EP3247994A1 - Optisches sensorsystem - Google Patents

Optisches sensorsystem

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Publication number
EP3247994A1
EP3247994A1 EP15790543.1A EP15790543A EP3247994A1 EP 3247994 A1 EP3247994 A1 EP 3247994A1 EP 15790543 A EP15790543 A EP 15790543A EP 3247994 A1 EP3247994 A1 EP 3247994A1
Authority
EP
European Patent Office
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sensor system
sensor
light
coupling
optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15790543.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kort Bremer
Bernhard Roth
Johanna-Gabriela Walter
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.)
Leibniz Universitaet Hannover
Original Assignee
Leibniz Universitaet Hannover
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Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Universitaet Hannover filed Critical Leibniz Universitaet Hannover
Publication of EP3247994A1 publication Critical patent/EP3247994A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/78—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 producing a change of colour
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
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    • G01N2201/022—Casings
    • G01N2201/0221—Portable; cableless; compact; hand-held

Definitions

  • the invention relates to an optical sensor system that is set up to cooperate with a mobile computing device having at least one light source and at least one camera, wherein the sensor system at least one coupling interface for coupling light from the light source of the computer device in the sensor system and at least one Auskoppelschnittstelle for coupling out light from the sensor system to the camera of the computer device, wherein the sensor system comprises at least one optical Lichtleitpfad via which the decoupling interface with the coupling interface is optically, wherein in the Lichtleitpfad at least one sensor element is arranged, for the modification of the by the Lichtleitpfad guided light is dependent on an externally acting on the sensor system influencing size is set up.
  • WO 2014/107364 A1 describes a smartphone biosensor.
  • a smartphone is extended by appropriate external optical elements to detect results of a biomolecular assay.
  • the structure required for this is relatively complex, large and sensitive.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a set up for interacting with a mobile computing device optical sensor system, which has improved practicality.
  • This object is achieved in accordance with claim 1 by an optical sensor system that is set up to cooperate with a mobile computer device having at least one light source and at least one camera, wherein the sensor system has at least one coupling interface for coupling light from the light source of the computer device into the sensor system and at least one decoupling interface for decoupling light from the sensor system to the camera of the computer device, the sensor system having at least one optical waveguide path via which the decoupling interface is optically connected to the coupling interface, wherein at least one sensor element is arranged in the waveguide path is guided by the Lichtleitpfad guided light depending on an externally acting on the sensor system influencing variable, wherein the sensor system has a flat planar planar support structure into which the Einkoppelschnit tstelle, the decoupling interface, the elements of the Lichtleitpfades and the sensor element are structurally integrated and adjusted
  • the invention has the advantage that the optical sensor system together with the mobile computing device can be handled much easier to use and can be easily carried by the user due to the compact, planar structure. If, for example, a smartphone is used as a mobile computing device, this also essentially maintains its external dimensions when supplemented with the optical sensor system, because the sensor system can be made so compact that it barely bears up.
  • a further advantage of the invention is that the holding structure provides for a defined position of the individual elements integrated therein, in particular the coupling-in interface, the coupling-out interface, the elements of the optical waveguide path and the sensor element, which are held together in a fixedly predetermined optical arrangement. Accordingly, it does not lead to misalignments between these elements.
  • the mobile computing device may be a smartphone, or any other mobile or other type of mobile computing device, such as a laptop, tablet, portable media player (e.g., iPod), smartwatch, or the like.
  • a smartphone or any other mobile or other type of mobile computing device, such as a laptop, tablet, portable media player (e.g., iPod), smartwatch, or the like.
  • portable media player e.g., iPod
  • smartwatch or the like.
  • the influencing variable acting on the sensor system from the outside can be a physical, chemical and / or biochemical variable.
  • One, several or all of the structurally integrated into the planar support structure elements may in particular be releasably secured to the planar support structure, so that they can be replaced if necessary.
  • the sensor element can be designed as a one-way sensor, which can be exchanged.
  • the holding structure and / or the remaining elements can be reusable.
  • the sensor element arranged in the light guide path can in particular be an optical sensor.
  • the optical sensor is used to capture environmental parameters. With the aid of, for example, absorption, scattered light, reflection light, transmission light, fluorescent light, polarization light, refractive index measurements, quantum dots and / or the determination of the amplitude amplitude. Phase spectrum of light environmental parameters can be examined.
  • the optical sensor can be realized, for example, by means of plasmon, cavity, optical evanescent field, optical grating, photonic crystal, ring resonators or Fabry-Perot or Mach-Zehnder interferometer or as optode. Plasmon sensors can be realized eg by a gold, silver coating and / or nanostructuring (eg nanoparticles).
  • the nanoparticles can already be present on the sensor surface prior to the application of the sensor system or can only be applied to the sensor surface during the application of the sensor system.
  • an adhesive layer between the sensor and the be used and be integrated a lattice structure for phase matching.
  • Multiple optical sensors can be multiplexed serially and / or parallel along the optical waveguide, with wavelength division multiplexing applied.
  • lenses can be used to increase the coupling efficiency of the input and / or decoupling interface.
  • the sensor system may be designed in particular as a chip laboratory.
  • the coupling-in interface can have at least one coupling-in element, for example in the form of one or more coupling-in components.
  • the decoupling interface may include at least one decoupling member, for example in the form of one or more decoupling components.
  • a coupling-in component and / or a decoupling component can be realized by Fresnel / total reflection and / or light diffraction.
  • Coupling components and / or coupling-out components may be, for example, optical elements such as mirrors, prisms, beveled waveguides, optical gratings. Furthermore, nanoparticles can be used for optical coupling.
  • the efficiency of the coupling-in element and / or the coupling-out element can be optimized by means of a lens system and / or a tapering structure. Furthermore, the light polarization can be set and optimized by means of polarization filters as a supplement to the coupling-in component and / or coupling-out component. Moreover, by means of an optical grating as coupling element or by changing the color of the display at the location of the input coupler, light of a wavelength can be specifically coupled in.
  • the planar support structure may be formed of rigid or relatively flexible material.
  • the planar support structure may be flexible while retaining its flat planar property.
  • the planar support structure may be made of plastic, metal, natural materials such as wood or cork, of tex- tilmaterial or a combination thereof.
  • the sensor system can thereby be manufactured inexpensively. Due to the cost-effective production, the sensor system can also be provided as a disposable sensor system. This is particularly advantageous in applications with high hygiene requirements.
  • the light source of the mobile computing device may, for example, be a light source for illuminating the area detected by the camera of the computer device, for example in the form of a flashlight (white light source), an LED (light-emitting diode) or a similar component.
  • the light source may also be, for example, a display of the mobile computing device.
  • the light source can be designed as a multi-color light source. This has the advantage that specifically different wavelengths can be fed into the Lichtleitpfad. By appropriate software control, the wavelength can be changed at any time, so that only certain measurements are possible.
  • the camera of the mobile computing device may be a front, a rear, or a side camera.
  • the optical sensor system has only purely passive components, that is to say those components which do not require an electrical power supply.
  • This has the advantage that the optical sensor system can be realized without its own electrical energy source, which is additionally conducive to a compact, inexpensive and lightweight design of the sensor system.
  • the planar holding structure is formed as a thin, flat structure with two main surfaces facing away from each other, which are the outer surfaces of the holding structure with the largest surface area, the main surfaces being substantially parallel. lel to each other.
  • the sensor system can be designed to be particularly compact, so that it does not substantially extend beyond the mobile computing device connected thereto.
  • the planar support structure has a thickness which is substantially less than its width and length. This also makes the sensor system particularly compact, so that it does not stand much above the mobile computing device connected thereto.
  • the planar support structure with a thickness that is not greater than the thickness of the mobile computing device with which the optical sensor system is intended to interact.
  • the light guide path integrated in the planar support structure is designed for the substantially parallel light guide along the main surfaces of the planar support structure. This allows a good utilization of the available space in the in itself quite thin formed holding structure.
  • the light guide path has at least one optical waveguide laid in the planar support structure.
  • the optical waveguide can be designed, for example, as a glass fiber optical waveguide or similar optical waveguide, in particular as a flexible optical waveguide.
  • the optical waveguide can be composed of a core and a jacket, wherein the
  • the optical waveguide can be constructed as a slab, ridge, buried or fibre waveguide and can be single-mode or multi-mode.
  • the cross-sectional geometry of the optical waveguide can be circular or rectangular, wherein the core and cladding of the optical waveguide can consist, for example, of polymer, glass, silicon or air.
  • the Lichtleitpfad at least one in the arc, ie. arcuate, laid in the planar support structure optical fiber. In this way, the light can be returned from one light source of the computer device to the camera of the computer device via one and the same optical waveguide, even if these two elements of the computer device are arranged close to one another.
  • the Lichtleitpfad at least one coupling element for coupling the light in the Lichtleitpfad at the coupling interface and / or a decoupling element for decoupling the light from the Lichtleitpfad at the Auskoppelterrorismstelle, wherein the coupling element and / or the Auskoppelglied is set up deflecting light coupled in or coupled out in a direction perpendicular to a main surface, at least partially in the longitudinal extension direction of the optical waveguide path.
  • the light emission direction of the light source of a mobile computing device and / or the detection direction of the camera of a mobile computing device directed perpendicularly to a main surface can be adapted with little effort to the substantially parallel to the main surface verlau - fenden Lichtleitpfad.
  • the planar holding structure has at least one mechanical fixing means, which supports a correct arrangement and adjustment of the computer device relative to the sensor system.
  • the one or more fixing means which may be formed in particular as adjusting means, may be designed to fix the computer device on the sensor system by frictional engagement or positive engagement, for example in the form of latching means, as a clamping connection or as an adhesive connection.
  • the mechanical fixing means may comprise a spring loaded clamping system, eg similar to a clothes peg with which the planar support structure can be clamped to the computing device.
  • the sensor system is integrated in a protective cover of the computer device, a garment or in a package or designed as such.
  • the sensor system can be carried very inconspicuously and is therefore not perceived by the user as disturbing.
  • the optical waveguide is formed integrally with at least a part of the planar support structure.
  • the optical waveguide can be integrated into the support structure in a particularly favorable manner in terms of manufacturing technology.
  • the sensor system has a plurality of sensors arranged one behind the other in the same light guide path.
  • a plurality of sensor signals can be detected via a light-conducting path and different influencing variables can be sensed.
  • the several sensors arranged one behind the other can then be interrogated in multiplex mode. An extension of the computer device to additional light sources and / or cameras can be avoided.
  • the sensor system has a plurality of parallel light guide paths with at least one sensor element arranged in each light guide path.
  • a plurality of sensor signals can also be detected and different influencing variables can be sensed.
  • Multiple waveguides can also be operated without a waveguide coupler in parallel with an LED and camera
  • a multiplicity of parameters can be measured and / or cross sensitivities of the optical sensor structure can be compensated for, for example, with respect to temperature. Compensation of cross sensitivities, for example temperature and humidity, can also be realized via sensors already present in the computer device.
  • receptors both molecules of natural origin, such as. Antibodies and enzymes, as well as synthetically produced molecules, e.g. Aptamers are used.
  • low molecular weight molecules can also be immobilized on the sensor surface in order to bring about the desired specificity with respect to the analyte to be detected. Immobilization of these receptors on the sensor can be both covalent and adsorptive to the surface of the sensor.
  • the sensor element has at least one sensor region on which aptamers or other specificity-mediating receptors, such as for example antibodies, are arranged as receptors for the sensing of an analyte to be detected which specifically bind to the analyte to be detected.
  • aptamers or other specificity-mediating receptors such as for example antibodies
  • the aptamers or other specificity-mediating receptors have a high selectivity for the detection of certain analytes, they are therefore particularly suitable for the detection of certain diseases.
  • the aptamers have the advantage that they are more stable and thus permanently functional.
  • the arranged on the sensor surface aptamers or other specificity-mediating receptors such as antibodies bind the to be detected analytes and thereby lead to a change in the optical properties of the medium located above the sensor surface.
  • aptamers or other specificity-mediating receptors such as antibodies for signal amplification.
  • various modifications can be used which are able to influence the optical properties of the medium above the sensor surface, such as nanoparticles or dyes.
  • This provides a further possibility for amplifying the signal, which is particularly suitable for larger analytes such as proteins or cells.
  • the aptamers or other specificity-mediating receptors, such as antibodies are modified with gold nanoparticles. These modified receptors bind to the analyte bound by the aptamers present on the sensor surface or other other specificity-mediating receptors such as antibodies.
  • the modification eg gold nanoparticles
  • the sensor element is set up to sense a gas or gas mixture. This can be achieved, for example, by functionalizing the sensor element, which is based for example on a surface plasmon (SPR) sensor, with a metal oxide layer (doped or undoped) or with metal oxide layers (doped or undoped).
  • SPR surface plasmon
  • sensors can be used to detect hydrogen sulfide (H2S), carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (CO2) or to determine the air quality .
  • H2S hydrogen sulfide
  • CO carbon monoxide
  • CO2 carbon dioxide
  • serial / parallel multiplexing of multiple sensors with different metal oxide layers can improve the specificity to a gas be detected or with a eg smartphone-based sensor system several different gases.
  • the sensor element can be coated with a color change material or the waveguide core of the sensor element can be wholly or partly composed of the color change material.
  • the color change material consists of a polymer / dye matrix and color changes of the color change material correlate with gas concentration changes.
  • the sensor system can be set up for the detection of spectral properties of the received light. This is advantageous in particular when the sensor element is designed as an SPR sensor.
  • the spectral properties and / or the sensitivity of the SPR-based sensor system can be optimized, for example, by the core and / or mantle refractive index of the optical waveguide, by a metal alloy (eg silver / gold), by tapering of the SPR sensor element, by a dielectric intermediate layer between SPR sensor element and surrounding medium (functionalization), by a stack (stack of at least two dielectric layers) of different intermediate dielectric layers and / or two metal layers separated by a stack of dielectric interlayers.
  • the spectral properties and / or the sensitivity of the SPR-based sensor system can be optimized by the use of nanoparticles, in particular metal nanoparticles.
  • the sensor element can be realized with the aid of Bloch surface waves, for example by the fact that the sensor element is produced by means of a stack of dielectric layers.
  • the metallization of the sensor region and in particular of the sensor surface and / or the application of dielectric layers can be carried out, for example, by wet-chemical and / or cathode sputtering and / or electrode beam evaporation.
  • the sensor system has a Fourier-transform spectrometer for detecting the light modified by the sensor element.
  • the Fourier transform spectrometer (FT spectrometer) can be used in addition to or instead of a diffraction grating in the sensor system.
  • the FT spectrometer consists of an interferometer placed between the sensor system and the smartphone camera. The interferogram of the interferometer is recorded by means of the camera of the computer device. By calculating the inverse Fourier transform of the interferogram, the sensor spectrum can be determined.
  • the sensor system has a fluidics or microfluidics for guiding dissolved analytes towards the sensor element.
  • the sensor system can be designed as a chip laboratory, which is also compatible with liquid analytes.
  • the fluidics / microfluidics serve to guide the sample solution towards the optical sensor element.
  • the chip laboratory can contain buffer solutions which are mixed with the sample solution by means of the fluidics / microfluidics and the resulting solution is conducted with the fluidics / microfluidics towards the optical sensor element.
  • the buffer solution / buffer solutions can also be used for sensor regeneration.
  • those in the chip lab integrated buffer solution / buffer solutions for calibration of the optical sensor system are used, which is guided in advance of the sample solution by means of Fluid ik / Mikrofl uidik to the optical sensor.
  • the smartphone vibration alarm can be used to mix the sample solution and the buffer solution.
  • solids can also be provided in microfluidics. These could be, for example, buffer salts or else other solid reagents which come into contact with a liquid during the application of the sensor system and are thereby dissolved and transported to the sensor element.
  • nanoparticles and / or nanoparticles coated with specificity-mediating receptors, such as aptamers or antibodies may be included in microfluidics.
  • the sensor system has a cavity in the region of the sensor element which is designed as an absorption chamber with or without resonator properties.
  • the resulting absorption spectrum can be enhanced with the aid of metal nanoparticles or fluorescent labels which are located in the sample solution and can bind specifically to the targets, for example.
  • planar holding structure to be adjustable in at least one spatial dimension with regard to the effective size of its receiving area for the mobile computing device.
  • the sensor system or at least those parts of the sensor system that the
  • the light source and / or the camera cover, opposite the support structure hin- visibly adjustable in position.
  • the universal replaceability of the sensor system is further improved in differently designed mobile computer devices, in particular if different computer devices have the light source and / or the camera at different positions.
  • the coupling-in interface is composed of a plurality of 45-degree coupling elements arranged serially along the trapped / untaped optical waveguide, so that a uniform optical sensor system can be used for different mobile computing devices. Regions of the optical waveguide in which there is a change in cross section (taper) of the optical waveguide are referred to as "tapered.”
