DE68918659T2

DE68918659T2 - Wellenleitersensor.

Info

Publication number: DE68918659T2
Application number: DE68918659T
Authority: DE
Inventors: Michael Flanagan; Andrew Sloper
Original assignee: ARS HOLDING 89 NV
Current assignee: Applied Research Systems ARS Holding NV
Priority date: 1988-03-29
Filing date: 1989-03-28
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2009-03-29
Also published as: CA1314743C; ATE112626T1; NO178708C; EP0363467A1; NO894745D0; EP0363467B1; JPH087139B2; AU3360389A; JPH02504313A; NO178708B; GB8807486D0; DE68918659D1; WO1989009394A1; US5081012A; AU612827B2; NO894745L

Description

Die Erfindung betrifft Wellenleitersensoren. Insbesondere betrifft diese Erfindung Wellenleiter zur Verwendung in optischen Analyseverfahren für die qualitative und quantitative Bestimmung von chemischen, biologischen oder biochemischen Substanzen. Besonders wichtig ist die Erfindung für optische Analyseverfahren unter Verwendung abklingender Felderregung und/oder -erfassung.
Nach dem Stand der Technik hat die Verwendung von Abklingverfahren zur Erregung sachgemaßer Reagenzien die Verwendung von voluminösen optischen Komponenten und/oder von Faser-Wellenleitern erfordert.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Verwendung von Gitterstrukturen, um Signalüberhöhungsfunktionen bereitzustellen, wie sie nach dem Stand der Technik nicht erhältlich sind.
Dementsprechend liefert die Erfindung einen Wellenleitersensor mit zwei optischen Gitterstrukturen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eine der Gitterstrukturen befähigt ist, Strahlung, die am Wellenleiter entlangläuft, zu reflektieren, so daß es das Gebiet zwischen den beiden Gitterstrukturen mindestens zweimal durchquert. Zusätzliche optische Gitterstruktur(en) mag (mögen) wahlweise auch auf dem Wellenleiter vorhanden sein.
Diese Erfindung betrifft die Verwendung von Gitterstrukturen zur Beschaffung zahlreicher Funktionen für die Signalüberhöhung, die nach dem Stand der Technik nicht erhältlich waren. Die Prinzipien von Kopplungsgittern für Wellenleiter niedriger Ordnung sind vorbekannt. Gitter an optischen Wellenleitern diesen Typs werden typisch eine Teilung von 0,5 bis 1,0 Mikrometer und eine Tiefe in der Größenordnung von 100 nm aufweisen. Solche Gitter werden idealerweise Sägezahlprofil, mögen aber auch andere Profile haben: zum Beispiel ein im wesentlichen sinusförmiges Profil.
Die Funktionen, die von den Gitterstrukturen ausgeführt werden können, enthalten Eingangs/Ausgangs-Kopplung, räumliche Deformation der Wellenfronten und Filterung entsprechend Differenzen in Wellenlänge, Polarisation oder Wellentyp. Um ein System zu erzeugen, welches fähig ist, in der gewünschten Weise zu funktionieren, können die Wellenleitersensoren der vorliegenden Erfindung zwei oder mehr Gitterstrukturen mit der gleichen oder mit unterschiedlichen Funktionen verwenden. Die Erfindung sieht die größte Flexibilität in der Konstruktion der Sensorsysteme vor. Die Konstruktion des Sensorsystems mag optimalisiert werden, um zum Beispiel die maximale Empfindlichkeit oder Genauigkeit zu liefern. Die Verwendung von Gitterstrukturen zur Beschaffung optischer Funktionen, wie oben beschrieben, ermöglicht es auch, Komplexität und Kosten der optischen Systeme, die erforderlich sind, um vom Sensor erhaltene Datensignale wiederzugewinnen, zu verringern. Die Gitterstrukturen mögen durch eine Anzahl von Verfahren, einschließlich zum Beispiel Modulation der Dicke oder des Brechungsindex des Wellenleiters oder seines metallischen überzugs, bereitgestellt sein. Einige solcher Verfahren sind besonders für billige Massenproduktionsverfahren geeignet.
Wie bereits oben erläutert, können die Gitterstrukturen Veranlassung für zahlreiche optische Funktionen geben, und es ist ins Auge gefaßt, daß die oben erwähnte Wechselwirkung zwischen der Elektromagnetischen Strahlung und den Gitterstrukturen all solche Funktionen einschließt. Eine gegebene optische Funktion mag von verschiedenen Gitterkonfigurationen ausgeübt werden, und die Erfindung umfaßt die Verwendung aller Konfigurationen, die zur Bereitstellung der gewünschten optische Funktion benutzt werden mag. Denjenigen, die in der Technik sachkundig sind, werden geeignete Konfigurationen von Gitterstrukturen zur Erzielung einer Vielzahl von Funktionen selbstverständlich sein.
Die Erfindung ist auf viele verschiedene Arten von Wellenleitern (z. B Objektivträger) anwendbar, aber entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter ein Dünnfilm-Wellenleiter (z. B. mit einer Dicke von 0,2 - 10 Mikron). Solche Dünnfilm-Wellenleiter haben den Vorteil, weniger mögliche Wellentypen zu haben, was die Kontrolle der sich dem Wellenleiter entlang ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung erleichtert. Bei der Anwendung veranlassen Dünnfilm-Wellenleiter im allgemeinen ein gleichförmigeres abklingendes Feld.
