EP1212582A1 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen von abständen und ein zugehöriges nanodosiersystem - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum bestimmen von abständen und ein zugehöriges nanodosiersystem

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Publication number
EP1212582A1
EP1212582A1 EP99941606A EP99941606A EP1212582A1 EP 1212582 A1 EP1212582 A1 EP 1212582A1 EP 99941606 A EP99941606 A EP 99941606A EP 99941606 A EP99941606 A EP 99941606A EP 1212582 A1 EP1212582 A1 EP 1212582A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer
refractive index
transducer surface
nanodosing
volume
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99941606A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning Groll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jandratek GmbH
Original Assignee
Jandratek GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jandratek GmbH filed Critical Jandratek GmbH
Publication of EP1212582A1 publication Critical patent/EP1212582A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for determining distances, the device being usable in particular as a proximity sensor.
  • the invention further relates to a nanodosing system which has a device for determining distances in the nanometer range or uses a corresponding method.
  • the present invention relates in particular to the field of biosensors with optical transducers.
  • Optical biosensors are generally based on the fact that particles such as molecules, bacteria, viruses and the like are bound to an optical measuring surface.
  • the binding takes place via a ligand-receptor interaction, the optical layer thickness, in particular the refractive index of a thin film on the measuring surface, being changed.
  • This change is detected using an optical method, the optical signal corresponding to the number of analyte particles bound to the surface. In this way it is possible to change the association speed and the To show dissociation speed, the strength of the bond and the concentration of the binding partner.
  • a first method relates to a cuvette system in which a chamber or a pot is used in which a side wall or the bottom forms the sensor surface.
  • a second method relates to a flow system in which the liquid is pumped past the measurement surface via flow channels.
  • a flow injection analysis method is frequently used here, and the liquid is frequently passed over the measurement surface in a liquid loop.
  • a surface binding reaction is used as a sensory response.
  • the extent of the bond in the vicinity of the surface depends on the concentration of the binding molecules that are available for binding within the binding range of the functional groups that are immobilized on the sensor system. If molecules or larger particles from the liquid have already bound to the surface due to previous binding events, depletion or a concentration gradient occurs locally in the immediate vicinity of the surface (up to 1-10 ⁇ m), which falsifies the further measurement.
  • kinetic phenomena are to be measured, it is not the reaction rates but the diffusion or the mass transport limited binding kinetics (“mass transport limited diffusion”) that are measured.
  • the kinetic constant and affinity measured by the sensor will not reflect the actual conditions at which binding occurs between molecules that are well mixed in a liquid.
  • conventional mixing such as stirring or a micro flow system, there is usually a laminar liquid flow in the vicinity of the measuring surface and due to Newton friction there is insufficient mixing instead to avoid impoverishment.
  • the measurement is limited to mass transport kinetics.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method with which distances between an object and the measurement surface can be determined and to provide a nanodosing system system in which the formation of depletion zones is avoided.
  • the invention is based on the basic idea of using a sensor unit in the case of surface-bound analysis systems to determine a measured variable in the area of the test field which corresponds to the average refractive index.
  • This average refractive index results on the one hand from the refractive index of the medium which is adjacent to the transducer surface and on the other hand from an object arranged in the vicinity of the transducer surface which consists of a material whose refractive index is different from the refractive index of the medium.
  • An evaluation device which is connected to the sensor unit, detects a change in the measurement variable corresponding to the average refractive index, which is caused by the object approaching the transducer surface.
  • the invention is applicable to all optical measuring principles in which a change in refractive index occurs adjacent to a transducer surface when an object is arranged adjacent to the transducer surface.
  • the measured variable obtained can be used to determine the numerical value of the average refractive index, for example by calibrating the measured variable.
  • the present invention relates on the one hand to an apparatus and a method for determining distances of an object from a transducer surface in the nano range.
  • the determination of distances in the range of about 0 to 500 nm is possible.
  • this distance is correspondingly larger.
