EP1272829A1 - Gitter-wellenleiter-struktur zur verstärkung eines anregungsfeldes und deren verwendung - Google Patents

Gitter-wellenleiter-struktur zur verstärkung eines anregungsfeldes und deren verwendung

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EP1272829A1
EP1272829A1 EP01936198A EP01936198A EP1272829A1 EP 1272829 A1 EP1272829 A1 EP 1272829A1 EP 01936198 A EP01936198 A EP 01936198A EP 01936198 A EP01936198 A EP 01936198A EP 1272829 A1 EP1272829 A1 EP 1272829A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
grating
excitation light
waveguide structure
intensity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01936198A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gert Duveneck
Martin Bopp
Michael Pawlak
Markus Ehrat
Gerd Marowsky
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.)
Bayer AG
Original Assignee
Zeptosens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Zeptosens AG filed Critical Zeptosens AG
Publication of EP1272829A1 publication Critical patent/EP1272829A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/648Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence
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    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
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    • G01N21/774Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure
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    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
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    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N2021/7769Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7786Fluorescence

Definitions

  • the invention relates to a variable embodiment of a grating waveguide structure based on a planar thin-film waveguide with a first optically transparent layer (a) on a second optically transparent layer (b) with a lower refractive index than layer (a) and one in the optically transparent Layer (a) modulated lattice structure (c), characterized in that the intensity of an excitation light irradiated at the resonance angle for coupling into the layer (a) on the layer (a) and in the layer (a) at least in the region of the lattice structure (c ) is amplified by at least a factor of 100 compared to the intensity of this excitation light on a substrate surface without coupling the excitation light.
  • the invention also relates to an optical system with an excitation light source and a design according to the invention of a grating waveguide structure, and to a method for amplifying an excitation light intensity and its use in bioanalytical detection methods, in non-linear optics or in telecommunications or communications technology.
  • the aim of the present invention is to provide optical structures and optical methods which can be carried out in a simple manner, in order to to achieve a very high amplification of an excitation light field on this structure or at a distance of less than approximately 200 nm.
  • gratings as diffractive components in optics has been described in a large number of papers and has been implemented in technical components based on them.
  • the well-known grating monochromators as a component of spectrometers, are based on the wavelength-dependent deflection of an incident polychromatic light beam in different spatial directions.
  • Lattice structures have found increasing use in modern optics since the techniques for producing high-precision gratings, in particular also with a very short period, for example of significantly less than 400 nm, have been improved ever more.
  • Examples of application areas are integrated optics, quantum electronics, telecommunications with optical communication, for example for optical switches or distributors, etc.
  • luminescence denotes the spontaneous emission of photons in the ultraviolet to infrared range after optical or non-optical, such as for example electrical or chemical or biochemical or thermal excitation.
  • chemiluminescence, bioluminescence, electroluminescence and in particular fluorescence and phosphorescence are included under the term "luminescence”.
  • optical transparency of a material is used in the following in the sense that the transparency of this material is required at at least one excitation wavelength. With a longer or shorter wavelength, this material can also be absorbent.
  • WO 95/33197 describes a method in which the excitation light is coupled into the waveguiding film as a diffractive optical element via a relief grating.
  • the surface of the sensor platform is brought into contact with a sample containing the analyte, and the isotropically emitted luminescence in the penetration depth of the evanescent field of luminescent substances is measured by means of suitable measuring devices, such as photodiodes, photomultipliers or CCD cameras. It is also possible to decouple and measure the portion of the evanescently excited radiation fed back into the waveguide via a diffractive optical element, for example a grating. This method is described for example in WO 95/33198.
  • a disadvantage of all of the methods described above in the prior art, in particular in WO 95/33197 and WO 95/33198, for detecting evanescently excited luminescence is that only one sample can be analyzed in each case on the wave-guiding layer of the sensor platform which is formed as a homogeneous film. In order to be able to carry out further measurements on the same sensor platform, complex washing or Cleaning steps necessary. This applies in particular if an analyte different from the first measurement is to be detected. In the case of an immunoassay, this generally means that the entire immobilized layer on the sensor platform must be replaced or a new sensor platform must be used as a whole.
  • Arrays with a very high feature density are known based on simple glass or microscope plates, without additional waveguiding layers.
  • US 5445934 (Affymax Technologies) describes and claims arrays of oligonucleotides with a density of more than 1000 features per square centimeter.
  • the excitation and reading of such arrays is based on classic optical arrangements and methods.
  • the entire array can be illuminated simultaneously with an expanded excitation light bundle, which, however, leads to a relatively low sensitivity, since the excitation is not limited to the interacting surface and because the scattered light component is also relatively large and scattered light or background fluorescent light from the glass substrate also in the Areas are generated in which there are no immobilized oligonucleotides for binding the analyte.
  • a co-pending application (PCT / EP 00/04869) describes a sensor platform with a layer waveguide, comprising an optically transparent layer (a) on a second layer (b) with a lower refractive index than layer (a) and one in the optically transparent one Layer (a) modulated lattice structure (c) with measurement areas generated thereon.
  • the parameters in particular the grating depth, after coupling excitation light to the measurement areas and the associated luminescence excitation in the near field of layer (a), the luminescence light fed back into layer (a) can be used over the shortest distances, i.e. a few hundred micrometers, completely decoupled and thus prevented from spreading further in the waveguiding layer (a).
  • the sensitivity can be further increased by optimizing the beam paths and masking out reflections or scattered light, but ultimately the background signals and the associated background noise remain limiting.
  • the spectral distance between the excitation and emission wavelengths is relatively small, typically between 20 nm and 50 nm.
  • Some luminescent dyes are known which have a large Stokes shift , up to about 300 nm, such as some lanthanide complexes. However, they generally have a relatively low quantum yield and / or photostability.
  • excitation intensity densities in the order of at least 20 MW / cm 2 are required.
  • intensity densities have been achieved and described, for example, with pulsed high-power lasers in confocal microscopic arrangements, as for example in US 5034613 with a laser focus diameter of less than one micrometer in the focus plane of the microscope.
  • pulsed high-power lasers in confocal microscopic arrangements, as for example in US 5034613 with a laser focus diameter of less than one micrometer in the focus plane of the microscope.
  • the measurement of an extensive area by means of scanning in addition to the great expenditure on instruments, also disadvantageously requires a great deal of time.
  • inventive grating waveguide structures are suitable for use in a large number of different technical fields.
  • communication technology for example, is another important area of application.
  • the degree of networking of the systems and the scope of the amount of data to be transmitted optical signal transmission is becoming increasingly important.
  • there is a great need here to also be able to optically switch data transmitted optically Systems currently in use must first convert the optical signals into electrical signals. The electrical signals are then switched electrically and then converted back into optical signals. This requires a high level of technical effort and is at the same time associated with significant losses in the speed of data transmission.
  • a waveguide made of a material with high third-order non-linearity is used.
  • Such a material is characterized by the fact that its refractive index changes in the presence of high electromagnetic field strengths.
  • a grating is structured in the form of a "Bragg gratings" in the waveguide. This is distinguished by the fact that it is for certain Wavelengths of a light guided in the waveguide is reflective and transmissive for others.
  • the waveguides mentioned and the gratings located therein are designed such that, in the unaffected case, a guided optical signal (light pulse) coming from an unstructured area of the waveguide is transmitted from the grating structure, that is to say is passed on through the grating structure in the direction of propagation ,
  • a second pulse of very high intensity known as a “switching pulse”
  • the Bragg grating hits the Bragg grating at the same time as the signal pulse
  • the optical properties of this grating structure change due to the non-linearity of the third order such that the signal pulse is reflected (see, for example, BCM de.
  • the switching pulse is guided in the same waveguide as the signal pulse and must therefore be coupled in and out via an additional device.
  • the switching effect can surprisingly also be achieved due to the strong increase in the field strength can be achieved in the waveguide (a) in the case of resonance at significantly lower intensities of the switching pulse.
  • this new embodiment of an optical switch according to the invention offers the advantage that an additional coupling, guidance in the waveguide and subsequent coupling out of the switching pulse at another location on the structure is eliminated.
  • the first object of the invention is a grating waveguide structure, comprising a planar thin-film waveguide, with a layer (a) transparent at at least one excitation wavelength on a layer (b) with a lower refractive index than layer (a), which is likewise transparent at at least this excitation wavelength. and at least one grating structure (c) modulated in layer (a), characterized in that the intensity of an excitation light irradiated at the resonance angle for coupling into layer (a) on the Layer (a) and in layer (a) at least in the area of the lattice structure (c) is amplified by at least a factor of 100 compared to the intensity of this excitation light on a substrate surface without coupling the excitation light.
  • the most important parameters for the design of the grating waveguide structure in order to achieve the greatest possible amplification effect are the depth of the grating structure (c) and the refractive index of the optical layer (a) and its thickness.
  • This high amplification of an irradiated excitation light intensity by means of a grating waveguide structure according to the invention means that the intensity of the excitation light on the layer (a) is sufficiently high to be on the surface of the layer (a) or at a distance of less than 200 to excite molecule to layer (a) by means of 2-photon absorption for luminescence.
  • the structure according to the invention makes it possible to cover the required intensity densities over a large area, that is to say on to achieve an area in the order of several square millimeters to square centimeters.
  • a grating-waveguide structure is therefore preferred, which is characterized in that the intensity of the excitation light on the layer (a) is simultaneously sufficiently high on an area of at least 1 mm 2 on said grating-waveguide structure to be to excite molecules on the surface of layer (a) or at a distance of less than 200 nm from layer (a) by means of 2-photon absorption for luminescence.
  • the very high excitation intensity in particular to enable 2-photon excitation, is useful for a large number of different applications, for example in Biosensors, as explained in more detail later, but also in communications and (tele) communication technology for fast signal transmission.
  • the grating waveguide structure comprises devices for signal transmission to an adjacent grating waveguide structure. This can be achieved in that a luminescence generated on or in the near field of the layer (a) by 2-photon absorption is transmitted to an adjacent grating waveguide structure by means of coupling out via a grating structure (c).
  • the structure comprises uniform, unmodulated regions of the layer (a), which are preferably arranged in the direction of propagation of the excitation light coupled in via a grating structure (c) and guided in the layer (a).
  • the structure can be designed in such a way that it comprises a plurality of lattice structures (c) of the same or different period with optionally adjoining uniform, unmodulated regions of the layer (a) on a common, continuous substrate. This also makes it possible for a luminescence generated on or in the near field of layer (a) to be at least partially coupled into layer (a) and conducted by conduction in layer (a) to adjacent areas on said lattice structure. Waveguide structure is guided.
  • such an embodiment of the grating waveguide structure according to the invention is preferred, which is characterized in that the intensity of the excitation light on layer (a) and in layer (a) is sufficient, at least in the region of the grating structure (c) is high for switching the transmission properties of the lattice structure (c) for a light signal carried in layer (a).
  • the switching effect is based on the fact that the high light intensity and field strength, in this case within layer (a), are sufficient to match the transmission properties of a grating-waveguide structure according to the invention, which in this case is called "Bragg-Grating" with the characteristic features , the aforementioned properties is designed to change.
  • a particular advantage of such a grating waveguide structure according to the invention is that the transmission properties of the grating structure (c) can be switched by means of an excitation light radiated onto said grating structure from outside the layer (a).
  • the switching function of the grating waveguide structure according to the invention is preferably made possible in that said grating structure (c) is designed as a "Bragg grating" and the switching function is based on the change in the grating function from transmission to reflection of a light signal carried in layer (a) a change in the optical refractive index caused by the increased excitation light intensity in the layer (a) in the region of the grating structure.
  • excitation light of different wavelengths For certain applications, it is desirable to use excitation light of different wavelengths simultaneously or sequentially for the same grating waveguide structure. It can then be advantageous if this comprises an overlay of 2 or more grating structures of different periodicity with mutually parallel or non-parallel, preferably non-parallel alignment of the grating lines, which serves to couple excitation light of different wavelengths, in the case of 2 superimposed grating structures Grid lines are preferably aligned perpendicular to each other.
  • the extent of the propagation losses of a mode guided in an optically wave-guiding layer (a) is determined to a large extent by the surface roughness of an underlying carrier layer and by absorption by chromophores which may be present in this carrier layer, which additionally increases the risk of excitation of luminescence which is undesirable for many applications in this carrier layer, by penetration of the evanescent field of the mode carried in layer (a). Furthermore, thermal stresses may occur as a result of different coefficients of thermal expansion of the optically transparent layers (a) and (b).
  • a chemically sensitive, optically transparent layer (b) provided that it consists, for example, of a transparent thermoplastic, it is desirable to prevent solvents, which could attack the layer (b), from penetrating through the optically transparent layer (a). to prevent existing micropores.
  • optically transparent layer (b ') with a lower refractive index than that of layer (a) and a thickness between the optically transparent layers (a) and (b) and in contact with layer (a) from 5 nm to 10,000 nm, preferably from 10 nm to 1000 nm.
  • the grating structure (c) of the grating-waveguide structure according to the invention can be a diffractive grating with a uniform period or a multi-diffractive grating. It is also possible for the grating structure (c) to have a periodicity that varies spatially perpendicular or parallel to the direction of propagation of the excitation light coupled into the optically transparent layer (a).
  • the material of the second optically transparent layer (b) of the grating waveguide structure according to the invention consists of glass, quartz or a transparent thermoplastic or sprayable plastic, for example from the group formed by polycarbonate, polyimide or polymethyl methacrylate.
  • suitable plastics are polystyrene, polyethylene, polyethylene terephthalate, poplypropylene or polyurethane and their derivatives.
  • the refractive index of the first optically transparent layer (a) is greater than 1.8.
  • a large number of materials are suitable for the optical layer (a).
  • the first optically transparent layer (a) is a material from the group of TiO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 , Ta O 5 , HfO 2 , or ZrO 2 , particularly preferably made of TiO 2 or Nb 2 O 5 or Ta O 5 , or a material with a high non-linearity of the refractive index of the third order, such as, for example, polydiacetylene, polytoluenesulfonate or polyphenylene vinylene.
  • the thickness of the wave-guiding optically transparent layer (a) is the second relevant parameter for generating the strongest possible evanescent field at its interfaces with neighboring layers with a lower refractive index and the highest possible energy density within the layer (a).
  • the strength decreases of the evanescent field with decreasing thickness of the waveguiding layer (a), as long as the layer thickness is sufficient to lead at least one mode of the excitation wavelength.
  • the minimum “cut-off” layer thickness for guiding a mode depends on the wavelength of this mode. It is larger for longer-wave light than for short-wave light. However, as the "cut-off" layer thickness is approached, undesired propagation losses also increase sharply to what further limits the choice of preferred layer thickness.
  • layer thicknesses of the optically transparent layer (a) which only allow the guidance of 1 to 3 modes of a predetermined excitation wavelength
  • layer thicknesses which lead to monomodal waveguides for this excitation wavelength are very particularly preferred. It is clear that the discrete mode character of the guided light only refers to the transverse modes.
  • the product of the thickness of layer (a) and its refractive index is advantageously one tenth to a whole, preferably one third to two thirds, of the excitation wavelength of an excitation light to be coupled into layer (a).
  • the resonance angle for the coupling of the excitation light in accordance with the above-mentioned resonance condition depends on the diffraction order to be coupled in, the excitation wavelength and the grating period.
  • the coupling of the first diffraction order is advantageous.
  • the grating depth is decisive for the level of the coupling efficiency. In principle, the coupling efficiency increases with increasing grid depth.
  • the coupling-out efficiency also increases at the same time, so that it is used, for example, to excite luminescence in a measuring area (d) arranged on or adjacent to the lattice structure (c) (according to the following definition), depending on the geometry of the measuring ranges and the irradiated excitation light bundle, gives an optimum. Because of these boundary conditions, it is advantageous if the grating (c) has a period of 200 nm - 1000 nm and the modulation depth of the grating (c) is 3 to 100 nm, preferably 10 to 30 nm.
  • the ratio of the modulation depth to the thickness of the first optically transparent layer (a) is equal to or less than 0.2.
  • the grating structure (c) can be a relief grating with a rectangular, triangular or semicircular profile or a phase or volume grating with a periodic modulation of the refractive index in the essentially planar optically transparent layer (a).
  • optically or mechanically recognizable markings are applied to the grating waveguide structure to facilitate adjustment in an optical system and / or for connection to sample containers as part of an analytical system.
  • the grating waveguide structure according to the invention is particularly suitable for use in biochemical analysis, for the highly sensitive detection of one or more analytes in one or more samples supplied.
  • the following group of preferences is particularly geared towards this area of application.
  • biological or biochemical or synthetic recognition recognition elements for the recognition and binding of analytes to be detected are immobilized on the grating waveguide structure. This can be done over a large area, possibly over the entire structure, or in discrete so-called measurement areas.
  • spatially separated measuring areas (d) are to be defined by the area occupied by biological or biochemical or synthetic recognition elements immobilized there for recognizing one or more analytes from a liquid sample.
  • These surfaces can have any geometry, for example the shape of points, circles, rectangles, triangles, ellipses or lines.
  • the measurement areas can be arranged on such a grating structure or on a uniform, unmodulated area in the direction of propagation of the guided excitation light following such a grating structure his.
  • Different segments can be separated, in particular optically, by lattice structures (c) or by other subdivisions generated on the lattice waveguide structure, for example absorbent strips of an applied pigment or the partitions of structures for producing sample containers with the lattice waveguide structure as the base area be if crosstalk of luminescent light generated in adjacent segments and fed back into layer (a) is to be prevented.
  • different segments can be delimited from one another by an applied border, which contributes to the fluidic sealing against adjacent areas and / or to a further reduction in optical crosstalk between adjacent segments.
  • an adhesion-promoting layer (f) is applied to the optically transparent layer (a) for the immobilization of biological or biochemical or synthetic recognition elements (e).
  • This adhesive layer should also be optically transparent.
  • the adhesive layer should not extend beyond the penetration depth of the evanescent field protruding wave-guiding layer (a) into the medium above. Therefore, the adhesion promoting layer (f) should have a thickness of less than 200 nm, preferably less than 20 nm.
