EP2912520A1 - Optisches element und optisches sensorsystem - Google Patents
Optisches element und optisches sensorsystemInfo
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- EP2912520A1 EP2912520A1 EP13783481.8A EP13783481A EP2912520A1 EP 2912520 A1 EP2912520 A1 EP 2912520A1 EP 13783481 A EP13783481 A EP 13783481A EP 2912520 A1 EP2912520 A1 EP 2912520A1
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- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
- G01N2021/7789—Cavity or resonator
-
- 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
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
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- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
Definitions
- the invention relates to an optical element having at least one resonator structure and to an optical sensor system comprising at least one such optical element.
- Such sensors are useful for efficiently detecting ingredients in an analyte, but also for reliably quantifying lowest concentrations or for metrologically characterizing molecular interactions between selected substances.
- the chemical modification here involves the immobilization of molecular selective
- Proteins are used as acceptor molecules.
- the functionalization methods used must also be compatible with this type of material.
- the chemical modification may also have to be adapted to the individually selected acceptor molecule.
- Optical resonators for whisper-gate modes are made of a transparent dielectric material and, due to their
- n the refractive index of the resonator material
- U the circumference of the resonator
- m an integer number
- X r the wavelength of the guided light modes.
- the refractive index of the surrounding medium changes in the immediate vicinity of the resonator, the effective refractive index of the guided light modes also changes, resulting in a spectral shift of the light modes.
- an aqueous or gaseous analyte represents this environment. If substances from the analyte, in particular molecules, particles, viruses or bacteria, are deposited on the resonator surface and / or in the volume of the resonator, this deposition causes a change in the refractive index and thus a spectral shift of the light modes. From the magnitude of the shift can hereby be concluded that the number of coupling events and thus the concentration of the selected ingredients in the analyte. In addition, the affinity of the substances involved in the coupling to the resonator can be determined via the temporal behavior of the displacement. Since whispering gallery modes at high
- quartz glass Due to the high optical transparency in the respective spectral range, silicon Si, quartz glass, Si0 2 , silicon nitride Si 3 N 4 and polymers as resonator materials are particularly suitable for this purpose. To achieve high optical qualities, especially quartz glass is used for
- PMMA Polymethyl methacrylate
- a method for the surface functionalization of quartz glass toroids, the coupling of acceptor molecules in three steps allows.
- the Reso ⁇ natorober Structure is hydroxylated to amin
- Sen ⁇ sorober Chemistry a silanization before in a final step is the coupling of the acceptor molecules.
- Silanization provided with epoxy groups.
- further molecules are subsequently coupled to the epoxy groups in order to provide the surface with amino or carboxyl groups, to which the coupling of acceptor molecules then takes place.
- acceptor molecules may also be noncovalent if there is no suitable end group for covalent coupling. As a result, the requirements for the chemical modification of the sensor surface are generally reduced, but this has. Type of surface functionalization usually significantly deteriorated results.
- molecules are used which have a high physisorption on solid surfaces. These molecules stick to many surfaces and act as adhesion promoters (Media ' gates) for the acceptor molecules.
- Acceptor molecules can be coupled to the mediator molecules, either before or after their immobilization.
- Noncovalent coupling has numerous other disadvantages.
- the adhesion of mediator molecules is based only on weak intermolecular interactions with the sensor surface,
- acceptor molecule for the detection of streptavidin features Since only a limited number of acceptor molecules can be attached to BSA without chemical modification, this approach is not suitable for practical use since it allows only a limited number of applications. Guo et al. , Proceedings of Spie, Vol. 5517, p. 152 ff., 2004, use the same approach for resonators made of polystyrene, since polystyrene is not suitable for the chemical modification for the covalent coupling of acceptor molecules.
- an optical element is to be provided, which in the simplest possible way, a coupling of a large number of molecularly selective acceptor molecules and / or of particles to the surface and / or into the interior. the at least one resonator structure allows. Furthermore, an optical element is to be provided which enables the coupling of functional molecules, in particular fluorescence or laser dyes and / or cross-linking agents to the surface and / or into the interior of the at least one resonator structure in a simple manner.
- An inventive optical element comprises at least one resonator ⁇ gate structure, preferably as a resonator for
- the at least one Reso ⁇ nator Jardin comprises at least two resonators, it has the advantage that it only emits a single wavelength of coherent radiation with an appropriate design of the at least two resonators, or a parallel read-out, a plurality of sensor signals
- Preferred resonator geometries are in particular rings, disks, toroids, spheres, goblets or capillaries.
- the at least one resonator structure according to the invention is made of
- a sensor structure designed as a sensor is therefore suitable for the selective detection of molecular to be detected
- Particles in particular microparticles, nanoparticles, viruses or bacteria.
- the possibility of direct coupling of molecularly selective acceptor molecules makes further chemical
- the chemical end groups of the material are preferably chosen so that the at least one resonator structure can be used flexibly for a large number of applications in order to obtain, without significant changes, a wide range of molecularly selective ones
- the material from which the at least one resonator structure is formed is (resonator material), at least one copolymer, which is also known as
- Heterop ' polymer is called.
- a copolymer is meant a polymer composed of at least two different types of monomeric units. According to J. Buddrus, Unen der Organischen Chemie, Walter de Gruyter, 4th ed., 2011, p. 899, copolymers are subdivided into five classes based on a binary co-polymer consisting of two different comonomers A and B ,
- Monomers in a chain is random (AABBBABAABABBAB ....);
- block copolymers consisting of longer sequences (blocks) each
- Graft copolymers in which blocks of one monomer are grafted onto the backbone of another monomer preferably comprises the at least one resonator structure on its surface and / or in its interior in a variety of chemical Endriosh which serve for direct coupling of molecules and / or 'particles.
- the choice of the chemical end groups determines whether and which molecularly selective acceptor molecules and / or particles adhere to the surface and / or inside of the molecule
- the coupling of the respective molecule and / or particle takes place in a single method step and preferably allows as flexible as possible the coupling of a wide range of molecules and / or particles.
- coupling sites are provided on the surface and / or in the interior of the at least one resonator structure, via which further functional molecules and / or
- Covalently attach particles to the polymer structure It is particularly advantageous that by coupling of fluorescent or laser dyes while avoiding a
- Agglomeration of the dyes can produce active resonator structures or laser. This will be about a skilful choice and
- Other possibilities include the integration of functional end groups to avoid optical loss channels, in particular singlet or triplet oxidation quenchers, or crosslinkers to form a.
- the copolymers have a high optical with respect to their use in an optical element
- copolymers are also suitable which are transparent in another spectral range, preferably in the range of infrared and terahertz radiation. Particular preference is given to using copolymers which are suitable as structurable materials, ie which are obtained by a lithographic process, in particular by means of particle radiation,
- Radiation preferably X-ray lithography, UV lithography or
- Lithographisch structurable materials are characterized by a polymerization of
- the coupling points contained in the material are preferably used for coupling according to the concept of so-called click chemistry according to H.C. Kolb, M.G. Finn, K.B. Sharpless, Click chemistry: Diverse chemical
- reaction of the click chemistry are dipolar cycloadditions, eg between alkynes and azides, nonaldolike carbonyl reactions, eg the peptide bond, Additions to multiple bonds, eg the reaction of thiol with vinyl groups ⁇ Michael additions) or nucleophilic substitutions, eg the ring-opening reactions of epoxides.
- the material used for the at least one resonator structure is a copolymer which comprises methyl methacrylate (MMA) as the monomeric building block and which therefore has largely the same application-specific advantages owing to its molecular similarity to PMMA. Suitable for this purpose is
- the copolymer poly (methyl methacrylate-co-methacrylic acid), which like PMMA has a high transparency in the optical spectral range and can be lithographically, in particular by electron beam lithography, X-ray lithography or lithography with deep UV radiation structure.
- this copolymer has in addition to the methacrylate side groups in addition to carboxyl groups, which have the property that can be coupled via Click chemistry directly and in high yield molecularly selective acceptor molecules.
