EP1466164A1 - Vorrichtung und verfahren zur untersuchung dünner schichten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur untersuchung dünner schichten

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Publication number
EP1466164A1
EP1466164A1 EP02796517A EP02796517A EP1466164A1 EP 1466164 A1 EP1466164 A1 EP 1466164A1 EP 02796517 A EP02796517 A EP 02796517A EP 02796517 A EP02796517 A EP 02796517A EP 1466164 A1 EP1466164 A1 EP 1466164A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carrier
angle
incidence
detector
light
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Withdrawn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
EP02796517A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erk Gedig
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.)
Individual
Original Assignee
Individual
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 Individual filed Critical Individual
Publication of EP1466164A1 publication Critical patent/EP1466164A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • G01N21/17—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

Definitions

  • the invention relates to a device for the spatially resolved measurement of chemical-physical property changes in thin layers which are applied to a - preferably metal-coated - transparent support.
  • the measurement is carried out here by means of an expanded laser beam, which is directed from various angles through the transparent support onto the metal film.
  • surface plasmons are excited, which interact with the incident electromagnetic field and partially extinguish the reflected radiation.
  • the angle of incidence at which this reflection minimum - the so-called SPR minimum - occurs depends on the refractive index of the medium immediately adjacent to the metal film. Adsorption or desorption processes associated with changes in refractive index on the metal surface can thus be detected in a highly sensitive manner in real time.
  • optical sensors with which a large number of binding reactions can be measured in parallel.
  • sensors would no longer have to detect only a few individual measuring points, but rather be able to analyze the image of an entire sensor array.
  • the angle-resolved detection is described for example in WO 90/05305.
  • the metal film is illuminated with convergent light beams and the angular displacement is tracked using a diode array / lens system combination.
  • Such a device requires a relatively large, mechanically very solid measuring head, which makes such a construction complex.
  • a variant which is simpler in terms of equipment, as shown in DE 19817472, uses only two photodiodes to determine the SPR minimum shift and is therefore somewhat simpler in construction.
  • a fundamentally different principle is described by Kooyman et al. (RPH Kooyman, ATM Lenferink, RG Eenink and J. Greve (1990) Anal. Chem., 63, pp. 83-85).
  • the angle of the incident laser beam is varied over time with a scanner mirror, and the corresponding change in intensity of the reflected light is varied by means of a Photo cell detected.
  • the system described there provides good results for a few measuring points and is relatively inexpensive.
  • a spatially resolving SPR sensor with spectral detection is known from WO 00/22419.
  • this uses movable pinhole or slit diaphragms to successively illuminate different areas of the sensor surface, which increases the outlay on equipment, slows down the data acquisition frequency and determines the size of the individual measuring points from the outset.
  • WO 99/30135 describes an SPR device with angle-resolving and spectral detection.
  • the use of a mask or a lens array is proposed for the execution as an imaging sensor.
  • the disadvantages of this arrangement largely correspond to those of the sensor mentioned in the previous section.
  • a system with a mechanical change in the angle of incidence and also a mechanical change in the xy position of the measuring point on the sensor chip is known from WO 00/46589.
  • the main drawbacks here are the complex structure and the large movable assemblies, which result in a low data acquisition frequency.
  • EP 0973023 also describes a compact SPR transducer with angle-resolving detection.
  • the measuring range and the detector array are subdivided into several sub-areas, for each of which a separate SPR signal is recorded.
  • the size of the measuring range is determined by the transducer and is relatively large. A real high throughput capability is therefore likely to be limited.
  • the metal film (sensor chip) cannot be replaced, which severely limits its use as a biosensor.
  • WO 98/34098 describes a spatially resolving SPR sensor in which the SPR minimum angle for a multiplicity of pixels is determined synchronously with the aid of a complex lens and mirror system. With this construction, a relatively high measuring frequency can be realized, but it is very expensive in terms of equipment.
  • the object is achieved by the device according to independent claim 1 and the method according to independent claim 25.
  • the device according to the invention for the optical examination of thin layers comprises a support with a surface; a device for illuminating the surface of the carrier at different angles of incidence with parallel light; a detector for spatially resolved detection of the intensity of the radiation reflected from the surface of the carrier for different angles of incidence; and an evaluation unit for spatially resolved Determination of the dependency of the intensity of the reflected light on the angle of incidence on the basis of the intensity detected in a spatially resolved manner for different angles of incidence, the detector for detecting the reflected radiation not having to be tracked for different angles of incidence of the reflected radiation.
  • the device for illuminating the surface of the carrier with parallel light preferably comprises a monochromatic light source, in particular a semiconductor diode or a laser.
  • a monochromatic light source in particular a semiconductor diode or a laser.
  • stabilized or regulated lasers in particular regulated semiconductor lasers or stabilized He-Ne lasers, are preferred.
  • the intensity fluctuation of the light source should preferably not be more than 0.4%, particularly preferably not more than 0.2%.
  • an RMS noise of the resonance angle of not more than 0.7 * 10 '3 ° can be achieved, and with the particularly preferred stability, an RMS noise of the resonance angle of not more than 0.3 * 10 ⁇ 3o possible.
  • the carrier For coupling the incident light, the carrier comprises, for example, a triangular or trapezoidal prism or a plate with individual prisms, the base of the prism or the prisms being either the carrier top or the surface from which the incident light is reflected, or as a surface serves on which a plate which is preferably plane-parallel in terms of appearance is placed. In this case, the reflection from the surface of this plane-parallel plate takes place, which then forms the top of the support.
  • the top of the carrier is coated with a metal film, which enables the formation of a plasmon resonance that is as sharp as possible.
  • a metal film which enables the formation of a plasmon resonance that is as sharp as possible.
  • Ag or Au films are particularly suitable for this, their thickness preferably being approximately 45 to 55 nm.
  • the gold layer is located on a grid or on a large number of small prisms arranged in parallel. This arrangement has the advantage that it can be realized inexpensively by injection molding in plastic and the support and the prism form a unit that can be easily replaced.
  • the detector of the device according to the invention is suitable for detecting the reflected radiation from a section of the surface of the carrier over a sufficiently large angular range.
  • the angular range is preferably at least ⁇ 1.5 ° around an average angle, the average angle in particular approximately corresponding to the resonance angle of a plasmon resonance.
  • the mean angle is adjustable in the currently preferred embodiment in order to adapt the position of the detector to the current experimental conditions.
  • the device according to the invention thus enables rapid detection of the reflected intensity for different angles, since there is no need for mechanical tracking of the detector, and therefore no consideration has to be given to the acceleration forces occurring during such movements. This also leads to a simplified mechanical and optical structure, which considerably reduces the manufacturing costs of the device according to the invention.
  • the angular range that can be detected by the detector around an average angle is further preferably at least ⁇ 2.5 °, and particularly preferably at least ⁇ 5 °.
  • the detectable angular range around the mean angle is preferably not greater than ⁇ 20 °, more preferably not greater than ⁇ 15 °, and particularly preferably not greater than ⁇ 10 °.
  • the detector for spatially resolved detection of the intensity of the radiation reflected from the top of the carrier is preferably a photodiode array or a CCD camera. However, CMOS cameras are particularly preferred which, overall, enable faster image acquisition.
  • the device according to the invention is preferably designed as a plasmon resonance spectrometer, but in principle other detection principles such as Brewster angle spectroscopy and elipsometry can also be used.
  • the dependency of the intensity of the reflected light on the angle of incidence can be detected with the device according to the invention, with the same points of the irradiated surface of the carrier or the top of the carrier being mapped to different points of the detector during the change in the angle of incidence.
  • the angle of incidence is varied with a rotating mirror or scanner mirror.
  • the same partial rays of the incident beam of rays fall due to the change in the angle of incidence onto different points on the surface of the carrier or carrier top.
