FI84940B - Sensor som aer baserad pao ytplasmonresonansfenomenet. - Google Patents

Description

84940

Pintaplasmonresonanssi-ilmiöön perustuva sensori

Keksintö kohdistuu sensoriin, jossa käytetään hyväksi pintaplasmonresonanssi-ilmiötä, ja joka on tarkoitettu 5 erilaisten aineiden, kuten kaasujen ja nesteiden analyysiin ja jonka piirteet on esitetty patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa.

Keksinnön mukaisia sensoreita voidaan käyttää erityi-10 sesti aineiden kemiallisen koostumuksen analyysiin sekä immunologiassa ja entsymologiassa eri reaktioiden toteamiseen sekä seuraamiseen.

Pintaplasmonresonanssi (surface plasmon resonance) on 15 optinen pintailmiö, joka on viime vuosina otettu käyttöön sensoritekniikassa. Tämän ilmiön teorian ja fysikaalisen kuvauksen osalta viitataan H. Raetherin artikkeliin julkaisussa Phys. Thin Films, 74, ss 237-244 (1977). Pintaplasmon on pintavarauksen tiheys- 20 aalto metallisella pinnalla. Ilmiössä p-polarisoitunut valonsäde, joka tulee eristeen ja metallin rajapinnalle, menettää selvästi intensiteettiään tietyllä . heijastuskulmalla em. resonanssi-ilmiön johdosta.

Tämän kulman määrää ensinnäkin metallipinnan vieressä 25 olevan eristeen eristeominaisuudet sekä itse metallipinnan ominaisuudet. Käytännössä metallipinta muodostuu ohuen metallikalvon siitä pinnasta, joka on valoa läpäisevään eristemateriaaliin päin. Resonanssi-ilmiöön vaikuttavat kuitenkin myös tämän ohuen metal-30 likalvon toisella puolella vallitsevat olosuhteet, minkä johdosta tähän ilmiöön perustuvaa mittaustekniikkaa on laajasti käytetty erilaisissa analyyseissä ja tältä osin viitataan mm. GB-patenttihakemusjulkaisuun 2197065 sekä eurooppalaiseen patenttihakemus julkaisuun 35 326291.

Edellä mainituissa julkaisuissa esitetyissä laitteissa mitataan yleensä resonanssi-ilmiön riippuvuutta pinnalle tulevan valon heijastuskulmasta. Tällöin 2 84940 valon lähteenä käytetään esim. valoa emittoivaa diodia, joka lähettää valoa vain tietyllä aallonpituudella. Vaihtoehtoisesti valon lähteenä voidaan käyttää kaasulaseria, jolla on myös tarkoin määrätty aallon-5 pituus.

Em. laitteiden haittana on se, että ne ovat rajoittuneet tiukasti vain yhden muuttujan (heijastuskulma) käyttöön mittauksessa. Kuitenkin on havaittu, että 10 resonanssi-ilmiö riippuu hyvin voimakkaasti pinnalle tulevan valon aallonpituudesta. Tätä ei ole tähänastisissa laitteissa otettu riittävästi huomioon, ja mikäli halutaan mitata ilmiötä toisella aallonpituudella, on tämän johdosta jouduttu vaihtamaan valonlähteen 15 tilalle täysin uusi valonlähde. Haluttaessa taas mitata ilmiötä eri aallonpituuksilla ja vain yhdellä valonlähteellä, on valonlähteenä ollut tällöin "valkeaa valoa" eli valoa, jossa on kaikki aallonpituudet, lähettävä valonlähde, ja tämä valo on jaettu monimut-20 kaisin optisin järjestelyin eri aallonpituuksiin. Tällaisia laitteita on kuvattu mm. eurooppalaisessa patenttihakemus julkaisussa 257955 sekä Swalenin et ai lehtiartikkelissa "Plasmon surf ace polari ton dispersion by direct optical observation", Am. J. Phys. 48, ss ·;· 25 659-672, 1980. Aikaisemmissa laitteissa käytetyt valon "·. lähteet pakottavat laitekehittelijän kuitenkin tiet tyihin ennalta määrättyihin ratkaisuihin, eivätkä anna mahdollisuutta laitteiden monipuolistamiseen, minkä lisäksi niiden miniatyrisointi on vaikeaa.