  • the coupling interface consists of a plurality of parallel 45-degree coupling elements and tapered optical waveguides Waveguide composed, wherein the 45-degree Einkoppelglieder can also be arranged slightly offset, so that a single optical sensor system can be used for different mobile computing devices.
  • the sensor system is composed of a plurality of parallel optical sensor systems, wherein the lengths of the plurality of parallel optical sensor systems vary, so that the respective coupling elements are located at different locations and thus always at least one optical sensor system optimally to the light source and Camera is aligned, even if the positions of these components vary depending on the mobile computing device.
  • the coupling-in interface and / or coupling-out interface consist of an optical Assemble grid with chirped grating period. In the area of a chirped grating period, the period changes along the optical path. This improves the suitability of the multiple wavelength optical grating.
  • the sensor system can be arched and / or placed obliquely (horizontally and / or vertically) in order to optimize the optical coupling depending on the type of smartphone (mobile computing device) to the sensor system.
  • the sensor system can be flexible or flexible.
  • the sensor system or at least those parts of the sensor system which cover the light source and / or the camera are matched in terms of their size and position to the mobile computing device such that the light source and / or the camera is only partially covered.
  • the light source and / or the camera of the mobile computing device can additionally be used for other purposes, for example to take photos without removing the sensor system.
  • a corresponding image processing software which may be installed on the mobile computing device or another computer device, the respective pixel rows and / or pixel columns, which are assigned to the sensor system, can be removed from recorded photos.
  • the smartphone protective cover can be designed such that the sensor system can be flexibly placed in front of the light source and camera of the smartphone. This allows the user to make flexible measurements or photos with the smartphone.
  • a displacement device could be provided for the flat-structure sensor structure in the smartphone protective cover.
  • the sensor system could be rigidly integrated into the smartphone protective cover and the decoupling of the sensor system are designed so that only a few pixel rows or pixel columns of the smartphone camera for sensor evaluation are necessary.
  • the said pixel rows or pixel columns are located on the edge of the smartphone camera, so that in the case of a conventional photo application, these pixel rows or pixel columns can be deleted from the image.
  • the sensor system in the coupling-in interface and / or in the decoupling interface has at least one 45-degree mirror produced by means of a 45-degree cutting method, subsequent hot stamping method and / or subsequent material processing. This allows a reliable and cost-effective production of the sensor system.
  • the evaluation of the data determined by the sensor system or of the image data recorded by the camera of the computer device can be carried out directly on the computer device itself or remotely on an external computer. Accordingly, for the evaluation of the data of the sensor system corresponding algorithms and software either directly on the
  • the invention also relates to a computer program for execution on a computer device interacting with the sensor system of the type described above or an external computer.
  • the computer program is set up to control the light source of the computer device in a modulated manner with a predetermined modulation scheme, and also with the light received by the camera demodulate a demodulation scheme associated with the modulation scheme.
  • This can be done for example by a pulsed control of the light source, for example by means of a secure, error-detecting coding.
  • the light source can be switched on and off periodically with a corresponding frequency.
  • the sensor sensitivity can be increased and / or the sensitivity to stray light (ambient light) can be reduced.
  • a plurality of measurements can be carried out sequentially and an average value can be formed and different measurements can be carried out sequentially.
  • the computer device can guide or assist the user about the correct application of the sensor system by means of a video played on the computer device.
  • the computer program for evaluating the sensor system may additionally include further data of the mobile computing device, such as GPS position.
  • GPS position may be e.g. be used to request prompt, local medical assistance, e.g. through an automatic emergency call.
  • the GPS position may be e.g. be used to further specify a diagnosis made by the sensor element, e.g. Disease patterns that are unlikely for the particular geographic region are excluded.
  • the computer program is set up to carry out a spectral analysis of the signal recorded by the camera.
  • the sensor element can also be evaluated spectrally directly with the camera of the mobile computer device. by, for example, the measured intensity values of the camera pixels with different spectral sensitivities are used for the evaluation.
  • FIG. 1 shows a mobile computer device and an optical sensor system in perspective view
  • Figures 6 and 7 different embodiments of an optical sensor system in side view
  • Figure 8 shows a mobile computing device, a holding device and an optical sensor system in perspective view
  • FIG. 9 shows a possible measuring principle of an aptamer-based sensor system and FIG. 10 shows a first production method for a sensor system and FIG
  • FIG. 11 shows a second production method for a sensor system
  • FIG. 12 shows a third production method for a sensor system and FIG. 13 shows possible design forms of a planar-optical sensor. sorsystems and
  • FIGS 15 to 17 further embodiments of the sensor system
  • FIG. 18 shows a sensor system for interacting with a smartphone protective cover
  • Figure 20 is a holding device for the sensor system.
  • Figure 21 sensor system in the form of a glass fiber and external optical components
  • FIGS. 2 to 7 the optical sensor system is shown partially cut in each case so that the elements integrated into the planar support structure become visible.
  • like reference numerals are used for corresponding elements.
  • FIG. 1 shows a mobile computer device 100, for example a smartphone, which has, for example, a display 101 and operating elements 102 on its front side. Furthermore, an optical sensor system 1 is shown, which is set up to cooperate with the mobile computing device 100.
  • the optical sensor system has a holder 10 into which the computing device 100 can be inserted accurately, for example, similar to a bumper for a smartphone.
  • the holder 10 has in a receiving area in which the computing device 100 is to be inserted, a planar support structure 1 1, the the holder 10 is limited downwards.
  • FIG. 1 shows, in particular, a coupling-in interface 3 for coupling light from the light source of the computer device 100 and a decoupling interface 4 for decoupling light from the sensor system 1 to the camera of the computer device 100.
  • planar holding structure 1 1 is formed as a thin, flat structure with two main surfaces 12, 14 facing away from one another.
  • the planar holding structure 1 1 is shown in a first embodiment in Figure 2 in plan view, wherein the planar support structure 1 1 is opened so far that the optical components disposed therein as shown in Figure 2 are visible. It can be seen that starting from the coupling-in interface 3, a light-conducting path 2, formed by an optical waveguide, is led downwards and guided back to the coupling-out interface 4 via a 180 ° bend.
  • a sensor element 5 is arranged, which is also referred to below as a sensor. Light is fed from the light source 7 of the computer device 100 into the light guide path 2 via the coupling interface 3, guided by the sensor 5, and the outgoing light is supplied to the camera 8 of the computer device 100 via the coupling-out interface 4.
  • the light is not guided through the sensor 5 as in the first embodiment (transmission principle), but it is reflected by the sensor 5 (reflection principle). Therefore, in this embodiment, the light is guided from the light source 7 via the coupling interface 3 via the optical waveguide 2 to the sensor 5 via a waveguide coupler 6. The light reflected there is guided via the light guide 2 and the wave coupler 6 to Auskoppelschnittstelle 4 and can be recorded accordingly via the camera 8.
  • a plurality of optical sensors 5, in this case five pieces, are arranged one behind the other in the same light guide path 2. The signal detection in the computer device 100 via optical multiplexing.
  • a plurality of optical paths for example two optical paths 2, are arranged parallel to one another.
  • at least one sensor 5 is arranged.
  • the light guide paths 2 can be connected via a respective waveguide coupler 6 to the coupling-in sections 3 or to the coupling-out interface 4.
  • the parallel light paths could each have their own decoupling interface but a common coupling interface.
  • the optical sensor system 1 can also be realized in the form of a ridge waveguide (FIG. 6) or buried waveguide (FIG. 7).
  • FIG. 6 shows a light guide path 2 in the form of an optical waveguide, which is applied to a substrate 9, which serves as a support structure.
  • a sensor 5 is arranged in the light guide 2, in turn, a sensor 5 is arranged.
  • the coupling-in interface 3 has a coupling-in element 3a designed as a bevel of the optical waveguide, by means of which incident light 13 is deflected.
  • the decoupling interface 4 has as a decoupling member on a chamfer 4a of the optical waveguide, via which the light is deflected again. Further, the decoupling interface 4 as an additional decoupling an optical grating 4b (diffraction grating), with which the light can be divided into corresponding spectral components, so that the camera 8 of the computer device 100 can be used as a spectrometer.
  • a light-conducting path 2 is embedded in the substrate 9, which serves as a holding structure.
  • the sensor 5 is embedded in the light guide path and the substrate 9.
  • the coupling-in interface 3 for incident light 13 has a coupling-in element in the form of an optical grating 3a.
  • the decoupling interface 4 has a decoupling member in the form of an optical grating 4a.
  • the illustrated courses of the light guide paths 2 are given by way of example only. Depending on the realization of the sensor system, the gradients may look different.
  • the sensor 5 or the plurality of sensors 5 can be arranged at arbitrary positions along the optical guide path, not only at the positions exemplified in the exemplary embodiments.
  • the decoupling interface 4 is used to couple the Lichtleitpfads 2 with the camera 8 of the computer device 100, wherein both the camera on the front and back can be used.
  • the decoupling member may e.g. composed of a prism, mirror and / or optical grating.
  • a 45 ° beveled waveguide can be used with / without optical grating, u.a. the light is deflected by total reflection.
  • the light from the optical waveguide can be spatially separated spectrally and thus the spectral behavior of the optical sensor structure can be investigated with the smartphone camera.
  • FIG. 8 shows a modified embodiment of the invention shown in FIG.
  • the holder 10 has on its support surface 16 a receiving region 17 for the sensor system 1.
  • the sensor system 1 is formed as a separate unit with an in turn existing planar support structure 1 1 which, together with the further components 3, 4 arranged therein or thereon, enters the receiving area 1 7. can be set.
  • the optical components of the sensor system 1 can be produced, for example, by a printing method, photolithography, microreplication, laser material processing and / or a combination of the methods mentioned.
  • polymeric optical components can be made by flexographic printing, offset printing or ink jet printing.
  • flexographic printing offset printing or ink jet printing.
  • Microre attacks takes place the transmission of the optical components in a substrate by means of a nanostructured stamp.
  • the structure transfer can be effected, for example, by reaction injection molding, injection molding, injection compression molding, hot embossing, thermoforming or nanoimprint lithography.
  • hot embossing of micro-optical structures in polymeric substrates is a common procedure. In an evacuated environment, a thermoplastic is heated to its viscoelastic state and pressed into a nanostructured stamp. The demolding then takes place after cooling. For hot stamping, almost all thermoplastics and thermoplastic elastomers can be used.
  • the laser material processing includes, for example, the production of optical waveguides by laser-induced refractive index change on the surface or in the volume of, for example, polymer substrates or the production of microoptical structures by laser ablation.
  • optical waveguide structures can be written in polymer by means of a photomask and an excimer laser or by the maskless laser direct writing method, for example by means of femtosecond lasers.
  • the three-dimensional structuring of the optical sensor structure in plastics can be carried out by two-photon polymerization (2PP).
  • the optical components can also be made by laser-induced refractive index changes on the surface or in the volume of glass substrates.
  • the ion exchange process could be used to fabricate optical devices in glass.
  • the coupling-in interface 3 and the decoupling interface 4 and the optical waveguides can first be prepared or prepared by micro-replication, in order subsequently by the entry of a higher refractive index polymer or a glass fiber or by the waveguide printing or by the Lasermaterialpro- zesstechnik complete the manufacturing process of the optical beam path.
  • the sensor structure is optionally functionalized in accordance with the target parameter or the target parameters.
  • a surface plasmon sensor system based on an optical glass fiber for environmental analysis for smartphones has been developed.
  • the optical glass fiber used was a 25 cm long 400 ⁇ m plastic cladding silica (PCS) fiber. Both ends of the glass fiber were ground at 45 ° to perpendicularly couple light through total reflection into the glass fiber.
  • the surface plasmon sensor was realized by an approximately 1 cm long silver coating of the glass fiber core, at which point the fiberglass jacket was removed in advance.
  • a holographic PDMS diffraction grating between glass fiber end and smartphone camera the spectral components of the smartphone LED were displayed spatially separated on the smartphone camera.
  • the resonance of the surface plasmon sensor can be detected and changes in the environmental refractive index can be measured by shifting the resonance.
  • a sensitivity of 5.96-10 ⁇ 4 refractive index units / pixel could already be achieved.
  • a disposable device Possible future applications of such a disposable device would be, for example, a pregnancy test, lactate test or blood glucose monitoring.
  • Another field of application of the disposable chip laboratory may be in travel medicine.
  • new products can be developed with the help of the combination of smartphone and a sensor system.
  • the disposable chip may e.g. used to diagnose and monitor malaria infections.
  • the disposable chip can be used to diagnose heart attacks or food poisoning on holiday trips. Since in a heart attack in addition to severe chest pain and an increased concentration of enzymes and proteins (biomarkers) of the dying heart muscle are present in the blood, by detecting these biomarkers the patient can be warned and directed with the help of GPS location data to the nearest emergency room or the ambulance be led to the patient.
  • biomarkers enzymes and proteins
  • a sensor system which is integrated, for example, in a smartphone protective cover, environmental parameters or person-specific parameters can be monitored. Possible applications may be the continuous determination of ammonia and / or methane content in agriculture. Transmitters for ammonia or methane can be polyanilines or PDMS. brought Cryptophane A molecules to be used. Furthermore, with the sensor system air humidity, carbon dioxide, oxygen or nitrogen can be measured and thus the room climate can be monitored. Furthermore, a sensor system with integrated dosimeter for measuring X-radiation can be developed. On the basis of a spectral attenuation and / or fluorescence measurement by means of, for example, PMMA fiber with / without a scintillator, energy doses of X-rays can be measured.
  • the radiation exposure of radiologists can be determined hereby, and thus the smartphone dosimeter can be a cost-effective alternative to existing personal dosimeters.
  • smartphone users can measure their UV light exposure to sunlight and protect themselves from sunburn.
  • the smartphone protective cover can also be integrated into garments, wherein the garment is provided with fiber optic sensors. The smartphone protective cover thus serves to connect the smartphone to the fiber optic sensor system in the garment. Possible applications here are, for example, the monitoring of neonatal respiration by means of a fiber-optic strain-sensor-equipped upper part in order to detect a possible respiratory arrest, or the measurement of the blood pressure with a smartphone sphygmomanometer.
  • Optical waveguides and waveguide sensors in polymer substrates used in Combined with a mobile computing device can be used as a one-way lab for patient-related laboratory diagnostics. Since both the smartphone LED (s) or the display and the smartphone camera (on the front or back) are used as the light source or detector, no active components are required to operate the disposable chipboard. This results in a cost advantage compared to the prior art.
  • aptamers are immobilized as specificity-mediating receptors on the sensor surface.
  • Aptamers are single-stranded DNA or RNA oligonucleotides that can be used in an iterative in vitro selection process called SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment) against any desired target structures such as proteins, low molecular weight compounds or even whole ones Cells can be generated.
  • SELEX Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment
  • the aptamers can, for example, be coupled chemically via linker molecules on the sensor surface, applied by means of self-assembled monolayers (sol.
  • Assimilated monolayers) of thiol-modified aptamers hybridized to immobilized oligonucleotides complementary to sections of the aptamer, or else also be bound purely adsorptive on the sensor surface.
  • the specific binding of the analyte to be detected to the aptamer can either lead directly to a change in the refractive index over the sensor surface or else indirect methods for generating a refractive index change can be used.
  • An exemplary possibility for the indirect generation of a refractive index change which in particular also suitable for the analysis of small molecules, consists in the use of oligonucleotides which are complementary to the target binding site of the aptamer.
  • the aptamer 90 is immobilized on the sensor surface 50 of the sensor element 5 and subsequently hybridized with the oligonucleotide 91 complementary to the target binding site of the aptamer 90, see Figure 9 (A) on the left.
  • the target 92 binds to the aptamer 90 and displaces the oligonucleotide 91 from the aptamer 90, see Figure 9 (A) right.
  • the displacement of the oligonucleotide leads to a measurable change in the refractive index. In addition to this sequential sequence of 1.
  • Hybridization of the complementary oligonucleotide and displacement of the oligonucleotide by the target it is also possible to bring in a directly competitive approach, the immobilized aptamer with a mixture of the oligonucleotide and the target in contact.
  • the amount of the hybridized oligonucleotide and thus the change in the refractive index is dependent on the concentration of the target.
  • aptamers as specificity-mediating receptors for the functionalization of the sensor surface was exemplified by the example of the aptamer-based detection of ethanolamine.
  • a silver-coated fiber-optic sensor was first modified with mercapto-undecanoic acid (MUA) as a linker molecule.
