DE69922956T2

DE69922956T2 - Optischer sensor mit optimiertem oberflächenprofil

Info

Publication number: DE69922956T2
Application number: DE69922956T
Authority: DE
Inventors: A. William CHALLENER
Original assignee: Imation Corp
Current assignee: GlassBridge Enterprises Inc
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1999-06-07
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2019-06-08
Also published as: EP1088231A1; WO1999066330A1; EP1088231B1; US5986762A; JP2002518679A; DE69922956D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft generell das Gebiet der optischen Untersuchung und insbesondere einen optischen Sensor mit einer genuteten Fläche, der optimiert ist, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und die Anfälligkeit für falsche Messungen zu reduzieren.
Hintergrund der Erfindung
Es sind extrem empfindliche optische Sensoren konstruiert worden, bei denen ein Effekt ausgenutzt wird, der als Oberflächenplasmonresonanz (SPR) bekannt ist. Diese Sensoren sind in der Lage, das Vorhandensein einer Vielzahl von Materialien in so geringen Konzentrationen wie Picomol pro Liter zu detektieren. SPR-Sensoren sind zum Detektieren zahlreicher Biomoleküle, einschließlich Keyhole-Limpet-Hemocyanin, α-Fetoprotein, IgE, IgG, Rinder- und Human-Serum-Albumin, Glucose, Harnstoff, Avidin, Lectin, DNA, RNA, HIV-Antikörper, Human-Transferrin und Chymotrypsinogen, konstruiert worden. Ferner sind SPR-Sensoren gebaut worden, die Chemikalien detektieren, wie z. B. Polyazulen, Nitrobenzole und verschiedene Gase, wie z. B. Halothan, Trichlorethan und Kohlenstofftetrachlorid.
Es ist ein SPR-Sensor konstruiert worden, bei dem eine Fläche eines Substrats hinsichtlich einer spezifischen Substanz sensibilisiert worden ist. Typischerweise ist die Fläche des Substrats mit einem dünnen Film aus Metall, wie z. B. Silber, Gold oder Aluminium, beschichtet. Als nächstes wird eine monomolekulare Schicht aus Sensibilisiermaterial, wie z. B. komplementären Antigenen, kovalent mit der Fläche des dünnen Films verbondet. Auf diese Weise ist der dünne Film in der Lage, mit einer vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz zu interagieren. Wenn ein SPR-Sensor einer Probe ausgesetzt ist, die eine Zielsubstanz enthält, lagert sich die Substanz an dem Sensibilisiermaterial an und verändert den effektiven Brechungsindex an der Oberfläche des Sensors. Das Detektieren der Zielsubstanz erfolgt durch Beobachten der optischen Eigenschaften der Oberfläche des SPR-Sensors.
Bei dem am häufigsten benutzten SPR-Sensor wird die Oberfläche des Sensors durch ein Glasprisma einem Lichtstrahl ausgesetzt. Bei einem spezifischen Einfallswinkel, der als Resonanzwinkel bekannt ist, entspricht eine Komponente des Wellenvektors des Lichtstrahls in der Ebene der Sensoroberfläche einem Wellenvektor eines Oberflächenplasmons in dem dünnen Film. Bei diesem Einfallswinkel erfolgt in dem dünnen Film ein sehr effizienter Energietransfer und eine Anregung des Oberflächenplasmons. Folglich verändert sich die Menge an von der Oberfläche des Sensors reflektiertem Licht. Typischerweise zeigt das reflektierte Licht eine Anomalie, wie z. B. eine starke Dämpfung oder Verstärkung, und ist der Resonanzwinkel eines SPR-Sensors leicht detektierbar. Wenn sich die Zielsubstanz an der Oberfläche des Sensors anlagert, erfolgt eine Verschiebung des Resonanzwinkels aufgrund der Veränderung des Brechungsindexes an der Oberfläche des Sensors. Ein quantitatives Maß der Konzentration der Zielsubstanz kann anhand der Größe der Verschiebung des Resonanzwinkels errechnet werden.
Es sind ferner SPR-Sensoren konstruiert worden, bei denen metallisierte Beugungsgitter anstelle von Prismen verwendet werden. Bei SPR-Gitter-Sensoren tritt eine Resonanz auf, wenn eine Komponente der Auflichtpolarisierung orthogonal zu der Nutrichtung des Gitters verläuft und der Einfallswinkel für einen Energietransfer und eine Anregung des dünnen Metallfilms geeignet ist. Wie bei Prismen-Sensoren wird eine Veränderung der Menge an reflektiertem Licht beobachtet, wenn der Einfallswinkel gleich dem Resonanzwinkel ist. Frühere SPR-Gitter-Sensoren wiesen Rechteckwellen- oder Sinusnutenprofile auf.
Ein weiterer hochempfindlicher Sensor, der vor kurzem entwickelt worden ist, ist als "Beugungsanomalie"-Sensor bekannt. Beugungsanomalie-Sensoren weisen ein Substrat und eine dünne Metallschicht auf, die im wesentlichen die gleichen sind wie bei SPR-Gitter-Sensoren. Bei einem Beugungsanomalie-Sensor ist jedoch eine dielektrische Schicht außen auf der Metallschicht ausgebildet und schützt die Metallschicht gegen Oxidieren und allgemeine Degenerierung. Typischerweise ist eine Sensibilisierschicht außen auf der dielektrischen Schicht ausgebildet. Beugungsanomalie-Sensoren, wie SPR-Sensoren, zeigen eine Veränderung des Reflexionsvermögens, die als Beugungsanomalie bezeichnet wird, wenn sie mit einem Lichtstrahl mit einem bestimmten Einfallswinkel belichtet werden. Anders als herkömmliche SPR-Sensoren zeigen Beugungsanomalie-Sensoren eine Veränderung des Reflexionsvermögens von Licht, das parallel zu den Nuten des Substrats polarisiert ist. Wenn ein Lichtstrahl einen Einfallswinkel hat, der dem Beugungsanomalie-Winkel für den Sensor gleich ist, pflanzt sich der gebeugte Lichtstrahl in der dielektrischen Schicht fort. Auf diese Weise fungiert die dielektrische Schicht als Wellenleiter und detektiert der Kontroller auf einfache Weise eine Veränderung im Reflexionsvermögen. Die Dicke der dielektrischen Schicht beeinflusst direkt die Beugungsanomalie. Der effektive Brechungsindex an der Oberfläche des Beugungsanomalie-Sensors verändert sich auf im wesentlichen gleiche Weise wie ein SPR-Sensor, wenn der Beugungsanomalie-Sensor einer Probe mit der Zielsubstanz ausgesetzt ist. Ferner hängt die Veränderung des Beugungsanomalie-Winkels in großem Maße von der Menge der Zielsubstanz in der Probe ab. Auf diese Weise zeigt der Beugungsanomalie-Sensor eine Verschiebung des Anomalie-Winkels, die mit der eines SPR-Sensors vergleichbar ist, obwohl das Metallgitter des Beugungsanomalie-Sensors mit einer dielektrischen Schicht beschichtet ist. Daher kann ein quantitatives Maß der Zielsubstanz durch Messen der sich ergebenden Verschiebung des Anomalie-Winkels berechnet werden.