  • Evanescent optical fields are preferably used to measure average calculation indices in the space above a measurement surface in which the evanescent field is sufficiently sensitive to changes in the refractive index. Methods such as surface plasmon resonance (SPR), the measuring principle of attenuated total reflection (attenuated total reflectance, ATR) and interference contrast are preferred.
  • SPR surface plasmon resonance
  • ATR attenuated total reflectance
  • the present invention furthermore relates to the use of the device or the method for determining the distance when forming very small volumes in systems in which evanescent fields or other detection principles, such as, in particular, reflection interference, are used for surface-bound analysis of samples.
  • the volume is controlled in one dimension perpendicular to the sensor surface by using the principle according to the invention for distance measurement and can thus be adjusted.
  • the smallest distances or optimal distances in the nano range can be set.
  • Nanodosing systems can be implemented with the invention.
  • a central advantage of the nanodosing system according to the invention is that it consists of moving parts that can be easily removed from one another, in particular for the purpose of cleaning, and then subsequently moved back into the desired position.
  • a nano-dosing volume is formed in which an object: which is preferably plate-shaped, or an object with a surface which faces the sensor surface, and with a view to optimal analyte transport to the sensor surface or to the measuring point was molded on the surface of the sensor to optimize the flow characteristics near the Transducer surface is arranged such that a volume is created through which the liquid to be examined is passed.
  • the smallest distances and thus low volume heights can be set in the nanometer range.
  • This nanodosing volume is preferably delimited by side walls, so that an inlet and an outlet are provided for the liquid to be examined.
  • the nanodosing system is implemented by a metering device, preferably in the form of a pipette tip, the metering device being able to be arranged close to the transducer surface.
  • a metering device preferably in the form of a pipette tip
  • the metering device being able to be arranged close to the transducer surface.
  • the drive device for moving the parts preferably has systems with which movements with a sufficiently high resolution are possible.
  • stepper motors using microsteps and / or piezotranslators are used.
  • a combination of a stepper motor for a fine drive and a piezo translator for a fine drive can be used.
  • depletion zones result from the fact that the molecules to be analyzed are bound from the sample to the sensor surface, so that they are removed from a layer of the sample close to the surface and transport of further molecules from more distant areas of the sample by diffusion does not take place so quickly how the bond to the surface.
  • This problem occurs with "stationary" sample delivery systems such as cuvettes but also with microflow systems if the dimension of the microflow chamber right to the surface is in the micrometer range and the flows are aligned parallel to the surface.
  • it can it be overcome by metering the sample with a velocity vector perpendicular to the surface when the metering opening is in the micrometer range above the surface. Only the use of the nanodosing volume according to the invention or the dosing from a dosing system, the dosing opening of which is less than 1 ⁇ m from the surface, overcomes the depletion problem.
  • the device according to the invention for determining distances and the associated method can be used in a further preferred embodiment of the invention when mixing a liquid with the aid of mixing bodies.
  • These mixing bodies can be moved above the transducer surface by applying an external field, in particular a magnetic field.
  • the movements of the mixing bodies, in particular the distance of the mixing bodies from the transducer surface, can be determined with the aid of the detector system according to the invention.
  • Mixing beads are preferably used as the mixing body.
  • a mesh (or membrane) is used as the mixing body.
  • Fig. 2 is a schematic view of part of a first preferred embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic view of part of a second preferred embodiment of the invention.
  • 1 shows the basic structure of a biosensor with an optical transducer, which is designed as a surface plasmon resonance sensor in the present example.
  • the measuring arrangement has an optical transducer 10, which in the example shown is designed as a prism with a transducer surface 12.
  • Light is introduced into the prism from a light source 14 and surface plasmon resonance is excited in the region of the transducer surface, the reflected light being received by a detector arrangement 16.
  • the output signal of the detector device is sent to an evaluation device 40.
  • a cuvette arrangement 20 with at least one cuvette for holding a liquid to be examined is arranged on the transducer surface.
  • the bottom 22 of the cuvette is formed by part of the transducer surface 12. 1 also shows an object 32 arranged at a distance from the transducer surface.
  • the object 32 is arranged on a holder 34 which is connected to a drive device 36. With the help of the drive device, the object 32 can be adjusted in height and can be moved up to the transducer surface with high precision.