  • MUA mercapto-undecanoic acid
  • the MUA modification was then activated with a mixture of 100 mM 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropy) carbodiimide (EDC) and 100 mM N-hydroxysuccinimide (NHS) in 50 mM 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES) ,
  • EDC 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropy) carbodiimide
  • NHS N-hydroxysuccinimide
  • MES N-morpholino
  • the 5 '-terminal amino-modified aptamer was EA # 14.3 (100 ⁇ in 50 mM MES), which is directed against ethanolamine bonded to the activated surface.
  • the sequence of the aptamer used is:
  • the SPR sensor can be functionalized with aptamers while retaining their binding properties, and the SPR-based aptasensor generated in this way is able to detect even smaller molecules with only minor changes to the sensor surface to lead.
  • FIG. 9 (A) shows a schematic representation of the measuring principle.
  • the aptamer 90 is immobilized on the sensor 5 and a complementary oligonucleotide 91 is hybridized to the aptamer 90.
  • This oligonucleotide is displaced by ethanolamine, which reduces the optical density over the sensor 5. This can be read out as a shift of the resonance. Shifts in resonance during functionalization of the sensor and detection of ethanolamine are seen in Figure 9 (B).
  • Figure 9 (B) shows a shift of 6.7 nm was observed.
  • Hybridization of the oligonucleotide also resulted in a red Displacement of the resonance by 7 nm, as can be seen in Figure 9 (C).
  • the displacement of the oligonucleotide by ethanolamine (10 ⁇ ) resulted in a blue shift of the resonance by 2.2 nm, as can be seen in Figure 9 (D).
  • the time course of this shift shows that even after less than 30 minutes, a clear signal is obtained, as can be seen in FIG. 9 (E).
  • the embodiment of the sensor for aptamer-based detection of ethanolamine shown here represents an example for the detection of a small molecule.
  • aptamers specific to other small molecules such as e.g. Antibiotic, toxin, or other bind and corresponding oligonucleotides complementary to the binding site of the aptamers used can be used to realize sensors of any specificity.
  • the aptamer-based sensors can also be used to detect larger analytes, e.g. Proteins, viruses, bacteria or others are designed.
  • a complementary oligonucleotide can be dispensed with if the aptamer-mediated binding of the analyte to the sensor surface results in a sufficiently large change in the optical properties of the medium over the sensor surface.
  • larger analytes e.g. Proteins, viruses, bacteria or other signal amplification measures are also used.
  • Aptamer-modified nanoparticles are used, which bind to the aptamers bound to the sensor surface analyte.
  • the nanoparticles are positioned near the sensor surface and serve for signal generation and / or amplification.
  • FIGS. 10 and 11 Exemplary manufacturing steps for a possible design of the sensor system are shown in FIGS. 10 and 11.
  • the basic structure of the sensor system is thermoformed in a polymer base substrate 97 by means of two stamping dies 95, 96 (hot stamping method with heat supply 98).
  • the waveguide and coupler ground structure is using of the lower punch 96.
  • the upper punch 95 could create a recess 80 in the polymer base substrate 97 which later serves as the analysis window of the sensor, in which case the analysis window 83 defines the region of interaction between the optical sensor and the environment (or functionalization).
  • polymer base substrate 97 polymethyl methacrylate
  • the basic structure of the planar optical waveguide now present in the polymer base substrate 97 can be metallically coated, for example by means of sputtering or vapor deposition methods 94.
  • the metal coating could be used to realize the optical couplers and to make the SPR sensor.
  • all other areas could be masked via a mask 99.
  • the base structure of the waveguide of the polymer base substrate 97 is given liquid monomer 84, which has a higher refractive index than the polymer base substrate and can be cured, but not necessarily, by UV irradiation and forms the optical waveguide core after polymerization (Ste 5).
  • a bottom substrate 85 which has a lower refractive index than the optical waveguide core, with a force F 78 of a few kN on the
  • the bottom substrate 85 could already contain the grating structure 86 for the spectrometer, which was previously produced for example by means of hot embossing or material processing (eg ablation by means of an excimer laser).
  • the grid could also be subsequently introduced at the end of step 6 or at the end of the manufacturing process, for example by means of hot stamping or material processing in the bottom of the Bodensubtrat.
  • the waveguide core and the bottom substrate could be applied, for example by means of spin coating, and / or, if necessary, the grating could be subsequently introduced into the underside of the bottom substrate.
  • the upper punch 95 is removed and, if necessary, then in step 8, the remaining layer on the analysis window 83 of the optical sensor can also be removed and the analysis window can be uncovered.
  • the exposure of the analysis window of the optical sensor can be carried out, for example, by means of an oxygen plasma 87.
  • an excimer laser Laserbla- tion
  • solvents such as chloroform or toluene
  • the exposure could also be masked.
  • the optical sensor may be polarization sensitive.
  • an unpolarized light source of the computer device can be linearly polarized.
  • a polarizer for example in the form of an iodine-doped polyvinyl alcohol (PVA) film, for example between the light source and the coupling interface
  • PVA polyvinyl alcohol
  • the soil substrate is prepared according to step 5 and may include a grid on the top and / or bottom. Furthermore, a metal film could alternatively be applied on top of the bottom substrate. In this case, the metal coating at the location of the analysis window of the optical sensor in step 4 would no longer be necessary. However, in step 8, the exposure of the analysis window of the optical sensor on the underside of the planar optical sensor system would have to be made.
  • the optical grating could also be processed after production by means of appropriate material processing. tion method can be generated in the bottom of the planar optical sensor system.
  • the recess 80 is produced on the upper side of the polymer base substrate 97 by means of the upper punch 95; in the method according to FIG. 11, the cutout 80 is produced on the lower side of the polymer base substrate 97 by means of the lower punch 96.
  • FIG. 1 Another possible manufacturing method is shown in FIG. First, the basic structure (with / without grating) of the optical light path is molded into a polymer base substrate 97 and the waveguide core material 88 is introduced, for example by means of racking or spin coating (steps 1-4).
  • the top surface of the waveguide 88 may be coated with a metal or metal alloy 94 (the masking may be masked by a mask 99) and another polymer substrate 89 on top of the waveguide 88 be placed and pressed by two punches 70, 71.
  • the polymer substrate 89 may, for example, be applied by means of hot embossing or gluing methods and may already include a recess 80 for the analysis window of the optical sensor.
  • the polymer substrate 89 can also be applied on the upper side by means of spin coating, and the cutout 80 for realizing the analysis window 83 can be produced, for example, with the aid of a mask and a plasma.
  • the 45 ° optical coupling members 72, 73 could be fabricated using a bevel technique, a cutting process, a post hot stamping process, or material processing techniques.
  • the polymer substrate 89 on the upper side could already include a recess 80 for the analysis window of the optical sensor. Subsequently, the coating of the optical waveguide could be effected at the location of the recess with a metal or a metal alloy 94 and the production of the optical coupling elements.
  • the 45 ° optical coupling members 72, 73 could be fabricated using a bevel technique, a cutting process, a post hot stamping process, or material processing techniques. Alternatively, first the optical 45 ° coupling members could be produced and then the coating with a metal or a metal alloy, so that the optical coupling 45 ° members are also coated. Steps 1 1 -14: As an alternative to steps 5-7, first of all the polymer substrate 89 on the upper side could also be applied by hot embossing, gluing and / or spin coating. The recess 80 for the analysis window of the optical sensor could subsequently be produced, for example, with the aid of a mask 99 and a plasma 74.
  • the coating of the optical waveguide at the location of the recess could be made with a metal or a metal alloy 94 and the production of the optical coupling elements.
  • the 45 ° optical coupling members 72, 73 could be made by a grinding technique, a cutting method, a post hot stamping method, or a material processing method. Alternatively, first the optical 45 ° coupling members could be produced and then the coating with a metal or a metal alloy, so that the optical coupling 45 ° members are also coated.
  • the corresponding functionalization of the sensor element 5 takes place in the region of the analysis window and, in the case of a chip laboratory, the application of a fluid. Idik / microfluidics.
  • the fluidics / microfluidics can be used to functionalize the optical sensor.
  • the fluidics / microfluidics could already be integrated in the polymer base substrate 97 and / or bottom substrate 85 or integrated into the polymer base substrate 97 and / or bottom substrate 85 during the production of the optical sensor system.
  • FIG. 10 to 12 Further possible designs of the planar-optical sensor system are shown in FIG. These can be produced by a corresponding combination of different working steps of the production method shown in FIGS. 10 to 12.
  • FIGS. 10-12 can also be used to produce an optical sensor system with a plurality of serially and / or parallel nested optical sensors.
  • the illustrated sensor surfaces may be modified prior to functionalization, e.g. by chemical treatment to influence the properties of the surface (hydrophobicity, unspecific binding, etc.).
  • FIGS. 10-13 show, by way of example, optical sensors based on surface plasmons.
  • optical sensors By exposing the metal coating to the location of the optical sensor, other optical sensors such as an evanescent field optical sensor or Mach-Zehnder waveguide sensor could also be realized.
  • the 45 ° coupling elements shown in FIGS. 10-13 can also be designed to be parabolic in order to optimize the light coupling between the optical sensor system and the external light source or the camera.
  • the design forms illustrated in FIGS. 10-13 may also include taper structures and / or waveguide couplers. Waveguide couplers are, inter alia, necessary for realizing a Mach-Zehnder waveguide sensor and can furthermore be used for coupling a plurality of parallel waveguide sensors to a coupling interface.
  • the design forms illustrated in FIGS. 10-13 may also be formed without an optical grating 86.
  • optical waveguides of the design forms shown in Figures 10-13 may also be arcuate and the recesses for the sensor element may be any three-dimensional structure.
  • FIG. 14 shows further possible design forms and arrangements of the input and output coupling interface of the sensor system.
  • the coupling-in interface 3 is composed of a plurality of 45-degree coupling elements arranged serially along the stacked / untaped optical waveguide, so that a uniform optical sensor system can be used for different smartphones or mobile computing devices.
  • a sensor system consists of a plurality of parallel sensor systems, the lengths of the optical sensor systems vary, so that the respective coupling interfaces are at different locations and thus always at least one optical sensor system is optimally aligned with the light source 7 and camera 8, even if the position of these components vary depending on the smartphone or mobile computing device.
  • the coupling-in interface 3 is composed of a plurality of parallel 45-degree coupling-in elements and tapered optical waveguide, wherein the 45-degree coupling elements can also be arranged slightly offset.
  • the following is used with the reference symbols used there: 72 optical 45 ° coupling element
  • FIG. 15 shows a sensor system 1 produced according to one of the production methods explained above and its arrangement on a mobile computing device 100.
  • FIG. 16 shows an embodiment of the sensor system with holding device, which is particularly compact and only covers part of the computer device 100.
  • holding clips 150 are provided, which fix the holding device with sensor system 1 by passing over the front side of the computer device 100 thereon.
  • FIG. 17 shows an embodiment of the sensor system with holding device, which has a projecting measuring tip 106 and covers only a part of the computer device 100.
  • holding clips 150 are provided, which fix the holding device with sensor system 1 by passing over the front side of the computer device 100 thereon.
  • FIG. 18 shows on the left a protective cover 103 for a computer device 100, eg for a smartphone.
  • the protective cover 103 is shown in the left-hand illustration of FIG. 16 from the rear side, so that it can be seen that a corresponding notch 104 for positioning and / or fixing the back of the protective cover 103 is provided on the rear side Holding device with sensor system 1 is provided thereto.
  • FIG. 16 shows in the middle the protective sheath 103 from the front side with a computer device 100 inserted therein. At the rear, the sensor system 1 can be attached to the protective cover 103 with a holding device, as shown on the right in FIG. 16.
  • the sensor system 1 with holding device has a shape corresponding to the notch 104, which is assigned as a counterpart, so that the sensor system 1 with holding device can be used in conjunction with a computer device 100 arranged in the protective cover 103.
  • the sensor system can be permanently or replaceably connected to the holding device.
  • the sensor system 1 can be designed in the form of a disposable chip laboratory, which can be replaceably fixed in the holding device.
  • lenses and / or an optical grating or an FT spectrometer could be permanently installed in the holding device, so that the sensor system 1 does not need to include these components and can therefore be realized in a particularly cost-effective manner.
  • FIG. 19 again shows a protective cover 103 from the front, with a computer device 100 inserted into the protective cover.
  • the protective cover 103 has a notch 104 which is arranged on the front side. This enables a positioning and / or fixing of the sensor system 1 on the front side of the computer 100.
  • FIG. 17 shows a notch 104 in the area of the camera 8 of the computer 100, but the notch may also be e.g. the light source 7 of the computer device 100 additionally release. Alternatively or additionally, the display 101 of the computer device 100 can be used as the light source.
  • FIG. 20 shows a holding device, for example with or without a magnetic attachment, in the form of a frame 105 which can be fastened, for example, to the back of a computer device 100, eg by gluing.
  • This holding device 105 serves for positioning and / or fixing of the sensor system. In this case, no separate protective cover for positioning and / or fixing of the sensor system to the computer device is required.
  • FIG. 21 shows the sensor system 1 in the form of a glass fiber 2 with a 45-degree input and output interface 72, 73 and external optical grating 86 (diffraction grating).
  • the external optical grating 86 could still include lenses.
  • the 45-degree input and output interfaces 72, 73, the optical grating 86 as well as lenses could be integrated in a separate polymer chip, which could serve as a coupling element between optical fiber with sensor element (s) and mobile computing device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem, das eingerichtet ist zum Zusammenwirken mit einem mobilen Computergerät, das wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens eine Kamera aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens eine Einkoppelschnittstelle zur Einkopplung von Licht von der Lichtquelle des Computergeräts in das Sensorsystem und wenigstens eine Auskoppelschnittstelle zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem zur Kamera des Computergeräts aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens einen optischen Lichtleitpfad aufweist, über den die Auskoppelschnittstelle mit der Einkoppelschnittstelle optisch verbunden ist, wobei in dem Lichtleitpfad wenigstens ein Sensor angeordnet ist, der zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem einwirkenden physikalischen Größe eingerichtet ist, wobei in dem Lichtleitpfad wenigstens ein Sensor angeordnet ist, der zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem einwirkenden Einflußgröße eingerichtet ist, wobei das Sensorsystem eine flachbauende planare Haltestruktur aufweist, in die die Einkoppelschnittstelle, die Auskoppelschnittstelle, die Elemente des Lichtleitpfades und das Sensorelement baulich integriert und in fest vorgegebener optischer Anordnung zueinander justiert sind.

Description

Optisches Sensorsystem
Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem, das eingerichtet ist zum Zu- sammenwirken mit einem mobilen Computergerät, das wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens eine Kamera aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens eine Einkoppelschnittstelle zur Einkopplung von Licht von der Lichtquelle des Computergeräts in das Sensorsystem und wenigstens eine Auskoppelschnittstelle zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem zur Kamera des Computergeräts aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens einen optischen Lichtleitpfad aufweist, über den die Auskoppelschnittstelle mit der Einkoppelschnittstelle optisch verbunden ist, wobei in dem Lichtleitpfad wenigstens ein Sensorelement angeordnet ist, der zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem ein- wirkenden Einflussgröße eingerichtet ist.
In der WO 2014/107364 A1 wird ein Smartphone-Biosensor beschrieben. Hierbei wird ein Smartphone durch entsprechende externe optische Elemente dazu erweitert, Ergebnisse eines biomolekularen Assays zu erkennen. Der hierfür er- forderliche Aufbau ist jedoch relativ komplex, groß und empfindlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein zum Zusammenwirken mit einem mobilen Computergerät eingerichtetes optisches Sensorsystem anzugeben, das eine verbesserte Praxistauglichkeit hat. Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein optisches Sensorsystem, das eingerichtet ist zum Zusammenwirken mit einem mobilen Computergerät, das wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens eine Kamera aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens eine Einkoppelschnittstelle zur Einkopplung von Licht von der Lichtquelle des Computergeräts in das Sensorsystem und wenigstens eine Auskoppelschnittstelle zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem zur Kamera des Computergeräts aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens einen optischen Lichtleitpfad aufweist, über den die Auskoppelschnittstelle mit der Einkoppelschnittstelle optisch verbunden ist, wobei in dem Lichtleitpfad wenigstens ein Sensorelement angeordnet ist, das zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem einwirkenden Einflussgröße eingerichtet ist, wobei das Sensorsystem eine flachbauende planare Haltestruktur aufweist, in die die Einkoppelschnittstelle, die Auskoppelschnittstelle, die Elemente des Lichtleitpfades und das Sensorelement baulich integriert und in fest vorgegebener optischer Anordnung zueinander justiert sind.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass das optische Sensorsystem zusammen mit dem mobilen Computergerät wesentlich bedienungsfreundlicher gehandhabt werden kann und aufgrund des kompakten, planaren Aufbaus einfacher vom Benutzer mitgeführt werden kann. Wird als mobiles Computergerät beispielsweise ein Smartphone verwendet, behält dieses auch bei Ergänzung mit dem optischen Sensorsystem seine äußeren Maße im Wesentlichen bei, weil das Sensorsystem derart kompakt bereitgestellt werden kann, dass es kaum auf- trägt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Haltestruktur für eine definierte Lage der einzelnen darin integrierten Elemente sorgt, insbesondere die Einkoppelschnittstelle, die Auskoppelschnittstelle, die Elemente des Lichtleitpfads und das Sensorelement, die in fest vorgegebener optischer Anordnung zueinander gehalten werden . Dementsprechend kommt es nicht zu Dejustierungen zwischen diesen Elementen.