In US-A-4,882,288 ist ein Oberflächenplasmonresonanz-Sensor zur Verwendung bei einem Untersuchungsverfahren für die qualitative und/oder quantita tive Detektion chemischer, biochemischer oder biologischer Spezies in einer Probe beschrieben. Der Sensor weist ein Substrat auf, das mit einem oder mehreren Oberflächengittern ausgebildet und mit einer Metallschicht beschichtete ist.
In dem Review-Artikel "Optical characterization of a complex grating profile" von WATTS RA ET AL, JOURNAL OF MODERN OPTICS, März 1998, TAYLOR & FRANCIS, UK, Vol. 45, Nr. 3, Seite 639-651, ISSN: 0950-340 ist eine optische Untersuchung eines komplexen Gitterprofils beschrieben. Das untersuchte Gitter weist erste und zweite Sinuskomponenten auf. Das Gitter ist mit Metall beschichtet und wird durch Anregung von Oberflächenplasmon-Polaritonen untersucht. Das winkelabhängige Reflexionsvermögen wird gemessen.
Zusätzlich zu dem Bedarf an einzelnen Sensoren besteht beträchtliches kommerzielles Interesse an Mehrfach-Sensor-Systemen, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Zielsubstanzen, wie z. B. bestimmte Gerüche, Dämpfe, Gase oder andere chemische Spezies, in einer Umgebung oder Probe zu detektieren. Durch Verwendung mehrerer Sensoren sind solche Sensorsysteme in der Lage, gleichzeitig mehrere Zielsubstanzen zu detektieren. Bei anderen Mehrfach-Sensor-Systemen werden mehrere Sensoren zum Erkennen des Vorhandenseins einer einzelnen Zielsubstanz verwendet. Bei dieser Konfiguration liegt das Erkennen nicht bei einem einzelnen Sensor, sondern beruht auf der Fähigkeit des Sensorsystems, Ausgangsmuster der mehreren Sensoren korrekt zu interpretieren und zu erkennen. Durch die Verwendung mehrerer Sensoren sind herkömmliche Mehrfach-Sensor-Systeme typischerweise extrem teuer. Ferner sind herkömmliche Sensorsysteme inhärent kompliziert und daher nicht tragbar ausgeführt.
Derzeit verfügbare optische Sensorsysteme mit SPR-Sensoren oder Beugungsanomalie-Sensoren müssen eine Absolutverschiebung des Resonanzwinkels präzise messen, um die Substanzkonzentration akkurat zu berechnen. Ein inhärenter Mangel liegt bei dieser Technik darin, dass geringfügige me chanische Veränderungen an dem Sensor den Einfallswinkel beeinflussen, was zu falschen Resonanzverschiebungen führt. Ferner kann eine geringfügige Abweichung in der Wellenlänge des einfallenden Lichts ein Verschiebung des Resonanzwinkels bewirken und zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Aus den vorgenannten Gründen und aus nachstehend aufgeführten Gründen, die für Fachleute auf dem Sachgebiet anhand der vorliegenden Erfindung offensichtlich werden, besteht auf dem Sachgebiet Bedarf an einem optischen Sensor mit verbesserter Empfindlichkeit und geringerer Anfälligkeit für Systemschwankungen.
Zusammenfassender Überblick über die Erfindunng
Die Lösung einer oder mehrerer der oben genannten Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit einem Sensor zum Untersuchen einer Substanz in einer Probe gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, einem Sensorsystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 10 und einem Verfahren zum Untersuchen einer Substanz in einer Probe gemäß dem unabhängigen Anspruch 11. Die abhängigen Ansprüche betreffen einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Sensorsystems mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor;
2 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines optischen Sensors mit einem Nutenprofil mit einer einzelnen Sinuskomponente;
3 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines optischen Sensors mit einem Nutenprofil mit mehreren Sinuskomponenten gemäß der Erfindung;
4 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Beugungsanomalie-Sensors mit einem dielektrisch beschichteten Metallgitter und einem Nutenprofil mit mehreren Sinuskomponenten;
5 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Beugungsanomalie-Sensors mit mehreren dielektrischen Schichten, die für eine Vielzahl von Zielsubstanzen sensibilisiert sind, und einem Nutenprofil mit mehreren Sinuskomponenten;
6 eine Ausführungsform eines Sensorsystems zum Untersuchen mehrerer Substanzen durch Detektieren einer Veränderung in dem von einer sich drehenden Sensorscheibe empfangenen Licht;
7 eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform einer Sensorscheibe mit mehreren Nuten, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind und radial von der Mitte der Sensorscheibe ausgehend verlaufen;
8 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer Sensorscheibe mit mehreren Nuten, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind und radial von der Mitte der Sensorscheibe ausgehend verlaufen; und
9 eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform einer Sensorscheibe mit einem Metallgitter, das mit einer kontinuierlich um den Umfang der Sensorscheibe von einer minimalen Dicke zu einer maximalen Dicke variierenden dielektrischen Schicht beschichtet ist.
