EP1281063A1 - Gitter-wellenleiter-struktur für multianalytbestimmungen und deren verwendung - Google Patents

Gitter-wellenleiter-struktur für multianalytbestimmungen und deren verwendung

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Publication number
EP1281063A1
EP1281063A1 EP01901178A EP01901178A EP1281063A1 EP 1281063 A1 EP1281063 A1 EP 1281063A1 EP 01901178 A EP01901178 A EP 01901178A EP 01901178 A EP01901178 A EP 01901178A EP 1281063 A1 EP1281063 A1 EP 1281063A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
excitation light
light
grating
waveguide structure
coupling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01901178A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Pawlak
Markus Ehrat
Gert Duveneck
Martin Bopp
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zeptosens AG filed Critical Zeptosens AG
Publication of EP1281063A1 publication Critical patent/EP1281063A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems 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
    • G01N21/7703—Systems 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
    • G01N21/774—Systems 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
    • G01N21/7743—Systems 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 the reagent-coated grating coupling light in or out of the waveguide
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings

Definitions

  • the invention relates to variable embodiments of a grating waveguide structure, which makes it possible to change the resonance conditions in a spatially resolved manner in order to couple an excitation light into the waveguiding layer (a) of an optical layer waveguide via a grating structure (c) modulated in the layer (a) or coupling out one in the layer (a) led light, with arrays of measurement areas generated thereon with different immobilized biological or biochemical or synthetic recognition elements for the simultaneous binding and determination of one or more analytes, wherein said excitation light is simultaneously irradiated onto a whole array of measurement areas and the degree of fulfillment of the resonance condition for the coupling of light into the layer (a) to said measuring ranges is measured simultaneously.
  • the invention also relates to an optical system with at least one excitation light source and at least one spatially resolving detector and optionally positioning elements for changing the angle of incidence of the excitation light onto the grating waveguide structure according to the invention, as well as an associated measurement method and its use. It was surprisingly found that the method according to the invention is suitable as an imaging detection method with high spatial resolution and sensitivity.
  • the “spatially resolved” determination of a physical parameter, its distribution over a preferably flat measuring surface to be measured, is to be understood to mean that a corresponding measurement assigns a unique value to this parameter as a function of its x and y coordinates, based on said measuring surface
  • the maximum achievable spatial resolution is limited, for example, by the resolution of the detection system.
  • microtiter plates For the determination of a large number of analytes, above all methods are widespread in which the detection of different analytes in so-called microtiter plates is carried out in discrete sample containers or "wells" of these plates.
  • the most widespread are plates with a grid of 8 x 12 wells on a base area of typically approx. 8 cm x 12 cm, with a volume of a few hundred microliters for filling an individual well is required.
  • US Pat. No. 5,747,274 describes measurement arrangements and methods for the early detection of a heart attack by the determination of several of at least three heart attack markers, the determination of these markers being able to take place in individual or in a common sample container, in the latter case following the description given, a single sample container is designed as a continuous flow channel, the boundary surface of which, for example, forms a membrane on which antibodies for the three different markers are immobilized.
  • a single sample container is designed as a continuous flow channel, the boundary surface of which, for example, forms a membrane on which antibodies for the three different markers are immobilized.
  • no geometric information is given about the size of the measuring areas.
  • a light wave is coupled into an optical waveguide that is made of optically thinner media, i.e. Media with a lower refractive index is surrounded, it is guided by total reflection at the interfaces of the waveguiding layer.
  • a fraction of the electromagnetic energy enters the optically thinner media. This proportion is known as the evanescent or cross-damped field.
  • the strength of the evanescent field is very much dependent on the thickness of the waveguiding layer itself and on the ratio of the refractive indices of the waveguiding layer and the media surrounding it.
  • thin waveguides i.e. H. Layer thicknesses of the same or lower thickness than the wavelength to be guided can be distinguished from discrete modes of the guided light.
  • the first proposed measuring arrangements of this type were based on highly multimodal, self-supporting single-layer waveguides, such as fibers or platelets made of transparent plastic or glass, with thicknesses from a few hundred micrometers to several millimeters.
  • WO 94/27137 measurement arrangements are described in which "patches" with different detection elements, for the detection of different analytes, are immobilized on a self-supporting optical substrate waveguide (single-layer waveguide) with face light coupling, the spatially selective immobilization being carried out by means of photo-activatable crosslinkers.
  • several patches can be arranged in series in common parallel flow channels or sample containers, the parallel flow channels or sample containers extending over the entire length of the region of the waveguide used as a sensor in order to avoid impairment of the light conduction in the waveguide.
  • Planar thin-film waveguides have been proposed to improve sensitivity and, at the same time, simplify mass production.
  • a planar thin-film waveguide consists of a three-layer system: carrier material, waveguiding layer, superstrate (or sample to be examined), the waveguiding layer having the highest refractive index. Additional intermediate layers can improve the effect of the planar waveguide.
  • Different methods for the detection of analytes in the evanescent field of guided light waves in optical layer waveguides can be differentiated.
  • a distinction can be made, for example, between fluorescence or general luminescence methods on the one hand and refractive methods on the other.
  • Methods for generating a surface plasmon resonance in a thin metal layer on a dielectric layer with a lower refractive index can be included in the group of refractive methods, provided that the resonance angle of the irradiated excitation light is used as the basis for determining the measurement variable Surface plasmon resonance is used.
  • the surface plasmon resonance can also be used to enhance luminescence or to improve the signal-to-background ratio in a luminescence measurement.
  • 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”.
  • the change in the so-called effective refractive index due to molecular adsorption or desorption on the waveguide is used to detect the analyte.
  • This change in the effective refractive index in the case of grating coupler sensors, is determined from the change in the coupling angle for the coupling in or out of light into or out of the grating coupler sensor, and in the case of interferometric sensors from the change in the phase difference between the a sensor arm and a reference arm of the interferometer-guided measurement light.
  • US Pat. No. 5,738,825 describes an arrangement consisting of a microtiter plate with completely through holes and a thin-layer waveguide as the bottom plate, the latter consisting of a thin waveguiding film on a transparent, self-supporting substrate, hl contact with the from the pierced microtiter plate and the Diffraction gratings are provided for the coupling in and out of the excitation light in order to determine the responsible changes in the effective refractive index due to adsorption or desorption of analyte molecules to be detected from changes in the observed coupling angle.
  • This arrangement has the advantage above all of a high potential for the miniaturization of the measuring arrangement (including the light source and the spatially resolving detector), since in particular mechanical positioning elements can be dispensed with.
  • the dimensions of the discrete areas of "chirped gratings" for coupling in or out light are difficult to reduce to dimensions smaller than a few square millimeters.
  • the refractive methods mentioned have the advantage that they can be used without the use of additional labeling molecules, so-called molecular labels.
  • using grating couplers for analyte detection by determining changes in the coupling conditions or the coupling angle due to molecular adsorption or desorption from the coupling grating is there an indication of a spatially resolved detection within a light beam irradiated onto a coupling grating. For this reason, these methods have so far not been or only barely suitable for the detection of a large number of analytes in a small space.
  • the object of the present invention is to provide a grating-waveguide structure, an optical system and a measurement method for label-free analyte detection with arrays of high density, for the above-mentioned detection.
  • spatially separated measuring areas (d) are to be defined by the area which is immobilized there biological or biochemical or synthetic detection elements to detect 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. 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.
  • these molecules will only selectively bind to the surface of the grating waveguide structure in the measurement areas, which through the areas are defined that are occupied by the immobilized recognition elements.
  • a grating-waveguide structure for example with a grating structure modulated in the waveguiding layer and extending over the entire GWS, in particular with large-area illumination (ie with a beam diameter of, for example, 5 mm) , below or near the resonance condition for the light coupling into the layer (a), differences in the degree of fulfillment of the resonance condition for the light coupling, i.e. local differences in the mass assignment of the lattice structure, in the form of applied measuring areas with biological detection elements such as oligonucleotides high spatial resolution (of 50 ⁇ m or less) and with a high contrast, ie a high sensitivity for determining differences or changes in the mass occupancy.
  • biological detection elements such as oligonucleotides high spatial resolution (of 50 ⁇ m or less) and with a high contrast, ie a high sensitivity for determining differences or changes in the mass occupancy.
  • the method according to the invention is even suitable as an imaging method (simultaneous topological characterization of the mass coverage of an extensive surface (in the order of magnitude of several square millimeters to several square centimeters), for example for Determination of different local mass assignments sequentially camera images (for example in transmission or in "reflection") are recorded, between each of which the angle of incidence of the excitation light on the GWS is changed, so that depending on the local mass assignment at different angles, minima in the transmission or Result in maxima in the "reflection". These sequential images can then be replaced by numerical ones Procedure to determine the spatially resolved distribution of the mass occupancy.
  • the new method according to the invention has a number of advantages. These relate to a much higher speed, for example, since sequential images can be created every fraction of a second with milliseconds exposure time. Furthermore, there are no reproducibility problems in the positioning if the GWS has to be moved to these new measuring positions between sequential local measurements at discrete measurement areas, as is necessary when using the conventional methods mentioned. Furthermore, the method advantageously also enables simultaneous kinetic measurements to be carried out for a large number of measurement areas within a common sample container on the GWS, in that “angle scans” can be repeated in a short sequence to determine different mass occupancy on the observed surface.
  • the first object of the invention is a grating-waveguide structure for the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide with an array of at least two or more spatially separated measuring areas (d) on this platform comprising an optical layer waveguide
  • Identical or different biological or biochemical or synthetic recognition elements immobilized on these measurement areas for the qualitative and / or quantitative detection of one or more analytes in a sample brought into contact with the measurement areas, characterized in that said excitation light simultaneously on said array of Measuring ranges is irradiated and the degree of fulfillment of the resonance condition for the Coupling of light into layer (a) to the two or more measuring areas is measured simultaneously and crosstalk of excitation light carried in layer (a) from one measuring area to one or more adjacent measuring areas is prevented by decoupling this excitation light by means of the grating structure (c).
  • the grating-waveguide structure it is possible to simultaneously determine the mass occupancy in a plurality of measurement areas on a grating structure (c) in a spatially resolved manner, on the basis of the degree of fulfillment of the resonance condition for the coupling of an excitation light bundle into the optical layer (a) in Range of these measurement ranges.
  • the invention therefore in particular relates to a grating-waveguide structure for the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide with a two-dimensional array of at least four or more, spatially separated measuring areas (d) this platform, comprising an optical layer waveguide
  • Identical or different biological or biochemical or synthetic recognition elements immobilized on these measurement areas for the qualitative and / or quantitative detection of one or more analytes in a sample brought into contact with the measurement areas, characterized in that the density of the measurement areas is on a common grid structure (c) is at least 10 measurement areas per square centimeter and that said excitation light is simultaneously irradiated onto said array of measurement areas and the degree to which the resonance condition for the light coupling into the layer is fulfilled (a) to said measurement areas is measured simultaneously and crosstalk from in the layer (a) guided excitation light from one measurement area to one or more adjacent measurement areas is prevented by decoupling this excitation light by means of the grating structure (c). It is preferred that a continuously modulated grating structure (c) extends essentially over the entire area of the grating waveguide structure.
  • Preferred embodiments of the grating-waveguide structure according to the invention are preferred, which are characterized in that the spatial resolution for determining the degree of fulfillment of the resonance condition for the coupling of light into layer (a) is better than 200 ⁇ m. Embodiments are particularly preferred in which the spatial resolution for determining the degree of fulfillment of the resonance condition for the coupling of light into the layer (a) is better than 20 ⁇ m.
  • the grating depth is an essential parameter for changing the local resolution or the sensitivity for determining changes in the mass occupancy based on corresponding changes in the resonance conditions for the light coupling.
  • the grating waveguide structure according to the invention makes it possible for the spatial resolution to determine the degree of fulfillment of the resonance condition for the light coupling into the layer (a) to be improved by choosing a greater modulation depth of grating structures (c) or to reduce the selection of a smaller modulation depth of said grating structures can be. It is also possible that the half-width of the resonance angle to meet the resonance condition for the light coupling into the layer (a) can be reduced by reducing the modulation depth of grating structures (c) or increased by increasing the modulation depth of said grating structures.
  • the spatial resolution or sensitivity for determining changes in the effective refractive index on the surface of the grating waveguide structure according to the invention can be decisively influenced by choosing between transversely magnetically polarized modes (TM) and transversely electrically polarized modes.
  • TM modes in the case of highly refractive waveguiding layers (a) (e.g. with refractive index> 2), which due to their small layer thickness (e.g. between 100 nm and 400 nm) only the basic modes of an irradiated excitation light (TMo or TE 0 , see also below) in a lattice structure area of a lattice waveguide structure (e.g.
  • the spatial resolution using TM modes is lower.
  • the resolution of the signal intensity, ie sensitivity, for determining the extent to which the resonance conditions for TM modes are met is greater. Accordingly, the decision between the use of TM or TE modes must be made depending on the task at hand.
  • an array of measurement areas to be examined simultaneously has a size of at least 2 mm x 2 mm.
  • Coupled angle a monochromatic excitation light
  • a monochromatic excitation light within such an area, ie within an area of at least 4 mm 2 (with the sides aligned in parallel or not) varies parallel to the lines of the lattice structure (c)) by at most 0.1 ° (as a deviation from an average value.
  • the coupling angle on a surface of at least 10 mm x 10 mm (with the sides aligned parallel or not parallel to the lines of the lattice structure (c)) varies by at most 0.1 ° (as a deviation from an average). It is particularly preferred if the coupling angle on a surface of at least 50 mm x 50 mm (with the sides aligned parallel or not parallel to the lines of the Grid structure (c)) varied by at most 0.1 ° * (as a deviation from an average). A large number of macroscopic changes in the external conditions have an influence on the said resonance conditions.
  • the refractive indices of the optically transparent layers (a) and (b) and of samples brought into contact with the grating-waveguide structure change when the temperature changes. It is therefore preferred that the temperature of a grating-waveguide structure according to the invention can be kept constant by suitable precautions or can be changed and adjusted in a controlled manner.
  • An object of the invention is an embodiment of a grating waveguide structure, which is characterized in that the degree of fulfillment of the resonance condition for the coupling of light into the layer (a) to the measuring areas from the intensity of the, essentially parallel to the reflected light, decoupled excitation light (ie from the sum of both parts) is determined.
  • Another embodiment is characterized in that the degree of fulfillment of the resonance condition for the light coupling into the layer (a) to the measurement areas is determined from the intensity of the transmitted excitation light.
  • a further embodiment is characterized in that the degree of fulfillment of the resonance condition for the coupling of light into the layer (a) to the measuring ranges is determined from the intensity of the scattered light of excitation light guided after coupling via a grating structure (c) in the layer (a) ,
  • the grating-waveguide structure according to the invention is characterized in that the sum of the intensities of the reflected excitation light and the excitation light which is essentially coupled out again in parallel has a maximum in the region of this measuring range when the resonance condition for the coupling of light into the layer (a) is fulfilled.
  • the excitation light that is coupled out to one and the same measuring range and reflected there cannot be distinguished from one another, since both propagate from the same location in the same direction.
  • the intensity of the transmitted excitation light has a minimum in the region of this measuring range when the resonance condition for the coupling of light into the layer (a) is fulfilled.
  • the intensity of the scattered light of excitation light guided in the layer (a) after coupling via a grating structure (c) has a maximum in the region of this measuring range when the resonance condition for the light coupling into the layer (a) is fulfilled.
  • 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 function of the intermediate layer is to reduce the surface roughness under layer (a) or to reduce the penetration of the evanescent field of light guided in layer (a) into the one or more layers below or to improve the adhesion of layer (a) the one or more underlying layers or the reduction of thermally induced voltages within the grating-waveguide structure or the chemical isolation of the optically transparent layer (a) from underlying layers by sealing micropores in the layer (a) against underlying layers ,
  • 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.
  • 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) be a material from the group of TiO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , or ZrO 2 , particularly preferably made of TiO or Nb 2 O 5 or Ta 2 O 5 .
  • 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 of the evanescent field increases 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.
  • the discrete mode character of the guided light only refers to the transverse modes.
  • 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 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 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 so-called “web-to-groove ratio” also has an effect on the coupling-in and coupling-out efficiency.
  • the web-to-groove ratio for example in a rectangular grid, the ratio of the width of the webs to the width is of the grooves
  • the grids preferably have a web-to-groove ratio of 0.5-2.
  • 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 on the grating waveguide structure to facilitate the adjustment in an optical one System and / or for connection to sample containers are applied 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. It is possible that in a 2-dimensional arrangement up to 1,000,000 measuring areas are arranged on a grating waveguide structure according to the invention, with a single measuring area taking up an area of 0.001 mm - 6 mm, for example.
  • the density of measurement areas on a common grid structure (c) can be more than 10, preferably more than 100, particularly preferably more than 1000 measurement areas per square centimeter.
  • the outside dimensions of their base correspond to the base of standard microtiter plates of approximately 8 cm ⁇ 12 cm (with 96 or 384 or 1536 wells).
  • 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 protrude beyond the depth of penetration of the evanescent field from the 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".
  • 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 ".
  • nucleic acids for example DNA, RNA, oligonucleotides
  • nucleic acid analogs for example PNA
  • antibodies aptamers
  • membrane-bound and isolated receptors their ligands
  • 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 an analogue of the analyte is encapsulated in a polymer structure. It is then called the “imprint”.
  • 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.
  • 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 therefrom, 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.
  • substances from the groups can be used, for example, of albumin, in particular bovine serum albumin or human serum albumin, of fragmented natural or synthetic DNA that does not hybridize with polynucleotides to be analyzed, such as herring or salmon sperm, or also uncharged but hydrophilic Polymers, such as polyethylene glycols or dextrans, are formed.
  • albumin in particular bovine serum albumin or human serum albumin
  • fragmented natural or synthetic DNA that does not hybridize with polynucleotides to be analyzed, such as herring or salmon sperm
  • polynucleotides to be analyzed such as herring or salmon sperm
  • uncharged but hydrophilic Polymers such as polyethylene glycols or dextrans
  • Another object of the invention is an optical system for the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation peak into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide with an array of at least two or more spatially separated measuring ranges (d) on this platform
  • At least one spatially resolving detector for detecting the transmitted excitation light on the opposite side of the grating waveguide structure with respect to the irradiated excitation light and / or for detecting the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same with respect to the irradiated excitation light Side of the grating-waveguide structure and / or for detecting the scattered light of excitation light guided after coupling via a grating structure (c) in the layer (a).
  • the surface of the optically transparent layer (b) facing away from the waveguiding layer (a), i.e. the opposite side of the grating-waveguide structure with respect to the incident excitation light is provided with an anti-reflection coating. Possible interference reflections and interference phenomena, for example as a result of Fresnel reflections, which can occur independently of the measurement signals to be detected, can hereby be reduced.
  • the boundary conditions listed for the positioning of the at least one spatially resolving detector on the same or opposite side of the grating waveguide structure, with respect to the incident excitation light and depending on the light component to be detected (transmitted excitation light or, coupled out again, excitation light parallel to the reflected component) can be simplified are achieved through the use of a projection screen that can be positioned in the beam path.
  • a suitable projection screen should be diffusely reflective and / or diffusely transmissive.
  • the completeness of the material, especially its surface, plays an important role in the selection of materials. A too coarse granularity leads to a decrease in contrast and to the creation of enlarged, blurred contours, ie to a decrease in spatial resolution and sensitivity.
  • a piece of fine-grained, white paper proves to be a well-suited diffusely reflecting projection wall, which, for detecting the transmitted excitation light, has to be positioned on the opposite side of the grating-waveguide structure with respect to the irradiated excitation light.
  • the at least one spatially resolving detector is arranged on the same side of the grating waveguide structure with respect to the irradiated excitation light.
  • the detector can be arranged on both sides of the grating-waveguide structure.
  • Such a projection screen can also be used advantageously for detecting the light that is coupled out again essentially parallel to the reflected light. While, without using such a projection wall, a spatially resolving detector must be positioned exactly in the direction of propagation of this light component, which can lead to difficulties in practical implementation due to the spatial dimensions of such a detector, these requirements are eliminated when using said projection wall.
  • the distance between the projection wall and the grating-waveguide structure can be varied over a wide range without significantly affecting the sensitivity and / or the spatial resolution.
  • the wave-guiding layer (a) a side of a suitable sample container opposite a grating-waveguide structure, with the grating-waveguide structure as the opposite boundary wall, being designed as a projection wall.
  • Another object of the invention is therefore an optical system for the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide with an array of at least two or more spatially separated measuring ranges (d) on this platform,
  • a possible embodiment is characterized in that the at least one spatially resolving detector for detecting the image of the transmitted excitation light is arranged on said projection wall on the same side of the grating waveguide structure with respect to the irradiated excitation light.
  • an embodiment of an optical system with a grating-waveguide structure with one or more grating structures (c) with a periodicity which varies spatially varying essentially perpendicular to the direction of propagation of the excitation light coupled into the optically transparent layer (a) is preferred, which thereby is characterized in that at most one measuring range is arranged on each grating structure (c) with a periodicity that varies spatially perpendicular to the direction of propagation of the excitation light coupled into the optically transparent layer (a), with the grating waveguide structure in the direction of propagation of the to be coupled in and an unstructured region of the grating-waveguide structure is connected in the layer (a) to be guided, and if necessary a further grating structure (c) is connected to this further in the direction of propagation of the excitation light guided in the layer (a), via which said guided excitation light is coupled out again in the direction of a spatially resolving detector.
  • Such an embodiment can be designed in such a way that changes in the mass occupancy, or more generally in the local effective refractive index, by adsorption or desorption of molecules from the measurement areas on lattice structures (c) lead to a shift in the local position of the fulfillment of the resonance condition for coupling the excitation light into the Guide layer (a) over said lattice structure (c) essentially parallel to the lattice lines.
  • Such an embodiment of the optical system according to the invention is preferred, which is characterized in that a one-dimensional arrangement of at least 2 grating structures (c) of the embodiment just mentioned is simultaneously irradiated with excitation light. It is further preferred that the excitation light is radiated essentially in parallel and is essentially monochromatic.
  • the excitation light is irradiated in a linearly polarized manner to excite a TE 0 or TMo mode carried in layer (a).
  • a larger number of such lattice structures is advantageously irradiated simultaneously, for example a two-dimensional arrangement of at least 4 such lattice structures.
  • the invention therefore furthermore relates to an optical system for the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide with a two-dimensional array of at least four or more, spatially separated measurement areas (d) on this platform,
  • At least one spatially resolving detector for detecting the transmitted excitation light on the opposite side of the grating waveguide structure with respect to the irradiated excitation light and / or for detecting the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same with respect to the irradiated excitation light Side of the grating-waveguide structure and / or for detecting the scattered light of excitation light guided after coupling via a grating structure (c) in the layer (a).
  • the boundary conditions listed can relate to the positioning of the at least one spatially resolving detector on the same or opposite side of the grating waveguide structure, with regard to the incident excitation light and depending on the light component to be detected (transmitted excitation light or, parallel to the reflected component excitation light) can be simplified by the use of a projection wall which is suitably positioned in the beam path.
  • Another object of the invention is thus an optical system for the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide with a two-dimensional array of at least four or more spatially separated measuring areas (d) on this platform ,
  • At least one excitation light source an inventive grating-waveguide structure, a positioning element for changing the angle of incidence of the excitation light onto the grating-waveguide structure
  • a preferred embodiment consists of an optical system for the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide with an array of at least two or more, spatially separated measuring ranges (d) on this platform, with at least one tunable over a certain spectral range
  • At least one spatially resolving detector for detecting the transmitted excitation light and / or for detecting the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating waveguide structure and / or for the incident excitation light Detection of the scattered light from excitation light guided after coupling via a grating structure (c) in the layer (a).
  • a change in the coupling angle or the wavelength of an irradiated excitation light for a specific structure.
  • a change in Coupling angle by 0.2 ° corresponds to a change of a wavelength to be coupled in by 1 nm for transversely electrically polarized light to be coupled in.
  • the resulting change in the coupling angle when a complete protein monolayer is applied is of a similar order of magnitude.
  • said at least one tunable light source can be tuned over a spectral range of at least 1 nm.
  • said at least one tunable light source can be tuned over a spectral range of at least 5 nm.
  • Said at least one tunable light source can be, for example, a laser diode.
  • Another possible alternative is that instead of a monochromatic light source that can be tuned over a certain spectral range, a light source that is polychromatic over the corresponding spectral range, if possible with a spectrum that is continuous within this range, is used.
  • a polychromatic light source that is polychromatic over the corresponding spectral range, if possible with a spectrum that is continuous within this range.