  • the scanner mirror is preferably a galvanoscanner, the control voltage of which is sufficient to determine the current angle of incidence.
  • a partial beam of the light reflected by the mirror is reflected directly onto a second detector, the angle of incidence being able to be determined from the position of this partial beam on the second detector.
  • an angle transmitter is arranged on the axis of the scanner mirror, which emits an angle-dependent signal directly.
  • a polygon mirror with a monotonous direction of rotation can also be used.
  • the evaluation unit can comprise, for example, a computer, preferably with a storage means for storing the spatially resolved intensity distribution of the light reflected from the surface, measured for different angles; and a data processing unit which determines the intensity as a function of the angle of incidence on the basis of the spatially resolved intensity distributions measured for different angles and for different points on the surface of the carrier.
  • This data processing unit or another data processing unit can then use the angle-dependent intensity for the different points on the surface of the carrier to determine at least one property of a layer prepared on the carrier.
  • This property can in particular be the layer thickness or the dielectric properties of the layer. Details for determining the layer thickness or the dielectric properties of a layer on the basis of the angle-dependent intensity distribution are known, for example, to the person skilled in the art in the field of plasmon resonance spectroscopy and need not be discussed in detail here.
  • the device according to the invention is preferably suitable to carry out the described spatially resolved angle-dependent intensity measurement and the determination of the at least one layer property continuously. That is, the angle-dependent intensity measurement over the angular range in question and the subsequent evaluation is carried out repeatedly.
  • the angle of incidence is preferably controlled by the computer of the evaluation unit.
  • the angular range to be covered is preferably variably adjustable in order to take account of the respective experimental question.
  • the step size between the individual angles at which the intensity is measured is variable.
  • the step size is not equidistant, but rather can be adapted to the information content of the individual angular ranges, ie the step size can be chosen to be smaller by the minimum of the plasmon resonance than in Angular ranges outside of the resonance.
  • the automatic determination of the step size is also possible.
  • the intensity curve is first roughly recorded in an initialization mode, and on the one hand, the increment for the individual angular ranges is determined on the basis of the determined curve shape and / or the entire angular range is related to the relevant ranges, for example the determined plasmon resonance angle ⁇ 1, 25 ° or ⁇ 2, 5 ° or ⁇ 5 ° reduced.
  • the approximate position of the resonance angle is known to the extent that the initialization mode in the sense described can be dispensed with. Ie the detected angular range extends from the beginning to an interval of, for example, ⁇ 2.5 ° around the expected approximate resonance angle.
  • the data analysis of the light reflected from the sample first requires a correction for the image shift.
  • the signals for different pixels of the detector must be assigned to points on the sample for different angles.
  • the shift itself can be modeled and corrected quite well.
  • the detector or the camera has lenses whose edge regions in the beam path, further image distortions occur which are more difficult to describe analytically.
  • it is preferred to determine the bid shift, including the distortion experimentally, for example by recording and storing the image of a reflecting, sufficiently fine coordinate grid, which is arranged on the sample carrier instead of a sample, for different angles of incidence. In this way, there is a clear assignment of pixels to sample points for the different angles of incidence.
  • the resulting image shift for a first angle of incidence between a second and a third angle of incidence can be adequately described by interpolation between the image shift at the second and third angles of incidence, it is sufficient to store the data for image shifts at selected angles of incidence as reference points and the image shifts for other angles by interpolation.
  • different types of interaction between the detector or the camera and the data processing unit are available.
  • the camera transmits all image data as raw data to the computer for evaluation for each scanned angle of incidence.
  • This variant is very data-intensive and therefore time-consuming.
  • the camera does some pre-processing.
  • the pixels of certain regions of interest are combined for an angle, and for these regions of interest only the detected mean intensity value, as well as the minimum value and the maximum value, are transmitted.
  • the amount of data to be transferred is considerably smaller, and the data transfer is therefore faster.
  • the limitation of data evaluation and data transmission to ROIs is advantageous in that the image of a sample on the detector contains areas of no interest whose signal is not important. If the sample comprises a multiple sample carrier, such as a micro-array with different analytes, the area between the individual analytes is completely uninteresting.
  • the reading out of the detector and the analysis can be limited to the pixels on which light is reflected by the ROI at a given angle.
  • CMOS cameras in particular are suitable for the selective reading out of pixels.
  • the method according to the invention for examining thin layers is essentially a method in which the layers are irradiated with parallel light at different angles of incidence so that the light is reflected on a two-dimensional detector, and in which then reflected on the basis of the different intensities depending on the angle Light the layer thickness or another layer property is calculated spatially resolved; characterized in that image shifts caused by the change in angle are corrected on the detector not tracking the change in angle before determining the layer properties.
  • the correction is made in particular by electronic data processing.
  • the brightness fluctuations are preferably corrected, which are not caused by properties of the sample to be examined.
  • This can include, for example, a correction for the different intensities of the different partial beams of the incident light, and / or a correction for the angle-dependent transmission function of the entire optical arrangement and / or a correction for local inhomogeneities of the detector for spatially resolved detection of the angle-dependent intensity distribution of the reflected light.
  • the invention also includes a computer program for controlling a device for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device according to the invention
  • 3a shows the angle dependence of the intensity of the reflected radiation for different sample positions in the presence of a plasmon resonance
  • 3b shows an enlarged representation of the resonance minimum of the intensity of the reflected radiation for different sample positions
  • 4 shows the angle dependence of the signal position on the detector for different sample points
  • FIG. 5 shows a flow chart for a method for determining the image displacements for different angles.
  • FIG. 1 An exemplary optical construction of a surface plasmon resonance sensor or SPR sensor (according to the English surface plasmon resonance) according to the invention and of a beam path occurring during the measuring process is shown.
  • the optical system consists of a preferably monochromatic light source 1, preferably a laser or a laser diode of suitable wavelength, the radiation of which is polarized by means of a (not shown) polarization filter parallel to the plane of incidence of the downstream sensor chip 4, which serves here as a carrier.
  • the diameter of the laser beam is first enlarged using a commercially available beam expander 11 and directed onto the entrance surface of a prism 3 using a scanner mirror 2 at different angles of incidence.
  • a partial area of the expanded beam strikes the underside of a sensor chip 4 located on the prism 3 at different angles of incidence and which is coated with an SPR-capable gold layer on its upper side 5.
  • the sensor chip 4 is optically connected to the prism 3 by means of immersion oil or a suitable plastic.
  • the gold layer can also be vapor-deposited directly onto the top of the prism 3, but the sensitive area can then no longer be replaced.
  • the sensor chip is illuminated at different angles of incidence in such a way that the parallel beam sweeps across the surface during the measurement, but completely at all times illuminates; A specific point a, b, c of the sensor chip is thus illuminated by different partial beams depending on the angle of incidence.
  • the angle of incidence is scanned at a light wavelength of 660 nm in a range of ⁇ 5 ° by an average angle of approximately 75 °.
  • the light reflected by the gold-coated surface 5 emerges from the prism and falls on an imaging detector 6, preferably a CCD detector or a photodiode array.
  • Fig. 2 shows, for example, how the different intensity of the different irradiated partial beams can affect the intensity of the light reflected from the points a, b, c of the surface 5, which arrives at the detector 6.
  • the surface 5 has no SPR-compatible gold layer. All curves show the characteristic total reflection edge, and otherwise that through the
  • FIG. 3a shows how the different irradiation intensities described above affect the signal of a plasmon resonance received by the detector.
  • the actual resonance behavior is shown in curve d, the signal received by the detector 6 from the points a, b, c having the course marked with the corresponding letters.
  • the actual resonance profile d for the respective points a, b, c can be found.
  • the points a, b, c of the sensor chip 4 are mapped onto different areas i, k of the array 6, depending on the angle of incidence.