- Coupling molecules without chemical intermediate modifications preferably Peptides, proteins, antibodies, parts of antibodies or DNA sequences.
- a wide range of amino-terminated molecules and particles are biologically available or synthetic
- copolymer poly ethylene-co-methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate
- epoxide end groups to which also amino groups can be coupled directly.
- Further preferred polymers are poly (methyl-imethacrylate-co-furfuryl methacrylate) and
- optical elements according to the invention are suitable not only for use with liquid analytes, which are particularly suitable for biosensing, but also for gaseous analytes, in particular for molecular gas sensors.
- this embodiment causes an arrival and / or storage of gas molecules to be detected on and / or in the polymeric
- Resonator structure volume the spectral shift of the whispering gallery modes.
- the accumulation / storage also leads to a geometric change that occurs
- gas sensors can be produced directly and without further methods with the selected material for the resonator structures. This is a significant advantage
- Resonator structures the incorporation of gas molecules also throughout Volume occurs, usually resulting in higher sensitivities compared to the use of auxiliary layers.
- optical sensor system comprising at least the following components:
- At least one resonator structure preferably a laser diode
- At least one optical element according to the invention having at least one resonator structure; , '
- a resonator structure preferably a microfluidic infrastructure
- a device for detecting a spectral shift of the light emitted by the at least one resonator structure a device for detecting a spectral shift of the light emitted by the at least one resonator structure.
- the present invention has the following advantages. Due to the chemical end groups inherently present in the at least one material, the coupling of a very large number of molecularly selective acceptor molecules and / or particles or further functional groups can take place directly and without intermediate chemical steps
- Molecules and / or particles to the at least one resonator structure are saved significant time for surface functionalization, it also saves on previously required chemicals in the form of mediator materials, solvents or cleaning agents.
- the material for the resonator structures is also directly stru-kturierbar with standard lithographic methods or with known
- sensors for process monitoring preferably for the detection of pharmaceutical ingredients, in particular for the quantitative adjustment of active substances in a medicament
- sensors for the development of medicaments in particular for
- Fig. 1 Scanning electron micrograph of a resonator structure according to the invention in the form of two optical ikroresonatoren for whisper gate modes;
- Microresonator in general form and b) an active biosensor based on a microresonator according to the invention
- FIG. 4 shows a functional diagram of an optical sensor system which has at least one optical element with at least one resonator structure
- Fig. 6 emission spectrum of a copolymer microlaser before and during the coupling of streptavidin with a concentration of 500 nmol.
- Fig. 1 shows an arrangement with two inventive optical active resonators of the copolymer poly (methyl methacrylate-co-methacrylic acid), designed as micro-resonators for
- Resonator structures are located on silicon bases. The visualization of the arrangement was carried out with a scanning electron microscope. Due to the undercutting of the silicon-T 'rägerchips with XeF 2, structured by means of electron beam writer circular copolymer structures remain on the silicon pedestals.
- the calyx is a
- HMDS hexamethyldisilazane
- Hot plate pre-exposure bake
- Biotin was selected as a molecularly selective acceptor molecule, which allows selective coupling of the protein streptavidin.
- Biotin contains polyethylene glycol (PEG), which is a
- the carboxyl groups must be 1- Ethyl 3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) and sulfo-N-hydroxysuccinimide (sulfo-NHS) are activated.
- EDC Ethyl 3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
- sulfo-NHS sulfo-N-hydroxysuccinimide
- streptavidin labeled with the red fluorescent marker Cy3 was used according to the following procedures:
- Streptavidin (solvent: PBS (phosphate buffered saline)); Exposure time: 30 minutes
- Fig. 2a shows the general chemical composition of a functional copolymer according to the invention, consisting of monomeric
- the relative quantities can take values between 0 (0% share) and 1 (100% share).
- molecular binding sites laser dyes and cross-linkers are suitable.
- the arrangement of the subunits is arbitrary, including random, alternating, blockwise, gradient or homopolymer. The coupling of the individual monomeric subunits takes place
- X lr X 2 , X 3 ,..., X n denote any atomic or molecular skeleton of a monomeric subunit
- R denotes any atomic or molecular side ⁇ or intermediate groups of a monomeric subunit.
- Poly (methyl-Imeth IACR 'ylat-co-methacrylic acid) comprising methyl methacrylate (MMA) as a monomer unit, indicated.
- Fig. 3a shows a schematic representation of a resonator structure according to the invention, designed as a microresonator for
- an embodiment of an active biosensor based on a microresonator according to the invention is also shown schematically.
- the biosensor is formed of a copolymer with three functional side groups.
- a functional end group 12 for covalent coupling of a laser dye 14 and a functional end group 13 for covalent coupling of a cross-linker 16 are furthermore in the entire solid material available.
- microresonators microlaser
- the microlaser could be excited and read in an optical sensor system by means of a free jet method, which is the use, compared to passive resonators, where usually a strong
- Thinned glass fiber must be stable and highly accurately positioned, greatly simplified.
- a pulse duration of 10 ns and a repetition rate of 20 was used, and which was focused by means of focusing optics 23 on the chip surface.
- the power of the Nd: YV0 4 laser could be adjusted continuously with an optical power control 22, for which a combination of a polarizer and a Pockels cell was selected here.
- the chip was in a microfluidic chamber 24, whose
- Front consists of a glass window.
- an analyte is pumped via an inlet 24a into the chamber 24 and discharged from it via an outlet 24b. The picking up of the
- the free jet could optionally be deflected to a CCD camera 29, whereby a
- the chamber 24 was flooded with water, ⁇ and one of the microlaser with the pump laser 21 for emitting laser light in
- Fig. 6 shows the spectrum of the microlaser for the measurement of
Landscapes
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur, die aus mindestens einem Material gebildet ist, das an der Oberfläche und/oder im Innern der mindestens einen Resonatorstruktur chemische Endgruppen (1, 2, 3, 4, 11, 12, 13) zur direkten Ankopplung von molekular selektiven Akzeptormolekülen (15) und/oder von funktionalen Molekülen (14, 16) und/oder Partikeln aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches Sensorsystem, das mindestens ein derartiges optisches Element umfasst. Mit der Erfindung wird ein optisches Element bereitgestellt, das eine direkte Ankopplung einer sehr großen Anzahl von molekular selektiven Akzeptormolekülen (15), Fluoreszenz- oder Laserfarbstoffen (14), Quervernetzern (16) oder weiteren funktionalen Molekülen und/oder Partikeln an die mindestens eine Resonatorstruktur in jeweils einem einzigen Verfahrensschritt ermöglicht. Dies erlaubt die Herstellung von multifunktionalen Resonatorstrukturen, die Funktionen wie molekulare Selektivität, Lasing oder Kreuzvernetzung aufweisen, in einem einzigen lithographischen Verfahren oder mit bekannten Formverfahren ohne komplexe Nachbehandlung, Weiterbehandlung oder weitere Verfahrensschritte.
Description
Optisches Element und optisches SensorSystem
Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur und ein optisches Sensorsystem, das mindestens ein derartiges optisches Element umfasst.
In der molekularen Sensorik, insbesondere der Biosensorik und der chemischen Sensorik, sind Sensoren erforderlich, die, einen
hochsensitiven und markerfreien Nachweis kleinster Inhaltsstoffmengen ermöglichen. Derartige Sensoren eignen sich dazu, um Inhaltsstoffe in einem Analyten wirkungsvoll nachzuweisen, aber auch um geringste Konzentrationen zuverlässig zu quantifizieren, oder um molekulare Wechselwirkungen zwischen ausgewählten Stoffen messtechnisch, zu charakterisieren .
Eine besondere Herausforderung besteht hierbei nicht nur in der
Entwicklung von. hochempfindlichen Sensoren, sondern vor allem auch in einer hocheffektiven Oberflächenfunktionalisierung der Sensoren.