Das mobile Computergerät kann, wie erwähnt, ein Smartphone sein, oder jedes andere Mobiltelefon oder mobile Computergeräte sonstiger Art, wie zum Beispiel Laptop, Tablet, tragbares Medienabspielgerät (z.B. iPod), Smartwatch oder ähnliches.
Die von außen auf das Sensorsystem einwirkende Einflussgröße kann eine physikalische, chemische und/oder biochemische Größe sein. Eines, mehrere oder alle der in die planare Haltestruktur baulich integrierten Elemente können insbesondere lösbar an der planaren Haltestruktur befestigt sein, so dass sie im Bedarfsfall ausgetauscht werden können. So kann das Sensorelement beispielsweise als Einwegsensor ausgebildet sein, der ausgetauscht werden kann. Die Haltestruktur und/oder die übrigen Elemente können dabei wiederverwendbar sein.
Das in dem Lichtleitpfad angeordnete Sensorelement kann insbesondere ein optischer Sensor sein. Der optische Sensor dient zur Erfassung von Umgebungsparametern. Mit Hilfe von beispielsweise Absorptions-, Streulicht-, Refle- xionslicht-, Transmissionslicht-, Fluoreszenzlicht-, Polarisationslicht-, Brechzahlmessungen, Quantenpunkte und/oder der Bestimmung des Amplitudenbzw. Phasenspektrums des Lichts können Umgebungsparameter untersucht werden. Der optische Sensor kann z.B. mittels Plasmonen, Kavität, optischem Evaneszensfeld, optischem Gitter, Photonic Crystal, Ring-Resonatoren oder Fabry-Perot bzw. Mach-Zehnder Interferometer oder als Optode realisiert werden. Plasmonensensoren können z.B. durch eine Gold-, Silberbeschichtung und/oder Nanostrukturierung (z.B. Nanopartikeln) realisiert werden. Im Falle von Nanopartikel-basierten Plasmonen-Sensoren können die Nanopartikel bereits vor der Anwendung des Sensorsystems auf der Sensoroberfläche vorliegen o- der erst während der Anwendung des Sensorsystems auf die Sensoroberfläche aufgebracht werden. Weiterhin kann eine Haftschicht zwischen Sensor und Me- tallbeschichtung eingesetzt werden und eine Gitterstruktur zur Phasenanpassung integriert werden. Mehrere optische Sensoren können seriell und/oder parallel entlang des optischen Wellenleiters gemultiplext werden, wobei Wellen- längenmultiplexing angewendet werden kann. Weiterhin können Linsen zur Er- höhung der Koppeleffizienz der Ein- und/oder Auskoppelschnittstelle eingesetzt werden.
Das Sensorsystem kann insbesondere als Chiplabor ausgebildet sein. Die Einkoppelschnittstelle kann wenigstens ein Einkoppelglied aufweisen, zum Beispiel in Form von einem oder mehreren Einkoppelbauteilen. Entsprechend kann die Auskoppelschnittstelle wenigstens ein Auskoppelglied enthalten, zum Beispiel in Form von einem oder mehreren Auskoppelbauteilen. Ein Einkoppelbauteil und/oder ein Auskoppelbauteil kann durch Fresnel-/Totalreflektion und/oder Lichtbeugung realisiert werden. Einkoppelbauteile und/oder Auskoppelbauteile können zum Beispiel optische Elemente wie Spiegel, Prisma, abgeschrägter Wellenleiter, optisches Gitter sein. Weiterhin können Nanopartikel zur optischen Kopplung eingesetzt werden. Die Effizienz des Einkoppelglieds und/oder des Auskoppelglieds kann mittels eines Linsensystems und/oder einer Taper-Struktur optimiert werden. Weiterhin kann mittels Polarisationsfilter als Ergänzung zum Einkoppelbauteil und/oder Auskoppelbauteil die Lichtpolarisation eingestellt und optimiert werden. Durch ein optisches Gitter als Einkoppelglied oder durch Änderung der Farbe des Dis- plays am Ort des Eingangskopplers kann außerdem gezielt Licht einer Wellenlänge eingekoppelt werden.
Die planare Haltestruktur kann aus biegesteifem oder relativ flexiblem Material gebildet sein. Insbesondere kann die planare Haltestruktur biegsam sein und behält dabei ihre flachbauende planare Eigenschaft bei. Die planare Haltestruktur kann aus Kunststoff, Metall, Naturmaterialien wie Holz oder Kork, aus Tex- tilmaterial oder einer Kombination daraus bestehen.
Das Sensorsystem kann hierdurch kostengünstig hergestellt werden. Aufgrund der kostengünstigen Herstellung kann das Sensorsystem auch als Einweg- Sensorsystem bereitgestellt werden . Dies ist insbesondere in Einsatzfällen mit hohen Hygiene-Anforderungen vorteilhaft.
Die Lichtquelle des mobilen Computergeräts kann zum Beispiel eine Lichtquelle zur Erhellung des von der Kamera des Computergeräts erfassten Bereichs sein, zum Beispiel in Form eines Blitzlichts (Weißlichtquelle), einer LED (Leuchtdiode) oder einem ähnlichen Bauteil . Die Lichtquelle kann zum Beispiel auch ein Display des mobilen Computergeräts sein . Insbesondere kann die Lichtquelle als Mehrfarb-Lichtquelle ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass gezielt unterschiedliche Wellenlängen in den Lichtleitpfad eingespeist werden können. Durch entsprechende Softwaresteuerung kann die Wellenlänge jederzeit geändert werden, so dass hierdurch erst bestimmte Messungen möglich werden. Die Kamera des mobilen Computergeräts kann eine frontseitige, eine rückwärtige oder eine seitlich angeordnete Kamera sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das optische Sensorsystem lediglich rein passive Bauelemente auf, das heißt solche Bauelemente, die keine elektrische Energieversorgung benötigen. Dies hat den Vorteil, dass das optische Sensorsystem ohne eigene elektrische Energiequelle realisiert werden kann, was zusätzlich förderlich für eine kompakte, kostengünstige und leichte Ausführung des Sensorsystems ist. Zudem entfällt ein Wechseln o- der Nachladen elektrischer Energieversorgungsbauteile.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die planare Haltestruktur als dünne, flache Struktur mit zwei voneinander abgewandten Haupt- Oberflächen ausgebildet, die die äußeren Oberflächen der Haltestruktur mit dem größten Flächeninhalt sind, wobei die Hauptoberflächen im Wesentlichen paral- lel zueinander verlaufen. Hierdurch lässt sich das Sensorsystem besonders kompakt gestalten, so dass es über das damit verbundene mobile Computergerät nicht wesentlich hinaussteht. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die planare Haltestruktur eine Dicke auf, die wesentlich geringer ist als ihre Breite und Länge. Auch hierdurch lässt sich das Sensorsystem besonders kompakt gestalten, so dass es über das damit verbundene mobile Computergerät nicht wesentlich hinaussteht.
Insbesondere ist es vorteilhaft, die planare Haltestruktur mit einer Dicke auszubilden, die nicht größer ist als die Dicke des mobilen Computergeräts, mit dem das optische Sensorsystem zusammenwirken soll. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der in der planaren Haltestruktur integrierte Lichtleitpfad zur im Wesentlichen parallelen Lichtleitung entlang der Hauptoberflächen der planaren Haltestruktur ausgebildet. Dies erlaubt eine gute Ausnutzung des vorhandenen Bauraums in der an sich recht dünn ausgebildeten Haltestruktur.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtleitpfad wenigstens einen in der planaren Haltestruktur verlegten Lichtwellenleiter auf. Der Lichtwellenleiter kann zum Beispiel als Glasfaser-Lichtleiter oder ähnlicher Lichtleiter ausgebildet sein, insbesondere als flexibler Lichtleiter. Der Lichtwel- lenleiter kann sich aus einem Kern und Mantel zusammensetzen, wobei der
Kern optisch dichter ist. Der Lichtwellenleiter kann als slab-, ridge-, buried- oder fibre- Waveguide aufgebaut sein sowie ein- oder vielmodig sein. Weiterhin kann beispielsweise die Querschnittsgeometrie des Lichtwellenleiters zirkulär oder rechteckig sein, wobei der Kern und Mantel des Lichtwellenleiters beispielswei- se aus Polymer, Glas, Silizium oder Luft bestehen können. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtleitpfad wenigstens einen im Bogen, d.h . bogenförmig, in der planaren Haltestruktur verlegten Lichtwellenleiter auf. Auf diese Weise kann über ein und denselben Lichtwellenleiter das Licht von einer Lichtquelle des Computergeräts zur Kamera des Computergeräts zurückgeführt werden, auch wenn diese beiden Elemente des Computergeräts dicht beieinander angeordnet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtleitpfad wenigstens ein Einkoppelglied zum Einkoppeln des Lichts in den Lichtleitpfad an der Einkoppelschnittstelle und/oder einen Auskoppelglied zum Auskoppeln des Lichts aus dem Lichtleitpfad an der Auskoppelschnittstelle auf, wobei das Einkoppelglied und/oder das Auskoppelglied dazu eingerichtet ist, in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche eingekoppeltes bzw. ausgekoppeltes Licht zumindest teilweise in Längserstreckungsrichtung des Lichtleitpfads abzulen- ken. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand die in der Regel senkrecht zu einer Hauptoberfläche gerichtete Lichtabstrahlrichtung der Lichtquelle eines mobilen Computergeräts und/oder der senkrecht zu einer Hauptoberfläche gerichteten Erfassungsrichtung der Kamera eines mobilen Computergeräts ange- passt werden an den im Wesentlichen parallel zu der Hauptoberfläche verlau- fenden Lichtleitpfad.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die planare Haltestruktur wenigstens ein mechanisches Fixiermittel auf, das eine korrekte Anordnung und Justierung des Computergeräts relativ zum Sensorsystem unter- stützt. Das oder die Fixiermittel, die insbesondere als Justiermittel ausgebildet sein können, können zur Fixierung des Computergeräts am Sensorsystem durch Kraftschluss (Reibschluss) oder Formschluss ausgebildet sein, zum Beispiel in Form von Rastmitteln, als Klemmverbindung oder als Klebeverbindung. Dies hat den Vorteil, dass das Zusammenfügen zwischen dem Computergerät und dem optischen Sensorsystem durch das oder die Fixiermittel unterstützt wird und für den Anwender damit vereinfacht wird. Fehljustierungen werden damit automa- tisch weitestgehend vermieden. Das mechanische Fixiermittel kann ein federbelastetes Klemmsystem aufweisen, z.B. ähnlich einer Wäscheklammer, mit dem die planare Haltestruktur an dem Computergerät angeklemmt werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Sensorsystem in eine Schutzhülle des Computergeräts, ein Kleidungsstück oder in eine Verpackung integriert oder als solche ausgebildet. Auf diese Weise kann das Sensorsystem besonders unauffällig mitgeführt werden und wird somit vom Anwender nicht als störend empfunden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Lichtwellenleiter einstückig mit zumindest einem Teil der planaren Haltestruktur ausgebildet. Auf diese Weise kann der Lichtwellenleiter in fertigungstechnisch besonders günstiger Weise in die Haltestruktur integriert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem mehrere in demselben Lichtleitpfad hintereinander angeordnete Sensoren auf. Auf diese Weise können über einen Lichtleitpfad mehrere Sensorsignale erfasst werden und unterschiedliche Einflussgrößen sensiert werden. Die mehreren hin- tereinander angeordneten Sensoren können dann im Multiplexbetrieb abgefragt werden . Eine Erweiterung des Computergeräts auf zusätzliche Lichtquellen und/oder Kameras kann dadurch vermieden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem mehrere parallele Lichtleitpfade mit wenigstens einem in jedem Lichtleitpfad angeordnetes Sensorelement auf. Auf diese Weise können bei gegebener Hardwareausstattung des Computergeräts ebenfalls mehrere Sensorsignale erfasst werden und unterschiedliche Einflussgrößen sensiert werden. Mehrere Wellenleiter können auch ohne Wellenleiterkoppler parallel mit einer LED und Kamera betrieben werden Durch das Multiplexen von mehreren optischen Sensoren können beispielsweise eine Vielzahl von Parametern gemessen werden und/oder Kreuzempfindlichkeiten der optischen Sensorstruktur zum Beispiel gegenüber Temperatur kompensiert werden. Auch über bereits im Computergerät vorhandene Sensoren kann eine Kompensation von Kreuzempfindlichkeiten, zum Beispiel Temperatur und Feuchtigkeit, realisiert werden.
Zur Funktionalisierung des Sensorbereichs können grundsätzlich verschiedene Rezeptoren, die spezifisch an den nachzuweisenden Analyten binden, in dem Sensorbereich immobilisiert werden. Als Rezeptoren können dabei sowohl Moleküle natürlichen Ursprungs, wie z.B. Antikörper und Enzyme, als auch synthetisch hergestellte Moleküle, wie z.B. Aptamere eingesetzt werden. Neben den aufgeführten Makromolekülen können auch niedermolekulare Moleküle auf der Sensoroberfläche immobilisiert werden, um die gewünschte Spezifität gegen- über dem nachzuweisenden Analyten herbeizuführen. Die Immobilisierung dieser Rezeptoren auf dem Sensor kann sowohl kovalent als auch adsorptiv an die Oberfläche des Sensors erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorelement wenigstens einen Sensorbereich aufweist, an dem als Rezeptoren für die Sensierung eines nachzuweisenden Analyten Aptamere oder andere Spezifitäts-vermittelnde Rezeptoren wie z.B. Antikörper angeordnet sind, die spezifisch an den nachzuweisenden Analyten binden . Auf diese Weise ist eine wirkungsvolle, einfach aufzubringende Funktionalisierung des Sensorbereichs, z.B. in Form einer Sensoroberfläche, möglich. Die Aptamere oder andere Spezi- fitäts-vermittelnden Rezeptoren wie z.B. Antikörper weisen eine hohe Selektivität zum Nachweis bestimmter Analyten auf, sie eignen sich daher insbesondere für die Erkennung bestimmter Krankheiten. Gegenüber anderen möglichen Rezeptoren haben die Aptamere den Vorteil, dass sie stabiler und somit dauerhaft funktionsfähig sind. Die auf der Sensoroberfläche angeordneten Aptamere oder anderen Spezifitätsvermittelnden Rezeptoren wie z.B. Antikörper binden den nachzuweisenden Analyten und führen dabei zu einer Änderung der optischen Eigenschaften des über der Sensoroberfläche befindlichen Mediums.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, zusätz- lieh Aptamere oder andere Spezifitätsvermittelnden Rezeptoren wie z.B. Antikörper zur Signalverstärkung einzusetzen. Dazu können verschiedene Modifikationen eingesetzt werden, die in der Lage sind, die optischen Eigenschaften des Mediums über der Sensoroberfläche zu beeinflussen, wie z.B. Nanopartikel oder Farbstoffe. Hierdurch wird eine weitere Möglichkeit zur Verstärkung des Signals gegeben, die sich insbesondere für größere Analyten wie Proteine oder Zellen eignet. In einer möglichen Ausführungsform sind die Aptamere oder anderen Spezifitäts-vermittelnden Rezeptoren wie z.B. Antikörper dabei mit Gold- Nanopartikeln modifiziert. Diese modifizierten Rezeptoren binden an den Analyten, welcher von den auf der Sensoroberfläche vorliegenden Aptameren oder anderen anderen Spezifitäts-vermittelnden Rezeptoren wie z.B. Antikörpern gebunden wurde. Dadurch wird die Modifikation (z.B. Gold-Nanopartikeln) in der Nähe der Sensoroberfläche positioniert und kann somit zur Signalgenerierung und/oder -Verstärkung genutzt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Sensorelement zur Sensierung eines Gases oder Gasgemisches eingerichtet. Dies kann z.B. dadurch realisiert werden, dass das Sensorelement, das beispielsweise auf einem Oberflächenplasmonen- (SPR) Sensor basiert, mit einer Metalloxidschicht (dotiert oder undotiert) oder mit Metalloxidschichten (dotiert oder undotiert) funktionalisiert wird. Mit Hilfe von beispielsweise Zinkoxid (ZnO), eisendotiertem Zinndioxid (Fe:SnO2) oder Zirconiumdioxid (ZrO2) können Sensoren zur Detekti- on von Schwefelwasserstoff (H2S), Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Kohlenstoffdioxid (CO2) bzw. zur Ermittlung der Luftgüte realisiert werden. Des Weiteren kann durch das serielle/parallele Multiplexen mehrerer Sensoren mit unter- schiedlichen Metalloxidschichten die Spezifität gegenüber einem Gas verbessert werden bzw. mit einem z.B. Smartphone-gestützten Sensorsystem mehrere unterschiedliche Gase detektiert werden.