  • the invention therefore furthermore relates to an embodiment of an optical system for the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide with an array of at least two or more spatially separated measuring areas (d) on this platform , with at least one polychromatic in a certain spectral range
  • said at least one polychromatic light source has an emission bandwidth of at least 1 nm. It is particularly advantageous if said at least one polychromatic light source has an emission bandwidth of at least 5 nm.
  • Such an embodiment of an optical system according to the invention with a polychromatic light source is preferred, which is characterized in that a spectrally selective optical component with high spectral resolution in said certain spectral range is arranged in the beam path between the grating waveguide structure and the at least one spatially resolving detector is. It is advantageous if said spectrally selective component is suitable for generating spectrally selective, spatially resolved, two-dimensional representations of the intensity distributions of the Grating-waveguide structure outgoing measuring light at different wavelengths within said certain spectral range.
  • Such an embodiment of an optical system according to the invention with a polychromatic light source within a certain spectral range is particularly preferred, which is characterized in that the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into the layer (a) or coupling out a light guided in the waveguide, of said polychromatic light source in the area of the measuring ranges, by simultaneous or sequential detection of the transmitted excitation light and / or by simultaneous or sequential detection of the light, which is essentially coupled out again parallel to the reflected light, on the same side of the grating waveguide with respect to the irradiated excitation light Structure and / or by simultaneous or sequential detection of the scattered light from excitation light guided in the layer (a) after coupling via a grating structure (c) by means of said certain spectral range of spectrally selective detection using at least one spatially resolving detector, preferably at a constant angle of incidence of this excitation light onto the grating waveguide structure.
  • the excitation light is radiated essentially in parallel.
  • An “essentially parallel” light beam should be understood to mean that its convergence or divergence is less than 1 °. Accordingly, “essentially orthogonal” or “essentially normal” should mean a deviation from a corresponding orthogonal or normal orientation of less than 1 ° mean.
  • the excitation light is irradiated essentially monochromatically.
  • An “essentially monochromatic” excitation light should be understood to mean that its spectral bandwidth is less than 1 nm.
  • the excitation light is irradiated in a linearly polarized manner to excite a TE 0 or TMo mode carried in layer (a).
  • the invention relates to such an embodiment of an optical system, which is characterized in that the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into the layer (a) or coupling out a light guided in the waveguide, in the area of the measurement areas by sequential detection of the transmitted excitation light and / or by sequential detection of the light which is essentially coupled out again parallel to the reflected light on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the incident excitation light and / or by sequential detection of the scattered light from after coupling in via a grating structure ( c) excitation light carried in layer (a), each with one or more spatially resolving detectors, changing the angle of incidence of the excitation light onto the grating waveguide structure.
  • Another preferred embodiment of an optical system according to the invention is characterized in that the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into the layer (a) or coupling out a light guided in the waveguide, in the area of the measuring ranges , by sequential detection of the transmitted excitation light and / or by sequential detection of the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the incident light and / or by sequential detection of the scattered light from after coupling via a grating structure (c) in the layer (a) guided excitation light with one or more spatially resolving detectors each
  • the emission wavelength of a tunable light source is changed, preferably at a constant angle of incidence of this excitation light onto the grating waveguide structure.
  • the excitation light from at least one light source with an expansion lens is expanded as homogeneously as possible to form a substantially parallel beam and is irradiated onto the one or more measurement areas. It is advantageous if the diameter of the irradiated excitation light bundle is at least in one dimension at least 2 mm, preferably at least 10 mm.
  • 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 broken down, each of which is radiated essentially parallel to one another onto grating structures (c) at the resonance angle for coupling into layer (a).
  • a plurality of diffractive optical elements preferably Dammann grids, or refractive optical elements, preferably microlens arrays
  • an optical system is characterized in that the excitation light is expanded by at least one, preferably monochromatic, light source with beam shaping optics to form a beam which is as homogeneous as possible and has a columnar cross section (in a plane perpendicular to the optical axis of the beam path), the main axis of which is parallel is aligned with the grating lines, the partial beams of said beam bundle being substantially parallel to one another in a projection plane parallel to the plane of the grating waveguide structure, while said beam bundle is converging or diverging in a plane orthogonal to the plane of the grating waveguide structure a certain convergence or Has divergence angles.
  • the excitation light is expanded by at least one, preferably monochromatic, light source with beam shaping optics to form a beam which is as homogeneous as possible and has a columnar cross section (in a plane perpendicular to the optical axis of the beam path), the main axis of which is parallel is aligned with the grating lines,
  • said convergence or divergence angle of said beam has a value of up to 5 ° in a plane orthogonal to the plane of the grating waveguide structure. It is particularly preferred that said convergence or divergence angle of said beam has a value of up to 1 ° in a plane orthogonal to the plane of the grating-waveguide structure.
  • Such an optical system according to the invention is characterized in that the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into the layer (a) or coupling out a light guided in the waveguide, in the area of the measuring areas, within a slit-shaped illuminated area according to the above embodiment by simultaneous Detection of the transmitted excitation light and / or by simultaneous detection of the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the incident excitation light and / or by simultaneous detection of the scattered light from after coupling in via a grating structure (c) excitation light carried in layer (a), each with one or more spatially resolving detectors, the local change in the resonance conditions in a measuring range changing in a shift in the M the maximum of the light emanating from said measuring range essentially parallel to the reflected light and the maximum of the scattered light emanating from said measuring range after coupling via a grating structure (c) in the excitation light guided in layer (a) and
  • Such an optical system is also characterized in that the extent of the changes in said resonance conditions and thus the changes in the effective refractive index in the area of said measuring range can be determined from the magnitude of said shift of the minimum or maximum.
  • two or more coherent 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 those embodiments which are characterized in that optical components are formed 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 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 deflecting parts of Bundles of light, neutral filters for regulating the transmitted light intensity, optical filters or monochromators for spectrally selective transmission of parts of bundles of light or polarization-selective elements for the selection of discrete polarisates directions of excitation or luminescent light are formed.
  • the radiation of the excitation light occurs in pulses with a duration between 1 fsec and 10 minutes and that the emission light from the measuring ranges is measured in a temporally resolved manner.
  • the binding of one or more analytes to the detection elements in the different measurement areas can also be observed in real-time in a spatially resolved manner with such embodiments.
  • the respective binding kinetics can be determined from the time-resolved signals. In particular, this enables, for example, the comparison of the affinities of different ligands for a respective immobilized biological or biochemical or synthetic recognition element be determined.
  • any binding partner of such an immobilized recognition element is to be referred to as “ligand”.
  • 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 that the grating waveguide structure is moved between steps of sequential excitation and detection.
  • Another component of the invention is an optical system for the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide with an array of at least two or more spatially separated measuring ranges (d) on this platform for detection one or more analytes in at least one sample on one or more measurement areas on a grating waveguide structure, with
  • Feeding means to bring the one or more samples into contact with the measurement areas on the grating waveguide structure.
  • optical system supplemented by the feed means is also referred to below as the analytical system.
  • the analytical system additionally comprises one or more sample containers, which at least in the range of the one or more measuring ranges or the Segments summarized measuring areas are open to the grating-waveguide structure, the sample containers preferably each having a volume of 0.1 nl - 100 ⁇ l.
  • the temperature of an analytical system according to the invention can be kept constant by suitable precautions or can be changed and adjusted in a controlled manner.
  • This preferred possibility for temperature control and regulation comprises, in addition to a grating-waveguide structure according to one of the above-mentioned embodiments, also said sample containers, their feeds or supply lines and, if appropriate, existing storage containers for samples and / or reagents and, if appropriate, their storage locations before application in the analytical or optical system according to the invention.
  • a possible embodiment of the analytical system according to the invention is that the sample containers on the side facing away from the optically transparent layer (a) are closed, with the exception of inlet and / or outlet openings for the supply or outlet of the samples and possibly additional reagents and the supply or discharge of samples and, if necessary, additional reagents take place in a closed flow system, wherein in the case of the 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
  • Another object of the invention is a method for the qualitative and / or quantitative detection of one or more analytes in one or more samples on at least two or more, spatially separated measurement areas on a grating waveguide structure according to the invention according to one of the aforementioned embodiments Determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide with an array of at least two or more spatially separated measuring areas (d) on this platform, characterized in that the excitation light from at least one excitation light source onto a grating structure (c) with thereon said measuring ranges is guided and the degree of fulfillment of the resonance condition for the light coupling into the layer (a) to said measuring ranges from the signal from at least one spatially resolving detector for detecting the transmitted excitation light on the opposite side of the grating waveguide with respect to the irradiated excitation light Structure and / or for detecting the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating waveguide structure with respect to the irradi
  • the invention also relates to a method for the qualitative and / or quantitative detection of one or more analytes in one or more samples on at least two or more, spatially separated measurement areas on a grating waveguide structure according to the invention according to one of the aforementioned embodiments in an optical system according to the invention , by determining changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide, with an array of at least two or more, spatially separated measurement areas (d) on this grating-waveguide structure, characterized in that the Excitation light is directed from at least one excitation light source onto a lattice structure (c) with said measuring areas located thereon and the degree of fulfillment of the resonance condition for the light coupling into layer (a) to said measuring areas from the sign al from at least one spatially resolving detector for detecting the transmitted excitation light and / or for detecting the light which is coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating waveguide structure and
  • Another object of the invention is a method for the qualitative and / or quantitative detection of one or more analytes in one or more samples on at least two or more, spatially separated measurement areas on a grating waveguide structure with a substantially perpendicular to the direction of propagation in the Optically transparent layer (a) coupled in excitation light with spatially varying periodicity, characterized in that a maximum of one measuring range is arranged on each grating structure (c) with a periodically varying excitation light coupled in substantially perpendicular to the direction of propagation of the excitation light into the optically transparent layer (a), whereby an unstructured region of the grating-waveguide structure adjoins the grating-waveguide structure in the direction of propagation of the excitation light to be coupled in and guided in layer (a), and if necessary further in the direction of propagation of the in The layer (a) guided excitation light is followed by a further grating structure (c), via which said guided excitation light is coupled out again in the direction of a spatially resolv
  • Such a method is characterized in that changes in the local effective refractive index, in particular the mass occupancy by adsorption or desorption of molecules from the measurement areas on lattice structures (c), shift the local position of the fulfillment of the resonance condition for coupling the excitation light into the layer ( a) lead over said grid structure (c) substantially parallel to the grid lines.
  • a one-dimensional arrangement of at least 2 such lattice structures (c) is simultaneously irradiated with excitation light.
  • the excitation light is radiated essentially in parallel and is essentially monochromatic. It is advantageous if the excitation light is irradiated in a linearly polarized manner to excite a TE 0 or TM 0 mode carried in layer (a). It is particularly preferred if a two-dimensional arrangement of at least 4 such lattice structures (c) is simultaneously irradiated with excitation light.
  • the invention also relates to a method for the qualitative and / or quantitative detection of one or more analytes in one or more samples on at least two or more, spatially separated measurement areas on a grating-waveguide structure according to the invention, by determining changes in the resonance conditions for coupling an excitation light in a waveguide with a two-dimensional Array of at least four or more, spatially separated measurement areas (d) on this platform, characterized in that the excitation light is directed from at least one excitation light source onto a lattice structure (c) with said measurement areas located thereon and the degree of fulfillment of the resonance condition for the light coupling into the layer (a) to said measuring areas from the signal from at least one spatially resolving detector for detecting the transmitted excitation light on the opposite side of the grating waveguide structure with respect to the incident excitation light and / or for detecting the substantially parallel to the reflected light again decoupled light on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the irradiated excitation light
  • a method for the qualitative and / or quantitative detection of one or more analytes in one or more samples on at least two or more, spatially separated measurement areas on a grating-waveguide structure is preferred by determining changes in the resonance conditions Coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide, with an array of at least two or more, spatially separated measurement areas (d) on this platform, characterized in that the excitation light from at least one excitation light source on a grating structure (c) said measuring areas located thereon are guided and the degree of fulfillment of the resonance condition for the light coupling into the layer (a) to said measuring areas from the signal from at least one spatially resolving detector for detecting the transmitted excitation ngslichts, optionally using a diffusely reflective and / or diffusely transmissive projection wall on the opposite side of the grating-waveguide structure with respect to the irradiated excitation light, for generating an image of the transmitted excitation light,
  • the excitation light is radiated essentially in parallel and is essentially monochromatic. It is particularly advantageous if the excitation light is irradiated in a linearly polarized manner to excite a TE 0 or TM 0 mode carried in layer (a).
  • a further preferred embodiment of the method according to the invention is that the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into the layer (a) in the area of the measurement areas by sequential detection of the transmitted excitation light on the opposite side of the grating with respect to the irradiated excitation light - Waveguide structure and / or by sequential detection of the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating waveguide structure with respect to the incident excitation light and / or by sequential detection of the scattered light from after coupling in via a grating structure (c) in the layer (a) guided excitation light, each with one or more spatially resolving detectors while changing the angle of incidence of the excitation light onto the grating waveguide structure.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into the layer (a) or coupling out a light guided in the waveguide in the area of the measuring ranges by sequential detection of the transmitted excitation light and / or by sequential Detection of the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the incident excitation light and / or by sequential detection of the scattered light from after coupling in via a grating structure (c) in the layer (a) guided excitation light, each with one or more spatially resolving detectors with changing the angle of incidence of the excitation light on the grating waveguide structure.
  • an image of the transmitted excitation light is generated on a diffusely reflecting and / or diffusely transmissive projection wall on the opposite side of the grating-waveguide structure with respect to the irradiated excitation light and that image is recorded with at least one spatially resolving detector.
  • a particularly preferred embodiment of this method is characterized in that the angle of incidence of the excitation light onto the grating-waveguide structure is set such that the resonance condition for coupling an excitation light into a waveguide of a grating-waveguide structure or coupling out a light guided in the waveguide, with an array of at least two or more, spatially separated measuring areas (d) on this grating waveguide structure, on one or more of these measuring areas is essentially fulfilled, with the result of an essentially maximum signal from a spatially resolving detector for detecting the essentially parallel to the reflected light, light decoupled again on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the incident excitation light and / or for detecting the scattered light of excitation light guided in layer (a) after coupling via a grating structure (c), from the range of these measuring ranges, and / or an essentially minimal signal of a spatially resolving detector for detecting the transmitted excitation light in the region of the measuring ranges or between the measuring ranges,
  • the differences to meet the resonance conditions on the area of the grating-waveguide structure irradiated with excitation light are less than half the width of the resonance curve of the coupling angle, under the respective conditions, a clear correlation between this intensity and the degree of fulfillment of the resonance condition can be derived from the intensity of the respective measurement light, so that a sequential recording of the resonance curves, for example by changing the angle of incidence on the Lattice waveguide structure or by changing the incident wavelength, is not required, but the information about the local degree of compliance with the resonance conditions and thus about the local effective refractive index can be obtained with a single image acquisition.
  • local differences in the effective refractive index in the range of different measurement ranges and in the ranges between the measurement ranges from local differences in the intensities of one or more spatially resolving detectors, for detecting the transmitted excitation light and / or for detecting the substantially parallel to the reflected light decoupled light on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the irradiated excitation light and / or for detecting the scattered light of excitation light guided after coupling via a grating structure (c) in the layer (a) without the set incidence angle being determined of the excitation light on the grating-waveguide structure is changed.
  • Another preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into layer (a) or coupling out a light guided in the waveguide from at least one light source which can be tuned over a certain spectral range in the range of the measuring ranges sequential detection of the transmitted excitation light and / or by sequential detection of the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating waveguide structure with respect to the irradiated excitation light and / or by sequential detection of the scattered light from after coupling via a Lattice structure (c) in the layer (a) guided excitation light, each with one or more spatially resolving detectors while changing the emission wavelength of said at least one tunable lic Source, preferably at a constant angle of incidence of this excitation light onto the grating waveguide structure.
  • the change in the emission wavelength of a tunable light source to determine local differences in the resonance condition instead of a change in the angle of incidence has the named advantage of avoiding mechanically movable components.
  • This method can also offer the considerable advantage of a possible higher resolution at lower system costs: With typical commercial laser diodes, for example, the emitted laser wavelength can be controlled very precisely via the supplied operating current. The generation of an extremely precisely determinable excitation wavelength can thus be considerably more cost-effective than a high-resolution angle setting and angle determination using optomechanical components.
  • said at least one tunable light source can be tuned over a spectral range of at least 1 nm.
  • said at least one tunable light source can be tuned over a spectral range of at least 5 nm.
  • Said at least one tunable light source can be, for example, a laser diode.
  • a further preferred embodiment of the method is characterized in that an image of the transmitted excitation light is generated on a diffusely reflecting and / or diffusely transmissive projection wall on the opposite side of the grating waveguide structure with respect to the irradiated excitation light, and this image with at least one spatially resolving detector is detected.
  • a further preferred embodiment of the method consists in that the emission wavelength of at least one tunable light source, preferably at a constant angle of incidence of this excitation light onto the grating-waveguide structure, is set such that the resonance condition for coupling an excitation light into a waveguide of a grating-waveguide structure Structure or coupling out of a light guided in the waveguide, with an array of at least two or more, spatially separated measuring areas (d) on this grating waveguide structure, on one or more of these measuring ranges is essentially fulfilled, with the result of an essentially maximum signal from a spatially resolving detector for detecting the light which is essentially coupled out again parallel to the reflected light on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the irradiated excitation light and / or for detecting the scattered light of excitation light guided in the layer (a) after coupling in via a grating structure (c), from the area of these measurement areas, and / or an essentially minimal signal from a spatially re
  • the differences to meet the resonance conditions on the area of the grating-waveguide structure irradiated with excitation light are less than half the width of the resonance curve of the coupling wavelength (instead of the coupling angle for the case of constant irradiation angle but variable excitation wavelength) under the respective conditions , a clear correlation between this intensity and the degree to which the resonance condition is fulfilled can in turn be derived from the intensity of the respective measurement light, so that a sequential recording of the resonance curves, for example by changing the irradiated wavelength, is not necessary, but rather the information about the local degree of fulfillment of the resonance conditions and thus can be obtained with a single image acquisition via the local effective refractive index.
  • local differences in the effective refractive index in the range of different measurement ranges and in the ranges between the measurement ranges from local differences in the intensities of one or more spatially resolving detectors, for detecting the transmitted excitation light and / or for detecting the substantially parallel to reflected light again coupled out on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the irradiated excitation light and / or for detecting the scattered light of excitation light guided in layer (a) after coupling in via a grating structure (without) the emission wavelength of the tunable light source is changed.
  • the excitation light is irradiated essentially in parallel and is essentially monochromatic.
  • the excitation light is irradiated in a linearly polarized manner to excite one of the TE 0 or TM 0 modes guided in the layer (a).
  • Another embodiment of the method according to the invention is characterized in that the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into the layer (a) or coupling out a light guided in the waveguide from at least one polychromatic light source in a certain spectral range in the range of the measuring ranges by detection of the transmitted excitation light and / or by detecting the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the irradiated excitation light and / or by detecting the scattered light from after coupling in via a grating structure (c) Excitation light guided in layer (a), each with one or more spatially resolving detectors, preferably at a constant angle of incidence of this excitation light onto the grating-waveguide structure, with each being in d In areas in which the resonance condition for coupling this excitation light into a waveguide of the grating-waveguide structure or coupling out a light of this wavelength guided in the waveguide is fulfilled for a
  • Such an embodiment of the method according to the invention with a polychromatic light source is preferred, which is characterized in that a spectrally selective optical component with high spectral resolution in said certain spectral range is arranged in the beam path between the grating waveguide structure and the at least one spatially resolving detector , It is advantageous if said spectrally selective component is suitable for generating spectrally selective, spatially resolved, two-dimensional representations of the intensity distributions of the measurement light emanating from the grating waveguide structure at different wavelengths within said certain spectral range.
  • the excitation light is radiated essentially in parallel. It is particularly preferred for a large number of embodiments of the method according to the invention that the excitation light from at least one light source with an expansion lens is expanded as homogeneously as possible to form an essentially parallel beam and is irradiated onto the one or more measurement areas. It is preferred that the diameter of the irradiated excitation light bundle is at least in one dimension at least 2 mm, preferably at least 10 mm.
  • Another embodiment of the method according to the invention 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 several diffractive optical elements, preferably Dammann grids, or refractive optical elements, preferably microlens arrays, into one
  • diffractive optical elements preferably Dammann grids, or refractive optical elements, preferably microlens arrays
  • a further embodiment of the method according to the invention for the qualitative and / or quantitative detection of one or more analytes in one or more samples on at least two or more, spatially separated measurement areas on a grating waveguide structure according to the invention according to one of the aforementioned embodiments in an optical system according to the invention By determining changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into a waveguide or coupling out a light guided in the waveguide, with an array of at least two or more spatially separated measuring areas (d) on this grating waveguide structure, it is characterized in that the Excitation light from at least one, preferably monochromatic, light source with beam shaping optics to form a beam of rays that is as homogeneous as possible and has a columnar cross section (in a plane perpendicular to the optical axis of the beam path) ) is expanded, the main axis of which is aligned parallel to the grating lines, the partial beams of said beam bundle in a projection plane parallel to the plane of the grating
  • said convergence or divergence angle of said radiation beam has a value of up to 1 ° in a plane orthogonal to the plane of the grating waveguide structure.
  • Such a method according to the invention is characterized in that the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into the layer (a) or coupling out a light guided in the waveguide, in the area of the measurement areas, within a slit-shaped illuminated area according to the above embodiment by simultaneous detection of the transmitted excitation light and / or by simultaneous detection of the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the incident excitation light and / or by simultaneous detection of the scattered light from after coupling in via a grating structure ( c) excitation light carried in layer (a), each with one or more spatially resolving detectors, the local change in the resonance conditions in a measuring range being a shift in the maximum s the light emanating from said measuring area essentially parallel to the reflected light and the maximum of the scattered light emanating from the measuring area after coupling in via a grating structure (c) in the excitation light guided in the layer (a) and the minimum
  • This method is also characterized in that the extent of the changes in said resonance conditions and thus the changes in the effective refractive index in the area of said measuring range can be determined from the magnitude of said shift of the minimum or maximum.
  • This method according to the invention also comprises an embodiment, which is characterized in that the spatially resolved determination of changes in said resonance conditions in each case simultaneously in the area of the measurement areas within a slit-shaped, or converges within a certain angular range with a plane orthogonal to the plane of the grating waveguide structure divergent bundles of rays, according to one of the above-mentioned embodiments of this method, illuminated area, by simultaneous detection of the transmitted excitation light and / or by simultaneous detection of the light coupled out again essentially parallel to the reflected light on the same side of the grating waveguide with respect to the irradiated excitation light - Structure and / or by simultaneous detection of the scattered light of excitation light guided in the layer (a) after coupling via a grating structure (c) with one or
  • the inventive method according to the aforementioned embodiments is characterized in that the spatial resolution for determining the degree of fulfillment of the The resonance condition for the light coupling into the layer (a) can be improved by choosing a greater modulation depth of lattice structures (c) or the choice of a smaller modulation depth of said lattice structures can be reduced.
  • the method according to the invention is characterized in that the full width at half maximum of the resonance angle to meet the resonance condition for the light coupling into the layer (a) can be reduced by reducing the modulation depth of lattice structures (c), which increases the sensitivity in the spatially resolved determination of changes in the Degree of compliance with the resonance condition as a result of local changes in the mass occupancy, or more generally the local effective refractive index, or can be increased by increasing the modulation depth of said lattice structures, which results in a reduced sensitivity in the spatially resolved determination of changes in the degree of compliance with the Resonance condition as a result of local changes in mass occupancy, or more generally the local effective refractive index.
  • the resonance angle for excitation of a TM 0 mode is defined more sharply by a factor of 5 to 10, ie the corresponding half-value width is smaller by this factor than that half-value width for excitation of a TEo mode.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the degree of fulfillment of the resonance condition for the coupling of light into the layer (a) to the measurement areas from the intensity of the excitation light, which is essentially coupled out parallel to the reflected light, (i.e. from the sum of both) Shares) is determined.
  • Another preferred embodiment of the method is characterized in that the degree of fulfillment of the resonance condition for the light coupling into the layer (a) to the measurement areas is determined from the intensity of the transmitted excitation light.
  • the first-mentioned embodiment is characterized in that the local fulfillment of the resonance condition for the light coupling into the layer (a) to a measuring range is determined from a maximum of the sum of the intensities of the reflected and of the excitation light which is essentially coupled out again in parallel from this measuring range.
  • the embodiment of the method according to the invention mentioned below is characterized in that the local fulfillment of the resonance condition for the light coupling into the layer (a) to a measuring range is determined from a minimum of the intensity of the transmitted excitation light in this measuring range. In ideal cases, the intensity of the transmitted excitation light can drop almost to zero.
  • two or more coherent light sources with the same or different emission wavelength are used as excitation light sources.
