berechneten Differenz.
In der dritten Messvorrichtung kann das oben angesprochene Detektorsignal ein Durchschnittswert sein, erhalten durch Unterteilen einer Mehrzahl von Lichtempfangselementen in Lichtempfangselement-Gruppen, die eine vorbestimmte Anzahl von Lichtempfangselementen enthalten, die mindestens zwei benachbarte Lichtempfangselemente sind, und durch anschließendes Mitteln der Ausgangssignale der Lichtempfangselemente jeder der Lichtempfangselement-Gruppen. Man beachte, dass der oben angesprochene Mittel- oder Durchschnittswert nicht begrenzt ist auf einen Durchschnittswert an sich, sondern es sich auch um einen zu einem Mittelwert äquivalenten Wert handeln kann. Beispielsweise kann es sich um einen Gesamtwert der Ausgangssignale der Lichtempfangselemente handeln, um einen Wert, den man erhält durch Dividieren eines Gesamtwert durch einen Sollwert, m einen Wert, der erhalten wird durch Multiplizieren eines Gesamtwerts mit einem Sollwert etc.
In der dritten Messvorrichtung kann das oben angesprochene optische Detektorsignal ein Durchschnittswert sein, der erhalten wird durch serielles Berechnen eines Durchschnittswerts von mindestens zwei benachbarten Lichtempfangselementen in der Richtung, in der diese angeordnet sind. Man beachte, dass der Mittelwert benachbarter Lichtempfangselemente nicht beschränkt ist auf den eigentlichen Mittel- oder Durchschnittswert, sondern ein dazu äquivalenter Wert sein kann, zum Beispiel ein Gesamtwert der Ausgangssignale der Lichtempfangselemente, ein durch Dividieren eines Gesamtwerts mit einem Sollwert erhaltener Wert, ein durch Multiplizieren eines Gesamtwerts mit einem Sollwert erhaltener Wert etc.
In der dritten Messvorrichtung kann die erwähnte Berechnungseinrichtung den Zustand der gedämpften Totalreflexion durch Messen des Zustands der in dem Lichtstrahlbündel enthaltenen Dunkellinie messen. Der Mittenabstand zwischen den Lichtempfangselementen kann ein Viertel oder weniger der Halbwärtsbreite der Dunkellinie sein. Die Halbwärtsbreite der Dunkellinie bedeutet die Breite einer Dunkellinie dort, wo die Lichtmengen der Dunkellinie sich auf 1/2 des maximalen Dämpfungswerts verringert hat.
Die dritte Messvorrichtung kann außerdem eine Empfindlichkeits-Korrektureinrichtung aufweisen, die eine Empfindlichkeitsdifferenz zwischen Lichtempfangselementen der Photodetektoreinrichtung korrigiert.
Die obige Empfindlichkeits-Korrektureinrichtung kann eine Empfindlichkeitsdifferenz zwischen den Lichtempfangselementen der Photodetektoreinrichtung durch Verarbeitungssignale korrigieren.
Die oben erläuterten drei Messvorrichtungen sind die erwähnte Oberflächenplasmonresonanz-Vorrichtung, die einen Metallfilm als die erwähnte Dünnfilmschicht verwendet; die oben erwähnte Leckwellen-Messvorrichtung, die eine Schicht in Form einer Mantelschicht auf einer Oberfläche eines dielektrischen Blockteils und einer auf der Mantelschicht gebildeten optischen Wellenleiterschicht als die erwähnte Dünnfilmschicht verwendet, und dergleichen.
In der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gibt es verschiedene Verfahren zum Analysieren einer Probe durch Detektieren der Intensität eines Lichtstrahls, der an der erwähnten Grenzfläche totalreflektiert wurde, mit Hilfe der Photodetektoreinrichtung. Beispielsweise wird ein Lichtstrahlbündel dazu gebracht, auf die erwähnte Grenzfläche unter verschiedenen Einfallwinkeln aufzutreffen, so dass eine Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche erfüllt ist. Dann wird die Intensität des an der Grenzfläche totalreflektierten Lichtstrahlbündels an jeder Stelle gemessen, die jedem Einfallwinkel entspricht. Als nächstes wird durch Nachweisen der Lage (des Winkels) einer Dunkellinie, die aufgrund gedämpfter Totalreflexion (ATR) erzeugt wird, detektiert, und es wird eine von dem Messchip gehaltene Probe analysiert. Ferner wird ein Lichtstrahl mit mehreren Wellenlängen-Komponenten dazu gebracht, in einen Messchip unter Einfallwinkeln derart einzutreten, dass die Bedingung für interne Totalreflexion an der Grenzfläche erfüllt ist. Sodann wird die Intensität des an der Grenzfläche totalreflektierten Lichtstrahlbündels für jede Wellenlänge gemessen. Als nächstes wird durch Messen des Ausmaßes der ATR (Lage und Maß einer Dunkellinie) für jede Wellenlänge eine von dem Messchip gehaltene Probe analysiert (vergleiche D. V. Noort, K. Johansen, C.-F. Mandenius, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, Seiten 585–588).
In der erfindungsgemäßen Messvorrichtung werden die Intensitäten eines Lichtstrahls von mehreren Lichtempfangselementen gemessen, die Lage einer Dunkellinie wird ermittelt durch Differenzieren der optischen Detektorsignale der Lichtempfangselemente in Abständen der Ausgangssignale von zwei benachbarten Lichtempfangselementen. Die Berechnungseinrichtung der ersten Messvorrichtung spezifiziert ein Referenz-Lichtempfangselement nach einem vorbestimmten Verfahren, beurteilt anschließend, ob Werte der optischen Detektorsignale einer ersten vorbestimmten Anzahl von Lichtempfangselementen monoton ansteigen in Richtungen, die zu beiden Seiten der durch das Referenz-Lichtempfangselement gebildeten Mitte verlaufen, und berechnet anschließend die Lage einer Dunkellinie auf der Grundlage eines Werts, der erhalten wird durch Differenzieren der Ausgangssignale einer zweiten vorbestimmten Anzahl von Lichtempfangselementen, welche das Referenz-Lichtempfangselement einschließen (das ist das Licht empfangselement, welches ein Tal eines Dunkellinienbereichs mit einer gewissen Breite erkennt), wenn erkannt wird, dass die Werte der optischen Detektorsignale monoton ansteigen, und zwar in der Richtung, in der die Lichtempfangselemente nebeneinander angeordnet sind. Selbst wenn also mehrere Nulldurchgangspunkte in einem differenzierten Signal vorhanden sind, bedingt durch das Auftreten von Spannungsstörspitzen etc., besteht die Möglichkeit, die Lage einer Dunkellinie exakt zu messen.
