EP1332355A1 - Plasmon resonance sensor, especially for use in biosensor technology - Google Patents

Plasmon resonance sensor, especially for use in biosensor technology

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EP1332355A1
EP1332355A1 EP01993824A EP01993824A EP1332355A1 EP 1332355 A1 EP1332355 A1 EP 1332355A1 EP 01993824 A EP01993824 A EP 01993824A EP 01993824 A EP01993824 A EP 01993824A EP 1332355 A1 EP1332355 A1 EP 1332355A1
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EP
European Patent Office
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plasmon resonance
detector
light
resonance sensor
sensor according
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Withdrawn
Application number
EP01993824A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jakob Tittel
Carsten LÜTHY
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BIOSCIENCE VENTURES GROUP AG
Original Assignee
Jandratek GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons

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Abstract

The invention relates to a plasmon resonance sensor that comprises a glass prism (1) with a gold film (2), and a light source with a non-punctiform radiating surface (5), as well as a detection optics in the form of a collimation lens (10) in the divergent beam path downstream of the reflecting gold film (2), and a detector (11). The planar radiation of light has the effect that the angle of light incidence at which the reflected light is weakened as a result of the plasmon resonance, is distributed across a stretch of the gold film, thereby preventing the gold film from being locally heated up and distorting the measurement, and reducing local inhomogeneities of the gold film. The detector (11) is all the same provided with a precise measuring signal since the collimation lens (10) collects the beams incident on the gold film with the same angle of incidence and focuses them onto the detector (11). To this end, the radiating surface (5) and the detector (11) are arranged in a confocal position with respect to the collimation lens (10). The invention thereby allows the use of optical waveguides with an expansive radiating surface and, as a consequence, the use of light-emitting diodes as light sources, and favors miniaturized designs.

Description

Bezeichnung: Plasmonenresonanzsensor, insbesondere für dieName: plasmon resonance sensor, especially for the
Biosensorikbiosensors
B e s c h r e i b u n gDescription
Die Erfindung betrifft einen Plasmonenresonanzsensor, insbesondere für die Biosensorik, ,mit einem lichtdurchlässigen Körper, . insbesondere Glasprisma, einer auf eine Fläche des Körpers aufgebrachten reflektierenden Metallschicht oder Halbleiterschicht mit einer für nachzuweisende Moleküle sensitiven Oberfläche, die in Verbindung mit einer Küvette eine Meßzelle bildet, einer Lichtquelle zur Aussendung eines divergierenden Lichtbündels oder Strahlengangs durch den lichtdurchlässigen Körper auf die Innenfläche der Schicht und einem Detektor, der dem von der Schicht reflektierten ausfallenden Stahlengang zugeordnet ist und zeitabhängig den sich durch Molekülanlagerungen an die sensitive Oberfläche ändernden Einfallswinkel des Lichts feststellt, bei dem resonanzbedingt ein Intensitätsminimu an ausfallendem Licht auftritt.The invention relates to a plasmon resonance sensor, in particular for biosensors, with a translucent body. in particular glass prism, a reflective metal layer or semiconductor layer applied to a surface of the body with a surface sensitive to molecules to be detected, which forms a measuring cell in connection with a cuvette, a light source for emitting a diverging light beam or beam path through the translucent body onto the inner surface of the layer and a detector, which is assigned to the falling steel path reflected by the layer and, as a function of time, detects the angle of incidence of the light which changes due to molecular deposits on the sensitive surface, in which an intensity minimum of falling light occurs due to the resonance.
Ein derartiger Plasmonenresonanzsensor mit einem Glasprisma und einer Goldschicht ist aus US 4 844 613 bekannt. Dort wird als Lichtquelle eine Laserdiode verwendet, die punktförmig mit einem Winkelbereich abstrahlt, der bereits alle für die Resonanz- detektion in Betracht kommenden Einfallswinkel umfaßt. Grundsätzlich wird zur Plasmonenresonanzbestimmung die Intensität des von der Goldschicht reflektierten Lichtes detektiert. Um die Resonanz zu finden, wird entweder bei festgehaltener Lichtwellenlänge der Einfallswinkel des Lichtes auf die Goldschicht durchgestimmt oder bei konstantem Einfallswinkel die Wellenlänge durchgestimmt. Die Oberflachenplasmonenresonanz erkennt man anhand einer verminderten Reflektivität bei einer bestimmten Kombination von Einfallswinkel und Wellenlänge des Lichtes. Über die Position der Resonanzbedingung kann der Brechungsindex der auf der Goldschicht befindlichen Schicht, z.B. einer Probenflüssigkeit, bestimmt werden. Der Wechselwirkungsbereich betrachtet von der Goldschicht aus hinein in die zu bestimmende Schicht ist auf eine Dicke von etwa einer Lichtwel- lenlänge beschränkt.Such a plasmon resonance sensor with a glass prism and a gold layer is known from US 4,844,613. There, a laser diode is used as the light source, which emits in a punctiform manner with an angular range which already encompasses all angles of incidence that are suitable for resonance detection. Basically, the intensity of the light reflected by the gold layer is detected for plasmon resonance determination. In order to find the resonance, either the angle of incidence of the light on the gold layer is tuned with a fixed light wavelength or the wavelength is tuned with a constant angle of incidence. The surface plasmon resonance can be recognized by a reduced reflectivity with a certain combination of the angle of incidence and the wavelength of the light. The refractive index of the layer on the gold layer, for example a sample liquid, can be determined via the position of the resonance condition. The interaction area viewed from the gold layer into the layer to be determined is limited to a thickness of approximately one light wavelength.