Damit soll erreicht werden, dass nur gewünschte Inhaltsstoffe einen Anteil zum Sensorsignal beitragen, während alle anderen im Analyten vorhandenen Moleküle keinen störenden Einfluss auf das Messsignal ausüben. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird hierzu bisher die Sensoroberfläche chemisch derart modifiziert, dass lediglich die nachzuweisenden Inhaltsstoffe hochselektiv ankoppeln, während. die übrigen Bestandteile des Analyten keine Bindung mit der so
bereitgestellten Oberfläche eingehen. Die chemische Modifikation beinhaltet hierbei die Immobilisierung von molekular selektiven
Molekülen, die auch als molekular selektive Akzeptormoleküle
bezeichnet werden, auf der Oberfläche des Sensors. In der Biosensorik werden oftmals Antikörper, Teile von Antikörpern, Antigene oder
Proteine als Akzeptormoleküle eingesetzt.
Die hierfür erforderliche chemische Modifikation benötigt üb-, licherweise mehrere Verfahrensschritte, da die Sensoroberfläche kein direktes Ankoppeln der Akzeptormoleküle erlaubt. Dieser Umstand ist vor allem darauf zurückzuführen, dass, abhängig vom jeweils gewählten
Sensorprinzip, die erforderlichen Herstellungsverfahren und
Funktionsbedingungen die Materialauswahl zum Teil erheblich
einschränken. Im Falle von optischen Resonatoren, die einen Einsatz von möglichst hochtransparenten und mikrostrukturierbaren Materialien, voraussetzen, hat das zur Folge, dass auch die eingesetzten Funk- tionalisierungsverfahren kompatibel zu dieser Art von Material sein müssen. Je nach Art der Anwendung muss die chemische Modifikation zudem unter Umständen jeweils neu auf das individuell ausgewählte Akzeptormolekül angepasst werden.
Um die gewünschten Akzeptormoleküle an die Oberfläche des Sensors anbinden zu können, ist es normalerweise erforderlich über
Zwischenreaktionen weitere chemische Modifikationen auf der
Oberfläche durchzuführen. Auf diese Weise wird die Oberfläche so modifiziert, dass sie letztlich über passende Bindungsstelleri für die entsprechenden Akzeptormoleküle verfügt, was einen erhöhten Aufwand und Einsatz von Ressourcen darstellt. Außerdem weist jede
Zwischenreaktion je nach Wirkungsgrad eine Effizienz geringer als 100 % auf, so dass nach jeder Zwischenreaktion ggf. in signifikantem Maße unmodifizierte Stellen auf der Oberfläche verbleiben, die sich nicht für die Ankopplung der Akzeptormoleküle eignen. Die Gesamtausbeute der Oberflächenfunktionalisierung ist daher auf diesem Wege beschränkt. Jede einzelne Zwischenreaktion muss darüber hinaus kompatibel zur jeweiligen Technologie des Sensors sein. Um strukturelle Beschädigungen, Oberflächendefekte oder gar eine Zerstörung des
Sensors zu vermeiden, darf keine negative Beeinflussung der
Leistungsfähigkeit des Sensors sowohl durch -beabsichtigte chemische Modifikationen als auch durch ungewollte chemische Nebenreaktionen oder Verunreinigungen auftreten. Die Anbindung der Akzeptormoleküle erfolgt darüber hinaus normalerweise irreversibel. Somit lassen sich einmal für eine gewünschte Anwendung funktionalisierte Sensoren in aller Regel nach der Durchführung der Messung nicht mehr für andere Anwendungen einsetzen.
Optische Resonatoren für Flüstergaleriemoden bestehen aus einem transparenten dielektrischen Material und führen aufgrund ihrer
Geometrie Licht entlang ihres Resonatorumfang's . Hierbei werden lediglich Lichtmoden mit■ definierten Wellenlängen, die als
Flüstergaleriemoden bezeichnet werden, unterstützt, da für diese nach einem kompletten Resonatorumlauf die Voraussetzung für konstruktive Interferenz . gemäß der Gleichung m-Xr = n-U (1) erfüllt ist, in der n die Brechzahl des Resonatormaterials, U den Umfang des Resonators, m eine ganzzahlige Zahl und Xr die Wellenlänge der geführten Lichtmoden bezeichnen.
Der evaneszente Feldanteil der Lichtmoden ragt hierbei in die
angrenzende Umgebung des Resonators hinein und steht auf diese Weise mit ihr in Wechselwirkung. Ändert sich in unmittelbarer Nähe des Resonators die Brechzahl des umgebenden Mediums, so ändert sich auch die effektive Brechzahl der geführten Lichtmoden, wodurch es zu einer spektralen Verschiebung der Lichtmoden kommt.
In der Sensorik stellt ein wässriger oder gasförmiger Analyt diese Umgebung dar. Lagern sich an der Resonatoroberfläche und/oder im Volumen, des Resonators Inhaltsstoffe aus dem Analyten, insbesondere Moleküle, Partikel, Viren oder Bakterien an, so verursacht diese Anlagerung eine Änderung der Brechzahl und somit eine Spektralverschiebung der Lichtmoden. Aus der Größe der Verschiebung kann hierbei auf die Anzahl der Ankopplungsereignisse und damit die Konzentration der ausgewählten Inhaltsstoffe im Analyten zurück geschlossen werden. Über das zeitliche Verhalten der Verschiebung lässt sich darüber hinaus auch die Affinität der an der Ankopplung an den Resonator beteiligten Stoffe ermitteln. Da Flüstergaleriemoden bei hohen
Resonatorgüten spektral sehr schmalbandig sind, lassen sich kleinste spektrale Verschiebungen auflösen. Flüstergaleriemoden-Resonatoren eignen sich daher insbesondere für hochsensitive Messungen und sind damit sehr interessant für die molekulare Sensorik.
In der molekularen Sensorik werden unterschiedliche Resonatorgeometrien für Flüstergaleriemoden eingesetzt (siehe den Übersichtsartikel von Hunt et al . , Nanoscale, Vol. 2, S .. 1544-1559, 2010), insbesondere
- sphärische Resonatoren, siehe Vollmer et al . , Nature Methods, Vol. 5, Iss. 7, S. 591-596, 2008,
- toroidale Resonatoren, siehe US 2007/0269901 AI und Armani et al . , Science, Vol. 317, S. 783-786, 2007,
- chipbasierte Ringresonatoren, siehe Barrios et al . , Sensors, Vol.'. 9, S. 4751-4765, 2009), sowie
- Kapillaren, siehe Suter et al., Biosensors and Bioelectronics, Vol. 23, S. 1003 ff., 2008, und Li et al., Applied Physics Letters, Vol. 97, S. 011105 ff., 2010).
Aufgrund der hohen optischen Transparenz im jeweiligen Spektralbereich eignen sich hierfür insbesondere Silizium Si, Quarzglas •Si02, Siliziumnitrid Si3N4 und Polymere als Resonatormaterialien. Um hohe optische Güten zu erzielen, wird vor allem Quarzglas für
Flüstergaleriemoden-Resonatoren eingesetzt. Grossmann et al .
beschreiben in Appl . Phys . Lett . , Vol. 96, S. 013303 ff. ,2010,
Mikroresonatoren aus Polymethylmethacrylat (PMMA) mit einer Güte von über 106, die sich durch eine hohe Transparenz im sichtbaren
Spektralbereich auszeichnen.
Bei den siliziumbasierten Resonatortypen (Si, Si02, S13N4) ist eine direkte kovalente Ankopplung von Akzeptormolekülen nicht möglich, da bei diesen Materialien keine geeigneten chemischen Endgruppen
vorliegen. Diese müssen vielmehr zuvor über mindestens einen
zusätzlichen chemischen Schritt erzeugt werden. In der Regel kommt hierzu eine Silanisierung zum Einsatz.
Die US 2012/0107177 AI und Hunt et al., a.a.O., beschreiben ein
Verfahren zur Oberflächenfunktionalisierung von Quarzglastoroiden, das eine Ankopplung von Akzeptormolekülen in drei Schritten
ermöglicht. In einem ersten Schritt wird hierzu die Reso¬ natoroberfläche hydroxyliert , um in einem zweiten Schritt die Sen¬ soroberfläche über eine Silanisierung zu aminisieren, bevor in einem letzten Schritt die Ankopplung der Akzeptormoleküle erfolgt.