  • the angle-dependent image shift of the signal from points a, b, c is shown schematically in FIG. 4. It is therefore necessary to use an appropriate evaluation device and a correction algorithm to assign the individual pixels i, k of the CCD array 6 to a specific point a, b, c on the sensor chip surface 5, depending on the angle of incidence (position of the scanner mirror 2). Simultaneously or sequentially, the brightness fluctuations of the reflected partial beams, for example those caused by beam inhomogeneities, can be corrected here.
  • FIG. 3b The effect of the described image shift and the intensity inhomogeneities is shown again in FIG. 3b for the area around the plasmon resonance angle.
  • a first pixel i receives, with increasing angle, light reflected from point a, then from point b, and finally from point c before the resonance minimum.
  • the selected first pixel i randomly detects approximately the same intensity for these points at the different angles.
  • a second pixel k receives the signals from points a, b, c after passing through the resonance minimum.
  • FIG. 5 shows a flow chart for a method which gives a possible basis for this assignment. Then a high-contrast coordinate grid is used instead of a sample, and its image is recorded for different angles. The points of the recorded coordinate image are set to either light or dark using a discriminator. The coordinate image can thus be identified and there is a clear assignment of sample positions to pixels for different angles of incidence. The image shift is stored as a data matrix in a data memory for different angles of incidence. And is available for evaluation. According to the above principles, the intensity of the reflected signal as a function of the respective angle can now be measured for the individual points a, b, c of the chip surface 5 in a spatially resolved manner.
  • the SPR curve measured in this way can still be fitted to simulated curves with the help of Fresnel theory (cf. H. Wolter in 'Handbuch der Physik', ed. S. partial pressure, Springer).
  • the angle of incidence at which the intensity of the reflected light passes through a minimum is the so-called SPR angle.
  • the position of the scanner mirror 2 required to calculate the SPR angle is calculated with sufficient accuracy from the control voltage of the galvo scanner present in each case.
  • the SPR minimum angles for several million pixels can be determined simultaneously with a frequency of over 10 Hz. This is sufficient to ensure rapid real-time detection of binding reactions on the sensor surface 5.
  • This electronic correction of the image distortions and intensity fluctuations that occur during the angle scan makes it possible to largely dispense with complex and expensive optical components.
  • Binning assigns the pixels of the detector array to the measuring cells of the sensor chip for the different angles.
  • the intensity value for a measuring cell is then obtained by averaging the intensities of the assigned pixels.
  • the averaging can also be weighted, so that the peripheral areas of each measuring cell contribute less to the signal than the center thereof.

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Abstract

Vorrichtung zur Messung von Dickenänderungen sowie Änderungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften dünner Schichten. Das System besteht aus einer vorzugsweise monochromatischen Lichtquelle (1), einem Scannerspiegel (2), einem vorzugsweise einseitig metallbeschichteten Prisma (3) und einem Photodetektorarray (6). Die dünne Schicht (5) wird durch das Prisma (3) mit Hilfe des Scannerspiegels (2) von verschiedenen Winkeln mit Licht bestrahlt. Das reflektierte Bild der Schicht zeigt bei geeigneter Wahl der Wellenlänge; Polarisation und ggf. des Metalls und der Filmdicke bei bestimmten Einstrahlwinkeln resonanzbedingte Intensitätsschwankungen, aus denen Schichtdicke und Brechungsindex errechnet werden können.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung dünner Schichten
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Messung chemischphysikalischer Eigenschaftsänderungen dünner, auf einen - vorzugsweise metallbeschichteten - transparenten Träger aufgebrachter Schichten. Die Messung wird hierbei mittels eines aufgeweiteten Laserstrahls vorgenommen, der aus verschiedenen Winkeln durch den transparenten Träger auf den Metallfilm gerichtet wird. Unter bestimmten Einstrahlwinkeln werden bei geeigneten Metallschichtdicken Oberflächenplasmonen angeregt, die mit dem einfallenden elektromagnetischen Feld wechselwirken und die reflektierte Strahlung teilweise auslöschen. Der Einstrahlwinkel unter dem dieses Reflektionsminimum - das sogenannte SPR Minimum - auftritt, hängt vom Brechungsindex des dem Metallfilm unmittelbar benachbarten Mediums ab. Mit Brechnungsindexänderungen auf der Metalloberfläche einhergehende Adsorptions- oder Desorptionsprozesse lassen sich somit hochempfindlich in Echtzeit detektieren.
Sensorbasierende bioanalytische Verfahren und Instrumente nehmen seit einigen Jahren einen immer höheren Stellenwert in der biotechnologisch / medizinischen Grundlagenforschung und in der Pharmaentwicklung ein. Der Grund für diese rapide Entwicklung liegt vor allem im steigenden Bedarf nach schnellen Analysenverfahren, die quantitative Daten über biomolekulare Wechselwirkungen liefern. Optische Affinitätssensoren kommen diesem Bedarf auf ideale Weise entgegen, da sie biomolekulare Bindungsereignisse verzögerungsfrei in Echtzeit und ohne die Verwendung interferierender Label zu detektieren vermögen. Mit dem Aufkommen hochparalleler Ansätze zur Analyse komplexer Nukleinsäure- (Genomics) oder auch Proteingemische (Proteomics) sowie der steigenden Verwendung kombinatorischer Syntheseverfahren bei der pharmazeutischen Wirkstoffsuche wird darüber hinaus die Hochdurchsatzfähigkeit nachgeordneter Analyseverfahren zu einem zentralen Kriterium. Dieser Bedarf ließe sich vorteilhaft durch optische Sensoren decken, mit denen eine Vielzahl von Bindungsreaktionen parallel gemessen werden können. Im Unterschied zu den heute erhältlichen Geräten müßten derartige Sensoren jedoch nicht mehr nur wenige einzelne Meßpunkte erfassen, sondern das Bild eines ganzen Sensorarrays analysieren können.
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe verschiedener optische Detektionsprinzipien bekannt, die zur Echtzeitanalyse von biomolekularen Wechselwirkungen eingesetzt werden können. Die meisten Verfahren nutzen hierfür durch Bindungsreaktionen an der Sensoroberfläche auftretende Brechungsindexänderungen. Am verbreitetsten ist wohl die weiter oben bereits erläuterte Oberflächenplasmonenresonanz - SPR (engl. ,Surface Plasmon Resonance'), die sich apparativ relativ einfach realisieren läßt. Die Verschiebung des SPR Minimums wird üblicherweise entweder spektral oder - häufiger - winkelaufgelöst vermessen. Die spektral aufgelöste Detektion, die in der Regel nicht so empfindlich wie die winkelaufgelöste Methode ist, wird mit Vorteil dort angewendet, wo aus apparativen Gründen eine winkelaufgelöste Detektion nicht möglich ist. Ein Beispiel stellt die faseroptische SPR dar (WO 94/16312 A1), in der man Licht einer breitbandigen Lichtquelle in eine goldbeschichtete optische Faser einkoppelt und die Verschiebung der Resonanzwellenlänge mißt.
Die winkelaufgelöste Detektion wird zum Beispiel in WO 90/05305 beschrieben. In diesem Aufbau wird der Metallfilm mit konvergenten Lichtstrahlen beleuchtet, und die Winkelverschiebung mittels einer Diodenarray/Linsensystemkombination verfolgt. Ein solches Gerät verlangt einen relativ großen, mechanisch sehr massiv ausgebildeten Meßkopf, der einen derartigen Aufbau aufwendig macht. Eine apparativ einfachere Variante, wie in DE 19817472 dargestellt, bedient sich zur Ermittlung der SPR Minimumsverschiebung lediglich zweier Photodioden und ist damit etwas einfacher im Aufbau. Ein grundsätzlich anderes Prinzip wird von Kooyman et al. beschrieben (R.P.H. Kooyman, A.T.M. Lenferink, R.G. Eenink und J. Greve (1990) Anal. Chem., 63, pp. 83 - 85). Hier wird der Winkel des einfallenden Laserstrahls mit einem Scannerspiegel über die Zeit variiert und die korrespondierende Intensitätsänderung des reflektierten Lichts mittels einer Photozelle detektiert. Das dort beschriebene System liefert gute Ergebnisse für wenige Messpunkte und ist relativ unaufwendig.