Um eine möglichst gute Auflösung zu erhalten, ist entweder monochromatisches Licht oder ein sehr genau definierter Einfallswinkel notwendig. Nach WO 96 02 823 ist die Verwendung einer monochromatischen Lichtquelle vorgesehen, wobei der Einfallswinkel mittels eines Drehspiegels durchgestimmt wird. Hierfür sind allerdings bewegliche Teile notwendig, was sich als nachteilig erweist. Dagegen wird gemäß EP 305 109 Bl der entsprechende Winkelbereich optisch durch einen Strahlenfächer er- zeugt. In beiden Ausführungen ist der Ort der Reflektion auf der Goldschicht sehr genau lokalisiert. Das kann zu einer unerwünschten Erwärmung der Goldschicht führen, weil die Energie der erzeugten Plasmonen in der Goldschicht dissipiert. Der Brechungsindex von Flüssigkeiten, dem am häufigsten zu vermessen- den Medium in Biosensoren, hängt stark von der Temperatur ab, so daß es infolge der Erwärmung zu Verfälschungen der Messung kommen kann. Des weiteren führt die genaue Lokalisierung der Reflektion auf der Goldschicht bereits bei kleinsten Inhomogenitäten der Goldschicht, beispielsweise den beim thermischen Aufdampfen von Goldschichten erzeugten kleinen LöchernTo obtain the best possible resolution, either monochromatic light or a very precisely defined angle of incidence is necessary. According to WO 96 02 823, the use of a monochromatic light source is provided, the angle of incidence being adjusted by means of a rotating mirror. However, moving parts are necessary for this, which proves to be disadvantageous. In contrast, according to EP 305 109 B1, the corresponding angular range is generated optically by a beam fan. In both versions, the location of the reflection on the gold layer is located very precisely. This can lead to an undesirable heating of the gold layer because the energy of the plasmons generated dissipates in the gold layer. The refractive index of liquids, the most frequently measured medium in biosensors, depends strongly on the temperature, so that the measurement can be falsified as a result of heating. Furthermore, the exact localization of the reflection on the gold layer leads to even the smallest inhomogeneities in the gold layer, for example the small holes produced during the thermal vapor deposition of gold layers
(pinholes) , zu Problemen hinsichtlich der Meßgenauigkeit.(pinholes), to problems with the measuring accuracy.
Das Problem der Erwärmung der Goldschicht wird durch den eingangs beschriebenen Plasmonenresonanzsensor umgangen. Infolge des divergierend einfallenden Lichts hat man keinen Fokus auf der Goldschicht, vielmehr werden die unterschiedlichen Einfallswinkel jeweils an einer anderen Stelle der Goldschicht reflektiert. Dadurch wird einer Erwärmung der Goldschicht vorge- beugt. Allerdings verschärft sich hier das Problem auf Grund von Inhomogenitäten in der Goldschicht, weil verschiedene Einfallswinkel davon unterschiedlich beeinflußt sind. Weiterhin kann auch die physische Größe der als Lichtquelle eingesetzten Laserdioden hinderlich sein, weil es in modernen Geräten maß- ! ; geblich auch auf eine Miniaturisierung und Paralellisierung von Meßkanälen ankommt. Schließlich ist es auch als nachteilig anzusehen, daß im Interesse einer guten Auflösung einer Punktlichtquelle, namentlich eine Laserdiode, verwendet werden muß. Eine Leuchtdiode, die typischerweise eine Abstrahlfläche mit einem Durchmesser von 150 μm aufweist, ist wegen ihrer flächenhaften Abstrahlung und auch wegen der polychromatischen Emission nicht einsetzbar.The problem of heating the gold layer is avoided by the plasmon resonance sensor described at the beginning. As a result of the diverging incident light, there is no focus on the gold layer, rather the different angles of incidence are reflected at a different location on the gold layer. This prevents the gold layer from heating up. However, the problem is exacerbated here due to inhomogeneities in the gold layer, because different angles of incidence are affected differently. Furthermore, the physical size of the laser diodes used as the light source can also be a hindrance, because in modern devices it is dimensionally ! ; miniaturization and parallelization of measurement channels is also important. Finally, it is also to be regarded as a disadvantage that in the interest of good resolution of a point light source, namely a laser diode, must be used. A light-emitting diode, which typically has a radiation surface with a diameter of 150 μm, cannot be used because of its surface radiation and also because of the polychromatic emission.