Darüber hinaus wird in der zweiten Messvorrichtung eine Grundlinie vorab eingerichtet, und die Anzahl von Differentialkanälen gegenüber einem der Grundlinie entsprechenden Differentialkanal bis hin zu einem eine Dunkellinie erkennenden Differentialkanal wird multipliziert mit dem dynamischen Bereich (der Detektorbreite pro einem Differentialkanal), wodurch ein Abstand von der Grundlinie zu der Stelle der Dunkellinie berechnet wird. Hierdurch wird es möglich, die Lage einer Dunkellinie exakt ohne Beeinflussung durch die individuellen Unterschiede zwischen den Empfindlichkeitskennwerten der Lichtempfangselemente eines Photodiodenarrays zu berechnen.
Die dritte Messvorrichtung ist mit einer Photodetektoreinrichtung ausgestattet, die eine Mehrzahl von Lichtempfangselementen enthält, um Intensitäten des Lichtstrahls zu erfassen, der an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Blockteil und der Dünnfilmschicht totalreflektiert wurde. Die Differenzeinrichtung dient zum Berechnen von optischen Detektorsignalen auf der Grundlage von Ausgangssignalen der Lichtempfangselemente und zum Berechnen einer Differenz (beschrieben als Sprungdifferenzwert) zwischen den optischen Detektorsignalen mit dem Abstand von mindestens einem Lichtempfangselement in der Richtung, in der die Lichtempfangselemente nebeneinander angeordnet sind. Basierend auf dem Sprungdifferenzwert wird der Zustand der gedämpften Totalreflexion gemessen. Der Sprungdifferenzwert ist unempfindlich gegenüber Rauschen, so dass eine Änderung im Sprungdifferenzwert eine stärkere Linearität besitzt als eine Änderung eines Differenzwerts im Stand der Technik, so dass der Zustand der gedämpften Totalreflexion exakt gemessen werden kann. Außerdem besitzt der Sprungdifferenzwert einen größeren Betrag als ein Differenzwert, so dass die Empfindlichkeit beim Messen des Zustands gedämpfter Totalreflexion gesteigert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird in größerer Einzelheit anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung gemäß der Erfindung;
2A eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem Einfallwinkel θ eines Lichtstrahls an einer Grenzfläche und der Lichtintensität I des an dieser Grenzfläche reflektierten Lichtstrahls;
2B ein Diagramm, welches veranschaulicht, wie die in 2A dargestellten Photodioden angeordnet sind;
2C eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen den Stellen der Photodioden (das heißt, der Einfallwinkel θ des Lichtstrahls) und den Ausgangssignalen der Photodioden;
2D eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Einfallwinkel θ und dem Sprungdifferenzwert F zwischen den Ausgangssignalen abwechselnder Photodioden;
3 ein Flussdiagramm, welches veranschaulicht, wie ein Referenz-Lichtempfangselement detektiert wird;
4A und 4B graphische Darstellungen der Beziehung zwischen der Empfindlichkeitskennlinie jedes Lichtempfangselements und der Ausgangskennlinie der Signalverarbeitungseinheit;
5 ein Flussdiagramm, welches veranschaulicht, wie eine Dunkellinie berechnet wird;
6A und 6B eine Tabelle und eine Graphik, die unterschiedliche Werte zeigen, die durch Messungen gewonnen wurden;
7A eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Einfallwinkel θ eines Lichtstrahls an einer Grenzfläche und der Lichtintensität I des an dieser Grenzfläche reflektierten Lichtstrahls bei einer zweiten Ausführungsform;
7B eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Einfallwinkel θ und einem Sprungdifferenzwert F, ermittelt gemäß der zweiten Ausführungsform;
8A eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Einfallwinkel θ und der Lichtintensität I, gewonnen durch eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform;
8B eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem Einfallwinkel θ und einem Sprungdifferenzwert F, erhalten durch eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform; und
9 eine Seitenansicht einer Leckwellen-Messvorrichtung, die gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr auf 2 bezugnehmend, ist dort eine Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Diese Messvorrichtung nach der Figur enthält einen Wegwerf-Messchip 10; eine Laserlichtquelle 21, beispielsweise in Form eines Halbleiterlasers und dergleichen, die einen Messlichtstrahl (Laserstrahl) 20 emittiert; eine Sammellinse 22, die eine Einfalloptik bildet; ein Photodiodenarray 23; einen A/D-Wandler 24, der das Ausgangssignal des Photodiodenarrays 23 in ein digitales Signal umwandelt; eine Signalverarbeitungseinheit 25, die ansprechend auf das digitalisierte Ausgangssignal eine unten noch zu beschreibende Verarbeitung durchführt; und eine Anzeigeeinheit 26.
Der Messchip 10 besteht aus einem unteren dielektrischen Blockteil 11, einer ersten Dünnfilmschicht 12, einem oberen Probenhalteteil 13 und einer zweiten Dünnfilmschicht 14. Der untere dielektrische Blockteil 11 ist in Form eines quadratischen Pyramidenstumpfs ausgebildet. Die erste Dünnfilmschicht 12 ist auf der Oberseite des unteren dielektrischen Blockteils 11 ausgebildet und besteht aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, etc. Der obere Probenhalteteil 13 ist an dem unteren dielektrischen Blockteil 11 ausgebildet und besteht aus einem zylindrischen Teil, der einen Flüssigprobenraum auf der ersten Dünnfilmschicht 12 zur Aufnahme einer Flüssigprobe 15 bildet. Die zweite Dünnfilmschicht 14 ist an der sich verjüngenden Innenwandfläche des oberen Probenhalteteils 13 gebildet und nimmt ausgehend von dem unteren Ende (der ersten Dünnfilmschicht 12) zum oberen Ende hin im Durchmesser zu. Der sich verjüngende Raum innerhalb des oberen Probenhalteteils 13 dient als Becherteil 16 zur Aufnahme der Flüssigprobe 15.