Andere Detektionsprinzipien umfassen beispielsweise den Resonant Mirror (Cush, R., Cronin, J.M., Goddard, N.J., Maule, C. H., Molloy, J. und Stewart,
W.J. (1993) Biosensors & Bioelectronics, 8, pp. 347 - 353), das integriert optische Interferometer (DE 4033357), das Differenzinterferometer (Fattinger,
Ch., Koller, H., Schlatter, D. und Wehrli, P. (1993) Biosensors &
Bioelectronics, 8, pp. 99 - 107), den Gitterkoppler (Tiefenthaler, K. (1992) Advances in Biosensors, Vol. 2, pp. 261 - 289) oder das reflektometrische
Interferenzspektrometer (DE 19615366 A1). Bei allen hier genannten
Techniken ist jedoch die Herstellung des austauschbaren Sensors deutlich aufwendiger als bei der SPR, so daß diese Verfahren - neben anderen
Nachteilen - vor allem aus wirtschaftlich - produktionstechnischen Gründen der SPR unterlegen sind.
Allen oben aufgeführten Verfahren ist gemein, daß sie nicht ortsaufgelöst arbeiten und somit nicht multianalytfähig sind. Es wurden deshalb in den vergangenen Jahren mehrere Ansätze entwickelt, die paralleles Messen auf verschiedenen Teilflächen des Sensorchips ermöglichen. Eine diesbezügliche Weiterentwicklung des oben bereits erwähnten Gitterkopplers wird beispielsweise in WO 95/03538 oder EP 1031828 A1 beschrieben; aus DE 19828547 A1 ist ein ortsaufgelöstes reflektometrisches
Interferenzspektrometer bekannt. Neben dem Nachteil der aufwendigen Fertigung der austauschbaren Sensoren, haben diese Systeme zudem den Nachteil, daß sie die Sensorfläche in diskrete und relativ große Bereiche aufteilen und die Geräte folglich entweder recht groß werden oder eine eingeschränkte Kapazität aufweisen. Da sich SPR Sensoren technisch leichter realisieren lassen und eine freie, theoretisch fast beliebig kleine Aufteilung der Sensorfläche ermöglichen, existieren hier deutlich mehr Lösungsansätze. So wurde bereits 1988 das erste bildgebende SPM (engl. ,Surface Plasmon Microscope') entwickelt (Knoll, W. und Rothenhäusler, B. (1988) Nature, 332, pp. 615 - 617). Bei diesem und anderen bekannten Verfahren (DE 19829086, sowie Frutos, A. G. und Com, R.M. (1998) Anal. Chem., July 1 , pp 449A - 455 A) wird ein aufgeweiteter Laserstrahl unter einem festen Winkel auf eine Metallfläche gestrahlt und die Intensitätsänderungen des auf eine CCD Kamera reflektierten Bildes ausgewertet. Hauptnachteil dieser Methode ist, daß für die einzelnen Bildpunkte lediglich Graustufenänderungen und nicht die Winkel der SPR Minima erfaßt werden. Hieraus resultiert eine deutlich schlechtere Empfindlichkeit und ein stark eingeschränkter dynamischer Bereich. Hinzu kommt, daß die Änderung einzelner Helligkeitswerte unter manchen Bedingungen nicht eindeutig ist - es läßt sich dann nicht feststellen, in welche Richtung das SPR Minimum verschoben wird.
Eine Verbesserung der beschriebenen SPM Technik ist in DE 3909144 offengelegt. Hier wird unter verschiedenen Einstrahlwinkeln ein Bild der Sensoroberfläche aufgezeichnet und mit einer nachgeschalteten Bildauswertung der SPR Minimumswinkel für bis zu 5 x 5 μm kleine Flächenabschnitte bestimmt. Obwohl mit diesem Verfahren prinzipiell eine recht hohe Genauigkeit erzielt werden kann, müssen zur Bilderzeugung sowohl Einstrahl- als auch Reflektionswinkel verändert werden, was mechanisch aufwendig ist und sich nur mit einer niedrigen Datenaufnahmefrequenz realisieren läßt. Eine zweidimensionale schnelle Echtzeitanalyse von Bindungsreaktionen auf der Chipoberfläche ist mit dieser Anordnung deshalb nicht möglich.
Aus WO 00/22419 ist ein ortsauflösender SPR Sensor mit spektraler Detektion bekannt. Dieser bedient sich jedoch beweglicher Loch- oder Schlitzblenden, um sukzessiv verschiedene Bereiche der Sensoroberfläche zu beleuchten, wodurch der apparative Aufwand steigt, die Datenaufnahmefrequenz verlangsamt wird und die Größe der einzelnen Meßpunkte von vorneherein festgelegt ist.
In WO 99/30135 wird ein SPR Gerät mit winkelauflösender und spektraler Detektion beschrieben. Für die Ausführung als bildgebender Sensor wird die Verwendung einer Maske oder eines Linsenarrays vorgeschlagen. Die Nachteile dieser Anordnung entsprechen weitestgehend denen des im vorhergehenden Abschnitt erwähnten Sensors.
Ein System mit mechanischer Veränderung des Einstrahlwinkels und ebenfalls mechanischer Änderung der xy Position des Meßpunktes auf dem Sensorchip ist aus WO 00/46589 bekannt. Nachteilig sind hier vor allem der aufwendige Aufbau und die großen beweglichen Baugruppen, die eine niedrige Datenaufnahmefrequenz zur Folge haben.
Des weiteren beschreibt EP 0973023 einen kompakten SPR Transducer mit winkelauflösender Detektion. Hier wird der Meßbereich und das Detektorarray in mehrere Teilbereiche unterteilt, für die jeweils ein separates SPR Signal aufgenommen wird. Auch bei diesem Ansatz ist die Größe des Meßbereichs durch den Transducer determiniert und verhältnismäßig groß. Eine echte Hochdurchsatzfähigkeit dürfte deshalb nur begrenzt gegeben sein. Außerdem kann der Metallfilm (Sensorchip) nicht ausgetauscht werden, was die Einsatzmöglichkeit als Biosensor stark einschränkt.
WO 98/34098 beschreibt einen ortsauflösenden SPR Sensor bei dem mit Hilfe eines komplexen Linsen- und Spiegelsystems der SPR Minimumswinkel für eine Vielzahl von Bildpunkten synchron bestimmt wird. Mit diesem Aufbau läßt sich zwar eine relativ hohe Meßfrequenz realisieren, jedoch ist er apparativ sehr aufwendig.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß ein hochauflösender SPR Transducer mit schneller Erfassung des SPR Minimumswinkels für jeden Bildpunkt bis heute nur in einer sehr aufwendigen Bauweise entwickelt wurde. Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges, apparativ einfach zu realisierendes Gerät zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß unabhängigen Anspruch 1 und das Verfahren gemäß unabhängigen Anspruch 25 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Untersuchung dünner Schichten umfaßt einen Träger mit einer Fläche; eine Vorrichtung zur Beleuchtung der Fläche des Trägers unter verschiedenen Einfallswinkeln mit parallel verlaufendem Licht; einen Detektor zur ortsaufgelösten Erfassung der Intensität der von der Fläche des Trägers reflektierten Strahlung für verschiedene Einfallswinkel; und eine Auswertungseinheit, zur ortsaufgelösten Ermittlung der Abhängigkeit der Intensität des reflektierten Lichts vom Einstrahlwinkel anhand der für verschiedene Einfallswinkel ortsaufgelöst erfassten Intensität, wobei der Detektor zur Erfassung der reflektierten Strahlung für verschiedene Einfallswinkel der reflektierten Strahlung nicht nachgeführt werden muß.