11
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs be- schriebenen Plasmonenresonanzsensor so zu verbessern, daß unterThe invention has for its object to improve the plasmon resonance sensor described above so that under
Beibehaltung der einfachen Ausbildung und der weitgehenden Erwärmungsfreiheit der Goldschicht der Einfluß von Inhomogenitäten der Metallschicht zurückgedrängt wird und dementsprechend exakte Meßergebnisse erzielt werden.Maintaining the simple design and the extensive freedom from heating of the gold layer, the influence of inhomogeneities of the metal layer is suppressed and, accordingly, exact measurement results are achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtquelle eine nicht punktförmige Abstrahlfläche mit einer Ausdehnung von mindestens 10 μm zugeordnet ist und daß im ausfallenden Strahlengang zwischen dem lichtdurchlässigen Körper und dem Detektor eine KoUimationslinse angeordnet ist.This object is achieved in that the light source is assigned a non-punctiform radiating surface with an extent of at least 10 μm and in that a coordination lens is arranged in the emerging beam path between the translucent body and the detector.
Erfindungsgemäß wird also mit einer räumlich ausgedehnten Lichtquelle bzw. Abstrahlfläche gearbeitet. Dieses führt zu einer eigentlich unerwünschten deutlichen Verbreiterung des de- tektierten Plasmons, weil die Winkelinformation auf Grund der räumlichen Ausdehnung der Lichtquelle, die als eine Mehrzahl räumlich benachbarter Punktlichtquellen angesehen werden kann, verschmiert wird. Dieses scheinbar nachteilige Ergebnis wird jedoch erfindungsgemäß durch die vorgesehene Kolli ationsoptik wieder kompensiert.According to the invention, therefore, a spatially extended light source or radiation surface is used. This leads to an actually undesirable marked broadening of the detected plasmon, because the angular information is smeared due to the spatial expansion of the light source, which can be viewed as a plurality of spatially adjacent point light sources. This seemingly adverse result will however, according to the invention compensated for by the provided collision optics.
Da die eingesetzte räμmlich ausgedehnte Lichtquelle einer Mehr- zahl von kegelförmig abstrahlenden Punktlichtquellen in enger Nachbarschaft entspricht, treffen Lichtstrahlen mit gleichem Einfallswinkel an verschiedenen Stellen bzw. über einen breiten Bereich auf die Goldschicht. Anders ausgedrückt sind an einem Ort der Goldschicht mehrere verschiedene Einfallswinkel vorzu- finden. Die gleichen Einfallswinkel von verschiedenen Orten der Goldschicht werden nun durch die erfindungsgemäß vorgesehene KoUimationslinse wieder zum Detektor zusammengeführt und dann dort detektiert. Daraus ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß bei der Messung der Plasmonenerzeugung über einen breiten Bereich der Goldschicht gemittelt wird und dementsprechend Inhomogenitäten der Goldschicht nicht mehr oder kaum noch ins Gewicht fallen.Since the spatially extended light source used corresponds to a plurality of cone-shaped point light sources in close proximity, light beams with the same angle of incidence strike the gold layer at different points or over a wide area. In other words, several different angles of incidence can be found at one location of the gold layer. The same angles of incidence from different locations of the gold layer are now brought together again by the inventive coordination lens to the detector and then detected there. This has the essential advantage that the measurement of the plasmon generation over a wide area of the gold layer is averaged and accordingly inhomogeneities of the gold layer no longer or hardly matter.