30

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitetyt epäkohdat. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle sensorille on pääasiassa tunnusomaista ne piirteet, mitkä on esitetty patenttivaatimuksen 1 ··· 35 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaisessa sensorissa on lähtökohtana se, että piste, josta valonlähteen 3 84940 aikaansaama säde suunnataan pintaa kohti, on kiinteä tämän pinnan suhteen, ja saman valonlähteen lähettämän valon aallonpituus on muutettavissa.

5 Kyseisellä järjestelyllä on mahdollista havaita reso-nanssikohta käyttämällä muuttujana aallonpituutta rakenteeltaan yksinkertaisella sensorilla, joka ei vaadi monimutkaisia hilarakenteita tai muita optisia järjestelyjä valonlähteen ja pinnan välillä, ja 10 haluttaessa voidaan mitata resonanssikohta käyttämällä muuttujana sekä valon aallonpituutta että sen heijas-tuskulmaa.

Oheisissa alivaatimuksissa on esitetty eräitä edullisia 15 vaihtoehtoja sensorin toteuttamiseksi. Detektoriin voidaan yhdistää laite eri aallonpituuksilla saatujen intensiteettiarvojen tallentamiseksi. Lisäksi valon lähteeseen voidaan yhdistää laite, joka käy automaattisesti läpi tietyn aallonpituusalueen. Tämä laite on 20 järjestetty synkronisesti yhteistoimintaan tallennuslaitteen kanssa, jolloin eri aallonpituuksilla saadut : ·; : arvot tallentuvat automaattisesti. Lisäksi erään edullisen suoritusmuodon mukaan valon lähteestä kullakin aallonpituudella tuleva valo on järjestetty 25 hajoamaan eri tulokulmiin pinnan suhteen, jolloin heijastuneen valon intensiteettiä mittaava detektori muodostuu vastaavasti detektorisarjasta, jossa kukin detektori mittaa tietyllä heijastuskulmalla heijas-tuspinnasta heijastuneen valon intensiteettiä. Tällä 30 saavutetaan toisaalta kahden eri muuttujan käyttö mittauksessa sekä yksinkertainen rakenne ilman liikkuvia osia, mikä mahdollistaa sensorin miniatyri-soinnin.

35 Erään edullisen keksinnön mukaisen suoritusmuodon mukaan valonlähteen ja pinnan välissä on elimet valonlähteestä tulevan valonsäteen jakamiseksi mittaussä-• teeksi ja referenssisäteeksi, jotka on vastaavasti 4 84940 suunnattu pinnassa olevalle mittausalueelle ja refe-renssialueelle, jotka ovat pinnassa erillään toisistaan. Tämän avulla voidaan mittaustarkkuutta ja signaali/kohinasuhdetta parantaa siten, että mit-5 tausalueen kohdalla on varsinainen mitattava näyte ja ref erenssialueen kohdalla on vertailunäyte, tai mittausalue ja referenssialue ovat muulla tavalla ominaisuuksiltaan erilaisia.

10 Keksintö voidaan lisäksi toteuttaa analysoitavaan aineeseen työnnettävän mittauspään muodossa, jolloin sensorissa on optiset kuidut mittauspäässä olevan pinnan yhdistämiseksi valonlähteeseen ja detektoriin.

15 Keksinnön toteuttamiseksi valonlähde voi olla kiinteä viritettävä laser 1. "solid state tunable laser", tai sellainen säädettävä säteilylähde, joka on esitetty esim. kansainvälisessä patenttihakemus julkaisussa WO-88/10462.