  • a major advantage of the method according to the invention is that the use of any labels (labeling molecules to be bound to the analyte or its analogs or its binding partners) is in principle not necessary.
  • a further development of the method can be advantageous, which is characterized in that, in order to increase the change in the mass occupancy during binding or dissociation, analyte molecules to be detected are bound to this or to one of its binding partners in a multi-stage assay, for example a mass label can be selected from the group of metal colloids (eg gold colloids), plastic particles or beads or other microparticles with a monodisperse size distribution.
  • a component of the method according to the invention is also an embodiment, which is characterized in that, in order to increase the change in the effective refractive index during the binding or dissociation of analyte molecules to be detected, an “absorption label” is bound to this or to one of its binding partners in a multi-stage assay, said “ Absorption label "has an absorption band of a suitable wavelength, which absorption, as an imaginary part of the refractive index, leads to a change in the effective refractive index in the near field of the grating waveguide structure.
  • the mathematical-physical methods for converting the effect of an absorption at a certain wavelength on the refractive index as a function of the wavelength are known from the literature.
  • a further development of the method according to the invention is characterized in that, in addition to the spatially resolved determination of changes in the resonance conditions for coupling an excitation light into layer (a) of a grating waveguide structure according to the invention or coupling out a light guided in layer (a), one or a plurality of luminescences excited in the evanescent field of an excitation light guided in the layer (a) are determined from one or more measuring ranges.
  • said receptor-ligand system can be a transmembrane receptor protein to which a corresponding ligand from a sample supplied binds.
  • a functional response of this receptor-ligand system can consist, for example, in the opening of an ion channel, with the result of a local change in the pH and / or the ion concentration.
  • a local change can for example using a luminescent dye with pH-dependent and / or ion-dependent luminescence intensity and / or spectral emission.
  • This combined measurement method also enables, for example, the density of the immobilized biological or biochemical or synthetic recognition elements as receptors in one or more measurement ranges based on the differences between the resonance conditions for coupling an excitation light into layer (a) of the grating waveguide structure or coupling out one light carried in layer (a), in the area of these measurement areas, and the corresponding resonance conditions in their environment, ie outside of said measuring ranges, and to determine the binding of a ligand as analyte to these recognition elements on the basis of a change in luminescence from said measuring ranges.
  • a luminescence or fluorescence label can be used to generate the luminescence or fluorescence, which can be excited and emitted at a wavelength between 300 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.
  • the mass label and / or 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.
  • the method allows the possibility that the one or more luminescences are measured with a different polarization than that of the excitation light.
  • the method according to one of the preceding embodiments enables simultaneous or sequential, quantitative or qualitative determination of one or more analytes 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 cofactors 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 according to the invention and / or an analytical system and / or a method according to the invention according to one of the preceding embodiments for determining chemical, biochemical or biological analytes in screening methods in pharmaceutical research, combinatorial chemistry, clinical and preclinical development, for real-time binding studies and for determining kinetic parameters in affinity screenmg and in research, for 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, the Agrochemical product development and research, the 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.
  • Example 1 a) Grid-waveguide structure
  • a grating-waveguide structure with the outer dimensions 16 mm wide x 48 mm long x 0.7 mm thick was used.
  • a continuous structure of a surface reef grid with a period of 360 nm and a depth of 25 +/- 5 nm was produced in the substrate by means of holographic exposure of layer (b) and subsequent etching, with the grid lines being oriented parallel to the reported width of the sensor platform.
  • the wave-guiding, optically transparent layer (a) on the optically transparent layer (b) made of Ta 2 O 5 was produced by reactive, magnetic field-assisted DC sputtering (see DE 4410258) and had a refractive index of 2.15 at 633 nm (layer thickness 150 nm ). Under coupling conditions, excitation light of 633 nm can be coupled (and decoupled) into layer (a) at an angle of approximately + 3 ° to the normal of the structure.
  • the grating-waveguide structure was cleaned and epoxysilane in the liquid phase (10 ml (2% v / v) 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane and 1 ml (0.2% v / v) N- Ethyldiisopropylamine silanized in 500 ml ortho-xylene (7 hours at 70 ° C.) Then solutions of 18-mer oligonucleotides (5'-CCGTAACCTCATGATATT-3'-NH2) (18 * - were used with a commercial spotter (Genetic Microsystems 417 Arrayer).
  • a HeNe laser with 1.1 mW output power was used as the excitation light source (Melles-Griot, 05-LHP-901).
  • the polarization of the laser was parallel to the grating lines of the grating Waveguide structure aligned to excite the TEo mode under coupling conditions.
  • the laser beam was expanded seven times with a beam expansion and passed through an aperture of 5 mm in diameter in order to discriminate outer, weaker portions of the expanded laser beam and external diffraction phenomena.
  • the laser light was then strongly attenuated with a neutral filter (ND 4.7) in order to avoid saturation of the detector when measuring the transmitted light component.
  • the laser light was on the side of the optically transparent layer (b) (substrate side made of AF45 glass), where the power after attenuation is about 20 nW.
  • the grating-waveguide structure was mounted in a plane essentially perpendicular to the optical axis of the excitation light on a manually adjustable goniometer, with which the angle of incidence of the excitation light with respect to the sensor platform could be changed, the grating lines being perpendicular to the projection of the excitation light into the plane the grating waveguide structure.
  • a CCD camera (Ultra Pix 0401E, Astrocam, Cambridge, UK) with Peltier cooling and a Kodak CAF chip KAF 0401 E-l was used as the spatially resolving detector.
  • the camera was aligned after the excitation light had passed through the optically transparent, waveguiding layer (a) in such a way that the transmission light fell essentially perpendicularly onto the entrance lens of the camera.
  • the measurement procedure was carried out in air, ie without additional sample containers or added reagents.
  • the fulfillment of the resonance condition in the areas of the grating waveguide structure that are free of measurement areas can be determined from the almost complete disappearance of the transmission light (FIG. 1 a), the non-fulfillment of the resonance condition in the measurement areas being surprisingly clear under the same conditions shows increased transmission signal (Fig. 1 a and Fig. lb with a linear section through the signals through two measuring ranges).
  • the strong contrast and the high spatial resolution are very surprising, as is the observation from FIG. 1b that (an inhomogeneous mass occupancy to be expected according to the deposition method) within a measuring range, with a maximum approximately in the center) can also be resolved with this measuring method.
  • the extraordinarily high sensitivity which enables the differences in mass coverage (between the areas of the spots and the surrounding areas) of lpg / m ⁇ T, with an excellent contrast.
  • Example 2 a) Grating waveguide structure
  • a grating waveguide structure with the outer dimensions of 16 mm wide x 48 mm long x 0.7 mm thick was used.
  • the then waveguiding, optically transparent layer (a) on the optically transparent layer (b) made of Ta 2 O 5 had a refractive index of 2,137 at 532 nm (layer thickness 150 nm).
  • excitation light of 532 nm can be coupled into (and out of) the structure at an angle of approximately + 14.3 ° to the normal of the structure.
  • the grating-waveguide structure was cleaned in preparation for the immobilization of the biochemical or biological or synthetic recognition elements. Thereafter, using a commercial spotter (GeSim), NeutrAvidin TM solutions were applied in an array of 3 x 3 spots (3 rows x 3 columns) to the cleaned tantalum pentoxide surface (500 pl per spot). The concentration of the applied solutions was 1.7 x 10 "5 M NeutrAvidin TM, so that the spots generated (approx. 430 ⁇ m diameter in a centram-to-centram distance of 1 mm) as measuring areas with a mass coverage of approximately 4 ng / mm 2nd
  • a diode-pumped, frequency-doubled NdYag laser with 10 mW output power was used as the excitation light source (Laser 2000).
  • the polarization of the laser was perpendicular to the grating lines of the grating-waveguide structure, to excite the TMo mode under coupling conditions.
  • the laser beam was expanded seven times with a beam widening and passed through a gap of 4 mm in width in order to discriminate external, weaker portions of the expanded laser beam and external diffraction phenomena.
  • the laser light was on the side of the optically transparent layer (b) (substrate side made of AF45 glass).
  • the grating-waveguide structure was mounted on a manually adjustable goniometer, with which the angle of incidence of the excitation light with respect to the sensor platform could be changed so that the grating lines were perpendicular to the projection of the excitation light into the plane of the grating-waveguide structure.
  • a sheet of ultra-fine white paper with low grain size was mounted as a diffusely reflecting projection wall on the opposite side of the grating waveguide structure with respect to the irradiated excitation light, in order to produce an image of the transmitted excitation light. Since the transmitted excitation light had a practically perfectly parallel beam path, the distance to the grating-waveguide structure, which was essentially parallel to it, was freely selectable over a large area, i.e.
  • a CCD camera (Ultra Pix 0401E, Astrocam, Cambridge, UK) with Peltier cooling and a Kodak KAF 0401 El CCD chip was used as the spatially resolving detector.
  • the camera was used for the spatially resolved determination of the transmitted excitation light, by means of capturing its image on the above-mentioned projection screen, and / or for capturing the scattered light from excitation light guided in layer (a) after coupling via a grating structure (c) and / or for capturing the mounted essentially parallel to the reflected light again on the same side of the grating waveguide structure with respect to the incident excitation light.
  • the measurement procedure was carried out in air, i.e. without additional sample containers or added reagents.
  • a difference in coupling angle of 0.124 ° was found between coupling on the measuring areas and coupling on the uncoated areas of the grating-waveguide structure.
  • FIG. 3 shows the results of the measurement method for the spatially resolved determination of the transmitted excitation light, by capturing its image on the above-mentioned projection wall and positioning the camera on the same side of the grating-waveguide structure with respect to the irradiated excitation light.
  • 3C shows the reverse situation, that is to say the fulfillment of the resonance condition for coupling light into the layer (a) in the area of the measurement areas (at an angle of 14,424 °, see FIG. 3 on the left), with the result of minimal transmission at this angle in the measurement areas , and failure to meet the resonance condition in the other areas with which Under maximum transmission.
  • FIG. 3C it can be seen, based on concentrically occurring, dotted, circle-like lines within the dark measuring areas near their outer edges, lighter areas that are recognizable that even under these conditions (with excitation of transversely magnetically polarized guided modes) there is a spatial resolution well below the spot diameter is:
  • the different brightness areas within the spots show geometric inhomogeneities in the amounts of locally adsorbed or immobilized proteins or recognition elements.
  • Example 3 Uniformity of the resonance angle for coupling or extracting light on a surface corresponding to an array of measuring ranges
  • a grating-waveguide structure (with a full-area modulated grating) with the same predetermined layer and grating parameters as in example a) is used.
  • the variability of the coupling angle in the x and y directions (x: perpendicular to the grid lines, y: on a square area of 5 mm x 5 mm, corresponding to a typical base area for an array of measurement areas which may be to be produced on such a structure parallel to the grid lines).
  • the parallel excitation light beam of a He-Ne laser (633 nm, 0.8 mm beam diameter) is directed onto the structure at an angle close to the resonance angle for coupling light into the layer (a). In an angular range of approximately 1 ° above and below the resonance angle, the angle of incidence is varied in small steps (step size, for example 0.02 °).
  • step size for example 0.02 °.
  • the intensity of the scattered light of the light guided in the layer (a) after coupling in via the grating structure is collected with a lens system and focused on a photomultiplier, as an integral, non-spatially resolving detector.
  • the size of the surface of the grating-waveguide structure imaged on the detector can be limited (in this example to a circle with a diameter of 1 mm), in particular to reduce undesired stray light influences.
  • the optimal one Adjustment to meet the resonance condition for the coupling of light into layer (a) can be recognized by a maximum value of L.
  • the half-width of the associated resonance curves can also be determined from the resonance curves of L as a function of the coupling angle.
  • the measurement method described above was carried out for 25 (5 x 5) measurement positions on the surface of the grating-waveguide structure, at a respective (centram-to-centram) distance of 1 mm.
  • the resonance angles of the various measurement positions in the x / y grid mentioned are summarized in Table 1.
  • the deviation from the mean value (in this example 2.15 °) is not more than 0.06 ° over the entire surface.
  • Table 1 Variability of the resonance angle for optimal light coupling in and coupling out over a square area of 5 mm x 5 mm of a grating waveguide structure according to the invention (before generating the measuring areas located thereon).

Abstract

Die Erfindung betrifft variable Ausführungsformen einer Gitter-Wellenleiter-Struktur, welche es ermöglicht, ortsaufgelöst Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die wellenleitende Schicht (a) eines optischen Schichtwellenleiters über in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) oder Auskopplung eines in der Schicht (a) geführten Lichts, mit darauf erzeugten Arrays von Messbereichen mit jeweils unterschiedlichen immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen zur gleichzeitigen Bindung und Bestimmung einer oder mehrerer Analyten, zu bestimmten, wobei besagtes Anregungslicht gleichzeitig auf ein ganzes Array von Messbereichen eingestrahlt wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen gleichzeitig gemessen wird. Die Erfindung betrifft auch ein optisches System mit mindestens einer Anregungslichtquelle und mindestens einem ortsauflösenden Detektor sowie optional Positionierelementen zur Veränderung des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die erfindungsgemässe Gitter-Wellenleiter-Struktur sowie ein zugehöriges Messverfahren und dessen Verwendung. Dabei wurde überraschend gefunden. dass das erfindungsgemässe Verfahren als ein bildgebendes Nachweisverfahren mit hoher Ortsauflösung und Empfindlichkeit geeignet ist.

Description

Gitter-Wellenleiter-Struktur für Multianalytbestimmungen und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft variable Ausführungsformen einer Gitter- Wellenleiter-Struktur, welche es ermöglicht, ortsaufgelöst Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die wellenleitende Schicht (a) eines optischen Schichtwellenleiters über eine in der Schicht (a) modulierte Gitterstruktur (c) oder Auskopplung eines in der Schicht (a) geführten Lichts, mit darauf erzeugten Arrays von Messbereichen mit jeweils unterschiedlichen immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen zur gleichzeitigen Bindung und Bestimmung einer oder mehrerer Analyten, zu bestimmen, wobei besagtes Anregungslicht gleichzeitig auf ein ganzes Array von Messbereichen eingestrahlt wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen gleichzeitig gemessen wird. Die Erfindung betrifft auch ein optisches System mit mindestens einer Anregungslichtquelle und mindestens einem ortsauflösenden Detektor sowie optional Positionierelementen zur Veränderung des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die erfindungsgemasse Gitter- Wellenleiter-Struktur sowie ein zugehöriges Messverfahren und dessen Verwendung. Dabei wurde überraschend gefunden, dass das erfindungsgemasse Verfahren als ein bildgebendes Nachweisverfahren mit hoher Ortsauflösung und Empfindlichkeit geeignet ist.
Als „ortsaufgelöste" Bestimmung eines physikalischen Parameters, von dessen Verteilung über eine auszumessende, vorzugsweise ebene Messfläche, soll verstanden werden, dass diesem Parameter durch eine entsprechende Messung ein eindeutiger Wert als Funktion seiner x- und y- Koordinaten, bezogen auf besagte Messfläche, zugeordnet werden kann. Die maximal erreichbare Ortsauflösung ist dabei beispielsweise begrenzt durch die Auflösung des Detektionssystems .
Zur Bestimmung einer Vielzahl von Analyten sind gegenwärtig vor allem Verfahren verbreitet, in denen in sogenannten Mikrotiterplatten der Nachweis unterschiedlicher Analyten in diskreten Probenbehältnissen oder "Wells" dieser Platten erfolgt. Am weitesten verbreitet sind dabei Platten mit einem Raster von 8 x 12 Wells auf einer Grundfläche von typischerweise ca. 8 cm x 12 cm, wobei zur Füllung eines einzelnen Wells ein Volumen von einigen hundert Mikrolitern erforderlich ist. Für zahlreiche Anwendungen wäre es jedoch wünschenswert, mehrere Analyten in einem einzigen Probenbehältnis, unter Einsatz eines möglichst kleinen Probenvolumens zu bestimmen.
In der US-P 5,747,274 werden Messanordnungen und Verfahren zur Früherkennung eines Herzinfarkts, durch die Bestimmung mehrerer von mindestens drei Herzinfarktmarkern beschrieben, wobei die Bestimmung dieser Marker in individuellen oder in einem gemeinsamen Probenbehältnis erfolgen kann, wobei im letzteren Falle, der gegebenen Beschreibung folgend, ein einziges Probenbehältnis als ein durchgehender Flusskanal ausgebildet ist, dessen eine Begrenzungsfläche beispielsweise eine Membran bildet, auf der Antikörper für die drei verschiedenen Marker immobilisert sind. Es gibt jedoch keine Hinweise auf eine Bereitstellung von mehreren derartigen Probenbehältnissen oder Flusskanälen auf einem gemeinsamen Träger. Ausserdem werden keine geometrischen Angaben über die Grossen der Messflächen gegeben.
In den WO 84/01031, US-P 5,807,755, US-P 5,837,551 und US-P 5,432,099 wird die Immobilisierung für den Analyten spezifischer Erkennungselemente in Form kleiner "Spots" mit teilweise deutlich unter 1 mm2 Fläche auf festen Trägern vorgeschlagen, um durch Bindung eines nur kleinen Teils vorhandener Analytmoleküle eine nur von der Inkubationszeit abhängige, aber - in Abwesenheit eines kontinuierlichen Flusses - vom absoluten Probenvolumen im wesentlichen unabhängige Konzentrationsbestimmung des Analyten vornehmen zu können. Die in den zugehörigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Messanordnungen beruhen auf Fluoreszenznachweisen in konventionellen Mikrotiterplatten. Dabei werden auch Anordnungen beschrieben, in denen Spots von bis zu drei unterschiedlichen fluoreszenzmarkierten Antikörpern in einem gemeinsamen Mikrotiterplattenwell ausgemessen werden. Den in diesen Patentschriften dargelegten theoretischen Überlegungen folgend, wäre eine Minimierung der Spotgrösse wünschenswert. Limitierend wirke jedoch die minimale Signalhöhe, die vom Untergrundsignal unterschieden werden könne.
Zur Erreichung tieferer Nachweisgrenzen sind in den vergangenen Jahren zahlreiche Messanordnungen entwickelt worden, in denen der Nachweis des Analyten auf dessen Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld beruht, welches mit der Lichtleitung in einem optischen Wellenleiter verbunden ist, wobei auf der Oberfläche des Wellenleiters biochemische oder biologische Erkennungselemente zur spezifischen Erkennung und Bindung der Analytmoleküle immobilisiert sind.
Koppelt man eine Lichtwelle in einen optischen Wellenleiter ein, der von optisch dünneren Medien, d.h. Medien mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist, so wird sie durch TotalReflexion an den Grenzflächen der wellenleitenden Schicht geführt. In die optisch dünneren Medien tritt dabei ein Bruchteil der elektromagnetischen Energie ein. Diesen Anteil bezeichnet man als evaneszentes oder quergedämpftes Feld. Die Stärke des evaneszenten Feldes ist sehr stark abhängig von der Dicke der wellenleitenden Schicht selbst sowie vom Verhältnis der Brechungsindices der wellenleitenden Schicht und der sie umgebenden Medien. Bei dünnen Wellenleitern, d. h. Schichtdicken von derselben oder niedrigerer Dicke als der zu führenden Wellenlänge, können diskrete Moden des geleiteten Lichts unterschieden werden. Derartige Verfahren haben den Vorteil, dass die Wechselwirkung mit dem Analyten auf die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes ins angrenzende Medium, in der Grössenordnung von einigen hundert Nanometern, beschränkt ist und Störsignale aus der Tiefe des Mediums weitgehend vermieden werden können. Die ersten vorgeschlagenen derartigen Messanordnungen beruhten auf hochmultimodalen, selbsttragenden Einschichtwellenleitern, wie beispielsweise Fasern oder Plättchen aus transparentem Kunststoff oder Glas, mit Stärken von einigen hundert Mikrometern bis zu mehreren Millimetern.
In der WO 94/27137 werden Messanordnungen beschrieben, in denen "Patches" mit unterschiedlichen Erkennungselementen, zum Nachweis unterschiedlicher Analyten, auf einem selbstragenden optischen Substratwellenleiter (Einschichtwellenleiter) mit Stirnflächenlichteinkopplung immobilisiert sind, wobei die räumlich selektive Immobilisierung mittels photoaktivierbarer Crosslinker erfolgt. Gemäss der gegebenen Beschreibung können mehrere Patches in Reihe in gemeinsamen parallelen Flusskanälen oder Probenbehältnissen angeordnet sein, wobei sich die parallelen Flusskanäle oder Probenbehältnisse über die gesamte Länge des als Sensor genutzten Bereichs des Wellenleiters erstrecken, um eine Beeinträchtigung der Lichtleitung im Wellenleiter zu vermeiden. Hinweise auf eine zweidimensionale Integration einer Vielzahl von Patches in Probenbehältnissen relativ kleiner Ausmasse, d.h. von deutlich weniger als 1cm Grundfläche, werden jedoch nicht gegeben. In einer ähnlichen Anordnung werden in der WO 97/35203 verschiedene Ausführungsformen einer Anordnung beschrieben, in der in parallelen, separaten Flusskanälen oder Probenbehältnissen für die Probe und Kalibrationslösungen niedriger und gegebenenfalls zusätzlich hoher Analytkonzentration unterschiedliche Erkennungselemente zur Bestimmung verschiedener Analyten jeweils immobilisiert sind. Auch hier wird jedoch keinerlei Hinweis gegeben, wie eine hohe Integrationsdichte unterschiedlicher Erkennungselemente in einer zu einem gemeinsamen Behältnis zugeführten Probe erreicht werden könnte. Ausserdem ist die Emfindlichkeit hoch multimodaler, selbstragender Einschichtwellenleiter für eine Vielzahl von Anwendungen, in denen die Erreichung sehr tiefer Nachweisgrenzen erforderlich ist, nicht ausreichend.
Zur Verbesserung der Empfindlichkeit und gleichzeitig einfacheren Herstellung in Massenfabrikation wurden planare Dünnschichtwellenleiter vorgeschlagen. Ein planarer Dünnschichtwellenleiter besteht im einfachsten Fall aus einem Dreischichtsystem: Trägermaterial, wellenleitende Schicht, Superstrat ( bzw. zu untersuchende Probe), wobei die wellenleitende Schicht den höchsten Brechungsindex besitzt. Zusätzliche Zwischenschichten können die Wirkung des planaren Wellenleiters noch verbessern.
Es sind verschiedene Verfahren für die Einkopplung von Anregungslicht in einen planaren Wellenleiter bekannt. Die am frühesten benutzten Verfahren beruhten auf Stimflächenkopplung oder Prismenkopplung, wobei zur Verminderung von Reflexionen infolge von Luftspalten im allgemeinen eine Flüssigkeit zwischen Prisma und Wellenleiter aufgebracht wird. Diese beiden Methoden sind vor allem in Verbindung mit Wellenleitern relativ grosser Schichtdicke, d. h. insbesondere selbsttragenden Wellenleitern, sowie bei einem Brechungsindex des Wellenleiters von deutlich unter 2 geeignet. Zur Einkopplung von Anregungslicht in sehr dünne, hochbrechende wellenleitende Schichten ist demgegenüber die Verwendung von Koppelgittern eine wesentlich elegantere Methode.
Es können verschiedene Methoden zum Analytnachweis im evaneszenten Feld geführter Lichwellen in optischen Schichtwellenleitern unterschieden werden. Aufgrund des eingesetzten Messprinzips kann man beispielsweise zwischen Fluoreszenz- oder allgemeiner Lumineszenzmethoden auf der einen Seite und refraktiven Methoden andererseits unterscheiden. Hierbei können Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenplasmonenresonanz in einer dünnen Metallschicht auf einer dielektrischen Schicht mit niedrigerem Brechungsindex in die Gruppe der refraktiven Methoden mit einbezogen werden, sofern als Basis zur Bestimmung der Messgrösse der Resonanzwinkel des eingestrahlten Anregungslichts zur Erzeugung der Oberflächenplasmonenresonanz dient. Die Oberflächenplasmonenresonanz kann aber auch zur Verstärkung einer Lumineszenz oder zur Verbesserung des Signal-zu-Hintergrund- Verhältnisses in einer Lumineszenzmessung verwendet werden. Die Bedingungen zur Erzeugung einer Oberflächenplasmonenresonanz sowie zur Kombination mit Lumineszenzmessungen sowie mit wellenleitenden Strukturen sind vielfach in der Literatur beschrieben, beispielsweise in den US- Patenten US-P 5,478,755, US-P 5,841,143, US-P 5,006,716 und US-P 4,649,280.
Mit dem Begriff "Lumineszenz" wird 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.