Zur Sensierung eines Gases oder Gasgemisches kann des Weiteren das Sen- sorelement mit einem Farbumschlagmaterial beschichtet sein oder sich der Wellenleiterkern des Sensorelements ganz oder zum Teil aus dem Farbumschlags- material zusammensetzen . Das Farbumschlagmaterial besteht aus einer Polymer/Farbstoff-Matrix und Farbänderungen des Farbumschlagsmaterial korrelieren mit Gaskonzentrationsänderungen. Anhand eines solchen kolorimetrischen Verfahrens können Gase wie Kohlenstoffmonooxid, Stickstoffdioxid, Ammoniak und/oder Ethylen detektiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Sensorsystem zur Detektion spektraler Eigenschaften des empfangenen Lichts eingerichtet sein. Dies ist insbesondere bei Ausbildung des Sensorelements als SPR-Sensor vorteilhaft. Die spektralen Eigenschaften und/oder die Empfindlichkeit des SPR- basierenden Sensorsystems können optimiert werden beispielsweise durch die Kern- und/oder Mantelbrechzahl des optischen Wellenleiters, durch eine Metalllegierung (z.B. Silber/Gold), durch Tapern des SPR-Sensorelements, durch eine dielektrische Zwischenschicht zwischen SPR-Sensorelement und Umgebungsmedium (Funktionalisierung), durch einen Stack (Stapel von mindestens zwei dielektrischen Schichten) von unterschiedlichen dielektrischen Zwischensichten und/oder zwei Metallschichten, welche durch einen Stack von dielektrischen Zwischenschichten separiert sind.
Des Weiteren können die spektralen Eigenschaften und/oder die Empfindlichkeit des SPR-basierenden Sensorsystems (optischer Wellenleiter mit Metallbe- schichtung) durch den Einsatz von Nanopartikeln, insbesondere Metallnanopar- tikel, optimiert werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Sensorelement mit Hilfe von Bloch-Oberflächenwellen realisiert werden, z.B. dadurch, dass das Sensorelement mittels eines Stapels (Stack) von dielektrischen Schichten hergestellt wird. Die Metallisierung des Sensorbereichs und insbesondere der Sen- soroberfläche und/oder das Aufbringen von dielektrischen Schichten kann z.B. nasschemisch und/oder mittels Kathodenzerstäubung und/oder Elektroden- Strahlverdampfung erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem ein Fourier-Transform-Spektrometer zur Detektion des von dem Sensorelement modifizierten Lichts aufweist. Dies hat den Vorteil, dass eine zuverlässige Detektion des Spektrums des von der Kamera aufgenommenen Lichts analysiert werden kann. Das Fourier-Transform-Spektrometer (FT- Spektrometer) kann ergänzend oder an Stelle eines Beugungsgitters in dem Sensorsystem eingesetzt werden. Das FT-Spektrometer setzt sich aus einem Interferometer zusammen, welche zwischen Sensorsystem und der Smartpho- ne-Kamera platziert ist. Das Interferogramm des Interferometers wird mittels der Kamera des Computergeräts aufgezeichnet. Durch die Berechnung der inversen Fourier-Transformation des Interferogramms kann das Sensorspektrum ermittelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem eine Fluidik oder Mikrofluidik zur Führung von gelöstem Analyten hin zum Sensorelement aufweist. Auf diese Weise kann das Sensorsystem als Chiplabor ausgebildet sein, das auch mit flüssigen Analyten kompatibel ist. Die Fluidik/Mikrofluidik dient zur Führung der Probenlösung hin zum optischen Sensorelement. Des Weiteren kann das Chiplabor Pufferlösungen beinhalten, welche anhand der Fluidik/Mikrofluidik mit der Probenlösung vermischt werden und die resultierende Lösung mit der Fluidik/Mikrofluidik hin zum optischen Senso- relement geführt wird. Die Pufferlösung/Pufferlösungen können außerdem zur Sensorregeneration eingesetzt werden. Weiterhin können die auf dem Chiplabor integrierten Pufferlösung/Pufferlösungen zur Kalibrierung des optischen Sensor- systems eingesetzt werden, welche vorab der Probenlösung mittels Fluid ik/Mikrofl uidik zum optischen Sensor geführt wird. Außerdem kann der Smart- phone-Vibrationsalarm zur Vermischung der Probenlösung und der Pufferlösung eingesetzt werden. Neben der Möglichkeit, dass das Chiplabor Lösungen beinhaltet, können auch Feststoffe in der Mikrofl uidik bereitgestellt werden. Dies könnten z.B. Puffersalze sein, oder auch andere feste Reagenzien, die bei der Anwendung des Sensorsystems mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommen und dabei gelöst und zum Sensorelement transportiert werden. So können auch z.B. Nanopartikel und/oder Nanopartikel, die mit Spezifitäts-vermittelnden Rezeptoren wie z.B. Aptameren oder Antikörpern beschichtet sind, in der Mikrofl uidik vorgehalten werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem im Bereich des Sensorelements eine Kavität aufweist, die als Absorptionskammer mit oder ohne Resonatoreigenschaften ausgebildet ist. Zusätzlich kann das resultierende Absorptionsspektrum mit Hilfe von Metallnano- partikeln oder Fluoreszenzmarkierung, welche sich in der Probenlösung befinden und beispielsweise gezielt an die Targets binden können, verstärkt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die planare Haltestruktur hinsichtlich der wirksamen Größe ihres Aufnahmebereichs für das mobile Computergerät in wenigstens einer räumlichen Dimension verstellbar ist. Auf diese Weise kann ein universell einsetzbares Sensorsystem ge- schaffen werden, das für verschiedene Bauarten von mobilen Computergeräten, insbesondere unterschiedliche Smartphones, geeignet ist, indem es durch Verstellung an das Computergerät adaptierbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem oder zumindest diejenigen Teile des Sensorsystems, die die
Lichtquelle und/oder die Kamera überdecken, gegenüber der Haltestruktur hin- sichtlich ihrer Position verstellbar sind. Hierdurch wird die universelle Ersetzbarkeit des Sensorsystems bei unterschiedlich ausgebildeten mobilen Computergeräten weiter verbessert, insbesondere wenn verschiedene Computergeräte an unterschiedlichen Positionen die Lichtquelle und/oder die Kamera aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einkoppelschnittstelle sich aus mehreren seriell entlang des getaper- ten/ungetaperten optischen Wellenleiters angeordneten 45-Grad Einkoppelgliedern zusammensetzt, sodass ein einheitliches optisches Sensorsystem für un- terschiedliche mobile Computergeräte eingesetzt werden kann. Als„getapert" bzw. Taper werden Bereiche des optischen Wellenleiters bezeichnet, in denen eine Querschnittsveränderung (Verjüngung) des optischen Wellenleiters vorhanden ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einkoppelschnittstelle sich aus mehreren parallelen 45-Grad Einkoppelgliedern und getapertem optischen Wellenleiter zusammensetzt, wobei die 45-Grad Einkoppelglieder auch leicht versetzt angeordnet sein können, sodass ein einheitliches optisches Sensorsystem für unterschiedliche mobile Computergeräte ein- gesetzt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem sich aus mehreren parallelen optischen Sensorsystemen zusammensetzt, wobei die Längen der mehreren parallelen optischen Sensorsysteme variieren, sodass die jeweiligen Einkoppelglieder sich an unterschiedlichen Orten befinden und somit immer mindestens ein optisches Sensorsystem optimal zur Lichtquelle und Kamera ausgerichtet ist, auch wenn die Positionen dieser Komponenten je nach mobilem Computergerät variieren. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einkoppelschnittstelle und/oder Auskoppelschnittstelle sich aus einem optischen Gitter mit gechirpter Gitterperiode zusammensetzen. Im Bereich einer gechirp- ten Gitterperiode verändert sich die Periode entlang des optischen Pfads. Hierdurch wird die Eignung des optischen Gitters für mehrere Wellenlängen verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem gewölbt und/oder schräg (horizontal und/oder vertikal) platziert werden kann, um die optische Kopplung je nach Smartphone-Typ (mobilen Computergerät) zum Sensorsystem zu optimieren. Hierzu kann das Sensorsys- tem flexibel bzw. biegsam ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem oder zumindest diejenigen Teile des Sensorsystems, die die Lichtquelle und/oder die Kamera überdecken, hinsichtlich ihrer Größe und Posi- tion derart auf das mobile Computergerät abgestimmt sind, dass die Lichtquelle und/oder die Kamera nur partiell überdeckt sind. Auf diese Weise kann z.B. die Lichtquelle und/oder die Kamera des mobilen Computergerätes zusätzlich noch für andere Zwecke genutzt werden, z.B. um ohne Entfernen des Sensorsystems Fotos aufzunehmen. Durch eine entsprechende Bildbearbeitungssoftware, die auf dem mobilen Computergerät oder einem anderen Computergerät installiert sein kann, können die jeweiligen Pixelzeilen und/oder Pixelspalten, die dem Sensorsystem zugeordnet sind, aus aufgenommenen Fotos wieder entfernt werden. Sofern das Sensorsystem in einer Smartphone-Schutzhülle integriert ist, kann die Smartphone-Schutzhülle so gestaltet werden, dass das Sensorsystem flexibel vor der Lichtquelle und Kamera des Smartphone platziert werden kann. So könnte der Anwender flexibel Messungen oder Fotos mit dem Smartphone machen. Beispielsweise könnte eine Verschiebungsvorrichtung für die flachbauen- de Sensorstruktur in der Smartphone-Schutzhülle vorgesehen werden. Alternativ könnte das Sensorsystem starr in der Smartphone-Schutzhülle integriert werden und das Auskoppelglied des Sensorsystems so konzipiert werden, dass nur wenige Pixelzeilen bzw. Pixelspalten der Smartphone-Kamera zur Sensorauswertung notwendig sind. In einer bevorzugten Gestaltungsform befinden sich die besagten Pixelzeilen bzw. Pixelspalten am Rande der Smartphone-Kamera, so dass im Falle einer herkömmlichen Fotoanwendung diese Pixelzeilen bzw. Pixelspalten aus dem Bild gelöscht werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem in der Einkoppelschnittstelle und/oder in der Auskoppelschnittstelle wenigstens einen mittels eines 45 Grad-Schneideverfahrens, nachträglichem Heißprägeverfahren und/oder nachträglicher Materialbearbeitung hergestellten 45 Grad- Spiegel auf. Dies erlaubt eine zuverlässige und kostengünstige Herstellung des Sensorsystems.
Die Auswertung der von dem Sensorsystem ermittelten Daten bzw. der von der Kamera des Computergerätes aufgenommenen Bilddaten kann direkt auf dem Computergerät selbst durchgeführt werden, oder Remote auf einem externen Computer. Dementsprechend können für die Auswertung der Daten des Sensor- Systems entsprechende Algorithmen und Software entweder direkt auf dem
Computergerät oder auf dem externen Computer ausgeführt werden. Auch eine verteilte Ausführung bestimmter Komponenten der Algorithmen und Software auf beiden Geräten, d.h. dem mobilen Computergerät und dem externen Computer, ist vorteilhaft.
Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogramm zur Ausführung auf einem mit dem Sensorsystem der zuvor erläuterten Art zusammenwirkenden Computergerät oder einem externen Computer. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Computerprogramm dazu eingerichtet, die Lichtquelle des Computergerätes mit einem vorbestimmten Modulationsschema moduliert anzusteuern und ferner das von der Kamera empfangene Licht mit einem dem Modulationsschema zugeordneten Demodulationsschema zu demodulieren. Dies kann z.B. durch eine gepulste Ansteuerung der Lichtquelle erfolgen, z.B. mittels einer sicheren, fehlererkennenden Kodierung. Auf diese Weise können externe Störungen wie Fremdlicht minimiert werden. So kann z.B. die Lichtquelle periodisch mit einer entsprechenden Frequenz ein- und ausgeschaltet werden. Hierdurch kann die Sensorempfindlichkeit erhöht und/oder die Empfindlichkeit gegenüber Störlicht (Umgebungslicht) reduziert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können mehrere Messun- gen sequentiell durchgeführt und ein Mittelwert gebildet werden sowie unterschiedliche Messungen sequentiell durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Computergerät den Nutzer über die richtige Anwendung des Sensorsystems mittels eines auf dem Computergerät abgespielten Videos anleiten bzw. unterstützen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Computerprogramm zur Auswertung des Sensorsystems zusätzlich weitere Daten des mobilen Computergerätes, wie beispielsweise GPS-Position, miteinbeziehen. Hier- durch lassen sich vorteilhafte Anwendungen z.B. im Bereich der Reisemedizin erschließen. So kann die GPS-Position z.B. genutzt werden, um schnelle ortsnahe medizinische Hilfe anzufordern, z.B. durch einen automatischen Notruf. Ferner kann die GPS-Position z.B. genutzt werden, um eine mittels des Sensorelements erstellte Diagnose zusätzlich zu präzisieren, indem z.B. Krankheits- bilder ausgeschlossen werden, die für die jeweilige geografische Region unwahrscheinlich sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Computerprogramm dazu eingerichtet, eine Spektralanalyse des von der Kamera aufgenom- menen Signals durchzuführen. Auf diese Weise kann das Sensorelement auch direkt mit der Kamera des mobilen Computergerätes spektral ausgewertet wer- den, indem z.B. die gemessenen Intensitätswerte der Kamerapixel mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten zur Auswertung herangezogen werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 ein mobiles Computergerät sowie ein optisches Sensorsystem in perspektivischer Darstellung und
Figuren 2 bis 5 verschiedene Ausführungsformen eines optischen Sensorsystems in Draufsicht und
Figuren 6 und 7 verschiedene Ausführungsformen eines optischen Sensorsystems in Seitenansicht und
Figur 8 ein mobiles Computergerät, eine Haltevorrichtung sowie ein optisches Sensorsystem in perspektivischer Darstellung und
Figur 9 ein mögliches Messprinzip eines Aptamer-basierten Sensorsystems und Figur 10 ein erstes Herstellungsverfahren für ein Sensorsystem und
Figur 1 1 ein zweites Herstellungsverfahren für ein Sensorsystem
Figur 12 ein drittes Herstellungsverfahren für ein Sensorsystem und Figur 13 mögliche Gestaltungsformen eines planar-optischen Sen- sorsystems und
Figur 14 mögliche weitere Gestaltungsformen und Anordnungen der
Ein- und Auskoppelschnittstelle
Figuren 15 bis 17 weitere Ausführungsformen des Sensorsystems und
Figur 18 ein Sensorsystem zum Zusammenwirken mit einer Smart- phone-Schutzhülle und
Figur 19 eine Smartphone-Schutzhülle zur Positionierung des Sensorsystems und
Figur 20 eine Haltevorrichtung für das Sensorsystem.
Figur 21 Sensorsystem in Gestaltungsform einer Glasfaser und externen optischen Komponenten
In den Figuren 2 bis 7 ist das optische Sensorsystem jeweils teilweise geschnit- ten dargestellt, so dass die in die planare Haltestruktur integrierten Elemente sichtbar werden. In den Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die Figur 1 zeigt ein mobiles Computergerät 100, zum Beispiel ein Smartphone, das an seiner Vorderseite zum Beispiel ein Display 101 sowie Bedienelemente 102 aufweist. Ferner ist ein optisches Sensorsystem 1 dargestellt, das eingerichtet ist zum Zusammenwirken mit dem mobilen Computergerät 100. Hierfür weist das optische Sensorsystem eine Halterung 10 auf, in die das Computergerät 100 passgenau eingesetzt werden kann, zum Beispiel ähnlich einem Bumper für ein Smartphone. Die Halterung 10 weist in einem Aufnahmebereich, in den das Computergerät 100 einzusetzen ist, eine planare Haltestruktur 1 1 auf, die die Halterung 10 nach unten hin begrenzt. In die planare Haltestruktur 1 1 sind verschiedene optische Bauteile integriert, die nachfolgend noch erläutert werden. Sichtbar sind in der Figur 1 insbesondere eine Einkoppelschnittstelle 3 zur Einkopplung von Licht von der Lichtquelle des Computergeräts 100 und eine Auskoppelschnittstelle 4 zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem 1 zur Kamera des Computergeräts 100.
