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Diese Erfindung bezieht sich auf
einen Sensor. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf einen Sensor
mit einem Element, das nicht ionisierende Strahlung beeinflusst.
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Sensoren, die auf elektrochemischen
und optischen Prinzipien basieren, sind bekannt. Sie können kolorimetrisch
sein, wenn eine chemische Reaktion eine Farbänderung verursacht, die gemessen
oder visualisiert werden kann. Sensoren, die diese Technik aufnehmen,
können
als eine einfache, leicht anzuwendende, diagnostische Vorrichtung
verkörpert
sein. Weitere optische Techniken können in den Sensoren aufgenommen sein.
Diese Sensoren können
Oberflächenplasmonenresonanz,
Phasenänderungen
an totaler interner Reflexion, optische Absorption, Fluoreszenz
oder Änderung
der Lichtpolarisation verwenden. Diese anderen optischen Techniken
und elektrochemische Verfahren erfordern eine Instrumentierung,
um die Daten in einer sinnvollen Form zu analysieren, interpretieren
und darzustellen.
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Obwohl die oben erwähnte kolorimetrische
Technik einfach ist, ist sie auf nur solche chemische Reaktionen
begrenzt, die einer Farbänderung
erzeugen. Außerdem
kann das kolorimetrische Verfahren nicht direkt auf spezielle immunologische
Bindungsereignisse anwendbar sein, wobei eine der Spezies beispielsweise
ein Antikörper
oder Antigen ist.
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Die europäische Patentanmeldung EP-A2-0254575
(ARES SERONO RESEARCH AND DEVELOPMENT) beschreibt ein Verfahren
zum Behandeln der Oberfläche
einer optischen Struktur durch Verwenden eines organischen Polymers
und eines Lösungsmittels.
Die Lösung
kann eine Flüssigkeit
enthalten, die sich dann an der Oberfläche der optischen Struktur
bindet. Die Oberfläche
der optischen Struktur kann ein darauf aufgebrachtes Beugungsgitter
aufweisen.
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Die internationale Patentanmeldung
WO-A1-8807203 (ARES SERONO RESEARCH AND DEVELOPMENT) beschreibt
ein Verfahren zum Behandeln der Oberfläche einer optischen Struktur
durch Bilden auf der Oberfläche
der Struktur einer dünnen
Materialschicht, die imstande ist, eine Kreuzpolymerisation bei
Belichtung zu erzeugen. Das Material kann in der Form eines Beugungsgitters
sein. Die optischen Eigenschaften des Beugungsgitters können geändert werden,
wenn eine Komplexbildung zwischen einem gebundenen Liganden und
seinem speziellen Bindungspartner eintritt. Eine optische Struktur,
die dieses Merkmal aufnimmt, kann die Grundlage eines Assays bilden.
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Die europäische Patentanmeldung EP-A3-0112721
(COMTECH RESEARCH UNIT LIMITED) beschreibt einen Assay, bei dem
die optischen Eigenschaften einer Oberfläche einer Struktur verändert werden. Die
Veränderung
in den optischen Eigenschaften entsteht als Ergebnis einer chemischen
Bindung einer Spezies auf einem dünnen Film, der auf die Oberfläche der
Struktur aufgebracht wurde. Optische Eigenschaften werden vor und
nach dem Binden verglichen, und/oder eine Veränderung der optischen Eigenschaften
kann während
der Bindung beobachtet werden.
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Die internationale Patentanmeldung
WO-A1-9009576 (PLESSEY OVERSEAS LIMITED) beschreibt einen Biosensor
zur Detektion einer Spezies. Der Sensor weist ein aus einem auf
seiner Oberfläche
beschichteten Material gebildetes Beugungsgitter auf. Die optischen
Eigenschaften des Beugungsgitters verändern sich bei der Wechselwirkung
zwischen dem das Beugungsgitter bildende Material und der zu erfassenden Spezies.
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Ein Artikel mit dem Titel "Diffraction Physics
Redefines Biosensors" von
James Glanz von Idetek, USA, erschien in R & D Magazine, Seite 51, März 1993,
wobei ein aus Antikörper
bestehendes Oberflächenbeugungsgitter
beschrieben wurde, das durch Bestrahlen einer ursprünglich immobilisierten
Schicht mit einem parallel gestreiften Muster von UV-Licht gebildet
wurden, um unbelichtete Streifen des aktiven Antikörpers zurückzulassen.
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Die europäische Patentanmeldung EP-A3-0167335
(NICOLI und ELINGS) beschreibt ein Verfahren zum Erfassen einer
Bindungsreaktion zwischen einem Liganden und Antiliganden, wodurch
die optischen Eigenschaften eines aus den Antiligandenoberflächenstreifen
gebildeten Gitters durch den Prozess des Bindens geändert werden.
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Ein in Sensors and Actuators, 15,
309–234,
1988 (SPOHN AND SEIFERT) erscheinender Artikel beschreibt die Verwendung
von optischen Gitterkopplern als Sensoren, wodurch die optischen
Eigenschaften der Koppler durch Wechselwirkung von wässrigen
Lösungen
mit dem Gitter über
eine Modifikation an dem Brechungsindex in der Umgebung der Gitterstruktur
geändert
werden.
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Alle der oben erwähnten Dokumente beschreiben
Vorrichtungen und/oder Verfahren zum Erfassen einer Spezies, wobei
eine optische Eigenschaft der Vorrichtung oder des Gitters auf der
Oberfläche
der Vorrichtung durch Hinzufügung
der (zu erfassenden) Spezies zu einem optischen Element verändert wird.
Das optische Element ist bei allen Vorrichtungen ein an der Oberfläche montiertes
oder (oder getragenes) Beugungsgitter.
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Mehrere Autoren, beispielsweise Kersey
et al., Opt. Lett., 18, 16, 1370–1372, 15. August 1993 und Meltz
et al., OSA Technical Digest, Band 2, Teil 1, 163–166, 27
bis 29 Januar 1988 beschreiben Braggsche In-Faser-Gittersensoren,
wodurch Spannungs- und/oder Temperaturänderungen veranlassen, dass
sich der Abstand von Bragg-Ebenen ändert und sich die optischen
Eigenschaften des Gitters verändern.
Der empfindliche Teil dieser Vorrichtungen ist ein Volumenelement,
das nur gegen Temperatur und Druck empfindlich ist, wobei es keine
beabsichtigte oder zufällige
chemische Wechselwirkung mit dem Massemedium gibt.
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Gelatine, ein Derivat des Proteins
Kollagen, wurde extensiv bei photoempfindlichen Materialien seit seiner
Anwendung von Maddox in 1871 verwendet. Es ist seit einiger Zeit
bekannt, dass es quillt, wenn es Wasser aus seiner Umgebung aufnimmt.
Photoempfindlich gemachte feinkörnige
Silberhalogenidemulsionen waren der Industriestandard für photoempfindliches
Material zur holographischen Aufzeichnung.