Der untere dielektrische Blockteil 11 und der obere Probenhalteteil 13, die den Messchip 10 bilden, sind integriert zum Beispiel aus einem transparenten Harzmaterial oder dergleichen gebildet. Die erste Dünnfilmschicht 12 und die zweite Dünnfilmschicht 14 sind aufgedampft. Bei der ersten in 1 gezeigten Ausführungsform ist eine Sensor- oder Messsubstanz 17 an der ersten Dünnfilmschicht 12 und der zweiten Dünnfilmschicht 14 fixiert, die Flüssigprobe 15 enthält unterschiedliche Arten von Proteinen.
Die Sammellinse 22 sammelt den von der Lichtquelle 21 abgegebenen Lichtstrahl 20 und bewirkt, dass der gebündelte Lichtstrahl 20 an der Grenzfläche 11a zwischen dem unteren dielektrischen Blockteil 11 und der ersten Dünnfilmschicht 12a konvergiert, demzufolge man verschiedene Einfallwinkel erhält. Der Bereich der Einfallwinkel wird so eingerichtet, dass die Bedingung für interne Totalreflexion (TIR) des Lichtstrahlbündels 20 an der Grenzfläche 12a erfüllt ist und auch Oberflächenplasmonresonanz (SPR) stattfinden kann.
Man beachte, dass der Lichtstrahl 20 auf die Grenzfläche 12b als p-polarisiertes Licht auftrifft. Zu diesem Zweck muss die Laserlichtquelle 21 derart angeordnet werden, dass die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls 20 eine vorbestimmte Richtung einnimmt. Alternativ lässt sich die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls 20 mit Hilfe eines Wellenlän gen-Plättchens, einer Polarisatorplatte etc. steuern. Das Photodiodenarray 23 besteht aus einer großen Anzahl von Photodioden 23a, 23b, 23c, ..., die nebeneinander in Richtung des Pfeils X in 1 angeordnet sind. Das Ausgangssignal des Photodiodenarrays 23 besteht aus Signalen Sa, Sb, Sc, ..., die von den Photodioden 23a, 23b, 23c, ..., ausgegeben werden.
Die Signalverarbeitungseinheit 25 steuert den Betrieb jedes Teils und besitzt einen Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 und einen Berechnungsteil 28. Der Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 korrigiert die Empfindlichkeiten der digitalisierten Ausgangssignale Sa, Sb, Sc, ... des Photodiodenarrays 23. Der Berechnungsteil 28 berechnet einen Sprungdifferenzwert F und ermittelt einen Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp basierend auf dem Sprungdifferenzwert F.
Im folgenden soll beschrieben werden, wie eine Flüssigprobe mit Hilfe der oben beschriebenen Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung analysiert wird. Am Anfang wird zur Aufnahme eines Korrekturwerts, der eine Differenz der Empfindlichkeiten zwischen den Photodioden 23a, 23b, 23c, ... des Photodiodenarrays 23 vor der Messung korrigiert, ein von einer Standardlichtquelle emittierter Lichtstrahl dazu gebracht, auf die Grenzfläche 12a aufzutreffen, so dass die Lichtintensitäten bezüglich des Photodiodenarrays 23 gleichmäßig werden. Man beachte, dass die Standardlichtquelle eine Gleichstrom-Lichtquelle verwenden kann, die eine gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung liefert.
Die Signale Sa, Sb, Sc, ..., die von den Photodioden 23a, 23b, 23c, ... des Photodiodenarrays 23 ausgegeben werden, werden von dem A/D-Wandler 24 in digitale Signale umgewandelt und in den Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 der Signalverarbeitungseinheit 25 eingegeben. Der Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 berechnet einen Durchschnittswert S_av der Ausgangssignale Sa, Sb, Sc, ... und berechnet dann Empfindlichkeits-Korrekturkoeffizienten S_av/Sa, S_av/Sb, S_av/Sc, ... und speichert die Koeffizienten, so dass sie den Ausgangssignalen entsprechen. Die in den Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 eingegebenen Signale Sa, Sb, Sc, ... werden mit den entsprechenden Empfindlichkeits-Korrekturkoeffizienten multipliziert, und die korrigierten Signale Sa', Sb', Sc', ... werden in den Berechnungsteil 28 eingegeben. Der Vorgang des Einstellens der Empfindlichkeits-Korrekturkoeffizienten muss nicht für jede Messung ausgeführt werden. Der Einstellvorgang kann bedarfsweise erfolgen.
Nach dem Einstellen der Empfindlichkeits-Korrekturkoeffizienten erfolgt die aktuelle Messung. Der Messchip 10 wird mit der Flüssigprobe 15 beschickt. Abhängig von einem Befehl aus der Signalverarbeitungseinheit 25 wird die Laserlichtquelle 21 angesteuert, und wie oben beschrieben, wird der Lichtstrahl 12 derart emittiert, dass er an der Grenzfläche 12a zwischen dem dielektrischen Blockteil 11 und der ersten Dünnfilmschicht 12 konvergiert. Der an der Grenzfläche 12a totalreflektierte Lichtstrahl 20 wird von dem Photodiodenarray 23 detektiert.
Die von den Photodioden 23a, 23b, 23c, ... des Photodiodenarrays 23 ausgegebenen Signale Sa, Sb, Sc, ... werden von dem A/D-Wandler 24 in digitale Signale umgewandelt und dann in den Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 eingegeben, wo eine Korrekturverarbeitung erfolgt. Die korrigierten Signale Sa', Sb', Sc', ... werden an den Berechnungsteil 28 ausgegeben.
Der Berechnungsteil 28 berechnet seriell einen Sprungdifferenzwert F als Differenz zwischen den Ausgangssignalen abwechselnder Photodioden. Insbesondere berechnet er seriell die Werte (Sc' – Sa'), (Sd' – Sb'), (Se' – Sc')....