Nachteilig hierbei ist der Einsatz von Substanzen wie
Wasserstoffperoxid H202, Toluol oder Schwefelsäure H2S04. Zudem sind hierzu mehrere Vakuumprozesse erforderlich, so dass das gesamte
Verfahren Stunden bis Tage dauert.
Bei Bienstmänn et al., Proceedings of SPIE, Vol. 7220, S. 72200O-1 ff., 2009, wird die Silizium-Oberfläche des Resonators mittels
Silanisierung mit Epoxygruppen versehen. In einem weiteren Schritt werden danach weitere Moleküle an die Epoxygruppen angekoppelt, um die Oberfläche mit Amino- oder Carboxylgruppen zu versehen, an die dann die Ankopplung von Akzeptormolekülen stattfindet. Ebenso
erfordert die Herstellung von Sensoren gemäß Washburn et al . ,
Analytical Chemistry, Vol. 81, S. 9499-9506, 2009, die ebenfalls aus Silizium aufgebaut sind, mehrere aufwändige Zwischenschritte.
Auch an Sensoroberflächen aus S13N4 kann eine Ankopplung von
Akzeptormolekülen nur über mindestens einen Zwischenschritt erfolgen. Jedoch müssen zuvor, wie in Barrios. et al., Optics Letters, Vol. 33, S. 708 ff., 2008, beschrieben, in einem weiteren Schritt auf S13N4- natürlich vorkommende Oxide mit Flusssäure HF entfernt werden, um eine Kopplung von Glutaraldehyd auf dieser Oberfläche zu ermöglichen, an das letztlich die Akzeptormoleküle angebunden werden.
Die Immobilisierung von Akzeptormolekülen kann auch nichtkovalent erfolgen, wenn keine passende Endgruppe zur kovalenten Kopplung vorliegt. Dadurch werden im Allgemeinen die Anforderungen an die chemische Modifikation der Sensoroberfläche verringert, allerdings weist diese. Art der Oberflächenfunktionalisierung meist erheblich verschlechterte Resultate auf. Hierzu werden Moleküle eingesetzt, die eine hohe Physisorption an festen Flächen besitzen. Diese Moleküle kleben quasi auf vielen Oberflächen und fungieren als Haftvermittler
(Media'toren) für die Akzeptormoleküle. An die Mediatormoleküle lassen sich Akzeptormoleküle ankoppeln, und zwar entweder vor oder nach deren Immobilisierung. Somit sind auch hier mindestens zwei
Prozessschritte erforderlich, nämlich die Ankopplung der Akzeptormoleküle an die Mediatormoleküle sowie die Ankopplung der
Mediatormoleküle an die Sensoroberfläche, wobei insbesondere die Ankopplung der Akzeptormoleküle an die Mediatormoleküle in weitere chemische Teilprozesse .unterteilt sein kann.
Die nichtkovalente Ankopplung besitzt zahlreiche weitere Nachteile. Die Anhaftung der Mediatormoleküle basiert lediglich auf schwachen intermolekularen Wechselwirkungen mit der Sensoroberfläche,
insbesondere auf Van-der-Waals- oder elektrostatischen Kräften. Diese Anbindung lässt sich somit auch sehr leicht wieder lösen. Dies ist vor allem dann ungeeignet, wenn der Sensor in eine fluidische
Infrastruktur integriert ist, wo Fluidströme des Analyten die
eingesetzten Moleküllagen wieder abscheren können. Darüber hinaus bleibt bei dieser Art der Ankopplung Undefiniert, wie viele Moleküle auf der Sensoroberfläche immobilisiert werden bzw. bleiben, da die Anlagerung. der Mediatormoleküle statistisch erfolgt, da sie nicht an eine vordefinierte Anzahl von Bindungspartnern, die durch die Sensoroberfläche bereitgestellt werden, gekoppelt ist. Weiterhin ist die Bindung der Akzeptormoleküle an die Mediatormoleküle ungerichtet und somit ihre Ausrichtung in den Analyten ebenfalls statistisch, was zu nicht reproduzierbaren Sensitivitäten zweier identisch behandelter Sensoren führen kann. Darüber hinaus werden nicht alle Moleküle als. Bindungspartner für den jeweils nachfolgenden molekularen Koppelschritt fungieren, da bei einer, besonders ungünstigen Ausrichtung aufgrund sog. sterischer Einflüsse der Zugang zur Bindungsstelle verwehrt ist. In der praktischen Anwendung sind daher bei dieser Vorgehensweise die Kopplungseffizienzen bei wiederholter Durchführung der Ankopplungsprozesse nicht reproduzierbar, so dass letztlich die Oberflächenfunktionalisierung nicht reproduzierbar ist. Weiterhin wird die Auswahl an potentiellen molekular selektiven
Akzeptormolekülen durch die geringe Anzahl an verfügbaren und vor
allem mit den jeweiligen Akzeptormolekülen kompatiblen Medi¬ atormolekülen stark eingeschränkt, wodurch wiederum die Auswahl von praktischen Anwendungen einschränkt wird. Aus diesen Gründen ist die kovalente Kopplung von Molekülen an den Sensor der nichtkovalenten Kopplung vorzuziehen.
Nichtkovalente Ankopplungsstrategien sind aus Armani et al., a.a.O., und aus Chao et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum
Electronics, Vol. 12, S. 134 ff., 2006, bekannt. In Armani et al. werden Protein G und Biotin eingesetzt, um einen Antikörper bzw.
Streptavidin anzukoppeln. Während Proteine wie Protein G eine brauch¬ bare, wenn auch Undefinierte Haftung auf einer Vielzahl von Ober¬ flächen aufweisen, ist dies bei Biotin in der Regel nicht der Fall. Bei Chao et al . kommt das Protein BSA (bovines Kälberserum) zum.
Einsatz, das über synthetisch angekoppeltes Biotin als
Akzeptormolekül zur Detektion von Streptavidin verfügt. Da sich an BSA nur eine begrenzte Anzahl an Akzeptormolekülen ohne chemische Modifikation anbinden lässt, eignet sich dieser Ansatz nicht für einen praktischen Einsatz, da er nur eine begrenzte Anzahl von Anwendungen ermöglicht. Guo et al . , Proceedings of Spie, Vol. 5517, S. 152 ff., 2004, setzen denselben Ansatz bei Resonatoren aus Polystyrol ein, da sich Polystyrol nicht für die chemische Modifikation zur kovalenten Ankopplung von Akzeptormolekülen eignet.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktür und ein optisches Sensorsystem, das mindestens ein derartiges optisches Element umfasst, vorzuschlagen, die die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.
Insbesondere soll ein optisches Element bereitgestellt werden, das auf möglichst einfache Weise eine Ankopplung einer großen Anzahl von molekular selektiven Akzeptormolekülen und/oder von Partikeln an die Oberfläche und/oder in das Innere. der mindestens einen Resonatorstruktur ermöglicht.
Weiterhin soll ein optisches Element bereitgestellt werden, das die Ankopplung von funktionalen Molekülen, insbesondere von Fluoreszenzoder Laserfarbstoffen und/oder von Quervernetzern an die Oberfläche und/oder in das Innere der mindestens einen Resonatorstruktur auf einfache Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das optische Element durch den Gegenstand des .Anspruchs 1 und im Hinblick auf das optische
Sensorsystem durch den Gegenstand des Anspruchs.10 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Er-, findung.
Ein erfindungsgemäßes optisches Element weist mindestens eine Resona¬ torstruktur auf, die vorzugsweise als Resonator für
Flüstergaleriemoden vorliegt. Im Fall, dass die mindestens eine Reso¬ natorstruktur mindestens zwei Resonatoren umfasst, besitzt sie den Vorteil, dass sie bei entsprechender Auslegung der mindestens zwei Resonatoren nur eine einzige Wellenlänge von kohärenter Strahlung emittiert oder ein paralleles Auslesen, mehrerer Sensorsignale
ermöglicht. Bevorzugte Resonatorgeometrien sind insbesondere Ringe, Scheiben, Toroide, Kugeln, Kelche oder Kapillaren.