Bei den refraktiven Messmethoden wird die Änderung des sogenannten effektiven Brechungsindex aufgrund molekularer Adsorption oder Desorption auf dem Wellenleiter zum Nachweis des Analyten benutzt. Diese Änderung des effektiven Brechungsindex wird, im Falle von Gitterkoppler-Sensoren, bestimmt aus der Änderung des Koppelwinkels für die Ein- oder Auskopplung von Licht in oder aus dem Gitterkoppler-Sensor, und im Falle von interferometrischen Sensoren aus der Änderung der Phasendifferenz zwischen dem in einem Sensorarm und einem Referenzarm des Interferometers geführten Messlichts.
Der Stand der Technik zum Einsatz von einem oder mehreren Koppelgittern zum Ein- und/oder Auskoppeln geführter Wellen mittels eines oder mehrerer Koppelgitter ist beispielsweise in K. Tiefenthaler, W. Lukosz,"Sensitivity of grating couplers as integrated-optical chemical sensors", J. Opt. Soc. Am. B6, 209 (1989); W. Lukosz, Ph.M. Nellen, Ch. Stamm, P. Weiss, "Output Grating Couplers on Planar Waveguides as Integrated, Optical Chemical Sensors", Sensors and Actuators Bl, 585 (1990), und in T. Tamir, S.T. Peng, „Analysis and Design of Grating Couplers", Appl. Phys. 14, 235-254 (1977), beschrieben.
In der US-P 5,738,825 wird eine Anordnung bestehend aus einer Mikrotiterplatte mit vollständig durchgehenden Bohrungen und einem Dünnschichtwellenleiter als Bodenplatte, letzterer bestehend aus einem dünnen wellenleitenden Film auf einem transparenten, selbsttragenden Substrat, beschrieben, hl Kontakt mit den aus der durchbohrten Mikrotiterplattte und dem Dünnschichtwellenleiter als Bodenplatte gebildeten, offenen Probenbehältnissen sind jeweils Beugungsgitter für die Ein- und Auskopplung von Anregungslicht vorgesehen, um aus Änderungen des beobachteten Koppelwinkels die dafür verantwortlichen Änderungen des effektiven Brechungsindex infolge von Adsorption oder Desorption von nachzuweisenden Analytmolekülen zu bestimmen. Ein Nachweis mehrerer Analyten in einem Probenbehältnis, durch Bindung an verschiedene auf der Gitterstruktur in dem Probenbehältnis immobilisierte Erkennungselemente, ist jedoch nicht vorgesehen und den Beispielen folgend mit den verwendeten Wellenleiter- und Gitterparametern auch schwer realisierbar. Damit ist auch die mit dieser Anordnung erreichbare Dichte unabhängig voneinander zu untersuchender Messbereiche mit unterschiedlichen Erkennungselementen zum Nachweis unterschiedlicher Analyten für viele Anwendungen (zum Beispiel zur Bestimmung einer Vielzahl unterschiedlicher Nukleinsäuresequenzen in einer kleinvolumigen, d. h. < 100 μl umfassenden Probe) nicht ausreichend.
In der US-P 5,991,480 wird eine andere Form von Gitterkoppler-Sensoren vorgeschlagen, in denen nicht der Winkel zwischen der Sensorplatform mit einem darauf in einer wellenleitenden Schicht modulierten Gitterstruktur bezüglich eines Anregungslichtstrahls verändert wird, sondern bei Veränderung der Koppelbedingungen die Position der Lichteinkopplung auf der Gitter- Wellenleiter-Struktur, im wesentlichen parallel zu den Gitterlinien, verändert wird. Dieser Effekt wird beispielsweise mithilfe eines sogenannten "chirped gratings" erzielt, wobei das "chirped grating" eine kontinuierliche Änderung der Gitterperiode im wesentlichen parallel zu den Gitterlinien aufweist. Diese Anordnung hat vor allem den Vorteil eines hohen Potentials für die Miniaturisierung der Messanordnung (einschliesslich Lichtquelle und ortsauflösendem Detektor), da insbesondere auf mechanische Positionierelemente verzichtet werden kann. Dabei sind die Dimensionen der diskreten Bereiche von "Chirped Gratings" zur Lichtein- oder auskopplung allerdings nur schwer auf kleinere Dimensionen als einige Quadratmillimeter zu reduzieren.
Es sind weitere Phänomene im Zusammenhang mit Gitter- Wellenleiter-Strukturen bekannt, die bis jetzt noch keine oder kaum Umsatz in analytische Messverfahren gefunden haben. 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) ein nahezu vollständiges Verschwinden des transmittierten Lichtes und ein Anstieg des in Richtung der Reflexion ausgesandten Lichtes 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 und insbesondere auch keine Hinweise auf Unterschiede in der Transmission oder "Reflexion" innerhalb einer unter den Resonanzbedingungen beleuchtetem Fläche eines Koppelgitters.
Die genannten refraktiven Methoden haben den Vorteil, dass sie ohne Verwendung zusätzlicher Markierungsmoleküle, sogenannter molekularer Labels, eingesetzt werden können. Allerdings ist in keiner der genannten refraktiven Messmethoden unter Benutzung von Gitterkopplern zu einem Analytnachweis mittels Bestimmung von Änderungen der Koppelbedingungen bzw. des Koppelwinkels aufgrund von molekularer Adsorption oder Desorption vom Koppelgitter ein Hinweis auf eine ortsaufgelöste Detektion innerhalb eines auf ein Koppelgitter eingestrahlten Lichtbündels gegeben. Daher waren diese Methoden für einen Nachweis einer Vielzahl von Analyten auf engem Raum bisher nicht oder nur wenig geeignet.
Es besteht ein Bedürfnis danach, den Vorteil der labelfreien Analytdetektion auch für Arrays hoher Dichte, zum Nachweis einer Vielzahl von Analyten in einer kleinvolumigen Probe einsetzen zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gitter- Wellenleiter-Struktur, ein optisches System sowie ein Messverfahren zur labelfreien Analytdetektion mit Arrays hoher Dichte bereitzustellen, zum oben erwähnten Nachweis.
hn Sinne der vorliegenden Erfindung sollen räumlich getrennte Messbereiche (d) durch die Fläche definiert werden, die dort immobilisierte biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente 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. Dabei 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 Analyten oder eines mit dem Analyten um die Bindung an die immobilisierten Erkennungselemente konkurrierenden Analogen des Analyten oder eines weiteren Bindungspartners in einem mehrstufigen Assay werden diese 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.
Es wurde nun überraschend gefunden, dass mit einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter- Struktur (GWS), beispielweise mit einer in der wellenleitenden Schicht modulierten und sich über die ganze GWS erstreckenden Gitterstruktur, insbesondere bei grossflächiger Beleuchtung (d. h. mit einem Strahldurchmesser von beispielsweise 5 mm), unter oder nahe der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a), Unterschiede im Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung, das heisst lokale Unterschiede in der Massenbelegung der Gitterstruktur, in Form von aufgebrachten Messbereichen mit biologischen Erkennungselementen wie beispielsweise Oligonukleotide, mit hoher räumlicher Auflösung (von 50 μm oder weniger) und mit einem hohen Kontrast, d.h. einer hohen Empfindlichkeit zur Bestimmung von Unterschieden oder Änderungen der Massenbelegung, bestimmt werden können. Dabei sind Ortsauflösung und Kontrast überraschenderweise so gut, dass sich das erfindungsgemasse Verfahren sogar als ein Bildgebungsverfahren ("imaging method"), zur gleichzeitigen topologischen Charakterisierung der Massenbelegung einer ausgedehnten Oberfläche (in der Grössenordnung mehrerer Quadratmillimeter bis zu mehreren Quadratzentimetern) eignet, wobei beispielsweise zur Bestimmung unterschiedlicher lokaler Massenbelegungen sequentiell Kamerabilder (beispielsweise in Transmission oder in "Reflexion") aufgenommen werden, zwischen denen jeweils der Einstrahl winkel des Anregungslichts auf die GWS verändert wird, so dass sich in Abhängigkeit von der lokalen Massenbelegung bei unterschiedlichen Winkeln Minima in der Transmission oder Maxima in der "Reflexion" ergeben. Aus diesen sequentiellen Bildern kann dann durch numerische Verfahren die ortsaufgelöste Verteilung der Massenbelegung bestimmt werden. Gegenüber herkömmlichen Verfahren des Analytnachweises aus den Änderungen der Koppelbedingungen, ohne Ortsauflösung, hat das neue erfindungsgemasse Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen. Diese betreffen beispielsweise eine viel grössere Schnelligkeit, da sequentielle Bilder im Abstand von Sekundenbruchteilen mit Millisekunden Belichtungszeit erstellt werden können. Weiterhin entfallen jegliche Probleme der Reproduzierbarkeit in der Positionierung, wenn die GWS zwischen sequentieller lokaler Messung an diskreten Messbereichen jeweils in diese neuen Messpositionen gefahren werden muss, wie dieses beim Einsatz der genannten herkömmlichen Verfahren notwendig ist. Weiterhin ermöglicht das Verfahren vorteilhafterweise auch die Durchführung gleichzeitiger kinetischer Messungen für eine Vielzahl von Messbereichen innerhalb eines gemeinsamen Probenbehältnisses auf der GWS, indem "Winkelscans" zur Bestimmung unterschiedlicher Massenbelegung auf der beobachteten Fläche in kurzer Abfolge wiederholt werden können.
Erster Gegenstand der Erfindung ist eine Gitter- Wellenleiter-Struktur zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, umfassend einen optischen Schichtwellenleiter
- mit einer ersten optisch transparenten Schicht (a) auf einer zweiten optisch transparenten Schicht (b) mit niedrigerem Brechungsindex als Schicht (a),
- mit einer oder mehrereren Gitterstrukturen (c) zur Einkopplung von Anregungslicht zu den Messbereichen (d) oder Auskopplung von in der Schicht (a) geführtem Licht im Bereich der Messbereiche mindestens zwei oder mehr räumlich getrennten Messbereichen (d) auf der einen oder den mehreren Gitterstrukturen (c)
- auf diesen Messbereichen immobilisierten, gleichen oder unterschiedlichen biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen (e) zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer mit den Messbereichen in Kontakt gebrachten Probe, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Anregungslicht gleichzeitig auf besagtes Array von Messbereichen eingestrahlt wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu den zwei oder mehr Messbereichen gleichzeitig gemessen wird und ein Übersprechen von in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht von einem Messbereich zu einem oder mehreren benachbarten Messbereichen durch Wiederauskopplung dieses Anregungslichts mittels der Gitterstruktur (c) verhindert wird.
Mit der erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur ist es möglich, ortsaufgelöst gleichzeitig die Massenbelegung in einer Vielzahl von Messbereichen auf einer Gitterstruktur (c) zu bestimmen, anhand des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Einkopplung eines Anregungslichtbündels in die optische Schicht (a) im Bereich dieser Messbereiche.
Insbesondere Gegenstand der Erfindung ist daher eine Gitter- Wellenleiter-Struktur zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem zweidimensionalen Array aus mindestens vier oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, umfassend einen optischen Schichtwellenleiter
- mit einer ersten optisch transparenten Schicht (a) auf einer zweiten optisch transparenten Schicht (b) mit niedrigerem Brechungsindex als Schicht (a),
- mit einer oder mehrereren Gitterstrukturen (c) zur Einkopplung von Anregungslicht zu den Messbereichen (d) oder Auskopplung von in der Schicht (a) geführtem Licht im Bereich der Messbereiche mindestens zwei oder mehr räumlich getrennten Messbereichen (d) auf der einen oder den mehreren Gitterstrukturen (c)
- auf diesen Messbereichen immobilisierten, gleichen oder unterschiedlichen biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen (e) zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer mit den Messbereichen in Kontakt gebrachten Probe, dadurch gekennzeichnet, die Dichte der Messbereiche auf einer gemeinsamen Gitterstruktrur (c) mindestens 10 Messbereiche pro Quadratzentimeter beträgt und dass besagtes Anregungslicht gleichzeitig auf besagtes Array von Messbereichen eingestrahlt wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen gleichzeitig gemessen wird und ein Übersprechen von in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht von einem Messbereich zu einem oder mehreren benachbarten Messbereichen durch Wiederauskopplung dieses Anregungslichts mittels der Gitterstruktur (c) verhindert wird. Es wird bevorzugt, dass eine durchgehend modulierte Gitterstruktur (c) sich im wesentlichen über den ganzen Bereich der Gitter- Wellenleiter-Struktur erstreckt.
Es werden solche Ausführungsformen der erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass die Ortsauflösung zur Bestimmung des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) besser als 200 μm ist. Besonders bevorzugt werden Ausführungsformen, bei denen die Ortsauflösung zur Bestimmung des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) besser als 20 μm ist.
Ein wesentlicher Parameter für die Veränderung der Orstauflösung oder der Empfindlichkeit zur Bestimmung von Änderungen der Massenbelegungen anhand entsprechender Änderungen der Resonanzbedingungen für die Lichteinkopplung ist die Gittertiefe. Mit der erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur wird ermöglicht, dass die Ortsauflösung zur Bestimmung des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) durch Wahl einer grösseren Modulationstiefe von Gitterstrakturen (c) verbessert oder Wahl einer kleineren Modulationstiefe besagter Gitterstrukturen verringert werden kann. Ebenso ist es möglich, dass die Halbwertsbreite des Resonanzwinkels zur Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) durch Verringerung der Modulationstiefe von Gitterstrukturen (c) verringert oder durch Vergrösserung der Modulationstiefe besagter Gitterstrukturen vergrössert werden kann.
Ebenso kann die Ortsaufösung oder Empfindlichkeit zur Bestimmung von Änderungen des effektiven Brechnungsindex auf der Oberfläche der erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter- Struktur durch Wahl zwischen transversal magnetisch polarisierten Moden (TM) und transversal elektrisch polarisierten Moden entscheidend beeinflusst werden. Beispielsweise weisen TM- Moden im Falle hochbrechender wellenleitender Schichten (a) (z. B. mit Brechungsindex >2), welche aufgrund ihrer geringen Schichtdicke (z. B. zwischen 100 nm und 400 nm) nur die Grundmoden eines eingestrahlten Anregungslichts (TMo oder TE0, siehe auch weiter unten) führen können, in einem Gitterstrukturbereich einer Gitter- Wellenleiter-Struktur (z.B. mit Gittertiefen zwischen 5 nm und 60 nm) eine geringere Dämpfung, d.h. grössere Lauf länge innerhalb der Gitterstruktur, als die entsprechenden TE-Moden (d.h. TE-Moden gleicher Ordnung) auf. Dieses bedeutet, dass bei gleicher Gittertiefe die Ortsauflösung unter Verwendung von TM-Moden geringer ist. Andererseits ist die Schärfe der Resonanzkurve zur Erfüllung der Einkoppelbedingungen eines Anregungslichts in die wellenleitende Schicht (a) über eine Gitterstruktur (c) bei gleichen Gitterparametern (Gitterperiode und -tiefe) und Schichtparametern (Brechungsindices und Schichtdicken) der Gitter- Wellenleiter-Struktur für TM-Moden deutlich grösser als für TE-Moden. Dieses bedeutet, dass die Auflösung der Signalintensität, d.h. Empfindlichkeit, zur Bestimmung des Ausmasses der Erfüllung der Resonanzbedingungen für TM-Moden grösser ist. Demzufolge ist die Entscheidung zwischen der Verwendung von TM- oder TE-Moden in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufgabenstellung zu treffen.
Um mit einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur hochempfindlich und mit einer hohen Ortsauflösung Änderungen der besagten Resonanzbedingungen bestimmen zu können, ist es erwünscht, dass sich die genannten physikalischen Parameter wie Brechungsindex und Schichtdicke der wellenleitenden Schicht sowie Gitterperiode und Gittertiefe, als Parameter der Gitter- Wellenleiter-Struktur selbst, welche sich auf die Empfindlichkeit bei einer Bestimmung einer Änderung der Resonanzbedingungen auswirken, innerhalb einer Fläche auf der Gitter- Wellenleiter-Struktur entsprechend der Fläche eines zu untersuchenden Arrays, möglichst wenig ändern, um damit, abgesehen von den Messbereichen, stabile Resonanzbedingungen, insbesondere einen einheitlichen Koppelwinkel, zu gewährleisten. Typischerweise hat ein gleichzeitig zu untersuchendes Array von Messbereichen eine Grosse von mindestens 2 mm x 2 mm. Daher ist es von Vorteil, wenn - ausserhalb der Messbereiche - der Resonanzwinkel zur Ein- oder Auskopplung eines monochromatischen Anregungslichts („Koppelwinkel") innerhalb einer solchen Fläche, d.h. innerhalb einer Fläche von mindestens 4 mm2, (mit Ausrichtung der Seiten parallel oder nicht parallel zu den Linien der Gitterstruktur (c)) um höchstens 0.1° (als Abweichung von einem Mittelwert) variiert. Selbstverständlich ist es von Vorteil, wenn eine derartig hohe Gleichmässigkeit des Koppelwinkels auch über eine grössere Fläche gewährleistet werden kann. Bevorzugt wird daher, dass der Koppelwinkel auf einer Fläche von mindestens 10 mm x 10 mm (mit Ausrichtung der Seiten parallel oder nicht parallel zu den Linien der Gitterstruktur (c)) um höchstens 0.1° (als Abweichung von einem Mittelwert) variiert. Besonders bevorzugt wird, wenn der Koppelwinkel auf einer Fläche von mindestens 50 mm x 50 mm (mit Ausrichtung der Seiten parallel oder nicht parallel zu den Linien der Gitterstruktur (c)) um höchstens 0.1°* (als Abweichung von einem Mittelwert) variiert. Eine Vielzahl makroskopischer Änderungen der äusseren Bedingungen hat einen Einfluss auf die besagten Resonanzbedingungen. Beispielsweise ändern sich die Brechungsindices der optisch transparenten Schichten (a) und (b) sowie mit der Gitter- Wellenleiter-Struktur in Kontakt gebrachter Proben bei Änderungen der Temperatur. Es wird daher bevorzugt, dass die Temperatur einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur durch geeignete Vorkehrungen konstant gehalten oder in kontrollierter Weise verändert und eingestellt werden kann.
Mit der erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur kann das Ausmass der Erfüllung der Resonanzbedingung zur Lichteinkopplung auf verschiedene Weise bestimmt werden. Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Ausführungsform einer Gitter- Wellenleiter-Struktur, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu den Messbereichen aus der Intensität des, im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht, wieder ausgekoppelten Anregungslichts (d.h. aus der Summe beider Anteile) bestimmt wird.
Eine andere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu den Messbereichen aus der Intensität des transmittierten Anregungslichts bestimmt wird.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu den Messbereichen aus der Intensität des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bestimmt wird.
Die erfindungsgemasse Gitter- Wellenleiter-Struktur ist dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Intensitäten des reflektierten und des im wesentlichen parallel dazu wieder ausgekoppelten Anregungslichts bei lokaler Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) im Bereich dieses Messbereichs ein Maximum aufweist. In der Praxis können dabei das an ein- und demselben Messbereich ausgekoppelte und das dort reflektierte Anregungslicht nicht voneinander unterschieden werden, da sich beide vom selben Ort in derselben Richtung- ausbreiten. Gleichzeitig weist die Intensität des transmittierten Anregungslichts bei lokaler Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) im Bereich dieses Messbereichs ein Minimum auf. Ausserdem weist die Intensität des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bei lokaler Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) im Bereich dieses Messbereichs ein Maximum auf.
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. Die Zwischenschicht hat die Aufgabe einer Verringerung der Oberflächenrauhigkeit unter der Schicht (a) oder der Verminderung des Eindringens des evaneszenten Feldes von in Schicht (a) geführtem Licht in die eine oder mehrere darunter liegende Schichten oder einer Verbesserung der Haftung der Schicht (a) auf der einen oder mehreren darunter liegenden Schichten oder der Verminderung von thermisch hervorgerufenen Spannungen innerhalb der Gitter- Wellenleiter-Struktur oder der chemischen 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.
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, Ta2O5, HfO2, oder ZrO2, besonders bevorzugt aus TiO oder Nb2O5 oder Ta2O5, 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. Zur Erhöhung der 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, 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.
Neben den bereits genannten Parametern wirkt sich auch das sogenannte „Steg-zu-Nut- Verhältnis" auf die Ein- und Auskoppeleffizienz aus. Unter Steg-zu-Nut -Verhältnis ist zum Beispiel bei einem Rechteckgitter das Verhältnis der Breite der Stege zu der Breite der Nuten zu verstehen. Bevorzugt weisen die Gitter ein Steg-zu-Nut-Verhältnis von 0.5 - 2 auf.
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 erfindungsgemasse 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. Typischerweise kann dabei die Dichte von Messbereichen auf einer gemeinsamen Gitterstruktur (c) mehr als 10, bevorzugt mehr als 100, besonders bevorzugt mehr als 1000 Messbereiche pro Quadratzentimeter betragen.
Ausserdem wird bevorzugt, dass die Aussenmasse ihrer Grundfläche mit der Grundfläche von Standard-Mikrotiter-Platten von ca. 8 cm x 12 cm (mit 96 oder 384 oder 1536 Wells) übereinstimmen.
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 oder 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.
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 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 hnprints, 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.
Es ist auch möglich, dass als biochemische oder biologische Erkennungselemente ganze Zellen oder Zellfragmente aufgebracht werden.
hl 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 Erkennungselementen, 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 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 "artfremder" DNA bestimmt, über die keine Wechselwirkungen mit den nachzuweisenden Polynukleotidsequenzen bekannt sind. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungshchts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit
- mindestens einer Anregungslichtquelle
- einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur nach einer der vorgenannten Ausführungsformen
- mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht.
Insbesondere im Falle der vorgenannten Ausführungsform der Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts kann es vorteilhaft sein, wenn die von der wellenleitenden Schicht (a) abgewandte Oberfläche der optisch transparenten Schicht (b), d.h. die, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegende Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur, mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen ist. Hiermit können mögliche Störreflexionen und Interferenzerscheinungen, beispielsweise infolge von Fresnel- Reflexionen, welche unabhängig von den zu erfassenden Messignalen auftreten können, vermindert werden.
Die aufgeführten Randbedingungen an die Positionierung des mindestens einen ortsauflösenden Detektors auf der gleichen oder gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts und in Abhängigkeit des zu erfassenden Lichtanteils (transmittiertes Anregungslicht oder, parallel zum reflektierten Anteil wieder ausgekoppeltem Anregungslicht) können vereinfacht werden durch die Verwendung einer geeignet im Strahlengang zu positionierenden Projektionswand. Eine geeignete Projektionswand sollte diffus reflektierend oder / und diffus transmissiv sein. Eine wesentliche Rolle bei der Materialauswahl spielt dabei die Kömigkeit des Materials, insbesondere seiner Oberfläche. Eine zu grobe Körnigkeit führt zur Verminderung der Kontraste und zur Erzeugung vergrösserter, unscharfer Konturen, d.h. zu einer Verminderung der Ortsauflösung und der Empfindlichkeit. In gleicher, nachteiliger Weise wirkt sich eine zu grosse Lauflänge des Lichts im Material (z.B. in einem Teflon-Block) aus. In der Praxis erweist sich beispielsweise ein Stück feinkörnigen, weissen Papiers als eine gut geeignete diffus reflektierende Projektionswand, welches, zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts, welches auf der gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, zu positionieren ist. In diesem Beispiel ist der mindestens eine ortsauflösende Detektor auf der gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, angeordnet. Bei Verwendung einer diffus transmissiven Projektionswand kann der Detektor auf beiden Seiten der Gitter- Wellenleiter-Struktur angeordnet sein.
Eine solche Projektionswand kann auch vorteilhaft zur Erfassung des, im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts eingesetzt werden. Während, ohne Verwendung einer solchen Projektionswand, ein ortsauflösender Detektor genau in der Ausbreitungsrichtung dieses Lichtanteils positioniert werden muss, was aufgrund der räumlichen Abmessungen eines solchen Detektors zu Schwierigkeiten in der praktischen Realisierung führen kann, entfallen diese Anforderungen bei Verwendung einer besagten Proj ektionswand.