2 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Einfallwinkel θ des Lichtstrahls 20, der an der Grenzfläche 12a totalreflektiert wurde, und dem Sprungdifferenzwert F. Angenommen, die Beziehung zwischen dem Einfallwinkel θ des Lichtstrahls 20 an der Grenzfläche 12a und der Lichtintensität I des an den Photodioden 23a, 23b, 23c, ... auftreffenden reflektierten Lichtstrahls entspräche den in 2A dargestellten Verhältnissen.
Der unter einem gewissen spezifischen Einfallwinkel θ_sp auf die Grenzfläche 12a auftreffende Lichtstrahl 20 regt ein Oberflächenplasmon an der Grenzfläche zwischen der ersten Dünnfilmschicht 12 und der Messsubstanz 17 an, so dass die Lichtintensität I des an die ser Grenzfläche reflektierten Lichtstrahls 20 gemäß 2A scharf abfällt. Dieser spezifische Einfallwinkel θ_sp wird als Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp bezeichnet. Die Lichtintensität des unter dem Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp reflektierten Lichtstrahls besitzt einen Minimumwert. Eine Verminderung der Lichtintensität I wird in dem reflektierten Licht als eine Dunkellinie beobachtet.
2B zeigt, wie die Photodioden 23a, 23b, 23c, ... angeordnet sind. Die Lagen der Photodioden 23a, 23b, 23c ... entsprechen den oben beschriebenen verschiedenen Einfallwinkeln. 2C zeigt die Beziehung zwischen den Lagen der Photodioden 23a, 23b, 23c, ... (das heißt die Einfallwinkel θ des Lichtstrahls 20) und der Ausgangssignale (in der Empfindlichkeit korrigierten Signale) Sa', Sb', Sc', ... der Photodioden 23a, 23b, 23c, ... Der Mittenabstand zwischen den Photodioden 23a, 23b, 23c, ... ist gering und beträgt ein Viertel oder weniger der Halbwärtsbreite einen in 2A gezeigten Dunkellinie. Aus diesem Grund sind die von den Photodioden 23a, 23b, 23c, ... ausgegebenen Signalwerte klein und empfindlich gegenüber Rauschen, so dass der in 2C gezeigte Graph nicht in zufriedenstellender Weise linear ist. Die Beziehung zwischen dem Einfallwinkel θ und dem Sprungdifferenzwert F ist in 2D gezeigt.
Der Berechnungsteil 28 berechnet die Sprungdifferenzwerte F und berechnet anschließend den Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp aus der Photodiode, die ein Ausgangssignal in der Nähe des Differenzwerts F = 0 entsprechend dem Totalreflexions-Dämpfungswert θ_sp ausgegeben hat, basierend auf den berechneten Sprungdifferenzwerten F.
Im folgenden soll erläutert werden, wie eine Dunkellinie (der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp) von dem Berechnungsteil 28 berechnet wird. Der Vorgang des Berechnens einer Dunkellinie ist in 3 dargestellt. In dieser Figur sind die Verarbeitungsschritte durch Symbole # dargestellt.
Bevor die Verarbeitungsschritte erläutert werden, sollen im folgenden die hier verwendeten Symbole erläutert werden. Der Kanal jeder Photodiode wird als „Pdch" dargestellt. Ein von jeder Photodiode „Pdch" ausgegebenes und von dem Empfindlichkeits- Korrekturteil 27 korrigiertes Signal wird dargestellt als „Pd_val". Ein Differenzverstärker, mit dem die abwechselnden Photodioden (Pdch_n und Pdch_n+2) verbunden sind, das heißt ein Differentialkanal (Sprung-Differential-Kanal) wird dargestellt als „Dfch". Die Ausgangsspannung (Pd_val_n+1 – Pd_val_n) des Signals eines Differentialkanals (Dfch) wird in der Form „Df_val" dargestellt.
Zunächst wird die Anzahl (m) von Kanälen (Pdch) zur Beurteilung einer Dunkellinie eingestellt (Schritt #1). Die Breite einer Dunkellinie schwankt mit der Ausgestaltung einer Optik in einer Messvorrichtung. Basierend auf der Breite einer Dunkellinie, die in der Messvorrichtung auftaucht, wird daher die Anzahl (m) von Kanälen (Pdch) auf einen Wert eingestellt, mit dem sich eine Dunkellinie in geeigneter Weise erkennen lässt. Bei der ersten Ausführungsform wird die Anzahl (m) auf 3 gesetzt.
Als nächstes erfolgt bezüglich eines Referenz-Lichtempfangselements eine Suche nach Pdch_n, bei dem Pd_val einen Minimumwert annimmt in einem Bereich von Pdch_(l+m) bis Pdch_(max-m) (Schritt #2). Das Photodiodenarray 23 der ersten Ausführungsform besteht aus 18 Kanälen (Photodioden 23a bis 23r), und die Anzahl (3) beträgt 3, so dass der oben beschriebene Bereich Photodioden 23d bis 23o umfasst. In diesem Bereich ist Pdch_n, der einen Minimumwert erfasst, eine Photodiode 23i.
Als nächstes wird beurteilt, ob die detektierten Signalwerte von den Lichtempfangselementen in dem Bereich der Anzahl (m) in Richtungen zu beiden Seiten bezüglich des ermittelten Pdch_n als Referenzwert monoton ansteigen oder nicht, das heißt, es wird beurteilt, ob Pdch_n → Pdch_(n-m) und Pdch_n → Pdch_(n+m) monoton ansteigen oder nicht (Schritt #3). Steigen sie monoton an, so wird Pdch_n als Referenz-Lichtempfangselement eingestellt (Schritt #5). Steigen sie andererseits nicht monoton an, so wird eine Suche nach Pdch_n mit einem Minimumwert ausschließlich des detektierten Kanals Pdch durchgeführt (Schritt #4), und der Schritt #3 wird wiederholt. Bei der ersten Ausführungsform steigen die detektierten Signalwerte von drei Kanälen monoton in Richtungen auf beiden Seiten bezüglich der Photodiode 23i als Referenz-Photodiode an. Deshalb wird die Photodiode 23i als Referenz-Lichtempfangselement festgelegt.