Die mindestens eine erfindungsgemäße Resonatorstruktur ist aus
mindestens einem Material gebildet, das ein direktes und vorzugsweise flexibles Ankoppeln von molekular selektiven Akzeptormolekülen
und/oder Partikeln, bevorzugt in einem einzigen Verfahrensschritt, ermöglicht. Eine als Sensor ausgelegte Re-sonatorstruktur eignet sich daher zur selektiven Detektion nachzuweisender molekularer
Substanzen, insbesondere von Proteinen, Antikörpern, DNA-Sequenzen, Ärzneiwirkstoffen oder Biomarkern, sowie von nachzuweisenden
Partikeln, insbesondere von Mikropartikeln, Nanopartikeln, Viren oder Bakterien. Die Möglichkeit des direkten Ankoppeins von molekular selektiven Akzeptormolekülen macht weitere chemische
Zwischenschritte, die sonst auf eine Modifikation zumindest von
Teilen des mindestens einen Materials der mindestens einen Resonator¬ struktur gerichtet sind, entbehrlich.
Erfindungsgemäß wird ein Material eingesetzt, das ausgewählte
molekulare Endgruppen aufweist, die diese Eigenschaft ermöglichen. Die chemischen Endgruppen des Materials werden vorzugsweise -so gewählt, dass die mindestens eine Resonatorstruktur für eine große Anzahl von Anwendungen flexibel einsetzbar ist, um ohne wesentliche Änderungen für eine große Bandbreite an molekular selektiven
Akzeptormolekülen bzw. anderen funktionalen Molekülen und/oder
Partikeln möglichst direkt per Click-Chemie ankoppelbar zu sein.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Material, aus dem die mindestens eine Resonatorstruktur gebildet, ist (Resonatormaterial) , mindestens ein Copolymer, das auch als
Heterop'olymer bezeichnet wird. Unter einem Copolymer wird ein Polymer verstanden, das aus mindestens zwei verschiedenartigen Monomer-Einheiten zusammengesetzt ist. Nach J. Buddrus, Grundlagen der Organischen Chemie, Walter de Gruyter, 4. Aufl., 2011, S. 899, werden Co- polymere in fünf Klassen unterteilt, die anhand eines binären Co- polymers, das aus zwei unterschiedlichen Comonomeren A und B .
aufgebaut ist, veranschaulicht werden:
1. Statistische Copolymere, in denen" die Verteilung der beiden'
Monomeren in einer Kette zufällig ist (AABBBABAABABBAB .... ) ;
2. Gradientcopolymere, wie statistische Copolymeren, jedoch mit einem veränderlichem Anteil eines Monomers im Verlauf der Kette
(AAAAAABAABBAABABBBAABBBBBB) ;
3. Alternierende Copolymere mit einer regelmäßigen Anordnung der
Monomere entlang der Kette (ABABABABABABABABABAB .... ) ;
4. Blockcopolymere, die aus längeren Sequenzen (Blöcken) jedes
Monomers bestehen (AAAAAAAAABBBBBBBBBBBB ... ) ;
5. Pfropfcopolymere, bei denen Blöcke eines Monomers auf das Gerüst eines anderen Monomers aufgepfropft sind.
Erfindungsgemäß weist die mindestens eine Resonatorstruktur an ihrer Oberfläche und/oder in ihrem Innern vorzugsweise eine Vielzahl von chemischen Endgruppeh auf, die zur direkten Ankopplung von Molekülen und/oder ' Partikeln dienen . Durch die Wahl der chemischen Endgruppen wird festgelegt, ob und welche molekular selektiven Akzeptormoleküle und/oder Partikel sich an die Oberfläche und/oder im Innern des
Sensors ankoppeln lassen. Die Ankopplung des jeweiligen Moleküls und/oder Partikels erfolgt in einem einzigen Verfahrensschritt und erlaubt vorzugsweise möglichst flexibel die Ankopplung einer großen Bandbreite von Molekülen und/oder Partikeln.
In einer besonderen Ausgestaltung sind auf der Oberfläche und/ oder im Innern der mindestens einen Resonatorstruktur Kopplungsstellen vorgesehen, über, die sich weitere funktionale Moleküle und/oder
Partikel kovalent und somit fest in die Polymerstruktur anbinden lassen. Besonders vorteilhaft ist, dass sich durch Ankopplung von Fluoreszenz- oder Laserfarbstoffen unter Vermeidung einer
Agglomeration der Farbstoffe aktive Resonatorstrukturen bzw. Laser herstellen lassen. Damit werden über eine geschickte Wahl und
Modifikation des Resonatormaterials optische Resonatorstrukturen in einem einzigen Verfahrensschritt als inhärent für eine Sensorik funk- tionalisierte Mikrolaser ausgeführt. Weitere Möglichkeiten bestehen in der Integration funktionaler Endgruppen zur Vermeidung von optischen Verlustkanälen, insbesondere von Singulett- oder Triplett- Oxidations-Quenchern, oder von Quervernetzern zur Ausbildung einer. Kreuzvernetzung des Resonatormaterials zur Verminderung des Quellverhaltens des Polymers in wässrigen Lösungen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Copolymere im Hinblick auf ihren Einsatz in einem optischen Element eine hohe optische
Transparenz im sichtbaren Spektralbereich auf. Darüber hinaus sind auch Copolymere geeignet, die in einem andern Spektralbereich, bevorzugt im Bereich der Infrarot- und Terahertzstrahlung, transparent sind.
Besonders bevorzugt werden solche Copolymere eingesetzt, die sich als strukturierbare Materialien eignen, d.h. die sich durch ein lithographische Verfahren, insbesondere mittels Teilchenstrahlung,
bevorzugt Elektronanstrahllithographie, und elektromagnetischer
Strahlung, bevorzugt Röntgenlithographie, UV-Lithographie oder
Zweiphotonenlithographie, strukturieren lassen. Lithographisch strukturierbare Materialien sind durch eine Polymerisation von
Monomeren · mit bereits vorhandenen Koppelstellen erhältlich, insbe¬ sondere durch radikalische oder kationische Reaktionsmechanismen. Dieser Ansatz erlaubt durch eine flexible Einstellung der Zusammensetzung- sowohl eine Festlegung der Art als auch der Anzahl an Koppelstellen im Polymer und darüber hinaus dessen Materialeigenschaften in Hinblick auf die Erzeugung der Resonatoren, insbesondere im Hinblick auf deren thermisches Verhalten, und ihren Betrieb, etwa in Bezug auf deren Quellverhalten in' Flüssigkeiten.
Die im Material enthaltenen Koppelstellen dienen vorzugsweise■ zur Ankopplung nach dem Konzept der sog. Click-Chemie gemäß H.C. Kolb, M.G. Finn, K.B. Sharpless, Click-Chemie : Diverse chemische
Funktionalität mit einer Handvoll guter Reaktionen, Angewandte
Chemie, Bd. 113, S. 2056 ff., 2001. Dieses Konzept beschreibt Gruppen von molekularen Reaktionspartnern, die unter milden
Reaktionsbedingungen eine effiziente, selektive und spezifische
Reaktion miteinander eingehen, um auf diese Weise unter
Normalbedingungen und unter ausschließlichem Einsatz von
unbedenklichen Lösungsmitteln, insbesondere Wasser, stabile
Verbindungen zu erzeugen.
Unter diese Reaktionen fallen auch sog. Diels-Alder-Cyclo-Ädditionen, die eine thermische oder photoinduzierte Rückreaktion und somit eine Defunktionalisierung des Resonators erlauben, z.B. die Reaktion zwischen Maleinsäuredimethylester und Furan für eine thermische
Reversibilität. Weitere Beispiele für Reaktionen der Click-Chemie sind dipolare Cycloadditionen, z.B. zwischen Alkinen und Aziden, nichtaldolartige Carbonylreaktionen, z.B. die Peptidbindung,
Additionen an Mehrfachbindungen, z.B. die Reaktion von Thiol mit Vinylgruppen {Michael-Additionen) oder nucleophile Substitutionen, z.B. die Ringöffnungsreaktionen von Epoxiden.