Detaillierte Beschreibung
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die spezifische Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es können elektrische, mechanische und strukturelle Änderungen an den Ausführungsformen durchgeführt werden, ohne dass dadurch vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den beiliegenden Patentansprüchen definiert ist, abgewichen wird. Die folgende detaillierte Beschreibung darf daher nicht als Einschränkung angesehen werden.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Sensorsystems 10 mit einem erfindungsgemäßen Sensor 50. Das Sensorsystem 10 weist eine Lichtquelle 20, einen Sensor 50, einen Detektor 60, einen Detektor 65 und einen Polarisierungs-Strahlenteiler 80 auf. Eine Lichtquelle 20, wie z. B. ein Laser, erzeugt einen Lichtstrahl 25, der auf den Sensor 50 auftrifft. Der Sensor 50 reflektiert den Lichtstrahl 25 als Lichtstrahl 70 auf den Polarisierungs-Strahlenteiler 80. Der Polarisierungs-Strahlenteiler 80 teilt den Lichtstrahl 70 in eine Komponente 85 und eine Komponente 90, die auf das Detektorarray 60 bzw. das Detektorarray 65 auftreffen.
Bei einer Ausführungsform ist der Sensor 50 ein Oberflächenplasmonresonanz- (SPR-) Sensor mit einem metallisierten Beugungsgitter, das hinsichtlich einer Interaktion mit einer Zielsubstanz sensibilisiert ist. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor 50 ein Beugungsanomalie-Sensor mit einem Metallgitter, das mit einer dielektrischen Schicht beschichtet ist, wie nachstehend detailliert beschrieben. Herkömmliche SPR-Sensoren und Beugungsanomalie-Sensoren zeigen eine Veränderung im Reflexionsvermögen, wenn sie mit dem Lichtstrahl 25 in einem bestimmten Einfallswinkel, der als Resonanzwinkel bekannt ist, belichtet werden. Bei SPR-Sensoren tritt die Veränderung des Reflexionsvermögens bei Licht auf, das parallel zu den Gitternuten anstatt orthogonal zu den Gitternuten polarisiert ist. Bei Beugungsanomalie-Sensoren tritt die Veränderung des Reflexionsvermögens bei Licht auf, das parallel zu den Gitternuten anstatt orthogonal zu den Gitternuten polarisiert ist. Wie nachstehend detailliert beschrieben, ist der Sensor 50 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt, um eine Veränderung des Reflexionsvermögens bei zwei oder mehr Resonanzwinkeln zu zeigen. Wenn der Sensor 50 mit einer eine Zielsubstanz enthaltenen Probe versehen ist, verändert sich der effektive Brechungsindex an der Oberfläche des Sensors 50. Durch diese Veränderung des Brechungsindexes werden wiederum die Resonanzwinkel verschoben, bei denen die Reflexionsanomalie auftritt. Das Maß der Verschiebung ist stark von der in der Probe vorhandenen Menge der Zielsubstanz abhängig. Ein quantitatives Maß der Zielsubstanz kann durch Messen der relativen Veränderung des Winkelabstands zwischen den Resonanzwinkeln berechnet werden. Dies ist ganz besonders vorteilhaft, da bei herkömmlichen Sensoren eine Messung einer Absolutverschiebung in einem einzelnen Resonanzwinkel erforderlich ist. Messen der winkelmäßigen Trennung zwischen zwei Anomalie-Winkeln zeigt, dass die Empfindlichkeit des Sensorsystems 10 und des Sensors 50 mindestens das Doppelte herkömmlicher SPR-Sensoren beträgt.
Ein weiterer Vorteil des Messens einer relativen winkelmäßigen Trennung mehrerer Resonanzwinkel liegt darin, dass das Sensorsystem 10 aufgrund von mechanischer Bewegung und Temperaturänderungen weniger anfällig für Systemdrifts ist als herkömmliche SPR-Sensoren. Da herkömmliche Systeme von der präzisen Messung eines Absolutwinkels abhängig sind, kann ein mechanisches Abdriften des Einfallswinkels zu fehlerhaften Anzeigen führen. Aufgrund des Messens der Veränderung des Winkelabstands zwischen Resonanzwinkeln führt das Sensorsystem 10 eine wesentliche Reduzierung des Effekts mechanischer Abdriftungen durch. Ferner liegt ein weiterer Vorteil des Sensors 50 darin, dass er derart ausgeführt sein kann, dass das Maß der Veränderung des Reflexionsvermögens bei jedem Resonanzwinkel ungefähr gleich ist, wodurch eine akkurate Messung erleichtert und das Fehlerrisiko reduziert werden.
Nach dem Inkontaktbringen des Sensors 50 mit der Probe werden die neuen Anomalie-Winkel für den Sensor 50 durch Leiten des Lichtstrahls 25 über einen Bereich von Einfallswinkeln zu dem Sensor 50 bestimmt. Bei einer Ausführungsform wird der Sensor 50 geschwenkt, um dem Einfallswinkel des Lichtstrahls 25 zu verändern. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor 50 fixiert und wird die Lichtquelle 20 umgesetzt, um den Lichtstrahl 25 über einen Bereich von Einfallswinkeln zu dem Sensor 50 zu leiten. Der Polarisierungs-Strahlenteiler 80 teilt den Lichtstrahl 70 derart, dass die Komponente 85 parallel zu den Nuten der Oberfläche des Sensors 50 polarisiert ist und die Komponente 90 orthogonal zu den Nuten der Oberfläche des Sensors 50 polarisiert wird. Ein (nicht gezeigter) Kontroller überwacht die Detektoren 60 und 65 und erzeugt kontinuierlich Verhältnisse der Stärken der von den Detektoren 60 und 65 empfangenen Lichtkomponente 85 und Lichtkomponente 90. Somit beeinflussen Lichtschwankungen der Lichtquelle oder andere Systemschwankungen, wie z. B. Welligkeiten in der Probe, nicht die Berechnung der Zielspezies in der Probe. Anhand des berechneten Verhältnisses für jedes Sensorelement für die Detektoren 60 und 65 bestimmt der Kontroller neue Resonanzwinkel und berechnet ein Maß der Zielsubstanz in der Probe anhand einer Veränderung des Winkelabstands zwischen den Resonanzwinkeln. Bei einer Ausführungsform gibt der Kontroller einen Alarm aus, wenn das berechnete Maß der Zielsubstanz einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Nach Beendigung der Sensortätigkeit kann der SPR-Gitter-Sensor 50 entsorgt oder gewaschen und wiederverwendet werden.