  • the refractive index of a medium which is adjacent to the transducer surface is determined with the aid of the sensor unit, which is formed from the light source 14, the optical transducer 10 and the detector arrangement 16.
  • An average refractive index is determined within the range of the evanescent field, which extends from the transducer surface into the space inside the cuvette.
  • the device shown in FIG. 1 can be used as a proximity sensor, whereby an object approaches Transducer surface causes a signal change that is detected by the evaluation device.
  • calibrating the measuring device ie correspondingly evaluating a measuring signal depending on the position of the object with respect to the transducer surface, distances can be determined with the device.
  • a precise high-resolution drive device 36 for example a stepper motor with micro steps, the holder 34 with the object 32 arranged thereon can be arranged with high precision relative to the transducer surface 12.
  • the first preferred embodiment of FIG. 2 shows the schematic structure of a nanodosing volume 50.
  • the nanodosing volume 50 is formed in the space between the transducer surface 12 or the cuvette bottom 22 and the object 32.
  • a plate-shaped object 32 is shown, the underside of which is arranged essentially parallel to the transducer surface 12.
  • the plate-shaped object is selectively adjusted in height with the aid of three drives and three holders which hold the plate at spaced apart locations.
  • the respective distances between reference points on the underside of the object and the transducer surface 12 are determined at preferably three measuring spots. This has the advantage that the underside of the plate can be aligned, for example, parallel to the transducer surface.
  • the nanodosing volume 50 has an inlet 52 and an outlet 54.
  • the nanodosing volume is also delimited by two side walls 56, only the rear side wall 56 being shown in FIG. 2.
  • the nanodosing volume 50 can be formed with a height in the range from 0 to approximately 500 nm.
  • the object is a pipette tip 62 which, like the object 32, is height-adjustable with a drive device 36.
  • a space 60 is formed between the end of the pipette tip and the transducer surface, in which liquid with sample material can be introduced via a metering device, sample material being applied directly to the detector surface with the aid of the metering device.
  • This arrangement forms a special case of a nanodosing system.
  • the position of mixing bodies in a cuvette can be determined with the aid of the device according to the invention for determining distances.
  • mixing bodies such as mixing balls or nets, these are introduced into the cuvette and their position is detected by determining the average refractive index.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung als Näherungssensor mit einer Sensoreinheit, die einen optischen Transducer aufweist, einem Objekt, das an die Transduceroberfläche angenähert werden kann, wobei mit einer Auswerteeinrichtung der mittlere Brechungsindex bestimmt wird. Durch Detektieren einer Änderung des Brechungsindexes kann der Abstand eines Objekts von der Transduceroberfläche bestimmt werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen von Abständen und ein zugehöriges Nanodosiersyste
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Abständen, wobei die Vorrichtung insbesondere als Näherungssensor verwendbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Nanodosiersystem, das eine Vorrichtung zum Bestimmen von Abständen im Nanometerbereich aufweist, bzw. ein entsprechendes Verfahren einsetzt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet von Biosensoren mit optischen Transducern.
In dem Artikel Chemo- und Biosensoren mit optischen Transducern, Günter Gauglitz, TM, Technisches Messen, 62 (1995) Seiten 204 bis 212 werden optische Sensoren zur Untersuchung von chemischen oder biologischen Proben beschrieben. Es werden optische Meßprinzipien, wie Absorption, Fluoreszenz und Reflexion erläutert. Insbesondere werden optische Sensorprinzipien vorgestellt, die auf Evaneszent-Feldtechniken beruhen, wie Oberflächen-Plasmonen-Resonanz (surface plasmon resonance, SPR) oder bei denen eine abgeschwächte Totalreflexion (attenuated total reflectance, ATR) oder Interferenzkontrast auftrit . Weiterhin werden Reflexionsinterferenz -Verfahren vorgestellt. Zudem werden Beispiele optischer, chemischer und biochemischer Sensoren der jeweils verwendeten Methode und für entsprechende Anwendungen beschrieben.