Über eine passende Auswahl der Endgruppe wird damit die Ankopplung von molekular selektiven Akzeptormolekülen thermisch reversibel ausgeführt, womit sich einmal angekoppelte Akzeptormoleküle thermisch wieder entkoppeln und durch andere Akzeptormoleküle ersetzen lassen. Auf diese Weise werden thermisch rekonfigurierbare Sensoren
bereitgestellt, die sich wieder verwendbar für verschiedene
Anwendungen einsetzen lassen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird als Material für die mindestens eine Resonatorstruktur ein Copolymer eingesetzt, das Methylmethacrylat (MMA) als monomeren Baustein umfasst und das daher aufgrund seiner molekularen Ähnlichkeit zu PMMA weitgehend dieselben anwendungsspezifischen Vorteile besitzt. Hierfür eignet sich,
insbesondere das Copolymer Poly (Methylmethacrylat-co-Methacrylsäure ) , das wie PMMA über eine hohe Transparenz im optischen Spektralbereich verfügt und sich über lithographische Verfahren, insbesondere mittels Elektronenstrahllithographie, Röntgenlithographie oder Lithographie mit tiefer UV-Strahlung, strukturieren lässt. Im Gegensatz zu reinem PMMA verfügt dieses Copolymer neben den Methacrylat-Seitengruppen zusätzlich über Carboxyl-Gruppen, die die Eigenschaft aufweisen, dass sich hieran über Click-Chemie direkt und mit hoher Ausbeute molekular selektive Akzeptormoleküle ankoppeln lassen.
Besonders vorteilhaft ist. hierbei die Möglichkeit, Moleküle und/oder Partikel mit Amino-Endgruppen direkt anzukoppeln. Die Bindung
zwischen Carboxyl- und Aminogruppen ist allgemein unter der
Bezeichnung Peptidbindung bekannt. Peptide sind kurzkettige
Untereinheiten von Proteinen, die aus einer kleinen Anzahl aus Aminosäuren bestehen. -In Folge lässt sich an eine derart ausgestaltete Sensoroberfläche eine große Bandbreite an amino-terminierten
Molekülen ohne chemische Zwischenmodifikationen ankoppeln, bevorzugt
Peptide, Proteine, Antikörper, Teile von Antikörpern oder DNA- Sequenzen. Eine große Bandbreite an amino-terminierten Molekülen und Partikel sind hierfür biologisch verfügbar oder synthetisch
herstellbar. Auf diese Weise sind mit diesem Copolymer, das in einigen unbedenklichen organischen Lösungsmitteln (sog. Safer
Solvente) lösbar ist, optische Resonatorstrukuren herstellbar, an die sich direkt und ohne chemische Zwischenschritte flexibel eine
Vielzahl an vor allem für die Biosensorik wichtigen molekular
selektiven Akzeptormolekülen ankoppeln lassen. Ebenso vorteilhaft ist das Copolymer Poly (Ethylen-co-Methylacrylat-co-Glycidylmethacrylat ) , das über Epoxid-Endgruppen verfügt, an die ebenfalls Aminogruppen direkt angekoppelt werden können. Weitere bevorzugte Polymer sind Poly (Methyl-imethacrylat-co-Furfurylmethacrylat ) und
Poly (Methyl-imethacrylat-co-Vinylmethacrylat ) .
In einer weiteren Ausgestaltung eignen sich erfindungsgemäße optische Elemente nicht nur für die Verwendung mit flüssigen Analyten, die sich insbesondere für die Biosensorik eignen, sondern auch für gasförmige Analyten, insbesondere für die molekulare Gassensorik . In dieser Ausgestaltung bewirkt eine An- und/oder Einlagerung von zu detektierenden Gasmolekülen an und/oder in das polymere
Resonatorstrukturvolumen die spektrale Verschiebung der Flüstergaleriemoden. Durch die An-/Einlagerung kommt es neben einer Brechzahländerung auch zü einer geometrischen Veränderung, die sich
insbesondere in einer räumlichen Ausdehnung der Resonatorstrukturen äußert. Es gilt auch hier, dass mit dem gewählten Material für die Resonatorstrukturen direkt und ohne weitere Verfahren Gassensoren hergestellt werden können. Dies ist ein wesentlicher Vorteil
gegenüber dem Stand der Technik, wo gemäß der US 2012/0120398 AI oder nach Lin et al . , Fiber and Integrated Optics, Vol. 31, S. 263 ff., 2012, für die Funktion des Mikroresonators als Gassensor eine zusätzliche Hilfsschicht erforderlich ist, da das Si02, aus dem dort die Flüstergalerie-Strukturen gebildet sind, keine Einlagerung von
Gasmolekülen erlaubt. Da bei den erfindungsgemäßen
Resonatorstrukturen die Einlagerung der Gasmoleküle zudem im gesamten
Volumen erfolgt, ergeben sich in der Regel höhere Sensitivitäten im Vergleich zum Einsatz von Hilfsschichten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem, das mindestens die folgenden Komponenten aufweist:
- eine Einrichtung zur Anregung der Abstrahlung von Licht aus
mindestens einer Resonatorstruktur, bevorzugt eine Laserdiode;
- mindestens ein erfindungsgemäßes optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur; . '
- Mittel zur Zuführung und zur Ableitung eines Analyten zu der
mindestens . einen Resonatorstruktur, bevorzugt eine mikrofluidische Infrastruktur; und
- eine Einrichtung zum Nachweis einer spektralen Verschiebung des vom mindestens einer Resonatorstruktur abgestrahlten Lichts..
Die vorliegende Erfindung weist insbesondere die folgenden Vorteile auf. Aufgrund der inhärent im mindestens einen Material vorhandenen chemischen Endgruppen kann direkt und ohne chemische Zwischenschritte die Ankopplung einer sehr großen Anzahl von molekular selektiven Akzeptormolekülen und/oder Partikeln bzw. weiteren funktionalen
Molekülen und/oder Partikeln an die mindestens eine Resonatorstruktur erfolgen. Hierdurch wird nicht nur signifikant Zeit für die Ober- flächenfunktionalisierung eingespart, sondern auch bisher benötigte Chemikalien in Form von Mediatormaterialien, Lösungsmitteln oder Reinigungsmitteln.
Auf technisch bzw. zeitlich aufwändige Verfahren, insbesondere Vakuum-, Plasma- oder Hochtemperaturverfahren kann im Rahmen der erfindungsgemäßen Oberflächenfunktionalisierung verzichtet werden. Das hier vorgestellte Sensorkonzept erlaubt vielmehr eine Ankopplung von Akzeptormolekülen bei Raumtemperatur und
-druck. Als Lösungsmittel wird insbesondere Wasser eingesetzt. Das Material für die Resonatorstrukturen ist zudem direkt mit standardlithographischen Verfahren stru-kturierbar oder mit bekannten
Verfahren, insbesondere thermischem Aufschmelzen und Abformen,
formbär, was, insbesondere im Gegensatz zu Silizium-basierten
Strukturen, eine direkte, parallele und massenproduktionstaugliche Fabrikation von multifunktionalen Sensorstrukturen aus diesem
Material ermöglicht.