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Eine kurze Mitteilung an das International
Journal of Optoelectronics 7(3): 449–452 (1992) von Spooncer et
al. mit dem Titel "A
humidity sensor using a wavelengthdependent holographic filter with
fibre optic links" beschreibt
die Reaktion von gelatine-basierten Braggschen Reflexionshologrammen
auf Umgebungsfeuchtigkeit. Sie folgert, dass eine optische Reaktion
auf ein Ansteigen und Abfallen eines Feuchtigkeitszyklus eine Hysterese
zeigt, die ihre industrielle Anwendung als ein Feuchtigkeitssensor
begrenzt. Das holographische Element ist aus handelsüblich verfügbarem nicht
modifiziertem holographischem Agfa-(eingetragenes Warenzeichen)-Gelatinefilm
hergestellt.
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Die US-A-4986619 offenbart ein holographisches
Farbsteuersystem, bei dem ein Pseudofarbhologramm durch in situ
sequenzielles Quellen einer Emulsion und Exposition auf drei Farbseparationsbilder
mit einer einzigen Wellenlängenbezugslichtquelle
erzeugt wird. Es wird ebenfalls offenbart, dass holographische Medien
gegen biochemische Spezies empfindlich sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst ein Verfahren zum Nachweis eines Analyten das Eintauchen
in die Flüssigkeit
eines holographischen Elements, das ein Medium und ein durch das
ganze Volumen des Mediums angeordnetes Hologramm umfasst, wobei
sich eine optische Charakteristik des Elements als Folge einer Veränderung
einer physikalischen Eigenschaft ändert, die im ganzen Volumen
des Mediums auftritt, und wobei die Veränderung als Ergebnis einer
chemischen Reaktion zwischen dem Medium und dem Analyten entsteht,
und das Erfassen jeder Änderung
der optischen Charakteristik.
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Die Reaktion kann eine biochemische
sein und eine bekannte Verbindung oder Element beinhalten. Der Analyt
kann mit einer im ganzen Volumen des Mediums angeordneten Spezies
reagieren. Auf diese Art und Weise wirkt das holographische Element
als ein Sensor.
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Die physikalische Eigenschaft des
holographischen Elements, die sich verändert, kann die Ladungsdichte
darin oder sein Volumen, seine Form, seine Dichte, seine Viskosität, seine
Festigkeit, seine Härte,
seine Ladung, seine Hydrophobie, seine Quellbarkeit, seine Integrität oder jede
andere physikalische Eigenschaft sein. (Eine) Veränderung(en)
der oder jeder physikalischen Eigenschaft verursacht (einer ihrerseits
eine Veränderung
einer optischen Charakteristik, wie beispielsweise der Polarisierbarkeit,
des Reflexionsvermögen, des
Brechungsvermögens
oder der Extinktion des holographischen Elements.
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Eine Belichtungsquelle für nicht
ionisierende Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht, kann verwendet
werden, um (eine) Veränderung(en)
in der oder jeder optischen Charakteristik des holographischen Elements
zu beobachten.
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Die physikalische Eigenschaft des
sich verändernden
Trägermediums
ist vorzugsweise sein Volumen. Alternativ ist die sich verändernde
Eigenschaft die Fähigkeit
des Trägermediums
eine regelmäßig beabstandete
Verteilung des komplexen Brechungsindex zu unterstützen. Die
erste der oben erwähnten
Eigenschaften kann bei der Absorption oder der Entfernung einer
Flüssigkeit,
wie beispielsweise Wasser, verändert
werden. Die zweite Eigenschaft kann durch chemische oder biochemische
Wirkung an dem Trägermedium
verändert werden.
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Der Sensor umfasst vorzugsweise ein
holographisches Element mit einem Medium, das eine räumliche
Verteilung des modulierten komplexen Brechungsindex enthält, der
durch die Hinzufügung
eines Analytenspezies modifiziert werden kann, sodass die spektrale
und/oder Richtungsart der einfallenden Strahlung als Funktion einer
Veränderung
in der räumlichen
Teilung des modulierten komplexen Brechungsindexes modifiziert wird.
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Vorzugsweise umfasst der Sensor mindestens
eine Spezies, die angepasst ist, um die Verteilung des modulierten
komplexen Brechungsindexes bei Wechselwirkung der Analytenspezies
mit einer Verbindung oder einem Element zu verändern. Der Begriff modulierter
komplexer Brechungsindex wird nachstehend beschrieben. Es kann vorteilhaft
sein, ein spezielles Bindungskonjugat der Analytenspezies, das überall in
mindestens einem Teil oder dem ganzen Trägermedium angeordnet ist, oder
eine andere Komponente des Sensors aufzuweisen.
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Nicht ionisierende Strahlung kann
auf eine oder mehrere unterschiedliche Arten beeinflusst werden. Vorzugsweise
erfährt
die nicht ionisierende Strahlung eine Phasenverschiebung als Ergebnis
einer Modifikation an der Verteilung des komplexen Brechungsindexes,
die aus einer Änderung
in der Beabstandung zwischen Spitzen einer Verteilung entsteht,
die teilweise oder überall
in dem Volumen des Trägermediums
gestützt
wird.
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Mehr als ein Hologramm kann in einem
Sensor unterstützt
werden. Mittel können
bereitgestellt werden, um die oder jede Veränderung in der Strahlung zu
erfassen, die von dem oder jedem Hologramm kommt kommen und die
mit dem oder jedem gewechselwirkt hat, die als ein Ergebnis einer
Veränderung
in der oder jeder optischen Charakteristik entsteht. Die holographischen
Elemente können
dimensioniert und angeordnet sein, um zwei unabhängige Ereignisse/Spezies abzutasten,
und gleichzeitig oder anderweitig Strahlung auf zwei unterschiedliche
Arten zu beeinflussen.
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Es existieren unterschiedliche Hologrammarten.
Eine oder mehrere dieser kann/können
in oder auf dem holographischen Trägermedium erzeugt werden. Einige
unterschiedliche Hologrammarten werden nachstehend beschrieben.
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Der Begriff modulierter komplexer
Brechungsindex kann sich im Allgemeinen in einem holographischen
Element auf die Modulation des komplexen Arguments in dem mathematischen
Ausdruck beziehen, der das elektrische Feld für nicht ionisierende Strahlung
beschreibt. Licht kann hinsichtlich eines oder mehrerer elektrischer
Felder betrachtet werden. Es ist für holographische Zwecke zweckmäßig, das
elektrische Feld von Licht in einem Medium als aus zwei Komponenten,
einer realen (R) und einer imaginären (I), bestehend zu betrachten.
Dieses Nomenklatursystem ist in der Holographie Standard und wird
in der vorliegenden Beschreibung verwendet, um die Wirkung zu beschreiben,
die ein holographisches Element auf einfallende nicht ionisierende
Strahlen aufweist, wenn ein Hologramm beispielsweise Interferenz,
durch Teilung von Wellenfronten in einer Form eines Beugungsgitters,
verursacht.
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Ein holographisches Element mit den
Eigenschaften eines Amplituden-Hologramms
umfasst eine 3D-Verteilung (Modulation) eines strahlungsabsorbierenden
Materials, wobei die Verteilung eine physikalische Aufzeichnung
eines ursprünglichen
Interferenzmusters ist. Die Spitzen der Modulation werden als Streifen
bezeichnet. Die Absorption eines sich im Raum fortpflanzenden E-Feldes kann mathematisch
in das Argument der Wellenfunktion durch die imaginäre Komponente
(I) des Brechungsindexes eingeführt
werden. Dies beschreibt, wie die Feldamplitude entlang der Fortpflanzungsrichtung
verringert wird.