Ein Differenzkanal (Dfch), dessen Ausgangssignal am nächsten bei dem Sprungdifferenzwert F (Df_val) = 0 aus der vorbestimmten Anzahl von Photodioden (die nicht immer der Anzahl (m) entsprechen muss), die die spezifizierte Photodiode (Phch_n) einschließen, liegt, wird ausgewählt, und basierend auf dem Sprungdifferenzwert F wird der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp berechnet.
Erfindungsgemäß wird gemäß obiger Erläuterung beurteilt, ob die detektierten Signalwerte einer vorbestimmten Anzahl von Lichtempfangselementen in Richtungen zu beiden Seiten einer Referenz-Photodiode (spezifiziert für ein Strahlprofil nach einem vorbestimmten Verfahren) als Mitte monoton ansteigen oder nicht. Wenn die detektierten Signalwerte monoton ansteigen, wird ein Referenz-Lichtelement spezifiziert, das heißt eine Dunkellinien-Zone mit einem gewissen Breiten-Maß, wodurch verhindert wird, dass Rauschen irrtümlich für eine Dunkellinie gehalten wird.
Darüber hinaus wird der Sprungdifferenzwert, bei dem es sich um eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen alternierender Photodioden in Anordnungsrichtung der Photodioden handelt, seriell berechnet, und basierend auf dem Sprungdifferenzwert wird der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp berechnet. Der Sprungdifferenzwert ist unempfindlich gegenüber Rauschen, so dass eine Änderung des Sprungdifferenzwerts in seiner Linearität verbessert wird im Vergleich zu einer Änderung eines Differenzwerts, wie er im Stand der Technik verwendet wird. Der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp lässt sich mit hoher Genauigkeit messen. Darüber hinaus besitzt der Sprungdifferenzwert einen größeren Betrag als ein Differenzwert, so dass die Empfindlichkeit beim Messen des Zustands der gedämpften Totalreflexion gesteigert wird.
Außerdem werden in dem Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 die von den Photodioden 23a, 23b, 23c, ... ausgegebenen Signale Sa, Sb, Sc, ... multipliziert mit den entsprechenden Empfindlichkeits-Korrekturkoeffizienten S_av/Sa, S_av/Sb, S_av/Sc, ..., und die korrigierten Signale Sa', Sb', Sc', ..., in denen eine Korrektur einer Differenz in der Empfindlichkeit zwischen den Photodioden vorgenommen wurde, werden auf diese Weise gewonnen. Basierend auf den korrigierten Signalen Sa', Sb', Sc', ... wird der Totalreflexions- Dämpfungswinkel θ_sp berechnet. Hierdurch kann verhindert werden, dass die Genauigkeit der Messung des Totalreflexions-Dämpfungswinkels θ_sp verschlechtert wird durch unterschiedliche Empfindlichkeiten zwischen den Photodioden. Außerdem erfolgt die oben beschriebene Empfindlichkeitskorrektur durch Verarbeitungssignale in dem Empfindlichkeits-Korrekturteil 27, so dass variable Widerstände für die Korrektur überflüssig werden und der Korrekturvorgang mit Hilfe einer kleinen und billigen Korrektureinrichtung vorgenommen werden kann. Außerdem beträgt der Mittenabstand zwischen Photodioden ein Viertel oder weniger der Halbwärtsbreite einer Dunkellinie, so dass der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp mit hoher Auflösung gemessen werden kann.
Danach wird jeweils nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp berechnet, und es wird eine Änderungsgröße im Winkel nach dem Messbeginn berechnet und auf der Anzeigeeinheit 26 angezeigt.
Im folgenden wird die Beziehung zwischen den Empfindlichkeitskennwerten der Photodioden 23a, 23b, 23c, ... und der Berechnungscharakteristik für den Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp der Signalverarbeitungseinheit 25 erläutert. In den 4A und 4B zeigen Graphen auf der linken Seite die Beziehung zwischen der Lage einer Dunkellinie und der Ausgangskennlinie eines Differentialkanals, während Graphen auf der rechten Seite die Beziehung zwischen der tatsächlichen Lage der Dunkellinie und der Lage einer berechneten Dunkellinie (Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp) veranschaulichen.
4A zeigt die Beziehung zwischen der tatsächlichen Lage einer Dunkellinie und der Lage einer berechneten Dunkellinie für den Fall, dass die Lichtempfangselemente gleiche Empfindlichkeit haben. In diesem Fall besitzt die oben angesprochene Beziehung ideale Linearität. Wie oben erläutert wurde, lässt sich durch Korrigieren der Empfindlichkeit jedes Lichtempfangselements die Lagebeziehung zwischen der aktuellen Stelle einer Dunkellinie und der Stelle einer berechneten Dunkellinie linearisieren, allerdings gibt es Fälle, in denen genau genommen die Beziehung nicht perfekt linear ist. In diesem Fall variiert gemäß 4B die Berechnungscharakteristik in nicht-linearer Weise, so dass es zu Fehlern bei den Berechnungsergebnissen für die Lage der Dunkellinie kommt.
Um das Problem der Nicht-Linearität zu überwinden, soll im folgenden beschrieben werden, wie eine Dunkellinie von dem Berechnungsteil 28 der Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung gemäß der Erfindung berechnet wird. Der Dunkellinien-Berechnungsprozess ist in 5 dargestellt, in 6 sind verschiedene Werte dargestellt, die durch die Messungen gewonnen wurden.
Am Anfang wird die aus dem obigen Sprungdifferenzwert berechnete Dunkellinie als Grundlinie verwendet, und die Reihenfolge (r) der Lage eines Differentialkanals (Dfch), und es wird die Reihenfolge (r) der Anordnung des Differentialkanals (Dfch) zum Detektieren der Grundlinie, der Ausgangsspannungswert (Df_val) Vr des r-ten Differentialkanals (Dfch) in der Vormessung und der Differentialgradient αr des r-ten Differentialkanals bei der Vormessung als Referenzwerte bestimmt (Schritt #1). Anschließend wird ein Dynamikbereich R (die Erfassungsbreite pro Differenzkanal) vorgeschrieben (Schritt #2).