Optische Biosensoren beruhen in der Regel darauf, daß an eine optische Meßoberfläche Partikel wie Moleküle, Bakterien, Viren und ähnliches gebunden werden. Die Bindung erfolgt in der Regel über eine Ligand-Rezeptor-Wechselwirkung, wobei die optische Schichtdicke insbesondere der Brechungsindex eines dünnen Filmes auf der Meßoberfläche verändert wird. Diese Veränderung wird über ein optisches Verfahren nachgewiesen, wobei das optische Signal der Anzahl von an der Oberfläche gebundenen Analyt-Partikeln entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, die Assoziationsgeschwindigkeit und die Dissoziationsgeschwindigkeit, die Bindungsstärke und die Konzentration der bindenden Partner zu zeigen.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, eine Flüssigkeit in einem optischen Biosensor an der optischen Meßoberfläche anzukoppeln. Ein erstes Verfahren betrifft ein Küvettensystem, in dem eine Kammer oder ein Topf verwendet wird, bei dem eine Seitenwand oder der Boden die Sensoroberfläche bildet. Ein zweites Verfahren betrifft ein Flußsystem, bei dem über Flußkanäle die Flüssigkeit an der Meßoberfläche vorbeigepumpt wird. Dabei wird häufig ein flow injection-analysis-Verfahren verwendet, und die Flüssigkeit wird häufig in einer Flüssigkeitsschleife über die Meßoberfläche geführt.
Wie vorstehend beschrieben, wird eine Oberflächen-Bindungsreaktion als sensorische Reaktion verwendet. Dabei ist das Ausmaß der Bindung in der Nähe der Oberfläche abhängig von der Konzentration der bindenden Moleküle, die für eine Bindung innerhalb der Bindungsreichweite der funktioneilen Gruppen, die auf dem Sensorsystem immobilisiert sind, zur Verfügung stehen. Haben sich aufgrund vorangegangener Bindungsereignisse Moleküle oder größere Partikel aus der Flüssigkeit bereits an die Oberfläche gebunden, tritt lokal in unmittelbarer Nähe der Oberfläche (bis 1-10 μm) eine Verarmung (depletion) oder ein Konzentrationsgefälle auf, weiches die weitere Messung verfälscht . Insbesondere wenn kinetische Phänomene gemessen werden sollen, werden nicht die Reaktionsgeschwindigkeiten, sondern die Diffusion oder die Massentransport limitierte Bindungskinetik ("Massentransport limitierte Diffusion") gemessen. Folglich werden die vom Sensor gemessene kinetische Konstante und Affinität nicht die tatsächlichen Verhältnisse wiedergeben, bei denen die Bindung zwischen Molekülen, die in einer Flüssigkeit gut vermischt sind, stattfindet. Beim üblichen Mischen wie z.B. Rühren oder Mikrodurchflußsystem, liegt in der Nähe der Meßoberfläche in der Regel ein laminarer Flüssigkeitsstrom vor und aufgrund von Newton-Reibung findet keine ausreichende Durchmischung statt, um eine Verarmung zu vermeiden. Die Messung ist auf Massentransportkinetik beschränkt .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Abstände zwischen einem Objekt und der Meßoberfläche bestimmbar sind und ein Nanodosiersystemsystem bereitzustellen, bei dem die Bildung von Verarmungszonen vermieden wird.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Patentansprüche .
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, mit einer Sensoreinheit bei oberflächengebundenen Analysesystemen im Bereich des testenden Feldes eine Meßgröße zu bestimmen, die dem mittleren Brechnungsindex entspricht. Dieser mittlere Brechungsindex ergibt sich zum einen durch den Brechungsindex des Mediums, das der Transduceroberflache benachbart ist und zum anderen durch ein in der Nähe der Transduceroberflache angeordnetes Objekt, das aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex von dem Brechungsindex des Mediums verschieden ist. Mit einer Auswerteeinrichtung, die mit der Sensoreinheit verbunden ist, wird eine Änderung der dem mittleren Brechnungsindex entsprechenden Meßgröße detektiert, die durch Annähern des Objekts an die Transduceroberflache hervorgerufen wird.