2 zeigt ein Querschnittsprofil eines herkömmlichen SPR-Sensors 95 mit einer Oberfläche 105, in der Sinusnuten ausgebildet sind. Die Periode des Nutenprofils der Oberfläche 105 kann von weniger als 0,4 μm bis über 2,0 μm reichen. Eine dünne Metallschicht 110 ist außen auf der Fläche 105 eines Substrats 100 ausgebildet und weist ein geeignetes Metall, wie z. B. Aluminium, Gold oder Silber, auf. Bei einer Ausführungsform weist die Schicht 110 Silber mit einer Dicke von ungefähr 100 nm auf. Eine Sensibilisierschicht 130 ist au ßen auf der Fläche 110 ausgebildet. Die Sensibilisierschicht 130 ist zum Interagieren mit einer in eine Probe 150 enthaltenen vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz 140 vorgesehen. Bei einer Ausführungsform weist die Sensibilisierschicht 130 eine Schicht von Antigenen auf, die in der Lage sind, komplementäre Antikörper einzufangen. In letzter Zeit sind mehrere Techniken zum Anlagernlassen von Antigenen als rezeptives Material an der Schicht 110 entwickelt worden, wie z. B. Spin Coating mit einem porösen Silica-Sol-Gel oder einer Hydrogel-Matrix. Vorzugsweise ist die Sensibilisierschicht 130 weniger als 100 nm dick.
Die folgende allgemeine Gleichung kann angewendet werden, um Resonanzwinkel herkömmlicher auf Gittern basierender SPR-Sensoren für verschiedene ganze Zahlen m zu bestimmen:
Bei dieser Gleichung ist φ_sp der Azimutwinkel des einfallenden Lichts relativ zu den Nuten der Fläche 105, wobei 0° der orthogonal zu der Nutenrichtung verlaufenden Einfallebene entspricht, n₀ der Brechungsindex der Probe 150, n_m+iK_m der Brechungsindex für die Metallschicht 110, λ die Wellenlänge des Lichtstrahls 25 und p die Periode der Nuten der Fläche 105. Wenn die Einfallebene des Lichts orthogonal zu der Nutenfläche 105 verläuft, d. h. φ_sp gleich 0° ist, kann die allgemeine Gleichung auf folgende Gleichung zum Berechnen eines Resonanzwinkels für jede ganze Zahl m vereinfacht werden:
Ferner tritt, wenn die Oberfläche einem einzelnen Sinusprofil folgt, eine dominante Resonanz für m gleich 1 auf.
Bei der vorliegenden Erfindung wird beobachtet, dass ein SPR-Sensor durch Ausbilden eines genuteten Substrats, bei dem das Nuten-Querschnittsprofll mehrere Sinuskomponenten aufweist, derart konstruiert sein kann, dass er eine Veränderung im Reflexionsvermögen bei mehreren Resonanzwinkeln aufweist. Jede Sinuskomponente des Nutenprofils hat einen entsprechenden Resonanzwinkel. Wenn beispielsweise die genutete Fläche einem einzelnen Sinusprofil mit einer Periode p folgt, wird ein einzelner dominanter Resonanzwinkel für m=1 beobachtet. Wenn jedoch das Flächenprofil eine Sinuskomponente mit einer Periode p aufweist, die von einer anderen Sinuskomponente mit einer Periode p/2 überlagert ist, wird ein zusätzlicher Resonanzwinkel für m=2 beobachtet. Ähnlich werden, wenn die Fläche durch eine Sinuskomponente mit einer Periode p definiert ist, die von einer Sinuskomponente mit einer Periode p/3 überlagert ist, die Resonanzwinkel für m=1 und m=3 beobachtet. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, da sich die Resonanzwinkel in entgegengesetzte Richtungen verschieben, wenn sich der Brechungsindex an der Oberfläche des SPR-Sensors aufgrund eines Kontakts mit einer Zielsubstanz verändert. Durch das Einstellen der Amplitude (Spitze/Spitze-Tiefe) der Sinuskomponenten wird das Maß der Reflexionsanomalie bei jedem Resonanzwinkel gesteuert. Vorzugweise ist der SPR-Sensor derart konstruiert, dass mindestens zwei Resonanzwinkel eine Veränderung des Reflexionsvermögens von mindestens 20 % aufweisen.
3 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform eines SPR-Sensors 195 mit einem erfindungsgemäßen Oberflächenprofil. Der Sensor 195 weist ein Substrat 200 mit einer in einem Nutenprofil ausgebildeten Fläche 205 auf, das durch eine erste Sinuskomponente mit einer Periode p, der eine zweite Sinuskomponente p/3 überlagert ist, gebildet ist. Dadurch zeigt der Sensor 195 eine Veränderung des Reflexionsvermögens bei zwei Resonanzwinkeln. Bei anderen Ausführungsformen braucht die Fläche 205 nicht sinusförmig zu sein, sondern kann ein beliebiges Nutenprofil mit einer ersten Sinus-Harmonischen und einer zweiten Sinus-Harmonischen aufweisen. Bei einer Ausführungsform wird die Amplitude, bei der die Komponenten überlagert sind, bestimmt, um sicherzustellen, dass die Reflexionsanomalie bei jedem Resonanzwinkel ungefähr die gleiche Größe aufweist.
Wie bei herkömmlichen SPR-Sensoren ist eine dünne Metallschicht 210 außen auf der Fläche 205 des Substrats 195 ausgebildet und weist ein beliebiges geeignetes Metall auf, wie z. B. Aluminium, Gold oder Silber. Eine Sensibilisierschicht 230 ist zum Interagieren mit einer vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz 140 in der Probe 150 vorgesehen. Bei einer Ausführungsform weist die Sensibilisierschicht 230 eine Schicht aus Antigenen aus, die in der Lage sind, einen komplementären Antikörper einzufangen. Vorzugsweise ist die Sensibilisierschicht 230 weniger als 100 nm dick.