Erkennbar ist ferner, dass die planare Haltestruktur 1 1 als dünne, flache Struktur mit zwei voneinander abgewandten Hauptoberflächen 12, 14 ausgebildet ist.
Die planare Haltestruktur 1 1 ist in einer ersten Ausführungsform in Figur 2 in Draufsicht dargestellt, wobei die planare Haltestruktur 1 1 soweit geöffnet ist, dass die darin angeordneten optischen Bauteile wie in der Figur 2 dargestellt Sichtbar werden. Erkennbar ist, dass von der Einkoppelschnittstelle 3 ausge- hend ein Lichtleitpfad 2, gebildet durch einen Lichtwellenleiter, nach unten geführt ist und über einen 180°-Bogen wieder zurück zur Auskoppelschnittstelle 4 geführt ist. In dem Lichtleitpfad 2 ist ein Sensorelement 5 angeordnet, das nachfolgend auch als Sensor bezeichnet wird . Über die Einkoppelschnittstelle 3 wird Licht von der Lichtquelle 7 des Computergeräts 100 in den Lichtleitpfad 2 einge- speist, durch den Sensor 5 geführt, und über die Auskoppelschnittstelle 4 wird das austretende Licht der Kamera 8 des Computergeräts 100 zugeführt.
In einer zweiten Ausführungsform, die in Figur 3 dargestellt ist, wird das Licht nicht wie in der ersten Ausführungsform durch den Sensor 5 hindurch geführt (Transmissionsprinzip), sondern es wird über den Sensor 5 reflektiert (Reflexionsprinzip). Daher ist in dieser Ausführungsform über einen Wellenleiterkoppler 6 das Licht von der Lichtquelle 7 über die Einkoppelschnittstelle 3 über den Lichtleitpfad 2 zu dem Sensor 5 hingeführt. Das dort reflektierte Licht wird über den Lichtleitpfad 2 und den Wellenkoppler 6 zur Auskoppelschnittstelle 4 geführt und kann dementsprechend über die Kamera 8 aufgenommen werden. In einer dritten Ausführungsform, die in Figur 4 dargestellt ist, sind in demselben Lichtleitpfad 2 hintereinander mehrere optische Sensoren 5 angeordnet, in diesem Fall fünf Stück. Die Signalerfassung im Computergerät 100 erfolgt über optisches Multiplexing.
In einer vierten Ausführungsform, die in Figur 5 dargestellt ist, sind mehrere Lichtleitpfade, zum Beispiel zwei Lichtleitpfade 2, parallel zueinander angeordnet. In jedem Lichtleitpfad ist wenigstens ein Sensor 5 angeordnet. Die Lichtleitpfade 2 können über einen jeweiligen Wellenleiterkoppler 6 mit der Einkoppel- schnittsteile 3 beziehungsweise mit der Auskoppelschnittstelle 4 verbunden. Weiterhin könnten die parallelen Lichtpfade jeweils eine eigene Auskoppelschnittstelle aber eine gemeinsame Einkoppelschnittstelle besitzen.
Wie erkennbar ist, sind die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht erschöp- fend. Es können im Prinzip beliebig viele Sensoren in einem Lichtleitpfad vorhanden sein, ebenso können im Prinzip beliebig viele parallele Lichtleitpfade vorgesehen sein. Sämtliche Ausführungsbeispiele können daher miteinander kombiniert werden. Das optische Sensorsystem 1 kann ferner in Form eines ridge waveguide (Figur 6) oder buried waveguide (Figur 7) realisiert sein. Die Figur 6 zeigt einen Lichtleitpfad 2 in Form eines Lichtwellenleiters, der auf einem Substrat 9 aufgebracht ist, das als Haltestruktur dient. In dem Lichtleitpfad 2 ist wiederum ein Sensor 5 angeordnet. Die Einkoppelschnittstelle 3 weist in diesem Fall ein als Abschrä- gung des Lichtwellenleiters ausgebildetes Einkoppelglied 3a auf, durch das einfallendes Licht 13 abgelenkt wird. Die Auskoppelschnittstelle 4 weist als Auskoppelglied eine Abschrägung 4a des Lichtwellenleiters auf, über die das Licht wiederum abgelenkt wird. Ferner weist die Auskoppelschnittstelle 4 als weiteres Auskoppelglied ein optisches Gitter 4b auf (Beugungsgitter), mit dem das Licht in entsprechende Spektralanteile aufgeteilt werden kann, so dass die Kamera 8 des Computergeräts 100 als Spektrometer eingesetzt werden kann. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 ist in das Substrat 9, das als Haltestruktur dient, ein Lichtleitpfad 2 eingebettet. Ebenso ist der Sensor 5 in den Lichtleitpfad und das Substrat 9 eingebettet. Die Einkoppelschnittstelle 3 für ein- tretendes Licht 13 weist ein Einkoppelglied in Form eines optischen Gitters 3a auf. Die Auskoppelschnittstelle 4 weist ein Auskoppelglied in Form eines optischen Gitters 4a auf.
Die dargestellten Verläufe der Lichtleitpfade 2 sind jeweils nur beispielhaft an- gegeben. Je nach Realisierung des Sensorsystems können die Verläufe auch anders aussehen. Der Sensor 5 beziehungsweise die mehreren Sensoren 5 können an beliebigen Positionen entlang des Lichtleitpfads angeordnet sein, nicht nur an den in den Ausführungsbeispielen beispielhaft angegebenen Positionen.
Die Auskoppelschnittstelle 4 dient zur Kopplung des Lichtleitpfads 2 mit der Kamera 8 des Computergeräts 100, wobei sowohl die Kamera auf der Vorder- sowie Rückseite eingesetzt werden kann. Das Auskoppelglied kann sich z.B. aus einem Prisma, Spiegel und/oder optischem Gitter zusammensetzen. Weiterhin kann ein um 45° abgeschrägter Wellenleiter mit/ohne optischem Gitter eingesetzt werden, wobei u.a. das Licht durch Totalreflektion umgelenkt wird. Mit Hilfe des optischen Gitters kann das Licht vom optischen Wellenleiter räumlich spektral getrennt werden und somit kann mit der Smartphone- Kamera das spektrale Verhalten der optischen Sensorstruktur untersucht werden.
Die Figur 8 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der in Figur 1 dargestellten Erfindung. Im Unterschied zur Figur 1 weist die Halterung 10 an ihrer Auflagefläche 16 einen Aufnahmebereich 17 für das Sensorsystem 1 auf. Das Sensorsystem 1 ist als separate Einheit mit einer wiederum vorhandenen planaren Haltestruktur 1 1 ausgebildet, die zusammen mit den darin beziehungsweise daran angeordneten weiteren Komponenten 3,4 in den Aufnahmebereich 1 7 ein- gesetzt werden kann.
Die Herstellung der optischen Bauelemente des Sensorsystems 1 kann beispielsweise durch ein Druckverfahren, Fotolithographie, Mikroreplikation, La- sermaterialprozessierung und/oder aus einer Kombination der genannten Verfahren erfolgen.
Beispielweise können polymere, optische Bauelemente durch Flexodruck, Offsetdruck oder Tintenstrahldruck hergestellt werden. Im Hinblick auf die
Mikroreplikation erfolgt die Übertragung der optischen Bauelemente in ein Substrat mit Hilfe eines nanostrukturierten Stempels. Die Strukturübertragung kann beispielsweise durch Reaction Injection Molding, Injection Molding, Injection Compression Molding, Hot Embossing, Thermoforming oder Nanoimprint Litho- graphy geschehen . Beispielsweise ist das Hot Embossing von mikrooptischen Strukturen in polymeren Substraten ein gängiges Verfahren. In einer evakuierten Umgebung wird ein thermoplastischer Kunststoff auf seinen viskoelastischen Zustand aufgeheizt und in einen nanostrukturierten Stempel gedrückt. Die Ent- formung erfolgt anschließend nach der Abkühlung. Für das Heißprägen können nahezu sämtliche Thermoplaste und thermoplastischen Elastomere verwendet werden.
Die Lasermaterialprozessierung beinhaltet beispielsweise die Herstellung von optischen Wellenleitern durch laserinduzierte Brechzahländerung an der Oberfläche bzw. im Volumen von z.B. Polymerensubstraten oder die Herstellung von mikrooptischen Strukturen durch Laserablation. Beispielsweise können mit Hilfe einer Fotomaske und eines Excimerlasers oder durch das maskenlose Laserdi- rektschreibverfahren, beispielsweise mittels Femtosekundenlaser, optische Wellenleiterstrukturen in Polymer geschrieben werden. Weiterhin kann die dreidimensionale Strukturierung der optischen Sensorstruktur in Kunststoffen durch Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) erfolgen. Die optischen Bauelemente können außerdem durch laserinduzierte Brechzahländerungen an der Oberfläche bzw. im Volumen von Glassubstraten hergestellt werden. Weiterhin könnte das lonenaustauschverfahren zur Herstellung von optischen Bauelementen in Glas eingesetzt werden.
Im Hinblick auf die Herstellung der optischen Bauelemente kann beispielsweise die Einkoppelschnittstelle 3 und die Auskoppelschnittstelle 4 sowie die Lichtwellenleiter zunächst per Mikroreplikation hergestellt bzw. vorbereitet werden, um im Anschluss durch den Eintrag eines höherbrechenden Polymers oder einer Glasfaser oder durch das Wellenleiterdrucken oder durch die Lasermaterialpro- zessierung den Herstellungsprozess des optischen Strahlengangs zu vervollständigen. Im Anschluss der Herstellung des optischen Strahlengangs wird die Sensorstruktur ggf. entsprechend dem Zielparameter bzw. den Zielparametern funktionalisiert.
Im Rahmen von Versuchen wurde ein Oberflächenplasmonen-Sensorsystem basierend auf einer optischen Glasfaser zur Umweltanalytik für Smartphones entwickelt. Als optische Glasfaser wurde eine 25 cm lange 400 μιτι Plastic Clad- ding Silica (PCS)-Faser verwendet. Beide Enden der Glasfaser wurden um 45° angeschliffen, um Licht durch Totalreflektion in die Glasfaser senkrecht ein- bzw. auszukoppeln. Der Oberflächenplasmonensensor wurde durch eine etwa 1 cm lange Silberbeschichtung des Glasfaserkerns realisiert, wobei an dieser Stelle der Glasfasermantel vorab entfernt wurde. Mittels eines holographischen PDMS Beugungsgitters zwischen Glasfaserende und Smartphone-Kamera wur- den die spektralen Komponenten der Smartphone-LED räumlich getrennt auf der Smartphone-Kamera abgebildet. Durch die spektrale Zerlegung kann die Resonanz des Oberflächenplasmonensensors detektiert und Änderungen der Umgebungsbrechzahl durch Verschiebung der Resonanz gemessen werden . Im Rahmen der Versuche konnte bereits eine Empfindlichkeit von 5,96- 10~4 Brech- zahleinheiten/Pixel erzielt werden . Durch Optimieren des Ausgangskopplers und Beugungsgitters kann die Empfindlichkeit des entwickelten Sensorsystems wei- ter verbessert werden.
Im Rahmen der Versuche konnte mittels Oberflächenplasmonen ein optisches Sensorsystem für Smartphones mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Brechzahländerungen entwickelt werden. Durch eine entsprechende Funktiona- lisierung der Sensoroberfläche, d.h. Integration eines Messumformers, welcher z.B. eine Gaskonzentrationsänderung in eine Brechzahländerung wandelt, können eine Vielzahl von Parameter gemessen werden und somit ist eine große Einsatzbandbreite denkbar.
Mögliche zukünftige Anwendungen eines solchen Einwegchiplabors wären beispielsweise ein Schwangerschaftstest, Laktattest oder das Überwachen des Blutzuckergehalts. Ein weiteres Anwendungsgebiet des Einwegchiplabors kann in der Reisemedizin sein. Hier können mit Hilfe der Verknüpfung von Smartpho- ne und eines Sensorsystems neue Produkte entwickelt werden. Der Einwegchip kann z.B. zur Diagnose und Überwachung von Malariainfektionen eingesetzt werden. Weiterhin kann der Einwegchip zur Diagnose von Herzinfarkten oder Lebensmittelvergiftungen auf Urlaubsreisen dienen. Da bei einem Herzinfarkt neben starken Brustschmerzen auch eine erhöhte Konzentration von Enzymen und Eiweißen (Biomarker) des absterbenden Herzmuskels im Blut vorhanden sind, kann durch die Detektion dieser Biomarker der Patient gewarnt und mit Hilfe der GPS- Ortsdaten zur nächsten Notaufnahme geleitet bzw. der Notarzt zum Patienten geführt werden. Weiterhin kann mit einem kostengünstigen auf einem Einwegchip basierenden Sensorsystem neue Anwendungen/ Produkte in der Veterinärmedizin entwickelt werden.
Mit einem Sensorsystem, welches z.B. in einer Smartphone-Schutzhülle integriert ist, können Umweltparameter oder personenspezifische Parameter Überwacht werden. Mögliche Anwendungen können die kontinuierliche Bestimmung von Ammoniak- und/oder Methangehalt in der Landwirtschaft sein. Als Messumformer für Ammoniak oder Methan können Polyaniline oder in PDMS einge- brachte Cryptophane A-Moleküle eingesetzt werden. Weiterhin kann mit dem Sensorsystem Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxid, Sauerstoff oder Stickstoff gemessen werden und somit das Raumklima überwacht werden . Weiterhin kann ein Sensorsystem mit integriertem Dosimeter zur Messung von Röntgenstrahlung entwickelt werden . Auf der Basis einer spektralen Dämp- fungs- und/oder Fluoreszenzmessung mittels beispielsweise PMMA-Faser ohne/mit Szintillator können Energiedosen von Röntgenstrahlen gemessen werden. Beispielsweise kann hiermit die Strahlenbelastung von Radiologen ermittelt werden und somit kann das Smartphone-Dosimeter eine kostengünstige Alternative zu bestehenden Personendosimetern sein . Außerdem können Smartpho- nebenutzer ihre UV-Licht Exposition durch Sonneneinstrahlung messen und sich somit vor Sonnenbrand schützen. Die Smartphone-Schutzhülle kann auch in Kleidungsstücken integrierten werden, wobei das Kleidungsstück mit faseroptischen Sensoren versehen ist. Die Smartphone-Schutzhülle dient somit zur Anbindung des Smartphones an das faseroptische Sensorsystem im Kleidungsstück. Mögliche Anwendungen hier sind beispielsweise die Überwachung der Atmung von Neugeborenen durch ein mit faseroptischen Dehnungssensoren versehendes Oberteil, um einen möglichen Atemstillstand zu detektieren, oder die Messung des Blutdrucks mit einem Smartphone-Sphygmomanometer.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung und deren Vorteile:
Integration von optischen Wellenleitern und Wellenleitersensoren in die Smart- phone- Schutzhülle zur Überwachung von Umweltparametern oder personenspezifischen Parametern, wobei die Smartphone-LED und -Kamera als Lichtquelle bzw. Detektor dienen.
Optische Wellenleiter und Wellenleitersensoren in Polymersubstraten, welche in Kombination mit einem mobilen Computergerät, wie beispielsweise einem Smartphone/ Tablet, als Einwegchiplabor zur patientennahen Labordiagnostik eingesetzt werden können. Da sowohl die Smartphone-LED(s) bzw. das Display als auch die Smartphone-Kamera (auf der Vorder- oder Rückseite) als Licht- quelle bzw. Detektor eingesetzt werden, sind keine aktiven Komponenten für den Betrieb des Einwegchiplabors notwendig. Somit ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik ein Kostenvorteil .
Multiplexing von mehreren optischen Sensoren und somit Überwachung mehre- rer unterschiedlicher Parameter mittels nur eines Sensorsystems.