Bei Verwendung in Analysen von chemischen, biologischen oder biochemischen Substanzen hat der Wellenleiter mindestens ein Gebiet zwischen den beiden Gitterstrukturen, auf dem direkt oder indirekt ein Stoff, der in der Lage ist, sich mit einer auszuwertenden Art spezifisch zu verbinden, stillgelegt ist. Beispiele der Stoffarten, die stillgelegt werden mögen, schliefen Antikörper und Antigene ein, aber die Einrichtungen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf Einrichtungen zur Verwendung bei Immunoassays beschränkt. Eingeschlossen sind auch Einrichtungen zur Verwendung in anderen Analysen biologischer, biochemischer oder chemischer Substanzen; der in dem Gebiet zwischen den Gittern stillgelegte Stoff wird ein passender Verbindungspartner für den zu analysierenden Liganden sein.
Die Gestaltung von Wellenleiter-Gittern, die als Filter und/oder Reflektoren wirken, ist in der Technik bekannt; siehe z. B. D. Flanders u. a., Appl. Phys. Letts, 1974, 194 - 196.
Die Wellenleiter der Erfindung sind derartig, daß mindestens eine Gitterstruktur in der Lage ist, den Wellenleiter entlang laufende Strahlung zu reflektieren, so daß es das Gebiet zwischen den beiden Gitterstrukturen mindestens zweimal durchquert, wodurch die Intensität der Stahlung innerhalb des Gebietes erhöht wird und die Intensitätsabweichung der Strahlung innnerhalb des Gebietes reduziert wird. Solch eine Anordnung verbessert die Wirkungsweise des Sensors.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß, bei der Verwendung, mindestens eine Gitterstruktur die Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge, der Polarisation oder dem Wellentyp der Strahlung filtert. Die Bereitstellung einer solchen optischen Funktion erhöht wiederum die Anzahl der möglichen Konfigurationen des Sensors. Ein Beispiel für die Verwendung einer solchen optischen Funktion entsteht bei Verwendung eines Wellenleiters, in welchem die Wechselwirkung der Strahlung in dem Gebiet zwischen den beiden Gitterstrukturen Fluoreszenz verursacht und mindestens eine Gitterstruktur zwischen der anregenden Strahlung und der Fluoreszenz unterscheidet. Da die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung von der Anregungsstrahlung unterschiedlich ist, hat ein solcher Sensor die Empfindlichkeit erhöht. Verschiedenartige Verbindungen, die Fluoreszenz entfalten und an das Gebiet zwischen den beiden Gittern oder daran angrenzend angeordnet sein mögen, werden denjenigen, die in der Technik bewandert sind, allgemein bekannt sein. Beispiele solcher Verbindungen enthalten Cumarin, Fluorescein, Luciferin, Rhodamin, Phycobiliprotein und Erytrosin.
Bei der Anwendung ist es auch möglich, daß mindestens eine Gitterstruktur die Strahlung ein- oder auskoppelt. Dieses Merkmal ist von Vorteil, da es die Herstellung der Mittel, durch die die Strahlung an den Sensor gekoppelt wird, vereinfacht, zuverlässiger und weniger teuer macht.
Die Wellenleiter mögen derartig sein, daß bei der Anwendung mindestens eine Gitterstruktur die Wellenfronten der Strahlung räumlich deformiert. Die Bereitstellung eines solchen Merkmals erhöht nochmals die Anzahl der möglichen Konfigurationen des Sensors. Die Gitterstrukturen mögen so sein, daß bei der Anwendung mindestens eine Gitterstruktur die Strahlung fokussiert, dekonzentriert oder ausrichtet. Durch Verwendung einer passenden Gitterstruktur mag eine große Vielfalt von Deformationen erzeugt werden. Die Details der Konstruktionsmethoden solcher Gitterstrukturen sind in der Technik bekannt (siehe zum Beispiel, S. Ura et al, Proc. Optical Fibre Sensors Conference 1986, 171 - 174 und S. Ura et al, J. Lightwave Technology 1028 - 1033 (1988)).
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist eine, in welcher während des Gebrauchs mindestens eine Gitterstruktur die Strahlung auf einen Brennfleck außerhalb des Wellenleiters ein- oder auskoppelt. Solch eine Ausführungsform hat den Vorteil, auf die Notwendigkeit einer Anzahl zusätzlicher, außerhalb des Sensors befindlicher, optischer Elemente zu verzichten.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Wellenleiter so angeordnet, daß bei der Anwendung die Fokussierung der Strahlung dazu dient, Intensitätsänderung der Strahlung zwischen beleuchteten Punkten zu reduzieren, und so die Wirkungsweise des Sensors zu verbessern.
Ein anderes mögliches Merkmal besteht darin, daß, bei der Anwendung, verschiedene Wellenlängen der Strahlung unter verschiedenen Winkeln zum Wellenleiter ein- oder ausgekoppelt werden. Dieses Merkmal ermöglicht es, Licht unterschiedlicher Wellenlänge einfach und wirkungsvoll voneinander zu trennen.