Es wurde überraschend gefunden, dass unter Verwendung einer Projektionswand zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts auf der gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter- Struktur, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, ein besonders guter Kontrast bei der Bestimmung des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingungen zur Lichteinkopplung in die erfindungsgemasse Gitter- Wellenleiter-Struktur, erzielt werden konnte, beispielsweise im Vergleich zu der Alternative der Erfassung des Streulichts von in der Schicht (a) geführtem Licht. Beispielsweise kann mit dieser Anordnung die nachteilige Kontrastverminderung von Streulicht infolge Auskopplung geführten Anregungslichts durch Oberflächendefekte der Gitter- Wellenleiter-Struktur nahezu vollständig vermieden werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass bei Verwendung eines weitgehend parallelen Anregungslichtbündels der Abstand der Projektionswand von der Gitter- Wellenleiter-Struktur in einem weiten Bereich ohne wesentliche Beeinträchtigung der Empfindlichkeit und / oder der Ortsauflösung variiert werden kann. Beispielsweise kann auch die der wellenleitenden Schicht (a) einer Gitter- Wellenleiter-Struktur gegenüberliegende Seite eines geeigneten Probenbehältnisses, mit der Gitter- Wellenleiter-Struktur als gegenüberliegender Begrenzungswand, als Projektionswand ausgebildet sein.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher ein optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit
- mindestens einer Anregungslichtquelle
- einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur
- einer diffus reflektierenden oder / und diffus transmissiven Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur, zur Erzeugung eines Bildes des transmittierten Anregungslichts und mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des Bildes des transmittierten Anregungslichts auf besagter Projektionwand.
Eine mögliche Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ortsauflösende Detektor zur Erfassung des Bildes des transmittierten Anregungslichts auf besagter Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur angeordnet ist.
Eine andere mögliche Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ortsauflösende Detektor zur Erfassung des Bildes des transmittierten Anregungslichts auf besagter Projektionswand auf der Seite des transmittierten Anregungslichts, d.h. auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter- Struktur, angeordnet ist, wobei besagte Projektionswand mindestens teilweise transmissiv ist.
Für spezifische Anwendungen wird eine Ausführungsform eines optischen Systems mit einer Gitter- Wellenleiter-Struktur mit einer oder mehreren Gitterstrukturen (c) mit einer im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelten Anregungslichts räumlich variierenden Periodizität bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass auf jeder Gitterstruktur (c) mit einer im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelten Anregungslichts räumlich variierenden Periodiziät höchstens ein Messbereich angeordnet ist, wobei sich auf der Gitter- Wellenleiter-Struktur in Ausbreitungsrichtung des einzukoppelnden und in der Schicht (a) zu führenden Anregungslichts ein unstrukurierter Bereich der Gitter- Wellenleiter-Struktur anschliesst, und gegebenfalls daran weiter in Ausbreitungsrichtung des in der Schicht (a) geführten Anregungslichts sich eine weitere Gitterstruktur (c) anschliesst, über welche besagtes geführtes Anregungslicht in Richtung eines ortsauflösenden Detektors wieder ausgekoppelt wird. Eine solche Ausführungsform kann so gestaltet sein, dass Änderungen der Massenbelegung, oder allgemeiner des lokalen effektiven Brechungsindex, durch Adsorption oder Desorption von Molekülen aus den Messbereichen auf Gitterstrukturen (c) zu einer Verschiebung der lokalen Position der Erfüllung der Resonanzbedingung zur Einkopplung des Anregungslichts in die Schicht (a) über besagte Gitterstruktur (c) im wesentlichen parallel zu den Gitterlinien führen. Dabei wird eine solche Ausführungsform des erfindungsgemässen optischen Systems bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass eine eindimensionale Anordnung von mindestens 2 Gitterstrukturen (c) der eben genannten Ausführungsform gleichzeitig mit Anregungslicht bestrahlt wird. Weiterhin wird bevorzugt, dass das Anregungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird und im wesentlichen monochromatisch ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines in der Schicht (a) geführten TE0- oder TMo-Modes. Vorteilhaft wird jeweils eine grössere Anzahl von derartigen Gitterstrukturen gleichzeitig bestrahlt, beispielsweise eine zweidimensionale Anordnung von mindestens 4 derartigen Gitterstrakturen.
Bei gegebenen Schicht- und Gitterparametern einer Gitter- Wellenleiter-Struktur gibt es verschiedene Möglichkeiten, die übrigen freien Parameter zur Erfüllung der Resonanzbedingungen von Licht in oder Auskopplung von Licht aus einer Gitter- Wellenleiter- Struktur zu variieren. Für eine vorgegebene, feststehende Wellenlänge gibt es beispielsweise im Falle einer ausreichend dünnen wellenleitenden Schicht (a), welche nur monomodale Wellenleitung zulässt (TM0 oder TE0) jeweils nur einen wohldefinierten Winkel (bezogen auf eine zur Ebene der Gitter- Wellenleiter-Struktur orthogonale Ebene, parallel zu den Gitterlinien), unter dem die Resonanzbedingung erfüllt wird, mit einer nur geringen, in hohem Masse von der Gittertiefe abhängigen Breite der zugehörigen Resonanzkurve. Die Veränderung des Einstrahlwinkels eines Anregungslichts auf eine Gitter- Wellenleiter-Struktur ist daher ein möglicher Parameter zur Bestimmung der Resonanzbedingungen.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher ein optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem zweidimensionalen Array aus mindestens vier oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit
- mindestens einer Anregungslichtquelle
- einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur
- einem Positionierelement zur Veränderung des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Struktur
- mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht.
Wie bereits früher aufgeführt, können die aufgeführten Randbedingungen an die Positionierung des mindestens einen ortsauflösenden Detektors auf der gleichen oder gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts und in Abhängigkeit des zu erfassenden Lichtanteils (transmittiertes Anregungslicht oder, parallel zum reflektierten Anteil wieder ausgekoppeltem Anregungslicht) vereinfacht werden durch die Verwendung einer geeignet im Strahlengang zu positionierenden Projektionswand.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist damit ein optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem zweidimensionalen Array aus mindestens vier oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit
- mindestens einer Anregungslichtquelle einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur einem Positionierelement zur Veränderung des Einstrahlwinkels des Amegungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Struktur
- einer diffus reflektierenden oder / und diffus transmissiven Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur, zur Erzeugung eines Bildes des transmittierten Amegungslichts und mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des Bildes des transmittierten Anregungslichts auf besagter Projektionwand.
Vielfach möchte man in einem möglichst wartungsarmen System die Verwendung mechanisch beweglicher Teile vermeiden, da diese oft einen vergleichsweise hohen Verschleiss aufweisen. Ausserdem ist die erforderliche Zeit für eine hoch genaue mechanische Positionierung nicht vernachlässigbar. Bei vorgebenen Systemparametern, mit einem festen vorgegebenen Einstrahlwinkel eines Anregungshchts auf eine Gitter- Wellenleiter-Struktur, welcher vorzugsweise nahe zu einem geeigneten Winkel zur Erfüllung der Resonanzbedingungen eingestellt ist, bietet sich als Alternative eine Variation der eingestrahlten Anregungswellenlänge an.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in einem optischen System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Amegungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit mindestens einer über einen gewissen Spektralbereich durchstimmbaren
Anregungslichtquelle
- einer erfindungdgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur nach einer der vorgenannten Ausführungsformen
- mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht.
In Abhängigkeit von den jeweiligen Parametern einer Gitter- Wellenleiter-Struktur ergibt sich eine für eine bestimmte Struktur wohldefinierte Äquivalenz einer Änderung des Koppelwinkels oder der Wellenlänge eines eingestrahlten Anregungslichts. Beispielsweise kann für eine Gitter- Wellenleiter-Struktur von etwa 150 nm Tantalpentoxid (n = 2.15 bei 633 nm auf Glas (n = 1.52 bei 633 nm) mit einer Gitterstruktur von 320 nm Periode (Gittertiefe typischerweise 10 nm - 20 nm) eine Änderung des Koppelwinkels um 0.2° einer Änderung einer einzukoppelnden Wellenlänge um 1 nm für einzukoppelndes transversal elektrisch polarisiertes Licht entsprechen. Für eine solche Struktur ist die resultierende Änderung des Koppelwinkels bei Aufbringung einer vollständigen Protein-Monoschicht von ähnlicher Grössenordnung.
Es wird bevorzugt, dass besagte mindestens eine durchstimmbare Lichtquelle über einen Spektralbereich von mindestens 1 nm durchgestimmt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist, wenn besagte mindestens eine durchstimmbare Lichtquelle über einen Spektralbereich von mindestens 5 nm durchgestimmt werden kann.
Bei besagter mindestens einen durchstimmbaren Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine Laserdiode handeln.
Eine andere mögliche Alternative besteht darin, dass anstelle einer über einen gewissen Spektralbereich durchstimmbaren monochromatischen Lichtquelle eine über den entsprechenden Spektralbereich polychromatische Lichtquelle, möglichst mit einem innerhalb dieses Bereichs kontinuierlichen Spektrum, verwendet wird. Einerseits ist es möglich, durch Kombination einer solchen polychromatischen Lichtquelle mit einer spektral hochauflösenden optischen Komponente im Anregungsstrahlengang wiederum ein nahezu monochromatisches, durchstimmbares Anregungslicht zu erzeugen, welches in entsprechender Weise wie die vorgenannte Variante verwendet werden kann. Es ist jedoch auch möglich, das polychromatische Licht des besagten Spektralbereichs gleichzeitig auf die Gitter- Wellenleiter- Struktur einzustrahlen. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher eine Ausführungsform eines optischen Systems zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Amegungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit mindestens einer in einem gewissen Spektralbereich polychromatischen
Anregungslichtquelle . einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur nach einer der vorgenannten
Ausführungsformen mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten
Anregungslichts und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten
Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur
Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der
Schicht (a) geführtem Anregungslicht.
Es wird wiederum bevorzugt, dass besagte mindestens eine polychromatische Lichtquelle eine Emissionsbandbreite von mindestens 1 nm aufweist. Besonders vorteilhaft ist, wenn besagte mindestens eine polychromatische Lichtquelle eine Emissionsbandbreite von mindestens 5 nm hat.
Es ergeben sich verschiedene mögliche Varianten eines Messverfahrens basierend auf einem derartigen erfindungsgemässen optischen System mit einer polychromatischen Lichtquelle, welche weiter unten beschrieben sind.
Es wird eine solche Ausfuhrungsform eines erfindungsgemässen optischen Systems mit einer polychromatischen Lichtquelle bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass im Strahlengang zwischen der Gitter- Wellenleiter-Struktur und dem mindestens einen ortsauflösenden Detektor eine spektral selektive optische Komponente mit hoher spektraler Auflösung in besagtem gewissen Spektralbereich angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn besagte spektral selektive Komponente geeignet ist zur Erzeugung von spektral selektiven, ortsaufgelösten, zweidimensionalen Darstellungen der Intensitätsverteilungen des von der Gitter- Wellenleiter-Struktur ausgehenden Messlichts bei unterschiedlichen Wellenlängen innerhalb besagten gewissen Spektralbereichs.
Besonders bevorzugt ist eine solche Ausführungsform eines erfindungsgemässen optischen Systems mit einer innerhalb eines gewissen Spektralbereichs polychromatischen Lichquelle, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, von besagter polychromatischer Lichtquelle im Bereich der Messbereiche, durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mittels innerhalb des besagten gewissen Spektralbereichs spektral selektiver Detektion unter Verwendung mindestens eines ortsauflösenden Detektors, vorzugsweise unter konstantem Einstrahl winkel dieses Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Struktur, erfolgt.
Für viele Ausführungsformen des erfindungsgemässen optischen Systems wird bevorzugt, dass das Anregungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird. Unter einem „im wesentlichen parallelen" Lichtbündel soll dabei verstanden werden, dass dessen Konvergenz oder Divergenz weniger als 1° beträgt. Entsprechend soll „im wesentlichen orthogonal" oder „im wesentlichen normal" eine Abweichung von einer entsprechenden orthogonalen bzw. normalen Ausrichtung von weniger als 1° bedeuten.
Für die meisten Ausführungsformen (mit Ausnahme derjenigen, welche auf einer polychromatischen Lichtquelle beruhen) wird ausserdem bevorzugt, dass das Anregungslicht im wesentlichen monochromatisch eingestrahlt wird. Unter einem „im wesentlichen monochromatischen" Anregungslicht soll dabei verstanden werden, dass seine spektrale Bandbreite weniger als 1 nm beträgt.
Weiterhin wird bevorzugt, dass das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines in der Schicht (a) geführten TE0- oder TMo-Modes. Insbesondere Gegenstand der Erfindung ist eine solche Ausführungsform eines optischen Systems, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, im Bereich der Messbereiche durch sequentielle Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter- Struktur und / oder durch sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren unter Veränderung des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Struktur erfolgt.
Neben der bereits vorgenannten Möglichkeit der Veränderung des Einstrahlwinkels mithilfe eines Positionierelements, z. B. zur Ausführung einer Rotationsbewegung der Gitterstruktur bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, kann eine solche Veränderung des Einstrahlwinkels auch durch von der Gitter- Wellenleiter-Struktur entfernt, im Strahlengang befindliche optomechanische Komponenten, wie beispielsweise bewegliche Spiegel oder Prismen, erfolgen. Zur Ausführung nur sehr kleiner Winkel- bzw. Positionsänderungen sind dabei insbesondere solche Komponenten geeignet, welche durch Piezo-Aktuatoren angetrieben werden.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemässen optischen Systems, insbesondere zur Vermeidung mechanisch beweglicher Teile, ist dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, im Bereich der Messbereiche, durch sequentielle Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder durch sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren unter Veränderung der Emissionswellenlänge einer durchstimmbaren Lichtquelle, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Struktur, erfolgt.
Für die vorgenannten Ausführungsformen erfindungsgemässer optischer Systeme wird bevorzugt, dass das Anregungslicht von mindestens einer Lichtquelle mit einer Aufweitungsoptik möglichst homogen zu einem im wesentlichen parallelen Strahlenbündel aufgeweitet wird und auf die einen oder mehreren Messbereiche eingestrahlt wird. Von Vorteil ist, wenn der Durchmesser des eingestrahlten Anregungslichtbündels mindestens in einer Dimension mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 10 mm beträgt.
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.
Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemässen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer, vorzugsweise monochromatischen Lichtquelle mit einer Strahlformungsoptik zu einem Strahlenbündel möglichst homogener Intensität und spaltförmigen Querschnitts (in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Strahlenganges) aufgeweitet wird, dessen Hauptachse parallel zu den Gitterlinien ausgerichtet ist, wobei die Teilstrahlen besagten Strahlenbündels in einer Projektionsebene parallel zu der Ebene der Gitter- Wellenleiter-Struktur im wesentlichen parallel zueinander sind, während besagtes Strahlenbündel in einer zur Ebene der Gitter- Wellenleiter- Struktur orthogonalen Ebene eine Konvergenz oder Divergenz mit einem gewissen Konvergenzbzw. Divergenzwinkels aufweist.
Dabei wird bevorzugt, dass besagter Konvergenz- oder Divergenzwinkel besagten Strahlenbündels in einer zur Ebene der Gitter- Wellenleiter-Struktur orthogonalen Ebene einen Wert von bis zu 5° aufweist. Besonders bevorzugt wird, dass besagter Konvergenz- oder Divergenzwinkel besagten Strahlenbündels in einer zur Ebene der Gitter- Wellenleiter-Struktur orthogonalen Ebene einen Wert von bis zu 1° aufweist.
Ein derartiges erfindungsgemässes optisches System ist dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, im Bereich der Messbereiche, innerhalb eines spaltförmig beleuchteten Bereichs nach obiger Ausführungsform durch gleichzeitige Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch gleichzeitige Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder durch gleichzeitige Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren erfolgt, wobei sich die lokale Änderung der Resonanzbedingungen in einem Messbereich in einer Verschiebung des Maximums des von besagtem Messbereich im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht ausgehenden Lichts sowie des Maximums des von besagtem Messbereich nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht ausgehenden Streulichts und des Minimums des im Bereich besagten Messbereichs transmittierten Lichts (jeweils bei Erfüllung der Resonanzbedingungen in besagtem Messbereich) zeigt, wobei besagte Verschiebung des Minimums bzw. Maximums in einer Ebene parallel zur Ebene der Gitter- Wellenleiter-Struktur senkrecht zu den Gitterlinien erfolgt.
Ein derartiges optisches System ist ausserdem dadurch gekennzeichnet, dass aus der Grosse besagter Verschiebung des Minimums bzw. Maximums das Ausmass der Änderungen besagter Resonanzbedingungen und damit der Änderungen des effektiven Brechungsindexes im Bereich des besagten Messbereichs bestimmt werden kann.
Für bestimmte Anwendungen wird bevorzugt, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehr kohärente 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 gekennzeichnet 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-Straktur 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-Photomuliplier 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-Straktur 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- oder Lumineszenzlichts gebildet werden.
Es ist möglich, dass die Einstrahlung des Amegungslichts in Pulsen mit einer Dauer zwischen 1 fsec und 10 Minuten erfolgt und das Emissionslicht aus den Messbereichen zeitlich aufgelöst gemessen wird. Insbesondere kann mit einer solchen Ausführungsformen auch die Bindung einer oder mehrerer Analyten an die Erkennunsgelemente in den verschiedenen Messbereichen ortsaufgelöst in Echtzeit beobachtet werden. Aus den zeitaufgelöst aufgenommenen Signalen kann die jeweilige Bindungskinetik bestimmt werden. Insbesondere ermöglicht dieses beispielsweise den Vergleich der Affinitäten unterschiedlicher Liganden zu einem jeweiligen immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente bestimmt werden. Dabei soll in diesem Zusammenhang als „Ligand" ein beliebiger Bindungspartner eines solchen immobilisierten Erkennungselements bezeichnet werden.
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 optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Amegungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, zum Nachweis eines oder mehrerer Analyten in mindestens einer Probe auf einem oder mehreren Messbereichen auf einer Gitter- Wellenleiter-Struktur, mit
- einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Straktur
- einem erfindungsgemässen optischen System nach einer der genannten Assuführangsformen sowie zusätzlich
- Zuführungsmitteln, um die eine oder mehrere Proben mit den Messbereichen auf der Gitter- Wellenleiter-Struktur in Kontakt zu bringen.
Das um die Zuführungsmittel ergänzte optische System soll nachfolgend auch als analytisches System bezeichnet werden.
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-Straktur hin geöffnet sind, wobei die Probenbehältnisse vorzugsweise jeweils ein Volumen von 0.1 nl - 100 μl haben.
Es wird daher bevorzugt, dass die Temperatur eines erfindungsgemässen analytischen Systems durch geeignete Vorkehrungen konstant gehalten oder in kontrollierter Weise verändert und eingestellt werden kann. Diese bevorzugte Möglichkeit zur Temperaturkontrolle und -regelung umfasst neben einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Straktur nach einer der genannten Ausführungsformen auch besagte Probenbehältnisse, deren Zuführungen bzw. Zuleitungen sowie gegebenfalls vorhandene Vorratsbehältnisse für Proben und / oder Reagentien sowie gegebenenfalls deren Aufbewahrungsorte vor einer Applikation in dem erfindungsgemässen analytischen bzw. optischen System.
Eine mögliche Ausführangsform des erfindungsgemässen analytischen Systems besteht darin, dass die Probenbehältnisse auf der von der optisch transparenten Schicht (a) abgewandten Seite, mit Ausnahme von Ein- und / oder Auslassöffnungen für die Zufuhr oder den Auslass der Proben und gegebenenfalls zusätzlicher Reagentien, geschlossen sind und die Zufuhr oder der Auslass von Proben und gegebenenfalls zusätzlicher 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 Ausführangsform 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 zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Straktur nach einer der vorgenannten Ausführungsformen, mittels Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer Anregungslichtquelle auf eine Gitterstruktur (c) mit darauf befindlichen besagten Messbereichen geleitet wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen aus dem Signal von mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter- Struktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bestimmt wird.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur nach einer der vorgenannten Ausführungsformen in einem erfindungsgemässen optischen System, mittels Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Gitter- Wellenleiter-Straktur, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer Anregungslichtquelle auf eine Gitterstruktur (c) mit darauf befindlichen besagten Messbereichen geleitet wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen aus dem Signal von mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bestimmt wird. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer Gitter- Wellenleiter- Struktur mit einer im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelten Anregungslichts räumlich variierenden Periodiziät, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Gitterstruktur (c) mit einer im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelten Anregungslichts räumlich variierenden Periodiziät höchstens ein Messbereich angeordnet ist, wobei sich auf der Gitter- Wellenleiter-Struktur in Ausbreitungsrichtung des einzukoppelnden und in der Schicht (a) zu führenden Anregungslichts ein unstrukurierter Bereich der Gitter- Wellenleiter-Straktur anschliesst, und gegebenfalls daran weiter in Ausbreitungsrichtung des in der Schicht (a) geführten Anregungslichts sich eine weitere Gitterstruktur (c) anschliesst, über welche besagtes geführtes Anregungslicht in Richtung eines ortsauflösenden Detektors wieder ausgekoppelt wird.
Ein solches Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen des lokalen effektiven Brechungsindex, insbesondere der Massenbelegung durch Adsorption oder Desorption von Molekülen aus den Messbereichen auf Gitterstrakturen (c), zu einer Verschiebung der lokalen Position der Erfüllung der Resonanzbedingung zur Einkopplung des Anregungslichts in die Schicht (a) über besagte Gitterstruktur (c) im wesentlichen parallel zu den Gitterlinien führen. Es wird bevorzugt, dass eine eindimensionale Anordnung von mindestens 2 derartigen Gitterstrakturen (c) gleichzeitig mit Anregungslicht bestrahlt wird. Es wird bevorzugt, dass das Anregungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird und im wesentlichen monochromatisch ist. Dabei ist von Vorteil, wenn das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines in der Schicht (a) geführten TE0- oder TM0-Modes. Besonders bevorzugt wird, wenn eine zweidimensionale Anordnung von mindestens 4 derartigen Gitterstrakturen (c) gleichzeitig mit Anregungslicht bestrahlt wird.
Insbesondere Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Straktur, mittels Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter mit einem zweidimensionalen Array aus mindestens vier oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer Anregungslichtquelle auf eine Gitterstraktur (c) mit darauf befindlichen besagten Messbereichen geleitet wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen aus dem Signal von mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungshchts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter- Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bestimmt wird und mittels eines Positionierelements der Einstrahlwinkel des Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter- Straktur verändert wird, so dass besagte Resonanzbedingung bei unterschiedlichen Winkeln im Bereich unterschiedlicher Messbereiche auf einer bestrahlten Gitterstraktur (c), in Abhängigkeit von deren lokaler Massenbelegung, erfüllt ist.
Bevorzugt wird ein Verfahren zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Straktur nach einer der vorgenannten Ausführungsformen, mittels Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer Anregungslichtquelle auf eine Gitterstraktur (c) mit darauf befindlichen besagten Messbereichen geleitet wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen aus dem Signal von mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts, gegebenenfalls unter Verwendung einer diffus reflektierenden oder / und diffus transmissiven Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur, zur Erzeugung eines Bildes des transmittierten Amegungslichts, und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bestimmt wird und mittels eines Positionierelements der Einstrahlwinkel des Amegungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Straktur verändert wird, so dass besagte Resonanzbedingung bei unterschiedlichen Winkeln im Bereich unterschiedlicher Messbereiche auf einer bestrahlten Gitterstruktur (c), in Abhängigkeit von dem lokalen effektiven Brechungsindex, erfüllt ist.
Wiederum wird bevorzugt, dass das Anregungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird und im wesentlichen monochromatisch ist. Besonders von Vorteil ist dabei, wenn das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines in der Schicht (a) geführten TE0- oder TM0-Modes.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) im Bereich der Messbereiche durch sequentielle Erfassung des transmittierten Anregungslichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder durch sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder durch sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren unter Veränderung des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Straktur erfolgt.
Eine bevorzugte Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts im Bereich der Messbereiche durch sequentielle Erfassung des transmittierten Amegungslichts und / oder durch sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter- Struktur und / oder durch sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren unter Veränderung des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Struktur erfolgt.
Dabei wird bevorzugt, dass ein Bild des transmittierten Amegungslichts auf einer diffus reflektierenden oder / und diffus transmissiven Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur erzeugt wird und dieses Bild mit mindestens einem ortsauflösenden Detektor erfasst wird.
Eine besonders bevorzugte Ausführangsform dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Einstrahlwinkel des Amegungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Straktur so eingestellt wird, dass die Resonanzbedingung zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter einer Gitter- Wellenleiter-Struktur oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Gitter- Wellenleiter-Struktur, auf einem oder mehreren dieser Messbereiche im wesentlichen erfüllt ist, mit der Folge eines im wesentlichen maximalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht, aus dem Bereich dieser Messbereiche, und / oder eines im wesentlichen minimalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts im Bereich der Messbereiche oder zwischen den Messbereichen im wesentlichen erfüllt ist, mit der Folge eines im wesentlichen maximalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht, aus den Bereichen zwischen diesen Messbereichen, und / oder eines im wesentlichen minimalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts aus den Bereichen zwischen diesen Messbereichen.