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Ein holographisches Element mit den
Eigenschaften eines Phasen-Hologramms kann eine 3D-Verteilung (Modulation)
des Brechungsindexes umfassen, wobei die Verteilung eine physikalische
Aufzeichnung des ursprünglichen
Interferenzmusters ist. Die Spitzen der Modulation werden als Streifen
bezeichnet. Die Phase eines sich im Raum fortpflanzenden E-Feldes
kann mathematisch in dem Argument der Wellenfunktion durch die reale
(R) Komponente des Brechungsindex dargestellt werden.
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Ein Hologramm kann die Eigenschaften
eines Phasen- oder eines Amplituden-Hologramms oder beide gleichzeitig aufweisen.
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Hologramme können ferner in vier getrennte
Arten kategorisiert werden, die in dem gleichen Trägermedium
koexistieren können.
Diese Arten sind die Transmissionsart, die Reflexionsart, die randbeleuchtete
Art und die Oberflächenart.
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Ein Transmissions-Hologramm ist eines,
bei dem die austretenden Strahlen das holographische Trägermedium über die
Oberfläche
entgegengesetzt derjenigen verlassen, durch die die einfallenden
Strahlen eintreten. Streifen sind gewöhnlich mit einem beträchtlichen
Winkel, z. B. typischerweise um etwa 90°, zu der Oberfläche geneigt.
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Ein Reflexions-Hologramm ist eines,
bei dem Strahlen durch die gleiche Oberfläche austreten, durch die die
einfallenden Strahlen eintreten. Streifen sind gewöhnlich im
Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des holographischen Trägermediums
(z. B. um etwa 0°).
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Randbeleuchtete Hologramme sind solche,
bei denen Strahlen das Hologrammsubstrat oder die Masse des holographischen
Trägermediums
(z. B. Glasplatte) über
eine Oberfläche
verlassen, die im wesentlichen 90° zu
derjenigen liegt, über
die die einfallenden Strahlen eintreten. Streifen sind gewöhnlich mit
Bezug auf die Oberfläche,
typischerweise um 45° gewinkelt.
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Von den oben erwähnten Hologrammen sind gewöhnlich Reflexions-
oder randbeleuchtete Hologramme von einem sogenannten dicken Volumentyp,
wenn es viele Streifen (d. h. Modulationszyklen) gibt, die innerhalb
des Volumens des holographischen Trägermediums in einer Richtung
senkrecht zu der Oberfläche des
holographischen Trägermediums
gezählt
werden. Die Streifenebenen, die flach oder gekrümmt sein können, werden Bragg-Ebenen genannt.
Die Theorie der Braggschen Reflexion ist vorherrschend.
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Hologramme vom dünnen Typ existieren ebenfalls,
wenn es relativ wenige Streifen gibt. Ein Hologramm kann sich in
einem Zwischenvolumenregime zwischen dünn und dick befinden. Das Ausmaß des Regimes
steigt mit der Modulationstiefe an.
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Ein Oberflächen-Hologramm ist eines, bei
dem die Oberfläche
eines Mediums mit einer geeigneten räumlichen Amplitude und mit
einem regelmäßig beabstandeten
Muster konturiert wird, sodass sie imstande ist, Licht zu beugen
und/oder zu reflektieren. Dies weist die Eigenschaften einer weiteren
Art eines Phasen-Hologramms
mittels Erzeugen eines Pfadunterschiedes zwischen gebeugten und/oder
reflektierten Strahlen auf, die an einem gemeinsamen Punkt von jedem
Punkt auf seiner Oberfläche
ankommen. Wenn eine derartige Oberfläche auf einem lichtdurchlässigen Medium
definiert ist, dann wird durch das Medium übertragene Licht periodischen
Phasenänderungen über die
Oberfläche
auf Grund der Variation in der optischen Pfadlänge unterzogen, die durch den
Brechungsindex der Masse des Mediums auferlegt wird.
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Die Beziehung zwischen einigen bedeutenden
Parametern und Messgrößen in der
nachstehenden Tabelle 1 wurde hinsichtlich holographischer Strukturen
untersucht. Beispielsweise verwendete Kogelnik (H. Kogelnik, "Coupled Wave Theory
for Thick Hologram Gratings",
Bell System Technical Journal, 48, 9, 2909– 2947, November 1969) gekoppelte
Wellentheorie, um Braggsche Beugung in dicken optischen Hologrammen
zu beschreiben. Somit können
durch wohlüberlegte
Auswahl von Abmessungen, Hologrammart(en) und welche(r) interne(n)
Parameter zu verändern
ist/sind, unterschiedliche Messgrößen beobachtet werden. Tabelle
1 wird angegeben, um dem Fachmann bei der Auswahl zu helfen, welcher
Parameter verändert
werden kann. Sie ist nicht bestimmt, eine umfassende Liste von Parametern
anzugeben, noch sind die folgenden Gleichungen die einzigen Gleichungen,
die die Parameter in gegenseitige Beziehung bringen.
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Die nachstehenden Gleichungen 1 bis
4 beschreiben einige der verschiedenen Parameter und Messwerte in
Tabelle 1. Visuelle oder apparative Mittel können bereitgestellt werden,
um eine oder mehrere dieser automatisch oder manuell abzutasten.
Eine oder mehrere Nachschlagtabelle(n) und/oder Verarbeitungsmittel können elektronisch
in einem System aufgenommen sein, um eine besondere Spezies zu erfassen.
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Somit verknüpft beispielsweise die Braggsche
Bedingung für
den optimalen Beugungswirkungsgrad den Einfallswinkel (θ), den Streifenwinkel
(θf), die optische Beabstandung der Streifen
(D) und die Wellenlänge der
maximalen Reaktion (λpk) und wird in Gleichung 1 ausgedrückt als: cos(θB – θf) = λpk/2nD Gleichung
1
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Inkrementelle Änderungen zwischen Parametern
können
ohne weiteres durch Differentiation berechnet werden.
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Der Beugungswirkungsgrad beschreibt
optische Eigenschaften von dem oder jedem Hologramm, wenn sie durch
einfallendes Licht von einer im Allgemeinen breitbandigen Spektralart
wiedergegeben werden. Beispielsweise wird bei einem lichtdurchlässigen dicken
Reflexionshologramm, bei dem Streifen geneigt sind, der Beugungswirkungsgrad
durch die nachstehende Gleichung 2 beschrieben.
η = 1/(1 + (1 – (ξ/v)2))/(sech(v2 – ξ2)0,5)2 Gleichung 2wobei v = jπn0t(λ(cos(θ)(cos(θ) – λcos(θf)/nD))0,5) Gleichung
3und wobei ξ = –Ωt/(2(cos(θ) – λcos(θf))/nD) Gleichung 4
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Das mit Ω bezeichnete phasenverschiebende
Maß quantifiziert
die Abweichung von der Braggschen Bedingung.
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Die Modulationstransferfunktion (MTF)
hängt von
der Korngröße des holographischen
Trägermediums und
etwaiger Modifikationen ab, die an dem räumlichen Detail in dem das
Hologramm bildenden Material durchgeführt wurden.
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Die Bandbreite (Δλ) bei einem Brechungswinkel
(θ) beruht
auf der Beabstandungsverteilung der Streifen im ganzen Trägermedium.