Zweckmäßigerweise ist die Abstrahlfläche im einen Brennpunkt und die angestrahlte Fläche des Detektors im anderen Brennpunkt der KoUimationslinse angeordnet. Bei einer solchen Ausbildung wird der vorerwähnte Verbreiterungseffekt durch die flächenhafte Abstrahlfläche vollständig kompensiert. Dabei ist hinsichtlich der Fokusposition der Abstrahlfläche zu beachten, daß der Strahlengang im Prisma gebrochen wird, so daß ggf. die Fokusposition korrigiert werden muß.The radiation surface is expediently arranged in one focal point and the illuminated surface of the detector in the other focal point of the coordination lens. With such a design, the aforementioned widening effect is completely compensated for by the areal radiation area. With regard to the focus position of the radiation surface, it should be noted that the beam path in the prism is refracted, so that the focus position may have to be corrected.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die. Abstrahlfläche vom dem lichtdurchlässigen Körper benachbarten Ende eines Lichtwellenleiters gebildet. Lichtwellenleiter bieten die Möglichkeit, das Licht auf einfache Weise nahe an den Glaskörper heranzuführen, wobei die Lichtquelle selbst im Abstand angeordnet werden kann, was bauliche Vorteile bringt und die bereits angesprochene Miniaturisierung begünstigt. Bisher waren Lichtwellenleiter nicht oder doch nur sehr bedingt ein- setzbar, weil sie nicht die wegen der gewünschten Auflösung punktförmige Abstrahlfläche aufweisen. Es gibt zwar Lichtwellenleiter mit sehr kleinen Kerndurchmessern, namentlich Single Mode Fasern mit einem Kerndurchmesser von 2 bis 9 μm, diese stellen aber keine echten Punktlichtquellen dar und sind irisbesondere schwierig in der Handhabung. Es werden aufwendige Einkoppeloptiken in Verbindung mit einer eigenen Lichtquelle für jeden einzelnen Lichtwellenleiter benötigt. Die technische Re- alisierung ist daher schwierig und aufwendig. Gleiches gilt in entsprechender Weise auch für Multimodefasern mit einem Kerndurchmesser von 50 bis 150 μm.In a particularly advantageous embodiment, the. Radiation surface formed by the end of an optical waveguide adjacent to the translucent body. Optical waveguides offer the possibility of bringing the light close to the glass body in a simple manner, the light source itself being able to be arranged at a distance, which brings structural advantages and favors the miniaturization already mentioned. Until now, optical fibers could not be used, or could only be used to a very limited extent, because they do not have the radiation surface that is punctiform due to the desired resolution. There are optical fibers with very small core diameters, namely single mode fibers with a core diameter of 2 to 9 μm, these but are not real point light sources and are particularly difficult to use. Complex coupling optics are required in connection with a separate light source for each individual optical fiber. The technical implementation is therefore difficult and complex. The same applies in a corresponding manner to multimode fibers with a core diameter of 50 to 150 μm.
Daher werden für die Realisierung der Erfindung unter Verwen- düng von Lichtwellenleitern solche mit Kerndurchmessern im Bereich von 300 bis 700 μm bevorzugt, weil die Erfindung deren Eisatz ermöglicht und entsprechend dicke Lichtwellenleiter deutlich einfacher in der Handhabung sind, insbesondere hinsichtlich der Lichteinkopplung. Beispielsweise kann das Licht einer einzigen Lichtquelle in mehrere solcher dicker Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Hierzu wird das Licht zwar gebündelt, so daß der Strahl alle Fasern beleuchtet, es wird aber nicht auf eine einzige Faser fokussiert, wie es für Single Mode Fasern notwendig ist. Im übrigen hat sich gezeigt, daß unabhän- gig von der Verwendung von Lichtwellenleitern eine Abstrahlfläche mit einer Ausdehnung im vorgenannten Bereich von 300 bis 700 μm zu guten Meßergebnissen führt.Therefore, those with core diameters in the range from 300 to 700 μm are preferred for the implementation of the invention using optical waveguides, because the invention enables them to be used and correspondingly thick optical fibers are much easier to handle, in particular with regard to the coupling of light. For example, the light from a single light source can be coupled into several such thick optical fibers. For this purpose, the light is bundled so that the beam illuminates all fibers, but it is not focused on a single fiber, as is necessary for single-mode fibers. In addition, it has been shown that, regardless of the use of optical fibers, a radiation surface with an expansion in the aforementioned range of 300 to 700 μm leads to good measurement results.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further expedient refinements of the invention result from the subclaims.
Ausführungsbeispie'le der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with the aid of a schematic drawing. Show it:
Figur 1 einen Plasmonenresonanzsensor mit am Prisma anliegender dicker Lichtleitfaser in Seitenansicht, wobei die von den beiden außenliegenden Punkten der Abstrahlfläche ausgehenden Lichtstrahlenbündel und der jeweils zugehörige durch Plasmonenresonanz geschwächte Ausfalistrahl angedeutet sind;FIG. 1 shows a side view of a plasmon resonance sensor with a thick optical fiber lying against the prism, the light beams emanating from the two outer points of the radiation surface and the associated associated outgoing beam weakened by plasmon resonance being indicated;
Figur 2 eine Figur 1 entsprechende Darstellung unter Verwendung einer Laserdiode ohne Lichtwellenleiter und mit auf den Plasmonenresonanzbereich einstellbarem Detektor; Figur 3 eine Figur 1 entsprechende Seitenansicht eines für mehrere parallele Meßzellen vorgesehenen Plasmonenreso- nanzsensors mit einer zusätzlichen Zylinderlinse;2 shows a representation corresponding to FIG. 1 using a laser diode without an optical waveguide and with a detector that can be adjusted to the plasmon resonance range; FIG. 3 shows a side view corresponding to FIG. 1 of a plasmon resonance sensor provided for several parallel measuring cells with an additional cylindrical lens;
Figur 4 eine in verändertem Maßstab dargestellte Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Figur 3 unter Veranschauli- chung des von einem außenliegenden und einem mittleren Lichtwellenleiter ausgehenden Strahlengangs in der Zeichnungsebene;FIG. 4 shows a plan view of the embodiment according to FIG. 3, shown on a modified scale, illustrating the beam path emanating from an external and a central optical waveguide in the plane of the drawing;
Figur 5 das gemessene Detektorsignal, das von einem der gemäß Figur 4 vorgesehenen acht Lichtwellenleitern ausgeht und5 shows the measured detector signal, which emanates from one of the eight optical waveguides provided according to FIG. 4, and
Figur 6 eine grafische Darstellung der gemessenen Lichtintensitäten entsprechend Figur 5.FIG. 6 shows a graphic representation of the measured light intensities corresponding to FIG. 5.