Sodann wird jeweils nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne eine Messung vorgenommen, und die Reihenfolge (m) der Anordnung eines Differentialkanals (Dfch), bei dem eine Dunkellinie erfasst wird, der Ausgangsspannungswert (Df_val) Vm der tuten Differentialkanals (Dfch) bei der aktuellen Messung, und ein Differentialgradient αm des m-ten Differentialkanals (Dfch) der aktuellen Messung werden ermittelt (Schritt #3). Die bewegte Distanz (L) gegenüber der Grundlinie wird aus der Gleichung L = (m – r) × R – Vr/αr + Vm/αm berechnet (Schritt #4), und die ermittelten Strecken (L) werden aufgezeichnet (Schritt #5). Die im Schritt #4 berechnete Distanz (L) ist ein Wert, der eindeutig der Lage einer Dunkellinie (Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp) entspricht, so dass sich die Lage der Dunkellinie durch den oben beschriebenen Prozess berechnen lässt.
Darüber hinaus kehrt im Fall der Messung einer Änderung in der Lage einer Dunkellinie im Verlauf der Zeit der Prozess zurück zum Schritt #3. Im Berechnungsteil 28 werden Beträge in der Änderung des Winkels nach dem Beginn der Messung graphisch aufgezeichnet, so dass man den auf der Anzeigeeinheit 26 dargestellten Graphen erhält.
Wenn die Dielektrizitätskonstante, das heißt der Brechungsindex einer Substanz in Berührung mit der zweiten Dünnfilmschicht 14 des Messchips 10 sich ändert, ändert sich damit auch der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp. Durch fortgesetztes Messen des Betrags der Änderung im Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp im Verlauf der Zeit lässt sich also eine Änderung des Brechungsindex einer Substanz in Berührung mit der zweiten Dünnfilmschicht 14 untersuchen.
Wie oben beschrieben wurde, ist es durch Multiplizieren der Anzahl von Differentialkanälen ausgehend von einem Differentialkanal, der der Grundlinie entspricht, hin zu einem Differentialkanal, bei dem eine Dunkellinie ermittelt wird, mit dem Dynamikbereich R (Breite der Erfassung pro Differentialkanal) und durch Berechnen eines Abstands von der Grundlinie zu der Dunkellinie, möglich, die Lage der Dunkellinie exakt ohne Beeinflussung durch die individuellen Abweichungen der Empfindlichkeitskennwerte der Lichtempfangselemente des Photodiodenarrays zu berechnen.
In einer Ausführungsform wird ein Lichtempfangselement, welches ein optisches Detektorsignal mit einem Minimumwert ausgibt, als Referenz-Lichtempfangselement spezifiziert, allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Wenn beispielsweise die Ausgangssignale zweier benachbarter Lichtempfangselemente in Anordnungsrichtung der Elemente differenziert werden, können zwei Lichtempfangselemente, deren differenzierter Wert am nächsten bei 0 liegt, als Referenz-Lichtempfangselemente spezifiziert werden. Während in diesem Fall zwei Lichtempfangselemente als Referenzelemente spezifiziert werden, kann die oben angesprochene Beurteilung ausschließlich anhand eines der beiden Elemente vorgenommen werden, oder die Beurteilung kann auch bezüglich beider Lichtempfangselemente vorgenommen werden.
Im folgenden wird eine Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, die nicht zur Erfindung gehört, erläutert. Da der Gesamtaufbau der zweiten Ausführungsform nahezu der gleiche ist wie bei der Erfindung nach 1, sind in Klammern nur Bezugszeichen für abweichende Teile angegeben.
Eine Signalverarbeitungseinheit 40 steuert den Betrieb jedes Teils und beinhaltet einen Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 und einen Berechnungsteil 41. Der Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 führt eine Korrektur bezüglich der Empfindlichkeiten der Ausgangssignale Sa, Sb, Sc, ... eines Photodiodenarrays 23 in digitaler Form durch. Der Berechnungsteil 41 berechnet seriell einen Mittelwert von jeweils zwei Photodioden des Photodiodenarrays 23, berechnet außerdem einen Sprungdifferenzwert F aus den Mittelwerten und ermittelt einen Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp basierend auf dem Sprungdifferenzwert F.
Wenn die Messung gestartet wird, wird eine Laserlichtquelle 21 ansprechend auf einen Befehl von der Signalverarbeitungseinheit 40 angesteuert, und ein daraus emittierter Lichtstrahl 20 trifft auf die Grenzfläche 12a zwischen dem dielektrischen Blockteil 11 und der ersten Dünnfilmschicht 12 eines Messchips 10, dem eine Flüssigprobe 15 zugeleitet wird. Der an der Grenzfläche 12a totalreflektierte Lichtstrahl 20 wird von dem Photodiodenarray 23 detektiert.
Die von den Photodioden 23a, 23b, 23c, ... des Photodiodenarrays 23 ausgegebenen Signale Sa, Sb, Sc, ... werden von einem A/D-Wandler 24 in digitale Signale umgewandelt und in den Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 eingegeben, in welchem ein Korrekturvorgang durchgeführt wird. Die korrigierten Signale werden als Signale Sa', Sb', Sc', ... nach 2C an den Berechnungsteil 41 ausgeben.
In dem Berechnungsteil 28 werden die Photodioden zunächst aufgeteilt in Photodioden-Gruppen aus jeweils zwei Photodioden, sodann berechnet der Berechnungsteil einen Durchschnittswert für jede Photodiodengruppe. Das heißt, gemäß 7A werden berechnet: (Sa' + Sb')/2, (Sc' + Sd')/2, (Se' + Sf')/2... Als nächstes werden Sprungdifferenzwerte F als Differenzen zwischen abwechselnden Durchschnittswerten seriell berechnet. Das heißt, gemäß 7B werden seriell berechnet: {(Sa' + Sb')/2 – (Se' + Sf')/2}, {(Sc' + Sd')/2 – (Sg' + Sh')/2}... Bei der zweiten Ausführungsform sind Photodioden aufgeteilt in Gruppen aus zwei Photodioden, die Erfindung ist aber nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, es ist auch eine Unterteilung in Photodiodengruppen aus drei oder noch mehr Photodioden möglich.