Sofern dabei die Unterschiede zur Erfüllung der Resonanzbedingungen auf dem mit Anregungslicht bestrahlten Bereich der Gitter- Wellenleiter-Straktur geringer als die halbe Breite der Resonanzkurve des Koppelwinkels, unter den jeweiligen Bedingungen sind, kann dabei aus der Intensität des jeweiliegen Messlichts ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dieser Intensität und dem Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung abgeleitet werden, so dass eine sequentielle Aufnahme der Resonanzkurven, beispielsweise durch Veränderung des Einstrahlwinkels auf die Gitter- Wellenleiter-Straktur oder durch Veränderung der eingestrahlten Wellenlänge, nicht erforderlich ist, sondern die Information über den lokalen Grad der Erfüllung der Resonanzbedingungen und damit über den lokalen effektiven Brechungsindex mit einer einzigen Bildaufnahme gewonnen werden können.
Daher wird bevorzugt, dass lokale Unterschiede des effektiven Brechungsindex im Bereich verschiedener Messbereiche und in den Bereichen zwischen den Messbereichen aus lokalen Unterschieden der Intensitäten eines oder mehrerer ortsauflösender Detektoren, zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bestimmt werden, ohne dass der eingestellte Einstrahlwinkel des Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Straktur verändert wird.
Eine andere bevorzugte Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Amegungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts von mindestens einer über einen gewissen Spektralbereich durchstimmbaren Lichtquelle im Bereich der Messbereiche durch sequentielle Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur und / oder durch sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren unter Veränderung der Emissionswellenlänge besagter mindestens einer durchstimmbaren Lichtquelle, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Struktur, erfolgt. Die Veränderung der Emissionswellenlänge einer durchstimmbaren Lichtquelle zur Bestimmung lokaler Unterschiede der Resonanzbedingung, anstelle einer Veränderang des Einstrahlwinkels, hat den benannten Vorteil der Vermeidung mechanisch beweglicher Komponenten. Diese Methode kann ausserdem den erheblichen Vorteil einer möglichen höheren Auflösung bei geringeren Systemkosten bieten: Bei typischen kommerziellen Laserdioden kann beispielsweise die emittierte Laser- Wellenlänge über den eingespeisten Betriebsstrom sehr genau kontrolliert werden. Damit kann die Erzeugung einer äusserst präzise bestimmbaren Anregungswellenlänge wesentlich kostengünstiger als eine hochauflösende Winkeleinstellung und Winkelbestimmung mit optomechanischen Komponenten sein.
Es wird bevorzugt, dass besagte mindestens eine durchstimmbare Lichtquelle über einen Spektralbereich von mindestens 1 nm durchgestimmt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist, wenn besagte mindestens eine durchstimmbare Lichtquelle über einen Spektralbereich von mindestens 5 nm durchgestimmt werden kann.
Bei besagter mindestens einen durchstimmbaren Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine Laserdiode handeln.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Bild des transmittierten Anregungslichts auf einer diffus reflektierenden oder / und diffus transmissiven Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur erzeugt wird und dieses Bild mit mindestens einem ortsauflösenden Detektor erfasst wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführangsform des Verfahrens besteht darin, dass die Emissionswellenlänge mindestens einer durchstimmbaren Lichtquelle, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Amegungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Straktur, so eingestellt wird, dass die Resonanzbedingung zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter einer Gitter-Wellenleiter-Straktur oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Gitter-Wellenleiter-Straktur, auf einem oder mehreren dieser Messbereiche im wesentlichen erfüllt ist, mit der Folge eines im wesentlichen maximalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht, aus dem Bereich dieser Messbereiche, und / oder eines im wesentlichen minimalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts im Bereich der Messbereiche oder zwischen den Messbereichen im wesentlichen erfüllt ist, mit der Folge eines im wesentlichen maximalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht, aus den Bereichen zwischen diesen Messbereichen, und / oder eines im wesentlichen minimalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts aus den Bereichen zwischen diesen Messbereichen.
Sofern dabei die Unterschiede zur Erfüllung der Resonanzbedingungen auf dem mit Anregungslicht bestrahlten Bereich der Gitter-Wellenleiter-Straktur geringer als die halbe Breite der Resonanzkurve des Koppelwellenlänge (anstelle des Koppelwinkels für den Fall konstanten Einstrahlungswinkels, aber variabler Anregungswellenlänge), unter den jeweiligen Bedingungen, sind, kann dabei wiederum aus der Intensität des jeweiliegen Messlichts ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dieser Intensität und dem Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung abgeleitet werden, so dass eine sequentielle Aufnahme der Resonanzkurven, beispielsweise durch Veränderang der eingestrahlten Wellenlänge, nicht erforderlich ist, sondern die Information über den lokalen Grad der Erfüllung der Resonanzbedingungen und damit über den lokalen effektiven Brechungsindex mit einer einzigen Bildaufnahme gewonnen werden können.
Daher wird bevorzugt, dass lokale Unterschiede des effektiven Brechungsindex im Bereich verschiedener Messbereiche und in den Bereichen zwischen den Messbereichen aus lokalen Unterschieden der Intensitäten eines oder mehrerer ortsauflösender Detektoren, zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht bestimmt werden, ohne dass die Emissionswellenlänge der durchstimmbaren Lichtquelle verändert wird.
Für die vorgenannten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens wird bevorzugt, dass das Amegungslicht jeweils im wesentlichen parallel eingestrahlt wird und im wesentlichen monochromatisch ist. Ausserdem wird bevorzugt, dass das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines der Schicht (a) geführten TE0- oder TM0-Modes.
Eine andere Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts von mindestens einer in einem gewissen Spektralbereich polychromatischen Lichtquelle im Bereich der Messbereiche durch Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder durch Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Straktur, erfolgt, wobei sich jeweils in den Bereichen, in denen für eine bestimmte Wellenlänge des Anregungslichts von der polychromatischen Lichtquelle die Resonanzbedingung zur Einkopplung dieses Anregungslichts in einen Wellenleiter der Gitter-Wellenleiter-Straktur oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts dieser Wellenlänge erfüllt ist, ein maximaler Signalanteil dieser Wellenlänge am Signal eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslichts, aus dem Bereich dieser Messbereiche, und / oder ein minimaler Signalanteil dieser Wellenlänge am Signal eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Amegungslichts im Bereich der Messbereiche ergibt. Es wird wiederum bevorzugt, dass besagte mindestens eine polychromatische Lichtquelle eine Emissionsbandbreite von mindestens 1 nm aufweist. Besonders vorteilhaft ist, wenn besagte mindestens eine polychromatische Lichtquelle eine Emissionsbandbreite von mindestens 5 nm hat.
Es wird eine solche Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens mit einer polychromatischen Lichtquelle bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass im Strahlengang zwischen der Gitter-Wellenleiter-Straktur und dem mindestens einen ortsauflösenden Detektor eine spektral selektive optische Komponente mit hoher spektraler Auflösung in besagtem gewissen Spektralbereich angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn besagte spektral selektive Komponente geeignet ist zur Erzeugung von spektral selektiven, ortsaufgelösten, zweidimensionalen Darstellungen der Intensitätsverteilungen des von der Gitter-Wellenleiter-Straktur ausgehenden Messlichts bei unterschiedlichen Wellenlängen innerhalb besagten gewissen Spektralbereichs.
Damit wird eine solche Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens ermöglicht, welche dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, von besagter polychromatischer Lichtquelle im Bereich der Messbereiche, durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des transmittierten Amegungslichts und / oder durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mittels innerhalb des besagten gewissen Spektralbereichs spektral selektiver Detektion unter Verwendung mindestens eines ortsauflösenden Detektors, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur, erfolgt.
Für die genannten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens mit einer polychromatischen Lichtquelle wird ausserdem bevorzugt, dass das Anregungslicht jeweils im wesentlichen parallel eingestrahlt wird. Besonders bevorzugt wird für eine Vielzahl von Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens, dass das Anregungslicht von mindestens einer Lichtquelle mit einer Aufweitungsoptik möglichst homogen zu einem im wesentlichen parallelen Strahlenbündel aufgeweitet wird und auf die einen oder mehreren Messbereiche eingestrahlt wird. Dabei wird bevorzugt, dass der Durchmesser des eingestrahlten Anregungslichtbündels mindestens in einer Dimension mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 10 mm beträgt.
Eine andere Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens 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 räumlich getrennte Messbereiche eingestrahlt werden.
Eine weitere Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einer der vorgenannten Ausführungsformen in einem erfindungsgemässen optischen System, mittels Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Gitter-Wellenleiter-Straktur, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer, vorzugsweise monochromatischen, Lichtquelle mit einer Strahlformungsoptik zu einem Strahlenbündel möglichst homogener Intensität und spaltförmigen Querschnitts (in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Strahlenganges) aufgeweitet wird, dessen Hauptachse parallel zu den Gitterlinien ausgerichtet ist, wobei die Teilstrahlen besagten Strahlenbündels in einer Projektionsebene parallel zu der Ebene der Gitter-Wellenleiter-Struktur im wesentlichen parallel zueinander sind, während besagtes Strahlenbündel in einer zur Ebene der Gitter-Wellenleiter- Straktur orthogonalen Ebene eine Konvergenz oder Divergenz mit einem gewissen Konvergenzbzw. Divergenzwinkels aufweist. Dabei wird bevorzugt, dass besagter Konvergenz- oder Divergenzwinkel besagten Strahlenbündels in einer zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur orthogonalen Ebene einen Wert von bis zu 5° aufweist.
Besonders bevorzugt wird, dass besagter Konvergenz- oder Divergenzwinkelsbesagten Strahlenbündels in einer zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur orthogonalen Ebene einen Wert von bis zu 1° aufweist.
Ein derartiges erfindungsgemässes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, im Bereich der Messbereiche, innerhalb eines spaltförmigen beleuchteten Bereichs nach obiger Ausführangsform durch gleichzeitige Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch gleichzeitige Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder durch gleichzeitige Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren erfolgt, wobei sich die lokale Änderung der Resonanzbedingungen in einem Messbereich in einer Verschiebung des Maximums des von besagtem Messbereich im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht ausgehenden Lichts sowie des Maximums des von besagtem Messbereich nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht ausgehenden Streulichts und des Minimums des im Bereich besagten Messbereichs transmittierten Lichts (jeweils bei Erfüllung der Resonanzbedingungen in besagtem Messbereich) zeigt, wobei besagte Verschiebung des Minimums bzw. Maximums in einer Ebene parallel zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur senkrecht zu den Gitterlinien erfolgt.
Dieses Verfahren ist ausserdem dadurch gekennzeichnet, dass aus der Grosse besagter Verschiebung des Minimums bzw. Maximums das Ausmass der Änderungen besagter Resonanzbedingungen und damit der Änderungen des effektiven Brechungsindexes im Bereich des besagten Messbereichs bestimmt werden kann. Dieses erfindungsgemasse Verfahren umfasst ausserdem eine Ausführungsform, welche dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen besagter Resonanzbedingungen jeweils gleichzeitig im Bereich der Messbereiche innerhalb eines spaltförmigen, mit einem in einer zur Ebene der Gitter- Wellenleiter-Struktur orthogonalen Ebene innerhalb eines gewissen Winkelbereichs konvergenten oder divergenten Strahlenbündel, nach einer der vorgenannten Ausführungsformen dieses Verfahrens, beleuchteten Bereichs, durch gleichzeitige Erfassung des transmittierten Amegungslichts und / oder durch gleichzeitige Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter- Straktur und / oder durch gleichzeitige Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren erfolgt, wobei sich die lokale Änderung der Resonanzbedingungen in einem Messbereich in einer Verschiebung des Maximums des von besagtem Messbereich im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht ausgehenden Lichts sowie des Maximums des von besagtem Messbereich nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht ausgehenden Streulichts und des Minimums des im Bereich besagten Messbereichs transmittierten Lichts (jeweils bei Erfüllung der Resonanzbedingungen in besagtem Messbereich) zeigt, wobei besagte Verschiebung des Minimums bzw. Maximums in einer Ebene parallel zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur senkrecht zu den Gitterlinien erfolgt, und wobei die Gitter-Wellenleiter-Straktur zur sequentiellen ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen besagter Randbedingungen auf der gesamten Oberfläche besagter Gitter- Wellenleiter-Straktur mit den darauf befindlichen Messbereichen zwischen einzelnen Verfahrensschritten nach besagtem Verfahren senkrecht und / oder parallel zur Ausrichtung der Gitterlinien verschoben wird, bis die Messignale von allen Messbereichen aufgezeichnet sind und aus den aufgezeichneten Signalen eine zweidimensionale Darstellung des Grades der Erfüllung besagter Resonanzbedingungen auf der gesamten Gitter-Wellenleiter-Straktur erzeugt werden kann.
Das erfindungsgemasse Verfahren nach den vorgenannten Ausführungsformen zeichnet sich dadurch aus, dass die Ortsauflösung zur Bestimmung des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) durch Wahl einer grösseren Modulationstiefe von Gitterstrakturen (c) verbessert oder Wahl einer kleineren Modulationstiefe besagter Gitterstrakturen verringert werden kann.
Weiterhin ist das erfindungsgemasse Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwertsbreite des Resonanzwinkels zur Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) durch Verringerung der Modulationstiefe von Gitterstrakturen (c) verringert werden kann, was eine erhöhte Empfindlichkeit bei der ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung als Folge von lokalen Änderungen der Massenbelegung, oder allgemeiner des lokalen effektiven Brechungsindex, zur Folge hat, oder durch Vergrösserung der Modulationstiefe besagter Gitterstrakturen vergrössert werden kann, was eine verringerte Empfindlichkeit bei der ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung als Folge von lokalen Änderungen der Massenbelegung, oder allgemeiner des lokalen effektiven Brechungsindex, zur Folge hat.
Insbesondere kann es zur Verbesserung der Empfindlichkeit, d.h. zur Verringerung der Halbwertsbreite des Resonanzwinkels von Vorteil sein, das Anregungslichts linear polarisiert zur Anregung eines in der Schicht (a) geführten TMo-Modes einzustrahlen, da - bei gleicher Gittertiefe und gleicher Dicke der wellenleitenden Schicht (a) typischerweise der Resonanzwinkel zur Anregung eines TM0-Modes um einen Faktor 5 bis 10 schärfer definiert, d.h. die entsprechende Halbwertsbreite um diesen Faktor geringer ist als diejenige Halb wertsbreite zur Anregung eines TEo-Modes.
Eine bevorzugte Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu den Messbereichen aus der Intensität des, im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht, wieder ausgekoppelten Anregungslichts (d.h. aus der Summe beider Anteile) bestimmt wird.
Eine andere bevorzugte Ausführangsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu den Messbereichen aus der Intensität des transmittierten Anregungslichts bestimmt wird. Die erstgenannte Ausführangsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu einem Messbereich aus einem Maximum der Summe der Intensitäten des reflektierten und des im wesentlichen parallel dazu wieder ausgekoppelten Anregungslichts aus diesem Messbereich bestimmt wird.
Die nachfolgend genannte Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu einem Messbereich aus einem Minimum der Intensität des transmittierten Anregungslichts bei diesem Messbereich bestimmt wird. In Idealfällen kann die Intensität des transmittierten Anregungslichts dabei fast gegen Null fallen.
Mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, dass Unterschiede des effektiven Brechungsindex, insbesondere in der Massenbelegung, auch innerhalb eines Messbereichs aufgelöst werden können. Es kann daher überraschenderweise mit einem Gitterkoppler-basierenden, bilderzeugenden Verfahren eine Ortsauflösung erreicht werden, die der Auflösung der besten heutzutage gebräuchlichen Scanner für Analytbestimmungen mittels Fluoreszenzdetektion ebenbürtig ist.
In einer anderen Ausführangsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird bevorzugt, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehr kohärente Lichtquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.
Wie zuvor genannt, besteht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens darin, dass ein Einsatz irgendwelcher Label (an den Analyt oder seine Analoga oder seine Bindungspartner zu bindender Markierungsmoleküle) grundsätzlich nicht notwendig ist. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit kann eine Weiterentwicklung des Verfahrens jedoch vorteilhaft sein, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Vergrösserung der Änderung der Massenbelegung bei der Bindung oder Dissoziation nachzuweisender Analytmoleküle an dieses oder an einen seiner Bindungspartner in einem mehrstufigen Assay ein Massenlabel gebunden ist, welches beispielsweise ausgewählt sein kann aus der Gruppe von Metallkolloiden (z. B. Goldkolloiden), Kunststoff-Partikeln oder -Beads oder anderen Mikropartikeln mit einer monodispersen Grössenverteilung. Bestandteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist auch eine Ausführangsform, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Vergrösserang der Änderung des effektiven Brechungsindex bei der Bindung oder Dissoziation nachzuweisender Analytmoleküle an dieses oder an einen seiner Bindungspartner in einem mehrstufigen Assay ein „Absorptionslabel" gebunden ist, wobei besagtes „Absorptionslabel" eine Absorptionsbande geeigneter Wellenlänge aufweist, welche Absorption, als Imaginärteil des Brechungsindex, zu einer Änderung des effektiven Brechungsindex im Nahfeld der Gitter-Wellenleiter-Straktur führt. Die mathematischphysikalischen Verfahren zur Umrechnung des Effekts einer Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge auf den Brechungsindex, als Funktion der Wellenlänge, sind aus der Literatur bekannt.
Eine weitere Weiterentwicklung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass neben der ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) einer erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Straktur oder Auskopplung eines in der Schicht (a) geführten Lichts zusätzlich eine oder mehrere, im evaneszenten Feld eines in der Schicht (a) geführten Anregungslichts angeregte Lumineszenzen aus einem oder mehreren Messbereichen bestimmt werden.
Diese Weiterentwicklung, als ein kombiniertes bildgebendes Verfahren einer ortsaufgelösten Bestimmung des effektiven Brechungsindex und einer ortsaufgelösten Lumineszenzmessung, ermöglicht es beispielsweise, die Bindung eines Liganden als Analyten an ein in einem oder mehreren Messbereichen immobilisiertes biologisches oder biochemisches oder synthetisches Erkennungselement als Rezeptor anhand der lokalen Änderung des effektiven Brechungsindexes zu bestimmen und eine funktionale Antwort dieses Liganden-Rezeptor-Systems anhand einer Lumineszenzänderung aus besagten Messbereichen zu bestimmen.
Beispielsweise kann es sich bei besagtem Rezeptor-Liganden-System um ein Transmembranrezeptorprotein handeln, an welches ein entsprechender Ligand aus einer zugeführten Probe bindet. Eine funktionale Antwort dieses Rezeptor-Liganden-Systems kann beispielsweise in der Öffnung eines Ionenkanals bestehen, mit der Folge einer lokalen Veränderang des pH oder / und der Ionenkonzentration. Eine solche lokale Änderung kann beispielsweise unter Verwendung eines Lumineszenzfarbstoffes mit pH-abhängiger oder / und ionenabhängiger Lumineszenzintensität und / oder spektraler Emission erfolgen.
Ebenso ermöglicht dieses erfindungsgemasse kombinierte Messverfahren beispielsweise, die Dichte der immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente als Rezeptoren in einem oder mehreren Messbereichen anhand der Unterschiede zwischen den Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) der Gitter-Wellenleiter-Straktur oder Auskopplung eines in der Schicht (a) geführten Lichts, im Bereich dieser Messbereiche, und den entsprechenden Resonanzbedingungen in deren Umgebung, d.h. ausserhalb besagter Messbereiche, zu bestimmen und die Bindung eines Liganden als Analyten an diese Erkennungselemente anhand einer Lumineszenzänderang aus besagten Messbereichen zu bestimmen.
Dabei ist es möglich, dass (1) die isotrop abgestrahlte Lumineszenz oder (2) in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelte und über Gitterstrakturen (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 300 nm und 1100 nm angeregt werden kann und emittiert.
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.
Das Massenlabel und / oder das Lumineszenzlabel können 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 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.
Das erfindungsgemasse Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen ermöglicht eine gleichzeitige oder sequentielle, quantitative oder qualitative Bestimmung eines oder mehrerer Analyten 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, Enzymcofaktoren 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-Straktur und / oder eines erfindungsgemässen optischen Systems und / oder eines erfindungsgemässen analytischen Systems und / oder eines erfindungsgemässen Verfahrens nach einer der voranstehenden 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 Affinitätsscreenmg 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.
Mit den nachfolgenden Ausführangsbeispielen soll die Erfindung genauer erläutert und demonstriert werden.
Beispiel 1: a) Gitter-Wellenleiter-Struktur
Es wurde eine Gitter- Wellenleiter-Struktur mit den äusseren Abmessungen 16 mm Breite x 48 mm Länge x 0.7 mm Dicke verwendet. Das Substratmaterial (optisch transparente Schicht (b)) bestand aus AF 45 Glas (Brechungsindex n = 1.52 bei 633 nm). Im Substrat war mittels holographischer Belichtung der Schicht (b) und anschliessendes Ätzen eine durchgehende Struktur eines Oberflächenrehefgitters einer Periode von 360 nm und einer Tiefe von 25 +/-5 nm erzeugt worden, mit Orientierung der Gitterlinien parallel zur ausgewiesenen Breite der Sensorplattform. Die wellenleitende, optisch transparente Schicht (a) auf der optisch transparenten Schicht (b) aus Ta2O5 war durch reaktives, magnetfeldunterstütztes DC-Sputtern (siehe DE 4410258) erzeugt worden und hatte einen Brechungsindex von 2.15 bei 633 nm (Schichtdicke 150 nm). Unter Einkoppelbedingungen kann Anregungslicht von 633 nm unter einem Winkel von etwa +3° zur Normalen der Struktur in die Schicht (a) eingekoppelt (und ausgekoppelt) werden.
Zur Vorbereitung auf die Immobilisierung der biochemischen oder biologischen oder synthetischen Erkennungselemente wurde die Gitter- Wellenleiter-Struktur gereinigt und mit Epoxysilan in Flüssigphase (10 ml (2 % v/v ) 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan und 1 ml (0.2 % v/v) N-Ethyldiisopropylamin in 500 ml ortho-Xylol silanisiert (7 Stunden bei 70°C). Danach wurden mit einem kommerziellen Spotter (Genetic Microsystems 417 Arrayer) Lösungen von 18-mer Oligonukleotiden (5'-CCGTAACCTCATGATATT-3'-NH2) (18*-NH2) jeweils zwei Arrays von jeweils 16 x 8 Spots (8 Reihen x 16 Spalten) aufgebracht (50 pl pro Spot). Die Konzentration der aufgebrachten Lösungen betrug dabei 5 x 10"8 M 18*-NH2, so dass die erzeugten Spots (ca. 125 μm Durchmesser in einem Zentram-zu-Zentram- Abstand von 370 μm) als Messbereiche eine Massenbelegung von etwa 600000 Da μm2, entsprechend etwa 1 pg/mm2, aufwiesen.
b) Optisches System
Als Anregungslichtquelle diente ein HeNe-Laser mit 1.1 mW Ausgangsleistung (Melles-Griot, 05-LHP-901). Die Polarisation des Lasers war parallel zu den Gitterlinien der Gitter- Wellenleiter-Struktur ausgerichtet, zur Anregung des TEo-Modes unter Einkoppelbedingungen. Der Laserstrahl wurde mit einer Strahlaufweitung siebenfach aufgeweitet und durch eine Blende von 5 mm Durchmesser geführt, um äussere, schwächere Anteile des aufgeweiteten Laserstrahls sowie äussere Beugungserscheinungen zu diskrminieren. Das Laserlicht wurde dann mit einem Neutralfilter (ND 4.7) stark abgeschwächt, um eine Sättigung des Detektors bei der Messung des transmittierten Lichtanteils zu vermeiden. Das Laserlicht war auf die Seite der optisch transparenten Schicht (b) (Substratseite aus AF45-Glas gerichtet), wo die Leistung nach Abschwächung etwa 20 nW betrag.
Die Gitter-Wellenleiter-Straktur war in einer im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des Anregungslichts befindlichen Ebene auf einem manuell verstellbaren Goniometer montiert, mit dem sich der Einstrahlwinkel des Anregungslichts bezüglich der Sensorplattform verändern liess, wobei die Gitterlinien senkrecht zur Projektion des Anregungslichts in die Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur verliefen.