  • it can include chemical compounds from the group consisting of silanes, epoxides, functionalized, charged or polar polymers and "self-organized functionalized monolayers".
  • the measurement areas it is possible to generate spatially separate measurement areas (d) by spatially selective application of biological or biochemical or synthetic recognition elements on the grating waveguide structure.
  • a luminescence-capable analyte or a luminescence-labeled analogue of the analyte competing with the analyte for binding to the immobilized recognition elements or another luminescence-labeled binding partner in a multi-stage assay these luminescence-capable molecules are only selectively measured in the measurement areas on the surface of the grating waveguide.
  • Bind structure which are defined by the areas occupied by the immobilized recognition elements.
  • one or more methods from the group of methods can be used, from inkjet spotting, mechanical spotting, micro contact printing, fluidic contacting of the measurement areas with the biological or biochemical or synthetic recognition elements by their supply in parallel or crossed microchannels, under the influence of pressure differences or electrical or electromagnetic potentials ".
  • components from the group can be applied, which include, for example, nucleic acids (e.g. DNA, RNA, oligonucleotides), nucleic acid analogs (e.g. PNA), antibodies, aptamers, membrane-bound and isolated receptors, their ligands , Antigens for antibodies, "histidine tag components", cavities generated by chemical synthesis for the absorption of molecular imprints, etc. is formed.
  • nucleic acids e.g. DNA, RNA, oligonucleotides
  • nucleic acid analogs e.g. PNA
  • antibodies aptamers
  • membrane-bound and isolated receptors their ligands
  • Antigens for antibodies e.g., "histidine tag components”
  • cavities generated by chemical synthesis for the absorption of molecular imprints, etc. is formed.
  • the latter type of recognition elements are understood to mean cavities which are produced in a process which has been described in the literature as "molecular imprinting".
  • the analyte or its analogue is removed from the polymer structure with the addition of suitable reagents, so that it leaves an empty cavity there. This empty cavity can then be used as a binding site with high steric selectivity in a later detection method.
  • any other compound is also suitable as a recognition element which recognizes and interacts with an analyte to be detected in accordance with the desired selectivity required for the respective application.
  • the detection limit of an analytical method is limited by signals of so-called non-specific binding, i.e. H. by signals which are generated by binding the analyte or other compounds used for the detection of the analyte, which are bound not only in the area of the immobilized biological or biochemical or synthetic recognition elements used, but also in areas of a grating waveguide structure uncovered thereby, for example by hydrophobic adsorption or by electrostatic interactions. It is therefore advantageous if "chemically neutral" compounds are applied between the spatially separated measuring areas (d) to the analyte to reduce non-specific binding or adsorption.
  • “Chemically neutral” compounds are substances which do not themselves have any specific binding sites for the detection and binding of the analyte or an analogue of the analyte or another binding partner in a multi-stage assay and which, due to their presence, give access to the analyte or its analogue or block another binding partner to the surface of the grating-waveguide structure.
  • albumins in particular bovine serum albumin or Human serum albumin, fragmented natural or synthetic DNA that does not hybridize with the polynucleotides to be analyzed, such as, for example, herring or salmon sperm, or also uncharged but hydrophilic polymers, such as polyethylene glycols or dextrans.
  • the selection of the substances mentioned for reducing unspecific hybridization in polynucleotide hybridization assays is determined by the empirical preference for DNA that is as widely different as possible for the polynucleotides to be analyzed, and about which no interactions with the polynucleotide sequences to be detected are known.
  • Another object of the invention is an optical system for amplifying the intensity of an excitation light, comprising at least one excitation light source and a grating waveguide structure according to the invention, characterized in that the intensity of one at the resonance angle for coupling into the layer (a) to one in the Layer (a) modulated grating structure (c) of the grating-waveguide structure of irradiated excitation light on the layer (a) and in the layer (a) at least in the region of the grating structure (c) is amplified by at least a factor of 100 compared to the intensity thereof Excitation light on a substrate surface without coupling the excitation light.
  • preferred configurations of the optical system according to the invention include those configurations with which the intensity of an excitation light radiated under the resonance angle for coupling into the layer (a) on the layer (a) and in the layer (a) at least in the region of the grating structure (c) is amplified by at least a factor of 1,000 or 10,000 or even 100,000 compared to the intensity of this excitation light on a substrate surface without coupling the excitation light.
  • Preferred embodiments of the optical system are those which are characterized in that the intensity of the excitation light on the layer (a) is sufficiently high to be on the surface of the layer (a) or at a distance of less than 200 n from the layer (a a) located molecule by means of 2-photon absorption for luminescence to stimulate. It is particularly preferred if the intensity of the excitation light on the layer (a) is simultaneously sufficiently high on an area of at least 1 mm on said grating waveguide structure to be on the surface of the layer (a) or at a distance of less to excite molecules as 200 nm to layer (a) by means of 2-photon absorption for luminescence.
  • the optical system according to the invention is designed such that a luminescence generated on or in the near field of layer (a) of the grating waveguide structure by means of 2-photon absorption by means of coupling out via a Grating structure (c) can be transferred to an adjacent grating waveguide structure.
  • the grating-waveguide structure as part of the optical system, comprises uniform, unmodulated regions of the layer (a), which preferably extend in the direction of propagation of that which is coupled in via a grating structure (c) and in the layer (a) guided excitation light are arranged.
  • the grating waveguide structure comprises a plurality of grating structures (c) of the same or different periods with optionally adjoining uniform, unmodulated regions of the layer (a) on a common, continuous substrate.
  • the optical system is designed such that a luminescence generated on or in the near field of layer (a) of the grating waveguide structure by means of 2-photon absorption at least partially couples into layer (a) and by conduction into the layer (a) is guided to adjacent areas on said grating waveguide structure.
  • the intensity of the excitation light on the layer (a) and in the layer (a) of the grating waveguide structure, at least in the region of the grating structure (c), is sufficiently high to switch the transmission properties of the grating structure (c) Part of the optical system for a light signal carried in layer (a).
  • the optical system according to the invention with a grating waveguide structure according to the invention leads to the circuit of the Transmission properties of the lattice structure (c) is possible by means of an excitation light radiated onto said lattice structure from outside the layer (a).
  • the optical system according to the invention is characterized in that said grating structure (c) is designed as a "Bragg grating" and the switching function is based on the change of the grating function from transmission to reflection in light of a light signal carried in layer (a) change in the optical refractive index caused by the increased excitation light intensity in the layer (a) in the region of the grating structure.
  • the optical system according to the invention additionally comprises at least one detector for detecting one or more luminescences from the grating waveguide structure.
  • One of the preferred embodiments is characterized in that the excitation light emitted by the at least one excitation light source is essentially parallel and is irradiated at a resonance angle for coupling into the optically transparent layer (a) onto a grating structure (c) modulated in the layer (a) ,
  • a particularly preferred embodiment is characterized in that the excitation light is expanded by at least one light source with an expansion optic to form an essentially parallel beam and is modulated at the resonance angle for coupling into the optically transparent layer (a) to a large area in the layer (a) Lattice structure (c) is irradiated.
  • Another preferred embodiment is characterized in that the excitation light from the at least one light source through one or, in the case of several light sources, optionally a plurality of diffractive optical elements, preferably Dammann grids, or refractive optical elements, preferably microlens arrays, into a multiplicity of Individual beams of the same intensity as possible of the partial beams originating from a common light source are split up, each of which is essentially parallel to one another Lattice structures (c) are irradiated at the resonance angle for coupling into the layer (a).
  • a plurality of diffractive optical elements preferably Dammann grids, or refractive optical elements, preferably microlens arrays
  • two or more light sources with the same or different emission wavelength are used as excitation light sources.
  • such an embodiment of the optical system is preferred, which is characterized in that the excitation light from 2 or more light sources is irradiated simultaneously or sequentially from different directions onto a grating structure (c) and via this is coupled into the layer (a) of the grating waveguide structure, which comprises a superposition of grating structures with different periodicity.
  • At least one spatially resolving detector is used for the detection, for example from the group formed by CCD cameras, CCD chips, photodiode arrays, avalanche diode arrays, multichannel plates and multichannel photomultipliers.
  • the optical system comprises such embodiments, which are characterized in that between the one or more excitation light sources and the grating-waveguide structure according to the invention and / or between said grating-waveguide structure and the one or more detectors optical components from the Group are used by lenses or lens systems for shaping the transmitted light bundles, planar or curved mirrors for deflecting and, if necessary, additionally for shaping light bundles, prisms for deflecting and optionally for spectrally dividing light bundles, dichroic mirrors for spectrally selective deflection of parts of light bundles , Neutral filters for regulating the transmitted light intensity, optical filters or monochromators for the spectrally selective transmission of parts of light beams or polarization-selective elements for the selection of discrete polarizations directions of the excitation and / or luminescent light are formed. It is possible for the excitation light to be irradiated in pulses with a duration of between 1 fsec and 10 minutes and for the emission light to be measured
  • light signals from the group are measured for referencing, which are from excitation light at the location of the light sources or after their expansion or after their subdivision into partial beams, scattered light at the excitation wavelengths from the range of the one or more spatially separated measuring ranges, and above the grating structure (c) is formed in addition to the measuring areas of coupled light of the excitation wavelength. It is particularly advantageous if the measuring ranges for determining the emission light and the reference signal are identical.
  • the excitation light can be irradiated and the emission light to be detected sequentially from one or more measurement areas for individual or more measurement areas. This can be achieved in particular by sequential excitation and detection using movable optical components which are formed from the group of mirrors, deflection prisms and dichroic mirrors.
  • Such an optical system is also part of the invention, which is characterized in that sequential excitation and detection takes place using an essentially angle and focus-accurate scanner. It is also possible for the grating waveguide structure to be moved between steps of sequential excitation and detection.
  • Another component of the invention is an analytical system for luminescence detection of one or more analytes in at least one sample on one or more measurement areas on a grating waveguide structure, comprising an optical layer waveguide
  • the analytical system additionally comprises one or more sample containers which are open to the grating waveguide structure at least in the area of the one or more measuring ranges or the measuring ranges combined into segments, the sample containers preferably each having a volume of 0.1 nl - have 100 ⁇ l.
  • a possible embodiment consists in that the sample containers on the side facing away from the optically transparent layer (a), with the exception of inlet and / or outlet openings for the feed or outlet of the samples and possibly additional reagents, are closed and the feed or the outlet of samples and, if necessary, additional reagents take place in a closed flow system, whereby in the case of liquid supply to several measurement areas or segments with common inlet and outlet openings, these are preferably addressed in columns or rows.
  • sample containers have openings on the side facing away from the optically transparent layer (a) for locally addressed addition or removal of the samples or other reagents.
  • a further development of the analytical system according to the invention is designed such that containers are provided for reagents which are wetted during the method for the detection of the one or more analytes and brought into contact with the measurement areas
  • the invention further relates to a method for amplifying an excitation light intensity, characterized in that the intensity of a grating structure (c) of a grating waveguide according to the invention, which is coupled at a resonance angle into the layer (a) onto a grating structure (c) modulated in the layer (a).
  • Structure of irradiated excitation light on the layer (a) and in the layer (a) at least in the region of the lattice structure (c) is amplified by at least a factor of 100 compared to the intensity of this excitation light on a substrate surface without coupling in the excitation light.
  • the amplification factor can be increased further, in particular by optimizing the physical parameters of the grating waveguide structure. Therefore, preferred variants of the method according to the invention include embodiments with which the intensity of one at the resonance angle for coupling into the layer (a) radiated excitation light on the layer (a) and in the layer (a) at least in the region of the lattice structure (c) is amplified by at least a factor of 1,000 or 10,000 or even 100,000 compared to the intensity of this excitation light on a substrate surface without coupling the excitation light.
  • the intensity of the excitation light on the layer (a) is sufficiently high to detect a molecule on the surface of the layer (a) or at a distance of less than 200 nm from the layer (a) by means of 2-photon absorption to stimulate luminescence. It is particularly preferred if the intensity of the excitation light on the layer (a) is simultaneously sufficiently high on an area of at least 1 mm 2 on said grating waveguide structure to be on the surface of the layer (a) or at a distance of to excite molecules less than 200 nm to layer (a) by means of 2-photon absorption for luminescence.
  • embodiments of the method according to the invention are preferred in which a luminescence generated on or in the near field of layer (a) of the grating waveguide structure by means of 2-photon absorption by means of coupling out via a grating structure (c ) is transferred to an adjacent grating waveguide structure.
  • the grating-waveguide structure as part of the optical system, comprises uniform, unmodulated regions of the layer (a), which preferably extend in the direction of propagation of the coupling-in via a grating structure (c) and in the layer (a) guided excitation light are arranged, in particular it can be advantageous if the grating-waveguide structure comprises a plurality of grating structures (c) of the same or different period with possibly subsequent, unmodulated regions of the layer (a) on a common, continuous substrate.
  • the optical system is designed such that a luminescence generated on or in the near field of layer (a) of the grating waveguide structure is at least partially coupled into layer (a) and through through 2-photon absorption Line in the layer (a) to neighboring areas on said grating waveguide structure is performed.
  • Another component of the invention is a method for luminescence detection of one or more analytes in one or more samples on one or more measurement areas on a grating waveguide structure according to the invention for determining one or more luminescence from a measurement area or from an array of at least two or more, spatially separated measuring ranges (d) or at least two or more spatially separated segments (d '), in which several measuring ranges are combined, on said grating waveguide structure, characterized in that the intensity of one at the resonance angle for coupling into the Layer (a) onto a grating structure (c) of the grating waveguide structure, which is modulated in layer (a), on the layer (a) and in the layer (a) at least in the region of the grating structure (c) by at least one factor 100 is amplified compared to the intensity of this excitation light on a substrate surface without coupling the excitation light.
  • preferred variants of the method according to the invention include designs with which the intensity of an excitation light radiated under the resonance angle for coupling into layer (a) on layer (a) and in layer (a) at least in the region of the grating structure (c) at least a factor of 1,000 or 10,000 or even 100,000 is amplified in comparison to the intensity of this excitation light on a substrate surface without coupling the excitation light.
  • the intensity of the excitation light on layer (a) is sufficiently high to use a 2-photon molecule to position a molecule on the surface of layer (a) or at a distance of less than 200 nm from layer (a). To stimulate absorption to luminescence. It is particularly preferred if the intensity of the excitation light on the layer (a) is simultaneously sufficiently high on an area of at least 1 mm 2 on said grating waveguide structure to be on the surface of the layer (a) or at a distance of to excite molecules less than 200 nm to layer (a) by means of 2-photon absorption for luminescence.
  • such an embodiment of the method according to the invention is preferred, which is characterized in that the intensity of the excitation light on the layer (a) and in the layer (a) at least in the region the lattice structure (c) is sufficiently high to switch the transmission properties of the lattice structure (c) for a light signal carried in the layer (a).
  • a particular advantage of this method is that the transmission properties of the grating structure (c) can be switched by means of an excitation light that is radiated from outside the layer (a) onto said grating structure.
  • Such an embodiment of the method according to the invention is preferred, which is characterized in that said lattice structure (c) is designed as a “Bragg grating” and the switching function is based on the change of the lattice function from transmission to reflection of one carried in layer (a) Light signal based on a change in the optical refractive index caused by the increased excitation light intensity in the layer (a) in the region of the grating structure.
  • a particularly preferred embodiment of this method is characterized in that a first excitation light is coupled as a signal light in the form of a temporal pulse or continuously via a first grating structure (c) into the layer (a) and guided therein until said coupled, guided signal light is applied to the Region of another lattice structure (c ') structured in layer (a) with the same or different lattice period as said first lattice structure (c), via which an excitation light radiated from the outside as switching light in the form of a temporal pulse or continuously into the layer ( a) is coupled in and by this amplification of this switching light by at least a factor of 100 on layer (a) and in layer (a), at least in the region of the lattice structure (c '), compared to the intensity of this excitation light on a substrate surface without coupling the excitation light, the refraction
  • the layer (a) is changed due to a high third-order non-linearity, at least in the area of the grating structure (c
  • luminescence detection it is possible for (1) the isotropically emitted luminescence or (2) luminescence or luminescence of both components (1) and (2) coupled into the optically transparent layer (a) and coupled out via lattice structures (c) can be measured simultaneously.
  • a luminescence or fluorescence label can be used to generate the luminescence or fluorescence, which can be excited at a wavelength between 200 nm and 1100 nm.
  • the luminescent or fluorescent labels can be conventional luminescent or fluorescent dyes or so-called luminescent or fluorescent nanoparticles based on semiconductors (WCW Chan and S. Nie, "Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection", Science 281 (1998) 2016 - 2018) act.
  • said luminescence label is excited by means of 2-photon absorption.
  • said luminescence label is excited to an ultraviolet or blue luminescence by 2-photon absorption of an excitation light in the visible or near infrared.
  • the luminescence label can be bound to the analyte or in a competitive assay to an analog of the analyte or in a multistage assay to one of the binding partners of the immobilized biological or biochemical or synthetic recognition elements or to the biological or biochemical or synthetic recognition elements.
  • a second or even more luminescence label with the same or different excitation wavelength as the first luminescence label and the same or different emission wavelength can be used. It can be advantageous here if the second or even more luminescence label can be excited at the same wavelength as the first luminescence label, but can emit at other wavelengths.
  • the excitation spectra and emission spectra of the luminescence labels used overlap only slightly or not at all.
  • the one or more luminescences and / or determinations of light signals are carried out polarization-selectively at the excitation wavelength. Furthermore, the method allows the possibility that the one or more luminescences are measured with a different polarization than that of the excitation light.
  • a particular embodiment of the method according to the invention for detecting luminescence of one or more analytes is based on the fact that the autofluorescence (“autofluorescence”) of fluorescent biomolecules, such as, for example, proteins with fluorescent amino acids such as tryptophan, which are located on the surface of layer (a) or at a distance of less than 200 nm from layer (a), which can be excited by 2-photon absorption.
  • autofluorescence of fluorescent biomolecules, such as, for example, proteins with fluorescent amino acids such as tryptophan, which are located on the surface of layer (a) or at a distance of less than 200 nm from layer (a), which can be excited by 2-photon absorption.
  • tryptophan has an absorption maximum at 280 nm.