Der Berechnungsteil 41 berechnet demnach wie bei der ersten Ausführungsform den Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp aus derjenigen Photodiode, deren Ausgangssignal in der Nähe des Differenzwerts F = 0 entsprechend dem Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp liegt, basierend auf Sprungdifferenzwerten F.
Wie aus der obigen Beschreibung entnehmbar ist, wird bei der zweiten Ausführungsform wie auch bei der Erfindung der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp basierend auf dem Sprungdifferenzwert F, der eine gute Linearität aufweist, berechnet, so dass der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp exakt gemessen werden kann. In ähnlicher Weise werden auch die übrigen Vorteile wie bei der Erfindung erzielt.
Darüber hinaus berechnet die zweite Ausführungsform einen Durchschnittswert für jede Photodiodengruppe aus zwei benachbarten Photodioden, berechnet ferner einen Sprungdifferenzwert aus diesem Mittelwert und findet den Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp auf. Deshalb wird durch Berechnung eines Durchschnittswerts in den Photodioden-Ausgangssignalen enthaltenes Rauschen beseitigt, und der Rauscheinfluss wird reduziert, so dass die Zuverlässigkeit der Messung des Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp zusätzlich verbessert werden kann. Anstatt einen Durchschnittswert für jede Photodiodengruppe zu berechnen, kann auch ein Gesamtwert für jede Photodiodengruppe berechnet werden. In diesem Fall kann ein Signalwert beim Berechnen eines Sprungdifferenzwerts größer gemacht werden. Anstelle eines Mittelwerts kann auch ein Wert verwendet werden, der durch Dividieren eines Gesamtwerts durch einen Sollwert erhalten wird, ein Wert, welcher erhalten wird durch Multiplizieren eines Gesamtwerts mit einem Sollwert, etc.
Als Abwandlung der zweiten Ausführungsform gibt es eine Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung, die mit einer Signalverarbeitungseinheit 50 (siehe 1) ausgestattet ist. Diese besitzt einen Empfindlichkeits-Korrekturteil 27 und einen Berechnungsteil 51. Der Berechnungsteil 51 berechnet seriell einen Durchschnittswert aus zwei oder mehr benachbarten Photodioden eines Photodiodenarrays 23 und berechnet Sprungdifferenzwerte F aus den Durchschnittswerten. Beispielsweise wird als erstes im Berechnungsteil 50 ein Durchschnittswert aus drei benachbarten Photodioden berechnet. Das heißt, gemäß 8A erfolgt die Berechnung (Sa' + Sb' + Sc')/3, (Sb' + Sc' + Sd')/3, (Sc' + Sd' + Se')/3... Als nächstes werden seriell Sprungdifferenzwerte F berechnet, bei denen es sich um Differenzen zwischen abwechselnden Durchschnittswerten handelt. Das heißt, gemäß 8B wird berechnet: {(Sa' + Sb' + Sc')/3 – (Sc' + Sd' + Se')/3}, {(Sb' + Sc' + Sd')/3 – (Sd' + Se' + Sf')/3}... In diesem Fall (das heißt bei einer Anzahl von Photodioden von 3) werden Durchschnittswerte berechnet, so dass die Zuverlässigkeit der Messergebnisse für den Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp zusätzlich verbessert werden kann, während die hohe Auflösung erhalten bleibt.
Anstatt einen Durchschnittswert aus drei benachbarten Photodioden zu berechnen, kann ein Gesamtwert von drei benachbarten Photodioden verwendet werden. In diesem Fall wird der Signalwert beim Berechnen eines Sprungdifferenzwerts größer. Außerdem kann anstelle eines Durchschnittswerts ein durch Dividieren eines Gesamtwerts durch einen Sollwert erhaltener Wert, ein durch Multiplizieren eines Gesamtwerts mit einem Sollwert erhaltener Wert etc. verwendet werden.
In 9 ist eine Messvorrichtung gemäß einer dritten, nicht zur Erfindung gehörigen Ausführungsform dargestellt. Da gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile wie in 1 stehen, entfällt eine Beschreibung dieser Teile, wenn es nicht unerlässlich ist.
Die Messvorrichtung der dritten Ausführungsform macht Gebrach von der gedämpften Totalreflexion (ATR) und ist eine Leckwellen-Messvorrichtung, wie sie oben erläutert wurde. Die dritte Ausführungsform ist so aufgebaut, dass sie von einem Messchip 90 Gebrauch macht. Der Messchip 90 besitzt eine Mantelschicht 91, die auf der Oberseite eines unteren dielektrischen Teils 11 und auf der Innenwandfläche eines oberen Probenhalteteils 13 ausgebildet ist. Der Messchip 90 enthält außerdem eine optische Wellenleiterschicht 92 auf der Oberseite der Mantelschicht 91.
Der dielektrische Block 11 ist zum Beispiel aus Kunstharz oder einem optischen Glas, wie beispielsweise BK7 etc. hergestellt. Die Mantelschicht 91 besteht aus einer Dünnschicht eines Dielektrikums mit einem geringeren Brechungsindex als der dielektrische Blockteil 11, oder aus einem Metall wie beispielsweise Gold und dergleichen. Die optische Wellenleiterschicht 92 ist ebenfalls als Dünnschicht aus einem Dielektrikum mit einem höheren Brechungsindex als die Mantelschicht 91, beispielsweise aus Polymethylmethacrylat (PMMA) gebildet. Die Schichtdicke der Mantelschicht 91 beträgt 36,5 nm im Fall der Ausbildung aus einem dünnen Goldfilm. Die Schichtdicke der optischen Wellenleiterschicht 92 beträgt etwa 700 nm im Fall der Ausbildung aus PMMA.