Eine Art der Ausbildung herkömmlicher SPR-Sensoren besteht zunächst in dem Aufbringen einer Fotoresist-Schicht auf das Substrat. Das Fotoresist wird zwecks Härtens des Resist mit zwei interferierenden Laserstrahlen in geeigneten Winkeln belichtet. Wenn das nicht belichtete Fotoresist weggespült wird, verbleibt das Substrat in einer sinusförmigen Fläche aus gehärtetem Fotoresist. Eine Form für die Massenproduktion von genuteten Substraten aus einer Vielzahl von Kunststoffen kann aus diesem Fotoresist hergestellt werden. Die Laserstrahlen interferieren gemäß der folgenden Gleichung miteinander:
wobei d die Periode ist, λ die Wellenlänge der Laserstrahlen ist und φ₁ und φ₂ die Einfallswinkel der beiden Strahlen sind. Ein SPR-Sensor mit einem erfindungsgemäßen Oberflächenprofil kann durch Interferierenlassen eines dritten Strahls mit dem ersten Strahl bei einem dritten Einfallswinkel ausgebildet werden. Beispielsweise können unter Verwendung einer standardmäßigen Argon-Laserquelle mit einer Wellenlänge von 514,4 nm ein erster und ein zweiter Laserstrahl bei Einfallswinkeln von 60° und 17,1° miteinander interferie ren, um ein Sinusnutenprofil mit einer Periode von 0,9 μm auszubilden. Das Interferierenlassen eines dritten Laserstrahls bei einem Einfallswinkel von – 58,1° mit dem ersten Laserstrahl führt zu einer Harmonischen mit einer Periode von 0,3 μm, wodurch ein Nutenprofil mit einer ersten Sinuskomponente mit einer Periode p, die von einer zweiten Sinuskomponente p/3 überlagert wird, produziert wird. Die Amplitude jeder Sinuskomponente des Nutenprofils ist eine Funktion der Stärke jedes das Fotoresist belichtenden Laserstrahls. Daher kann ein SPR-Sensor, der bei jedem Resonanzwinkel im wesentlichen gleiche Resonanzanomalien aufweist, leicht hergestellt werden.
4 zeigt eine genauere Darstellung einer Ausführungsform eines Beugungsanomalie-Sensors 395 mit einer Oberfläche 405, die erfindungsgemäß von einer ersten Sinuskomponente, die von einer zweiten Sinuskomponente überlagert ist, gebildet ist. Eine dünne Metallschicht 410 ist außen auf der Oberfläche 405 eines Substrats 400 ausgebildet und weist ein beliebiges geeignetes Metall auf, wie z. B. Aluminium, Gold oder Silber. Eine dielektrische Schicht 420 ist außen auf der Metallschicht 410 ausgebildet und schützt die Metallschicht 410 gegen Oxidieren und allgemeinen Zerfall. Dabei kann die Metallschicht 410 ein beliebiges geeignetes Metall aufweisen und zum Optimieren der Empfindlichkeit vorgesehen sein. Vorzugsweise passt sich die dielektrische Schicht 420 dem Nutenprofil an, wie in 4 gezeigt. Die Dicke und die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht 420 beeinflussen direkt die Beugungsanomalie des Sensors 395. Die dielektrische Schicht 420 weist ein beliebiges geeignetes dielektrisches Material auf, wie z. B. Siliziumnitrid, SiN, und ist vorzugsweise mindestens 50 nm dick. Alternativ kann die dielektrische Schicht 420 eine Dicke von mindestens 100 nm oder besser noch mindestens 130 nm aufweisen.
Bei einer Ausführungsform ist die Sensibilisierschicht 430 außen auf der dielektrischen Schicht 420 ausgebildet. Da die dielektrische Schicht 420 zwischen der Sensibilisierschicht 430 und der Metallschicht 410 angeordnet ist, verhindert die dielektrische Schicht 420 eine chemische Reaktion zwischen der Metallschicht 410 und der Sensibilisierschicht 430. Die Sensibilisierschicht 430 ist zum Interagieren mit einer vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz 140 in der Probe 150 vorgesehen. Dabei kann die Sensibilisierschicht 430 eine Schicht von Antigenen aufweisen, die in der Lage sind, einen komplementären Antikörper einzufangen. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 420 zum direkten Interagieren mit der Substanz 140 vorgesehen, so dass keine Sensibilisierschicht 430 erforderlich ist.
Anders als bei herkömmlichen SPR-Sensoren zeigt der Beugungsanomalie-Sensor 395 einen Reflexionsabfall bei Licht, das parallel zu den Nuten der Oberfläche 405 polarisiert ist. Wenn der Lichtstrahl 25 (1) in einem der Resonanzwinkel auf den Sensor 395 auftrifft, wird diejenige Komponente des Lichtstrahls 70, die parallel zu den Nuten polarisiert ist, nicht von dem Strahlenteiler 80 empfangen, sie pflanzt sich vielmehr in der dielektrischen Schicht 420 fort. Dabei fungiert die dielektrische Schicht 420 als Wellenleiter, und der Kontroller detektiert die Reflexionsanomalie.
Die folgenden Gleichungen können zum Auswählen der dielektrischen Schicht 420 verwendet werden, so dass ein Beugungsanomalie-Winkel φ_SP bei der Komponente 85 auftritt, die parallel zu den Nuten der Oberfläche 405 polarisiert ist. Unter Anwendung eines iterativen Verfahrens kann ein Wellenvektor für die Beugungsanomalie-Resonanz k_x anhand der folgenden Gleichung berechnet werden:
Bei dieser Gleichung ist ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Mediums über dem Substrat, wie z. B. Luft oder Wasser etc., ε₁ ist die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht, und ε₂ ist die Dielektrizitätskonstante des Metall films. Ferner ist k₀ ein Wellenvektor des einfallenden Lichts im Vakuum und ist gleich 2π/λ. Schließlich ist d die Dicke der dielektrischen Schicht.