Mit dieser Erfindung kann demnach eine große Bandbreite von
Anwendungen bedient werden: "
- im Bereich der Medizin insbesondere in Analysegeräten für Blut, Urin, Speichel usw. für den Einsatz im Labormaßstab bzw. direkt am Patienten vor Ort, bevorzugt zur Detektion von Biomarkern, Blutin¬ haltsstoffen, Antikörpern oder Allergenen, insbesondere zur Erfassung des Impfzustandes oder der BlutZusammensetzung bei Patienten, zur Einstellung von Medikamentierungen am Patienten oder zum
Drogenscreening;
- in der Pharmazeutik für Sensoren zur Prozessüberwachung, bevorzugt zur Detektion von pharmazeutischen Inhaltsstoffen, insbesondere zur mengenmäßige Einstellung von Wirkstoffen in einem Medikament, für Sensoren zur Entwicklung von Arzneimitteln, insbesondere zur
Charakterisierung von neuartigen Arzneiwirk- . und -Trägerstoffen;
- in der Chemie oder Biochemie für Sensoren zur Untersuchung
molekularer Wechselwirkungen, insbesondere zur Entwicklung von Arznei-Wirkstoffen sowie von (bio- ) chemischen Reaktionen, etwa von enzymatischen Reaktionen;
- in der Umwelttechnik für Sensoren zur Detektion von pathogenen
Verunreinigungen und Giftstoffen, insbesondere von Proteinen,
Krankheitserregern, Dioxinen oder Pestiziden, in der
Trinkwasserinfrastruktur sowie in natürlichen und künstlichen
Gewässern;
- in der Lebensmitteltechnik für Sensoren zur Analyse von Inhaltsstoffen und zur Detektion von Verunreinigungen oder Giftstoffen in Nahrungsmitteln bzw. in der Prozesskette, sowohl im Labormaßstab als auch direkt vor Ort im Lebensmittelvertrieb.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Resonatorstruktur in Form von zwei optischen ikroresonatoren für Flüstergaleriemoden;
Fig. 2 a) Allgemeine chemische Strukturformel eines Copolymers als
Material für erfindungsgemäße Resonatorstrukturen
b) Chemische Strukturformel von Poly (Methyl-imeth-iacrylat-co- Methacrylsäure) ;
Fig. 3 Schematische Darstellung a) eines erfindungsgemäßen
Mikroresonators in allgemeiner Form und b) eines aktiven Biosensors auf Basis eines erfindungsgemäßen Mikroresonators;
Fig. 4 Funktionsschema eines optischen Sensorsystems, das mindestens ein optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur aufweist;
Fig. 5 Spektrale Verschiebung einer ausgesuchten Lasermode eines
biotinylierten , Copolymer-Mikrolasers unter Ankopplung von Streptavidin mit unterschiedlichen Konzentrationen;
Fig. 6 Emissionsspektrum eines Copolymer-Mikrolasers vor und während der Ankopplung von Streptavidin mit einer Konzentration von 500 nMol.
Herstellung von erfindungsgemäßen optischen Mikroresonatoren
Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen optischen aktiven Resonatoren aus dem Copolymer Poly (Methylmethacrylat-co- Methacrylsäure ) , ausgeführt als Mikroresonatoren für
Flüstergaleriemoden. Die rotationssymmetrischen kelchförmigen
Resonatorstrukturen befinden sich auf Siliziumsockeln. Die Visualisierung der Anordnung erfolgte mit einem Rasterelektronenmikroskop. Durch die Unterätzung des Silizium-T'rägerchips mit XeF2 verbleiben die mittels Elektronenstrahlschreiber strukturierten kreisförmigen Copolymerstrukturen auf Siliziumsockeln. Die Kelchform ist ein
Ergebnis eines finalen thermischen Aufschmelzverfahrens zum Erreichen glatter Resonatoroberflächen mit hoher optischer Güte.
Die Herstellung der aktiven Copolymer-Mikroresonatoren {Mikrolaser) erfolgte gemäß den folgenden Verfahrensschritten:
- Reinigung des Siliziumwafers
- Spülen mit Aceton;
- Spülen mit Isopropanol;
- Trockenblasen mit Stickstoff;
Aufbringen des Haftvermittlers Hexamethyldisilazan (HMDS) im Konvektionsofen;
- Aufbringen des Copolymers Poly (Methylmethacrylat-co-Methacrylsäure ) mittels Rotationsbeschichtung mit einer Zielschichtdicke von ~1,2μπι, wobei im vorligenden Fall eine Dotierung des in Lösung befindlichen Copolymers mit dem Farbstoff Pyrromethene 597 durch Beimischen mittels eines Magnetrührers vorgenommen wurde;
- Ausbacken mittels . Heizplatte ( Pre-Exposure-Bake ) ;
- Strukturierung des Copolymers mittels Elektronenstrahlschreiber in Form von runden Scheiben;
- Nasschemische Entwicklung mit einer Lösung aus einem Keton und Isopropylalkohol ;
- Spülen mit Isopropanol;
- Trockenätzen des Siliziums mit XeF2 zum Unterätzen der Resonatoren;
- Thermisches Aufschmelzen der Resonatoren mittels Heizplatte;
- Vereinzeln des Siliziumwafers in einzelne Chips.
Fluoreszenzgestützte Erprobung der Funktionalisierung der Oberflächen der mikrooptischen Resonatoren
Zum Nachweis der Funktidnsfähigkeit der Mikroresonatoren als Sensoren wurde als molekular selektives Akzeptormolekül Biotin ausgewählt, das eine selektive Ankopplung des Proteins Streptavidin ermöglicht. Am Biotin befindet sich Polyethylenglycol (PEG), das eine
nichtspezifische Ankopplung unerwünschter Moleküle unterbinden soll. Die Ankopplung an die Carboxylgruppen (-CO2H) der
Poly (Methylmethacrylat-co-Methacrylsäure) erfolgt über eine
Aminogruppe (NH2-) am anderen Ende des PEGs .
Um die Ankopplung zu erlauben, müssen die Carboxylgruppen mit 1-
Ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimid (EDC) und Sulfo-N- Hydroxysuccinimid (sulfo-NHS) aktiviert werden. In dieser Erprobung wurden passive Resonatoren eingesetzt, um mit dem
Flüoreszenzmikroskop nur die Fluoreszenz des Streptavidins beobachte zu können und kein Störsignal durch einen vorhandenen Laserfarbstoff zu erhalten.
Die Immobilisierung vön Biotin-PEG23-NH2 erfolgte gemäß den folgenden Verfahrensschritten:
- Reinigung der Mikroresonatoren mittels Abblasen der
Mikroresonatoren mit Stickstoff;
- Immersion der Mikroresonatoren in EDC (10 mmolar, Lösungsmittel: Destilliertes Wasser); Einwirkdauer: 10 Minuten;
- Beigabe von sulfo-NHS (10 mmolar, Lösungsmittel: Destilliertes Was ser) im Volumenverhältnis 1:1 zur EDC Lösung; Einwirkdauer:
10 Minuten
- Beigabe von Biotin-PEG23-NH2 (10 mmolar, Lösungsmittel: Destilliertes Wasser) im Volumenverhältnis 1:1:1 zur EDC und sulfo-NHS- Lösung; Einwirkdauer: 120 Minuten;
- Spülen mit destilliertem Wasser
Um die Ankopplung des Streptavidin an die biotinylierten Mikroresonatoren zu verifizieren, wurde mit dem roten Fluoreszenzmarker Cy3 markiertes Streptavidin gemäß den folgenden Verfahrensschritten eingesetzt:
- Immersion der Mikroresonatoren in einer 500 nmolaren Lösung
Streptavidin (Lösungsmittel: PBS (Phosphatgepufferte Salzlösung)); Einwirkdauer: 30 Minuten
- Spülen in reinem PBS.
Fig. 2a) zeigt die allgemeine chemische Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen funktionalen Copolymers, der aus monomeren
Untereinheiten 1 bis n mit relativen Mengenverhältnissen a, b, cr 1-a-b-c-... besteht. Die relativen Mengen können Werte zwischen 0 (0% Anteil) und 1. (100% Anteil) annehmen. Die monomeren Untereinheiten
013 003047
- 19- weisen verschiede Kopplungsstellen F auf, die sich zur Anbindung von funktionalen Molekülen oder Partikeln, insbesondere selektive
molekulare Bindungsstellen, Laserfarbstoffe und Quervernetzer eignen. Die Anordnung der Untereinheiten ist beliebig, darunter statistisch, alternierend, blockweise,- gradientenweise oder homopolymer. Die Zusammenkopplung der einzelnen monomeren Untereinheiten erfolgt
ebenfalls auf beliebige Weise. Xlr X2, X3, ..., Xn bezeichnen ein beliebiges atomares oder molekulares Grundgerüst einer monomeren Untereinheit, R bezeichnet beliebige atomare oder molekulare Seiten¬ bzw. Zwischengruppen einer monomeren Untereinheit.