Entsprechend einiger einfacher und wirkungsvoller bevorzugter Ausführungsformen mag der Wellenleiter planar und möglicherweise auch kreisförmig sein. Die planare zirkulare Geometrie führt von selbst zur Bereitstellung einer Vielzahl von Untersuchungsgebieten und kann auch dazu benutzt werden, das Helligkeitsprofil eines fokussierten Strahls zu gewinnen, um Abweichungen in der Strahlungsintensität aufgrund von Absorptionseffekten zu nivellieren. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Geometrien beschränkt und erstreckt sich auch auf nichtplanare Wellenleiter.
Es ist auch möglich, daß eine einzige Gitterstruktur benutzt werden mag, um mehr als eine der zahlreichen, oben beschriebenen optischen Funktionen bereitzustellen.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Verwendung in einer Analyse an einem Wellenleiter entsprechend der Erfindung.
Zur Verwendung in Analysen wird ein zweckmäßiges Analyse- Reagens auf der Oberfläche des passenden Gebietes (Gebiete) des Wellenleiters zwischen den beiden Gitterstrukturen stillgelegt. Dieses Reagens wird derartig sein, daß es während der Dauer der Analyse mit einem anderen Bestandteil der Analyse in solch einer Weise reagiert, daß es ein optisch meßbares Ergebnis gibt. Zum Beispiel mag das stillgelegte Reagens bei der Verwendung in einem Immunoassay eines Liganden in einer Substanzprobe ein spezifischer Bindungspartner zu dem Probeliganden sein. Falls da mit der Probe ein analoger, mit einem Fluorophor gekennzeichneter Ligand bereits gemischt ist (der Ausdruck analoger Ligand wird benutzt, um eine Art zu bezeichnen, die befähigt ist, sich mit denselben spezifischen Bindungspartnern wie dem Liganden in Analyse zusammenzusetzen, einschließlich dem Liganden in Analyse selbst), dann kann eine Konkurrenzanalyse bewerkstelligt werden, in welcher die Menge von analogem Liganden (und deshalb die Menge von Probeliganden) durch Beobachtung und Messung der Fluorophorkennzeichnung, welche als Ergebnis von zusammengesetzter Ausbildung stillgelegt wird, bestimmt werden. Wo der Probeligand vielfach aktuell ist, mag alternativ eine Sandwichanalyse durch Inkubation der Probe zusammen mit einem zu dem zu analysierenden Liganden spezifischen Bindungspartner (stillgelegt auf der Oberfläche des Übertragers) und auch zusammen mit einem zweiten spezifischen Bindungspartner durchgeführt werden, wobei der zweite spezifische Bindungspartner mit einem Fluorophor gekennzeichnet ist. Bei zusammengesetzter Ausbildung kann die fluorophore Kennzeichnung nachgewiesen und die Analyse dadurch bestimmt werden.
Es ist zu berücksichtigen, daß die zuvor erwähnten Analysenprotokolle lediglich beispielhaft erwähnt sind. Andere Analysen, die unter Verwendung von Wellenleitern entsprechend der Erfindung durchgeführt werden können, werden denen, die in der Technik bewandert sind, leicht offenbar; - die Erfindung erstreckt sich auf solche Analysen.
Die Wellenleiter der vorliegenden Erfindung haben besondere Anwendungsmöglichkeiten auf Immunoassays, insbesondere für die Analyse von Antigenen, einschließlich Haptenen, mag aber auch Verwendung in anderen Spezifischen Bindungsanalyseprozeduren finden.
Die Erfindung stellt auch ein Analyseverfahren für einen Liganden in einer Substanzprobe bereit, wobei das Verfahren umfaßt: gleichzeitiges oder in irgendeiner gewünschten Reihenfolge vorgenommenes Inkubieren der Substanzprobe zusammen mit
(a) einem Spezifischen Bindungspartner für den Liganden, der zu untersuchen gewünscht wird, und
(b) einem weiteren Reagens, das entweder ein analoger Ligand oder ein Spezifischer Bindungspartner des Liganden ist,
wobei einer der Bestandteile (a) und (b) auf der Oberfläche des Gebiets zwischen den beiden Gitterstrukturen eines Wellenleiters direkt oder indirekt stillgelegt ist, wie zuvor beschrieben, und
wobei der andere der Bestandteile (a) und (b) eine fluoreszierende Kennzeichnung trägt;
und wobei bestimmt wird, ob, und falls gewünscht, der Umfang zu welchem, und/oder das Verhältnis, bei welchem, die fluoreszierende Kennzeichnung als ein Ergebnis der zusammengesetzten Ausbildung auf dem Umsetzungsgebiet indirekt stillgelegt wird.
Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Analyseverfahren für einen Liganden in einer Substanzprobe bereit, wobei das Verfahren umfaßt gleichzeitiges oder in irgendeiner gewünschten Reihenfolge vorgenommenes Inkubieren der Substanzprobe zusammen mit
(a) einem spezifischen Bindungspartner für den Liganden, der zu untersuchen gewünscht wird, und
(b) einem weiteren Reagens, das entweder ein analoger Ligand oder ein spezifischer Bindungspartner des Liganden ist,