Wenn der Wellenvektor für die Beugungsanomalie-Resonanz festgestellt worden ist, kann die folgende Gleichung zum Auflösen des Beugungsanomalie-Winkels θ_SP angewendet werden:
Bei dieser Gleichung ist φ_sp der Azimutwinkel des einfallenden Lichtstrahls 25 relativ zu den Nuten der Oberfläche 405, wobei 0° der orthogonal zu der Nutenrichtung verlaufenden Einfallebene entspricht, n₀ ist der Brechungsindex der Probe, λ ist die Wellenlänge des Lichtstrahls 25, p ist die Periode der Nuten der Oberfläche 405, und m ist eine ganze Zahl. Somit kann eine dielektrische Schicht mit einer geeigneten Dielektrizitätskonstante leicht derart ausgewählt werden, dass die Komponente 85, die parallel zu den Nuten in der Oberfläche 405 des Sensors 395 polarisiert ist, unterdrückt wird.
5 zeigt eine Ausführungsform eines Beugungsanomalie-Sensors, der derart sensibilisiert ist, dass er mit mehreren Substanzen interagiert. Ein Sensor 445 weist ein Substrat 450 mit einem Nutenprofil auf, das von einer ersten Sinuskomponente mit einer Periode p, die von einer zweiten Sinuskomponente p/3 überlagert ist, gebildet ist. Dabei zeigt der Sensor 445 bei exakt zwei Resonanzwinkeln eine Veränderung des Reflexionsvermögens. Eine dünne Metallschicht 455 ist außen auf dem Substrat 450 ausgebildet und ist im wesentlichen der in 4 gezeigten dünnen Metallschicht 410 gleich. Mehrere dielektrische Schichten 470₁ bis 470_N sind entlang einer Metallschicht 210 einander im wesentlichen nicht überlappend ausgebildet, wie in 5 gezeigt. Die dielektrischen Schichten 470 schützen eine Metallschicht 455 gegen Oxidation und Zerfall. Jede dielektrische Schicht 470 ist zum Interagieren mit unterschiedlichen chemischen, biochemischen oder biologischen Substanzen 140 in der Probe vorgesehen. Bei dieser Konfiguration ist der Sensor 445 derart sensibilisiert, dass er mit einer Vielzahl von Substanzen interagiert. Ein Vorteil dieser Konfiguration liegt darin, dass ein Bedienungsmann ein Sensorsystem nicht neu zu konfigurieren braucht, um unterschiedliche Substanzen zu untersuchen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine einzelne Probe auf mehrere Substanzen hin untersucht werden kann, und zwar einfach durch Interagierenlassen des Sensors 445 mit der Probe, selektives Belichten der dielektrischen Schichten 470 mit einem einfallenden Lichtstrahl und Detektieren einer Veränderung der winkelmäßigen Trennung der entsprechenden Beugungsanomalie-Winkel. Bei einer Ausführungsform haben die dielektrischen Schichten 470 im wesentlichen die gleiche Dicke von mindestens 120 nm. Bei einer weiteren Ausführungsform variiert die Dicke der dielektrischen Schichten 470 zwecks Optimierung der Empfindlichkeit des Sensors 445 gegenüber der entsprechenden Substanz 140.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensorsystems 510, das in der Lage ist, mehrere Zielsubstanzen mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Sensor zu detektieren. Das Sensorsystem 510 weist eine Lichtquelle 520, eine Sensorscheibe 550, einen Polarisierungs-Strahlenteiler 580, einen Detektor 560 und einen Detektor 565 auf. Die Lichtquelle 520, wie z. B. ein Laser, erzeugt einen Lichtstrahl 525, der auf eine sich drehende Sensorscheibe 550 auftrifft. Die Sensorscheibe 550 reflektiert den Lichtstrahl 525 als Lichtstrahl 570 zu dem Polarisierungs-Strahlenteiler 580. Der Polarisierungs-Strahlenteiler 580 teilt den Lichtstrahl 570 in Komponenten 585 und 590, die auf die Detektoren 560 bzw. 565 auftreffen.
Bei einer Ausführungsform ist die Sensorscheibe 550 ein Oberflächenplasmonresonanz- (SPR-) Sensor mit einem metallisierten Beugungsgitter. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Sensorscheibe 550 ein Beugungsanomalie-Sensor mit einem mit einer dielektrischen Schicht beschichteten Metallgitter. Die Sensorscheibe 550 ist mit einer Welle 555 derart gekoppelt, dass durch den Betrieb eines Motors 560 bewirkt wird, dass sich die Sensorscheibe 550 derart in einer im wesentlichen orthogonal zu der Welle 555 verlaufenden Ebene kreisförmig bewegt, dass jede der mehreren sensibilisierten Regionen sequentiell in den Lichtstrahl 525 gedreht wird. Bei einer Ausführungsform ist ein (nicht gezeigter) Kontroller zum Berechnen eines Maßes einer entsprechenden Zielsubstanz für jede Sensorregion als Funktion einer detektierten Veränderung des von jeder sensibilisieren Region reflektierten Lichts 570 mit den Detektoren 560 und 565 gekoppelt. Auf diese Weise ist das Sensorsystem 510 in der Lage, auf einfache Weise das Vorhandensein einer Vielzahl von Substanzen zu detektieren und zu messen, ohne dass dafür mehrere Sensoren erforderlich sind. Der Kontroller kann eine beliebige geeignete programmierbare Logik oder einen beliebigen geeigneten eingebetteten Mikroprozessor zum Überwachen der Detektoren 560 und 565 aufweisen. Ferner kann, wenn eine komplexe Analyse erforderlich ist, der Kontroller ein neuronales Netz oder eine andere Einrichtung zu Analysezwecken verwenden.
Zum Untersuchen einer Probe wird die Sensorscheibe 550 typischerweise mit der Probe bestrichen und dreht der Motor 560 die Sensorscheibe 550. Der Kontroller überwacht die Detektoren 565 und 560 zum Bestimmen des Vorhandenseins einer Zielsubstanz in der Probe. Bei einer weiteren Konfiguration ist der Motor 560 jedoch kontinuierlich in Betrieb und überwacht der Kontroller den Detektor 525 um festzustellen, ob eine Zielsubstanz in einer Umgebung vorhanden ist. Bei beiden Konfigurationen ist das Sensorsystem 510 einfach und kostengünstig herstellbar.