  • excitation of tryptophan fluorescence in a classic single Photon absorption process in the evanescent field of a highly refractive waveguide is not possible, since excitation light of such a short wavelength is not guided over significant distances in the waveguide, but is absorbed or scattered.
  • a 2-photon absorption process Use a suitable longer wavelength excitation light which is guided over longer distances in the waveguiding layer (a), and thus stimulate the short-wave fluorescence.
  • a particular advantage of this variant of the method is that it eliminates the need to chemically link the analyte or one of its binding partners in a detection method with a luminescence label. Instead, the detection can be based directly on the detection of luminescent biological compounds which are present as a natural component of these compounds or which are incorporated into the analyte or one of its binding partners in a biological production process.
  • a special variant of the method according to the invention is characterized in that owing to the high amplification of an irradiated excitation light, on the layer (a) and in the layer (a), on the surface of the layer (a) or within a distance of less molecules located at 200 nm from layer (a) are held captive within this distance by the high excitation intensity near the surface and its increasing gradient in the direction of the surface exerting the effect of an “optical tweezers” on these molecules.
  • the inventive method according to one of the preceding embodiments enables simultaneous or sequential, quantitative or qualitative determination of one or more analytes, for example from the group of antibodies or antigens, receptors or ligands, chelators or "histidine tag components", oligonucleotides, DNA or RNA strands, DNA or RNA analogs, enzymes, enzyme factors or inhibitors, lectins and carbohydrates.
  • the samples to be examined can be naturally occurring body fluids such as blood, serum, plasma, lymph or urine or egg yolk.
  • a sample to be examined can also be an optically cloudy liquid, surface water, a soil or plant extract, a bio- or synthesis process broth.
  • the samples to be examined can also be taken from biological tissue parts.
  • the present invention furthermore relates to the use of a grating waveguide structure according to the invention and / or an optical system and / or a method according to the invention, in each case according to one of the aforementioned embodiments, for determining chemical, biochemical or biological analytes in screening processes in pharmaceutical research, combinatorial chemistry, clinical and preclinical development, real-time binding studies and the determination of kinetic parameters in affinity screening and research, qualitative and quantitative analyte determinations, in particular for DNA and RNA analysis, for the preparation of toxicity studies and for the determination of Expression profiles and for the detection of antibodies, antigens, pathogens or bacteria in pharmaceutical product development and research, human and veterinary diagnostics, agrochemical product development and research, symptomatic and presymptomatic plant diagnostics, for patient stratification in pharmaceutical product development and for therapeutic drug selection, for the detection of pathogens, pollutants and pathogens, in particular salmonella, prions and bacteria, in food and environmental analysis.
  • Another object of this invention is the use of a grating waveguide structure according to the invention and / or an optical system and / or a method according to the invention in non-linear optics or in telecommunications or communications technology.
  • a grating waveguide structure according to the invention and / or an optical system according to the invention and / or an analytical system and / or a method according to the invention are also suitable for surface-bound investigations which require the use of very high excitation light intensities and / or excitation durations, such as, for example Studies on the photostability of materials, photocatalytic processes etc.
  • FIG. 1 shows a CCD camera image of a fluorescence after 2-photon excitation that is visible to the naked eye and generated with the aid of a waveguide structure according to the invention
  • a glass substrate AF45 glass as optical layer (b)
  • n 1,496 at 800 nm
  • a pulsed titanium sapphire laser with emission at approx. 800 nm serves as the excitation light source (pulse length: 100 fsec, repetition rate: 80 MHz, average power used: up to 0.6 W, spectral pulse width: 8 nm).
  • the intensity of the excitation light emitted by the laser can be continuously adjusted between 0% and 100% of the output power using an electro-optical modulator.
  • lenses can be used in the excitation beam path (in the direction of the waveguide structure) in order to generate excitation light bundles of the desired geometry which are irradiated in parallel on the coupling grating (c) of the waveguide structure.
  • the incident excitation light is deflected via a mirror onto the coupling grating (c) of the waveguide structure, which is mounted on an adjusting element, which translates in the x, y and z directions (parallel and in the axes perpendicular to the grating lines) and rotation (with the axis of rotation coinciding with the grid lines of the coupling grid).
  • a collimated beam is directed at the resonance angle for coupling onto the coupling grating.
  • the coupling grating level of the waveguide structure
  • the immobilized luminescent dye such a strong 2-photon fluorescence that it can be observed with the naked eye even in ambient light (Fig. 1, taken with an IR-suppressing filter (BG 39
  • the left bright light spot marks the coupling position of the excitation light on the coupling grating.
  • the coupled mode (at a wavelength of 800 nm) spreads from left to right in the image plane. Until the area where the rhodamine dye is immobilized, the guided fashion is invisible. In the direction of mode propagation, to the right, the fluorescence of the rhodamine dye generated by means of 2-photon excitation can then be clearly recognized.
  • the light track to be observed corresponds to a length of approx. 8 mm, up to the next grating structure at which the guided excitation light is coupled out again. A significant weakening of the guided light or the excited 2-photon fluorescence cannot be seen along the entire distance.
  • a high-power laser diode with an emission wavelength of 810 nm (fiber-coupled, 10 W) serves as the excitation light source.
  • a beam shaping optics arranged after the fiber, a parallel excitation beam bundle of the desired shape is generated and irradiated onto the grating (period 360 nm, grating depth 12 nm) at the coupling angle for coupling into the waveguiding layer (a) of the grating-waveguide structure.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine variable Ausführungsform einer Gitter-Wellenleiter-Struktur, basierend auf einem planaren Dünnschichtwellenleiter mit einer ersten optisch transparenten Schicht (a) auf einer zweiten optisch transparenten Schicht (b) mit niedrigerem Brechungsindex als Schicht (a) und einer in der optisch transparenten Schicht (a) modulierten Gitterstruktur (c), dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts. Die Erfindung betrifft auch ein optisches System mit einer Anregungslichtquelle und einer erfindungsgemässen Ausführung einer Gitter-Wellenleiter-Struktur sowie ein Verfahren zur Verstärkung einer Anregungslichtintensität sowie dessen Verwendung in bioanalytischen Nachweisverfahren, in der nichtlinearen Optik oder in der Telekommunikation oder der Nachrichtentechnik.

Description

Gitter-Wellenleiter-Struktur zur Verstärkung eines Anregungsfeldes und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine variable Ausführungsform einer Gitter- Wellenleiter-Struktur, basierend auf einem planaren Dunnschichtwellenleiter mit einer ersten optisch transparenten Schicht (a) auf einer zweiten optisch transparenten Schicht (b) mit niedrigerem Brechungsindex als Schicht (a) und einer in der optisch transparenten Schicht (a) modulierten Gitterstruktur (c), dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts. Die Erfindung betrifft auch ein optisches System mit einer Anregungslichtquelle und einer erfindungsgemässen Ausführung einer Gitter- Wellenleiter- Struktur sowie ein Verfahren zur Verstärkung einer Anregungslichtintensität sowie dessen Verwendung in bioanalytischen Nachweisverfahren, in der nichtlinearen Optik oder in der Telekommunikation oder der Nachrichtentechnik.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von optischen Strukturen und einfach durchführbaren optischen Verfahren, um im Nahfeld der Gitter-Wellenleiter-Struktur, d.h. auf dieser Struktur oder in einem Abstand von weniger als etwa 200 nm, eine sehr hohe Verstärkung eines Anregungslichtfeldes zu erzielen.
Die Verwendung von Gittern als diffraktive Komponenten in der Optik ist in einer Vielzahl von Arbeiten beschrieben und in darauf basierenden technischen Komponenten umgesetzt worden. Beispielsweise beruhen die wohlbekannten Gittermonochromatoren, als Bestandteil von Spektrometern, auf der wellenlängenabhängigen Umlenkung eines eingestrahlten polychromatischen Lichtbündels in unterschiedliche Raumrichtungen. In der modernen Optik haben Gitterstrukturen verstärkten Einsatz gefunden, seit die Techniken zur Herstellung hochpräziser Gitter, insbesondere auch mit sehr kurzer Periode, beispielsweise von deutlich weniger als 400 nm, immer mehr verbessert wurden. Beispiele von Anwendungsgebieten sind die integrierte Optik, Quantenelektronik, Telekommunikation mit optischer Nachrichtenübertragung, beispielsweise für optische Schalter oder Verteiler, etc. Von besonderem Interesse sind dabei Gitterstrukturen in Kombination mit dielektrischen Wellenleitern oder Metallen, mit denen Anomalien in der Diffraktion oder im Reflexionsverhalten erzeugt werden können. Bereits Wood beschrieb 1902 die Beobachtung eines ungewöhnlichen Reflexionsverhaltens ( R. W. Wood, "On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum", Phil. Mag. Vol. 4 (1902) 396 - 402), und Hessel und Oliner erklärten diese Anomalien durch die Erzeugung von Oberflächenwellen in metallischen Gitterstrukturen (A. Hessel and A. A. Oliner, "A new theory of Wood's anomalies", Appl. Optics vol. 4 (1965) 1275 - 1297).
Insbesondere kann bei geeigneter Wahl der Parameter (beispielsweise Gitterperiode und Gittertiefe, Dicke der optisch transparenten Schicht (a) eines optischen Wellenleiters sowie dessen Brechungsindex und Brechungsindices der daran angrenzenden Medien) im Falle eines optischen Wellenleiters ein nahezu vollständiges Verschwinden des transmittierten Lichtes und ein Anstieg des in Richtung der Reflexion ausgesandten Lichtanteils auf nahezu 100 % beobachtet werden. Die physikalischen Bedingungen für das Verschwinden des Transmissionslichts und das gleichzeitige Auftreten einer aussergewöhnlichen "Reflexion" (als Summe aus dem regulären Anteil der Reflexion, entsprechend den Strahlungsgesetzen, und dem über die Gitterstruktur ausgekoppelten Licht) werden beispielsweise in D. Rosenblatt et al., "Resonant Grating Waveguide Structures", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33 (1997) 2038 - 2059, beschrieben und erklärt. In all diesen Arbeiten werden aber jeweils nur die Anteile des im Fernfeld der Gitterstruktur verfügbaren und beobachteten transmittierten oder reflektierten Lichts beschrieben und mit physikalischen Modellen erklärt. Es finden sich keinerlei Hinweise auf die Verteilung der elektromagnetischen Feldstärke oder Intensität an der Oberfläche der Struktur.
Auf der anderen Seite besteht beispielsweise in der biochemischen Analytik ein hoher Bedarf nach Anordnungen und Methoden, mit denen, unter Verwendung von auf einer Oberfläche immobilisierten biochemischen oder biologischen oder synthetischen Erkennungselementen, ein in einer zugeführten Probe befindlicher Analyt mit hoher Selektivität und Empfindlichkeit nachgewiesen werden kann. Viele bekannte Nachweismethoden stützen sich dabei auf die Bestimmung einer oder mehrerer Lumineszenzen in Anwesenheit des Analyten. Mit dem Begriff "Lumineszenz" wird dabei in dieser Anmeldung die spontane Emission von Photonen im ultravioletten bis infraroten Bereich nach optischer oder nichtoptischer, wie beispielsweise elektrischer oder chemischer oder biochemischer oder thermischer Anregung, bezeichnet. Beispielsweise sind Chemilumineszenz, Biolumineszenz, Elektrolumineszenz und insbesondere Fluoreszenz und Phosphoreszenz unter dem Begriff "Lumineszenz" mit eingeschlossen.
Der Begriff "optische Transparenz eines Materials" wird im folgenden in dem Sinne verwendet, dass die Transparenz dieses Materials bei mindestens einer Anregungswellenlänge gefordert wird. Bei einer längeren oder kürzeren Wellenlänge kann dieses Material auch absorbierend sein.
Mittels hochbrechender Dunnschichtwellenleiter, basierend auf einem nur einige hundert Nanometer dünnen wellenleitenden Film auf einem transparenten Trägermaterial, konnte in den letzten Jahren die Empfindlichkeit deutlich gesteigert werden. Beispielsweise wird in der WO 95/33197 eine Methode beschrieben, in der das Anregungslicht über ein Reliefgitter als diffraktives optisches Element in den wellenleitenden Film eingekoppelt wird. Die Oberfläche der Sensorplattform wird mit einer den Analyten enthaltenden Probe in Kontakt gebracht, und die isotrop abgestrahlte Lumineszenz in der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes befindlicher lumineszenzfähiger Substanzen wird mittels geeigneter Messvorrichtungen, wie zum Beispiel Photodioden, Photomultiplier oder CCD-Kameras, gemessen. Es ist auch möglich, den in den Wellenleiter rückgekoppelten Anteil der evaneszent angeregten Strahlung über ein diffraktives optisches Element, zum Beispiel ein Gitter, auszukoppeln und zu messen. Diese Methode ist zum Beispiel in der WO 95/33198 beschrieben.
Die Begriffe "evaneszentes Feld" und "Nahfeld" werden nachfolgend synonym verwendet.
Ein Nachteil aller oben im Stand der Technik, insbesondere in der WO 95/33197 und WO 95/33198 beschriebenen Verfahren zur Detektion evaneszent angeregter Lumineszenz liegt darin, dass auf der als homogener Film ausgebildeten wellenleitenden Schicht der Sensorplattform jeweils nur eine Probe analysiert werden kann. Um weitere Messungen auf derselben Sensorplattform durchführen zu können, sind fortlaufend aufwendige Wasch- bzw. Reinigungsschritte notwendig. Dieses gilt insbesonders, wenn ein von der ersten Messung verschiedener Analyt delektiert werden soll. Im Falle eines Immunoassays bedeutet dieses im allgemeinen, dass die gesamte immobilisierte Schicht auf der Sensorplattform ausgetauscht oder gleich eine neue Sensorplattform als Ganzes verwendet werden muss.
Es besteht daher zugleich das Bedürfnis, ein Verfahren zu entwickeln, welches es erlaubt, parallel, das heisst gleichzeitig oder direkt hintereinander ohne zusätzliche Reinigungsschritte, mehrere Proben zu analysieren.
Zur gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Durchführung von ausschliesslich lumineszenzbasierenden Mehrfachmessungen mit im wesentlichen monomodalen, planaren anorganischen Wellenleitern sind, z. B. in der WO 96/35940, Vorrichtungen (Arrays) bekannt geworden, in denen auf einer Sensorplattform wenigstens zwei getrennte wellenleitende Bereiche angeordnet sind, die getrennt mit Anregungslicht bestrahlt werden. Die Aufteilung der Sensorplattform in getrennte wellen leitende Bereiche hat allerdings nachteilig zur Folge, dass der Platzbedarf für diskrete Messbereiche, in diskreten wellenleitenden Bereichen auf der gemeinsamen Sensorplattform relativ gross ist und daher wieder nur eine verhältnismässige geringe Dichte unterschiedlicher Messfelder (oder sogenannter "features") erreicht werden kann.
Es besteht daher ausserdem der Bedarf nach einer Vergrösserung der Feature-Dichte bzw. nach einer Verkleinerung der erforderlichen Fläche pro Messbereich.
Basierend auf einfachen Glas- oder Mikroskop-Plättchen, ohne zusätzliche wellenleitende Schichten, sind Arrays mit einer sehr hohen Feature-Dichte bekannt. Beispielsweise werden in der US 5445934 (Affymax Technologies) Arrays von Oligonukleotiden mit einer Dichte von mehr als 1000 Features pro Quadratzentimeter beschrieben und beansprucht. Die Anregung und das Auslesen solcher Arrays beruht auf klassischen optischen Anordnungen und Methoden. Es kann das ganze Array gleichzeitig mit einem aufgeweiteten Anregungslichtbündel beleuchtet werden, was jedoch zu einer relativ geringen Empfindlichkeit führt, da die Anregung nicht auf die wechselwirkende Oberfläche beschränkt ist und da ausserdem der Streulichtanteil relativ gross ist und Streulicht oder Untergrundfluoreszenzlicht aus dem Glassubstrat auch in den Bereichen erzeugt wird, in denen sich keine zur Bindung des Analyten immobilisierten Oligonukleotide befinden. Um die Anregungsintensitäten zu erhöhen und die Empfindlichkeit bei der Detektion zu verbessern, werden vielfach konfokale Messanordnungen eingesetzt und die verschiedenen Features sequentiell mittels "Scannen" ausgelesen. Dieses hat jedoch einen grösseren Zeitaufwand zum Auslesen eines grossen Arrays und einen relativ komplexen optischen Aufbau zur Folge.
Es besteht daher das Bedürfnis nach einer Ausgestaltung der Sensorplattform und nach einer optischen Messanordnung, womit eine ebenso hohe oder sogar noch höhere Empfindlichkeit erzielt werden kann, als diese mit Sensorplattformen basierend auf Dünnschichtwellenleitern erreicht wurde, und mit der zugleich die Messfläche pro Feature minimiert werden kann.
In einer co-pendenten Anmeldung (PCT/EP 00/04869) wird eine Sensorplattform mit einem Schichtwellenleiter, umfassend eine optisch transparente Schicht (a) auf einer zweiten Schicht (b) mit niedrigerem Brechungsindex als Schicht (a) und einer in der optisch transparenten Schicht (a) modulierten Gitterstruktur (c) mit darauf erzeugten Messbereichen beschrieben. Dabei kann durch geeignete Wahl der Parameter, insbesondere der Gittertiefe, nach Einkopplung von Anregungslicht zu den Messbereichen und damit verbundener Lumineszenzanregung im Nahfeld der Schicht (a) das in die Schicht (a) rückgekoppelte Lumineszenzlicht über kürzeste Strecken, d.h. wenige hundert Mikrometer, vollständig ausgekoppelt und damit an einer weiteren Ausbreitung in der wellenleitenden Schicht (a) gehindert werden.