Tatsächlich
ist jedoch die erfasste Bandbreite zusätzlich eine Funktion eines endlichen
Bereichs von Betrachtungswinkeln (Gesichtsfeld).
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Es gibt mindestens vier Grundarten,
um ein Hologramm zu ändern
und dadurch eine optische Eigenschaft zu verändern. Eine Kombination einer
oder mehrerer dieser kann benutzt werden, um eine Änderung
in dem Hologramm und/oder dem holographischen Trägermedium zu bewirken, um eine Änderung
in einer physikalischen Eigenschaft des holographischen Elements
hervorzurufen.
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Die erste Technik beinhaltet die
Zerstörung
der Struktur des holographischen Elements, d. h. des Verschandelns
der Integrität
des holographischen Elements. Somit kann die Regelmäßigkeit
der Struktur des Hologramms überall
in dem Trägermedium
und die Modulationstiefe der das Hologramm definierenden Streifen zerstört werden,
und das die Streifen enthaltende Trägermedium kann zunehmend von
dem holographischen Element entfernt werden. Dies kann beispielsweise
durch eine Enzym- oder chemische Wirkung erreicht werden, die Verbindungen
an speziellen Stellen in dem Gel spaltet, das eine Strukturträgermatrix
des holographischen Trägermediums
bildet.
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6 zeigt
diagrammartig, wie das oben erwähnte
Phänomen
im Prinzip verwirklicht wird. Beispielsweise wurde gezeigt, dass
Trypsin auf ein Gelatinebasiertes Hologramm wirkt, sodass der Beugungswirkungsgrad
geändert
wurde. 8 und 9b zeigen graphische Darstellungen
der Ergebnisse eines derartigen Experiments. Wie es aus den 7, 8 und 9 ersichtlich
ist, kann ein Hologramm dieser Art als ein Sensor für Enzyme verwendet
werden, weil eine Veränderung
bei der Reflexion oder Transmission von Licht durch ein Hologramm verwendet
werden kann, um die Konzentration der Protease zu erfassen. Ein
Grad der Spezifizität
in einer nettooptischen Reaktion (eine nettooptische Reaktion ist
die kombinierte optische Ausgabe von zwei oder mehr holographischen
Elementen) kann beispielsweise durch Anwendung eines geeigneten
Inhibitors auf eine Kontrollprobe und keines Inhibitors auf die
zu verwendeten Probe in oder auf dem holographischen Trägermedium und/oder
Hologramm bereitgestellt werden. Die Spezifizität auf ein Enzym kann ebenfalls
durch Aufnehmen des Enzymsubstrats in dem holographischen Trägermedium
bereitgestellt werden.
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Die zweite Technik besteht darin,
die Größe des holographischen
Elements zu ändern,
um eine oder mehrere optische Eigenschaften zu ändern. Dies kann der Hinzufügung/Entfernung
von Molekülen
und Bändern
folgen.
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Beispielsweise wurde gezeigt, dass
Trypsin eine weitere Wirkung aufweist, wodurch eine Änderung der
Ladungsverteilung die Trägermatrix
schwächt,
und wodurch folglich die Spaltung von Peptidbindungen in Gelfäden ebenfalls
die Trägermatrix
schwächt,
was ermöglicht,
dass ein gesättigtes
Gel quellen kann, was den Streifenabstand und somit die Braggsche
Wellenlänge
des Hologramms erhöht. 7 und 9a zeigen die Ergebnisse eines derartigen
Experiments. Diese Art von Sensor kann als ein Immunosensor verwendet
werden. 5b zeigt diagrammartig,
wie dieses Phänomen
im Prinzip verwirklicht werden kann.
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Der Mechanismus für die Modifikation des Sensors,
beispielsweise für
eine Verwendung als ein Immunosensor, ist derart, um zu gewährleisten,
dass das holographische Trägermedium
(oder das holographische Element als Ganzes) aufbereitet wird, um
eine erste Molekülspezies
zu enthalten, die das spezielle Bindungskonjugat eines Analyten
ist. Analytenmoleküle
mit mindestens zwei Funktionsgruppen oder diejenigen, die an einem
markierten Molekül
mit mindestens zwei Funktionsgruppen befestigt sind, werden sich
speziell mit mindestens zwei der ersten Spezies verbinden, um eine
Vernetzung zwischen getrennten Teilen der Trägermatrix zu bilden, wodurch
die viskoelastischen Eigenschaften der Trägermatrix geändert werden.
Wenn die Trägermatrix
in einer wasserenthaltenden Umgebung vorhanden ist und sich ändert, zieht
sie sich folglich zusammen, und der Abstand (D) der Streifen wird
verringert. Diese Änderung
in dem Streifenabstand (D) kann durch die maximale (Braggsche) Wellenlängenänderung
mit einem festen Einfalls-/Beugungswinkel oder durch monochromatische
Intensitätsveränderung
bei einem festen Winkel oder durch eine Winkelveränderung
bei einer maximalen monochromatischen Intensität gemessen werden. Die Spezifizität in der
Technik kann dadurch bereitgestellt werden, indem gewährleistet
wird, dass spezielle Bindungsstellen innerhalb der Gelmatrix bereitgestellt
werden.
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Die dritte Technik besteht darin,
die Modulation des komplexen Brechungsindexes durch chemische Modifikation
des holographischen Elements zu ändern,
um eine oder mehrere optische Eigenschaft(en) zu ändern. Beispielsweise
kann ein Enzym die Modulationstiefe des komplexen Brechungsindex
durch Spalten an Stellen zwischen Streifen anfangs verbessern. Dieses
Phänomen
wird für
das Beispiel von Trypsin durch die Anfangsverstärkung bei dem Gesamtnettoreflexionsvermögen bei
der niedrigen Konzentrationskurve von 8 gezeigt.
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Die vierte Technik besteht darin,
das holographische Element aufzubereiten, sodass seine Reaktion auf
eine Wechselwirkung mit einem Analyten in einer Temperaturänderung
besteht. Eine oder mehrere Dimensionen des holographischen Elements
werden sich beispielsweise als Ergebnis der Temperaturänderung ändern. Dies
führt zu
einer Änderung
in einer oder mehreren optischen Eigenschaften. Die Temperaturempfindlichkeit
eines Reflexionshologramms wird in 18 gezeigt.
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Wenn irgendwelche der vier oben erwähnten Mechanismen
auftreten, während
das Hologramm durch einfallende breitbandige, nicht ionisierende
elektromagnetische Strahlung wiedergegeben wird, dann verändert sich
eine optische Eigenschaft, und eine Farb- oder Intensitätsänderung
kann beispielsweise beobachtet werden. Die Detektion besteht aus
dem Messen irgendwelcher der Messgrößen in Tabelle 1, wie es für die geänderten
Parameter geeignet ist. Die Art der Beziehungen zwischen einigen
Parametern und Messgrößen wird
in Gleichungen 1 bis 4 dargestellt.
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Die wohlüberlegte Auswahl der Hologrammart,
der Fertigungstechnik und des Analytenspezies ermöglicht somit,
dass eine Anzahl unterschiedlicher Sensoren erzeugt wird. Derartige
Sensoren können
maßgeschneidert
sein und spezielle Verbindungen, Ereignisse oder biologische Spezies
zu erfassen. Ihre Empfindlichkeit kann durch sorgfältige Wahl
spezieller Bindungskonjugaten, der Art des Hologramms und der verwendeten
Fertigungstechnik verändert
werden. Somit kann ein Sensor, der sowohl quantitative als auch
qualitative Abtasteigenschaften aufweist, kostengünstig und
einfach hergestellt werden.