7 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Sensorscheibe 600 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Sensorsystem. Ein Beugungsgitter ist auf einer Oberfläche einer Sensorscheibe 600 derart ausgebildet, dass Nuten 610 radial von der Mitte der Radialgitter-Sensorscheibe 600 aus verlaufen. Die Nuten 610 folgen einem Profil mit mehreren Sinus-Harmonischen derart, dass die Sensorscheibe 600 bei mehreren Resonanzwinkeln eine Veränderung des Reflexionsvermögens aufweist. Unterschiedliche Arten von Aufnahmematerialien sind zum Bilden einer oder mehrerer (nicht gezeigter) sensibilisierter Regionen auf dem Beugungsgitter ausgebildet. Die Periode der Nuten 610 steigert sich linear von der Mitte zum Außenrand 620, wie anhand des Linearabstands zwischen benachbarten Nuten gemessen. Daher bleibt die Periode der Nuten 610 bei einem festen Radius um die Radialgitter-Sensorscheibe 600 konstant. 8 zeigt eine Sensorscheibe 650 mit Nuten 660, die radial verlaufen, jedoch eine Periode aufweisen, die um den Umfang der Sensorscheibe 650 variiert. Bei diesen Konfigurationen ist eine Sensorscheibe, die in der Lage ist, mehrere Zielsubstanzen zu detektieren, kostengünstig herstellbar.
Die Sensorscheiben 600 (7) und 650 (8) können als SPR-Sensor oder als Beugungsanomalie-Sensor konfiguriert sein. Als SPR-Sensoren zeigen die Sensorscheiben 600 und 650 eine Veränderung des Reflexionsvermögens, wenn sie mit Licht belichtet werden, das orthogonal zu den Nuten 610 polarisiert ist. Als Beugungsanomalie-Sensoren zeigen die Sensorscheiben 600 und 650 eine Veränderung des Reflexionsvermögens, wenn sie mit Licht belichtet werden, das parallel zu den Nuten 610 polarisiert ist. Da die Nuten 610 und 670 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, zeigt der Lichtstrahl 570 (6) mehrere Reflexionsanomalien, wenn die Periode der Nuten der Sensorscheibe 550 resonanzgeeignet ist. Die neuen "Anomalie-Positionen" für die Sensorscheibe 600 sind leicht durch Translatieren der Strahlungsquelle 520 und somit des Lichtstrahls 525 radial über die Sensorscheibe 600 bestimmbar. Da die Periode der Nuten 670 der Sensorscheibe 650 um den Umfang der Sensorscheibe 650 herum variiert, verschieben sich jedoch auch die Anomalie-Positionen um den Umfang und braucht die Strahlenquelle 520 nicht translatiert zu werden. Der Kontroller berechnet ein Maß der Zielsubstanzen anhand relativer Veränderungen der jeweiligen Anomalie-Positionen für jede sensibilisierte Region der Sensorscheiben 600 und 650. Alternativ überwacht der Kontroller relative Veränderungen der Anomalie-Positionen für jede sensibilisierte Region und gibt einen Alarm aus, wenn das berechnete Maß der entsprechenden Zielsubstanz einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
9 zeigt eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer Sensorscheibe 700 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Sensorsystem. Ähnlich wie die oben beschriebenen Sensorscheiben 600 (7) und 650 ( 8) kann die Konstantgitter-Sensorscheibe 700 als SPR-Sensor oder Beugungsanomalie-Sensor konfiguriert sein. Anders als die Sensorscheiben 600 und 650 weist die Konstantgitter-Sensorscheibe 700 ein Beugungsgitter mit Nuten auf, die eine (nicht gezeigte) konstante Periode haben. Bei einer Ausführungsform sind die Nuten der Sensorscheibe 700 als kontinuierliche Spirale ausgebildet, die in der Mitte der Sensorscheibe 700 beginnt und spiralförmig nach außen bis zum Außenrand 730 verläuft. Bei einer weiteren Ausführungsform umfassen die Nuten der Sensorscheibe 700 mehrere konzentrische Nuten. Eine dielektrische Schicht ist auf dem Gitter der Sensorscheibe 700 mit einer Dicke ausgebildet, die gegen den Uhrzeigersinn kontinuierlich derart ansteigt, dass eine Sensorregion 710 eine minimale Dicke und eine Sensorregion 720 eine maximale Dicke aufweist. Bei der Konfiguration als Beugungsanomalie-Sensor weist die dielektrische Schicht vorzugsweise eine Mindestdicke von mindestens 50 nm oder besser noch mindestens 130 nm auf. Bei der Konfiguration als SPR-Sensor muss die dielektrische Schicht weniger als 50 nm dick sein, um die Oberflächenplasmonresonanz nicht zu unterdrücken.
Wenn die Konstantgitter-Sensorscheibe 700 mit einer Probe bestrichen ist, verschieben sich die Anomalie-Positionen um den Umfang der Konstantgitter-Sensorscheibe 700. Daher sind die minimale Dicke und die maximale Dicke des Dielektrikums um den Umfang herum derart ausgewählt, dass Veränderungen des Reflexionsvermögens leicht detektierbar sind, jedoch innerhalb des Umfangs der Konstantgitter-Sensorscheibe 700 auftreten. Anders ausgedrückt hat die Dicke der dielektrischen Schicht einen Gradienten, der sicherstellt, dass die Verschiebung der Anomalie-Positionen leicht detektierbar ist, jedoch nicht so groß ist, dass eine Verschiebung in einen Bereich außerhalb der Dicke des Dielektrikums auftritt.