20

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin virtaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 on periaate keksinnön mukaisesta sensoris- ____ 25 ta, kuva 2 esittää erästä keksinnön mukaisen sensorin suoritusmuotoa, jolla mittaus tapahtuu samanaikaisesti monella eri heijastuskul-30 maila, kuvat 3a ja 3b esittävät erästä kuvan 2 suoritusmuodon muunnosta, jolla mittaus voidaan suorit-•V taa laajemmalla pinnan alueella, 35 5 84940 kuva 4 esittää sellaista keksinnön suoritusmuotoa, jolla mittaus tapahtuu tietyllä ennalta määrätyllä heijastuskulmalla ja laajalla 5 pinnan alueella, kuva 5 esittää erästä kuvan 4 mukaisen suoritus muodon muunnosta, jossa pinnassa on erityinen vertailualue 1. referenssialue 10 mittaustarkkuuden parantamiseksi, kuvat 6a ja 6b esittävät kuvan 5 mukaista suoritusmuotoa, jolla mittaus voidaan suorittaa lisäksi laajemmalla pinnan alueella kuvien 15 3a ja 3b mukaisesti, ja kuva 7 esittää erästä keksinnön avulla toteutet tavaa edullista sensorirakennetta.

20 Kuvassa 1 on esitetty keksinnön perusperiaate, jonka eri vaihtoehtoja kuvataan jäljempänä. Keksinnön mukaisessa sensorissa on aallonpituudeltaan muutettava valonlähde 1, josta lähtevä valo on suunnattu sähköä *:·*: eristävää ja valoa läpäisevää materiaalia olevaan 25 kappaleeseen 3, joka on osaksi päällystetty ohuella metallikalvolla 4. Kyseinen kappale on prisma, jonka yksi sivu on päällystetty metallikalvolla. Valonsäde johdetaan sopivan optiikan 2 kautta prisman läpi metallikalvon 4 ja prisman rajapinnalle, jolloin se 30 heijastuu metallikalvon pinnasta tietyssä kulmassa ja heijastunut valonsäde johdetaan tarpeellisen optiikan 6 kautta detektorille 7, joka mittaa heijastuneen valon intensiteetin. Ennen rajapintaa suoritetaan myös valonlähteestä 1 tulevan valon polarisointi. 35 Lisäksi sekä valonlähde 1 että detektori 7 on yhdistet-ty laitteeseen 8, kuten mikroprosessoriin tai tietokoneeseen, joka tallentaa detektorin 7 avulla mitattuja intensiteettiarvo ja arvojen käsittelemiseksi ja 6 84940 analysoimiseksi. Jotta valonlähteen lähettämillä eri aallonpituuksilla saadut arvot voitaisiin yhdistää vastaaviin intensiteettiarvoihin, on mikroprosessori tai tietokone yhdistetty lisäksi valonlähteeseen 1.

5 Laite 8 voi olla järjestetty antamaan käskyt valonlähteelle käymällä läpi tietyn aallonpituusalueen, ja tallettamaan tällä aallonpituusalueella saadut eri intensiteettiarvot. Tämä "skannaus” voidaan suorittaa siten, että valonlähde 1 lähettää nopeasti, edullisesti 10 alle sekunnissa, valoa tällä alueella olevilla eri aallonpituuksilla.

Prisman 3 ulkopinnalle järjestetty metallikalvo 4 voi olla mitä tahansa aikaisemmin tässä mittaustekniikassa 15 käytettyä materiaalia, ja se voidaan päällystää sähköä eristävää materiaalia olevalla selektiivisesti herkällä kalvolla 5 mittaustarkoituksesta riippuen.