Kombination integrierter faseroptischer Sensoren in Kleidungsstücken und deren Abfragen mittels Smartphone. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Sensorelements 5 werden Aptamere als Spezifitäts-vermittelnde Rezeptoren an der Sensoroberfläche immobilisiert. Bei Aptameren handelt es sich um einzelsträngige DNA- oder RNA Oligonu- kleotide, die in einem iterativen in Vitro Selektionsprozess namens SELEX (engl. : Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment) gegen be- liebige Zielstrukturen wie z.B. Proteine, niedermolekulare Verbindungen oder auch ganze Zellen generiert werden können. Die Aptamere können auf der Sensoroberfläche unter anderem beispielsweise chemisch über Linkermoleküle gekoppelt werden, mittels selbstorganisierter Monoschichten (engl .: Seif Assemb- led Monolayer) von Thiol-modifizierten Aptameren aufgebracht werden, an im- mobilisierte zu Abschnitten des Aptamers komplementäre Oligonukleotide hybridisiert werden oder aber auch rein adsorbtiv auf der Sensoroberfläche gebunden werden. Die spezifische Bindung des nachzuweisenden Analyten an das Aptamer kann entweder direkt zu einer Änderung des Brechungsindex über der Sensoroberfläche führen oder aber es können indirekte Methoden zur Generie- rung einer Brechzahländerung verwendet werden. Eine exemplarische Möglichkeit zur indirekten Generierung einer Brechzahländerung, die sich insbesondere auch zur Analytik kleiner Moleküle eignet, besteht in der Verwendung von Oligonukleotiden, die zur Targetbindungsstelle des Aptamers komplementär sind. In dieser exemplarischen Ausführungsform wird das Aptamer 90 an der Sensoroberfläche 50 des Sensorelements 5 immobilisiert und anschließend mit dem zur Targetbindungsstelle des Aptamers 90 komplementären Oligonukleotiden 91 hybridisiert, siehe Figur 9 (A) links. Während der Vermessung der Probe bindet das Target 92 an das Aptamer 90 und verdrängt das Oligonukleotiden 91 vom Aptamer 90, siehe Figur 9 (A) rechts. Dabei führt die Verdrängung des Oligo- nukleotids zu einer messbaren Änderung des Brechungsindex. Neben dieser sequentiellen Folge von 1 . Hybridisierung des komplementären Oligonukleotids und 2. Verdrängung des Oligonukleotids durch das Target ist es auch möglich, in einem direkt kompetitiven Ansatz das immobilisierte Aptamer mit einer Mischung aus dem Oligonukleotid und dem Target in Kontakt zu bringen. In diesem Fall ist die Menge des hybridisierten Oligonukleotids und somit die Ände- rung der Brechzahl abhängig von der Konzentration des Targets.
Die Möglichkeit zur Anwendung von Aptameren als Spezifitäts-vermittelnden Rezeptoren zur Funktionalisierung der Sensoroberfläche wurde exemplarisch am Beispiel der Aptamer-basierten Detektion von Ethanolamin demonstriert. Dazu wurde ein mit Silber beschichteter faseroptischer Sensor zunächst mit Mercapto-Undekansäure (MUA) als Linkermolekül modifiziert. Dazu wurde eine 200 mM MUA Lösung in 100% Ethanol verwendet. Die MUA Modifikation wurde anschließend mit einer Mischung aus 100 mM 1 -Ethyl-3-(3- dimethylaminopropy)carbodiimid (EDC) und 100 mM N-Hydroxysuccinimid (NHS) in 50 mM 2-(N-Morpholino)ethansulfonsäure (MES) aktiviert. An die aktivierte Oberfläche wurde das 5'-terminal Amino-modifiziertes Aptamer EA#14.3 (100 μΜ in 50 mM MES), welches gegen Ethanolamin gerichtet ist, gebunden. Die Sequenz des verwendeten Aptamers lautet:
ATACCAGCTTATTCAATTTGAGGCGGGTGGGTGGGTTGAATATGCTGATTAC CCCATCGGAGAACGTTAAGGCGCTTCAGATAGTAAGTGCAATCT. Das immobilisierte Aptamer gegen Ethanolamin wurde anschließend mit einem zur Targetbindestelle des Aptamers komplementären Oligonukleotid (Sequenz: CCCACCCACCCGCCTC) inkubiert. Während der Hybridisierung zwischen Ap- tamer und komplementären Oligonukleotid wurde eine Rotverschiebung der Resonanz des Sensors um 7 nm beobachtet, siehe Figur 9 (C). Dies verdeutlicht, dass der Sensor auch in der Lage ist, relativ kleine Moleküle nachzuweisen, da das verwendete Oligonukleotid ein Molekulargewicht von lediglich 4.668 Da aufwies. Abschließend wurde der Sensor mit Ethanolamin (1 0 μΜ in 20mM Tris (hydroxymethyl)-aminomethan (Tris), 100 mM NaCI, 0.02% Tween (ph 7.6)) inkubiert. Die durch Ethanolamin induzierte Verdrängung des komplementären Oligonukleotids vom Aptamer resultierte in einer Blauverschiebung der Resonanz des Sensors um 2,2 nm, siehe Figur 9 (D). Somit konnte durch Verdrängung des komplementären Oligonukleotids indirekt die Detektion eines sehr kleinen Moleküls (Molekulargewicht von Ethanolamin: 61 Da) realisiert werden.
Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sich der SPR-Sensor mit Aptameren funktionalisieren lässt, diese dabei ihre Bindungseigenschaften beibehalten und der so generierte SPR-basierte Aptasensor in der Lage ist, auch kleinere Mole- küle zu detektieren, die lediglich zu geringen Änderungen an der Sensoroberfläche führen.
Figur 9 (A) zeigt eine schematische Darstellung des Messprinzips. Das Aptamer 90 wird auf dem Sensor 5 immobilisiert und ein komplementäres Oligonukleotid 91 wird an das Aptamer 90 hybridisiert. Dieses Oligonukleotid wird durch Ethanolamin verdrängt, wodurch die optische dichte über dem Sensor 5 verringert wird. Dies kann als Verschiebung der Resonanz ausgelesen werden. Verschiebungen der Resonanz während der Funktionalisierung des Sensors und der Detektion von Ethanolamin sind in Figur 9 (B) erkennbar. Während der Immobilisie- rung des Aptamers (100 μΜ) wurde eine Verschiebung von 6,7 nm beobachtet. Die Hybridisierung des Oligonukleotids (100 μΜ) führte ebenfalls zu einer Rot- Verschiebung der Resonanz um 7 nm, wie in Figur 9 (C) erkennbar ist. Die Verdrängung des Oligonukleotids durch Ethanolamin (10 μΜ) führte zu einer Blauverschiebung der Resonanz um 2,2 nm, wie in Figur 9 (D) erkennbar ist. Der zeitliche Verlauf dieser Verschiebung zeigt, dass bereits nach unter 30 Minuten ein deutliches Signal erhalten wird, wie in Figur 9 (E) erkennbar ist.
Die hier dargestellte Ausformung des Sensors zur Aptamer-basierten Detektion von Ethanolamin stellt ein Beispiel zur Detektion eines kleinen Moleküls dar. Durch Verwendung anderer Aptamere, die spezifisch an weitere kleine Moleküle wie z.B. Antibiotika, Toxine, oder andere binden und entsprechende, zur Bindungsstelle der verwendeten Aptamere komplementäre Oligonukleotide, lassen sich Sensoren mit beliebiger Spezifität realisieren.
Neben der oben dargestellten Detektion kleiner Moleküle können die Aptamer- basierten Sensoren auch zur Detektion größerer Analyte wie z.B. Proteine, Viren, Bakterien oder weiteren gestaltet werden. In diesem Fall kann auf ein komplementäres Oligonukleotid verzichtet werden, wenn die Aptamer-vermittelte Bindung des Analyten an die Sensoroberfläche zu einer ausreichend großen Änderung der optischen Eigenschaften des Mediums über der Sensoroberfläche führt. Alternativ können für größere Analyten wie z.B. Proteine, Viren, Bakterien oder weitere auch Maßnahmen zur Signalverstärkung verwendet werden. So können z.B. Aptamer-modifizierte Nanopartikel eingesetzt werden, welche an den über Aptamere an die Sensoroberfläche gebundenen Analyten binden. Dadurch werden die Nanopartikel in Nähe der Sensoroberfläche positioniert und dienen der Signalerzeugung und/oder -Verstärkung.
Exemplarische Herstellungsschritte für eine mögliche Gestaltungsform des Sensorsystems sind in den Figuren 10 und 1 1 dargestellt. Zu Beginn der Herstellung wird die Grundstruktur des Sensorsystems in einem Polymergrundsubstrat 97 mittels zweier Prägestempel 95, 96 thermisch abgeformt (Heißprägeverfahren mit Wärmezufuhr 98). Die Wellenleiter- und Kopplergrundstruktur wird mit Hilfe des unteren Stempels 96 hergestellt. Der obere Stempel 95 könnte eine Aussparung 80 im Polymergrundsubstrat 97 erzeugen, die später als Analysefenster des Sensors dient, wobei hier das Analysefenster 83 den Bereich der Wechselwirkung zwischen optischen Sensor und Umgebung (bzw. Funktionalisierung) definiert. Als Polymergrundsubstrat 97 könnten Polymmethylmethacrylat
(PMMA) und/oder Cyclo-Olefin-Copolymer (COC) mit Brechzahlen von jeweils 1 .49 und 1 .53 eingesetzt werden. Im Anschluss wird der untere Prägestempel 96 entfernt. Dieses kann beispielsweise durch Abkühlen 79 erfolgen (Schritte 1 - 3).
Prozessbedingt könnte zwischen Wellenleiterkern und Analysefenster eine Restschicht aus Substratmaterial verbleiben, die allerdings in einem späteren Schritt entfernt werden könnte. Außerdem könnte die verbleibende Restschicht gezielt als Opferschicht zur Aufbringung der für den Plasmonensensor notwen- digen Metallisierungsschicht dienen. Im darauf folgenden Herstellungsschritt 4 kann die nun vorliegende Grundstruktur des planaroptischen Wellenleiters im Polymergrundsubstrat 97 beispielsweise mittels Sputter- oder Bedampfungsver- fahren 94 metallisch beschichtet werden. Die Metallbeschichtung könnte zur Realisierung der optischen Koppler und zur Herstellung des SPR-Sensors ein- gesetzt werden . Um gezielt nur die Spiegelbereiche 81 , 82 und das Analysefenster 83 des optischen Sensors zu beschichten, könnten alle anderen Bereiche über eine Maske 99 maskiert werden.
Nach der Metallbeschichtung wird in die Grundstruktur des Wellenleiters des Polymergrundsubstrats 97 flüssiges Monomer 84 gegeben, welches eine höhere Brechzahl als das Polymergrundsubstrat besitzt und sich unter anderem, aber nicht notwendigerweise, mittels UV-Bestrahlung aushärten bzw. polymerisieren lässt und nach Polymerisierung den Lichtwellenleiterkern bildet (Schritt 5). In Schritt 6 kann ein Bodensubstrat 85, welches eine geringere Brechzahl als der Lichtwellenleiterkern aufweist, mit einer Kraft F 78 von einigen kN auf die
Grundstruktur des Wellenleiters des Polymergrundsubstrat 97 mit flüssigen Mo- nomer 84 aufgepresst und beispielsweise mittels UV-Bestrahlung 77 polymeri- siert werden . Das Bodensubstrat 85 könnte dabei bereits die Gitterstruktur 86 für das Spektrometer enthalten, das zuvor beispielsweise mittels Heißprägeverfahren oder Materialbearbeitung (z.B. Ablation mittels Excimerlaser) erzeugt wurde. Das Gitter könnte auch nachträglich am Ende von Arbeitsschritt 6 oder am Ende des Herstellungsverfahrens beispielsweise mittels Heißprägeverfahren oder Materialbearbeitung in die Unterseite des Bodensubtrat eingebracht werden. Alternativ könnte in den Schritten 5 und 6 der Wellenleiterkern und das Bodensubstrat beispielsweise mittels Spin Coating aufgebracht werden und/oder, falls notwendig, das Gitter nachträglich in die Unterseite des Bodensubstrats eingebracht werden. Im Herstellungsschritt 7 wird der obere Stempel 95 entfernt und, falls notwendig, kann anschließend im Arbeitsschritt 8 die verbleibende Restschicht auf dem Analysefenster 83 des optischen Sensors ebenfalls entfernt und das Analysefenster freigelegt werden. Das Freilegen des Analysefensters des optischen Sensors kann beispielsweise mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas 87 erfolgen. Alternativ können auch beispielsweise ein Excimerlaser (Laserabla- tion) oder Lösungsmittel, wie beispielsweise Chloroform oder Toluol, eingesetzt werden. Weiterhin könnte das Freilegen auch maskiert erfolgen. Außerdem kann der optische Sensor polarisationsempfindlich sein . Durch das Aufbringen eines Polarisators, beispielsweise in Form einer Jod-dotierten Polyvinylalkohol (PVA)- Folie, beispielsweise zwischen Lichtquelle und Einkoppelschnittstelle, kann eine unpolarisierte Lichtquelle des Computergeräts linear polarisiert werden.
Das Bodensubstrat wird vor Arbeitsschritt 5 entsprechend vorbereitet und kann ein Gitter auf der Ober- und/oder Unterseite beinhalten. Weiterhin, könnte ein Metallfilm alternativ auf der Oberseite des Bodensubstrats aufgebracht sein. In diesem Fall wäre die Metallbeschichtung am Ort des Analysefensters des optischen Sensors in Arbeitsschritt 4 nicht mehr notwendig. Jedoch müsste in Arbeitsschritt 8 die Freilegung des Analysefensters des optischen Sensors auf der Unterseite des planar-optischen Sensorsystems erfolgen. Das optische Gitter könnte auch nach der Herstellung mit Hilfe entsprechender Materialbearbei- tungsverfahren in die Unterseite des planar-optischen Sensorsystems erzeugt werden. Weiterhin könnte auch separat eine Polymerfolie 93 mit optischem Gitter 86 hergestellt werden, welche im Anschluss des Herstellungsverfahrens des planar-optischen Sensorsystems (in diesem Fall ohne optisches Gitter) auf der Unterseite aufgeklebt werden kann (wie exemplarisch in Figur 13 (D) gezeigt).
Beim Verfahren gemäß Figur 10 wird die Aussparung 80 auf der Oberseite des Polymergrundsubstrats 97 mittels des oberen Stempels 95 erzeugt, beim Verfahren gemäß Figur 1 1 wird die Aussparung 80 auf der Unterseite des Polymer- grundsubstrat 97 mittels des unteren Stempels 96 erzeugt.
Ein weiteres mögliches Herstellungsverfahren ist in der Figur 1 2 dargestellt. Zunächst wird die Grundstruktur (mit/ohne Gitter) des optischen Lichtpfads in ein Polymergrundsubstrat 97 abgeformt und das Wellenleiterkernmaterial 88 bei- spielsweise mittels Rackeln oder Spin Coating eingebracht (Schritte 1 -4).
Schritte 5-7: Dann kann beispielsweise, falls notwendig, die Oberseite des Wellenleiters 88 mit einem Metall oder einer Metalllegierung 94 beschichtet werden (die Beschichtung kann maskiert mittels einer Maske 99 erfolgen) und ein weite- res Polymersubstrat 89 auf der Oberseite des Wellenleiters 88 platziert werden und mittels zweier Stempel 70, 71 angepresst werden . Das Polymersubstrat 89 kann beispielsweise mittels Heißprägeverfahren oder Klebeverfahren aufgebracht werden und bereits eine Aussparung 80 für das Analysefenster des optischen Sensors beinhalten. Alternativ kann das Polymersubstrat 89 auf der Oberseite auch mittels Spin Coating aufgetragen werden und die Aussparung 80 zur Realisierung des Analysefensters 83 beispielsweise mit Hilfe einer Maske und einem Plasma erzeugt werden. Die optischen 45° Koppelglieder 72, 73 könnten mit Hilfe einer Anschlifftechnik, einem Schneideverfahren, einem nachträglichen Heißprägeverfahren oder Materialbearbeitungsverfahren hergestellt werden. Schritte 8-10: Alternativ zu den Schritten 5-7 könnte auch zunächst das Polymersubstrat 89 auf der Oberseite des Wellenleiters 88 durch Heißprägen, Kleben und/oder Spin Coating aufgebracht werden. Das Polymersubstrat 89 auf der Oberseite könnte bereits eine Aussparung 80 für das Analysefenster des opti- sehen Sensors beinhalten. Im Anschluss könnte die Beschichtung des optischen Wellenleiters am Ort der Aussparung mit einem Metall bzw. einer Metalllegierung 94 erfolgen und die Herstellung der optischen Koppelglieder. Die optischen 45° Koppelglieder 72, 73 könnten mit Hilfe einer Anschlifftechnik, einem Schneideverfahren, einem nachträglichen Heißprägeverfahren oder Materialbearbei- tungsverfahren hergestellt werden. Alternativ könnten auch zunächst die optischen 45° Koppelglieder hergestellt und dann die Beschichtung mit einem Metall bzw. einer Metalllegierung erfolgen, sodass die optischen 45° Koppelglieder ebenfalls beschichtet sind. Schritte 1 1 -14: Alternativ zu den Schritten 5-7 könnte auch zunächst das Polymersubstrat 89 auf der Oberseite durch Heißprägen, Kleben und/oder Spin Coating aufgebracht werden. Die Aussparung 80 für das Analysefensters des optischen Sensors könnte nachträglich beispielsweise mit Hilfe einer Maske 99 und einem Plasma 74 erzeugt werden. Im Anschluss könnte die Beschichtung des optischen Wellenleiters am Ort der Aussparung mit einem Metall bzw. einer Metalllegierung 94 erfolgen sowie die Herstellung der optischen Koppelglieder. Die optischen 45° Koppelglieder 72, 73 könnte mit Hilfe einer Anschleiftechnik, einem Schneideverfahren, einem nachträglichen Heißprägeverfahren oder Materialbearbeitungsverfahren hergestellt werden. Alternativ könnten auch zunächst die optischen 45° Koppelglieder hergestellt und dann die Beschichtung mit einem Metall bzw. einer Metalllegierung erfolgen, sodass die optischen 45° Koppelglieder ebenfalls beschichtet sind.