Es sind mehrere Ausführungsformen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur optischen Untersuchung beschrieben worden. Bei einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung ein optischer Sensor mit einer genuteten Oberfläche, die von einer ersten Sinuskomponente, welche von einer zweiten Sinuskomponente überlagert ist, derart gebildet ist, dass eine Reflexionsanomalie bei einem ersten Resonanzwinkel und einem zweiten Resonanzwinkel auftritt. Wie oben beschrieben, kann ein Sensor mit mehreren Resonanzwinkeln durch Ausbilden der Oberfläche des Sensors derart, dass sie einer Wellenform mit mehreren Sinuskomponenten folgt, hergestellt werden. Durch Einstellen der Amplitude der Sinuskomponenten wird die Größe der Reflexionsanomalie bei jedem Resonanzwinkel gesteuert. Bei einer Ausführungsform ist der ausgebildete Sensor ein Oberflächenplasmonresonanz- (SPR-) Sensor mit einem metallisierten Beugungsgitter, das derart sensibilisiert ist, dass es mit einer Zielsubstanz interagiert. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der ausgebildete Sensor ein Beugungsanomalie-Sensor mit einem mit einer dielektrischen Schicht beschichteten Metallgitter. Bei einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung ein Sensorsystem mit einer Sensorscheibe mit einem Nutenprofil zum Aufweisen von Mehrfach-Anomalien.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine verbesserte Messung einer oder mehrerer Zielsubstanzen in der Probe durch Überwachen von Veränderungen des Winkelabstands zwischen Resonanzwinkeln. Durch dieses Merkmal werden im Vergleich zu herkömmlichen Beugungsgitter-Sensoren die Empfindlichkeit erhöht und die Anfälligkeit des Systems gegen Systemdrifts aufgrund von mechanischer Bewegung und Temperaturveränderungen reduziert.

Claims

Sensor zum Untersuchen einer Substanz in einer Probe, mit: – einer Sensibilisierschicht (230; 430) zum Interagieren mit einer Substanz in einer Probe; – einem Substrat (200; 400; 450) mit einer genuteten Fläche (205; 405); – einer Metallschicht (210; 410; 455), die außen auf der Fläche (205; 405) des Substrats (200; 400; 450) zwischen dem Substrat (200; 400; 450) und der Sensibilisierschicht (230; 430) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass – ein Querschnittsprofll der Fläche (205; 405) mindestens eine erste Sinuskomponente und eine zweite Sinuskomponente aufweist, derart, dass von dem Sensor reflektiertes Licht eine Anomalie zumindest bei einem ersten Resonanzwinkel und einem zweiten Resonanzwinkel aufweist, wobei sich ein Winkelabstand zwischen dem erstem Resonanzwinkel und dem zweiten Resonanzwinkel als Funktion eines Maßes der Substanz in der Probe verändert.
Sensor nach Anspruch 1, ferner mit einer dielektrischen Schicht (420; 470), die außen auf der Metallschicht (210; 410; 455) ausgebildet ist, wobei die dielektrische Schicht (420; 470) zum Unterdrücken der Refle xion von einfallendem Licht, das parallel zu den Nuten der Fläche (205; 405) polarisiert ist, vorgesehen ist.
Sensor nach Anspruch 2, bei dem die Sensibilisierschicht (230; 430) außen auf der dielektrischen Schicht (420; 470) ausgebildet ist.
Sensor nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die dielektrische Schicht (420; 470) eine Dicke von mindestens 130 nm aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die dielektrische Schicht (420; 470) mehrere einander im wesentlichen nicht überlappende dielektrische Regionen entlang der Metallschicht (210; 410; 455) aufweist und jede dielektrische Region mit mindestens einer der mehreren Substanzen in der Probe interagiert.
Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Sensor eine Scheibe (600; 650; 700) ist und die dielektrische Schicht (420; 470) um den Umfang der Sensorscheibe (600; 650; 700) in der Dicke variiert.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sensibilisierschicht (230; 430) außen auf der Metallschicht (210; 410; 455) ausgebildet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite Sinuskomponente einander derart überlagern, dass die Größe des Lichts, das in einem ersten Resonanzwinkel reflektiert wird, ungefähr gleich der Größe des in einem zweiten Resonanzwinkel reflektierten Lichts ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Sinuskomponente eine erste Harmonische des Profils ist und die zweite Sinuskomponente eine dritte Harmonische des Profils ist.
Sensorsystem mit: – einem Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche; – einer Lichtquelle (20; 520) zum Belichten des Sensors mit einem Lichtstrahl; – einem Detektor (60; 560), der von dem Sensor reflektiertes Licht empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das für die Stärke des reflektierten Lichts repräsentativ ist; und – einem mit dem Detektor (60; 560) gekoppelten Kontroller zum Empfangen des Ausgangssignals und Berechnen eines Maßes der Substanz in der Probe als Funktion der Veränderung des Winkelabstands zwischen dem ersten und dem zweiten Resonanzwinkel.
Verfahren zum Untersuchen einer Substanz in einer Probe, mit folgenden Schritten: – Erproben eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9; – Belichten des Sensors mit einem Lichtstrahl über einen Bereich von Einfallswinkeln; – Interagierenlassen des Sensors mit der Probe; und – Bestimmen eines Maßes der Substanz in der Probe als Funktion einer Veränderung des Winkelabstands zwischen dem ersten und dem zweiten Resonanzwinkel.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Belichtungsschritt das Polarisieren des Lichtstrahls parallel zu den Nuten in dem Metall-Beugungsgitter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der Bestimmungsschritt umfasst: – Teilen eines von dem Sensor reflektierten Lichtstrahls in einen ersten Lichtstrahl, der parallel zu den Nuten in dem Metall-Beugungsgitter polarisiert ist, und einen zweiten Lichtstrahl, der orthogonal zu den Nuten in dem Metall-Beugungsgitter polarisiert ist, wobei der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl jeweils eine entsprechende Stärke aufweisen; und – Überwachen eines Verhältnisses der Stärken des ersten Lichtstrahls und des zweiten Lichtstrahls.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Sensor eine dielektrische Schicht (420; 470) aufweist, die außen auf der Metallschicht ausgebildet ist, und ferner der Belichtungsschritt den Schritt des Belichtens des Sensors mit einem Lichtstrahl umfasst, der eine parallel zu den Nuten des Gitters verlaufende Komponente aufweist.