Durch diese Anordnung ist es möglich, einen hochempfindlichen gleichzeitigen Nachweis einer Vielzahl von Analyten auf sehr engem Raum durchzuführen. Durch Optimierung der Strahlengänge und Ausblenden von Reflexionen oder Streulicht kann die Empfindlichkeit weiter gesteigert werden, jedoch bleiben schliesslich die Untergrundsignale und das damit verbundene Rauschen des Untergrunds limitierend. Dieses ist unter anderem dadurch bedingt, dass bei den meisten verwendeten Lumineszenzfarbstoffen der spektrale Abstand zwischen Anregungs- und Emissionswellenlänge (Stokes-Shift) relativ gering ist, typischerweise zwischen 20 nm und 50 nm. Zwar sind einige Lumineszenzfarbstoffe bekannt, welche einen grossen Stokes-Shift, bis etwa 300 nm, aufweisen, wie beispielsweise einige Lanthanid-Komplexe. Diese besitzen nachteilig jedoch im allgemeinen eine relativ niedrige Quantenausbeute und / oder Photostabilität. Ausserdem ist bei den bekannten Anordnungen basierend auf hochbrechenden Dünnschichtwellenleitern, beispielsweise basierend auf wellenleitenden Schichten aus Ta2θ5 oder TiO2, mit herkömmlicher Anregung nachteilig, dass die Ausbreitungsverluste dieser Wellenleiter, ebenso wie auch die Eigenfluoreszenz dieser Dunnschichtwellenleiter (beispielsweise durch Spuren von fluoreszenten Verunreinigungen in der Schicht (b)), bei kurzen Anregungswellenlängen drastisch ansteigen. So ist hier kurzwellige Anregung bei etwa 450 nm bis 500 nm limitiert. Es wäre jedoch eine Anordnung wünschenswert, mit der Fluorophore auch bei kürzeren Wellenlängen angeregt werden und ihre Lumineszenzen mit einem möglichst niedrigen oder bestenfalls sogar ohne Untergrund detektiert werden können.
Seit kurzem sind Methoden bekannt geworden, welche eine nahezu hintergrundfreie Lumineszenzdetektion erlauben und auf 2-Photonen- Anregung beruhen. Eine 2-Photonen- Anregung erfordert jedoch extrem hohe Feldstärken bzw. Intensitäten des Anregungslichts. Diese erreicht man in den beschriebenen Anordnungen mit leistungsstarken Pulslasern extrem kurzer Pulslängen (typischerweise von Femtosekunden). Diese optischen Anordnungen sind jedoch mit sehr hohen Systemkosten verbunden und stellen hohe Anforderungen an die fachliche Qualifikation des Benutzers. Sie sind daher für routinemässigere Anwendungen, ausserhalb des Forschungsbereichs, nicht geeignet. Beispielsweise wird in einer sehr frühem Arbeit, in der US 3572941 aus dem Jahre 1967, zur Entwicklung von Anordnungen für 3- dimensionale Bildwiedergabe und -speicherung, beschrieben, dass beispielsweise zur (permanenten) Änderung der optischen Dichte eines Speichermediums, z. B. eines Einkristalles, beispielsweise CaF2 dotiert mit La, Anregungsintensitätsdichten in der Grössenordnung von mindestens 20 MW/cm2 erforderlich sind. Solche Intensitätsdichten sind beispielsweise mit gepulsten Hochleistungslasern in konfokalen mikroskopischen Anordnungen erreicht und beschrieben worden, wie zum Beispiel in der US 5034613 mit einem Laserfokusdurchmesser von weniger als einem Mikrometer in der Fokusebene des Mikroskops. Die Ausmessung einer ausgedehnten Fläche mittels Scannens erfordert jedoch wiederum neben dem grossen instrumentellen Aufwand nachteilig auch einen hohen Zeitaufwand.
Es wurde nun überraschend gefunden, dass bei geeigneter Wahl der physikalischen Parameter einer Gitter- Wellenleiterstruktur und Einstrahlung eines Anregungslichts bei Annäherung an den Resonanzwinkel zur Einkopplung des Anregungslichts in die wellenleitende Schicht (a) der Struktur eine Verstärkung der Anregungsintensität im Nahfeld dieser Struktur, d. h. in einem Abstand von weniger als 200 nm, um mehr als drei Zehnerpotenzen erreicht werden kann. Innerhalb der wellenleitenden Schicht (a) ergibt sich sogar ein noch grösserer Verstärkungsfaktor.
Durch diese Feldverstärkung mithilfe der erfindungsgemässen Struktur kann ohne grösseren technischen Aufwand beispielsweise die notwendige Feldstärke für eine 2-Photonen-Anregung im Nahfeld der Struktur überraschenderweise erreicht werden.
Aufgrund der mit relativ geringem Aufwand erreichbaren sehr hohen, oberflächengebundenen Anregungslichtintensitäten, die aufgrund der sehr hohen Verstärkungsfaktoren selbst für vergleichsweise niedrige eingestrahlte Anregungsintensitäten erreicht werden können, eignen sich erfindungsgemässe Gitter- Wellenleiter-Strukturen für den Einsatz in einer Vielzahl verschiedener technischer Gebiete. Neben der besprochenen Bestimmung der Bindung eines Analyten an auf einer Oberfläche immobilisierte Erkennungselemente in der Bioanalytik stellt beispielsweise die Kommunikationstechnik ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet dar. Im Zuge der immer höheren Anforderungen an die Schnelligkeit der Datenübertragung, des Vernetzungsgrades der Systeme und den Umfang der zu übertragenden Datenmengen kommt der Signalübertragung auf optischem Wege eine immer grössere Rolle zu. Insbesondere besteht hier ein hohes Bedürfnis, auf optischem Wege übertragene Daten auch optisch schalten zu können. Gegenwärtig genutzte Systeme müssen die optischen Signale zunächst in elektrische Signale umwandeln. Die elektrischen Signale werden dann elektrisch geschaltet, und anschließend wieder in optische Signale umgewandelt. Dieses erfordert einen hohen technischen Aufwand und ist zugleich mit deutlichen Einbussen in der Geschwindigkeit der Datenübermittlung verbunden.
Erste Vorschläge zum rein optischen Schalten von Daten sind in verschiedenen wissenschaftlichen Veröffentlichungen gemacht worden. Hierbei wird ein Wellenleiter aus einem Material mit hoher Nichtlinearität dritter Ordnung verwendet. Zu solchen Materialien mit hohen Nichtlinearitäten dritter Ordnung zählen vor allem Polymere, beispielsweise Polydiacetylen (n = 1.58), Polytoluensulfonat (n = 1.88) und Polyphenylenvinylen (n = 2.0 ). Ein solches Material zeichnet sich dadurch aus, dass sich sein Brechungsindex in Gegenwart hoher elektromagnetischer Feldstärken ändert. Im Wellenleiter ist ein Gitter in Form eines „Bragg-Gratings" strukturiert. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass es für bestimmte Wellenlängen eines im Wellenleiter geführten Lichts reflektierend und für andere transmittierend ist. Zur Verwendung als optische Schalter sind die genannten Wellenleiter und darin befindlichen Gitter so ausgelegt, dass im unbeeinflussten Fall ein aus einem unstrukturierten Bereich des Wellenleiters kommendes, geführtes optisches Signal (Lichtpuls) von der Gitterstruktur transmittiert wird, d.h. in Ausbreitungsrichtung durch die Gitterstruktur hindurch weitergeführt wird. Trifft jedoch zeitgleich mit dem Signalpuls ein zweiter Puls sehr hoher Intensität, als sogenannter „Schaltpuls", auf das Bragg-Gitter, so verändern sich aufgrund der Nichtlinearität dritter Ordnung die optischen Eigenschaften dieser Gitterstruktur derart, dass der Signalpuls reflektiert wird (siehe z. B. C. M. de. Sterke und J. E. Sipe, „Switching dynamics of finite periodic nonlinear media: A numerical study", Phys. Rev. A, Vol. 42, No, 5, 2858-2869 (1990) und N. D. Sankey et al. „AU-optical switching in a nonlinear periodic-waveguide structure", Appl. Phys. Lett. 60(12), 1427-1429, (1992)).
Bei diesen beschriebenen Methoden wird der Schaltpuls im gleichen Wellenleiter wie der Signalpuls geführt und muss daher über eine zusätzliche Vorrichtung ein- und ausgekoppelt werden.
Mittels einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur mit einem Bragg-Grating als Gitterstruktur (c) und einem Material mit hoher Nichtlinearität dritter Ordnung für die optisch transparente, wellenleitende Schicht (a) kann demgegenüber überraschenderweise der Schalteffekt aufgrund der starken Erhöhung der Feldstärke auch im Wellenleiter (a) im Resonanzfall schon bei deutlich niedrigeren Intensitäten des Schaltpulses erzielt werden. Zusätzlich bietet diese erfindungsgemässe neue Ausführung eines optischen Schalters den Vorteil, dass ein zusätzliches Einkoppeln, Führung im Wellenleiter und anschliessendes Auskoppeln des Schaltpulses an einem anderen Ort auf der Struktur entfällt.
Erster Gegenstand der Erfindung ist eine Gitter- Wellenleiter-Struktur, umfassend einen planaren Dünnschicht- Wellenleiter, mit einer bei mindestens einer Anregungswellenlängen transparenten Schicht (a) auf einer bei mindestens dieser Anregungswellenlänge ebenfalls transparenten Schicht (b) mit niedrigerem Brechungsindex als Schicht (a) und mindestens einer in Schicht (a) modulierten Gitterstruktur (c), dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
Die wesentlichsten Parameter für die Gestaltung der Gitter-Wellenleiter-Struktur, um einen möglichst grossen Verstärkungseffekt zu erzielen, sind dabei die Tiefe der Gitterstruktur (c) sowie der Brechungsindex der optischen Schicht (a) und deren Dicke. Durch eine Optimierung dieser Parameter ist es möglich, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 1 000 oder 10 000 oder sogar 100 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
Diese hohe Verstärkung einer eingestrahlten Anregungslichtintensität mittels einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur führt dazu, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) ausreichend hoch ist, um ein auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliches Molekül mittels 2-Photonen- Absorption zur Lumineszenz anzuregen.
Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen zur Erzeugung ausreichend hoher Anregungsintensitäten für eine 2-Photonen- Anregung, welche im allgemeinen die Fokussierung des anregenden Laserlichts auf einen Durchmesser von wenigen Mikrometern erfordern, ist es mit der erfindungsgemässen Struktur möglich, die erforderlichen Intensitätsdichten grossflächig, das heisst auf einer Fläche in der Grössenordnung mehrerer Quadratmillimeter bis Quadratzentimeter, zu erzielen. Es wird daher eine solche Gitter- Wellenleiter-Struktur bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) gleichzeitig auf einer Fläche von mindestens 1 mm2 auf besagter Gitter- Wellenleiter- Struktur ausreichend hoch ist, um auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliche Moleküle mittels 2-Photonen-Absorption zur Lumineszenz anzuregen.
Die sehr grosse Anregungsintensität, insbesondere zur Ermöglichung einer 2-Photonen- Anregung, ist für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen nützlich, beispielsweise in der Biosensorik, wie später genauer ausgeführt, aber auch in der Nachrichten- und (Tele- )Kommunikationstechnik für eine schnelle Signalübertragung. Insbesondere für eine Anwendung auf den letztgenannten Gebieten wird es bevorzugt, dass die Gitter- Wellenleiter- Struktur Vorrichtungen für eine Signalübertragung auf eine benachbarte Gitter- Wellenleiter- Struktur umfasst. Dieses kann dadurch realisiert werden, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) durch 2-Photonen-Absorption erzeugte Lumineszenz mittels Auskopplung über eine Gitterstruktur (c) auf eine benachbarte Gitter- Wellenleiter-Struktur übertragen wird.
Eine Signalübertragung kann jedoch auch innerhalb der Gitter-Wellenleiter-Struktur, das heisst in der Schicht (a) erfolgen. Dazu wird bevorzugt, dass die Struktur gleichförmige, unmodulierte Bereiche der Schicht (a) umfasst, welche vorzugsweise in Ausbreitungsrichtung des über eine Gitterstruktur (c) eingekoppelten und in der Schicht (a) geführten Anregungslichts angeordnet sind. Insbesondere kann die Struktur so gestaltet sein, dass sie eine Vielzahl von Gitterstrukturen (c) gleicher oder unterschiedlicher Periode mit optional daran anschliessenden gleichförmigen, unmodulierten Bereichen der Schicht (a) auf einem gemeinsamen, durchgehenden Substrat umfasst. Dadurch ist es auch möglich, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) durch 2- Photonen-Absorption erzeugte Lumineszenz mindestens teilweise in die Schicht (a) einkoppelt und durch Leitung in der Schicht (a) zu benachbarten Bereichen auf besagter Gitter- Wellenleiter-Struktur geführt wird.
Für Anwendungen in der Kommunikationstechnologie wird eine solche Ausführungsform der erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) ausreichend hoch ist zum Schalten der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) für ein in der Schicht (a) geführtes Lichtsignal. Der Schalteffekt beruht darauf, dass die hohe Lichtintensität und Feldstärke, in diesem Falle innerhalb der Schicht (a), dazu ausreichen, um die Transmissionseigenschaften einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur, welche in diesem Fall als "Bragg-Grating" mit den dafür charakteristischen, vorangehend genannten Eigenschaften ausgebildet ist, zu verändern. Ein besonderer Vorteil einer solchen erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Struktur ist, dass die Schaltung der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) mittels eines von ausserhalb der Schicht (a) auf besagte Gitterstruktur eingestrahlten Anregungslichts möglich ist. Die Schaltfunktion der erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Struktur wird bevorzugt dadurch ermöglicht, dass besagte Gitterstruktur (c) als "Bragg-Grating" ausgebildet ist und die Schaltfunktion auf dem Wechsel der Gitterfunktion von Transmission in Reflexion eines in der Schicht (a) geführten Lichtsignals aufgrund einer durch die verstärkte Anregungslichtintensität in der Schicht (a) im Bereich der Gitterstruktur hervorgerufenen Änderung des optischen Brechungsindexes beruht.
Für bestimmte Anwendungen ist es wünschenswert, gleichzeitig oder sequentiell Anregungslicht unterschiedlicher Wellenlänge für dieselbe Gitter-Wellenleiter-Struktur zu verwenden. Dann kann es von Vorteil sein, wenn diese eine Überlagerung von 2 oder mehreren Gitterstrukturen unterschiedlicher Periodizität mit zueinander paralleler oder nicht paralleler, vorzugsweise nicht paralleler Ausrichtung der Gitterlinien umfasst, welche der Einkopplung von Anregungslicht unterschiedlicher Wellenlänge dient, wobei im Falle von 2 überlagerten Gitterstrukturen deren Gitterlinien vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
Die Höhe der Ausbreitungsverluste eines in einer optisch wellenleitenden Schicht (a) geführten Modes wird in hohem Masse von der Oberflächenrauhigkeit einer darunter liegenden Trägerschicht sowie von Absorption durch möglicherweise in dieser Trägerschicht vorhandene Chromophoren bestimmt, was zusätzlich das Risiko der Anregung von für viele Anwendungen unerwünschter Lumineszenz in dieser Trägerschicht, durch Eindringen des evaneszenten Feldes des in der Schicht (a) geführten Modes, in sich birgt. Weiterhin kann es zum Auftreten thermischer Spannungen infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der optisch transparenten Schichten (a) und (b) kommen. Im Falle einer chemisch empfindlichen optisch transparenten Schicht (b), sofern sie beispielsweise aus einem transparenten thermoplastischen Kunststoff besteht, ist es wünschenswert, ein Eindringen von Lösungsmitteln, welche die Schicht (b) angreifen könnten, durch eventuell in der optisch transparenten Schicht (a) vorhandene Mikroporen zu verhindern.
Daher ist es von Vorteil, wenn sich zwischen den optisch transparenten Schichten (a) und (b) und in Kontakt mit Schicht (a) eine weitere optisch transparente Schicht (b') mit niedrigerem Brechungsindex als dem der Schicht (a) und einer Stärke von 5 nm - 10 000 nm, vorzugsweise von 10 nm - 1000 nm, befindet. Durch die Einführung dieser Zwischenschicht können eine Vielzahl von Aufgaben erfüllt werden: Verringerung der Oberflächenrauhigkeit unter der Schicht (a), Verminderung des Eindringens des evaneszenten Feldes von in Schicht (a) geführtem Licht in die eine oder mehrere darunter liegende Schichten, Verbesserung der Haftung der Schicht (a) auf der einen oder mehreren darunter liegenden Schichten, Verminderung von thermisch hervorgerufenen Spannungen innerhalb der Gitter- Wellenleiter- Struktur, chemische Isolation der optisch transparenten Schicht (a) von darunter liegenden Schichten mittels Abdichten von Mikroporen in der Schicht (a) gegen darunter liegende Schichten.
Die Gitterstruktur (c) der erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur kann ein diffraktives Gitter mit einer einheitlichen Periode oder ein multidiffraktives Gitter sein. Es ist auch möglich, dass die Gitterstruktur (c) eine senkrecht oder parallel zur Ausbreitungsrichtung des in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelten Anregungslichts räumlich variierende Periodiziät aufweist.
Es wird bevorzugt, dass das Material der zweiten optisch transparenten Schicht (b) der erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur aus Glas, Quarz oder einem transparenten thermoplastischen oder spritzbaren Kunststoff, beispielsweise aus der Gruppe besteht, die von Polycarbonat, Polyimid oder Polymethylmethacrylat gebildet wird. Weitere Beispiele geeigneter Kunststoffe sind Polystyrol, Polyethylen, Polyethylen-Terephtalat Poplypropylen oder Polyurethan und deren Derivate.
Es wird weiterhin bevorzugt, dass der Brechungsindex der ersten optisch transparenten Schicht (a) grösser als 1.8 ist. Für die optische Schicht (a) sind eine Vielzahl von Materialien geeignet. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird bevorzugt, dass die erste optisch transparente Schicht (a) ein Material aus der Gruppe von TiO2, ZnO, Nb2O5, Ta O5, HfO2, oder ZrO2, besonders bevorzugt aus TiO2 oder Nb2O5 oder Ta O5, oder einem Material mit einer hohen Nichtlinearität des Brechungsindexes dritter Ordnung, wie beispielsweise Polydiacetylen, Polytoluensulfonat oder Polyphenylenvinylen, umfasst.