Valonsäde, joka on p-polarisoitunutta valoa, heijastuu 20 prisman 3 ja metallikerroksen rajapinnasta ja joutuu vuorovaikutukseen metallikalvon pintaplasmonien kanssa. Plasmonien virittyminen voidaan havaita tietyllä : ; : aallonpituudella terävänä kuoppana tai "pudotuksena" kuvaajassa, joka kuvaa heijastuneen valon intensiteet-25 tiä tulokulman funktiona. Tämän kuopan muoto ja sijainti on erittäin herkkä välittömästi metallikalvon läheisyydessä olevan väliaineen eristeominaisuuksille. Keksinnön mukaisesti analyysi suoritetaan mittaamalla ilmiötä eri aallonpituuksilla tietyllä hei jastuskulmal-30 la, jolloin se valonlähteen piste, josta valonsäde on suunnattu kiinteää rataa pitkin prisman 3 ja kalvon 4 rajapintaa kohti, on kiinteä, eli tämä piste pysyy : paikallaan mainitun rajapinnan suhteen. Termi "kiinteä rata" tarkoittaa tässä yhteydessä sitä, että kyseisen ... 35 pisteen jälkeen säde ohjautuu pinnalle tiettyä kiin teää, stationäärisen taittavan ja/tai heijastavan optiikan määräämää rataa pitkin ilman optisia kuituja yms. Pisteestä lähtevä valonsädekimppu voidaan eri i 7 84940 optisin järjestelyin fokusoida tiettyyn mittauspinnan pisteeseen, jolloin sädekimpun eri säteillä on eri tulo- ja heijastuskulmat, koota yhdensuuntaisista säteistä koostuvaksi, tietylle alueelle suuntautuvaksi 5 sädekimpuksi, tai tästä pisteestä lähtevä valonsäde-kimppu voidaan järjestää useammaksi yhdensuuntaisista säteistä koostuvaksi, samalle alueelle suuntautuvaksi sädekimpuksi, joilla voidaan saada aikaan eri tulo- ja heijastuskulmia, kuten myöhemmin tullaan esittämään. 10 Lisäksi em. yhdensuuntaisista säteistä koostuvat sädekimput voidaan jakaa mittauspinnassa sijaitseville eri alueille.

Vaikka keksintö onkin pääasiassa keskittynyt mit-15 taamiseen eri aallonpituuksilla, joita voidaan nopeasti muuttaa saman valolähteen avulla, voidaan siihen yhdistää myös ilmiön havainnointi eri heijastuskulmil-la. Muutokset resonanssissa voidaan siis määrittää samanaikaisesti molempien muuttujien funktiona nopeasti 20 ilman mekaanisten liikkuvien osien tai uudelleen säädön tarvetta.

Kuvassa 2 on esitetty fokusoidun säteen periaate. Tässä pistemäisestä valonlähteestä 1 lähtevät valonsä-25 teet, jotka kulkevat polarisaattorin p kautta, fokusoidaan linssin 2 avulla prisman 3 ja metallin 4 rajapinnalle yhteen pisteeseen, jolloin eri tulokulmissa pisteeseen tulevat säteet heijastuvat vastaavasti eri hei jastuskulmissa linssin 6 kautta detektorisar jaan 30 7, joka muodostuu vierekkäisistä yksittäisistä detek toreista, joista kunkin voidaan ajatella vastaavan tiettyä heijastuskulmaa, tai tarkemmin sanottuna tiettyä kapeaa heijastuskulma-aluetta tai -kaistaa. Mikäli säteen geometria valitaan oikein, on mahdollista 35 tallentaa yhdellä aallonpituudella koko käyrä, joka kuvaa intensiteettiä heijastuskulman funktiona, ja lisäksi muuttamalla aallonpituutta voidaan saada 8 84940 kullekin aallonpituudelle oma tällainen käyrä. Valonlähteeseen 1 yhteydessä oleva laite 8, johon detek-torisarja 7 on liitetty, voi käydä läpi eli "skannata" tietyn aallonpituusalueen ja tallentaa näin saadut 5 käyrät. Mittaus voidaan tehdä nopeasti esim. sekunnin murto-osassa, ja tätä menetelmää voidaan käyttää esim. metallikalvon 4 päällä olevalla selektiivisesti herkällä pinnalla 5 tapahtuvan biokemiallisen reaktion seuraamiseen.