Die Vorrichtung zur Beleuchtung der Fläche des Trägers mit parallel verlaufendem Licht umfaßt vorzugsweise eine monochromatische Lichtquelle, insbesondere eine Halbleiterdiode oder einen Laser. Zur Vermeidung bzw. Minimierung von Intensitätsschwankungen sind stabilisierte oder geregelte Laser, insbesondere geregelte Halbleiterlaser oder stabilisierte He-Ne-Laser vorzuziehen. Vorzugsweise sollte die Intensitätsschwankung der Lichtquelle nicht mehr als 0,4% besonders bevorzugt nicht mehr als 0,2% betragen. Mit der bevorzugten Stabilität der Lichtquelle läßt sich ein RMS Rauschen des Resonanzwinkels von nicht mehr als 0, 7*10'3° erzielen, und mit der besonders bevorzugten Stabilität ist ein RMS Rauschen des Resonanzwinkels von nicht mehr als 0,3*10~3omöglich.
Der Träger umfaßt zur Einkopplung des eingestrahlten Lichts beispielsweise ein dreieckiges oder trapezförmiges Prisma oder eine Platte mit einzelnen Prismen, wobei die Basis des Prismas bzw. der Prismen entweder die Trägeroberseite bzw. die Fläche ist, von der das eingestrahlte Licht reflektiert wird, oder als Fläche dient, auf der eine vorzugsweise in optischer Hinsicht planparallele Platte aufgesetzt wird. In diesem Fall erfolgt die Reflexion von der Oberfläche dieser planparallelen Platte, die dann die Trägeroberseite bildet.
Bei Vorrichtungen zur Durchführung der Oberflächenplasmonenresonanz- spektroskopie ist die Trägeroberseite mit einem Metallfilm beschichtet, der die Ausbildung einer möglichst scharfen Plasmonenresonanz ermöglicht. Hierzu sind insbesondere Ag- oder Au- Filme geeignet, wobei deren Dicke bevorzugt etwa 45 bis 55 nm beträgt. In einer weiteren Ausgestaltung befindet sich die Goldschicht auf einem Gitter bzw. auf einer Vielzahl parallel angeordneter kleiner Prismen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie sich kostengünstig durch Spritzguß in Kunststoff realisieren läßt und der Träger und das Prisma eine Einheit bilden, die leicht ausgewechselt werden kann.
Der Detektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist geeignet die reflektierte Strahlung von einem Abschnitt der Fläche des Trägers über einen hinreichend großen Winkelbereich zu erfassen. Der Winkelbereich beträgt vorzugsweise mindestens ± 1 ,5° um einen mittleren Winkel, wobei der mittlere Winkel insbesondere etwa dem Resonanzwinkel einer Plasmonenresonanz entsprechen kann. Der mittlere Winkel ist in der derzeit bevorzugten Ausführungsform einstellbar, um die Position des Detektors den aktuellen experimentellen Bedingungen anzupassen. Während der des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung, d.h. während der ortsaufgelösten Erfassung der von dem Träger reflektierten Strahlung braucht der Detektor dem geänderten Winkel allerdings nicht mehr nachgeführt zu werden, da die Detektorfläche hinreichend groß ausgelegt ist, die reflektierte Strahlung über den gesamten Winkelbereich zu erfassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit eine schnelle Erfassung der reflektierten Intensität für verschiedene Winkel, da auf eine mechanische Nachführung des Detektors verzichtet werden kann, und somit auf die bei solchen Bewegungen auftretenden Beschleunigskräfte keine Rücksicht genommen werden muß. Dies führt zudem zu einem vereinfachten mechanischen und optischen Aufbau, der die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung erheblich reduziert.
Der von dem Detektor erfassbare Winkelbereich um einen mittleren Winkel beträgt weiter bevorzugt mindestens ± 2,5°, und besonders bevorzugt mindestens ± 5°. Der erfassbare Winkelbereich um den mittleren Winkel ist vorzugsweise nicht größer als ± 20°, weiter bevorzugt nicht größer als ± 15°, und besonders bevorzugt nicht größer als ± 10°. Der Detektor zur ortsaufgelösten Erfassung der Intensität der von der Trägeroberseite reflektierten Strahlung, ist bevorzugt ein Photodiodenarray oder eine CCD Kamera. Besonders bevorzugt sind jedoch CMOS-Kameras, welche insgesamt eine schnellere Bilderfassung ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise als Plasmonenresonanzspektrometer ausgestaltet, prinzipiell können aber auch andere Nachweisprinzipien wie Brewsterwinkelspektroskopie und Elipsometrie zum Einsatz kommen.
Die Abhängigkeit der Intensität des reflektierten Lichts vom Einfallswinkel kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ortsaufgelöst erfasst werden, wobei gleiche Punkte der bestrahlten Fläche des Trägers bzw. der Trägeroberseite während der Veränderung des Einstrahlwinkels auf verschiedenene Punkte des Detektors abgebildet werden.
Bei der derzeit bevorzugten Ausgestaltung wird der Einfallswinkel mit einem Drehspiegel bzw. Scannerspiegel variiert. Bei dieser Ausgestaltung fallen gleiche Teilstrahlen des einfallenden Strahlenbündels durch die Veränderung des Einstrahlwinkels auf verschiedenene Punkte der Fläche des Trägers bzw. Trägeroberseite.
Der Scannerspiegel ist bevorzugt ein Galvanoscanner, dessen Steuerspannung ausreichend ist, den aktuellen Einstrahlwinkel zu ermitteln. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Teilstrahl des von dem Spiegel reflektierten Lichts direkt auf einen zweiten Detektor reflektiert, wobei sich aus der Position dieses Teilstrahls auf dem zweiten Detektor der Einfallswinkel ermitteln läßt. In einer weiteren Alternative ist an der Achse des Scannerspiegels ein Winkelgeber angeordnet, der direkt ein winkelabhängiges Signal ausgibt. Anstelle eines Scannerspiegels mit einem oszillierenden Bewegungsablauf um einen mittleren Winkel kann auch ein Polygonspiegel mit monotoner Rotationsrichtung eingesetzt werden. Die Auswertungseinheit kann beispielsweise einen Computer umfassen, mit vorzugsweise einem Speichermittel zum Speichern der für verschiedenen Winkel gemessenen ortsaufgelösten Intensitätsverteilung des von der Fläche reflektierten Lichtes; und einer Datenverarbeitungseinheit, welche anhand der für verschiedene Winkel gemessenen ortsaufgelösten Intensitätsverteilungen, für verschiedene Punkte der Fläche des Trägers die Intensität als Funktion des Einfallswinkels ermittelt. Von dieser Datenverarbeitungseinheit oder einer anderen Datenverarbeitungseinheit kann dann anhand der winkelabhängigen Intensität für die verschiedenen Punkte der Fläche des Trägers mindestens eine Eigenschaft einer auf dem Träger präparierten Schicht bestimmt werden. Diese Eigenschaft kann insbesondere die Schichtdicke oder die dielektrischen Eigenschaften der Schicht sein. Einzelheiten zur Ermittlung der Schichtdicke bzw. der dielektrischen Eigenschaften einer Schicht anhand der Winkelabhängigen Intensitätsverteilung sind beispielsweise dem Fachmann auf dem Gebiet der Plasmonenresonanzspektroskopie bekannt und brauchen hier nicht im einzelnen erörtert zu werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise geeignet die beschriebene ortsaufgelöste winkelabhängige Intensitätsmessung und die Ermittlung der mindestens einen Schichteigenschaft fortlaufend durchzuführen. D.h., die winkelabhängige Intensitätsmessung über den fraglichen Winkelbereich und die nachfolgende Auswertung wird wiederholt durchgeführt.