Die Erfindung ist anwendbar für alle optischen Meßprinzipien, bei denen eine Brechungsindexänderung benachbart zu einer Transduceroberflache auftritt, wenn ein Objekt benachbart zur Transduceroberflache angeordnet wird. Dabei kann die gewonnene Meßgröße zur Ermittlung des numerischen Wertes des mittleren Brechungsindexes verwendet werden, beispielsweise durch Kalibration der Meßgröße.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zum einen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Abständen eines Objekts von einer Transduceroberflache im Nanobereich. Bei optischen Meßsensoren, die sichtbares Licht verwenden, ist die Bestimmung von Abständen im Bereich von ca. 0 bis 500 nm möglich. Bei Verwendung von elektromagnetischer Strahlung größerer Wellenlängen ist dieser Abstand entsprechend größer. Vorzugsweise werden evaneszente optische Felder eingesetzt zur Messung von mittleren Berechnungsindices in dem Raum oberhalb einer Meßoberfläche, in dem das evaneszente Feld genügend empfindlich auf Änderungen des Brechungsindex reagiert. Bevorzugt werden Methoden wie Oberflä- chenplasmonenresonanz (surface plasmon resonance, SPR) , das Meßprinzip der abgeschwächten Totalreflexion (attenuated total reflectance, ATR) und Interferenzkontrast.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin die Nutzung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens zur Abstandsbestimmung beim Formen von sehr kleinen Volumina in Systemen, in denen evaneszente Felder oder auch andere Detektionsprinzi- pien, wie insbesondere Reflexionsinterferenz zur oberflächengebundenen Analyse von Proben verwendet werden. Dabei wird das Volumen durch Einsatz des erfindungsgemäßen Prinzips zur Abstandsmessung in einer Dimension senkrecht zur Sensoroberfläche kontrolliert und kann so eingestellt werden. Insbesondere können kleinste Abstände bzw. optimale Abstände im Nanobereich eingestellt werden. Mit der Erfindung sind Nanodosiersysteme realisierbar. Ein zentraler Vorteil des erfindungsgemäßen Nanodosiersystems ist, daß es aus beweglichen Teilen besteht, die insbesondere zum Zwecke der Reinigung ohne Probleme voneinander entfernt werden können, um dann anschließend wieder in die Sollposition bewegt zu werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Nano- dosiervolumen gebildet, in dem ein Objekt:, das vorzugsweise plattenförmig ist, oder ein Objekt mit einer Fläche, die der Sensoroberfläche zugewandt ist, und das im Hinblick auf einen optimalen Analyttransport zu der Sensoroberfläche oder zu dem Meßpunkt auf der Oberfläche des Sensors geformt wurde, um die Flußcharakteristika zu optimieren, in der Nähe der Transduceroberflache derart angeordnet wird, daß ein Volumen entsteht, durch das die zu untersuchende Flüssigkeit geleitet wird. Mit dem erfindungsgemäßen Detektorsystem lassen sich kleinste Abstände und damit geringe Höhen des Volumens im Nanometerbereich einstellen. Vorzugsweise wird dieses Nanodosiervolumen von Seitenwänden begrenzt, so daß ein Einlaß und ein Auslaß für die zu untersuchende Flüssigkeit bereitgestellt wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird das Nanodosiersystem durch eine Dosiereinrichtung vorzugsweise in Form einer Pipettenspitze realisiert, wobei die Dosiereinrichtung nahe an der Transduceroberflache angeordnet werden kann. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Detektorsystems können kleine Abstände zwischen der Pipettenspitze und der Transduceroberfäche eingestellt werden. Mit diesem Nanodosiersystem ist es möglich, Probenmaterial direkt an die Transduceroberflache zu applizieren.