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Es ist ersichtlich, dass die obigen
Mechanismen keine umfassende Beschreibung möglicher Mechanismen sind. Außerdem ist
es ersichtlich, dass die beschriebenen Anwendungen nur beispielhaft
und nicht als die einzigen Anwendungsarten anzusehen sind. Beispiele
von Trägermedien
werden nachstehend beschrieben.
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Das holographische Trägermedium
ist eines, bei dem ein Hologramm hergestellt werden kann, und das
fähig ist,
eine oder mehrere der Eigenschaften der oben beschriebenen empfindlichen
Mechanismen zu zeigen.
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Vorzugsweise umfasst das Trägermedium
eine native oder modifizierte Matrix mit viskoelastischen Eigenschaften,
die sich als Ergebnis einer Wechselwirkung mit einer Analytenspezies
verändern.
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Ein Beispiel eines derartigen Materials
ist Gelatine, das ein Standardmaterial ist, das bei der Holographie
zum Tragen von photoempfindlichen Spezies, wie beispielsweise Silberhalogenidkörner, verwendet
wird. Alternativ kann Gelatine durch Chrom(III)-Ionen zwischen Carboxylgruppen
an Gelfäden
photovernetzt werden. Weitere Beispiele holographischer Trägermedien
sind K-Carageenan, Agar, Agarose, Polyvinylalkohol (PVA), Sol-Gele
(wie allgemein klassifiziert), Hydrogele (wie allgemein klassifiziert)
und Acrylharze. Es ist ersichtlich, dass viele Arten von holographischen
Trägermedien
existieren und die obige Liste nicht umfassend ist.
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Beispiele von Analyten, die durch
die Erfindung identifiziert und quantifiziert werden können, sind
Wasser und insbesondere Wasseraktivität, Ionen, Haptene, Oligonucleotide,
Zellen, Aldehyde einschließlich
Formaldehyd, Enzyme, Proteine, Gase, Metaboliten, Viren, Bakterien,
Pilze und Hefen. Diese Liste von Analyten wird nur beispielhaft
angegeben. Andere Analytenspezies können existieren und könnten mit
einem geeigneten Sensor in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung identifiziert werden.
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In einigen Fällen wird die Empfindlichkeit
und Detektion durch ein beliebiges Bindungssystem erleichtert, wobei
einer der beiden Partner in das holographische Trägermedium
aufgenommen wird und der andere der Analyt ist. Beispiele sind:
Enzym-Substrat
Ligand-Protein
Kohlenhydrat-Lectin
DNA-Protein
Antigen-Antikörper
Katalytische
Systeme
Geprägte
Polymere
Farbstoff-Protein
Coenzym-Protein
DNA-DNA
Hapten-Antikörper
Ligand-Rezeptor
Enzyme
(katalytische Antikörper)
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Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden nun nur beispielhaft mit allgemeinem Bezug auf
die Figuren und mit besonderem Bezug auf die 10 bis 17 beschrieben,
in denen zeigen:
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1 diagrammartig
eine Art eines Hologramms;
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2 schematische
Diagramme von Streifen, Wiedergabestrahlen und zugeordneten Vektoren;
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3 diagrammartig
einige der optischen Parameter, auf die in der Tabelle 1 verwiesen
wird, mit Bezug auf ein Strahlendiagramm eines dicken Reflexionshologramms;
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4 Streifenwinkel-
und Abstandsänderungen,
die auftreten, wenn es eine Hologrammschwellung gibt;
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5a Vernetzungen
zwischen Gelfäden,
um Gel zu verfestigen;
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5b Vernetzungen
zwischen Gelfäden
als ein Abtastmechanismus;
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6 diagrammartig
eine Bindungszerstörung,
die in einem holographischen Trägermedium
auftritt, und veranschaulicht diagrammartig die Wirkung, die ein
Enzym beim Brechen von Bindungen in Gelfäden aufweist;
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7 eine
graphische Darstellung der Trypsinwirkung auf ein Reflexionshologramm,
das den Anstieg in reflektierter Spitzenwellenlänge als Funktion der Zeit zeigt,
wenn das Trägermedium
abgeschwächt
wird und anschwillt;
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8 eine
graphische Darstellung der Trypsinwirkung auf ein Reflexionshologramm,
die eine Anfangsverstärkung
des Beugungswirkungsgrads und dann ein Verlust des Beugungswirkungsgrads
gemessen in einem Spektrophotometer als Funktion der Zeit zeigt;
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9a eine
graphische Darstellung der Trypsinwirkung auf ein Reflexionshologramm,
die die Konzentration von Trypsin und die Änderung der Spitzenwellenlänge bei
zeitlich eingeteilten Intervallen zeigt;
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9b eine
graphische Darstellung der Trypsinwirkung auf ein Reflexionshologramm,
die die Konzentration von Trypsin und die Änderung des Spitzenreflexionsvermögen bei
zeitlich eingeteilten Intervallen zeigt;
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10 diagrammartig
eine Hologrammstruktur in einer Küvette mit 0° Reflexion;
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11a diagrammartig
eine Hologrammwiedergabe in der Küvette von 10;
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11b eine
graphische Darstellung eines Signalabsorptionsvermögens, wenn
das Hologramm von 10 wiedergegeben
wird;
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12 diagrammartig
Teststreifen, die an der Innenseite einer Flasche befestigt sind,
die ein flüssiges Reagenz
enthält;
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13a und 13b diagrammartig eine dünne Hologrammstruktur
mit einer abklingenden Welle als eine der interferierenden Strahlen;
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14 diagrammartig
eine Wiedergabe eines " Hologramms
mit abklingender Welle",
wie es in einem Sensor verkörpert
ist;
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15 ein
faseroptisches Array, das als ein Hologrammleser arbeitet, an einem
festen Betrachtungswinkel (jedoch ganzer Spektrumbeleuchtung) zur
Verwendung und Verbindung mit einem Sensor;
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16 ein
Beispiel einer gefilterten visuellen Anzeige, die sich auf eine
Wellenlängenverschiebung zur
Verwendung als ein Sensor stützt;
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17 einen
faseroptischen Arrayhologrammleser und einen holographischen Sensor
mit einer festen Wellenlänge
jedoch sich veränderndem
Braggschen Winkel;
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18 eine
graphische Darstellung einer Wellenlängenverschiebung (nm) als Funktion
der Temperatur (°C);
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19a eine
diagrammartige Ansicht eines holographischen Sensors mit einer Referenz,
die in einem Tauchstreifenformat aufgenommen ist;
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19b graphische
Darstellungen einer Spektralverschiebung eines Ausgangssignals von
einem Bezugshologramm mit Bezug auf ein Sensorhologramm; und
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20a und 20b diagrammartig eine weitere
Ausführungsform
eines Tauchstreifens, der einen speziellen holographischen Sensor
und einen sich räumlich
verändernden
Indikator beinhaltet.
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Mit Bezug auf 1 umfasst ein Hologrammelement 9 ein
holographisches Trägermedium 10 und
einen modulierten komplexen Brechungsindex (Streifen) 16.