Im Anschluss der Herstellung des planar-optischen Sensorsystems erfolgen die entsprechende Funktionalisierung des Sensorelements 5 im Bereich des Analysefensters und im Falle eines Chiplabors das Aufbringen einer Flu- idik/Mikrofluidik. Wobei in einer möglichen Gestaltungsform die Fluid ik/Mikrofl uidik zur Funktionalisierung des optischen Sensors herangezogen werden kann. Außerdem könnte die Fluidik/Mikrofluidik bereits im Polymergrundsubstrat 97 und/oder Bodensubstrat 85 integriert sein bzw. während der Herstellung des optischen Sensorsystems mit in das Polymergrundsubstrat 97 und/oder Bodensubstrat 85 integriert werden.
Weitere mögliche Gestaltungsformen des planar-optischen Sensorsystems sind in Figur 13 dargestellt. Diese können durch eine entsprechende Kombination unterschiedlicher Arbeitsschritte der in den Figuren 10 bis 12 gezeigten Herstellungsverfahren erzeugt werden.
Die in den Figuren 10-12 dargestellten Herstellungsverfahren können auch zur Herstellung eines optischen Sensorsystems mit mehreren seriell und/oder pa- rallel verschachtelten optischen Sensoren eingesetzt werden.
Die dargestellten Sensoroberflächen können vor der Funktionalisierung modifiziert werden, z.B. durch chemische Behandlung um die Eigenschaften der Oberfläche (Hydrophobizität, unspezifische Bindung etc.) zu beeinflussen.
Die in den Figuren 10-13 dargestellten Herstellungsverfahren und Gestaltungsformen zeigen exemplarisch optische Sensoren basierend auf Oberflächen- plasmonen. Durch Aussetzen der Metallbeschichtung am Ort des optischen Sensors könnten auch andere optische Sensoren wie beispielsweise ein opti- scher Evaneszenzfeld-Sensor oder Mach-Zehnder-Wellenleitersensor realisiert werden.
Die in Figuren 10-13 dargestellten 45° Koppelelemente können auch parabolisch ausgebildet sein, um die Lichtkopplung zwischen dem optischen Sensor- System und der externen Lichtquelle bzw. der Kamera zu optimieren. Die in den Figuren 10-13 dargestellten Gestaltungsformen können darüber hinaus auch Taper-Strukturen und/oder Wellenleiterkoppler beinhalten. Wellen- leiterkoppler sind unter anderem zur Realisierung eines Mach-Zehnders- Wellenleitersensors notwendig und können weiterhin zur Kopplung mehrerer paralleler Wellenleitersensoren an einer Einkoppelschnittstelle eingesetzt werden. Des Weiteren können die in den Figuren 10-13 dargestellten Gestaltungsformen auch ohne optisches Gitter 86 ausgebildet sein.
Je nach Anwendungsfall können die optischen Wellenleiter der in den Figuren 10-13 gezeigten Gestaltungformen auch bogenförmig ausgebildet sein sowie die Aussparungen für das Sensorelement kann eine beliebige dreidimensional Struktur sein.
Die Figur 14 zeigt weitere mögliche Gestaltungsformen und Anordnungen der Ein- und Auskoppelschnittstelle des Sensorsystems. Beispielsweise setzt sich in Figur 14 (A) die Einkoppelschnittstelle 3 aus mehreren seriell entlang des geta- perten/ungetaperten optischen Wellenleiters angeordneten 45-Grad Einkoppelgliedern zusammensetzt, sodass ein einheitliches optisches Sensorsystem für unterschiedliche Smartphones bzw. mobile Computergeräte eingesetzt werden kann. In Figur 14 (B) besteht ein Sensorsystem aus mehreren parallelen Sensorsystemen, wobei die Längen der optischen Sensorsysteme variieren, sodass die jeweiligen Einkoppelschnittstellen sich an unterschiedlichen Orten befinden und somit immer mindestens ein optisches Sensorsystem optimal zur Lichtquelle 7 und Kamera 8 ausgerichtet ist, auch wenn die Position dieser Komponenten je nach Smartphone bzw. mobilem Computergerät variieren. In Fig. 14 (C) setzt sich die Einkoppelschnittstelle 3 aus mehreren parallelen 45-Grad Einkoppelgliedern und getapertem optischen Wellenleiter zusammen, wobei die 45-Grad Einkoppelglieder auch leicht versetzt angeordnet sein können. Hierbei wird mit den dort verwendeten Bezugszeichen jeweils folgendes bezeichnet: 72 optisches 45° Koppelglied
73 optisches 45° Koppelglied
75 Taper-Struktur
80 Aussparung für das Sensorelement
83 Analysefenster optischer Sensor
86 optisches Gitter
88 optischer Wellenleiter
89 Polymersubstrat
97 Grundstruktur des Sensorsystems
Die Figur 15 zeigt ein gemäß einem der zuvor erläuterten Herstellungsverfahren hergestelltes Sensorsystem 1 und dessen Anordnung auf einem mobilen Computergerät 100.
Die Figur 16 zeigt eine Ausführungsform des Sensorsystems mit Haltevorrichtung, das besonders kompakt ausgebildet ist und nur einen Teil des Computergeräts 100 überdeckt. Zur Befestigung sind beispielsweise Halteclips 150 vorgesehen, die die Haltevorrichtung mit Sensorsystem 1 durch Übergreifen der Vorderseite des Computergeräts 100 daran fixieren.
Die Figur 17 zeigt eine Ausführungsform des Sensorsystems mit Haltevorrichtung, das eine abragende Messspitze 106 aufweist und nur einen Teil des Computergeräts 100 überdeckt. Zur Befestigung sind beispielsweise Halteclips 150 vorgesehen, die die Haltevorrichtung mit Sensorsystem 1 durch Übergreifen der Vorderseite des Computergeräts 100 daran fixieren.
Die Figur 18 zeigt links eine Schutzhülle 103 für ein Computergerät 100, z.B. für ein Smartphone. Die Schutzhülle 103 ist in der linken Abbildung der Figur 16 von der Rückseite her dargestellt, sodass erkennbar ist, dass auf der Rückseite eine entsprechende Auskerbung 104 zur Positionierung und/oder Fixierung der Haltvorrichtung mit Sensorsystems 1 daran vorgesehen ist. In der Figur 16 ist in der Mitte die Schutzhülle 103 von der Vorderseite mit darin eingesetztem Computergerät 100 dargestellt. An der Rückseite kann das Sensorsystem 1 mit Haltevorrichtung an der Schutzhülle 103 angebracht werden, wie in der Figur 16 rechts dargestellt ist. Das Sensorsystem 1 mit Haltevorrichtung weist eine zur Auskerbung 104 entsprechende als Gegenstück zugeordnete Formgebung auf, sodass das Sensorsystem 1 mit Haltevorrichtung in Zusammenhang mit einem in der Schutzhülle 103 angeordneten Computergerät 100 genutzt werden kann. In Figuren 16, 17 und 1 8 kann das Sensorsystem permanent oder austauchbar mit der Haltevorrichtung verbunden sein. Somit kann gemäß einer weiteren Ausführungsform das Sensorsystem 1 in Form eines Einwegchiplabor ausgebildet sein, welches austauchbar in der Haltevorrichtung fixiert werden kann. Des Weiteren könnten Linsen und/oder ein optisches Gitter bzw. ein FT-Spektrometer in der Haltevorrichtung fest verbaut sein, sodass das Sensorsystem 1 diese Komponenten nicht beinhalten braucht und somit besonders kostengünstig realisiert werden kann.
Die Figur 19 zeigt wiederum eine Schutzhülle 103 von der Vorderseite, mit in die Schutzhülle eingesetztem Computergerät 100. Die Schutzhülle 103 weist eine Auskerbung 104 auf, die auf der Vorderseite angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Positionierung und/oder Fixierung des Sensorsystems 1 auf der Vorderseite des Computergeräts 100. Beispielhaft zeigt die Figur 17 eine Auskerbung 104 im Bereich der Kamera 8 des Computergeräts 100, die Auskerbung kann aber auch z.B. die Lichtquelle 7 des Computergeräts 100 zusätzlich freigeben. Alternativ oder zusätzlich kann als Lichtquelle das Display 101 des Computergeräts 100 genutzt werden.
Die Figur 20 zeigt eine Haltevorrichtung, z.B. mit oder ohne eine Magnetbefesti- gung, in Form eines Rahmens 105, die z.B. an der Rückseite eines Computergeräts 100 befestigt werden kann, z.B. durch Kleben. Diese Haltevorrichtung 105 dient zur Positionierung und/oder Fixierung des Sensorsystems. In diesem Fall wird keine gesonderte Schutzhülle zur Positionierung und/oder Fixierung des Sensorsystems an dem Computergerät erforderlich. Die Figur 21 zeigt das Sensorsystem 1 in Form einer Glasfaser 2 mit 45-Grad Ein- und Auskoppelschnittstelle 72, 73 sowie externen optischen Gitter 86 (Beugungsgitter). Das externe optische Gitter 86 könnte darüber hinaus noch Linsen beinhalten. Des Weiteren könnten die 45-Grad Ein- und Auskoppelschnittstellen 72, 73, das optische Gitter 86 sowie Linsen in einem separaten Polymerchip in- tegriert sein, welcher als Koppelelement zwischen Glasfaser mit Sensorele- ment(en) und mobilen Computergerät dienen könnte.

Claims

Patentansprüche:
Optisches Sensorsystem (1 ), das eingerichtet ist zum Zusammenwirken mit einem mobilen Computergerät (100), das wenigstens eine Lichtquelle (7, 101 ) und wenigstens eine Kamera (8) aufweist, wobei das Sensorsystem (1 ) wenigstens eine Einkoppelschnittstelle (3) zur Einkopplung von Licht (13) von der Lichtquelle (7, 101 ) des Computergeräts (100) in das Sensorsystem (1 ) und wenigstens eine Auskoppelschnittstelle (4) zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem (1 ) zur Kamera (8) des Computergeräts (100) aufweist, wobei das Sensorsystem (1 ) wenigstens einen optischen Lichtleitpfad (2) aufweist, über den die Auskoppelschnittstelle (4) mit der Einkoppelschnittstelle (3) optisch verbunden ist, wobei in dem Lichtleitpfad (2) wenigstens ein Sensorelement (5) angeordnet ist, das zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad (2) geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem (1 ) einwirkenden Einflußgröße eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (1 ) eine flachbauende planare Haltestruktur (9, 1 1 ) aufweist, in die die Einkoppelschnittstelle (3), die Auskoppelschnittstelle (4), die Elemente des Lichtleitpfades
(2) und das Sensorelement (5) baulich integriert und in fest vorgegebener optischer Anordnung zueinander justiert sind.
Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Haltestruktur (9, 1 1 ) als dünne, flache Struktur mit zwei voneinander abgewandten Hauptoberflächen (12, 14) ausgebildet ist, die die äußeren Oberflächen der Haltestruktur (9, 1 1 ) mit dem größten Flächeninhalt sind, wobei die Hauptoberflächen (12, 14) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen .
3. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Haltestruktur (9, 1 1 ) eine Dicke aufweist, die wesentlich geringer ist als ihre Breite und Länge.
4. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der planaren Haltestruktur (9, 1 1 ) integrierte Lichtleitpfad (2) zur im Wesentlichen parallelen Lichtleitung entlang der Hauptoberflächen (12, 14) der planaren Haltestruktur (9, 1 1 ) ausgebildet ist.
5. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitpfad (2) wenigstens einen im Bogen in der planaren Haltestruktur (9, 1 1 ) verlegten Lichtwellenleiter aufweist.
6. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitpfad (2) wenigstens ein Einkoppelglied (3a) zum Einkoppeln des Lichts (13) in den Lichtleitpfad an der Einkoppelschnittstelle (3) und/oder ein Auskoppelglied (4a, 4b) zum Auskoppeln des Lichts aus dem Lichtleitpfad (2) an der Auskoppelschnittstelle (4) aufweist, wobei das Einkoppelglied (3a) und/oder das Auskoppelglied (4a, 4b) dazu eingerichtet ist, in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche (12, 14) eingekoppeltes bzw. des ausgekoppeltes Licht zumindest teilweise in Längserstreckungsrichtung des Lichtleitpfads (2) abzulenken .
7. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Haltestruktur (9, 1 1 ) wenigstens ein mechanisches Fixiermittel (15) aufweist, das eine korrekte Anordnung und Justierung des Computergeräts (100) relativ zum Sensorsystem (1 ) unterstützt.
8. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (1 ) in eine Schutzhülle des Computergeräts (100), ein Kleidungsstück oder in eine Verpackung integriert ist oder als solche ausgebildet ist.
9. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitpfad (2) einstückig mit zumindest einem Teil der planaren Haltestruktur (9, 1 1 ) ausgebildet ist.
10. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (1 ) mehrere in demselben Lichtleitpfad (2) hintereinander oder parallel angeordnete Sensoren (5) aufweist.
1 1 . Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (5) wenigstens einen Sensorbereich aufweist, an dem als Rezeptoren für die Sensierung eines nachzuweisenden Analyten Aptamere, Antikörper oder andere Spezifitäts- vermittelnde Strukturen angeordnet sind, die bezüglich des nachzuweisenden Analyten synthetisch generiert sind.
12. Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Aptamere, Antikörper oder andere Spezifitäts- vermittelnde Strukturen ganz oder teilweise zur Signalverstärkung markierte Aptamere, Antikörper oder andere Spezifitäts-vermittelnde Strukturen sind.
13. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem ein Fourier-Transform-Spektrometer zur Detektion des von dem Sensorelement (5) modifizierten Lichts aufweist.
14. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Sensorsystem eine Fluidik oder Mikrofluidik zur
Führung von gelöstem Analyten hin zum Sensorelement (5) aufweist.
15. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem im Bereich des Sensorelements (5) eine Kavität aufweist, die als Absorptionskammer mit oder ohne Resonatoreigenschaften ausgebildet ist.
16. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Haltestruktur (9, 1 1 ) hinsichtlich der wirk- samen Größe ihres Aufnahmebereichs für das mobile Computergerät (100) in wenigstens einer räumlichen Dimension verstellbar ist.
17. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem oder zumindest diejenigen Teile des Sensorsystems, die die Lichtquelle (7, 101 ) und/oder die Kamera (8) überdecken, gegenüber der Haltestruktur (9, 1 1 ) hinsichtlich ihrer Position verstellbar sind.
18. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Sensorsystem oder zumindest diejenigen Teile des
Sensorsystems, die die Lichtquelle (7, 101 ) und/oder die Kamera (8) überdecken, hinsichtlich ihrer Größe und Position derart auf das mobile Computergerät (100) abgestimmt sind, dass die Lichtquelle (7, 101 ) und/oder die Kamera (8) nur partiell überdeckt sind .
19. Connputerprogrannnn zur Ausführung auf einem mit dem Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche zusammenwirkenden Computergerät (100) oder einem externen Computer, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm dazu eingerichtet ist, die Lichtquelle (7, 101 ) des Computergeräts (100) mit einem vorbestimmten Modulationsschema moduliert anzusteuern und ferner das von der Kamera (8) empfangene Licht mit einem dem Modulationsschema zugeordneten Demodulationsschema zu demodulieren.
20. Computerprogramm zur Ausführung auf einem mit dem Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche zusammenwirkenden Computergerät (100) oder einem externen Computer, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm dazu eingerichtet ist, eine Spektralanalyse des von der Kamera (8) aufgenommenen Signals durchzuführen .
21 . Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundstruktur des Sensorsystems (1 ) in einem thermoplastischen Polymer (97) mittels eines oberen Prägestempels (95) und eines unteren Prägestempels (96), zwischen de- nen des thermoplastische Polymer gepresst wird, thermisch abgeformt wird.
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