Gemäß Figur 1 ist ein im Querschnitt trapezförmiges Glasprisma 1 vorgesehen, auf das eine Goldschicht 2 beispielsweise durch Aufdampfen' aufgebracht ist. Diese beispielsweise 50 nm dicke Goldschicht 2 trägt außenseitig eine sensitive Beschichtung, an der sich nachzuweisende Biomoleküle einer zu untersuchenden Probe anlagern können. Derartige sensitive Beschichtungen sowie ihr Regenerieren sind dem Fachmann geläufig.According to FIG. 1, a glass prism 1 with a trapezoidal cross section is provided, onto which a gold layer 2 is applied, for example by vapor deposition. This gold layer 2, for example 50 nm thick, has a sensitive coating on the outside, on which biomolecules of a sample to be examined can be attached. Such sensitive coatings and their regeneration are familiar to the person skilled in the art.
An die Lichteinfallseite 3 des Glaspris as 1 ist ein Lichtwellenleiter 4 mit einem dicken Kerndurchmesser von beispielsweise 500 μm mit einer entsprechend ausgedehnten - nicht punktför i- gen - Abstrahlfläche 5 angeschlossen. In das der Abstrahlfläche 5 entgegengesetzte Ende des Lichtwellenleiters 4 wird in nicht dargestellter Weise mittels einer Leuchtdiode oder einer anderen Lichtquelle Licht eingespeist.An optical waveguide 4 with a thick core diameter of 500 μm, for example, is connected to the light incidence side 3 of the glass prism as 1 with a correspondingly extended - not point-specific - radiation surface 5. Light is fed into the end of the optical waveguide 4 opposite the radiating surface 5 in a manner not shown by means of a light-emitting diode or another light source.
Von der Abstrahlfläche 5 geht ein Lichtstrahlenbündel 6 aus, das durch die beiden eingezeichneten Randstrahlenbündel 7 und 8 begrenzt ist. Das Lichtstrahlenbündel 6 wird durch die Goldschicht 2 reflektiert, tritt durch die Lichtausfallseite 9 des Glasprismas 1 aus und wird durch eine KoUimationslinse 10 auf einen Detektor 11 geleitet. Dieser ortsauflösende Detektor 11 ist von einem CCD-Sensor (CCD-Chip) gebildet und mit einem vorgeschalteten Polarisator (p-Polarisation) versehen.A light beam 6 emanates from the radiation surface 5 and is delimited by the two edge beam bundles 7 and 8 shown. The light beam 6 is reflected by the gold layer 2, emerges through the light exit side 9 of the glass prism 1 and is caused by a coordination lens 10 passed a detector 11. This spatially resolving detector 11 is formed by a CCD sensor (CCD chip) and provided with an upstream polarizer (p-polarization).
Die KoUimationslinse 10 und der Detektor 11 sind im Sinne einer konfokalen Anordnung plaziert, so daß die Abstrahlfläche 5 im einen und die Abbildungsfläche des Detektors 11 im anderen Brennpunkt der KoUimationslinse 10 angeordnet sind. Diese konfokale Anordnung ist insbesondere aus der Darstellung in Figur 4 ersichtlich, in der die Brennweiten f und f ' der KoUimationslinse eingetragen sind.The KoUimation lens 10 and the detector 11 are placed in the sense of a confocal arrangement, so that the radiation surface 5 in one and the imaging surface of the detector 11 are arranged in the other focal point of the KoUimation lens 10. This confocal arrangement can be seen in particular from the illustration in FIG. 4, in which the focal lengths f and f 'of the coordination lens are entered.