In Fig. 2b) ist die Strukturformel des besonders bevorzugten und im vorliegenden Äusführunsgbeispiel eingesetzten Copolymers
Poly (Methyl-imeth-iacr'ylat-co-Methacrylsäure) , das Methylmethacrylat (MMA) als Monomer-Einheit umfasst, angegeben.
Fig. 3a) zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß Resonatorstruktur, ausgeführt als Mikroresonator für
Flüstergaleriemoden, hergestellt aus einem Copolymer mit vier
verschiedenen Arten 1, 2, 3, 4 von funktionalen Seitengruppen, die Fig. 3a) in unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen vorliege
In Fig. 3b) ist ebenfalls schematisch ein Ausführungsbeispiel eines aktiven Biosensors auf Basis eines erfindungsgemäßen Mikroresonators dargestellt. Der Biosensor ist gebildet aus einem Copolymer mit drei funktionalen Seitengruppen. Neben der funktionalen Endgruppe 11, die als Bindungsstelle für eine kovalente Ankopplung eines molekular selektiven Akzeptormoleküls 15 für eine sensorische Anwendung dient, sind weiterhin im gesamten Vollmaterial eine funktionale Endgruppe 12 zur kovalenten Ankopplung eines Laserfarbstoffs 14 und eine funktionale Endgruppe 13 zur kovalenten Ankopplung eines Quervernetzers 16 vorhanden.
Optische Charakterisierung von aktiven Resonatoren und Nachweis der Sensorfunktionalität
Um die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Sensors zu belegen, wurden aktive Mikroresonatoren (Mikrolaser) eingesetzt, die nach dem o.g. Verfahren hergestellt und biotinyliert wurden. Die Mikrolaser ließen sich in einem optischen Sensorsystem mittels eines Freistrahlverfahrens anregen und auslesen, was den Einsatz, im Vergleich zu passiven Resonatoren, bei denen in der Regel eine stark
ausgedünnte Glasfaser stabil und hochgenau positioniert werden muss, erheblich vereinfacht.
Die Anregung der Mikrolaser, die sich auf einem Chip befinden, erfolgte gemäß Fig. 4 mit einer Pumpenergiequelle 21, für die hier ein gepulster Nd:YV04-Laser mit einer Arbeitswellenlänge von 532 ran
(grün) , einer Pulsdauer von 10 ns und einer Repetitionsrate von 20 eingesetzt wurde, und der mittels einer fokussierenden Optik 23 auf die Chipoberfläche fokussiert wurde. Die Leistung des Nd : YV04-Lasers ließ sich mit einer optischen Leistungssteuerung 22, wofür hier eine Kombination aus einem Polarisator und einer Pockelszelle gewählt wurde, stufenlos einstellen.
Der Chip befand sich in einer mikrofluidischen Kammer 24, deren
Frontseite aus einem Glasfenster besteht. Mittels Spritzenpumpen wird ein Analyt über einen Einlass 24a in die Kammer 24 gepumpt und über einen Auslass 24b aus ihr ausgeleitet. Das Aufsammeln des
Laserlichtes der Mikrolaser geschah mit Hilfe eines 20x
Mikroskopob ektivs 25. Das so aufgefangene Licht wurde als Freistrahl über einen optischen Langpassfilter 26 in ein Spektrometer 28
geleitet und das Spektrum mit einem Labor-PC visualisiert und
gespeichert. Mittels eines Kippspiegels 27 konnte der Freistrahl optional auf eine CCD-Kamera 29 umgelenkt werden, wodurch eine
Visualisierung des Chips möglich wurde, insbesondere um den
Pumpstrahl auf die Mikrolaser auszurichten.
Die Kammer 24 wurde mit Wasser geflutet ,■ und einer der Mikrolaser mit dem Pumplaser 21 zur Abstrahlung von Laserlicht im
Freistrahlverfahren angeregt. Anschließend wurde zu einer definierten Zeit, die in Fig. 5 als Zeitpunkt 0 s definiert ist, ungelabeltes Streptavidin mit einer definierten Konzentration in die Kammer 24 gepumpt. Der komplette Vorgang wurde mit dem Spektrometer 28 aufgezeichnet. Im Anschluss wurde aus dem Spektrum aus Fig. 6 eine
Lasermode selektiert und, wie in Fig. 6 dargestellt, deren temporaler spektraler Verlauf, ausgewertet durch Anwendung einer Lorentz- Fitting-Methode, aufgezeichnet.
In Fig. 5 sind gemessene Verschiebungen der Wellenlänge an
biotinylierten Copolymer-Mikrolasern bei 500 nMol und 50 nMol
Streptavidin dargestellt'. Zum Zeitpunkt 0 s wird das Streptavidin inj iziert .
Fig. 6 zeigt das Spektrum .des Mikrolasers für die Messung der
500 nMol Streptavidin aus. Fig. 5 zum Zeitpunkt 0 s. In der rechten oberen Ecke dargestellt ist die mit einem Pfeil hervorgehobene ausgewählte Laser-Resonanz zum Zeitpunkt 0 s und 100 s. Deutlich ist die Verschiebung des Resonanzen zu längeren Wellenlängen hin zu erkennen .
Claims
1. Optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Resonatorstruktur aus mindestens einem Material gebildet ist, das
an der Oberfläche und/oder im Innern der mindestens einen
Resonatorstruktur chemische Endgruppen (1, 2, 3, 4, 11, 12, 13) zur direkten Ankopplung von molekular selektiven Akzeptormolekülen (15) und/oder von funktionalen Molekülen (14, 16) und/oder Partikeln aufweist.
2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Endgruppen (12, 13) zur direkten Ankopplung von Fluoreszenz- oder Laserfarbstoffen (14) und/oder von
Quervernetzern (16) vorgesehen sind.
3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Resonatorstruktur als Resonator für Flüstergaleriemoden ausgestaltet ist.
4. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet ,. dass die mindestens eine Resonatorstruktur als Resonator für Flüstergaleriemoden im sichtbaren Spektralbereich und/oder infraroten Spektralbereich und/oder im Bereich der
Terahertz-Strahlung ausgestaltet ist.
5. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das mindestens eine Material als positiv oder negativ strukturierbares Material in einem lithographischen Herstellungsverfahren einsetzbar ist.
6. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das -mindestens eine Material zumindest im sichtbaren u.nd/oder infraroten Spektralbereich transparent ist.
7. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Material mindestens ein Copolymer umfasst.
8. Optisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein Copolymer Methylmethacrylat als Monomer- Einheit umfasst.
9. Optisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Copolymer ausgewählt ist aus Poly (Methylmeth- acrylat-co-Methacrylsäure ) , Poly (Ethylen- co-Methylacrylat-co-Glycidylmethacrylat ) , Poly (Methylmethacrylat- co-Furfurylmethacrylat ) oder Poly (Methylmethacrylat-co- Vinylmethacrylat ) . . ·
10. Optisches Sensorsystem, umfassend
- eine Einrichtung zur Anregung der Abstrahlung von Licht aus mindestens einer Resonatorstruktur;
- mindestens ein optisches Element nach. einem der Ansprüche 1 bis 9;
- Mittel zur Zuführung und zur Ableitung eines Analyten zu der mindestens einen Resonatorstruktur; und
- eine Einrichtung . zum Nachweis einer Frequenzverschiebung des vom mindestens einer Resonatorstruktur abgestrahlten Lichts..
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| TATYANA V MURZINA ET AL: "Kerr versus thermal non-linear effects studied by hybrid whispering gallery mode resonators [Invited]", OPTICAL MATERIAL EXPRESS, vol. 2, no. 8, 19 July 2012 (2012-07-19), XP055365353 * |
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| WO2014063787A1 (de) | 2014-05-01 |
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