wobei einer der Bestandteile (a) und (b) direkt oder indirekt auf der Oberfläche des Gebietes zwischen den beiden Gitterstrukturen eines Wellenleiters stillgelegt wird, wie zuvor beschrieben,
und wobei der stillgelegte Bestandteil (a) oder (b) oder die Oberfläche des Gebietes ein Fluorophor trägt; und der andere der Bestandteile (a) und (b) so ist, daß bei zusammengesetzter Ausbildung die Fluoreszenz des Fluorophors abgelöscht ist; wobei das Verfahren den Schritt zur Bestimmung, ob, und falls gewünscht, der Umfang zu welchem, und/oder das Verhältnis zu welchem, die Fluoreszenz des Fluorophors als Ergebnis der zusammengesetzten Ausbildung abgelöecht ist, umfaßt.
Die Fluoreszenz kann, falls gewünscht, bevor durch herkömmliche Mittel, zum Beispiel durch eine oder mehrere Vervielfacherzellen, nachgewiesen zu werden, gefiltert und/oder kollimiert werden.
Spezifische Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt lediglich beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden schematischen Zeichnungen beschrieben, worin:
Figur 1(a) einen Wellenleiter mit Gitterstrukturen zeigt, die dazu dienen, die Strahlung in den Wellenleiter einzukoppeln und die sich längs des Wellenleiters ausbreitende Strahlung zu reflektieren. Fig 1(b) zeigt eine Kurve der Strahlungsintensität gegenüber der Position längs des Umsetzungsgebiets der Anordnung nach Fig. 1(a);
Figur 2 einen Wellenleiter mit Gitterstrukturen, der sowohl Ein- und Auskopplung als auch wellenlängenselektive Reflexion vorsieht, zeigt;
die Figuren 3(a), (b) und (c) Wellenleiter mit Gitterstrukturen, die die Strahlung fokussieren, zeigen;
Figur 4 einen Wellenleiter mit vereinfachter Ein/Auskopplung unter Verwendung einer wellenfrontdeformierenden Gitterstruktur, zeigt;
Figur 5 einen Wellenleiter unter Verwendung von wellenleiter-interner Fokussierung und Richtungsauflösung auftreffender Signale, zeigt;
Figur 5 die Änderung des Ausbreitungsvektors des Wellentyps der Strahlung, die sich den Wellenleiter entlang mit Wellenleiterdicke ausbreitet - für unterschiedliche Polarisationen, Wellentypordnungen und Wellenlängen zeigt;
Figur 7 schematische Absorptionsspitzen für Analysen, die zwei verschiedene Wellenlängen von Erregerstrahlung einbeziehen, zeigt;
Figur 8 einen Wellenleiter mit einer planaren, kreisförmigen Geometrie zeigt;
Figur 9 (a) ein Profil einer Photolithographie-Maske und (b) das Gitter-Profil, welches sich entsprechend des im folgenden Beispiel 1 veranschaulichten Verfahrens ergibt, zeigt;
Figur 10 eine Vorrichtung zur Durchführung einer Analyse in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zeigt, wie im folgenden Beispiel 2 veranschaulicht.
Figur 1(a) zeigt einen Wellenleiter 2 mit einem Gitter 4 an einem Ende, zur Bereitstellung von Eingangskopplung für die Erregerstrahlung 6. Das Gitter 4 weist scharfkantige Wellenlängenauflösung und Wellentypordnung auf, was einen hohen Grad von Kontrolle über den Anregungsvorgang erlaubt. Ein Umsetzungsgebiet 8 ist an der Oberfläche des Wellenleiters 2 angeordnet. Ein Gitter 10 besorgt selektive Refexion der Erregerstrahlung. So durchkreuzt die Erregerstrahlung das Umsetzungsgebiet 8 zweimal, wodurch die Strahlungsintensität in dem Umsetzungsgebiet erhöht und gleichmäßiger gemacht wird. Während der Ausbreitung den Wellenleiter 2 entlang wird die Strahlung abgeschwächt, wie in der Kurve der Strahlungsintensität gegenüber der Position längs des Übertragungsgebietes in Figur 1 (b) gezeigt. Diese Kurve zeigt die Abschwächung sowohl für den ersten Durchlaß 12 als auch für den zweiten Durchlaß 14 der Strahlung zusammen mit der resultierenden Gesamthelligkeit 16.
Figur 2 illustriert eine andere Wellenleiter-Konfiguration. Ein Gitter 20 koppelt die Erregerstrahlung 22 in den Wellenleiter 24 ein. Das Umsetzungsgebiet 26 ist derartig, daß die Anzeigestrahlung 28 einer zu der Erregerstrahlung 22 unterschiedlichen Wellenlänge in den Wellenleiter 24 eingekoppelt wird. Ein zweites Gitter 30 reflektiert die Erregerstrahlung 22 selektiv und erhöht und macht, wie oben beschrieben, die Intensität der Erregerstrahlung des Umsetzungsgebietes gleichmäßiger. Ein anderes Gitter 32 reflektiert die Anzeigestrahlung 28 selektiv. Ein weiteres Gitter 34 koppelt die Anzeigestrahlung aus den Wellenleiter 24 aus. Das Gitter 32 dient dazu, das Ausmaß der Anzeigestrahlung 28, die das Gitter 34 erreicht, zu verstärken, und so aus dem Wellenleiter 24 ausgekoppelt zu sein. Das Gitter 20 dient auch dazu, das Ausmaß der Erregerstrahlung 22, die das Gitter 34 erreicht, zu reduzieren.
Falls sich die Anzeigestrahlung 28 in Welentyp oder Polarisation von der Erregerstrahlung 22 unterscheidet, dann könnten die Gitter 30 und 32 dazu benutzt werden, spezifische Polarisationen oder Wellentypen der Strahlung zu refektieren.