Die Streifen 16 werden wie folgt angefertigt: Einfallende
Laserlichtstrahlen 12 treffen auf eine Oberfläche 14.
Laserlichtstrahlen 18 treten aus dem holographischen Trägerelement 10 an
der Oberfläche 15 aus
und werden von einem Spiegel 20 reflektiert. Interferenzstreifen 16,
die ein Hologramm 17 definieren, werden gebildet, wenn
reflektierte Lichtstrahlen 22 mit einfallenden Lichtstrahlen 12 interferieren.
Das Hologramm 17 wird somit im ganzen Volumen des holographischen Trägermediums 10 gebildet.
Bei einigen Varianten ist eine weitere chemische Verarbeitung erforderlich,
um die Hologrammanfertigung abzuschließen.
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Eine ausführliche Beschreibung der Herstellung
des Sensors wird nachstehend angegeben. Bezug wird auf Standardtechniken
der Emulsionszubereitung genommen, da angenommen wird, dass der
Fachmann mit derartigen Techniken vertraut ist.
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Die Prinzipien der Konstruktion eines
Hologramms werden in 1, 10 und 13 dargestellt. Die Prinzipien und Beispiele
der Rekonstruktion (Wiedergabe) eines Hologramms werden in 2, 3, 4, 11, 12 und 14 dargestellt.
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Um einige der empfindlichen Detektionsmechanismen
darzustellen, die die Erfindung betreffen, wird eine kurze Beschreibung
mit allgemeinem Bezug auf die 2 der
Beugungs- und Wiedergabeeigenschaften eines Planwellen-Hologramms durchgeführt. Spezielle
Mechanismen werden mit Bezug auf andere Figuren beschrieben.
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Im Allgemeinen ist ein Hologramm 17 ein
dreidimensionales Gitter (3D-Gitter), das einfallendes Licht in
einen oder mehrere Strahlen umwandelt, die eine räumliche
und spektrale Abhängigkeit
von den internen Parametern des Hologramms 17 aufweisen.
Typischerweise umfasst ein Gitter einen Brechungsindex oder eine
Absorptionsmodulation des Materials 24 innerhalb einer
Trägermatrix 26.
Das Material 24 selber kann eine Abänderung der Trägermatrix 26 sein.
Die Modulation wird als Streifen 16 bezeichnet, wie in 1a. Das Hologramm 17 selbst
wirkt als ein Wandlerelement eines Sensors, wenn ein Analyt (nicht
gezeigt) einen internen Parameter modifiziert, um eine messbare Änderung
in einer optischen Eigenschaft des Hologramms 17 zu erzeugen,
wenn das Hologramm 17 rekonstruiert oder wiedergegeben
wird.
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Es wird erkannt, dass alle in der
Tabelle 1 gezeigten gegenseitig abhängigen Parameter und Messgrößen von
dem Effekt abgeleitet werden können.
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Mit Bezug ebenfalls auf 1 bis 4 zeigt 6 diagrammartig
den Bruch von Bindungen (mit einem "X" angegeben)
in einer Trägermatrix 26.
Man glaubt, dass dies zwei Wirkungen hat; eine Schwächung der Matrix 26 ermöglicht,
dass die Matrix anschwellen kann (obiger Mechanismus 2d),
was verursacht, dass sich die Streifen 16 weiter trennen
und die Braggsche Wellenlänge
oder der Braggsche Winkel vergrößert. Die
Regelmäßigkeit
und die Integrität
des modulierten komplexen Brechungsindex, der die Streifen 16 bildet,
werden gestört,
um den optischen Wirkungsgrad des Hologramms zu verringern (obiger
Mechanismus 1). In extremen Fällen
wird das die Streifen 16 enthaltende Material 10 entfernt,
um den optischen Wirkungsgrad des Hologramms zu verringern.
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Mit Bezug ebenfalls auf 1 bis 4 zeigt 5b diagrammartig
die Hinzufügung
von molekularen Vernetzungen in einer Matrix 26. Die Vernetzung
kann chemisch oder genauer gesagt durch Reaktionen zwischen speziellen
Paaren von molekularen Konjugaten in einem Bindungssystem bereitgestellt
werden. Dies hat die Wirkung eines Verstärkens der Matrix, um das Ausmaß zu begrenzen,
mit der die Matrix anschwellen kann (obiger Mechanismus 2). Die
Wirkung besteht darin, den Streifenabstand und somit das Ausmaß der Änderung bei
einer Braggschen Wellenlänge
oder einem Braggschen Winkel zu begrenzen. Wenn derartige Vernetzungsarten
durch welche Reaktion auch immer, spezifisch oder nicht, entfernt
werden, dann besteht die Wirkung darin, die Matrix zu schwächen und
es ihr zu ermöglichen,
anzuschwellen. Somit besteht die Wirkung darin, zu ermöglichen,
dass sich der Streifenabstand und somit die Braggsche Wellenlänge erhöht oder
sich der Braggsche Winkel demgemäß ändert.
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Bezug wird nun auf bestimmte Anwendungen
des Sensors genommen. Bei einem bestimmten Beispiel wurden die Änderungen
in dem Spitzenreflexionsvermögen
und der Wellenlänge
bei einem festen Einfallswinkel gemessen und als eine Funktion der
Trypsinkonzentration kalibriert. Graphische Darstellungen der Ergebnisse
werden in 9a bzw. 9b gezeigt. Es ist ohne weiteres
ersichtlich, dass ein Sensor somit gefertigt werden kann, dessen
Charakteristika vorhersagbar sind und der verwendet werden kann,
um die Intensität oder
Farbe eines Lichtsignals mit der Konzentration oder Wirkung eines
proteolytischen Enzyms zu korrelieren. Bei dem gezeigten Beispiel
ist die Matrix, die das Hologramm trägt, Gelatine, ein zweckmäßiges Substrat für proteolytische
Enzyme. Es ist offensichtlich, dass ein Sensor für andere Enzyme in einer Trägermatrix
hergestellt werden kann, die ein entsprechendes Substrat enthält. Beispielsweise
würde ein
Sensor für
Amylase eine Stärkekomponente
in seiner Trägermatrix
enthalten. Außerdem
kann die Anwendung der Enzymwirkung auf ein spezielles System, beispielsweise
einen Immunosensor, erweitert werden, wobei das selektierte Enzym als
eine an einem Antigen befestigte Markierung verwendet wird, der
an einen Antikörper
gebunden ist, der in einer sekundären Schicht über einem
holographischen Element immobilisiert ist, das das Enzymsubstrat
enthält.
Bei Exposition zu einem Antigenanalyten gibt kompetitives Binden
das enzymmarkierte Antigen frei, das in das holographisches Element
diffundiert, wobei das Enzym die Trägermatrix verschlechtert. Die
holographische optische Reaktion ist ein Ergebnis der Konzentration
und Aktivität
des Antigenanalyten.
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Eine weitere Anwendung besteht im
Abtasten von Bakterien, wie beispielsweise Bacillus und Pseudomonas,
wodurch die Ausscheidung von proteolytischen Enzymen beispielsweise
die obige Wirkung auf ein Gelatinehologramm aufweist.