Der Einfallswinkel wird bevorzugt von dem Computer der Auswerteeinheit gesteuert. Hierbei ist der zu überstreichende Winkelbereich vorzugsweise variabel einstellbar, um der jeweiligen experimentellen Fragestellung Rechnung zu tragen. Gleichermaßen ist bei einer bevorzugten Ausführungsform die Schrittweite zwischen den einzelnen Winkeln, bei denen eine Messung der Intensität erfolgt, variabel. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Schrittweite nicht äquidistant ist, sondern dem Informationsgehalt der einzelnen Winkelbereiche entsprechend angepaßt werden kann, d.h. die Schrittweite kann beispielsweise um das Minimum der Plasmonenresonanz kleiner gewählt werden, als in Winkelbereichen die außerhalb der Resonanz liegen. In einer weiteren Ausführungsform ist außerdem die automatische Ermittlung der Schrittweite möglich. Hierbei wird in einem Initialisierungsmodus zunächst die Intensitätskurve grob erfaßt, und anhand des ermittelten Kurvenverlaufs wird einerseits die Schrittweite für die einzelnen Winkelbereiche festgelegt und / oder der gesamte Winkelbereich wird auf die relevanten Bereiche, beispielsweise den ermittelten Plasmonenresonanzwinkel ± 1 ,25° oder ± 2,5° bzw. ± 5° verkleinert. Für viele Anwendungsfälle ist die ungefähre Position des Resonanzwinkels insoweit bekannt, daß auf den Initialisierungsmodus im beschriebenen Sinne verzichtet werden kann. D.h. der erfaßte Winkelbereich erstreckt sich von Anfang an auf ein Intervall von beispielsweise ± 2,5° um den erwarteten ungefährenen Resonanzwinkel.
Die Datenanalyse des von der Probe reflektierten Lichteauf erfordert zunächst eine Korrektur für die Bildverschiebung. D.h. insofern als das Bild der Probe für verschiedene Winkel über die Detektorfläche wandert, ist eine Zuordnung der Signale für verschiedene Pixel des Detektors zu Punkten auf der Probe für verschiedene Winkel erforderlich. Die Verschiebung läßt sich an sich recht gut modellieren und korrigieren. Wenn jedoch der Detektor bzw. die Kamera Linsen aufweisen deren Randbereiche in den Strahlengang kommt es zu weiteren Bildverzerrungen die schwieriger analytisch zu beschreiben sind. Für diesen Fall wird bevorzugt, die Bidverschiebung einschließlich der Verzerrung experimentell zu ermitteln, indem beispielsweise die Abbildung eines reflektierenden hinreichend feinen Koordinatenrasters, welches anstelle einer Probe auf dem Probenträger angeordnet ist für verschiedene Einstrahlwinkel aufgezeichnet und gespeichert wird. Auf diese Weise ist eine eindeutige Zuordnung von Pixeln zu Probenpunkten für die verschiedenen Einfallswinkel gegeben. Sofern die resultierende Bildverschiebung für einen ersten Einfallswinkel zwischen einem zweiten und einem dritten Einfallswinkel hinreichen gut durch Interpolation zwischen den Bildverschiebung bei dem zweiten und dem dritten Einfallswinkel beschreibbar ist, so ist es ausreichend die Daten für Bildverschiebungen bei ausgewählten Einfallswinkeln als Stützstellen zu speichern und die Bildverschiebungen für andere Winkel durch Interpolation zu ermitteln. Grundsätzlich stehen verschiedene Arten der Interaktion zwischen dem Detektor bzw. der Kamera und der Datenverarbeitungseinheit zur Verfügung.
In einer ersten Variante überträgt die Kamera für jeden gescannten Einfallswinkel sämtliche Bilddaten als Rohdaten an den Computer zur Auswertung. Diese Variante ist sehr Datenintensiv und damit zeitaufwendig.
In anderen Varianten erfolgt eine gewisse Vorprozessierung durch die Kamera. Hierbei werden für einen Winkel beispielsweise die Pixel von bestimmten Regionen von Interesse (ROI) zusammengefaßt, und für diese Regionen von interesse wird nur der erfaßte Intensitätsmittelwert, sowie der Minimalwert und der Maximalwert übertragen. In diesem Fall ist die zu übertragende Datenmenge erheblich geringer, und damit erfolgt die Datenübertragung schneller.
Die Beschränkung der Datenauswertung und Datenübertragung auf ROls ist insofern vorteilhaft, als das Abbild einer Probe auf dem Detektor durchaus uninteressante Bereiche enthält auf deren Signal es nicht ankommt. Sofern die Probe einen Mehrfachprobenträger, wie einen Micro-Array mit unterschiedlichen Analyten umfaßt, so ist der Bereich zwischen den einzelnen Analyten völlig uninteressant.
Insofern als die Bildpositionen der ROls für verschiedene Winkel beispielsweise nach dem oben beschriebenen Verfahren bekannt ist, kann das Auslesen des Detektors und die Analyse auf die Pixel beschränkt werden, auf die bei einem gegebenen Winkel Licht von den ROI reflektiert wird. Insbesondere CMOS-Kameras sind zum selektiven Auslesen von Pixeln geeignet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung dünner Schichten, ist im wesentlichen ein Verfahren, bei dem die Schichten unter verschiedenen Einstrahlwinkeln so mit parallel verlaufendem Licht bestrahlt werden, daß das Licht auf einen zweidimensionalen Detektor reflektiert wird, und bei dem dann anhand der winkelabhängig unterschiedlichen Intensitäten des reflektierten Lichts die Schichtdicke oder eine andere Schichteigenschaft ortsaufgelöst berechnet wird; dadurch gekennzeichnet, daß durch die Winkeländerung bedingte Bildverschiebungen auf dem der Winkeländerung nicht nachgeführten Detektor vor der Ermittlung der Schichteigenschaften korrigiert werden. Die Korrektur erfolgt insbesondere durch elektronische Datenverarbeitung. Bevorzugt erfolgt vor der Ermittlung der Schichteigenschaften noch eine Korrektur der Helligkeitsschwankungen die nicht durch Eigenschaften der zu untersuchenden Probe bedingt sind. Hierzu kann beispielsweise eine Korrektur für die unterschiedlichen Intensitäten der verschiedenen Teilstrahlen des eingestrahlten Lichts gehören, und / oder eine Korrektur für die winkelabhängige Transmissionsfunktion der gesamten optischen Anordnung und / oder eine Korrektur für örtliche Inhomogenitäten des Detektors zur ortsaufgelösten Erfassung der winkelabhängigen Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts.
Die Erfindung umfaßt auch ein Computerprogramm zur Steuerung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Weitere Vorteile und Gesichtspunkte ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 die Winkelabhängigkeit der Intensität der reflektierten Strahlung für verschiedene Probenpositionen ohne das Vorliegen einer Plasmonenresonanz;
Fig. 3a die Winkelabhängigkeit der Intensität der reflektierten Strahlung für verschiedene Probenpositionen bei Vorliegen einer Plasmonenresonanz;
Fig. 3b eine vergrößerte Darstellung des Resonanzminimums der Intensität der reflektierten Strahlung für verschiedene Probenpositionen; Fig. 4 die Winkelabhängigkeit der Signalposition auf dem Detektor für verschiedene Probenpunkte; und
Fig. 5 ein Flußdiagramm für ein Verfahren zur Ermittlung der Bildverschiebungen für verschiedene Winkel.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in Figur 1 schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Gezeigt ist ein beispielhafter optischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonenresonanzsensors bzw. SPR Sensors (nach dem Englischen Surface Plasmon Resonance) sowie eines während des Meßprozesses auftretenden Strahlengangs.