Als ortsauflösender Detektor diente eine CCD-Kamera (Ultra Pix 0401E, Astrocam, Cambridge, UK) mit Peltierkühlung, mit einem Kodak-CCD-Chip KAF 0401 E-l. Die Kamera war zur ortsaufgelösten Bestimmung der Intensität des Transmissionslichts, nach dem Durchgang des Anregungslichts durch die optisch transparente, wellenleitende Schicht (a) so ausgerichtet, dass das Transmissionslicht im wesentlichen senkrecht auf die Eintrittslinse der Kamera fiel.
c) Messverfahren und Ergebnisse
Das Messverfahren wurde in Luft, d.h. ohne zusätzliche Probenbehältnisse oder zugeführte Reagentien, durchgeführt. Die Erfüllung der Resonanzbedingung auf den von Messbereichen freien Gebieten der Gitter-Wellenleiter-Straktur ist dabei an dem nahezu vollständigen Verschwinden des Transmissionslichts festzustellen (Fig. la), wobei sich unter den gleichen Bedingungen die Nichterfüllung der Resonanzbedingung in den Messbereichen an dem dort überraschend deutlich erhöhten Transmissionssignal (Fig. 1 a sowie Fig. lb mit einem linearen Schnitt durch die Signale durch zwei Messbereiche) zeigt. Der starke Kontrast und die hohe Ortsauflösung sind sehr überraschend, ebenso die aus Fig. lb zu entnehmende Beobachtung, dass (eine nach dem Depositionsverfahren zu erwartende inhomogene Massenbelegung innerhalb eines Messbereiches, mit Maximum etwa im Zentrum) mit diesem Messverfahren auch noch aufgelöst werden kann. Äusserst überraschend ist ausserdem die ausserordentlich hohe Empfindlichkeit, welche die Unterschiede in der Massenbelegung (zwischen den Bereichen der Spots und den umgebenden Bereichen), von lpg/mπT, mit einem ausgezeichneten Kontrast ermöglicht.
Weiterhin wurde überraschend festgestellt, dass bei Einstellung des Koppelwinkels zur Erfüllung der Resonanzbedingung in den Messbereichen dieses auch an den lokalen Minima der Transmission noch festgestellt werden kann (Fig. 2a und 2b; die zwei Spots sind in den Abbildungen durch die Abstandskennzeichnung "370 μm" herausgehoben. Diese Beobachtung ist deswegen überraschend, da das optische System für diese Messung keineswegs optimiert war, wie sich an den überlagerten starken Interferenzerscheinungen in Fig. 2a zeigt. (Diese haben ihre Ursache nicht in physikalischen Effekten der erfindungsgemässen Gitter- Wellenleiter-Struktur oder des erfindungsgemässen optischen Systems, sondern im provisorischen Charakter des Aufbaus).
Beispiel 2: a) Gitter-Wellenleiter-Struktur
Es wurde eine Gitter-Wellenleiter-Straktur mit den äusseren Abmessungen 16 mm Breite x 48 mm Länge x 0.7 mm Dicke verwendet. Das Substratmaterial (optisch transparente Schicht (b)) bestand aus AF 45 Glas (Brechungsindex n = 1.525 bei 532 nm). Im Substrat war wiederum eine durchgehende Struktur eines Oberflächenrehefgitters einer Periode von 360 nm und einer Tiefe von 25 nm erzeugt worden, mit Orientierung der Gitterlinien parallel zur ausgewiesenen Breite der Sensorplattform. Die anschliessend darauf wellenleitende, optisch transparente Schicht (a) auf der optisch transparenten Schicht (b) aus Ta2O5 hatte einen Brechungsindex von 2.137 bei 532 nm (Schichtdicke 150 nm). Unter Einkoppelbedingungen kann Amegungslicht von 532 nm unter einem Winkel von etwa +14.3° zur Normalen der Struktur in die Struktur eingekoppelt (und ausgekoppelt) werden. Zur Vorbereitung auf die Immobilisierung der biochemischen oder biologischen oder synthetischen Erkennungselemente wurde die Gitter-Wellenleiter-Straktur gereinigt. Danach wurden mit einem kommerziellen Spotter (GeSim) Lösungen von NeutrAvidin™ in einem Array von 3 x 3 Spots (3 Reihen x 3 Spalten) auf die gereinigte Tantalpentoxid-Oberfläche aufgebracht (500 pl pro Spot). Die Konzentration der aufgebrachten Lösungen betrug dabei 1.7 x 10"5 M NeutrAvidin™, so dass die erzeugten Spots (ca. 430 μm Durchmesser in einem Zentram-zu-Zentram- Abstand von 1 mm) als Messbereiche einer Massenbelegung von etwa 4 ng/mm2.
b) Optisches System
Als Anregungslichtquelle diente ein diodengepumpter, frequenz-verdoppelter NdYag-Laser mit 10 mW Ausgangsleistung (Laser 2000). Die Polarisation des Lasers war senkrecht zu den Gitterlinien der Gitter-Wellenleiter-Straktur ausgereichtet, zur Anregung des TMo-Modes unter Einkoppelbedingungen. Der Laserstrahl wurde mit einer Strahlaufweitung siebenfach aufgeweitet und durch einen Spalt von 4 mm Breite geführt, um äussere, schwächere Anteile des aufgeweiteten Laserstrahls sowie äussere Beugungserscheinungen zu diskrminieren. Das Laserlicht war auf die Seite der optisch transparenten Schicht (b) (Substratseite aus AF45-Glas gerichtet).
Die Gitter-Wellenleiter-Straktur war so auf einem manuell verstellbaren Goniometer montiert, mit dem sich der Einstrahl winkel des Anregungslichts bezüglich der Sensorplattform verändern liess, dass die Gitterlinien senkrecht zur Projektion des Anregungslichts in die Ebene der Gitter- Wellenleiter-Straktur verliefen. Ein Blättchen hochfeinen weissen Papiers geringer Körnigkeit war als diffus reflektierende Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur, zur Erzeugung eines Bildes des transmittierten Anregungslichts, montiert. Da das transmittierte Anregungslicht einen praktisch perfekt parallelen Strahlengang aufwies, war der Abstand zu der im wesentlichen parallel zu ihr ausgerichteten Gitter-Wellenleiter-Straktur über einen grossen Bereich, d.h. zwischen Sub-Millimetern und Dezimetern, frei wählbar ohne signifikanten Kontrastverlust oder Konturverzerrangen. Als ortsauflösender Detektor diente eine CCD-Kamera (Ultra Pix 0401E, Astrocam, Cambridge, UK) mit Peltierkühlung, mit einem Kodak-CCD-Chip KAF 0401 E-l. Die Kamera war zur ortsaufgelösten Bestimmung des transmittierten Anregungslichts, mittels Erfassung dessen Bildes auf der oben genannten Projektionswand, und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur montiert.
c) Messverfahren und Ergebnisse
Das Messverfahren wurde in Luft, d.h. ohne zusätzliche Probenbehältnisse oder zugeführte Reagentien, durchgeführt. Dabei wurde für die Erfüllung der Resonanzbedingung in die Schicht (a) ein Unterschied im Koppelwinkel von 0.124°, zwischen Einkopplung auf den Messbereichen und Einkopplung auf den unbeschichteten Bereichen der Gitter-Wellen-Leiter-Straktur, festgestellt.
In Fig. 3 sind die Ergebnisse des Messverfahrens zur ortsaufgelösten Bestimmung des transmittierten Anregungslichts, mittels Erfassung dessen Bildes auf der oben genannten Projektionswand und Positionierung der Kamera auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur, dargestellt.
Die Erfüllung der Resonanzbedingung auf den von Messbereichen freien Gebieten der Gitter- Wellenleiter-Struktur ist wiederam an dem weitgehenden Verschwinden des Transmissionslichts festzustellen (bei einem Winkel von 14.3°, Fig. 3, links, und Fig. 3B), wobei sich. unter den gleichen Bedingungen die Nichterfüllung der Resonanzbedingung in den Messbereichen an dem um einen Faktor 3 höheren Transmissionssignal (Fig. 3B sowie linker Teil von Fig. 3) zeigt.
Fig. 3C zeigt die umgekehrte Situation, d.h. Erfüllung der Resonanzbedingung zur Lichteinkopplung in die Schicht (a) im Bereich der Messbereiche (bei einem Winkel von 14.424°, siehe Fig. 3 links), mit der Folge minimaler Transmission bei diesem Winkel in den Messbereichen, und Nichterfüllung der Resonanzbedingung in den übrigen Bereichen, mit der Folge maximaler Transmission. Aus Fig. 3C ist ersichtlich, anhand konzentrisch auftretender, als gepunktete kreisähnliche Linien innerhalb der dunkel auftretenden Messbereiche nahe deren äusserer Ränder erkennbarer, hellerer Bereiche, dass auch unter diesen Bedingungen (mit Anregung transversal magnetisch polarisierter geführter Moden) eine Ortsauflösung deutlich unterhalb des Spotsdurchmessers gegeben ist: Die unterschiedlichen Helligkeitsbereiche innerhalb der Spots zeigen geometrische Inhomogenitäten der Mengen lokal adsorbieter oder immobilisierter Proteine bzw. Erkennungselemente. Das Auftreten solcher Inhomogenitäten bei der Herstellung von Arrays immobilisierter Erkennungselemente ist aus der Fachliteratur bekannt. - Bei der Verwendung von transversal elektrisch polarisiertem anstelle von transversal magnetisch polarisiertem Anregungslicht gleicher Wellenlänge mit derselben Sensorplattform zeigte sich das hohe räumliche Auflösungsvermögen noch deutlicher (hier nicht dargestellt).
Beispiel 3: Gleichmässigkeit des Resonanzwinkels zur Lichtein- oder -auskopplung auf einer Fläcche entsprechend einem Array von Messbereichen
Es wird eine Gitter-Wellenleiter-Straktur (mit einem vollflächig modulierten Gitter) mit gleichen vorgegebenen Schicht- und Gitterparametern wie in Beispiel a) verwendet. Auf einer quadratischen Fläche von 5 mm x 5 mm, entsprechend einer typischen Grundfläche für ein gegebenenfalls auf einer solchen Struktur zu erzeugendes Array von Messbereichen, soll die Variabilität des Koppelwinkels in x- und y-Richtung (x: senkrecht zu den Gitterlinien, y: parallel zu den Gitterlinien) untersucht werden.
Der parallele Anregungslichtstrahl eines He-Ne-Lasers (633 nm, 0.8 mm Strahldurchmesser) wird unter einem Winkel nahe dem Resonanzwinkel zur Lichteinkopplung in die Schicht (a) auf die Struktur gerichtet. In einem Winkelbereich von etwa 1° oberhalb und unterhalb des Resonanzwinkels wird der Einstrahlwinkel in kleinen Schritten (Schrittweite beispielsweise 0.02°) variiert. Dabei wird jeweils die Intensität des Streulichts des nach Einkopplung über die Gitterstraktur in der Schicht (a) geführten Lichts mit einem Linsensystem gesammelt und auf einen Photomultiplier, als integralem, nicht ortsauflösendem Detektor, fokussiert. Mit einer Blende in der Zwischenbildebene kann die Grosse der auf den Detektor abgebildeten Fläche der Gitter-Wellenleiter-Straktur beschränkt werden (in diesem Beispiel auf einen Kreis mit 1 mm Durchmesser), insbesondere um ungewünschte Streulichteinflüsse zu vermindern. Die optimale Justierung zur Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) ist erkennbar an einem maximalen Wert von L. Aus den Resonanzkurven von L als Funktion des Koppelwinkels kann zusätzlich die Halbwertsbreite der zugehörigen Resonanzkurven bestimmt werden.
Das oben beschriebene Messverfahren wurde für 25 (5 x 5) Messpositio-nen auf der genannten Fläche der Gitter-Wellenleiter-Straktur durchgeführt, in einem jeweiligen (Zentram-zu- Zentram-) Abstand von 1 mm. Die Resonanzwinkel der verschiedenen Messpositionen in dem genannten x/y-Raster sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Auf der gesamten Fläche beträgt die Abweichung vom Mittelwert (in diesem Beispiel 2.15°) nicht mehr als 0.06°.
Tabelle 1: Variabilität des Resonanzwinkels für optimale Lichtein- und -auskopplung auf einer quadratischen Fläche von 5 mm x 5 mm einer erfindungsgemässen Gitter-Wellenleiter-Straktur (vor Erzeugung der darauf befindlichen Messbereiche).

Claims

Patentansprüche
1. Gitter-Wellenleiter-Straktur zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, umfassend einen optischen Schichtwellenleiter
- mit einer ersten optisch transparenten Schicht (a) auf einer zweiten optisch transparenten Schicht (b) mit niedrigerem Brechungsindex als Schicht (a),
- mit einer oder mehrereren Gitterstrakturen (c) zur Einkopplung von Anregungslicht zu den Messbereichen (d) oder Auskopplung von in der Schicht (a) geführtem Licht im Bereich des Messbereiche
- mindestens zwei oder mehr räumlich getrennten Messbereichen (d) auf der einen oder den mehreren Gitterstrakturen (c)
- auf diesen Messbereichen immobilisierten, gleichen oder unterschiedlichen biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen (e) zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer mit den Messbereichen in Kontakt gebrachten Probe, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Anregungslicht gleichzeitig auf besagtes Array von Messbereichen eingestrahlt wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu den zwei oder mehr Messbereichen gleichzeitig gemessen wird und ein Übersprechen von in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht von einem Messbereich zu einem oder mehreren benachbarten Messbereichen durch Wiederauskopplung dieses Anregungslichts mittels der Gitterstraktur (c) verhindert wird.
2. Gitter-Wellenleiter-Straktur zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem zweidimensionalen Array aus mindestens vier oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, umfassend einen optischen Schichtwellenleiter
- mit einer ersten optisch transparenten Schicht (a) auf einer zweiten optisch transparenten Schicht (b) mit niedrigerem Brechungsindex als Schicht (a), mit einer oder mehrereren Gitterstrakturen (c) zur Einkopplung von Amegungslicht zu den Messbereichen (d) oder Auskopplung von in der Schicht (a) geführtem Licht im Bereich des Messbereiche
- mindestens zwei oder mehr räumlich getrennten Messbereichen (d) auf der einen oder den mehreren Gitterstrakturen (c)
- auf diesen Messbereichen immobilisierten, gleichen oder unterschiedlichen biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen (e) zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer mit den Messbereichen in Kontakt gebrachten Probe, dadurch gekennzeichnet, die Dichte der Messbereiche auf einer gemeinsamen Gitterstraktrar (c) mindestens 10 Messbereiche pro Quadratzentimeter beträgt und dass besagtes Amegungslicht gleichzeitig auf besagtes Array von Messbereichen eingestrahlt wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen gleichzeitig gemessen wird und ein Übersprechen von in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht von einem Messbereich zu einem oder mehreren benachbarten Messbereichen durch Wiederauskopplung dieses Anregungslichts mittels der Gitterstraktur (c) verhindert wird.
3. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 -2, dadurch gekennzeichnet, dass eine durchgehend modulierte Gitterstraktur (c) sich im wesentlichen über den ganzen Bereich der Gitter-Wellenleiter-Straktur erstreckt.
4. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsauflösung zur Bestimmung des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) besser als 200 μm ist.
5. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsauflösung zur Bestimmung des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) besser als 20 μm ist.
6. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsauflösung zur Bestimmung des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) durch Wahl einer grösseren Modulationstiefe von Gitterstrakturen (c) verbessert oder Wahl einer kleineren Modulationstiefe besagter Gitterstrakturen verringert werden kann.
7. Gitter-Wellenleiterstraktur nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwertsbreite des Resonanzwinkels zur Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) durch Verringerung der Modulationstiefe von Gitterstrakturen (c) verringert oder durch Vergrösserang der Modulationstiefe besagter Gitterstrakturen vergrössert werden kann.
8. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass - ausserhalb der Messbereiche - der Resonanzwinkel zur Ein- oder Auskopplung eines monochromatischen Anregungslichts innerhalb einer Fläche von mindestens 4 mm2 (mit Ausrichtung der Seiten parallel oder nicht parallel zu den Linien der Gitterstraktur (c)) um höchstens 0.1° (als Abweichung von einem Mittelwert) variiert.
9. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu den Messbereichen (1) aus der Intensität des, im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht, wieder ausgekoppelten Anregungslichts (d.h. aus der Summe beider Anteile) oder (2) aus der Intensität des transmittierten Amegungslichts oder (3) aus der Intensität des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht, oder aus einer beliebigen Kombination der Lichtanteile (1) bis (3) bestimmt wird.
10. Gitter- Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass (1) die Summe der Intensitäten des reflektierten und des im wesentlichen parallel dazu wieder ausgekoppelten Anregungslichts oder (2) die Intensität des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht oder (3) eine Kombination der genannten Lichtintensitäten (1) - (2) bei lokaler Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) im Bereich dieses Messbereichs ein Maximum aufweist.
11. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des transmittierten Anregungslichts bei lokaler Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) im Bereich dieses Messbereichs ein Minimum aufweist.
12. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 11, 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.
13. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Immobilisierung biologischer oder biochemischer oder synthetischer Erkennungselementen (e) 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 der Gruppe Silane, Epoxide, funktionalisierte, geladene oder polare Polymere und "selbstorganisierte funktionalisierte Monoschichten" umfasst.
14. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich getrennte Messbereiche (d) durch räumlich selektive Aufbringung von biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen auf besagter Gitter- Wellenleiter-Straktur erzeugt werden, vorzugsweise unter Verwendung eines oder mehrerer Verfahren aus der Gruppe von Verfahren, die von "InkJet spotting, mechanischem Spotting, micro contact printing, fluidische Kontaktierang 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.
15. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach Ansprach 14 dadurch gekennzeichnet, dass als besagte biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente Komponenten aus der Gruppe aufgebracht werden, die von Nukleinsäuren (DNA, RNA, Oligonukleotiden) und Nukleinsäureanalogen (z. B. PNA), Antikörpern, Aptameren, membrangebundenen und isolierten Rezeptoren, deren Liganden, Antigene für Antikörper, "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.
16. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 14 - 15, 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 Rinderseramalbumin oder Humanserumalbumin, nicht mit zu analysierenden Polynukeotiden hybridisierender, fragmentierter natürlicher oder synthetischer DNA, wie beispielsweise Herings- oder Lachssperma, oder auch ungeladenen, aber hydrophilen Polymeren, wie beispielsweise Polyethylenglycole oder Dextrane, gebildet werden.
17. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 16, 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.
18. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Messbereichen in einer Dichte von mehr als 10, bevorzugt mehr als 100, besonders bevorzugt mehr als 1000 Messbereichen pro Quadratzentimeter auf einer gemeinsamen Gitterstraktur (c) angeordnet sind.
19. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenmasse ihrer Grundfläche mit der Grandfläche von Standard-Mikrotiter-Platten von ca. 8 cm x 12 cm (mit 96 oder 384 oder 1536 Wells) übereinstimmen.
20. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 19 dadurch gekennzeichnet, dass Gitterstrakturen (c) diffraktive Gitter mit einer einheitlichen Periode oder multidiffraktive Gitter sind.
21. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 7 oder 10 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Gitterstrakturen (c) eine im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelten Amegungslichts räumlich variierende Periodiziät aufweisen.
22. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der zweiten optisch transparenten Schicht (b) aus Glas, Quarz oder einem transparenten thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise aus der Gruppe besteht, die von Polycarbonat, Polyi id oder Polymethylmethacrylat gebildet wird.
23. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der ersten optisch transparenten Schicht (a) grösser als 1.8 ist.
24. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optisch transparente Schicht (a) ein Material aus der Gruppe von TiO2, ZnO, Nb O5, Ta2O5, HfO2, oder ZrO2, besonders bevorzugt aus TiO2 oder Nb O5 oder Ta2O5 umfasst.
25. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Anspruch 1 - 24 dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus der Dicke der ersten optisch transparenten Schicht (a) und ihrem Brechungsindex ein Zehntel bis ein Ganzes, bevorzugt ein Drittel bis zu zwei Drittel, der Anregungswellenlänge eines in die Schicht (a) einzukoppelnden Anregungslichts beträgt.
26. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (c) eine Periode von 200 nm - 1000 nm aufweist und die Modulationstiefe des Gitters (c) 3 bis 100 nm, bevorzugt 5 bis 30 nm beträgt.
27. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach Ansprach 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Modulationstiefe zur Dicke der ersten optisch transparenten Schicht (a) gleich oder kleiner als 0,2 ist.
28. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstraktur (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.
29. Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 28, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihr optisch oder mechanisch erkennbare Markierungen zur Erleichterung der Justierang in einem optischen System und / oder zur Verbindung mit Probenbehältnissen als Teil eines analytischen Systems aufgebracht sind.
30. Optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit
- mindestens einer Anregungslichtquelle
- einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29
- mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht.
31. Optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines A egungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit mindestens einer Anregungslichtquelle einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29 einer diffus reflektierenden oder / und diffus transmissiven Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur, zur Erzeugung eines Bildes des transmittierten Anregungslichts
- und mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des Bildes des transmittierten Anregungslichts auf besagter Projektionwand.
32. Optisches System nach Ansprach 31, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ortsauflösende Detektor zur Erfassung des Bildes des transmittierten Anregungshchts auf besagter Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur angeordnet ist.
33. Optisches System nach Ansprach 31, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ortsauflösende Detektor zur Erfassung des Bildes des transmittierten Amegungslichts auf besagter Projektionswand auf der Seite des transmittierten Anregungslichts, d.h. auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter-Wellenleiter- Straktur, angeordnet ist, wobei besagte Projektionswand mindestens teilweise transmissiv ist.
34. Optisches System mit einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach Ansprach 21, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Gitterstraktur (c) mit einer im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelten Anregungslichts räumlich variierenden Periodiziät höchstens ein Messbereich angeordnet ist, wobei sich auf der Gitter-Wellenleiter-Straktur in Ausbreitungsrichtung des einzukoppelnden und in der Schicht (a) zu führenden Amegungslichts ein unstrukurierter Bereich der Gitter- Wellenleiter-Struktur anschliesst, und gegebenfalls daran weiter in Ausbreitungsrichtung des in der Schicht (a) geführten Anregungslichts sich eine weitere Gitterstraktur (c) anschliesst, über welche besagtes geführtes Anregungslicht in Richtung eines ortsauflösenden Detektors wieder ausgekoppelt wird.
35. Optisches System nach Ansprach 34, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Massenbelegung durch Adsorption oder Desorption von Molekülen aus den Messbereichen auf Gitterstrukturen (c) zu einer Verschiebung der lokalen Position der Erfüllung der Resonanzbedingung zur Einkopplung des Amegungslichts in die Schicht (a) über besagte Gitterstraktur (c) im wesentlichen parallel zu den Gitterlinien führt.
36. Optisches System nach einem der Ansprüche 34 - 35, dadurch gekennzeichnet, dass eine eindimensionale Anordnung von mindestens 2 Gitterstrakturen (c) nach Ansprach 21 gleichzeitig mit Anregungslicht bestrahlt wird.
37. Optisches System nach einem der Ansprüche 34- 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Amegungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird und im wesentlichen monochromatisch ist.
38. Optisches System nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Amegung eines der Schicht (a) geführten TEo- oder TM0- Modes.
39. Optisches System nach einem der Ansprüche 37 - 38, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweidimensionale Anordnung von mindestens 4 Gitterstrakturen (c) nach Ansprach 21 gleichzeitig mit Anregungslicht bestrahlt wird.
40. Optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Amegungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem zweidimensionalen Array aus mindestens vier oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit
- mindestens einer Anregungslichtquelle
- einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29 einem Positionierelement zur Veränderung des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht.
41. Optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem zweidimensionalen Array aus mindestens vier oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit
- mindestens einer Anregungslichtquelle
- einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29
- einem Positionierelement zur Veränderang des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur - einer diffus reflektierenden oder / und diffus transmissiven Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter- Wellenleiter-Straktur, zur Erzeugung eines Bildes des transmittierten Amegungslichts
- und mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des Bildes des transmittierten Amegungslichts auf besagter Projektionwand.
42. Optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit mindestens einer über einen gewissen Spektralbereich durchstimmbaren Anregungslichtquelle
- einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29 mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht.
43. Optisches System nach Ansprach 42, dadurch gekennzeichnet, dass besagte mindestens eine durchstimmbare Lichtquelle über einen Spektralbereich von mindestens 5 nm durchgestimmt werden kann.
44. Optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, mit
- mindestens einer in einem gewissen Spektralbereich polychromatischen Anregungslichtquelle einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29 - mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht.
45. Optisches System nach Ansprach 44, dadurch gekennzeichnet, dass besagte mindestens eine polychromatische Lichtquelle eine Emissionsbandbreite von mindestens 5 nm aufweist.
46. Optisches System nach einem der Ansprüche 44 - 45, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Gitter-Wellenleiter-Straktur und dem mindestens einen ortsauflösenden Detektor eine spektral selektive optische Komponente mit hoher spektraler Auflösung in besagtem gewissen Spektralbereich angeordnet ist.