Neben dem Brechungsindex der wellenleitenden optisch transparenten Schicht (a) ist deren Dicke der zweite massgebliche Parameter zur Erzeugung eines möglichst starken evaneszenten Feldes an deren Grenzflächen zu benachbarten Schichten mit niedrigerem Brechungsindex sowie einer möglichst hohen Energiedichte innerhalb der Schicht (a). Dabei nimmt die Stärke des evaneszenten Feldes mit abnehmender Dicke der wellenleitenden Schicht (a) zu, solange die Schichtdicke ausreicht, um mindestens einen Mode der Anregungswellenlänge zu führen. Dabei ist die minimale "Cut-off '-Schichtdicke zur Führung eines Modes abhängig von der Wellenlänge dieses Modes. Sie ist für längerwelliges Licht grösser als für kurzwelliges Licht. Mit Annäherung an die "Cut-off '-Schichtdicke nehmen allerdings auch ungewünschte Ausbreitungsverluste stark zu, was die Auswahl der bevorzugten Schichtdicke zusätzlich nach unten begrenzt. Bevorzugt sind solche Schichtdicken der optisch transparenten Schicht (a), welche nur die Führung von 1 bis 3 Moden einer vorgegebenen Anregungswellenlänge ermöglichen, ganz besonders bevorzugt sind Schichtdicken, welche zu monomodalen Wellenleitern für diese Anregungswellenlänge führen. Dabei ist klar, dass sich der diskrete Modencharakter des geführten Lichts nur auf die transversalen Moden bezieht.
Diese Anforderungen führen dazu, dass vorteilhaft das Produkt aus der Dicke der Schicht (a) und ihrem Brechungsindex ein Zehntel bis ein Ganzes, bevorzugt ein Drittel bis zwei Drittel, der Anregungswellenlänge eines in die Schicht (a) einzukoppelnden Anregungslichts beträgt.
Bei vorgegebenen Brechungsindices der wellenleitenden, optisch transparenten Schicht (a) und der benachbarten Schichten ist der Resonanzwinkel für die Einkopplung des Anregungslichts entsprechend der oben genannten Resonanzbedingung abhängig von der einzukoppelnden Beugungsordnung, der Anregungswellenlänge sowie der Gitterperiode. Zum Erreichen einer hohen Einkoppeleffizienz ist die Einkopplung der ersten Beugungsordnung vorteilhaft. Neben der Höhe der Beugungsordnung ist für die Höhe der Einkoppeleffizienz die Gittertiefe massgeblich. Prinzipiell vergrössert sich die Koppeleffizienz mit steigender Gittertiefe. Da der Prozess der Auskopplung völlig reziprok zur Einkopplung erfolgt, erhöht sich jedoch zugleich auch die Auskoppeleffizienz, so dass es beispielsweise zur Anregung von Lumineszenz in einem auf der Gitterstruktur (c) angeordneten oder an diese angrenzenden Messbereich (d) (gemäss nachfolgender Definition), in Abhängigkeit von der Geometrie der Messbereiche und der eingestrahlten Anregungslichtbündel, ein Optimum gibt. Aufgrund dieser Randbedingungen ist es von Vorteil, wenn das Gitter (c) eine Periode von 200 nm - 1000 nm aufweist und die Modulationstiefe des Gitters (c) 3 bis 100 nm, bevorzugt 10 bis 30 nm beträgt.
Weiterhin wird bevorzugt, dass das Verhältnis von Modulationstiefe zur Dicke der ersten optisch transparenten Schicht (a) gleich oder kleiner als 0,2 ist. Dabei kann die Gitterstruktur (c) ein Reliefgitter mit Rechteck-, Dreieck- oder halbkreisförmigem Profil oder ein Phasen- oder Volumengitter mit einer periodischen Modulation des Brechungsindex in der im wesentlichen planaren optisch transparenten Schicht (a) sein.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn auf der Gitter- Wellenleiter-Struktur optisch oder mechanisch erkennbare Markierungen zur Erleichterung der Justierung in einem optischen System und / oder zur Verbindung mit Probenbehältnissen als Teil eines analytischen Systems aufgebracht sind.
Die erfindungsgemässe Gitter- Wellenleiter-Struktur eignet sich insbesondere für den Einsatz in der biochemischen Analytik, zum hochempfindlichen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren zugeführten Proben. Die nachfolgende Gruppe von Bevorzugungen ist besonders auf dieses Einsatzgebiet ausgerichtet. Für diese Anwendungen werden biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungskennungs-elemente zur Erkennung und Bindung nachzuweisender Analyten auf der Gitter- Wellenleiter-Struktur immobilisiert. Dieses kann grossflächig, eventuell über der gesamten Struktur, oder in diskreten sogenannten Messbereichen geschehen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen räumlich getrennte Messbereiche (d) durch die Fläche definiert werden, die dort immobilisierte biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselementen zur Erkennung eines oder mehrerer Analyten aus einer flüssigen Probe einnehmen. Diese Flächen können dabei eine beliebige Geometrie, beispielsweise die Form von Punkten, Kreisen, Rechtecken, Dreiecken, Ellipsen oder Linien, haben. Es ist möglich, dass in einer 2-dimensionalen Anordnung bis zu 1 000 000 Messbereiche auf einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur angeordnet sind, wobei ein einzelner Messbereich beispielsweise eine Fläche von 0.001 mm"" - 6 mm" einnehmen kann. Innerhalb eines einzelnen Messbereichs können gleichartige Erkennungselemente für Erkennung und Bindung bzw. Nachweis eines einzelnen Analyten auf diesem Messbereich, oder auch unterschiedliche Erkennungselemente, zur Erkennung verschiedener Analyten, immobilisiert sein. Es können als Erkennungselemente auch solche Verbindungen verwendet werden, welche mehrere (d.h. zwei oder mehr) unterschiedliche Bereiche oder Abschnitte aufweisen, an welche unterschiedliche Analyten binden können.
Beispielsweise im Falle eines planaren optischen Dünnschichtwellenleiters mit einer oder mehreren Gitterstrukturen (c) zur Einkopplung von Anregungslicht als Wellenleiter-Struktur können die Messbereiche auf einer solchen Gitterstruktur oder auf einem gleichförmigen, unmodulierten Bereich, in Ausbreitungsrichtung des geführten Anregungslichts nachfolgend auf eine solche Gitterstruktur, angeordnet sein.
Um gleichzeitig mehrere Analyten in einer Probe nachzuweisen, kann es von Vorteil sein, zwei oder mehrere räumlich getrennte Messbereiche jeweils zu Segmenten auf der Gitter- Wellenleiter-Struktur zusammenzufassen. Verschiedene Segmente können durch Gitterstrukturen (c) oder durch andere auf der Gitter- Wellenleiter-Struktur erzeugte Unterteilungen, beispielsweise absorbierende Streifen eines aufgebrachten Pigments oder die Zwischenwände von Strukturen zur Erzeugung von Probenbehältnissen mit der Gitter- Wellenleiter-Struktur als Grundfläche, insbesondere optisch voneinander getrennt sein, wenn ein Übersprechen von in benachbarten Segmenten erzeugtem und in die Schicht (a) rückgekoppeltem Lumineszenzlicht verhindert werden soll. Zusätzlich können verschiedene Segmente durch eine aufgebrachte Berandung, welche zur fluidischen Abdichtung gegen Nachbarbereiche und / oder zu einer weiteren Verminderung optischen Übersprechens zwischen benachbarten Segmenten beiträgt, gegeneinander abgegrenzt werden.
Es gibt eine Vielzahl von Methoden zur Aufbringung der biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen auf die optisch transparente Schicht (a). Beispielsweise kann dieses durch physikalische Adsorption bzw. durch elektrostatische Wechselwirkung erfolgen. Die Orientierung der Erkennungselemente ist dann im allgemeinen statistisch. Ausserdem besteht die Gefahr, dass bei unterschiedlicher Zusammensetzung der den Analyten enthaltenden Probe oder der im Nachweisverfahren eingesetzten Reagentien ein Teil der immobilisierten Erkennungselemente fortgespült wird. Daher kann es von Vorteil sein, wenn zur Immobilisierung biologischer oder biochemischer oder synthetischer Erkennungselemente (e) auf der optisch transparenten Schicht (a) eine Haftvermittlungsschicht (f) aufgebracht ist. Diese Haftvermittlungsschicht sollte ebenfalls optisch transparent sein. Insbesondere sollte die Haftvermittlungsschicht nicht über die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes aus der wellenleitenden Schicht (a) in das darüber liegende Medium hinausragen. Daher sollte die Haftvermittlungsschicht (f) eine Stärke von weniger als 200 nm, vorzugsweise von weniger als 20 nm, haben. Sie kann beispielsweise chemische Verbindungen aus der Gruppe Silane, Epoxide, funktionalisierte, geladene oder polare Polymere und "selbstorganisierte funktionalisierte Monoschichten" umfassen.
Wie in der Definition der Messbereiche festgestellt, ist es möglich, durch räumlich selektive Aufbringung von biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen auf der Gitter-Wellenleiter-Struktur räumlich getrennte Messbereiche (d) zu erzeugen. Im Kontakt mit einem lumineszenzfähigen Analyten oder eines mit dem Analyten um die Bindung an die immobilisierten Erkennungselemente konkurrierenden lumineszenzmarkierten Analogen des Analyten oder eines weiteren lumineszenzmarkierten Bindungspartners in einem mehrstufigen Assay werden diese lumineszenz fähigen Moleküle nur selektiv in den Messbereichen an die Oberfläche der Gitter-Wellenleiter-Struktur binden, welche durch die Flächen definiert werden, die von den immobilisierten Erkennungselementen eingenommen werden.
Zur Aufbringung der biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen können eines oder mehrere Verfahren verwendet werden aus der Gruppe von Verfahren, die von "InkJet spotting, mechanischem Spotting, micro contact printing, fluidische Kontaktierung der Messbereiche mit den biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen durch deren Zufuhr in parallelen oder gekreuzten Mikrokanälen, unter Einwirkung von Druckunterschieden oder elektrischen oder elektromagnetischen Potentialen" , gebildet werden.
Als biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselementen können Komponenten aus der Gruppe aufgebracht werden, die von beispielsweise Nukleinsäuren (beispielsweise DNA, RNA, Oligonukleotiden), Nukleinsäureanalogen (z. B. PNA), Antikörpern, Aptameren, membran-gebundenen und isolierten Rezeptoren, deren Liganden, Antigene für Antikörper, "Histidin-Tag-Komponenten", durch chemische Synthese erzeugte Kavitäten zur Aufnahme molekularer Imprints, etc. gebildet wird. Unter der letztgenannten Art von Erkennungselementen sind Kavitäten zu verstehen, die in einem Verfahren hergestellt werden, welches als "molecular imprinting" in der Literatur beschrieben wurde. Dazu wird, meistens in organischer Lösung, der Analyt oder ein Analogon des Analyten, in einer Polymerenstruktur eingekapselt. Man bezeichnet ihn dann als "Imprint". Dann wird der Analyt oder sein Analogon unter Zugabe geeigneter Reagentien aus der Polymerenstruktur wieder herausgelöst, so dass er dort eine leere Kavität zurücklässt. Diese leere Kavität kann dann als eine Bindungsstelle mit hoher sterischer Selektivität in einem späteren Nachweisverfahren eingesetzt werden.
Selbstverständlich eignet sich auch jede andere Verbindung als Erkennungselement, welche entsprechend der gewünschten und für die jeweilige Anwendung erforderlichen Selektivität einen nachzuweisenden Analyten erkennt und mit ihm wechselwirkt.
Es ist auch möglich, dass als biochemische oder biologische Erkennungselemente ganze Zellen oder Zellfragmente aufgebracht werden.
In vielen Fällen wird die Nachweisgrenze eines analytischen Verfahrens limitiert durch Signale sogenannter unspezifischer Bindung, d. h. durch Signale, welche durch Bindung des Analyten oder anderer zum Nachweis des Analyten eingesetzter Verbindungen erzeugt werden, welche nicht nur im Bereich der eingesetzten immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente, sondern auch in davon unbedeckten Bereichen einer Gitter- Wellenleiter-Struktur gebunden werden, beispielsweise durch hydrophobe Adsorption oder durch elektrostatische Wechselwirkungen. Daher ist es von Vorteil, wenn zwischen den räumlich getrennten Messbereichen (d) gegenüber dem Analyten "chemisch neutrale" Verbindungen zur Verminderung unspezifischer Bindung oder Adsorption aufgebracht sind. Als "chemisch neutrale" Verbindungen werden dabei solche Stoffe bezeichnet, welche selbst keine spezifischen Bindungsstellen zur Erkennung und Bindung des Analyten oder eines Analogen des Analyten oder eines weiteren Bindungspartners in einem mehrstufigen Assay aufweisen und durch ihre Anwesenheit den Zugang des Analyten oder seines Analogen oder der weiteren Bindungspartner zur Oberfläche der Gitter- Wellenleiter-Struktur blockieren.
Als "chemisch neutrale" Verbindungen können beispielsweise Stoffe aus den Gruppen eingesetzt werden, die von Albuminen, insbesondere Rinderserumalbumin oder Humanserumalbumin, nicht mit zu analysierenden Polynukleotiden hybridisierender, fragmentierter natürlicher oder synthetischer DNA, wie beispielsweise von Herings- oder Lachssperma, oder auch ungeladenen, aber hydrophilen Polymeren, wie beispielsweise Polyethylenglycole oder Dextrane, gebildet werden.
Insbesondere die Auswahl der genannten Stoffe zur Verminderung unspezifischer Hybridisierung in Polynukleotid-Hybridisierungsassays (wie Herings- oder Lachssperma) wird dabei durch die empirische Bevorzugung von für die zu analysierenden Polynukleotide möglichst weitgehend verschiedener DNA bestimmt, über die keine Wechselwirkungen mit den nachzuweisenden Polynukleotidsequenzen bekannt ist.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein optisches System zur Verstärkung der Intensität eines Anregungslichts, umfassend mindestens eine Anregungslichtquelle und eine erfindungsgemässe Gitter- Wellenleiter-Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) auf eine in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) der Gitter- Wellenleiter-Struktur eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
Wie vorangehend beschrieben, ist es insbesondere durch Optimierung der physikalischen Parameter der Gitter- Wellenleiter-Struktur möglich, den Verstärkungsfaktor noch wesentlich weiter zu erhöhen. Daher umfassen bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen optischen Systems solche Ausführungen, mit denen die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 1 000 oder 10 000 oder sogar 100 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
Bevorzugt werden solche Ausführungsformen des optischen Systems, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) ausreichend hoch ist, um ein auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 n zur Schicht (a) befindliches Molekül mittels 2-Photonen-Absorption zur Lumineszenz anzuregen. Besonders bevorzugt wird dabei, wenn die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) gleichzeitig auf einer Fläche von mindestens 1 mm auf besagter Gitter- Wellenleiter- Struktur ausreichend hoch ist, um auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliche Moleküle mittels 2-Photonen-Absorption zur Lumineszenz anzuregen.
Für die vorangehend genannten Anwendungen in der Nachrichten- oder Kommunikationstechnik wird bevorzugt, dass das erfindungsgemässe optische System so gestaltet ist, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) der Gitter- Wellenleiterstruktur durch 2-Photonen-Absorption erzeugte Lumineszenz mittels Auskopplung über eine Gitterstruktur (c) auf eine benachbarte Gitter- Wellenleiter-Struktur übertragen werden kann.
Dafür kann es geeignet sein, wenn die Gitter- Wellenleiter-Struktur, als Teil des optischen Systems, gleichförmige, unmodulierte Bereiche der Schicht (a) umfasst, welche vorzugsweise in Ausbreitungsrichtung des über eine Gitterstruktur (c) eingekoppelten und in der Schicht (a) geführten Anregungslichts angeordnet sind. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Gitter- Wellenleiter-Struktur eine Vielzahl von Gitterstrukturen (c) gleicher oder unterschiedlicher Periode mit optional daran anschliessenden gleichförmigen, unmodulierten Bereichen der Schicht (a) auf einem gemeinsamen, durchgehenden Substrat umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische System dabei so gestaltet, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) der Gitter- Wellenleiter-Struktur durch 2-Photonen-Absorption erzeugte Lumineszenz mindestens teilweise in die Schicht (a) einkoppelt und durch Leitung in der Schicht (a) zu benachbarten Bereichen auf besagter Gitter- Wellenleiter-Struktur geführt wird.
Für Anwendungen des erfindungsgemässen optischen Systems in der
Kommunikationstechnologie wird bevorzugt, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) der Gitter-Wellenleiter-Struktur zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) ausreichend hoch ist zum Schalten der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c), als Teil des optischen Systems, für ein in der Schicht (a) geführtes Lichtsignal.
Von besonderem Vorteil ist, dass das erfindungsgemässe optische System mit einer erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Struktur dazu führt, dass die Schaltung der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) mittels eines von ausserhalb der Schicht (a) auf besagte Gitterstruktur eingestrahlten Anregungslichts möglich ist.
Bevorzugt wird hierbei, dass das erfindungsgemässe optische System dadurch gekennzeichnet ist, dass besagte Gitterstruktur (c) als "Bragg-Grating" ausgebildet ist und die Schaltfunktion auf dem Wechsel der Gitterfunktion von Transmission in Reflexion eines in der Schicht (a) geführten Lichtsignals aufgrund einer durch die verstärkte Anregungslichtintensität in der Schicht (a) im Bereich der Gitterstruktur hervorgerufenen Änderung des optischen Brechungsindexes beruht.
Es wird weiterhin bevorzugt, dass das erfindungsgemässe optische System zusätzlich mindestens einen Detektor zur Erfassung einer oder mehrerer Lumineszenzen von der Gitter- Wellenleiter-Struktur umfasst.