Das Gitter 32 könnte auch eine Auskopplungsfunktion für die Erregerstrahlung 22 umfassen. Falls, sagen wir, 5% der Erregerstrahlung 22 innerhalb des Wellenleiters 24 durch das Gitter 32 ausgekoppelt wäre, dann könnte dies als ein Referenzsignal für Kalibrierung/Skalierung benutzt werden.
Die Verwendung von Gittern zur räumlichen Änderung der Strahlung innerhalb des Wellenleiters ist in den Figuren 3(a), (b) und (c) illustriert. Diese Figuren illustrieren, wie es möglich ist, scharfkantige Auflösung der Wellenlängen, Polarisationen, Wellentypordnungen und der Strahlungseinfallsrichtung zu erhalten. Figur 3a zeigt scharfkantige Auflösung in der Ebene senkrecht zum Wellenleiter. Figur 3b zeigt scharfkantige Auflösung in der Ebene parallel zum Wellenleiter. Figur 3c zeigt, wie Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge/Wellentyps/Polarisation auf unterschiedliche Punkte außerhalb des Wellenleiters fokussiert werden mag. Wie in Figur 5 gezeigt, mag die Strahlung auch auf einen Punkt innerhalb des Wellenleiters fokussiert werden.
Figur 4 illustriert ein einfaches Ausführungsbeispiel für die in Figur 3 gezeigte Besonderheit. Das Gitter 40 wird zur Einkopplung von, von einer Punktquelle 42 herrührender, Erregerstrahlung in einen Wellenleiter 44 benutzt. (Es ist keine externe Optik erforderlich.) Die Erregerstrahlung durchquert dann das Umsetzungsgebiet 46 und wird vom Gitter 48 weg reflektiert.
Figur 5 zeigt einen Wellenleiter unter Verwendung wellenleiterinterner Fokussierung. Erregerstrahlung von der Punktquelle 50 wird in den Wellenleiter 52 durch das Gitter 54 eingekoppelt. Das Gitter 54 hat auch die Aufgabe, die Strahlung konvergent zu machen. Die Strahlung durchquert dann das Umsetzungsgebiet 56. Die Strahlung wird vom Gitter 58 weg refektiert, wobei die Strahlung einen Brennpunkt innerhalb des Wellenleiters 52 an einem Punkt hat, der sich auch innerhalb des Gitters 58 befindet. Die Strahlung durchquert dann noch einmal das Umsetzungsgebiet 56, um das Gitter 60 zu erreichen. Das Gitter 50 dient dazu, die Strahlung vom Gitter 58 auszukoppeln und auf einen Punkt 52 zu fokussieren.
Figur 6 zeigt die Änderung des Wellentypausbreitungsvektors von Strahlung, die sich längs eines Wellenleiters mit Wellenleiterdicke für unterschiedliche Polarisationen, Wellentypordnungen und Wellenlängen ausbreitet. Die oben beschriebene Auflösung der Gitterstrukturen wird durch die Ausnutzung der in diesen Kurven illustrierten Phänomene erzielt, so daß die Gitterstrukturen selektiv mit Strahlung, die gewisse Ausbreitungscharakteristiken hat, in Wechselwirkung treten. Wo die Wechselwirkung in dem Umsetzungsgebiet von Wellentypordnung/Polarisation/Wellenlänge abhängig ist, da ist die Differentialanalyse der Signale für einen Satz von Wellentypen ein nützliches Anzeigeverfahren, weil die Wellenleitertypen genau kontrolliert werden können.
Ein Wellenleiter entsprechend der Erfindung mag zwei verschiedene Wellenlängen von Erregerstrahlung benutzen. In einer Anordnung wird Erregerstrahlung mit der Wellenlänge λ&sub1; unter einem ersten Winkel mittels eines ersten Gitters eingekoppelt, während Erregerstrahlung mit einer unterschiedlichen Wellenlänge λ&sub2; unter einem zweiten Winkel mittels desselben Gitters eingekoppelt wird. Die Strahlung breitet sich dann den Wellenleiter entlang aus, wird durch ein zweites Gitter reflektiert, so daß es das Umsetzungsgebiet zweimal durchquert, und wird mittels eines dritten Gitters unter einem wellenlängenabhängigen Winkel ausgekoppelt. Absorptionsspitzen bei unterschiedlichen Wellenlängen für die Verwendung bei Mehrstoffanalysen werden in Figur 7(a) gezeigt. Alternativ könnte eine Absorptionsverschiebung bei einem einzeln zu bestimmenden Stoff, wie in Fig 7 (b) illustriert, angezeigt werden.
Figur 8 zeigt einen Wellenleiter mit einer zirkularplanaren Geometrie. Figur 8(a) ist ein Aufriß; Figur 8(b) ist eine Draufsicht. Streifenmaterial 88, welches aus Kleber hergestellt sein mag, trennt die verschiedenen Umsetzungsgebiete voneinander. Dieser Wellenleiter ist insbesondere für die Verwendung von mehrfachen Umsetzungsgebieten geeignet und kann auch von dem Intensitätsprofil der fokussierten Strahlung Nutzen ziehen, um die Wirkung der Absorption, wie oben beschrieben, zu reduzieren.
Die obigen Beispiele illustrieren nur einige der zahlreichen möglichen Wellenleiter-Konfigurationen, die die Erfindung benutzen, und viele alternativen Ausführungsformen werden denjenigen offensichtlich sein, die in der Technik bewandert sind.
Die folgenden, nicht beschränkenden Beispiele illustrieren Merkmale der vorliegenden Erfindung.