47. Optisches System nach Ansprach 46, dadurch gekennzeichnet, dass besagte spektral selektive Komponente geeignet ist zur Erzeugung von spektral selektiven, ortsaufgelösten, zweidimensionalen Darstellungen der Intensitätsverteilungen des von der Gitter-Wellenleiter- Straktur ausgehenden Messlichts bei unterschiedlichen Wellenlängen innerhalb besagten gewissen Spektralbereichs.
48. Optisches System nach einem der Ansprüche 44 - 47, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, von besagter polychromatischer Lichtquelle im Bereich der Messbereiche, durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht mittels innerhalb des besagten gewissen Spektralbereichs spektral selektiver Detektion unter Verwendung mindestens eines ortsauflösenden Detektors, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Amegungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur, erfolgt.
49. Optisches System nach einem der Ansprüche 40 - 48, dadurch gekennzeichnet, dass das Amegungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird.
50. Optisches System nach einem der Ansprüche 40 - 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht im wesentlichen monochromatisch eingestrahlt wird.
51. Optisches System nach einem der Ansprüche 40 - 50, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Amegung eines in der Schicht (a) geführten TE0- oder TM0-Modes.
52. Optisches System nach einem der Ansprüche 40 - 51, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, im Bereich der Messbereiche, durch sequentielle Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter- Wellenleiter-Struktur und / oder durch sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren unter Veränderang des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur erfolgt.
53. Optisches System nach einem der Ansprüche 42 - 51, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, im Bereich der Messbereiche, durch sequentielle Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder durch sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren unter Veränderang der Emissionswellenlänge einer durchstimmbaren Lichtquelle, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur, erfolgt.
54. Optisches System nach einem der Ansprüche 30 - 53, dadurch gekennzeichnet, dass das Amegungslicht von mindestens einer Lichtquelle mit einer Aufweitungsoptik möglichst homogen zu einem im wesentlichen parallelen Strahlenbündel aufgeweitet wird und auf die einen oder mehreren Messbereiche eingestrahlt wird.
55. Optisches System nach Ansprach 54, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des eingestrahlten Anregungslichtbündels mindestens in einer Dimension mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 10 mm beträgt.
56. Optisches System nach einem der Ansprüche 30 - 53, 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 räumlich getrennte Messbereiche eingestrahlt werden.
57. Optisches System nach einem der Ansprüche 30 - 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Amegungslicht von mindestens einer, vorzugsweise monochromatischen Lichtquelle mit einer Strahlformungsoptik zu einem Strahlenbündel möglichst homogener Intensität und spaltförmigen Querschnitts (in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Strahlenganges) aufgeweitet wird, dessen Hauptachse parallel zu den Gitterlinien ausgerichtet ist, wobei die Teilstrahlen besagten Strahlenbündels in einer Projektionsebene parallel zu der Ebene der Gitter- Wellenleiter-Straktur im wesentlichen parallel zueinander sind, während besagtes Strahlenbündel in einer zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur orthogonalen Ebene eine Konvergenz oder Divergenz mit einem gewissen Konvergenz- bzw. Divergenzwinkels aufweist.
58. Optisches System nach einem der Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, im Bereich der Messbereiche, innerhalb eines spaltförmig beleuchteten Bereichs durch gleichzeitige Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch gleichzeitige Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder durch gleichzeitige Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren erfolgt, wobei sich die lokale Änderung der Resonanzbedingungen in einem Messbereich in einer Verschiebung des Maximums des von besagtem Messbereich im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht ausgehenden Lichts sowie des Maximums des von besagtem Messbereich nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht ausgehenden Streulichts und des Minimums des im Bereich besagten Messbereichs transmittierten Lichts (jeweils bei Erfüllung der Resonanzbedingungen in besagtem Messbereich) zeigt, wobei besagte Verschiebung des Minimums bzw. Maximums in einer Ebene parallel zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur senkrecht zu den Gitterlinien erfolgt.
59. Optisches System nach einem der Ansprüche 30 - 58, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehr kohärente Lichtquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.
60. Optisches System nach Ansprach 59, dadurch gekenzeichnet, dass das Anregungslicht von 2 oder mehr kohärenten Lichtquellen gleichzeitig oder sequentiell aus verschiedenen Richtungen auf eine Gitterstraktur (c) eingestrahlt wird, welche eine Überlagerung von Gitterstrakturen mit unterschiedlicher Periodizität umfasst.
61. Optisches System nach einem der Ansprüche 30 - 60, 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-Photomuliplier gebildet wird.
62. Optisches System nach einem der Ansprüche 30 - 61, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der einen oder mehreren Anregungslichtquellen und der Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29 und /oder zwischen besagter Gitter-Wellenleiter-Straktur und dem einen oder mehreren Detektoren optische Komponenten aus der Grappe 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- oder Lumineszenzlichts gebildet werden.
63. Optisches System nach einem der Ansprüche 30 - 62, 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.
64. Optisches System nach einem der Ansprüche 30 - 63, dadurch gekenzeichnet, dass die Einstrahlung des Anregungslichts und die Detektion des von einem oder mehreren Messbereichen ausgehenden Lichts sequentiell für einzelne oder mehrere Messbereiche erfolgt.
65. Optisches System nach Ansprach 64, dadurch gekennzeichnet, dass sequentielle Amegung und Detektion unter Verwendung beweglicher optischer Komponenten erfolgt, die aus der Grappe von Spiegeln, Umlenkprismen und dichroischen Spiegeln gebildet wird.
66. Optisches System nach einem der Ansprüche 64 - 65, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter-Wellenleiter-Straktur zwischen Schritten der sequentiellen Anregung und Detektion bewegt wird.
67. Optisches System zur ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, zum Nachweis eines oder mehrerer Analyten in mindestens einer Probe auf einem oder mehreren Messbereichen auf einer Gitter-Wellenleiter-Straktur, mit
- einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29
- einem optischen System nach einem der Ansprüche 30 - 66 sowie Zuführungsmitteln, um die eine oder mehrere Proben mit den Messbereichen auf der Gitter-Wellenleiter-Straktur in Kontakt zu bringen.
68. Optisches System nach Ansprach 67, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zusätzlich eine oder mehrere Probenbehältnisse umfasst, welche mindestens im Bereich der einen oder mehreren Messbereiche oder der zu Segmenten zusammengefassten Messbereiche zur Gitter- Wellenleiter-Straktur hin geöffnet sind, wobei die Probenbehältnisse vorzugsweise jeweils ein Volumen von 0.1 nl - 100 μl haben.
69. Optisches System nach Ansprach 68, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenbehältnisse auf der von der optisch transparenten Schicht (a) abgewandten Seite, mit Ausnahme von Ein- und / oder Auslassöffnungen für die Zufuhr oder den Auslass der Proben und gegebenenfalls zusätzlicher Reagentien, geschlossen sind und die Zufuhr oder der Auslass von Proben und gegebenenfalls zusätzlicher 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.
70. Optisches System nach einem der Ansprüche 67 - 69, dadurch gekennzeichnet, 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
71. Verfahren zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29 in einem optischen System nach einem der Ansprüche 34 - 70, mittels Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Gitter- Wellenleiter-Straktur, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer Anregungslichtquelle auf eine Gitterstraktur (c) mit darauf befindlichen besagten Messbereichen geleitet wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen aus dem Signal von mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungshchts und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bestimmt wird.
72. Verfahren zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer Gitter-Wellenleiter-Struktur nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Gitterstraktur (c) mit einer im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelten Anregungslichts räumlich variierenden Periodiziät höchstens ein Messbereich angeordnet ist, wobei sich auf der Gitter-Wellenleiter-Straktur in Ausbreitungsrichtung des einzukoppelnden und in der Schicht (a) zu führenden Anregungslichts ein unstrukurierter Bereich der Gitter-Wellenleiter-Straktur anschliesst, und gegebenfalls daran weiter in Ausbreitungsrichtung des in der Schicht (a) geführten Amegungslichts sich eine weitere Gitterstruktur (c) anschliesst, über welche besagtes geführtes Anregungslicht in Richtung eines ortsauflösenden Detektors wieder ausgekoppelt wird.
73. Verfahren nach Anspruch 72, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen des lokalen effektiven Brechungsindex, insbesondere der Massenbelegung durch Adsorption oder Desorption von Molekülen aus den Messbereichen auf Gitterstrukturen (c) zu einer Verschiebung der lokalen Position der Erfüllung der Resonanzbedingung zur Einkopplung des Anregungslichts in die Schicht (a) über besagte Gitterstraktur (c) im wesentlichen parallel zu den Gitterlinien führen.
74. Verfahren nach einem der Ansprüche 72 - 73, dadurch gekennzeichnet, dass eine eindimensionale Anordnung von mindestens 2 Gitterstrukturen (c) nach Anspruch 21 gleichzeitig mit Anregungslicht bestrahlt wird.
75. Verfahren nach einem der Ansprüche 72 - 74, dadurch gekennzeichnet, dass das Amegungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird und im wesentlichen monochromatisch ist.
76. Verfahren nach Ansprach 75, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines in der Schicht (a) geführten TE0- oder TMo- Modes.
77. Verfahren nach einem der Ansprüche 75 - 76, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweidimensionale Anordnung von mindestens 4 Gitterstrakturen (c) nach Ansprach 21 gleichzeitig mit Amegungslicht bestrahlt wird.
78. Verfahren zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer Gitter- Wellenleiter-Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 29, mittels Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Amegungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem zweidimensionalen Array aus mindestens vier oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Plattform, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer Anregungslichtquelle auf eine Gitterstraktur (c) mit darauf befindlichen besagten Messbereichen geleitet wird und der Grad der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) zu besagten Messbereichen aus dem Signal von mindestens einem ortsauflösenden Detektor zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts, gegebenenfalls unter Verwendung einer diffus reflektierenden oder / und diffus transmissiven Projektionswand auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gegenüberliegenden Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur, zur Erzeugung eines Bildes des transmittierten Anregungslichts, und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bestimmt wird und mittels eines Positionierelements der Einstrahlwinkel des Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur verändert wird, so dass besagte Resonanzbedingung bei unterschiedlichen Winkeln im Bereich unterschiedlicher Messbereiche auf einer bestrahlten Gitterstraktur (c), in Abhängigkeit von dem lokalen effektiven Brechungsindex, erfüllt ist.
79. Verfahren nach Anspruch 78, dadurch gekennzeichnet, dass das A egungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird und im wesentlichen monochromatisch ist
80. Verfahren nach Ansprach 79, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines in der Schicht (a) geführten TE0- oder TM0- Modes.
81. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 - 80, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts im Bereich der Messbereiche durch sequentielle Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder durch sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren unter Veränderang des Einstrahlwinkels des Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur erfolgt.
82. Verfahren nach Ansprach 71, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstrahlwinkel des Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur so eingestellt wird, dass die Resonanzbedingung zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter einer Gitter- Wellenleiter-Straktur oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Gitter- Wellenleiter-Straktur, auf einem oder mehreren dieser Messbereiche im wesentlichen erfüllt ist, mit der Folge eines im wesentlichen maximalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht, aus dem Bereich dieser Messbereiche, und / oder eines im wesentlichen minimalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts im Bereich der Messbereiche oder zwischen den Messbereichen im wesentlichen erfüllt ist, mit der Folge eines im wesentlichen maximalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht, aus den Bereichen zwischen diesen Messbereichen, und / oder eines im wesentlichen minimalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts aus den Bereichen zwischen diesen Messbereichen.
83. Verfahren nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, dass lokale Unterschiede des effektiven Brechungsindex im Bereich verschiedener Messbereiche und in den Bereichen zwischen den Messbereichen aus lokalen Unterschieden der Intensitäten eines oder mehrerer ortsauflösender Detektoren, zur Erfassung des hansmittierten Anregungslichts und / oder zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter- Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht bestimmt werden, ohne dass der eingestellte Einstrahlwinkel des Amegungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur verändert wird.
84. Verfahren nach Ansprach 71, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts von mindestens einer über einen gewissen Spektralbereich durchstimmbaren Lichtquelle im Bereich der Messbereiche durch sequentielle Erfassung des transmittierten Amegungslichts und / oder durch sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter- Straktur und / oder durch sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren unter Veränderang der Emissionswellenlänge besagter mindestens einen durchstimmbaren Lichtquelle, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur, erfolgt.
85. Verfahren nach Ansprach 71, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionswellenlänge mindestens einer durchstimmbaren Lichtquelle, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Amegungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur, so eingestellt wird, dass die Resonanzbedingung zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter einer Gitter- Wellenleiter-Straktur oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Gitter- Wellenleiter-Struktur, auf einem oder mehreren dieser Messbereiche im wesentlichen erfüllt ist, mit der Folge eines im wesentlichen maximalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht, aus dem Bereich dieser Messbereiche, und / oder eines im wesentlichen minimalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts im Bereich der Messbereiche oder zwischen den Messbereichen im wesentlichen erfüllt ist, mit der Folge eines im wesentlichen maximalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht, aus den Bereichen zwischen diesen Messbereichen, und / oder eines im wesentlichen minimalen Signals eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts aus den Bereichen zwischen diesen Messbereichen.
86. Verfahren nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Amegungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts von mindestens einer in einem gewissen Spektralbereich polychromatischen Lichtquelle im Bereich der Messbereiche durch Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder durch Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Anregungslichts auf die Gitter- Wellenleiter-Straktur, erfolgt, wobei sich jeweils in den Bereichen, in denen für eine bestimmte Wellenlänge des Anregungslichts von der polychromatischen Lichtquelle dieResonanzbedingung zur Einkopplung dieses Anregungslichts in einen Wellenleiter der Gitter-Wellenleiter-Straktur oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts dieser Wellenlänge erfüllt ist, ein maximaler Signalanteil dieser Wellenlänge am Signal eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder zur Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslichts, aus dem Bereich dieser Messbereiche, und / oder ein minimaler Signalanteil dieser Wellenlänge am Signal eines ortsauflösenden Detektors zur Erfassung des transmittierten Anregungslichts im Bereich der Messbereiche ergibt.
87. Verfahren nach Ansprach 86, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Gitter-Wellenleiter-Straktur und dem mindestens einen ortsauflösenden Detektor eine spektral selektive optische Komponente mit hoher spektraler Auflösung in besagtem gewissen Spektralbereich angeordnet ist.
88. Verfahren nach Ansprach 87, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe besagter spektral selektiver Komponente spektral selektive, ortsaufgelöste, zweidimensionale Darstellungen der Intensitätsverteilungen des von der Gitter-Wellenleiter-Straktur ausgehenden Messlichts bei unterschiedlichen Wellenlängen innerhalb besagten gewissen Spektralbereichs erzeugt werden können.
89. Verfahren nach einem der Ansprüche 86 - 88, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, von besagter polychromatischer Lichtquelle im Bereich der Messbereiche, durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des transmittierten Amegungslichts und / oder durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Amegungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder durch gleichzeitige oder sequentielle Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht mittels innerhalb des besagten gewissen Spektralbereichs spektral selektiver Detektion unter Verwendung mindestens eines ortsauflösenden Detektors, vorzugsweise unter konstantem Einstrahlwinkel dieses Anregungslichts auf die Gitter-Wellenleiter-Straktur, erfolgt.
90. Verfahren nach einem der Ansprüche 86 - 89, dadurch gekennzeichnet, dass das Amegungslicht jeweils im wesentlichen parallel eingestrahlt wird.
91. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 90, 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 räumlich getrennte Messbereiche eingestrahlt werden.
92. Verfahren nach Ansprach 71, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von mindestens einer, vorzugsweise monochromatischen, Lichtquelle mit einer Strahlformungsoptik zu einem Strahlenbündel möglichst homogener Intensität und spaltförmigen Querschnitts (in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Strahlenganges) aufgeweitet wird, dessen Hauptachse parallel zu den Gitterlinien ausgerichtet ist, wobei die Teilstrahlen besagten Strahlenbündels in einer Projektionsebene parallel zu der Ebene der Gitter- Wellenleiter-Straktur im wesentlichen parallel zueinander sind, während besagtes Strahlenbündel in einer zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur orthogonalen Ebene eine Konvergenz oder Divergenz mit einem gewissen Konvergenz- bzw. Divergenzwinkels aufweist.
93. Verfahren nach Ansprach 92, dadurch gekennzeichnet, dass besagter Konvergenz- oder Divergenzwinkels besagten Strahlenbündels in einer zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur orthogonalen Ebene einen Wert von bis zu 5° aufweist.
94. Verfahren nach einem der Ansprüche 92 - 93, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, im Bereich der Messbereiche, innerhalb eines spaltförmig beleuchteten Bereichs durch gleichzeitige Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch gleichzeitige Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder durch gleichzeitige Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstruktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren erfolgt, wobei sich die lokale Änderung der Resonanzbedingungen in einem Messbereich in einer Verschiebung des Maximums des von besagtem Messbereich im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht ausgehenden Lichts sowie des Maximums des von besagtem Messbereich nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Anregungslicht ausgehenden Streulichts und des Minimums des im Bereich besagten Messbereichs transmittierten Lichts (jeweils bei Erfüllung der Resonanzbedingungen in besagtem Messbereich) zeigt, wobei besagte Verschiebung des Minimums bzw. Maximums in einer Ebene parallel zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur senkrecht zu den Gitterlinien erfolgt.
95. Verfahren zum qualitativen und / oder quantitativen Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben auf mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen auf einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29 in einem optischen System nach einem der Ansprüche 34 - 70, mittels Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in einen Wellenleiter oder Auskopplung eines im Wellenleiter geführten Lichts, mit einem Array aus mindestens zwei oder mehr, räumlich getrennten Messbereichen (d) auf dieser Gitter- Wellenleiter-Straktur, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung von Änderungen besagter Resonanzbedingungen jeweils gleichzeitig im Bereich der Messbereiche innerhalb eines spaltförmigen beleuchteten Bereichs, durch gleichzeitige Erfassung des transmittierten Anregungslichts und / oder durch gleichzeitige Erfassung des im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht wieder ausgekoppelten Lichts auf der, bezüglich des eingestrahlten Anregungslichts, gleichen Seite der Gitter-Wellenleiter-Straktur und / oder durch gleichzeitige Erfassung des Streulichts von nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht mit jeweils einem oder mehreren ortsauflösenden Detektoren erfolgt, - wobei sich die lokale Änderung der Resonanzbedingungen in einem Messbereich in einer Verschiebung des Maximums des von besagtem Messbereich im wesentlichen parallel zum reflektierten Licht ausgehenden Lichts sowie des Maximums des von besagtem Messbereich nach Einkopplung über eine Gitterstraktur (c) in der Schicht (a) geführtem Amegungslicht ausgehenden Streulichts und des Minimums des im Bereich besagten Messbereichs transmittierten Lichts (jeweils bei Erfüllung der Resonanzbedingungen in besagtem Messbereich) zeigt, wobei besagte Verschiebung des Minimums bzw. Maximums in einer Ebene parallel zur Ebene der Gitter-Wellenleiter-Straktur senkrecht zu den Gitterlinien erfolgt, und wobei die Gitter-Wellenleiter-Straktur zur sequentiellen ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen besagter Randbedingungen auf der gesamten Oberfläche besagter Gitter- Wellenleiter-Straktur mit den darauf befindlichen Messbereichen zwischen einzelnen Verfahrensschritten senkrecht und / oder parallel zur Ausrichtung der Gitterlinien verschoben wird, bis die Messignale von allen Messbereichen aufgezeichnet sind und aus den aufgezeichneten Signalen eine zweidimensionale Darstellung des Grades der Erfüllung besagter Resonanzbedingungen auf der gesamten Gitter-Wellenleiter-Straktur erzeugt werden kann.
96. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 - 95, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsauflösung zur Bestimmung des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) durch Wahl einer grösseren Modulationstiefe von Gitterstrakturen (c) verbessert oder Wahl einer kleineren Modulationstiefe besagter Gitterstrakturen verringert werden kann.
97. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 - 96, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwertsbreite des Resonanzwinkels zur Erfüllung der Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung in die Schicht (a) durch Verringerung der Modulationstiefe von Gitterstrakturen (c) verringert werden kann, was eine erhöhte Empfindlichkeit bei der ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung als Folge von lokalen Änderungen der Massenbelegung zur Folge hat, oder durch Vergrösserang der Modulationstiefe besagter Gitterstrukturen vergrössert werden kann, was eine verringerte Empfindlichkeit bei der ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen des Grades der Erfüllung der Resonanzbedingung als Folge von lokalen Änderungen der Massenbelegung zur Folge hat.
98. Verfahren nach einem der Ansprüche 78 - 97, dadurch gekennzeichnet, dass Unterschiede in der Massenbelegung und / oder des effektiven Brechungsindex auch innerhalb eines Messbereichs aufgelöst werden können.
99. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 98, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehr kohärente Lichtquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.
100. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 99, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrösserang der Änderung der Massenbelegung bei der Bindung oder Dissoziation nachzuweisender Analytmoleküle an dieses oder an einen seiner Bindungspartner in einem mehrstufigen Assay ein Massenlabel gebunden ist, welches beispielsweise ausgewählt sein kann aus der Grappe von Metallkolloiden (z. B. Goldkolloiden), Kunststoff-Partikeln oder -Beads oder anderen Mikropartikeln mit einer monodispersen Grössenverteilung.
101. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 100, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrösserang der Änderung des effektiven Brechungsindex bei der Bindung oder Dissoziation nachzuweisender Analytmoleküle an dieses oder an einen seiner Bindungspartner in einem mehrstufigen Assay ein „Absorptionslabel" gebunden ist, wobei besagtes „Absorptionslabel" eine Absorptionsbande geeigneter Wellenlänge aufweist, welche Absorption, als Imaginärteil des Brechungsindex, zu einer Anderang des effektiven Brechungsindex im Nahfeld der Gitter- Wellenleiter-Straktur führt.
102. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 101, dadurch gekennzeichnet, dass neben der ortsaufgelösten Bestimmung von Änderungen der Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) einer Gitter-Wellenleiter-Straktur oder Auskopplung eines in der Schicht (a) geführten Lichts nach einem der Ansprüche 1 - 29 zusätzlich eine oder mehrere, im evaneszenten Feld eines in der Schicht (a) geführten Anregungslichts angeregte Lumineszenzen aus einem oder mehreren Messbereichen bestimmt werden.
103. Verfahren nach Ansprach 102, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindung eines Liganden als Analyten an ein in einem oder mehreren Messbereichen immobilisiertes biologisches oder biochemisches oder synthetisches Erkennungselement als Rezeptor anhand der lokalen Änderung des effektiven Brechungsindexes bestimmt wird und eine funktionale Antwort dieses Liganden-Rezeptor-Systems anhand einer Lumineszenzänderang aus besagten Messbereichen bestimmt wird.
104. Verfahren nach Ansprach 102, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente als Rezeptoren in einem oder mehreren Messbereichen anhand der Unterschiede zwischen den Resonanzbedingungen zur Einkopplung eines Anregungslichts in die Schicht (a) der Gitter- Wellenleiter-Straktur oder Auskopplung eines in der Schicht (a) geführten Lichts, im Bereich dieser Messbereiche, und den entsprechenden Resonanzbedingungen in deren Umgebung, d.h. ausserhalb besagter Messbereiche, bestimmt wird und die Bindung eines Liganden als Analyten an diese Erkennungselemente anhand einer Lumineszenzänderung aus besagten Messbereichen bestimmt wird.
105. Verfahren nach einem der Ansprüche 102 - 104, dadurch gekennzeichnet, dass (1) die isotrop abgestrahlte Lumineszenz oder (2) in die optisch transparente Schicht (a) eingekoppelte und über die Gitterstraktur (c) ausgekoppelte Lumineszenz oder Lumineszenzen beider Anteile (1) und (2) gleichzeitig gemessen werden.
106. Verfahren nach einem der Ansprüche 102 - 105, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Lumineszenz ein Lumineszenzfarbstoff oder lumineszentes Nanopartikel als Lumineszenzlabel verwendet wird, das bei einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 1100 nm angeregt werden kann und emittiert.
107. Verfahren nach einem der Ansprüche 100 - 106, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenlabel und / oder 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.
108. Verfahren nach einem der Ansprüche 102 - 107, 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.
109. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 108 zur gleichzeitigen oder sequentiellen, quantitativen oder qualitativen Bestimmung eines oder mehrerer Analyten 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, Enzymcofaktoren oder Inhibitoren, Lektinen und Kohlehydraten.
110. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 - 109, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchenden Proben natürlich vorkommende Körperfiüssigkeiten 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.
111. Verwendung einer Gitter-Wellenleiter-Straktur nach einem der Ansprüche 1 - 29 und / oder eines optischen Systems nach einem der Ansprüche 30 - 70 und / oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 71 - 110 zu qualitativen und / oder quantitativen 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 Affinitätsscreenmg 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 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.
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