Die Antriebsvorrichtung für das Bewegen der Teile weist vorzugsweise Systeme auf, mit denen Bewegungen mit genügend hoher Auflösung möglich sind. Beispielsweise werden Schrittmotoren unter Verwendung von Microsteps und/oder Piezotransla- toren eingesetzt. Dabei kann beispielsweise eine Kombination aus einem Schrittmotor für einen Feinantrieb und einem Pie- zotranslator für einen Feinstantrieb verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen System wird die Bildung von Verarmungszonen vermieden bzw. erheblich vermindert. Bei den bekannten Verfahren entstehen Verarmungszonen dadurch, daß die zu analysierenden Moleküle aus der Probe an die Sensoroberfläche gebunden werden, damit also aus einer oberflächennahen Schicht der Probe entfernt werden und ein Transport von weiteren Molekülen aus weiter entfernten Bereichen der Probe durch Diffusion nicht so schnell erfolgt, wie die Bindug an die Oberfläche. Dieses Problem tritt bei "stationären" Probenzuführungssystemen wie Küvetten aber auch bei Mikrofluß- systemen auf, wenn die Dimension der Mikroflußkammer senk- recht zur Oberfläche im Mikrometerbereich liegt und die Flüsse parallel zur Oberfläche ausgerichtet sind. Es läßt sich auch nicht dadurch überwinden, daß die Probe mit einem Geschwindigkeitsvektor senkrecht zur Oberfläche dosiert wird, wenn sich die Dosieröffnung im Mikrometerbereich oberhalb der Oberfläche befindet. Erst der Einsatz des erfindungsgemäßen Nanodosiervolumens bzw. die Dosierung aus einem Dosiersystem, dessen Dosieröffnung weniger als 1 μm von der Oberfläche befindet, überwindet das Verarmungs-Problem.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen von Abständen und das zugehörige Verfahren ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einsetzbar beim Mischen einer Flüssigkeit mit Hilfe von Mischkörpern. Diese Misch- körper können durch Anlegen eines äußeren Feldes, insbesondere eines Magnetfeldes oberhalb der Transduceroberflache bewegt werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Detektorsystems sind die Bewegungen der Mischkörper, insbesondere des Abstands der Mischkörper von der Transduceroberflache bestimmbar. Vorzugsweise werden als Mischkörper Mischkügelchen (beads) eingesetzt. Alternativ werden als Mischkörper ein Netz (oder eine Membran) eingesetzt. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, daß im Nanometerbereich oberhalb der Transduceroberflache die Flüssigkeit gemischt und die Bildung von Verarmungszonen vermieden werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Teils einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Teils einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 1 zeigt den Prinzipaufbau eines Biosensors mit optischen Transducer, der bei dem vorliegenden Beispiel als Oberflächenplasmonenresonanzsensor ausgebildet ist . Im einzelnen weist die Meßanordnung einen optischen Transducer 10 auf, der in dem gezeigten Beispiel als Prisma mit einer Transduceroberflache 12 ausgebildet ist. Von einer Lichtquelle 14 wird Licht in das Prisma eingeleitet und im Bereich der Transduceroberflache eine Oberflächenplasmonenresonanz angeregt, wobei das reflektierte Licht von einer Detektoranordnung 16 empfangen wird. Das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung wird an eine Auswerteeinrichtung 40 geleitet. Auf der Transduceroberflache ist eine Küvettenanord- nung 20 mit mindestens einer Küvette zur Aufnahme einer zu untersuchenden Flüssigkeit angeordnet. Dabei wird in dem gezeigten Beispiel der Boden 22 der Küvette von einem Teil der Transduceroberflache 12 gebildet. Fig. 1 zeigt ferner ein im Abstand von der Transducerober lache angeordnetes Objekt 32. Das Objekt 32 ist an einem Halter 34 angeordnet, der mit einer Antriebseinrichtung 36 verbunden ist. Mit Hilfe der Antriebseinrichtung ist das Objekt 32 höhenverstellbar und kann bis dicht an die Transduceroberflache mit hoher Präzision herangefahren werden. Mit Hilfe der Sensoreinheit, die aus der Lichtquelle 14, dem optischen Transducer 10 und der Detektoranordnung 16 gebildet wird, wird der Brechungsindex eines Mediums, das der Transduceroberflache benachbart ist, bestimmt. Innerhalb der Reichweite des evaneszenten Feldes, das ausgehend von der Transduceroberflache in den Raum innerhalb der Küvette hineinreicht, wird ein mittlerer Brechungsindex bestimmt. Ein Objekt, das an die Transducerober- fläche herangefahren wird, und in den Bereich des evaneszenten Feldes gelangt, führt zu einer Veränderung des mittleren Brechungsindexes. Diese Änderung des Brechungsindexes wird von der Detektoranordnung detektiert und von der Auswerteeinrichtung 40, die mit der Sensoreinheit verbunden ist, ausgewertet .