10

Kuvien 3a ja 3b mukaisella sensorilla voidaan laajentaa analysoitavaa kohtaa, joka kuvassa 2 on rajoittunut vain hyvin pienelle alueelle. Kuvat 3a ja 3b esittävät järjestelyä suorassa kulmassa toisiinsa olevista 15 suunnista. Esim. immunologisten reaktioiden havaitsemiseen voidaan käyttää tätä järjestelyä, jossa "fokusoitu säde" on korvattu ns. Köhlerin valaistusjärjestelmällä, jossa valo johdetaan ensin varsinaisesta pistemäisestä valonlähteestä 1 optisten 20 kuitujen muodostamaan kimppuun 9, jota käytetään valonlähteestä 1 tulevan valon levittämiseen laajem-- : malle alueelle, esim. viivamaiselle tai tasomaiselle alueelle. Kuitukimpun 9 toinen pää toimii tällöin prisman 3 ja metallikalvon 4 rajapinnan suhteen ____ 25 paikallaan pysyvänä kohtana, joka muodostaa viivamaisen tai tasomaisen valonlähteen, josta valonsäteet on suunnattu rajapintaa kohti optiikan 2 (levittävä linssi 2a ja kollimoiva linssi 2b) avulla siten, että ne suuntautuvat lopuksi yhdensuuntaisina sädekimppuina 30 rajapintaan eri tulokulmissa ja heijastuvat vastaavasti eri heijastuskulmissa siitä. Polarisaattori p on sijoitettu linssein väliin. Eri heijastuskulmilla prismasta lähtevät, yhdensuuntaisista säteistä muodos-tuvat sädekimput fokusoidaan linssillä 6 detektorisar-35 jän 7 eri detektoreihin. Mittaus voidaan suorittaa samalla tavalla eri aallonpituuksilla "skannaamalla” 9 84940 aallonpituusjakso lyhyessä ajassa, samoin kuin kuvan 2 järjestelmässä, mutta käytettävissä on laajempi pinta-ala, jolla ilmiötä seurataan.

5 Kuvassa 4 on esitetty yksinkertaistettu versio edellisistä, jossa käytetään yksinomaan yhtä heijastuskul-maa, mutta pistemäisestä valonlähteestä 1 eri suuntiin lähtevät valonsäteet kootaan kuvan 3 kaltaisen optiikan 2 avulla yhdensuuntaisiksi, tietylle rajapinnan pinta-10 alalle kohdistuviksi säteiksi. Heijastuskulma on tällöin aina sama, ja heijastunut sädekimppu heijastuu suoraan yhteen ainoaan detektoriin 7. Tulo- ja heijastuskulma valitaan sellaiseksi, että se on lähellä resonanssitilaa ottaen huomioon selektiivinen kerros 15 5 ja sen avulla mitattava aine. Mittaus suoritetaan siis yksinomaan tarkastelemalla ilmiötä aallonpituuden funktiona. Koska kyseisessä järjestelyssä optiikan vaatima tila on pieni, sensori voidaan miniatyrisoida hyvin pieneksi.

20

Kuvassa 5 on esitetty järjestely, jolla voidaan parantaa signaali/kohina -suhdetta ja parantaa yleensäkin mittauksen selektiivisyyttä ja herkkyyttä. Tässä tapauksessa biokemiallisesta herkkä kerros 5 koostuu ____ 25 kahdesta alueesta, aktiivisesta alueesta A ja ei- aktiivisesta alueesta B. Pistemäisestä valonlähteestä 1 eri suuntiin hajaantuvat valonsäteet kootaan aluksi kuvaa 4 vastaavan optiikan 2 avulla yhdensuuntaisista säteistä koostuvaksi sädekimpuksi, minkä jälkeen se 30 hajoitetaan peilijärjestelmän 2c avulla kahdeksi yhdensuuntaiseksi sädekimpuksi, eli mittausalueelle A kohdistuvaksi mittaussäteeksi ja referenssialueelle B : :: kohdistuvaksi referenssisäteeksi. Peili järjestelmässä voidaan käyttää mitä tahansa sopivaa järjestelmää 35 esim. kuvan 5 kaltaista, jossa yhdensuuntaistettu ·". sädekimppu ohjataan kappaleen kautta, jossa on rajapin ta, joka päästää suunnilleen puolet intensiteetistä läpi ja heijastaa toisen puolen peiliin, joka heijastaa 10 84940 tämän sädekimpun kappaleen läpi menneen sädekimpun kanssa yhdensuuntaisena mittauspintaan. Sädekimput heijastuvat alueilta A ja B suoraan omiin detektorei-hinsa, mittausalueelta heijastuvan sädekimpun detek-5 toriin 7a ja referenssialueelta heijastuvan sädekimpun detektoriin 7b. Molemmat alueet A ja B ovat yhteydessä samaan analysoitavaan aineeseen, ja mittaukset suoritetaan di f f erentiaalisesti, siis mittaustietoina käytetään detektorien 7a ja 7b saamien intensiteettien 10 erotusta. Tällä voidaan välttää monet virhelähteet.