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Eine weitere Anwendung des Sensors
besteht im Abtasten von Formaldehyd, wobei der oben erwähnte Vernetzungsmechanismus
benutzt wird, wodurch Formaldehydvernetzungen von beispielsweise
Gelatine die Gelatinemoleküle
zusammenziehen, wodurch verursacht wird, dass das Trägermedium
schrumpft und die Braggsche Wellenlänge verringert wird. Dies kann
in einer Matrix erreicht werden, die nicht vorher über die Amingruppen
verfestigt wurde, sodass es für
die Leistung der Vorrichtung vorteilhaft ist, ein kundenspezifisches
holographisches Trägermedium
zu verwenden.
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Bezug wird nun auf bestimmte Ausführungsformen
des Sensors genommen. Es wird erkannt, dass diese nur beispielhaft
sind und Veränderungen
an den beschriebenen Ausführungsformen
nicht von dem Schutzumfang der Erfindung abweichen werden.
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In Sensorsysteme aufgenommene Ausführungsformen
der Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezug auf 1, 2, 4, 5, 16 und 17 beschrieben,
in denen gleiche Teile die gleichen Bezugsziffern tragen. Die Figuren
zeigen ein holographisches Element 32 auf einem mechanischen
Substrat 33. Der Abstand oder der Winkel der Streifen (nicht
gezeigt) wird verändert,
oder die Brechungseigenschaften des holographischen Elements 32 werden
geändert,
was eine optische Reaktion auf eine Vielfalt von Analyten, spezifisch
oder nicht, abhängig
von ihrer Identität
und der an dem Element 32 gegebenen präparativen Behandlung verursacht.
Die Identität
der Analyten hängt
ferner davon ab, welche der oben erwähnten Mechanismen benutzt werden.
Die Ausführungsformen
werden nun beschrieben.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist
in einem Sensorsystem aufgenommen und wird in 11 gezeigt. Der Sensor umfasst ein holographisches
Element 32, das auf einem Substrat 33 innerhalb
eines Behälters 39 getragen
wird, der eine spektroskopische oder eine fluorometrische Küvette sein
kann. Die Änderung der
diagrammartig in 11b gezeigten
Spektralempfindlichkeit auf einen geeigneten Analyten wird über ein Standard-Spektrophotometer
(nicht gezeigt) gemessen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
in einem anderen Sensorsystem aufgenommen und wird in 12 gezeigt. Der Sensor umfasst
holographische Elemente 32a und 32b, die Prüf- bzw.
Bezugssensoren darstellen, wobei 32a und 32b innerhalb
eines Behälters
einer Flüssigkeit
oder eines Gases enthalten sind, die/das ihrerseits/seinerseits
einen Analyten enthält.
Die Reaktion wird direkt als eine Farb- oder Intensitätsänderung
visualisiert.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann
in einem in 14 gezeigten
Sensorsystem aufgenommen sein. Der Sensor umfasst ein holographisches
Element 32, das ein Hologramm 31 in einem Trägermedium
umfasst, das durch Licht 62 beleuchtet wird, das von einer
schmal- oder breitbandigen Art sein kann. Die sich ändernde
Intensität
und/oder Spektralempfindlichkeit 64 des Hologramms 31 auf
einen Analyten, wird von einer Photodiode (nicht gezeigt) oder einem
spektralen Prozessor (nicht gezeigt) oder durch direkte Visualisierung überwacht.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann
in einem anderen, in 15 gezeigten
Sensorsystem aufgenommen sein. Der Sensor umfasst ein holographisches
Element 32, eine Anordnung von Linsen 36 und 38 zusammen
mit einer schmalen Apertur 40 in einem geeignet lichtundurchlässigen Material 42,
um sicherzustellen, dass Licht von einer breitbandigen Quelle 44 innerhalb
eines schmaldefinierten Einfallswinkels auf eine Faseroptik 46 gerichtet
wird. Eine Wellenlängenverschiebung
oder Intensitätsänderung
bei dem von 32 reflektiertem Licht kann als eine Farb-
oder Intensitätsänderung
am Ende einer Faseroptik 46 visualisiert oder durch geeignete
elektronische oder spektrographische Mittel (nicht gezeigt) verarbeitet
werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
in einem Sensorsystem aufgenommen und wird mit Bezug auf 16 beschrieben. Der Sensor
umfasst ein holographisches Element 32, eine Nachrichtenmaske 37,
ein Hochpassfilter 35a und ein Tiefpassfilter 35b.
Durchlassbänder
werden ebenfalls in der Skizze der graphischen Darstellung der Intensität (I) als
Funktion der Wellenlänge
gezeigt. Eine spektrale Änderung
in dem Durchlassband des Hologramms in 32 als Ergebnis
einer Analytenwechselwirkung wird direkt als eine Änderung
von einer positiven zu einer negativen Indikation oder umgekehrt
visualisiert.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
in einem in 17 gezeigten
Sensor aufgenommen. Der Sensor umfasst ein geeignetes holographisches
Element 33, das ein Hologramm 32 trägt, eine
monochromatische Lichtquelle 56, eine Linse 58,
die einen Bereich auf das Hologramm 32 einfallender Winkel bereitstellt,
und eine Linse 60 zum Fokussieren von Licht auf ein lineares
Array von Faseroptiken 50. Eine in dem Hologramm 32 bewirkte Änderung ändert den
Braggschen Winkel, der an dem Ende der Faseroptik 50 visualisiert
oder anderweitig erfasst werden kann. Ein lineares Photodetektorarray
(nicht gezeigt) kann direkt anstatt der Faserarrays als ein Winkeldetektor
benutzt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
in einem in 19a gezeigten
Sensor aufgenommen. Der Sensor umfasst ein erstes holographisches
(Bezugs)Element 20, das ein Hologramm (λ1) trägt, das
auf einer klaren lichtdurchlässigen
Stange oder Tauchstab 201 angeordnet ist, der derart geformt
ist, sodass Licht in den Tauchstab an einem Ende 202 eintreten
kann, wodurch ein holographisches Prüfelement (λ2) 203 beleuchtet
wird. Licht wird bei und um die Braggsche Wellenlänge innerhalb
eines eng definierten Bereichs von Winkeln reflektiert, sodass es
auf das holographische Element 200 einfällt, dass als ein Bezug wirkt.
Das zweite holographische Element 203 unterscheidet sich
von dem ersten holographischen Element 200 dadurch, dass
es nicht auf den speziellen Analyten ansprechen wird, und dadurch,
dass sein Durchlassband bei einer längeren Wellenlänge liegt.
Solange wie kein Analyt vorhanden ist, stimmen die Braggschen Wellenlängen der beiden
Hologramme 200 und 203 nicht überein, und Licht wird eine
Nachrichtenmaske 204 nicht erreichen. Wenn ein Analyt vorhanden
ist, dann wird Licht entlang des Tauchstabs 201 (der als
ein Lichtrohr wirkt) und zu der beleuchteten Nachrichtenmaske 204 transferiert,
die eine positive Reaktion angibt. Nicht spezielle Wirkungen verändern die
beiden Durchlassbänder
gleichartig. Die Lichtpfadgeometrie ist angeordnet, um den übertragenden
Bereich von Winkeln einzuschränken,
um die Empfindlichkeitsunterscheidung zu verbessern. 19b veranschaulicht diagrammartig
die relative spektrale Verschiebung von einfallendem Licht.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
in einem in 20a und 20b gezeigten Sensorsystem 300 aufgenommen.