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ist als Näherungssensor verwendbar, wobei eine Annäherung eines Objekts an die Transduceroberflache eine Signaländerung bewirkt, die von der Auswerteeinrichtung erfaßt wird. Durch Kalibrieren der Meßvorrichtung, d.h. entsprechendes Auswerten eines Meßsignals abhängig von der Position des Objekts in bezug auf die Transduceroberflache können mit der Vorrichtung Abstände bestimmt werden. Bei Verwendung einer präzisen hochauflösenden Antriebseinrichtung 36, beispielsweise ein Schrittmotor mit Microsteps kann der Halter 34 mit dem daran angeordneten Objekt 32 hochgenau gegenüber der Transduceroberflache 12 angeordnet werden.
Die erste bevorzugte Ausführungsform von Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines Nanodosiervolumens 50. Das Nanodosiervolumen 50 wird in dem Raum zwischen der Transduceroberflache 12 bzw. dem Küvettenboden 22 und dem Objekt 32 gebildet. In dem Beispiel ist ein plattenförmiges Objekt 32 gezeigt, dessen Unterseite im wesentlichen parallel zur Transduceroberflache 12 angeordnet ist. In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) wird das plattenförmige Objekt mit Hilfe von drei Antrieben und drei Haltern, die die Platte an beabstandeten Stellen halten, selektiv in der Höhe verstellt. Außerdem werden an vorzugsweise drei Meßflecken die jeweiligen Abstände zwischen Referenzpunkten an der Unterseite des Objekts und der Transduceroberflache 12 bestimmt. Dies hat den Vorteil, daß die Plattenunterseite definiert z.B. parallel zur Transduceroberflache ausgerichtet werden kann. Das Nanodosiervolumen 50 hat einen Einlaß 52 und einen Auslaß 54. Das Nanodosiervolumen wird außerdem begrenzt von zwei Seitenwänden 56, wobei in Fig. 2 nur die rückwärtige Seitenwand 56 gezeigt ist. Durch ein entsprechendes Einstellen der Lage des Objekts 32 mit Hilfe der Antriebseinrichtung wird das Objekt in den Bereich zwischen die Seitenwände 56 hineingefahren. Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip kann bei optischen Meßsensoren, die sichtbares Licht verwenden, das Nanodosiervolumen 50 mit einer Höhe im Bereich von 0 bis etwa 500 nm ausgebildet werden. Mittels einer Einrichtung zum Einleiten einer Flüssigkeit (nicht dargestellt) zum Einlaß 52 bzw. zum Absaugen der Flüssigkeit am Auslaß 54 wird dieser über die Meßoberfläche geleitet.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist das Objekt eine Pipettenspitze 62, die wie das Objekt 32 mit einer Antriebseinrichtung 36 höhenverstellbar ist. Zwischen dem Ende der Pipettenspitze und der Transduceroberflache wird ein Raum 60 gebildet, in dem über eine Dosiereinrichtung Flüssigkeit mit Probenmaterial eingeleitet werden kann, wobei mit Hilfe der Dosiereinrichtung Probenmaterial direkt an die Detektoroberfläche appliziert wird. Diese Anordnung bildet einen Spezialfall eines Nanodosiersystems .
Die vorstehende Beschreibung ist nur beispielhaft, wobei Modifikationen ohne weiteres möglich sind. Insbesondere kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen von Abständen eine Bestimmung der Position von Mischkörpern in einer Küvette vorgenommen werden. Zum Mischen mit Mischkörpern, wie Mischkugeln oder Netzen werden diese in die Küvette eingebracht und deren Lage über die Bestimmung des mittleren Brechungsindexes detektiert .