Für die Geometrie der Strahlführung des Anregungslichts bis zum Auftreffen auf der erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Struktur gibt es eine Vielzahl möglicher verschiedener Ausführungsformen. Eine der bevorzugten Ausführungen ist dadurch gekennzeichnet, dass das von der mindestens einen Anregungslichtquelle ausgesandte Anregungslicht im wesentlichen parallel ist und unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die optisch transparente Schicht (a) auf eine in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) eingestrahlt wird.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer Lichtquelle mit einer Aufweitungsoptik zu einem im wesentlichen parallelen Strahlenbündel aufgeweitet wird und unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die optisch transparente Schicht (a) auf eine grossflächige in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) eingestrahlt wird.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von der mindestens einen Lichtquelle durch ein oder, im Falle mehrerer Lichtquellen, gegebenenfalls mehrere diffraktive optische Elemente, vorzugsweise Dammann-Gitter, oder refraktive optische Elemente, vorzugsweise Mikrolinsen-Arrays, in eine Vielzahl von Einzelstrahlen möglichst gleicher Intensität der von einer gemeinsamen Lichtquelle stammenden Teilstrahlen zerlegt wird, welche jeweils im wesentlichen parallel zueinander auf Gitterstrukturen (c) unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlt werden.
Für bestimmte Anwendungen wird bevorzugt, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehrere Lichtquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.
Für solche Anwendungen, in denen zwei oder mehr unterschiedliche Anregungswellenlängen eingesetzt werden sollen, wird eine solche Ausführungsform des optisches System bevorzugt, welche dadurch gekenzeichnet ist, dass das Anregungslicht von 2 oder mehr Lichtquellen gleichzeitig oder sequentiell aus verschiedenen Richtungen auf eine Gitterstruktur (c) eingestrahlt und über diese in die Schicht (a) der Gitter-Wellenleiter-Struktur eingekoppelt wird, welche eine Überlagerung von Gitterstrukturen mit unterschiedlicher Periodizität umfasst.
Es wird bevorzugt, dass zur Detektion mindestens ein ortsauflösender Detektor verwendet wird, beispielsweise aus der Gruppe, die von CCD-Kameras, CCD-Chips, Photodioden- Arrays, Avalanche-Dioden-Arrays, Multichannelplates und Vielkanal-Photomulipliern gebildet wird.
Gemäss dieser Erfindung umfasst das optische System solche Ausführungsformen, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass zwischen der einen oder mehreren Anregungslichtquellen und der erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Struktur und /oder zwischen besagter Gitter- Wellenleiter-Struktur und dem einen oder mehreren Detektoren optische Komponenten aus der Gruppe verwendet werden, die von Linsen oder Linsensystemen zur Formgestaltung der übertragenen Lichtbündel, planaren oder gekrümmten Spiegeln zur Umlenkung und gegebenenfalls zusätzlich zur Formgestaltung von Lichtbündeln, Prismen zur Umlenkung und gegebenenfalls zur spektralen Aufteilung von Lichtbündeln, dichroischen Spiegeln zur spektral selektiven Umlenkung von Teilen von Lichtbündeln, Neutralfiltern zur Regelung der übertragenen Lichtintensität, optischen Filtern oder Monochromatoren zur spektral selektiven Übertragung von Teilen von Lichtbündeln oder polarisationsselektiven Elementen zur Auswahl diskreter Polarisationsrichtungen des Anregungs- und / oder Lumineszenzlichts gebildet werden. Es ist möglich, dass die Einstrahlung des Anregungslichts in Pulsen mit einer Dauer zwischen 1 fsec und 10 Minuten erfolgt und das Emissionslicht aus den Messbereichen zeitlich aufgelöst gemessen wird.
Weiterhin wird bevorzugt, dass zur Referenzierung Lichtsignale aus der Gruppe gemessen werden, die von Anregungslicht am Ort der Lichtquellen oder nach ihrer Aufweitung oder nach ihrer Unterteilung in Teilstrahlen, Streulicht bei der Anregungswellen länge aus dem Bereich der einen oder mehreren räumlich getrennten Messbereiche, und über die Gitterstruktur (c) neben den Messbereichen ausgekoppeltem Licht der Anregungswellenlänge gebildet werden. Insbesondere ist dabei von Vorteil, wenn die Messbereiche zur Bestimmung des Emissionslichts und des Referenzsignals identisch sind.
Es ist möglich, dass die Einstrahlung des Anregungslichts auf und Detektion des Emissionslichts von einem oder mehreren Messbereichen sequentiell für einzelne oder mehrere Messbereiche erfolgt. Dieses kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass sequentielle Anregung und Detektion unter Verwendung beweglicher optischer Komponenten erfolgt, die aus der Gruppe von Spiegeln, Umlenkprismen und dichroischen Spiegeln gebildet wird.
Bestandteil der Erfindung ist auch ein solches optisches System, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass sequentielle Anregung und Detektion unter Verwendung eines im wesentlichen winkel- und fokusgetreuen Scanners erfolgt. Ausserdem ist es möglich, dass die Gitter-Wellenleiter-Struktur zwischen Schritten der sequentiellen Anregung und Detektion bewegt wird.
Weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein analytisches System zum Lumineszenznachweis eines oder mehrerer Analyten in mindestens einer Probe auf einem oder mehreren Messbereichen auf einer Gitter-Wellenleiter-Struktur, umfassend einen optischen Schichtwellenleiter, mit
- einer erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Struktur,
- einem erfindungsgemässen optischen System sowie
- Zuführungsmitteln, um die eine oder mehrere Proben mit den Messbereichen auf der Gitter-Wellenleiter-Struktur in Kontakt zu bringen. Es wird bevorzugt, dass das analytische System zusätzlich eine oder mehrere Probenbehältnisse umfasst, welche mindestens im Bereich der einen oder mehreren Messbereiche oder der zu Segmenten zusammengefassten Messbereiche zur Gitter-Wellenleiter-Struktur hin geöffnet sind, wobei die Probenbehältnisse vorzugsweise jeweils ein Volumen von 0.1 nl - 100 μl haben.
Eine mögliche Ausführungsform besteht darin, dass die Probenbehältnisse auf der von der optisch transparenten Schicht (a) abgewandten Seite, mit Ausnahme von Ein- und / oder Auslassöffnungen für die Zufμhr oder den Auslass der Proben und gegebenenfalls zusätzlicher Reagentien, geschlossen sind und die Zufuhr oder der Auslass von Proben und gegebenenfalls zusätzlichen Reagentien in einem geschlossenen Durchflusssystem erfolgen, wobei im Falle der Flüssigkeitszufuhr zu mehreren Messbereichen oder Segmenten mit gemeinsamen Einlass- und Auslassöffnungen diese bevorzugt spalten- oder zeilenweise addressiert werden.
Eine andere mögliche Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Probenbehältnisse auf der von der optisch transparenten Schicht (a) abgewandten Seite Öffnungen zur lokal addressierten Zugabe oder Entfernung der Proben oder anderer Reagentien besitzen.
Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemässen analytischen Systems ist so gestaltet, dass Behältnisse für Reagentien vorgesehen sind, welche während des Verfahrens zum Nachweis des einen oder mehrerer Analyten benetzt und mit den Messbereichen in Kontakt gebracht werden
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verstärkung einer Anregungslichtintensität, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) auf eine in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) einer erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Struktur eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
Wie vorangehend beschrieben, kann der Verstärkungsfaktor insbesondere durch Optimierung der physikalischen Parameter der Gitter-Wellenleiter-Struktur noch vergrössert werden. Daher umfassen bevorzugte Varianten des erfindungsgemässen Verfahrens solche Ausführungen, mit denen die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 1 000 oder 10 000 oder sogar 100 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
Bevorzugt wird, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) ausreichend hoch ist, um ein auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliches Molekül mittels 2-Photonen- Absorption zur Lumineszenz anzuregen. Besonders bevorzugt wird dabei, wenn die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) gleichzeitig auf einer Fläche von mindestens 1 mm2 auf besagter Gitter-Wellenleiter-Struktur ausreichend hoch ist, um auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliche Moleküle mittels 2-Photonen-Absorption zur Lumineszenz anzuregen.
Für die vorgehend genannten Anwendungen in der Nachrichten- oder Kommunikationstechnik werden solche Ausführungen des erfindungsgemässen Verfahrens bevorzugt, in denen eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) der Gitter- Wellenleiterstruktur durch 2-Photonen-Absorption erzeugte Lumineszenz mittels Auskopplung über eine Gitterstruktur (c) auf eine benachbarte Gitter-Wellenleiter-Struktur übertragen wird.
Dafür kann es geeignet sein, wenn die Gitter-Wellenleiter-Struktur, als Teil des optischen Systems, gleichförmige, unmodulierte Bereiche der Schicht (a) umfasst, welche vorzugsweise in Ausbreitungsrichtung des über eine Gitterstruktur (c) eingekoppelten und in der Schicht (a) geführten Anregungslichts angeordnet sind, insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Gitter-Wellenleiter-Struktur eine Vielzahl von Gitterstrukturen (c) gleicher oder unterschiedlicher Periode mit gegebenenfalls daran anschliessenden gleichförmigen, unmodulierten Bereichen der Schicht (a) auf einem gemeinsamen, durchgehenden Substrat umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das optische System dabei so gestaltet, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) der Gitter-Wellenleiter-Struktur durch 2- Photonen-Absorption erzeugte Lumineszenz mindestens teilweise in die Schicht (a) einkoppelt und durch Leitung in der Schicht (a) zu benachbarten Bereichen auf besagter Gitter- Wellenleiter-Struktur geführt wird. Weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Lumineszenz-nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf einem oder mehrereren Messbereichen auf einer erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Struktur zur Bestimmung einer oder mehrerer Lumineszenzen von einem Messbereich oder von einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) oder mindestens zwei oder mehr räumlich getrennten Segmenten (d'), in die mehrere Messbereiche zusammengefasst sind, auf besagter Gitter- Wellenleiter-Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) auf eine in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) der Gitter-Wellenleiter-Struktur eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
Wiederum umfassen bevorzugte Varianten des erfindungsgemässen Verfahrens solche Ausführungen, mit denen die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 1 000 oder 10 000 oder sogar 100 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
Insbesondere bevorzugt wird, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) ausreichend hoch ist, um ein auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliches Molekül mittels 2-Photonen-Absorption zur Lumineszenz anzuregen. Besonders bevorzugt wird dabei, wenn die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) gleichzeitig auf einer Fläche von mindestens 1 mm2 auf besagter Gitter-Wellenleiter-Struktur ausreichend hoch ist, um auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliche Moleküle mittels 2-Photonen-Absorption zur Lumineszenz anzuregen.
Für Anwendungen in der Kommunikationstechnologie wird eine solche Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) ausreichend hoch ist zum Schalten der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) für ein in der Schicht (a) geführtes Lichtsignal.
Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Schaltung der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) mittels eines von ausserhalb der Schicht (a) auf besagte Gitterstruktur eingestrahlten Anregungslichts möglich ist.
Es wird dabei eine solche Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass besagte Gitterstruktur (c) als "Bragg-Grating" ausgebildet ist und die Schaltfunktion auf dem Wechsel der Gitterfunktion von Transmission in Reflexion eines in der Schicht (a) geführten Lichtsignals aufgrund einer durch die verstärkte Anregungslichtintensität in der Schicht (a) im Bereich der Gitterstruktur hervorgerufenen Änderung des optischen Brechungsindexes beruht.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet dass ein erstes Anregungslicht als Signallicht in Form eines zeitlichen Pulses oder kontinuierlich über eine erste Gitterstruktur (c) in die Schicht (a) eingekoppelt und in dieser geführt wird, bis besagtes eingekoppeltes, geführtes Signallicht auf den Bereich einer weiteren in der Schicht (a) strukturierten Gitterstruktur (c') mit gleicher oder unterschiedlicher Gitterperiode wie die besagte erste Gitterstruktur (c) trifft, über welche ein von aussen eingestrahltes Anregungslicht als Schaltlicht in Form eines zeitlichen Pulses oder kontinuierlich in die Schicht (a) eingekoppelt wird und durch die dabei erfolgende Verstärkung dieses Schaltlichts um mindestens einen Faktor 100 auf der Schicht (a) und in der Schicht (a), zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c'), im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts, der Brechungsindex der Schicht (a) aufgrund einer hohen Nichtlinearität dritter Ordnung zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c') verändert wird, so dass die Funktionsweise besagter Gitterstruktur (c') von einer Transmission in eine Reflexion besagten Signallichts verändert wird.
Bei den vorgenannten Verfahren zur Lumineszenzdetektion ist es möglich, dass (1) die isotrop abgestrahlte Lumineszenz oder (2) in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelte und über Gitterstrukturen (c) ausgekoppelte Lumineszenz oder Lumineszenzen beider Anteile (1) und (2) gleichzeitig gemessen werden. In dem erfindungsgemässen Verfahren kann zur Erzeugung der Lumineszenz oder Fluoreszenz ein Lumineszenz- oder Fluoreszenzlabel verwendet werden, das bei einer Wellenlänge zwischen 200 nm und 1100 nm angeregt werden kann.
Bei den Lumineszenz- oder Fluoreszenzlabeln kann es sich um herkömmliche Lumineszenzoder Fluoreszenzfarbstoffe oder auch um sogenannte lumineszente oder fluoreszente Nanopartikel, basierend auf Halbleitern (W. C. W. Chan und S. Nie, "Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection", Science 281 (1998) 2016 - 2018) handeln.
Es wird bevorzugt, dass besagtes Lumineszenzlabel mittels 2-Photonen- Absorption angeregt wird. Insbesondere wird dabei bevorzugt, dass besagtes Lumineszenzlabel durch 2-Photonen- Absorption eines Anregungslichts im Sichtbaren oder nahen Infraroten zu einer ultravioeletten oder blauen Lumineszenz angeregt wird.
Das Lumineszenzlabel kann an den Analyten oder in einem kompetitiven Assay an einen Analogen des Analyten oder in einem mehrstufigen Assay an einen der Bindungspartner der immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen oder an die biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen gebunden sein.
Zusätzlich können ein zweites oder noch weitere Lumineszenzlabel mit gleicher oder unterschiedlicher Anregungswellenlänge wie das erste Lumineszenzlabel und gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn das zweite oder noch weitere Lumineszenzlabel bei der gleichen Wellenlänge wie das erste Lumineszenzlabel angeregt werden können, aber bei anderen Wellenlängen emittieren.
Für andere Applikationen ist es vorteilhaft, wenn die Anregungsspektren und Emissionsspektren der eingesetzten Lumineszenzlabel nur wenig oder gar nicht überlappen. In dem erfindungsgemässen Verfahren kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn zum Nachweis des Analyten Ladungs- oder optischer Energietransfer von einem als Donor dienenden ersten Lumineszenzlabel zu einem als Akzeptor dienenden zweiten Lumineszenzlabel verwendet wird.
Zusätzlich kann es von Vorteil sein, wenn die einen oder mehreren Lumineszenzen und / oder Bestimmungen von Lichtsignalen bei der Anregungswellenlänge polarisationsselektiv vorgenommen werden. Weiterhin erlaubt das Verfahren die Möglichkeit, dass die einen oder mehreren Lumineszenzen bei einer anderen Polarisation als der des Anregungslichts gemessen werden.
Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zum Lumineszenznachweis eines oder mehrerer Analyten beruht darauf, dass die Eigenfluoreszenz („Autofluoreszenz") fluoreszenzfähiger Biomoleküle, wie beispielsweise von Proteinen mit fluoresenzfähigen Aminosäuren wie z. B. Tryptophan, welche sich auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befinden, durch 2- Photonen- Absorption angeregt werden kann. Beispielsweise weist Tryptophan ein Absorptionsmaximum bei 280 nm auf. Typischerweise ist daher eine Anregung der Tryptophan- Fluoreszenz in einem klassischen Ein-Photonen-Absorptionsprozess im evaneszenten Feld eines hochbrechenden Wellenleiters nicht möglich, da Anregungslicht einer so kurzen Wellenlänge im Wellenleiter nicht über signifikante Entfernungen geführt, sondern absorbiert oder ausgestreut wird. Dem erfindungsgemässen Verfahren folgend, ist es jedoch möglich, für einen 2-Photonen- Absorptionsprozess Anregungslicht geeigneter längerer Wellenlänge zu verwenden, welches in der wellenleitenden Schicht (a) über längere Strecken geführt wird, und damit die kurzwellige Fluoreszenz anzuregen. Ein besonderer Vorteil dieser Variante des Verfahrens ist, dass sich damit die chemische Verknüpfung des Analyten, oder eines seiner Bindungspartner in einem Nachweisverfahren, mit einem Lumineszenzlabel erübrigt. Stattdessen kann der Nachweis direkt auf der Detektion lumineszenzfähiger biologischer Verbindungen beruhen, welche als natürlicher Bestandteil dieser Verbindungen vorliegen oder welche in einem biologischen Erzeugungsprozess in den Analyten oder einen seiner Bindungspartner eingebaut werden.
Eine spezielle Variante des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass infolge der hohen Verstärkung eines eingestrahlten Anregungslichts, auf der Schicht (a) und in der Schicht (a), an der Oberfläche der Schicht (a) oder innerhalb eines Abstandes von weniger als 200 nm von der Schicht (a) befindliche Moleküle innerhalb dieses Abstandes gefangen gehalten werden, indem die oberflächennahe hohe Anregungsintensität und deren ansteigender Gradient in Richtung der Oberfläche auf diese Moleküle den Effekt einer „optischen Pinzette" („optical tweezers") ausübt.
Das erfindungsgemässe Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen ermöglicht eine gleichzeitige oder sequentielle, quantitative oder qualitative Bestimmung eines oder mehrerer Analyten beispielsweise aus der Gruppe von Antikörpern oder Antigenen, Rezeptoren oder Liganden, Chelatoren oder "Histidin-Tag-Komponenten", Oligonukleotiden, DNA- oder RNA-Strängen, DNA- oder RNA-Analoga, Enzymen, Enymcofaktoren oder Inhibitoren, Lektinen und Kohlehydraten.
Die zu untersuchenden Proben können natürlich vorkommende Körperflüssigkeiten wie Blut, Serum, Plasma, Lymphe oder Urin oder Eigelb sein.
Eine zu untersuchende Probe kann aber auch eine optisch trübe Flüssigkeit, Oberflächenwasser, ein Boden- oder Pflanzenextrakt, eine Bio- oder Syntheseprozessbrühe sein.