Beispiel 1

Herstellung eines Gitters: auf einem Glas-Wellenleiter

Das folgende Beispiel, obgleich selbst nicht Illustration der Erfindung, illustriert, wie man solch ein Gitter, das auf einem Wellenleiter der vorliegenden Erfindung zu finden sein mag, herstellt.
Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung von optischen Dünnfilm-Wellenleitern auf Glassubstraten zu niedrigen Kosten ist in der Literatur beschrieben worden (A. N. Sloper & M. T. Flanagan, Electronics Letts. 24, 353 355 (1988)).
Eine Lösung von 1-M-Eisen(III)nitrat (BDH, Poole, UK), 1-M- Phosphorsäure (BDH, Poole, UK) und Methanol (BDH, Poole, UK) ist auf eine grobe Objektträgerscheibe eines Glasmikroskops mit den Dimensionen 52 mm x 75 mm x 1,5 mm aufgetragen worden (Gallenkamp, UK). Der beschichtete Objektträger wurde bei 1.000 Upm zwei Minuten lang geschleudert. Gleich nach dem Schleudern wurde eine Photolithograpiemaske mit einem rechteckigen Gitterprofil einer Teilung von ungefähr 21 Mikrometern und einer Tiefe von 70 nm (RAL, Daresbury, UK) mit Fingerdruck in den auf der Glasseite befindlichen Eisen(III)phospatfilm der noch weich war, gedrückt. Der beschichtete Objektträger wurde dann eine Stunde lang bei 200ºC getrocknet. Es stellte sich heraus, daß der glasige Film auf dem Objektträger einen Brechungsindex von 1,72 hat. Das Oberflächenprofil (Taly- Stufenzeichnung) eines nach diesem Verfahren hergestellten Gitters ist als Diagramm in Figur 9(b) gezeigt, darunter zum Vergleich ein Profil der oben beschriebenen Photolithograpiemaske, Figur 9(a).
Geprägte Eisen(III)phosphatfilme des beschriebenen Typs mögen entweder als Transparentauflagen auf einer Wellenleiteroberfläche oder als eigenleitende Wellenleiter benutzt werden, wenn sie auf Substraten mit Brechungindex kleiner als 1,72 aufgetragen wurden (z. B. Permabloc, Pilkington Glass Ltd., St. Helens, UK).
Ein angemessenes Reagens kann auf einem Gebiet des Wellenleiters in herkömmlicher Weise stillgelegt werden.