Der Strahlengang des Lichtstrahlenbündels 6 ist in Figur 1 wie auch in den anderen Figuren unter Vernachlässigung der Strah- lenbrechung am Übergang Glas/Luft dargestellt. Im übrigen ist für die beiden Randstrahlenbündel 7 und 8 jeweils der intensi- tätsgeschwächte ausfallende Lichtstrahl 12 bzw. 13 dargestellt, der zu dem Einfallswinkel gehört, der durch die Plasmonenresonanz beeinflußt wird. Dabei ist es für die Erfindung charakte- ristisch, daß diese geschwächten Lichtstrahlen 12 und 13 entsprechend der Ausdehnung der Abstrahlfläche 5 von verschiedenen Punkten 14 bzw. 15 der Goldschicht 2 ausgehen, durch die Wirkung der KoUimationslinse 10 jedoch auf der Detektorfläche zusammengeführt werden, so daß ein präzises Meßsignal erhalten wird, das den betreffenden Einfallswinkel genau kennzeichnet.The beam path of the light beam 6 is shown in FIG. 1, as in the other figures, neglecting the refraction at the glass / air transition. Otherwise, the intensity-weakened emerging light beam 12 and 13 is shown for the two edge beams 7 and 8, which belongs to the angle of incidence which is influenced by the plasmon resonance. It is characteristic of the invention that these weakened light beams 12 and 13 emanate from different points 14 and 15 of the gold layer 2 in accordance with the extent of the radiation surface 5, but are brought together on the detector surface by the action of the coordination lens 10, so that a precise measurement signal is obtained which precisely identifies the angle of incidence in question.
Somit werden im Ergebnis eine gute Winkelauflösung und trotzdem der Vorteil erzielt, daß der Bereich der Plasmonenerzeugung auf der Goldschicht 2 ausgedehnt ist, weil diese nicht in der Fokusebene der KoUimationslinse 10 liegt. Hierdurch wird über einen Breitenbereich der Goldschicht gemittelt, so daß lokaleAs a result, a good angular resolution is achieved and nevertheless the advantage is achieved that the area of the plasmon generation on the gold layer 2 is extended because this is not in the focal plane of the coordination lens 10. This averages over a wide range of the gold layer, so that local
Inhomogenitäten, die Einfluß auf die Oberflachenplasmonenresonanz haben ausgemittelt werden.Inhomogeneities that influence the surface plasmon resonance are averaged out.
Diese Verhältnisse gelten in entsprechender Weise auch dann, wenn mit einer weniger ausgedehnten Abstrahlfläche gearbeitet wird, die aber noch als flächig und nicht als punktförmig anzusehen ist. So kann gemäß Figur 2 dem Glasprisma 1 mit der Goldschicht 2 anstelle des Lichtwellenleiters 4 auch eine spezielle Laserdiode 16 zugeordnet sein, die mit einer Ausdehnung von mindestens 10 μm abstrahlt. Da in diesem Fall die Abstrahlfläche in der Zeichnung gemäß Figur 2 trotz ihrer Flächigkeit punktförmig erscheint, lassen sich zeichnerisch keine unterschiedlichen Strahlenbündel mit gleichen Einfallswinkeln dar- stellen.These relationships apply in a corresponding manner even when working with a less extensive radiation surface, which is, however, still to be regarded as flat and not as punctiform. Thus, according to FIG. 2, a special laser diode 16 can be assigned to the glass prism 1 with the gold layer 2 instead of the optical waveguide 4, which has an extension of emits at least 10 μm. Since in this case the radiation surface in the drawing according to FIG. 2 appears point-like in spite of its flatness, different beam bundles with the same angles of incidence cannot be represented in the drawing.
Im übrigen ist in Figur 2 ein vergleichsweise kleiner Detektor 17 dargestellt, der sich gemäß dem Doppelpfeil 18 verschieben und auf den Bereich der durch die Plasmonenresonanz geschwäch- ten ausfallenden Lichtstrahlen einstellen läßt.In addition, a comparatively small detector 17 is shown in FIG. 2, which can be shifted according to the double arrow 18 and adjusted to the area of the outgoing light beams weakened by the plasmon resonance.
Die Ausführung gemäß Figuren 3 und 4 ist für die Anordnung von acht parallelen Meßzellen auf der Goldschicht 2 vorgesehen, wie der Figur 4 mit den acht parallelen Lichtwellenleitern 4a bis 4h entnommen werden kann, die jeweils einer eigenen Meßzelle zugeordnet sind. Wegen der weitgehenden Ähnlichkeit mit der Ausführungsform gemäß Figur 1 sind in Figuren 3 und 4 die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet. Insoweit wird von einer erneuten Beschreibung abgesehen, was auch für den über- einstimmenden Strahlengang gemäß Figur 3 gilt.The embodiment according to FIGS. 3 and 4 is intended for the arrangement of eight parallel measuring cells on the gold layer 2, as can be seen in FIG. 4 with the eight parallel optical fibers 4a to 4h, each of which is assigned to its own measuring cell. Because of the great similarity to the embodiment according to FIG. 1, the same reference numerals as in FIG. 1 are used in FIGS. 3 and 4. In this respect, a renewed description is dispensed with, which also applies to the identical beam path according to FIG. 3.