Die zu untersuchenden Proben können auch aus biologischen Gewebeteilen entnommen sein.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Struktur und / oder eines erfindungsgemässen optischen Systems und / oder eines erfindungsgemässen Verfahrens, jeweils nach einer der vorgenannten Ausführungsformen, zur Bestimmung chemischer, biochemischer oder biologischer Analyten in Screeningverfahren in der Pharmaforschung, der Kombinatorischen Chemie, der Klinischen und Präklinischen Entwicklung, zu Echtzeitbindungsstudien und zur Bestimmung kinetischer Parameter im Affinitätsscreening und in der Forschung, zu qualitativen und quantitativen Analytbestimmungen, insbesondere für die DNA- und RNA-Analytik, für die Erstellung von Toxizitätsstudien sowie für die Bestimmung von Expressionsprofilen sowie zum Nachweis von Antikörpern, Antigenen, Pathogenen oder Bakterien in der pharmazeutischen Protduktentwicklung und Forschung, der Human- und Veterinärdiagnostik, der Agrochemischen Produktentwicklung und Forschung, der symptomatischen und präsymptomatischen Pflanzendiagnostik, zur Patientenstratifikation in der pharmazeutischehn Produktentwicklung und für die therapeutische Medikamentenauswahl, zum Nachweis von Pathogenen, Schadstoffen und Erregern, insbesondere von Salmonellen, Prionen und Bakterien, in der Lebensmittel- und Umweltanalytik.
Weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder eines erfindungsgemässen optischen Systems und / oder eines erfindungsgemässen Verfahrens in der nichtlinearen Optik oder in der Telekommunikation oder der Nachrichtentechnik.
Ganz allgemein eignen sich eine erfindungsgemässe Gitter-Wellenleiter-Struktur und / oder ein erfindungsgemässes optisches System und / oder ein erfindungsgemässes analytisches System und / oder ein erfindungsgemässes Verfahren ausserdem für oberflächengebundene Untersuchungen, welche den Einsatz sehr hoher Anregungslichtintensitäten und / oder Anregungsdauern erfordern, wie beispielsweise Studien zur Photostabilität von Materialien, photokatalytische Prozesse etc.
Mit dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel soll die Erfindung genauer erläutert und demonstriert werden.
Fig. 1 zeigt eine CCD-Kamera-Aufnahme einer mit blossem Auge sichtbaren, mithilfe einer erfindungsgemässen Wellenleiter-Struktur erzeugten Fluoreszenz nach 2-Photonen-Anregung;
Beispiel 1:
1. Wellenleiter-Struktur zur 2-Photoncn-Anregung einer Lumineszenz
Die Wellenleiter-Struktur besteht aus einem Glassubstrat (AF45-Glas als optische Schicht (b), n = 1.496 bei 800 nm) mit einer darauf aufgebrachten 150 nm dünnen Schicht (b) aus Tantalpentoxid (wellenleitende Schicht (a), n = 2.092 bei 800 nm). Zur Ein- und Auskopplung von Licht in bzw. aus der wellenleitenden Schicht (a) dienen im Abstand von 9 mm in der Schicht (a) erzeugte Koppelgitter in der Form von Reliefgittern (Gitterperiode 360 nm, Gittertiefe 12 nm). Unter diesen Bedingungen beträgt der Einkoppelwinkel vom Glassubstrat (optische Schicht (b), n = 1.496 bei 810 nm) zur wellenleitenden Schicht (a) -20.4°; der äussere Einstrahlwinkel auf die Schicht (b) (gemessen zur Normalen der Wellenleiter-Struktur) beträgt -31.4°.
Zur Erzeugung und Demonstration der Eignung dieser Wellenleiter-Struktur für eine 2- Photonen- Anregung werden zwischen zwei Gitterstrukturen auf der Schicht (a) 1 Tropfen von je 0.5 μl einer Rhodamin-Lösung (15.9 μM Rhodamin B in Ethanol) aufgebracht, so dass die Rhodamin-Moleküle als Beispiel für lumineszenzfähige Moleküle nach Verdampfen des Ethanol auf der Schicht (a) verbleiben.
2. Optisches System zur 2-Photonen-Lumineszenzanregung, Messverfahren zur 2- Photonen-Lumineszenzanregung und dessen Ergebnisse
Als Anregungslichtquelle dient ein gepulster Titan-Sapphir-Laser mit Emission bei ca. 800 nm (Pulslänge: 100 fsec, Repetitionsrate: 80 MHz, eingesetzte mittlere Leistung: bis 0.6 W, spektrale Pulsbreite: 8 nm). Die Intensität des vom Laser ausgestrahlten Anregungslichts kann mit einem elektrooptischen Modulator kontinuierlich zwischen 0 % und 100 % der Ausgangsleistung reguliert werden.
Nach dem elektrooptischen Modulator können im Anregungsstrahlengang (in Richtung der Wellenleiter-Struktur) Linsen eingesetzt werden, um auf dem Einkoppelgitter (c) der Wellenleiter-Struktur parallel eingestrahlte Anregungslichtbündel gewünschter Geometrie zu erzeugen. Das eingestrahlte Anregungslicht wird über einen Spiegel umgelenkt auf das Einkoppelgitter (c) der Wellenleiter-Struktur, welche auf einem Justierelement montiert ist, welches Translation in x- y- und z-Richtung (parallel und in den Achsen senkrecht zu den Gitterlinien) und Rotation (mit Drehachse übereinstimmend mit den Gitterlinien des Einkoppelgitters) erlaubt. Es wird, bei einer eingestrahlten Durchschnittsleistung von 0.5 W, ein kollimierter Strahl unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung auf das Einkoppelgitter geleitet. Dazu wird der Strahl mit einer Linse (f = 12.7 cm) leicht fokussiert, mit dem Einkoppelgitter (Ebene der Wellenleiter- Struktur) im „beam waste", so dass das Anregungslicht dort als eine ebene Welle auftrifft. Überraschenderweise wird, längs des in der Wellenleiter-Struktur geführten Modes, im Bereich des immobilisierten Lumineszenz-Farbstoffs, eine so starke 2-Photonen-Fluoreszenz angeregt, dass sie sogar bei Raumlicht mit blossem Auge beobachtbar ist. (Fig. 1, aufgenommen mit einem IR-unterdrückenden Filter (BG 39)). Der linke helle Lichtfleck markiert die Einkoppelposition des Anregungslichts auf dem Einkoppelgitter. Aufgrund der ausserordentlich hohen Verstärkung des eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und der zusätzlich an der Gitterstruktur (c) (Einkopplegitter) erfolgenden Streuung, ist die Intensität des am Gitter gestreuten Anregungslichts stark genug, dass es von der Kamera trotz abnehmender Empfindlichkeit bei langen Wellenlängen noch aufgezeichnet wird. Der eingekoppelte Mode (bei einer Wellenlänge von 800 nm) breitet sich in der Bildebene von links nach rechts aus. Bis zum Erreichen des Gebietes, in dem der Rhodamin-Farbstoff immobilisiert ist, ist der geführte Mode unsichtbar. In Mode-Ausbreitungsrichtung folgend, nach rechts, ist dann deutlich die mittels 2-Photonen-Anregung erzeugte Fluoreszenz des Rhodamin-Farbstoffs zu erkennen. Die zu beobachtende Lichtspur entspricht einer Länge von ca. 8 mm, bis zur nächsten Gitterstruktur, an der das geführte Anregungslicht wieder ausgekoppelt wird. Eine signifikante Abschwächung des geführten Lichts bzw. der angeregten 2-Photonen-Fluoreszenz ist längs der gesamten Distanz nicht erkennbar.
Beispiel 2: Optisches System zur 2-Photonen-Anregung
Als Anregungslichtquelle dient eine Hochleistungslaserdiode mit Emissionswellenlänge 810 nm (fasergekoppelt, 10 W). Mit einer nach der Faser angeordneten Strahlformungsoptik wird ein paralleles Anregungsstrahlenbündel gewünschter Form erzeugt und unter dem Koppelwinkel für die Einkopplung in die wellenleitende Schicht (a) der Gitter-Wellenleiter-Struktur auf das Gitter (Periode 360 nm, Gittertiefe 12 nm) eingestrahlt. Der Einkoppelwinkel im Glassubstrat (optische Schicht (b), n = 1.496 bei 810 nm) beträgt -21.7°, der äussere Einstrahlwinkel -34.1°. Die wellenleitende Schicht (a) beträgt 150 nm Tantalpentoxid (n = 2.09 bei 810 nm). Mit diesen Parametern kann ein Anteil von 24 % in die Schicht (a) eingekoppelt werden, und die Anregungsintensität an der Oberfläche der Schicht (a) ist ausreichend für eine 2-Photonen- Anregung.

Claims

Patentansprüche
1. Gitter-Wellenleiter-Struktur, umfassend einen planaren Dünnschicht- Wellenleiter, mit einer bei mindestens einer Anregungswellenlänge transparenten Schicht (a) auf einer bei mindestens dieser Anregungswellenlänge ebenfalls transparenten Schicht (b) mit niedrigerem Brechungsindex als Schicht (a) und mindestens einer in Schicht (a) modulierten Gitterstruktur (c), dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
2. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 1 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
3. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 10 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
4. Gitter-Wellenleiter-Stmktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
5. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) ausreichend hoch ist, um ein auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliches Molekül mittels 2-Photonen-Absorption zur Lumineszenz anzuregen.
6. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) gleichzeitig auf einer Fläche von mindestens 1 mm2 auf besagter Gitter-Wellenleiter-Struktur ausreichend hoch ist, um auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliche Moleküle mittels 2-Photonen-Absorption zur Lumineszenz anzuregen.
7. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Vorrichtungen für eine Signalübertragung auf eine benachbarte Gitter-Wellenleiter- Struktur umfasst.
8. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) durch 2-Photonen- Absorption erzeugte Lumineszenz mittels Auskopplung über eine Gitterstruktur (c) auf eine benachbarte Gitter-Wellenleiter-Struktur übertragen wird.
9. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie gleichförmige, unmodulierte Bereiche der Schicht (a) umfasst, welche vorzugsweise in Ausbreitungsrichtung des über eine Gitterstruktur (c) eingekoppelten und in der Schicht (a) geführten Anregungslichts angeordnet sind.
10. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Gitterstrukturen (c) gleicher oder unterschiedlicher Periode mit optional daran anschliessenden gleichförmigen, unmodulierten Bereichen der Schicht (a) auf einem gemeinsamen, durchgehenden Substrat umfasst.
11. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) durch 2-Photonen-Absorption erzeugte Lumineszenz mindestens teilweise in die Schicht (a) einkoppelt und durch Leitung in der Schicht (a) zu benachbarten Bereichen auf besagter Gitter-Wellenleiter-Struktur geführt wird.
12. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) ausreichend hoch ist zum Schalten der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) für ein in der Schicht (a) geführtes Lichtsignal.
13. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) mittels eines von ausserhalb der Schicht (a) auf besagte Gitterstruktur eingestrahlten Anregungslichts möglich ist.
14. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 12 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Gitterstruktur (c) als "Bragg-Grating" ausgebildet ist und die Schaltfunktion auf dem Wechsel der Gitterfunktion von Transmission in Reflexion eines in der Schicht (a) geführten Lichtsignals aufgrund einer durch die verstärkte Anregungslichtintensität in der Schicht (a) im Bereich der Gitterstruktur hervorgerufenen Änderung des optischen Brechungsindexes beruht.
15. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Überlagerung von 2 oder mehreren Gitterstrukturen unterschiedlicher Periodizität mit zueinander paralleler oder nicht paralleler, vorzugsweise nicht paralleler Ausrichtung der Gitterlinien umfasst, welche der Einkopplung von Anregungslicht unterschiedlicher Wellenlänge dient, wobei im Falle von 2 überlagerten Gitterstrukturen deren Gitterlinien vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
16. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den optisch transparenten Schichten (a) und (b) und in Kontakt mit Schicht (a) eine weitere optisch transparente Schicht (b') mit niedrigerem Brechungsindex als dem der Schicht (a) und einer Stärke von 5 nm - 10 000 nm, vorzugsweise von 10 nm - 1000 nm, befindet.
17. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur (c) ein diffraktives Gitter mit einer einheitlichen Periode oder ein multidiffraktives Gitter ist.
18. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur (c) eine senkrecht oder parallel zur Ausbreitungsrichtung des in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelten Anregungslichts räumlich variierende Periodiziät aufweist.
19. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der zweiten optisch transparenten Schicht (b) aus Glas, Quarz oder einem transparenten thermoplastischen oder spritzbaren Kunststoff, beispielsweise aus der Gruppe besteht, die von Polycarbonat, Polyimid oder Polymethylmethacrylat gebildet wird.
20. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der ersten optisch transparenten Schicht (a) grösser als 1.8 ist.
21. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optisch transparente Schicht (a) ein Material aus der Gruppe von TiO2, ZnO, Nb2O5, Ta2Os, HfO2, oder ZrO2, besonders bevorzugt aus TiO oder Nb2O5 oder Ta O5, oder einem Material mit einer hohen Nichtlinearität des Brechungsindexes dritter Ordnung, wie beispielsweise Polydiacetylen, Polytoluensulfonat oder Polyphenylenvinylen, umfasst.
22. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Anspruch 1 - 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus der Dicke der Schicht (a) und ihrem Brechungsindex ein Zehntel bis ein Ganzes, bevorzugt ein Drittel bis zwei Drittel, der Anregungswellenlänge eines in die Schicht (a) einzukoppelnden Anregungslichts beträgt.
23. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 22, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht (a) modulierte Gitterstrukturen (c) eine Periode von 200 nm - 1000 nm aufweisen und ihre Modulationstiefe 3 bis 100 nm, bevorzugt 10 bis 30 nm beträgt.
24. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Modulationstiefe zur Dicke der ersten optisch transparenten Schicht (a) gleich oder kleiner als 0,2 ist.
25. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur (c) ein Reliefgitter mit Rechteck-, Dreieck- oder halbkreisförmigem Profil oder ein Phasen- oder Volumengitter mit einer periodischen Modulation des Brechungsindex in der im wesentlichen planaren optisch transparenten Schicht (a) ist.
26. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 25, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihr optisch oder mechanisch erkennbare Markierungen zur Erleichterung der Justierung in einem optischen System und / oder zur Verbindung mit Probenbehältnissen als Teil eines analytischen Systems aufgebracht sind.
27. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Immobilisierung biologischer oder biochemischer oder synthetischer Erkennungselementen (e) zum Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer zugeführten Probe auf der optisch transparenten Schicht (a) eine Haftvermittlungsschicht (f) mit einer Stärke von vorzugsweise weniger als 200 nm, besonders bevorzugt von weniger als 20 nm aufgebracht ist, und dass die Haftvermittlungsschicht (f) vorzugsweise eine chemische Verbindung aus den Gruppen umfasst, die Silane, Epoxide, funktionalisierte, geladene oder polare Polymere und "selbstorganisierte funktionalisierte Monoschichten" umfasst.
28. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 27, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich getrennte Messbereiche (d) durch räumlich selektive Aufbringung von biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen auf besagter Gitter-Wellenleiter-Struktur erzeugt werden, vorzugsweise unter Verwendung eines oder mehrerer Verfahren aus der Gruppe von Verfahren, die von "Ink jet spotting, mechanischem Spotting, micro contact printing, fluidische Kontaktierung der Messbereiche mit den biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen durch deren Zufuhr in parallelen oder gekreuzten Mikrokanälen, unter Einwirkung von Druckunterschieden oder elektrischen oder elektromagnetischen Potentialen", gebildet wird.
29. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 28, dadurch gekennzeichnet, dass als besagte biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente Komponenten aus der Gruppe aufgebracht werden, die von Nukleinsäuren (beispielsweise DNA, RNA, Oligonukleotiden) und Nukleinsäureanalogen (z. B. PNA), Antikörpern, Aptameren, membrangebundenen und isolierten Rezeptoren, deren Liganden, Antigene für Antiköφer, "Histidin-Tag-Komponenten", durch chemische Synthese erzeugte Kavitäten zur Aufnahme molekularer Imprints, etc. gebildet wird, oder dass als biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselementen ganze Zellen oder Zellfragmente aufgebracht werden.
30. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 28 - 29, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den räumlich getrennten Messbereichen (d) gegenüber dem Analyten "chemisch neutrale" Verbindungen aufgebracht sind, vorzugsweise beispielsweise bestehend aus den Gruppen, die von Albuminen, insbesondere Rinderserumalbumin oder Humanserumalbumin, nicht mit zu analysierenden Polynukleotiden hybridisierender, fragmentierter natürlicher oder synthetischer DNA, wie beispielsweise von Herings- oder Lachssperma, oder auch ungeladenen, aber hydrophilen Polymeren, wie beispielsweise Polyethylenglycole oder Dextrane, gebildet werden.
31. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 28 - 30, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere räumlich getrennte Messbereiche jeweils zu Segmenten auf der Gitter-Wellenleiter-Struktur zusammengefasst sind und dass bevorzugt verschiedene Segmente zusätzlich durch eine aufgebrachte Berandung, welche zur fluidischen Abdichtung gegen Nachbarbereiche und / oder zu einer weiteren Verminderung optischen Übersprechens zwischen benachbarten Segmenmten beiträgt, gegeneinander abgegrenzt sind.
32. Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 28 - 31, dadurch gekennzeichnet, dass in einer 2-dimensionalen Anordnung bis zu 1 000 000 Messbereiche angeordnet sind und ein einzelner Messbereich eine Fläche von 0.001 - 6 mm2 einnimmt.
33. Optisches System zur Verstärkung der Intensität eines Anregungslichts, umfassend mindestens eine Anregungslichtquelle und eine Gitter- Wellenleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 - 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) auf eine in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) der Gitter-Wellenleiter-Struktur eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
34. Optisches System nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 1 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
35. Optisches System nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 10 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
36. Optisches System nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
37. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) der Gitter-Wellenleiter-Struktur ausreichend hoch ist, um ein auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliches Molekül mittels 2-Photonen-Absoφtion zur Lumineszenz anzuregen.
38. Optisches System nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) gleichzeitig auf einer Fläche von mindestens 1 mm2 auf besagter Gitter-Wellenleiter-Struktur ausreichend hoch ist, um auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliche Moleküle mittels 2-Photonen-Absoφtion zur Lumineszenz anzuregen.
39. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 38, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) der Gitter- Wellenleiterstruktur durch 2-Photonen- Absorption erzeugte Lumineszenz mittels Auskopplung über eine Gitterstruktur (c) auf eine benachbarte Gitter-Wellenleiter-Struktur übertragen wird.
40. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter- Wellenleiterstruktur gleichförmige, unmodulierte Bereiche der Schicht (a) umfasst, welche vorzugsweise in Ausbreitungsrichtung des über eine Gitterstruktur (c) eingekoppelten und in der Schicht (a) geführten Anregungslichts angeordnet sind.
41. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter-Wellenleiterstruktur eine Vielzahl von Gitterstrukturen (c) gleicher oder unterschiedlicher Periode mit optional daran anschliessenden gleichförmigen, unmodulierten Bereichen der Schicht (a) auf einem gemeinsamen, durchgehenden Substrat umfasst.
42. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 41, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) der Gitter-Wellenleiter-Struktur durch 2-Photonen- Absoφtion erzeugte Lumineszenz mindestens teilweise in die Schicht (a) einkoppelt und durch Leitung in der Schicht (a) zu benachbarten Bereichen auf besagter Gitter-Wellenleiter- Struktur geführt wird.
43. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) der Gitter- Wellenleiter-Struktur zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) ausreichend hoch ist zum Schalten der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) für ein in der Schicht (a) geführtes Lichtsignal.
44. Optisches System nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) mittels eines von ausserhalb der Schicht (a) auf besagte Gitterstruktur eingestrahlten Anregungslichts möglich ist.
45. Optisches System nach einem der Ansprüche 43 - 44, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Gitterstruktur (c) als "Bragg-Grating" ausgebildet ist und die Schaltfunktion auf dem Wechsel der Gitterfunktion von Transmission in Reflexion eines in der Schicht (a) geführten Lichtsignals aufgrund einer durch die verstärkte Anregungslichtintensität in der Schicht (a) im Bereich der Gitterstruktur hervorgerufenen Änderung des optischen Brechungsindexes beruht.
46. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 45, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich mindestens einen Detektor zur Erfassung einer oder mehrerer Lumineszenzen von der Gitter- Wellenleiter-Struktur umfasst.
47. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 46, dadurch gekennzeichnet, dass das von der mindestens einen Anregungslichtquelle ausgesandte Anregungslicht im wesentlichen parallel ist und unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die optisch transparente Schicht (a) auf eine in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) eingestrahlt wird.
48. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 47, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer Lichtquelle mit einer Aufweitungsoptik zu einem im wesentlichen parallelen Strahlenbündel aufgeweitet wird und unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die optisch transparente Schicht (a) auf eine grossflächige in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) eingestrahlt wird.
49. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 47, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von der mindestens einen Lichtquelle durch ein oder, im Falle mehrerer Lichtquellen, gegebenenfalls mehrere diffraktive optische Elemente, vorzugsweise Dammann-Gitter, oder refraktive optische Elemente, vorzugsweise Mikrolinsen-Arrays, in eine Vielzahl von Einzelstrahlen möglichst gleicher Intensität der von einer gemeinsamen Lichtquelle stammenden Teilstrahlen zerlegt wird, welche jeweils im wesentlichen parallel zueinander auf Gitterstrukturen (c) unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlt werden.
50. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 49, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehrere Lichtquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.
51. Optisches System nach Anspruch 50 mit einer Gitter-Wellenleiter-Struktur nach Anspruch 15, dadurch gekenzeichnet, dass das Anregungslicht von 2 oder mehr Lichtquellen gleichzeitig oder sequentiell aus verschiedenen Richtungen auf eine Gitterstruktur (c) eingestrahlt und über diese in die Schicht (a) der Gitter-Wellenleiter-Struktur eingekoppelt wird, welche eine Überlagerung von Gitterstrukturen mit unterschiedlicher Periodizität umfasst.
52. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 51, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion mindestens ein ortsauflösender Detektor verwendet wird, beispielsweise aus der Gruppe, die von CCD-Kameras, CCD-Chips, Photodioden-Arrays, Avalanche-Dioden- Arrays, Multichannelplates und Vielkanal-Photomulipliern gebildet wird.
53. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 52, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der einen oder mehreren Anregungslichtquellen und der Gitter-Wellenleiter- Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 32 und /oder zwischen besagter Gitter-Wellenleiter- Struktur und dem einen oder mehreren Detektoren optische Komponenten aus der Gruppe verwendet werden, die von Linsen oder Linsensystemen zur Formgestaltung der übertragenen Lichtbündel, planaren oder gekrümmten Spiegeln zur Umlenkung und gegebenenfalls zusätzlich zur Formgestaltung von Lichtbündeln, Prismen zur Umlenkung und gegebenenfalls zur spektralen Aufteilung von Lichtbündeln, dichroischen Spiegeln zur spektral selektiven Umlenkung von Teilen von Lichtbündeln, Neutralfiltern zur Regelung der übertragenen Lichtintensität, optischen Filtern oder Monochromatoren zur spektral selektiven Übertragung von Teilen von Lichtbündeln oder polarisationsselektiven Elementen zur Auswahl diskreter Polarisationsrichtungen des Anregungs- und / oder Lumineszenzlichts gebildet werden.
54. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 53, dadurch gekenzeichnet, dass die Einstrahlung des Anregungslichts in Pulsen mit einer Dauer zwischen 1 fsec und 10 Minuten erfolgt und das Emissionslicht aus den Messbereichen zeitlich aufgelöst gemessen wird.
55. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 54, dadurch gekennzeichnet, dass zur Referenzierung Lichtsignale aus der Gruppe gemessen werden, die von Anregungslicht am Ort der Lichtquellen oder nach ihrer Aufweitung oder nach ihrer Unterteilung in Teilstrahlen, Streulicht bei der Anregungswellenlänge aus dem Bereich der einen oder mehreren räumlich getrennten Messbereiche, und über die Gitterstruktur (c) neben den Messbereichen ausgekoppeltem Licht der Anregungs Wellenlänge gebildet werden.
56. Optisches System nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbereiche zur Bestimmung des Emissionslichts und des Referenzsignals identisch sind.
57. Optisches System nach einem der Ansprüche 33 - 56, dadurch gekenzeichnet, dass die Einstrahlung des Anregungslichts auf und Detektion des Emissionslichts von einem oder mehreren Messbereichen sequentiell für einzelne oder mehrere Messbereiche erfolgt.
58. Optisches System nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, dass sequentielle Anregung und Detektion unter Verwendung beweglicher optischer Komponenten erfolgt, die aus der Gruppe von Spiegeln, Umlenkprismen und dichroischen Spiegeln gebildet wird.
59. Optisches System nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, dass sequentielle Anregung und Detektion unter Verwendung eines im wesentlichen winkel- und fokusgetreuen Scanners erfolgt.
60. Optisches System nach einem der Ansprüche 57 - 59, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter-Wellenleiter-Struktur zwischen Schritten der sequentiellen Anregung und Detektion bewegt wird.
61. Verfahren zur Verstärkung einer Anregungslichtintensität, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) auf eine in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) einer Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1- 32 eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
62. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) um mindestens einen Faktor 1 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
63. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) um mindestens einen Faktor 10 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
64. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) um mindestens einen Faktor 100 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
65. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 64, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) ausreichend hoch ist, um ein auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliches Molekül mittels 2-Photonen-Absoφtion zur Lumineszenz anzuregen.
66. Verfahren nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) gleichzeitig auf einer Fläche von mindestens 1 mm2 auf besagter Gitter-Wellenleiter-Struktur ausreichend hoch ist, um auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliche Moleküle mittels 2-Photonen-Absoφtion zur Lumineszenz anzuregen.
67. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 66, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) durch 2-Photonen-Absoφtion erzeugte Lumineszenz mittels Auskopplung über eine Gitterstruktur (c) auf eine benachbarte Gitter-Wellenleiter-Struktur übertragen wird.
68. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 67, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter- Wellenleiter-Struktur gleichförmige, unmodulierte Bereiche der Schicht (a) umfasst, welche vorzugsweise in Ausbreitungsrichtung des über eine Gitterstruktur (c) eingekoppelten und in der Schicht (a) geführten Anregungslichts angeordnet sind.
69. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 68, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter- Wellenleiter-Struktur eine Vielzahl von Gitterstrukturen (c) gleicher oder unterschiedlicher Periode mit optional daran anschliessenden gleichförmigen, unmodulierten Bereichen der Schicht (a) auf einem gemeinsamen, durchgehenden Substrat umfasst.
70. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 69, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf oder im Nahfeld der Schicht (a) der Gitter-Wellenleiter-Struktur durch 2-Photonen-Absoφtion erzeugte Lumineszenz mindestens teilweise in die Schicht (a) einkoppelt und durch Leitung in der Schicht (a) zu benachbarten Bereichen auf besagter Gitter-Wellenleiter-Struktur geführt wird.
71. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 70, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) ausreichend hoch ist zum Schalten der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) für ein in der Schicht (a) geführtes Lichtsignal.
72. Verfahren nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung der Transmissionseigenschaften der Gitterstruktur (c) mittels eines von ausserhalb der Schicht (a) auf besagte Gitterstruktur eingestrahlten Anregungslichts möglich ist.
73. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 72, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Gitterstruktur (c) als "Bragg-Grating" ausgebildet ist und die Schaltfunktion auf dem Wechsel der Gitterfunktion von Transmission in Reflexion eines in der Schicht (a) geführten Lichtsignals aufgrund einer durch die verstärkte Anregungslichtintensität in der Schicht (a) im Bereich der Gitterstruktur hervorgerufenen Änderung des optischen Brechungsindexes beruht.
74. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 73, dadurch gekennzeichnet dass ein erstes Anregungslicht als Signallicht in Form eines zeitlichen Pulses oder kontinuierlich über eine erste Gitterstruktur (c) in die Schicht (a) eingekoppelt und in dieser geführt wird, bis besagtes eingekoppeltes, geführtes Signallicht auf den Bereich einer weiteren in der Schicht (a) strukturierten Gitterstruktur (c') mit gleicher oder unterschiedlicher Gitteφeriode wie die besagte erste Gitterstruktur (c) trifft, über welche ein von aussen eingestrahltes Anregungslicht als Schaltlicht in Form eines zeitlichen Pulses oder kontinuierlich in die Schicht (a) eingekoppelt wird und durch die dabei erfolgende Verstärkung dieses Schaltlichts um mindestens einen Faktor 100 auf der Schicht (a) und in der Schicht (a), zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c'), im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts, der Brechungsindex der Schicht (a) aufgrund einer hohen Nichtlinearität dritter Ordnung zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c') verändert wird, so dass die Funktionsweise besagter Gitterstruktur (c') von einer Transmission in eine Reflexion besagten Signallichts verändert wird.
75. Verfahren zum Lumineszenznachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf einem oder mehreren Messbereichen auf einer Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 28 - 32 zur Bestimmung einer oder mehrerer Lumineszenzen von einem Messbereich oder von einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) oder mindestens zwei oder mehr räumlich getrennten Segmenten (d'), in die mehrere Messbereiche zusammengefasst sind, auf besagter Gitter- Wellenleiter-Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) auf eine in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) der Gitter-Wellenleiter-Struktur eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
76. Verfahren nach Anspruch 75, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) um mindestens einen Faktor 1 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
77. Verfahren nach Anspruch 75, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 10 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
78. Verfahren nach Anspruch 75, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität eines unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Schicht (a) eingestrahlten Anregungslichts auf der Schicht (a) und in der Schicht (a) zumindest im Bereich der Gitterstruktur (c) um mindestens einen Faktor 100 000 verstärkt wird im Vergleich zur Intensität dieses Anregungslichts auf einer Substratoberfläche ohne Einkopplung des Anregungslichts.
79. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 78, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) ausreichend hoch ist, um ein auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliches Molekül mittels 2-Photonen- Absorption zur Lumineszenz anzuregen.
80. Verfahren nach Anspruch 79, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Anregungslichts auf der Schicht (a) gelichzeitig auf einer Fläche von mindestens 1 mm2 auf besagter Gitter-Wellenleiter-Struktur ausreichend hoch ist, um auf der Oberfläche der Schicht (a) oder in einem Abstand von weniger als 200 nm zur Schicht (a) befindliche Moleküle mittels 2-Photonen-Absoφtion zur Lumineszenz anzuregen.
81. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 80, dadurch gekennzeichnet, dass (1) die isotrop abgestrahlte Lumineszenz oder (2) in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelte und über Gitterstrukturen (c) ausgekoppelte Lumineszenz oder Lumineszenzen beider Anteile (1) und (2) gleichzeitig gemessen werden.
82. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 81, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Lumineszenz ein Lumineszenzfarbstoff oder lumineszentes Nanopartikel als Lumineszenzlabel verwendet wird, das bei einer Wellenlänge zwischen 200 nm und 1100 nm angeregt werden kann.
83. Verfahren nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Lumineszenzlabel mittels 2-Photonen-Absoφtion angeregt wird.
84. Verfahren nach Anspruch 83, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Lumineszenzlabel durch 2-Photonen-Absoφtion eines Anregungslichts im Sichtbaren oder nahen Infraroten zu einer ultravioeletten oder blauen Lumineszenz angeregt wird.
85. Verfahren nach einem der Ansprüche 82 - 84, dadurch gekennzeichnet, dass das Lumineszenzlabel an den Analyten oder in einem kompetitiven Assay an einen Analogen des Analyten oder in einem mehrstufigen Assay an einen der Bindungspartner der immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen oder an die biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen gebunden ist.
86. Verfahren nach einem der Ansprüche 82 - 85, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites oder noch weitere Lumineszenzlabel mit gleicher oder unterschiedlicher Anregungswellenlänge wie das erste Lumineszenzlabel und gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden
87. Verfahren nach Anspruch 86, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite oder noch weitere Lumineszenzlabel bei der gleichen Wellenlänge wie der erste Lumineszenzfarbstoff angeregt werden kann, aber bei anderen Wellenlängen emittieren.
88. Verfahren nach Anspruch 86, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsspektren und Emissionsspektren der eingesetzten Lumineszenzfarbstoffe nur wenig oder gar nicht überlappen.
89. Verfahren nach Anspruch 86, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis des Analyten Ladungs- oder optischer Energietransfer von einem als Donor dienenden ersten Lumineszenzfarbstoff zu einem als Akzeptor dienenden zweiten Lumineszenzfarbstoff verwendet wird.
90. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 89, dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehreren Lumineszenzen und / oder Bestimmungen von Lichtsignalen bei der Anregungswellenlänge polarisationsselektiv vorgenommen werden, wobei vorzugsweise die einen oder mehreren Lumineszenzen bei einer anderen Polarisation als der des Anregungslichts gemessen werden.
91. Verfahren nach einem der Ansprüche 61- 90, dadurch gekennzeichnet, dass dass infolge der hohen Verstärkung eines eingestrahlten Anregungslichts, auf der Schicht (a) und in der Schicht (a), an der Oberfläche der Schicht (a) oder innerhalb eines Abstandes von weniger als 200 nm von der Schicht (a) befindliche Moleküle innerhalb dieses Abstandes gefangen gehalten werden, indem die oberflächennahe hohe Anregungsintensität und deren ansteigender Gradient in Richtung der Oberfläche auf diese Moleküle den Effekt einer „optischen Pinzette" („optical tweezers") ausübt.
92. Verfahren nach einem der Ansprüche 61 - 91 zur gleichzeitigen oder sequentiellen, quantitativen oder qualitativen Bestimmung eines oder mehrerer Analyten aus der Gruppe von Antiköφern oder Antigenen, Rezeptoren oder Liganden, Chelatoren oder "Histidin-tag- Komponenten", Oligonukleotiden, DNA- oder RNA-Strängen, DNA- oder RNA-Analoga, Enzymen, Enymcofaktoren oder Inhibitoren, Lektinen und Kohlehydraten.
93. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 61 - 92, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchenden Proben natürlich vorkommende Körperflüssigkeiten wie Blut, Serum, Plasma, Lymphe oder Urin oder Eigelb oder optisch trübe Flüssigkeiten oder Oberflächenwasser oder Boden- oder Pflanzenextrakte oder Bio- oder Syntheseprozessbrühen oder aus biologischen Gewebeteilen entnommen sind.
94. Verwendung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 61 - 93 zu quantitativen oder qualitativen Analysen zur Bestimmung chemischer, biochemischer oder biologischer Analyten in Screeningverfahren in der Pharmaforschung, der Kombinatorischen Chemie, der Klinischen und Präklinischen Entwicklung, zu Echtzeitbindungsstudien und zur Bestimmung kinetischer Parameter im Affinitätsscreening und in der Forschung, zu qualitativen und quantitativen Analytbestimmungen, insbesondere für die DNA- und RNA- Analytik, für die Erstellung von Toxizitätsstudien sowie für die Bestimmung von Expressionsprofilen sowie zum Nachweis von Antiköφern, Antigenen, Pathogenen oder Bakterien in der pharmazeutischen Protduktentwicklung und -forschung, der Human- und Veterinärdiagnostik, der Agrochemischen Produktentwicklung und -forschung, der symptomatischen und präsymptomatischen Pflanzendiagnostik, zur Patientenstratifikation in der pharmazeutischen Produktentwicklung und für die therapeutische Medikamentenauswahl, zum Nachweis von Pathogenen, Schadstoffen und Erregern, insbesondere von Salmonellen, Prionen und Bakterien, in der Lebensmittel- und Umweltanalytik.
95. Verwendung einer Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 32 und / oder eines optischen Systems nach einem der Ansprüche 30 - 60 und / oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 61 - 93 in der nichtlinearen Optik oder in der Telekommunikation oder der Nachrichtentechnik.
96. Verwendung einer Gitter-Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 32 und / oder eines optischen Systems nach einem der Ansprüche 33 - 60 und / oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 61 - 93 für oberflächengebundene Untersuchungen, welche den Einsatz sehr hoher Anregungslichtintensitäten und / oder Anregungsdauern erfordern, wie beispielsweise Studien zur Photostabilität von Materialien, photokatalytische Prozesse etc.
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