In der oben beschriebenen Leckwellen-Messvorrichtung wird, wenn ein Lichtstrahl 20 von einer Laserlichtquelle 21 emittiert wird und die Mantelschicht 91 durch den dielektrischen Blockteil 11 unter einem Einfallwinkel trifft, der größer oder gleich als ein kritischer Winkel ist, bei dem es zu innerer Totalreflexion (TIR) kommt, der Lichtstrahl 20 an der Grenzfläche 91a zwischen dem dielektrischen Blockteil 11 und der Mantelschicht 91 totalreflektiert. Allerdings pflanzt sich Licht mit einer spezifischen Wellenzahl, welches durch die Mantelschicht 91 unter einem spezifischen Einfallwinkel auf die optische Wellenleiterschicht 92 auftrifft, in dieser optischen Wellenleiterschicht 92 in einem Wellenleitungsmodus aus. Wenn der Wellenleitungsmodus derart angeregt ist, wird der größere Teil des einfallenden Lichts in der optischen Wellenleiterschicht 92 eingegrenzt, und folglich kommt es zu gedämpfter Totalreflexion (ATR), bei der die Intensität des an der Grenzfläche 91a totalreflektierten Lichtstrahls 20 deutlich abfällt.
Die Wellenzahl des sich in der optischen Wellenleiterschicht 92 ausbreitenden Lichtstahls 20 hängt ab von dem Brechungsindex einer Messsubstanz 17 auf der optischen Wellenleiterschicht 92. Deshalb kann durch Kenntnis über den oben beschriebenen Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp, bei dem es zu einer gedämpften Totalreflexion (ATR) kommt, der Brechungsindex der Messsubstanz 17 gemessen werden, und man kann so den Kopplungszustand zwischen dem Protein in der Flüssigprobe 15 und der Messsubstanz 17 messen.
Bei der dritten Ausführungsform wird wie bei der Erfindung der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp basierend auf einem Sprungdifferenzwert, der gute Linearität besitzt, berechnet, so dass der Totalreflexions-Dämpfungswinkel θ_sp exakt gemessen werden kann. Außerdem können in ähnlicher Weise weitere Vorteile wie bei der Erfindung erzielt werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Differenz zwischen den Ausgangssignalen abwechselnder Photodioden bei der Berechnung eines Sprungdifferenzwerts herangezogen, die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern man kann auch eine Differenz bei einem Abstand von zwei oder mehr Photodioden ermitteln. Es ist wünschenswert, den Abstand zwischen Photodioden derart einzurichten, dass das Rauschen in einem von jeder Photodiode gelieferten Ausgangssignal oder der Einfluss der Wellenformverzerrung wirksam beseitigt werden kann, um einen Sprungdifferenzwert zu berechnen.
Darüber hinaus bilden bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der dielektrische Blockteil und die Dünnfilmschichten einen Wegwerf-Messchip, gleiche Vorteile können aber auch dann erzielt werden, wenn der dielektrische Blockteil in den Hauptkörper der Oberflächenplasmonresonanz-Messvorrichtung eingebaut ist, ohne als integriertes Chip ausgebildet zu werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurde, ist die Erfindung nicht auf die hier angegebenen Einzelheiten beschränkt, sondern lässt sich innerhalb des beanspruchten Schutzumfangs der Erfindung modifizieren.

Claims

Meßvorrichtung, umfassend: ein Meßchip (10, 90), umfassend einen dielektrischen Blockteil (11), eine Dünnfilmschicht (12, 91), die auf einer Oberfläche des dielektrischen Blockteils (11) ausgebildet ist, und einen Probenhaltemechanismus (13) zum Halten einer Probe (15) auf einer Oberfläche der Dünnfilmschicht (12); eine Lichtquelle (21) zum Emittieren eines Lichtstrahls (20); ein optisches Einfallsystem (22), welches den Lichtstrahl (20) veranlaßt, in den dielektrischen Blockteil (11) unter Einfallwinkeln einzufallen, bei denen eine Bedingung für innere Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Blockteil (11) und der Dünnfilmschicht (12; 91) erfüllt ist; eine Photodetektoreinrichtung (23), die mehrere Lichtempfangselemente (23a, 23b, ...) enthält, um Intensitäten des Lichtstrahls zu erfassen, deren Einfallwinkel verschieden voneinander sind und die an der Grenzfläche totalreflektiert wurden; eine Differenziereinrichtung zum Differenzieren des von jedem der Lichtempfangselemente der Photodetektoreinrichtung (23) ausgegebenen optischen Detektorsignals in einer Richtung, in der die Lichtempfangselemente (23a, 23b, ...) nebeneinander angeordnet sind, in Intervallen zweier benachbarter Lichtempfangselemente; und eine Berechnungseinrichtung (28), dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungseinrichtung dazu ausgebildet ist, ein Referenz-Lichtempfangselement nach einem vorbestimmten Verfahren zu spezifizieren, dann zu beurteilen, ob Werte der optischen Detektorsignale einer ersten vorbestimmten Anzahl von Lichtempfangselementen in Richtungen zu beiden Seiten des die Mitte bildenden Referenz-Lichtempfangselements (23i) monoton ansteigen oder nicht, und eine Position einer Dunkellinie zu berechnen, die in dem an der Grenzfläche reflektierten Lichtstrahl enthalten ist, basierend auf einem Wert, der erhalten wird durch Differenzieren der Ausgangssignale einer zweiten vorbestimmten Anzahl von Lichtempfangselementen, welche das Referenz-Lichtempfangselement (23i) einfassen, falls beurteilt wird, daß die Werte der optischen Detektorsignale in der Richtung, in der die Lichtempfangselemente nebeneinander angeordnet sind, monoton ansteigen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das vorbestimmte Verfahren ein Lichtempfangselement, welches ein optisches Detektorsignal mit einem Minimumwert ausgibt, unter den mehreren Lichtempfangselementen als das Referenz-Lichtempfangselement spezifiziert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der für zwei Ausgangssignale zweier benachbarter Lichtempfangselemente, bei denen eine Differenzierung ausgeführt wurde, das vorbestimmte Verfahren zwei Lichtempfangselemente, deren differenzierter Wert am nächsten bei Null liegt, als Referenz-Lichtempfangselemente spezifiziert.