Kyseistä mittausjärjestelyä voidaan käyttää hyväksi erityisesti immunologiassa. Tällöin alueen A kohdalla oleva kerros 5 käsittää aktiivista, vasta-aineen 15 sitoutumiseen osallistuvaa proteiinia, ja alueen B kohdalla oleva kerros 5 käsittää deaktivoitua samaa proteiinia, joka ei osallistu kyseiseen tapahtumaan. Mittaus voidaan suorittaa hyvin lyhyessä ajassa, esim. alle sekunnissa, käymällä tietty aallonpituusalue 20 nopeasti läpi, jolloin saadaan tietoa tällä aikavälillä vallinneesta tilasta.

Kuvissa 6a ja 6b, jotka esittävät mittausjärjestelyä suorassa kulmassa toisiinsa olevista suunnista, on 25 esitetty kuvien 3 ja 5 esittämien järjestelyiden yhdistelmä, eli tällä pystytään mittaamaan tietyllä aallonpituudella intensiteettiä samanaikaisesti eri hei jastuskulmilla sekä mittausalueella A että referens-sialueella B. Tällöin käytetään kuvan 3 esittämää 30 Köhlerin valaistus järjestelmää, jossa optisen kuitukim- pun 9 avulla valonlähteen 1 synnyttämä valo levitetään viivamaiseksi tai tasomaiseksi valopinnaksi, joka kuvan 3 mukaisen optiikan 2 avulla järjestetään eri suunnista rajapintaan kohdistuviksi sädekimpuiksi. 35 Ennen prismaa 3 nämä sädekimput jaetaan kuitenkin periaatteeltaan kuvan 5 kaltaisen, erikoisrakenteisen peili järjestelmän 2c avulla kahdeksi eri sädekimppu-ryhmäksi, jotka kumpikin muodostuvat eri suunnista 11 84940 rajapintaan samalle alueelle kuvan 3 tavoin kohdistuvista, yhdensuuntaisten säteiden muodostamista sädekimpuista. Toinen, referenssialueelle Bsuuntautuva sädekimppuryhmä erotetaan järjestelmän 2c avulla 5 suoraan mittausalueelle A suuntautuvan sädekimppuryhmän viereen edullisesti siten, että se on sen kanssa yhdensuuntainen, t.s. tasot, jossa kummankin ryhmän tulokulmat vaihtelevat, ovat yhdensuuntaiset. Mittausalueelle A kohdistettu ryhmä ja referenssialu-10 eelle B kohdistettu ryhmä heijastuvat rajapinnasta kumpikin omaan detektorisar jaansa, mittausalueen detektorisarjaan 7a ja referenssialueen detektorisar-jaan 7b, jotka sädekimppuryhmien ollessa rinnakkain ja yhdensuuntaiset ovat myös rinnakkain ja yhdensuun-15 täiset. Detektorisarja 7a mittaa mittausalueelta A eri hei jastuskulmilla heijastunutta valoa, ja detektorisar-ja 7b mittaa referenssialueelta B eri heijastuskulmilla heijastunutta valoa. Mittaus voidaan suorittaa normaalisti käymällä läpi tietty aallonpituusalue nopeas-20 ti, esim. alle sekunnissa, jolloin saadaan aina kullakin aallonpituudella kaksi intensiteettiä heijas-tuskulman funktiona kuvaavaa käyrää, toinen mittausalueelta A ja toinen referenssialueelta B. Tällöin voidaan saada hyvin paljon mittaustietoa, jota voidaan 25 käyttää hyväksi esim. sellaisissa immunologisissa määrityksissä, joita edellä kuvaan 5 viitaten on selostettu.