Das optische System besteht aus einer bevorzugt monochromatischen Lichtquelle 1 , vorzugsweise einem Laser oder einer Laserdiode geeigneter Wellenlänge, deren Strahlung mittels eines (nicht gezeigten) Polarisationsfilters parallel zur Einfallsebene des nachgeschalteten Sensorchips 4, der hier als Träger dient, polarisiert wird.
Der Durchmesser des Laserstrahls wird zunächst mit einem handelsüblichen Beam Expander 11 vergrößert und mit einem Scannerspiegel 2 unter verschiedenen Einfallswinkeln auf die Eintrittsfläche eines Prismas 3 gelenkt. Ein Teilbereich des aufgeweiteten Strahls trifft unter verschiedenen Einfallswinkeln auf die Unterseite eines auf dem Prisma 3 befindlichen Sensorchips 4, der auf seiner Oberseite 5 mit einer SPR fähigen Goldschicht bedampft ist. Der Sensorchip 4 ist mittels Immersionsöl oder eines geeigneten Kunststoffs mit dem Prisma 3 optisch verbunden. Optional kann die Goldschicht auch direkt auf die Oberseite des Prismas 3 aufgedampft sein, jedoch ist der sensitive Bereich dann nicht mehr austauschbar.
Die Beleuchtung des Sensorchips unter verschiedenen Einfallswinkeln erfolgt derart, daß das parallele Strahlenbündel während der Messung über die Oberfläche hinwegstreicht, diese dabei aber zu jedem Zeitpunkt vollständig ausleuchtet; ein bestimmter Punkt a, b, c des Sensorchips wird also je nach Einfallswinkel von unterschiedlichen Teilstrahlen beleuchtet. In einer bevorzugten Anordnung wird der Einstrahlwinkel bei einer Lichtwellenlänge von 660 nm in einem Bereich von ± 5° um einen mittleren Winkel von etwa 75° gescannt.
Das von der mit Gold beschichteten Oberfläche 5 reflektierte Licht tritt aus dem Prisma aus und fällt auf einen abbildenden Detektor 6, vorzugsweise einen CCD Detektor oder ein Photodiodenarray.
Fig. 2 zeigt beispielsweise wie sich die unterschiedliche Intensität der verschiedenen eingestrahltenTeilstrahlen auf die Intensität des von den Punkten a,b,c der Oberfläche 5 reflektierten Lichts auswirken kann, welches bei dem Detektor 6 ankommt. In diesem Fall weist die Oberfläche 5 keine SPR-fähige Goldschicht auf. Alle Kurven zeigen die charakteristische Totalreflexionskante, und ansonsten das durch die
Transmissionseigenschaften der Grenzflächen vorgegebene Verhalten. Die Kurven weichen jedoch insoweit voneinander ab, als die Punkte a, b, c bei unterschiedlichen Winkeln mit maximaler Intensität beleuchtet werden.
Fig. 3a zeigt, wie sich die zuvor beschriebenen unterschiedlichen Einstrahlintensitäten auf das vom Detektor empfangene Signal einer Plasmonenresonanz auswirken. Das eigentliche Resonanzverhalten ist in Kurve d gezeigt, wobei das vom Detektor 6 empfangene Signal von den Punkten a, b, c den mit den entsprechenden Buchstaben gekennzeichneten Verlauf hat. Durch Normierung mit den Kurven der Fig. 2 kann ggf. der eigentliche Resonanzverlauf d für die jeweiligen Punkte a,b,c gefunden werden.
Erschwerend kommt noch hinzu, daß die Punkte a, b, c des Sensorchips 4 je nach Einfallswinkel auf unterschiedliche Bereiche i, k des Arrays 6 abgebildet werden. Die winkelabhängige Bildverschiebung des Signals von den Punkten a,b,c ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Es ist deshalb notwendig, mittels einer zweckmäßigen Auswertungsvorrichtung und eines Korrekturalgorithmus die einzelnen Bildpunkte i, k des CCD Arrays 6 je nach Einstrahlwinkel (Position des Scannerspiegels 2) einem bestimmten Punkt a, b, c auf der Sensorchipoberfläche 5 zuzuordnen. Gleichzeitig oder sequentiell können hierbei die oben erörterten beispielsweise durch Strahlinhomogenitäten verursachte Helligkeitsschwankungen der reflektierten Teilstrahlen korrigiert werden.
Die Auswirkung der beschriebenen Bildverschiebung und der Intensitätsinhomogenenitäten ist nochmals in Fig. 3b für den Bereich um den Plasmonenresonanzwinkel dargestellt. Ein erstes Pixel i empfängt mit anwachsendem Winkel zunächst von dem Punkt a, dann von dem Punkt b, und schließlich von dem Punkt c reflektiertes Licht vor dem Resonanzminimum. Zufällig erfaßt das gewählte erste Pixel i für diese Punkte bei den unterschiedlichen Winkeln etwa die gleiche Intensität. Ein zweites Pixel k empfängt die Signale von den Punkten a, b,c nach dem Durchgang durch das Resonanzminimum. Hier zeigt sich dagegen mit wachsendem Winkel ein dramatischer Anstieg der erfaßten Intensität für das Signal von den Punkten a, b, und c. Dieses Beispiel verdeutlicht, daß es für den Erfolg des beschriebenen Verfahrens daher von höchster Bedeutung ist, die von einem Pixel i, k erfaßten Signale dem richtigen Winkel und dem richtigen Punkt a, b, c der Chipoberfläche 5 zuzuordnen.
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm, für ein Verfahren welches eine mögliche Grundlage für diese Zuordnung gibt. Danach wird ein kontrastreiches Koordinatengitter anstelle einer Probe eingesetzt, und dessen Abbild wird für verschiedene Winkel aufgezeichnet. Die Punkte des erfaßten Koordinatenbildes werden mittels eines Diskrimators entweder auf hell oder auf Dunkel gesetzt. Somit ist das Koordinatenbild identifizierbar und es ist eine eindeutige Zuordnung von Probenpositionen zu Pixeln für verschiedene Einfallswinkel gegeben. Die Bildverschiebung wird für verschiedene Einfallswinkel als Datenmatrixin einem Datenspeicher abgelegt. Und steht zur Auswertung zur Verfügung. Nach den obigen Prinzipien läßt sich nun für die einzelnen Punkte a, b, c der Chipoberfläche 5 ortsaufgelöst die Intensität des reflektierten Signals in Abhängigkeit vom jeweiligen Winkel messen. Die so gemessene SPR Kurve kann zur Steigerung der Genauigkeit noch mit Hilfe der Fresnel-Theorie (vgl. H. Wolter in , Handbuch der Physik', ed. S. Flügge, Springer) an simulierte Kurven gefittet werden. Der Einstrahlwinkel, unter dem die Intensität des reflektierten Lichts ein Minimum durchläuft, ist der sogenannte SPR Winkel.
Die zur Errechnung des SPR Winkels benötigte Position des Scannerspiegels 2 wird bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform mit ausreichender Genauigkeit aus der jeweils anliegenden Steuerspannung des Galvoscanners errechnet.