Das Sensorsystem 300 umfasst ein geeignet empfindliches
holographisches Element, dass ein Hologramm 301 trägt, das
an einem Ende einer lichtdurchlässigen
Stange oder Tauchstabs 302 angeordnet ist, und mindestens
ein weiteres holographisches Element 303, das auf den Analyten
nicht empfindlich ist. Alle drei Elemente sind angeordnet, sodass
der Lichtpfad 306 wie gezeigt definiert ist. Seitenelemente 307 und 308 koppeln
Licht in die bzw. aus der Stange. Mehr als ein holographisches Element
kann in parallel benachbarten Streifen jeweils mit einer unterschiedlichen
Braggschen Reaktion angeordnet sein, sodass die Reaktion von jedem
empfindlichen holographischen Element visuell als eine räumliche Änderung
sowie auch als eine Farbänderung
wahrgenommen werden kann. Dies wird diagrammartig als λ1, λ2 und λ3 in 20b gezeigt. Ein lichtundurchlässiger Schirm 309 wirkt
als ein Lichtblockierelement und wird zwischen lichtdurchlässigen Fenstern 307 und 308 angeordnet.
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Trypsinbeispiele
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Eine nützliche Anwendung des Sensors
ist als ein Sensor für
das proteolytische Enzym Trypsin insbesondere beim Screening von
Neugeborenen auf zystische Fibrose und bei der Detektion und Überwachung von
Pankreaserkrankungen im Allgemeinen. Ein Beispiel eines Verfahrens,
das einen holographischen Sensor für diese Art von Anwendung beschreibt,
wird nachstehend gezeigt.
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Trypsin wird von der Pankreas erzeugt
und in das menschliche Verdauungssystem ausgeschüttet. Seine Identifikation
ist ein Indikator der exokrinen Pankreasfunktion. Ein bedeutendes
Beispiel der Trypsindetektion in der Medizin ist beim Screening
auf zystische Fibrose während
der Neugeborenenperiode, wenn (um einen Faktor zwei oder drei) erhöhte Konzentrationen
von immunoreaktivem Bluttrypsin oder verringerte Konzentrationen
von Intestinaltrypsin eine positive Reaktion auf den Zustand geben.
Es ist bedeutsam, die Krankheit sobald wie möglich zu identifizieren, damit
die Behandlung der sekundären
Pathologie beginnen kann. Es gibt einige Screeningverfahren, wobei
das zuverlässigste
und speziellste derselben ein kostenaufwendiges und zeitintensives
Radioimmunassay auf Bluttrypsin ist. Nur diejenigen Prüfungen,
die sich als positiv herausstellen, werden von einem relativ kostengünstigen
Test für
erhöhte
Konzentrationen von Natrium- und Chloridionen im Schweiß weiter
verfolgt.
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Ein einfacher Test auf Trypsin in
Stuhlproben basiert auf der zerstörenden Wirkung des Enzyms auf die
Gelatineschicht eines Röntgenfilms.
Der Endpunkt wird als die Verdünnung
des Stuhls definiert, bei der die Auflösung des Films nicht visuell
beobachtet wird. Der Test ist nicht spezifisch oder quantitativ.
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Die Reaktion eines gelatine-basierten
Reflexionshologramms auf Trypsin wurde als eine Funktion einer nominalen
Konzentration bis hinab zu 50 nM in 9 gezeigt.
Duodenaltrypsin liegt normalerweise wahrscheinlich im Bereich von
250 nM bis 3000 nM. Es ist daher möglich, eine derartige Vorrichtung
zu kalibrieren, um eine quantitative Indikation einer Trypsinkonzentration
anzugeben. Eine Verbesserung der geprüften Vorrichtung kann durch
Weichmachen der Gelatine, um eine größere Empfindlichkeit zu erhalten,
und durch Herstellen eines dünneren
Film, um eine noch schnellere Reaktion zu erhalten, erhalten werden.
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Der beschriebene holographische Sensor
liefert, wenn er auf Trypsin angewendet wird, eine schnellere, kostengünstigere
und quantitative Alternative zu existierenden Tests.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Probe aus Stuhl oder Duodenalfluid auf das Testhologramm
angewendet, das über
einen optischen Pfad wiedergegeben wird, der vorzugsweise fern von
der Probenstelle angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Beleuchtungsquelle
eine lichtemittierende Diode und der Detektor eine Photodiode, sodass
eine Intensitätsmessung
als Trypsinkonzentration mittels kostengünstigem, ohne weiteres verfügbaren elektronischem
Verarbeitungsgerät
interpretiert werden kann. Ein Bezugshologramm, das mit einem Trypsininhibitor
vorbehandelt ist, liefert eine Korrektur auf störende Komponenten in der Probe.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Testhologramm in einem Trägermedium ausgeführt, das
vollständig
oder teilweise aus einem Substratmaterial besteht, dass trypsinspezifisch
ist, d. h. vorherrschend Lysin- oder Arginin-Funktionsgruppen enthält.
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Eine bevorzugte Hologrammart ist
ein randbeleuchtetes, dünnes
Hologramm, wie es vorher beschrieben wurde, das mittels Interferenz
zwischen einem oder mehreren abklingenden Lichtstrahlen und einem
oder mehreren abklingenden oder homogenen Strahlen erzeugt wird.
Diese Begriffe sind einem Fachmann auf dem Gebiet der Optik und
Holographie bekannt. Das Verfahren, mit dem ein Hologramm einer
abklingenden Welle hergestellt werden kann, ist in 13 dargestellt. 13a zeigt einen Beleuchtungsstrahl 70 von
einem Helium-Neon-Laser
(HeNe-Laser), der durch einen Strahlenteiler 72 läuft. Der
Strahl 73 wird von Spiegeln 76 und 78 reflektiert
und stößt mit der
Oberfläche
eines holographischen Film 80 zusammen. Der Strahl 74 wird
von einem Spiegel 82 reflektiert und interferiert mit dem
Strahl 73 nach Laufen durch ein Prisma mit hohem Index 83.
Das geformte Hologramm wird in diagrammartigem Detail in 13b gezeigt. Eine Flüssigkeit
mit hohem Index 85 ermöglicht
eine totale interne Reflexion an ihrer Grenzfläche mit dem Film 80.
Eine abklingende Region 87 ist in der Emulsion 89 definiert.
Der Betrieb des dadurch erzeugten randbeleuchteten Hologramms wird nachstehend
mit Bezug auf 14 beschrieben.
Ein Vorteil der in 14 gezeigten
randbeleuchteten Art besteht darin, dass der optische Pfad 64 zweckmäßigerweise
für die
Position der Beleuchtungsquelle 62 und des Detektors definiert
werden kann. Die Technik der abklingenden Welle liefert typischerweise
ein Hologramm von der ungefähren
Dicke einer halben Wellenlänge,
sodass die Geschwindigkeit und das Ausmaß einer Reaktion auf Grund
der Durchdringung und der Wirkung des Analyten verbessert wird.
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Es ist offensichtlich, dass die Erfindung
nur beispielhaft beschrieben wurde und Veränderungen an den beschriebenen
Ausführungsformen
ohne Abweichen vom Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können.