Wie aus Figur 4 zu ersehen ist das Glasprisma 1 langgestreckt und sind über seine Länge gleichmäßig verteilt die acht Licht- Wellenleiter 4a bis 4h angeordnet. Deren Abstrahlflächen sind in der Fokusebene mit dem Brennweitenabstand f angeordnet, während der Detektor 11 mit seiner Detektorfläche (Abbildungsfläche) in der anderen Fokusebene mit dem Brennpunktabstand f ' angeordnet ist.As can be seen from FIG. 4, the glass prism 1 is elongated and the eight light waveguides 4a to 4h are evenly distributed over its length. Their radiation surfaces are arranged in the focal plane with the focal distance f, while the detector 11 with its detector surface (imaging surface) is arranged in the other focal plane with the focal distance f '.
Für die Lichtwellenleiter 4d und 4h sind in. Figur 4 die Licht- strahlenbündel 6d und 6h eingezeichnet, die in Richtung quer zur optischen Achse 19 bzw. der durch diese Achse verlaufenden Einfallsebene normal zur Goldschicht 2 bis zur KoUimationslinse 10 divergieren und hier eine dem Abstand zwischen benach- barten Lichtwellenleitern 4a bis 4h annähernd entsprechendeFor the optical waveguides 4d and 4h, the light beams 6d and 6h are drawn in in FIG. 4, which in the direction perpendicular to the optical axis 19 or the plane of incidence running through this axis diverge normally to the gold layer 2 to the coordination lens 10 and here the distance between adjacent optical fibers 4a to 4h approximately corresponding
Breite haben, um dann in Form eines parallelen Strahlenbündels 20d bzw. 20h abgelenkt zu werden. Durch eine vor dem Detektor 11 im Strahlengang angeordnete Zylinderlinse 21 werden sämtliche Strahlenbündel 20 senkrecht zur optischen Achse 19 bzw. der Einfallsebene auf den Detektor 11 fokussiert. Dadurch werden die einzelnen Strahlenbündel 6 bzw. 20 in Form von zueinander parallelen Lichtstreifen auf dem Detektor 11 abgebildet.Width, in order to then be deflected in the form of a parallel beam 20d or 20h. A cylindrical lens 21 arranged in front of the detector 11 in the beam path makes all the beams 20 perpendicular to the optical axis 19 or Plane of incidence focused on the detector 11. As a result, the individual beams 6 and 20 are imaged on the detector 11 in the form of mutually parallel light strips.
Figur 5 zeigt - in von Figur 4 abweichender horizontaler Ausrichtung - einen solchen Lichtstreifen 22 als gemessenes Detektorsignal einer der acht Lichtquellen bzw. Lichtwellenleiter 4a bis 4h. Deutlich zu erkennen ist innerhalb dieses Lichtstreifens 22 die Stelle 23 verminderter Lichtintensität, an der das Lichtsignal infolge der Plasmonenresonanz geschwächt (schwarz gefärbt) ist.FIG. 5 shows - in a horizontal orientation that differs from FIG. 4 - such a light strip 22 as the measured detector signal of one of the eight light sources or optical waveguides 4a to 4h. The point 23 of reduced light intensity at which the light signal is weakened (colored black) due to the plasmon resonance can be clearly seen within this light strip 22.
Die zugehörige Intensitätsmessung ist in Figur 6 grafisch wiedergegeben, in der die Intensität des auf den Detektor 11 fallenden Lichts über dem der Länge des Lichtstreifens 22 entsprechenden Meßbereich aufgetragen ist. Dieser Längenbereich ist von 0 bis 750 Einheiten skaliert, wobei die verschiedenen Werte bestimmten Einfallswinkeln entsprechen. Wie die Grafik zeigt, ergibt sich in einem Bereich von etwa 100 Einheiten eine Verminderung der ansonsten gleichbleibend gemessenen Intensität von reichlich 110 Einheiten mit einem deutlichen Intensitätsminimum beim Einfallswinkel entsprechend 480 Einheiten, wo die Normalintensität bedingt durch die Plasmonenresonanz um etwa 90% herabgesetzt ist. The associated intensity measurement is shown graphically in FIG. 6, in which the intensity of the light falling on the detector 11 is plotted over the measuring range corresponding to the length of the light strip 22. This length range is scaled from 0 to 750 units, the different values corresponding to specific angles of incidence. As the graphic shows, there is a reduction in the otherwise uniformly measured intensity of a good 110 units in a range of around 100 units with a clear minimum intensity at the angle of incidence corresponding to 480 units, where the normal intensity is reduced by around 90% due to the plasmon resonance.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : Patent claims:
1. Plasmonenresonanzsensor, insbesondere für die Biosensorik mit einem lichtdurchlässigen Körper (1) , insbesondere Glasprisma, einer auf eine Fläche des Körpers (1) aufgebrachten reflektierenden Metallschicht (2) oder Halbleiterschicht1. plasmon resonance sensor, in particular for biosensor technology with a translucent body (1), in particular glass prism, a reflective metal layer (2) or semiconductor layer applied to a surface of the body (1)