Kuvassa 7 on esitetty eräs käytännön sovellutus, 30 jossa myös voidaan käyttää hyväksi keksintöä. Tässä valoa läpipäästävä kappale 1. prisma 3 muodostaa analysoitavaan aineeseen työnnettävän mittauspään. Prisman ensimmäinen sivu 3a on päällystetty metallikal-volla 4, jonka päällä on selektiivistä materiaalia 35 oleva kerros 5. Mittauspää 3 on erityisen puikkomaisen sondin 10 päässä, ja tämän sondin läpi on viety kaksi optista kuitua 11, joista toinen on järjestetty valon johtamiseksi prisman 3 ja metallikalvon 4 rajapinnalle 12 84940 ja toinen on järjestetty rajapinnalta heijastuneen valon johtamiseksi pois. Aallonpituudeltaan muutettava valonlähde 1 on sondin 10 ulkopuolella, edullisesti samassa yksikössä kuin laite 8, ja valo johdetaan 5 sondiin yhdyskaapelia 9 pitkin kulkevaa optista kuitua 11 pitkin, joka jatkuu sondin 10 rungon läpi päättyen mittauspään 3 ja sondin rungon liitoskohtaan. Kuidun 11 ja mittauspään 3 välissä sondin ja mittauspään rajapinnassa on sopiva kollimoiva linssi, esim. Selfoc-10 linssi 12. Kyseinen linssi muodostuu kuidun 11 kanssa koaksiaalisesta, lieriömäisestä kappaleesta, jonka taitekerroin muuttuu pituussuunnassa, jolloin linssin ollessa sopivan pituinen se kollimoi kuidun 11 päästä tulevan, yhdestä pisteestä eri suuntiin hajaantuvan 15 sädekimpun yhdensuuntaisiksi säteiksi ja levittää edullisesti sädekimpun kuidun poikkileikkausta laajemmalle alueelle. Linssin ulkopäässä voi olla myös polarisaattori valon polarisoimiseksi ennen rajapintaa. Linssin 12 ulkopää muodostaa kalvon 4 ja prisman 20 rajapinnan suhteen paikallaan pysyvän pisteen, josta valonsäde suuntautuu aina samassa tulokulmassa prisman läpi rajapintaan, josta se edelleen heijastuu aina samassa heijastuskulmassa prisman 3 toiselle sivulle 3b. Prisman 3 toinen sivu 3b on sellaisessa kulmassa 25 heijastuskulmaan nähden, että se heijastaa prisman sisällä kokonaisheijastuksen johdosta valonsäteet toiseen optiseen kuituun 11, jonka päässä on myös Selfoc-tyyppiä oleva linssi 12. Kuitu 11 kulkee sondin 10 rungon läpi ja sondin ulkopuolelle takaisin siihen 30 yksikköön, joka käsittää myös valonlähteen. Rajapinnalle menevä valonsäde ja siitä heijastunut valonsäde voidaan järjestää kulkemaan siis optisen kuituparin avulla mainitun yksikön ja sondin 10 välillä samaa yhdyskaapelia 9 pitkin. Yksikössä, jossa on valonlähde 35 1, on myös heijastuneen valon intensiteettiä mittaava detektori 7, ja yksikkö käsittää myös laitteen 8, kuten i3 84940 mikroprosessorin tai tietokoneen, käskyjen antamiseksi valonlähteelle 1 ja mittaustulosten käsittelemiseksi edellä mainitulla tavalla.

5 Mittaus suoritetaan samalla tavoin kuin edellä käymällä läpi tietty aallonpituusalue nopeasti, esim. alle sekunnissa, yksikössä olevan laitteen 8 avulla.