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Bestimmen von Abständen insbesondere zur Verwendung als Näherungssensor mit
(a) einer Sensoreinheit, die einen optischen Transducer zum Bestimmen einer dem Brechungsindex eines Mediums entsprechenden Meßgröße aufweist, das einer Transduceroberflache benachbart ist,
(b) einem Objekt, das aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex von dem Brechungsindex des Mediums verschieden ist und
(c) einer Auswerteeinrichtung, die mit der Sensoreinheit verbunden ist, zum Detektieren einer Änderung der dem Brechungsindex entsprechenden Meßgröße, die durch Annähern des Objekts an die Transduceroberflache hervorgerufen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinheit einen optischen Transducer zum Erzeugen eines evaneszen- ten Feldes aufweist, der vorzugsweise ein Oberflächen- plasmonenresonanz -Transducer (SPR) ist oder ein Transducer ist, der mit abgeschwächter Totalreflexion arbeitet (ATR) oder ein Transducer, der nach dem Prinzip des Interferenzkontrastes arbeitet .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoreinheit Bestandteil einer Küvette, vorzugsweise zur Untersuchung von Proben in einer Flüssigkeit ist, wobei das Objekt in die Flüssigkeit eingetaucht wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei das Objekt aus Kunststoff, vorzugsweise aus Polypropylen besteht .
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Medium, das der Transduceroberflache benachbart ist, eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser oder eine wäßrige Lösung ist ,
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Objekt an einem Halter angeordnet ist, der mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Antriebseinrichtung einen Schrittmotor und/oder einen Piezotranslator aufweist, der den Halter und das Objekt in Schritten von vorzugsweise 50 nm oder weniger bewegt.
8. Vorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Objekt so ausgebildet ist und derart im Abstand von der Transduceroberflache angeordnet wird, daß ein Nano-Dosiersystem ausgebildet wird und wobei eine Meßvorrichtung basierend auf Evaneszentfeldmethoden oder Reflektionsinterferometriemethoden eingesetzt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Nano-Dosiersystem ein Nanodosiervolumen aufweist, das zwischen der Transduceroberflache und dem Objekt vorhanden ist, wobei das Objekt vorzugsweise plattenförmig ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Nanodosiervolumen Seitenwände aufweist, die vorzugsweise an der Transduceroberflache in Form von Stegen ausgebildet sind oder von den Seitenwänden einer Küvette gebildet wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Nanodosiervolumen einen Einlaß für die Einleitung eines Fluids und einen Auslaß für die Ausgabe des Fluids aufweist .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, mit einer Einrichtung zum Zuleiten eines Fluids zum Einlaß des Nanodosiervolumens und/oder einer Einrichtung zum Absaugen des Fluids am Auslaß des Nanodosiervolumens.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Objekt eine Dosierspitze, vorzugsweise eine Pipettenspitze ist, die vorzugsweise zur Ausgabe und zum Entnehmen von Flüssigkeit aus der Küvette dient .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Objekt mindestens einen Mischkörper aufweist, der durch Anlegen eines äußeren Feldes oberhalb der Transducerober- flache bewegbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Mischkörper eine Mischkugel ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Mischkörper ein Netz oder eine Membran ist.
17. Verfahren zum Bestimmen von Abständen zwischen einer Transduceroberflache eines optischen Transducers und einem Objekt, insbesondere zur Detektion einer Annäherung des Objekts an die Transduceroberflache mit den Schritten:
Bestimmen einer Meßgröße, die dem Brechungsindex eines Mediums entspricht, das einer Transduceroberflache benachbart ist,
Annähern eines Objekts an die Transduceroberflache, wobei das Objekt einen Brechungsindex hat, der von dem Brechungsindex des Mediums verschieden ist, und Detektieren einer Änderung der dem Brechungsindex entsprechenden Meßgröße, die durch Annähern des Objekts an die Transduceroberflache hervorgerufen wird.
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