' mit einer für nachzuweisende Moleküle sensitiven Oberfläche, die in Verbindung mit einer Küvette eine Meßzelle bildet, einer Lichtquelle zur Aussendung eines divergierenden Lichtbündels oder Strahlengangs (6) durch den lichtdurchlässigen Körper (1) auf die Innenfläche der Schicht (2) und einem Detektor (11, 17), der dem von der Schicht (2) reflektierten ausfallenden Strahlengang zugeordnet ist und zeitabhängig den sich durch Molekülanlagerungen an die sensitive Oberfläche (6) ändernden Einfallswinkel des Lichts feststellt, bei dem resonanzbedingt ein Intensitätsminimum an ausfallendem Licht auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle eine nicht punktförmige Abstrahlfläche (5) mit einer Ausdehnung von mindestens 10 μm zugeordnet ist und daß im ausfallenden Strahlengang zwischen dem lichtdurchlässigen Körper (1) und dem Detektor (11, 17) eine KoUimationslinse (10) angeordnet ist.'' with a surface sensitive to the molecules to be detected, which forms a measuring cell in connection with a cuvette, a light source for emitting a diverging light beam or beam path (6) through the translucent body (1) onto the inner surface of the layer (2) and a detector ( 11, 17), which is assigned to the outgoing beam path reflected by the layer (2) and, as a function of time, determines the angle of incidence of the light that changes due to molecular deposits on the sensitive surface (6), at which an intensity minimum of outgoing light occurs due to resonance, characterized in that that the light source is assigned a non-punctiform radiating surface (5) with an extension of at least 10 μm and that in the outgoing beam path between the transparent body (1) and the detector (11, 17) a coordination lens (10) is arranged.
2. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlfläche (5) im einen Brennpunkt (Abstand f) und die angestrahlte Fläche des Detektors (11, 17) im anderen Brennpunkt (Abstand f) der KoUimationslinse (10) angeordnet ist.2. plasmon resonance sensor according to claim 1, characterized in that the radiation surface (5) in one focal point (distance f) and the illuminated surface of the detector (11, 17) in the other focal point (distance f) of the KoUimationslens (10) is arranged.
3. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlfläche (5) eine Ausdehnung zwischen 300 und 700 μm aufweist.3. plasmon resonance sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the radiation surface (5) has an extent between 300 and 700 microns.
4. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlfläche (5) vom dem lichtdurchlässigen Körper (1) benachbarten Ende, eines Lichtwellenleiters (4) gebildet ist. 4. plasmon resonance sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the radiation surface (5) from the translucent body (1) adjacent end, an optical waveguide (4) is formed.
5. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leuchtdiode zur Einspeisung des Lichts in den Lichtwellenleiter (4) vorgesehen ist.5. plasmon resonance sensor according to claim 4, characterized in that an LED for feeding the light into the optical waveguide (4) is provided.
6. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Laserdiode (16) vorgesehen ist.6. plasmon resonance sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that a laser diode (16) is provided as the light source.
7. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Anspruch 1 bis 6 mit zwei oder mehr dem lichtdurchlässigen Körper (1) zugeordneten Meßzellen, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Meßzelle eine eigene Abstrahlfläche (5) vorgesehen ist.7. plasmon resonance sensor according to one of claims 1 to 6 with two or more of the translucent body (1) associated measuring cells, characterized in that a separate radiation surface (5) is provided for each measuring cell.
8. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßzelle ein eigener Lichtwellenleiter (4a bis 4h) mit seiner Abstrahlfläche (5) zugeordnet ist.8. plasmon resonance sensor according to claim 7, characterized in that each measuring cell is assigned its own optical waveguide (4a to 4h) with its radiation surface (5).
9. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren Lichtwellenleitern (4a bis 4h) eine gemeinsame Lichtquelle zugeordnet ist.9. plasmon resonance sensor according to claim 8, characterized in that a plurality of optical fibers (4a to 4h) is assigned a common light source.
10. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im ausfallenden Strahlengang vor dem Detektor (11) zu-, sätzlich eine Zylinderlinse (21) angeordnet ist, die den Strahlengang senkrecht zur . Einfallsebene auf den Detektor (11) fokussiert.10. plasmon resonance sensor according to one of claims 1 to 9, in particular claims 7 to 9, characterized in that in addition, a cylindrical lens (21) is arranged in the outgoing beam path in front of the detector (11), which perpendicular to the beam path . Plane of incidence focused on the detector (11).
11. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (21) zwischen der KoUimationslinse (10) und dem Detektor (11) angeordnet ist.11. plasmon resonance sensor according to claim 10, characterized in that the cylindrical lens (21) between the KoUimationslinse (10) and the detector (11) is arranged.
12. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein ortsauflösender Detektor, insbesondere in Form eines CCD-Sensors, vorgesehen ist. 12. plasmon resonance sensor according to one of claims 1 to 11, characterized in that a spatially resolving detector, in particular in the form of a CCD sensor, is provided.
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