Unter der Voraussetzung einer guten Auflösung der eingesetzten CCD Kamera und hinreichender Kapazität der nachgeschalteten Bildverarbeitungshard- und Software lassen sich so die SPR Minimumswinkel für mehrere Millionen Pixel mit einer Frequenz von über 10 Hz gleichzeitig bestimmen. Dies ist ausreichend, um eine schnelle Echtzeitdetektion von Bindungsreaktionen an der Sensoroberfläche 5 zu gewährleisten. Durch diese elektronische Korrektur der während des Winkelscans auftretenden Bildverzerrungen und Intensitätsschwankungen ist es möglich, auf aufwendige und teure optische Komponenten weitestgehend zu verzichten.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß das oben mit SPR beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren auch mit anderen, verwandten Techniken durchgeführt werden kann. Hierzu zählen insbesondere Brewsterwinkelspektrometrie und Ellipsometrie. Die von einem Fachmann mit entsprechender Sachkenntnis leicht zu konstruierenden entsprechenden Meßaufbauten sind jedoch apparativ aufwendiger als SPR Geräte, weshalb hier nicht näher auf sie eingegangen wird.
Zur Messung der Wechselwirkung resp. Adsorption von biologischen oder chemischen Molekülen kann das oben beschriebene optische Detektorsystem mit einer Vorrichtung zur Beaufschlagung mit Flüssigkeiten oder Gasen gekoppelt werden. Diese Vorrichtung wird auf die Oberfläche 5 des Chips 4 aufgesetzt. Je nach Verwendungszweck kann eine Probe mit der gesamten Fläche des Sensorchips 4 oder eine Vielzahl von Proben unabhängig voneinander mit verschiedenen Stellen des Sensorchips in Kontakt gebracht werden. Es ist dann möglich, Tausende von verschiedenen Proben innerhalb kurzer Zeit zu untersuchen.
Für bestimmte Anwendungsfälle ist es sinnvoll, die bei einem Winkel gemessenen Intensitäten von verschiedenen Pixeln in einem sogenannten „binning" zusammenzufassen. Dies ist bevorzugt dann der Fall, wenn diese Pixel alle Licht auffangen, welches von einem einheitlichen Bereich des Trägers reflektiert wird. Binning ist insbesondere dann anzuwenden, wenn der Träger bzw. der Sensorchip eine große Anzahl von diskreten Meßzellen aufweist, in denen ggf. unterschiedliche Proben vorliegen. Das Binning ordnet in diesem Falle für die verschiedenen Winkel die Pixel des Detektorarrays den Meßzellen des Sensorchips zu. Der jeweilige winkelabhängige Intensitätswert für eine Meßzelle ergibt sich dann durch Mittelung über die Intensitäten der zugeordneten Pixel. Die Mittelung kann selbstverständlich auch gewichtet erfolgen, so daß die peripheren Bereiche einer jeden Meßzelle geringer zum Signal beitragen als deren Zentrum. In Anwendungsfällen bei denen ein binning von Bildpunkten, sinnvoll ist, erscheint es vorteilhaft, bereits die Datenenauslese auf die Pixel zu beschränken, die Licht von den relevanten ROI bzw. homogenen Probenbereichen empfangen. Ein selektives Auslesen der Bilddaten von ROI ist insbesondere bei CMOS-Kameras möglich. CCD- Kameras sind für diesen Zweck wenig geeignet.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur optischen Untersuchung dünner Schichten mit
einem Träger (4) mit einer Fläche (5);
einer Vorrichtung zur Beleuchtung der Fläche des Trägers unter verschiedenen Einfallswinkeln mit parallel verlaufendem Licht;
einem Detektor (6) zur ortsaufgelösten Erfassung der Intensität des von der Fläche des Trägers (4) reflektierten Strahlung für verschiedene Einfallswinkel; und
einer Auswertungseinheit, zur ortsaufgelösten Ermittlung der
Abhängigkeit der Intensität des reflektierten Lichts vom Einstrahlwinkel anhand der für verschiedene Einfallswinkel ortsaufgelöst erfassten Intensität, dadurch gekennzeichnet, daß
der Detektor (6) zur Erfassung der reflektierten Strahlung für verschiedene Einfallswinkel der reflektierten Strahlung nicht nachgeführt werden muß.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) ein Photodiodenarray, eine CMOS-Kamera oder eine CCD- Kamera umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (4) transparent ist.
. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Träger (4) auf der Fläche eine Metallschicht (5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das von einem beliebigen Punkt der Fläche des Trägers reflektierte Licht für unterschiedliche Einfallswinkel auf unterschiedliche Punkte des Detektors trifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass gleiche Teilstrahlen des einfallenden Strahlenbündels während der Veränderung des Einstrahlwinkels verschiedenene Punkte der Trägeroberseite bestrahlen.
7. Vorπchtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Einstrahlwinkels über die Zeit mit Hilfe eines beweglichen Spiegels, vorzugsweise eines Galvoscanners vorgenommen wird.
8. Vorπchtung nach einem der vorherigen Ansprüche, daduch gekennzeichnet, daß der sich zeitlich ändernde Einstrahlwinkel über die Erfassung der an den Galvoscanner angelegten Spannung gemessen wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstrahlwinkel des auf den Träger eingestrahlten Lichts vor oder nach der Reflektion an der Trägeroberseite mit Hilfe eines zweiten Photodetektors detektiert wird.
10. Vorπchtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei durch die Veränderung des Einstrahlwinkels auftretende Verschiebungen der Abbildung des Trägers auf dem Detektor und/oder nicht auf Änderungen der Schichteigenschaften zurückzuführende Helligkeitsschwankungen mittels einer Bildverarbeitungssoftware vor der Ermittlung der Schichteigenschaften korrigiert werden.
1 1. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger einen transparenten Kunststoff aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin umfassend einen zweiten transparenten Träger, der mit dem ersten Träger optisch gekoppelt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite transparente Träger aus einem anorganischen Dielektrikum besteht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite transparente Träger aus Glas besteht.
15. Vorπchtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite transparente Träger ebenfalls aus Kunststoff besteht.
16. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Träger als Prisma ausgeführt ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Träger aus mehreren, d.h. mindestens zwei parallel angeordneten Prismen oder einem Gitter besteht
18. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Träger austauschbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eingestrahlte Licht monochromatisch und vorzugsweise Laserlicht ist.
20. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eingestrahlte Licht polarisiert ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bildpunkte auf dem Detektor in der Bildauswertesoftware zu einem Meßbereich zusammengefasst werden.
22. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem davon abhängigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallfilm in mehrere, voneinander getrennte Bereiche aufgeteilt ist.
23. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einheit, um die dem transparenten Träger abgewandte Seite des Metallfilms mit Flüssigkeiten und/oder Gasen zu beaufschlagen.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallfilm an mindestens zwei unterschiedlichen, bevorzugt einer großen Zahl verschiedener Stellen unabhängig voneinander mit Flüssigkeiten und/oder Gasen beaufschlagt werden kann.
25. Verfahren zur Untersuchung dünner Schichten, in dem die Schichten unter verschiedenen Einstrahlwinkeln so mit parallel verlaufendem Licht bestrahlt werden, daß das Licht auf einen zweidimensionalen Detektor reflektiert wird und dann anhand der winkelabhängig unterschiedlichen Intensitäten des reflektierten Lichts die Schichtdicke berechnet wird; dadurch gekennzeichnet, daß durch die Winkeländerung bedingte Bildverschiebungen auf dem Detektor vor der Ermittlung der Schichteigenschaften elektronisch korrigiert werden.
26. Verfahren nach Anspruch 25 dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich durch Winkeländerungen bedingete Helligkeitsschwankungen vor der Ermittlung der Schichteigenschaften elektronisch korrigiert werden.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26 dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaftsänderungen der Schichten mittels
Oberflächenplasmonenresonanz, Brewsterwinkelspektrometrie oder Ellipsometrie gemessen werden.
28. In einen Computer ladbares Datenverarbeitungsprogramm, insbesondere auf einem Datenträger, zur Steuerung einer Vorπchtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 25 bis 27.
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