Beispiel 2

Analyse von menschlichem Aderhautgonadotropin (hCG)

Ein Gitter-enthaltender Welenleiter entsprechend Beispiel 1 mag in der zu beschreibenden Analyse benutzt werden, worin fluoreszierend gekennzeichnete Antikörper als ein Ergebnis der Ausbildung einer Sandwichzusammensetzung aus dem zu analysierenden Liganden (hCG) und einem zweiten Antikörper, der bereits auf dem Untersuchungsgebiet der Wellenleiteroberfläche stillgelegt ist, gebunden werden.

Präparation von Ausgangsstoffen

(i) Herstellung von mit Anti-hCG-Antikörpern beschichteten Wellenleitern

Nach gründlichem Waschen mit Detergens und Ultraschallerregung wird das Untersuchungsgebiet eines Gitter-enthaltenden Wellenleiters entsprechend dem Verfahren nach Beispiel 1 mit einem Silan (8% Triglycidoxypropyltrimethoxysilan) bei pH 3,5 zwei Stunden lang aktiviert. Das Gebiet wird dann gewaschen und es wird ein geeigneter vernetzter Wirkstoff (z. B. SMCC, Succinimidyl-4-(N-Maleimidomethyl)Cyclohexan-1-Carboxylat oder Glutaraldehyd), benutzt, um Anti-hCG-Antikörper unter Verwendung von Standardverfahren an die Oberfläche zu koppeln (siehe zum Beispiel, Ishikura et al, Journal of Immunoassay 4, 209 - 327 (1983)). Der Wellenleiter wird dann mit einer 10% Sacharose-, 0,1% Kaseinschicht schleuderbeschichtet und unter Trocknungsbedingungen bei 4ºC bis zur Verwendung aufbewahrt.

(ii) Präparation von XRITC-verbundenen Anti-hCG-Antikörpern

Monoclonale Anti-hCG-Antikörper werden von flüssigem Ascitinschaum nach dem Verfahren von Milstein und Kohler in Nature 256, 495 -497 (1975) gewonnen. Antikörper von einzelnen Hybridomzell-Reihen werden abgeschirmt, um die gegenüber abgesonderten Antigendeterminanten erzeugenden Antikörper zu identifizieren. Antikörper mit der höchsten Affinität zu hCG werden für die Verwendung in der Analyse ausgewählt. 20 mg XRITC werden in 0,2 ml Methanol gelöst und die sich ergebende Lösung wird mit einer Pufferlösung von 0,2-M-Natriumbicarbonat (pH 9) aufgefüllt. Diese Lösung wird dann mit 2 mg Anti-hCG-Antikörpern gemischt und für 19,5 Stunden zum Reagieren stehengelassen. Schließlich wird die Lösung unter Verwendung einer Pharmacia-PD-10-Kolonne gereinigt und 0,2-M-Natriumbicarbonat-Pufferlösung angewandt.

(iii) Präparation von hCG-Standard-Lösung

Eine gefriertrockene Präparation von hCG, kalibriert gegenüber der ersten internationalen Referenz-Präparation (75/537) wird in einer Phosphatpufferlösung (pH 7,3) auf die gewünschte Konzentration verdünnt.

Vorrichtung und optische Messung

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung einer Analyse unter Verwendung der obigen Ausgangsmaterialien wird schematisch in Figur 10 gezeigt. Die Lichtquelle 91 ist ein 1-mW-Helium/Neon-Laser (Melles Griot, USA), der ein Strahlenbündel von 543,5 nm erzeugt. Das Bündel tritt durch ein Interferenzfilter 92 (546,1 nm, Brandbreite 10 nm) und dann durch einen Polarisator 93, um den TE-Wellentyp des optischen Wellenleiters 94, welcher auf der Oberfläche eines Substrates 95 vorhanden ist, selektiv zu erregen. Auf dem Wellenleiter ist ein Prisma 96 befestigt (ein gleichseitiges Prisma aus LAF788474-Glas mit einem Brechungsindex von 1,792 bei 543,5 nm (IC Optical Systems) Beckenham, UK)). Das während der Analyse produzierte Fluoreszenzsignal wird durch ein langwelliges Sammelfilter 97 mit einer Grenzfrequenz bei 600,2 nm (Ealing Electrooptics, Ealing, UK) gefiltert und dann mittels einer Hakuto-R928-Vervielfacherzelle 98 (Hakuto, Waltham Cross, UK) erfaßt. Ein EG- und G-5207-Synchrondetektor 99 wird dazu benutzt, das Signal von der Vervielfacherzelle wiederzuerlangen, und wird mit einem Unterbrecher 100, der das Laserausgangssignal moduliert, verbunden. Ein Deckglas 101 wird dazu benutzt, einen Porenraum von hinreichend kleinen Abmessungen zu bilden, um zu ermöglichen, daß die Substanzprobe durch Kapillarwirkung in Berührung mit dem Testbereich des Wellenleiters gezogen wird.
Die Vorrichtung wird durch Aufnahme des Signals von der Vervielfacherzelle 98 in Intervallen von 30 Sekunden während einer Dauer von 8 Minuten, bei bekannten Konzentrationen von hCG und bei einer festen, bekannten Konzentration (Überschuß) von XRITC-konjugierten Anti-hCG- Antikörpern auf Null kalibriert. Die Analysen werden dann durch Befolgung der gleichen Prozedur durchgeführt, aber unter Verwendung von zu analysierenden Lösungen, in denen die Konzentrationen von hCG unbekant sind, und die Ergebnisse werden mit den Eichkurven verglichen.

Claims

1. Wellenleitersensor mit zwei optischen Gitterstrukturen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Gitterstrukturen befähigt ist, Strahlung, die am Wellenleiter entlangläuft, zu refektieren, so daß sie das Gebiet zwischen den beiden Gitterstrukturen mindestens zweimal durchquert.

2. Wellenleiter nach Patentanspruch 1 mit einer Dicke zwischen 0,2 und 10,0 Mikron.

3. Wellenleiter nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eine weitere optische Gitterstruktur hat.

4. Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, welcher weitgehend planar ist.

5. Wellenleiter nach Patentanspruch 4, welcher weitgehend kreisförmig ist, und worin die Gitterstrukturen konzentrisch angeordnet sind.

6. Wellenleiter nach Patentanspruch 5, worin sich radial erstreckendes Streifenmaterial vorhanden ist.

7. Wellenleiter nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, worin mindestens eine Gitterstruktur befähigt ist, die Strahlung entsprechend Wellenlängendifferenzen, Polarisation oder Wellentyp der Strahlung zu filtern.

8. Wellenleiter nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, worin mindestens eine Gitterstruktur befähigt ist, die Strahlung aus dem Wellenleiter auszukoppeln und/oder befähigt ist, die angewandte Strahlung in den Wellenleiter einzukoppeln.

9. Wellenleiter nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, worin mindestens eine Gitterstruktur befähigt ist, Konvergenz, Divergenz oder Kollimation der Strahlung zu verursachen, die auf die Gitterstruktur oder die Strahlung, die sich den Wellenleiter entlang ausbreitet, angewandt wird.

10. Wellenleiter nach Patentanspruch 1 oder 2 zur Verwendung in einer Analyse, worin das Gebiet zwischen den beiden Gitterstrukturen einen Stoff, der einer spezifischen Bindung an eine zu analysierende Art fähig ist, direkt oder indirekt stillgelegt hat.

11. Verwendung in einer Analyse eines Wellenleiters nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.

12. Analyseverfahren für einen Liganden in einer Substanzprobe, wobei das Verfahren umfaßt gleichzeitiges oder in irgendeiner gewünschten Reihenfolge vorgenommenes Inkubieren der Substanzprobe zusammen mit

(a) einem spezifischen Bindungspartner für den Liganden, der zu untersuchen gewünscht wird, und

(b) einem weiteren Reagens, das entweder ein analoger Ligand oder ein spezifischer Bindungspartner des Liganden ist,

wobei eine der Bestandteile (a) und (b) auf der Oberfläche des Gebietes zwischen den beiden Gitterstrukturen eines Wellenleiters direkt oder indirekt stillgelegt ist, wie in einem der Patentansprüche 1 bis 10 beansprucht, und wobei der andere der Bestandteile (a) und (b) eine fluoreszierende Kennzeichnung trägt;

und wobei bestimmt wird, ob, und falls gewünscht, der Umfang zu welchem, und/oder das Verhältnis bei welchem, die fluoreszierende Kennzeichnung als ein Ergebnis der zusammengesetzten Ausbildung auf dem Gebiet indirekt stillgelegt wird.

13. Analyseverfahren für einen Liganden in einer Substanzprobe, wobei das Verfahren umfaßt: gleichzeitiges oder in irgendeiner gewünschten Reihenfolge vorgenommenes Inkubieren der Substanzprobe zusammen mit

wobei einer der Bestandteile (a) und (b) direkt oder indirekt auf der Oberfläche des Gebietes zwischen den beiden Gitterstrukturen eines Wellenleiters stillgelegt wird,

wie in einem der Patentansprüche 1 bis 10 beansprucht, und wobei der stillgelegte Bestandteil (a) oder (b) oder die Oberfläche des Gebietes ein Fluorophor trägt;

und der andere der Bestandteile (a) und (b) so ist, daß bei zusammengesetzter Ausbildung die Fluoreszenz des Fluorophors abgelöscht ist; wobei das Verfahren den Schritt zur Bestimmung, ob, und falls gewünscht, der Umfang zu welchem, und/oder das Verhältnis, zu welchem, die Fluoreszenz des Fluorophors als Ergebnis der zusammengesetzten Ausbildung abgelöscht ist, umfaßt.