Mittauspään muodostava prisma 3 voi olla kertakäyt-10 töinen, jolloin se on irrotettavissa sondin 10 päästä ja vaihdettavissa uuteen prismaan 3, jossa on vastaavalla tavalla metallikalvo 4 ja selektiivinen kerros 5. Lisäksi samaan sondin 10 runkoon, jossa kuitujen 11 mittauspään puoleiset päät linsseineen 12 15 ovat kiinteästi, voidaan vaihtaa erilaisia kesto- tai kertakäyttöisiä mittauspäitä 3 eri aineiden analysoimiseksi. Mittauspään liitoskohta sondin 10 runkoon pysyy aina samanlaisena, ja vakiona pysyvää osaa mittauspäässä havainnollistaa kuvassa 7 pistekat-20 koviivan oikealla puolella oleva alue. Mittauspää voidaan valmistaa esim lasista tai valoa läpipäästäväs-tä muovista, jolloin sen optinen tiheys valitaan sellaiseksi mittausympäristöön nähden, että prisman toisella sivulla 3b tapahtuu aina kokonaisheijastus ____ 25 takaisin toiseen kuituun 11. Mittauspäitä voidaan valmistaa erilaisia aina kullekin tietylle heijastus-kulmalle, ja tätä mahdollisuutta on kuvattu katkoviivoilla, jotka kuvaavat metallikalvon 4 ja prisman 3 välisen rajapinnan, eli prisman sivun suuntaa vaihto-30 ehtoisissa mittauspäissä. Prisman toinen sivu, jolta rajapinnalta heijastunut valo heijastuu toiseen kuituun 11, järjestetään tällöin sijainniltaan sopivaksi rajapintaan nähden. Luonnollisesti mittauspäässä oleva selektiivinen kerros 5 voidaan myös valita 35 mitattavan aineen mukaisesti.

14 84940

Keksintöä ei ole rajoitettu vain edellä esitettyihin vaihtoehtoihin, vaan sitä voidaan muunnella keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Keksinnön yhtenä käytännön sovellutuksena voidaan ajatella myös saman 5 prisman 3 päälle vaihdettavia, metallikalvolla 4 päällystettyjä lasilevyjä, jotka voivat olla varustetut selektiivisellä kerroksella ja jotka voidaan kiinnittää prismaan esim. immersioöljyn välityksellä.

10 Keksinnön vaatima polarisointi voidaan suorittaa periaatteessa missä tahansa kohtaa valonlähteen 1 ja kerroksen 4 pinnan välillä, mutta käytettäessä optisia kuituja se suoritetaan edullisimmin kuitujen jälkeen. Kuitenkin on olemassa myös sellaisia optisia kuituja, 15 jotka säilyttävät polarisoinnin, jolloin polarisointi voidaan suorittaa ennen kuituja.

Keksinnön eri suoritusmuotojen käyttösovellutukset ovat hyvin laajat. Valitsemalla sopivasti biokemial-20 lisesti herkkä materiaali voidaan tutkia eri aallonpituuksilla lyhyessä ajassa hyvin monen kemiallisen ja biokemiallisen aineen ominaisuuksia kaasufaasissa ja liuoksessa.

Claims (9)

1. Pintaplasmonresonanssi-ilmiöön (surface plasmon resonance) perustuva sensori, joka käsittää valoa 5 läpi päästävän osan (3), jota kohti on materiaaliker-roksen (4) pinta, joka kykenee resonoimaan siihen tulevan sähkömagneettisen säteilyn kanssa, jolloin kerros on vastakkaiselta puoleltaan saatettavissa yhteyteen tutkittavan materiaalin kanssa, sensorin 10 käsittäessä lisäksi valonlähteen (1), joka on suunnattu materiaalikerrosta (4) kohti valon läpi päästävän osan (3) kautta, sekä detektorin (7), joka on järjestetty mittaamaan kerroksen (4) pinnasta osan (3) kautta heijastuneen valon intensiteettiä, tunnettu 15 siitä, että saman lähteen (1) lähettämän valon aallonpituus on muutettavissa, jolloin se valonlähteen piste, josta valonsäde on suunnattu kiinteää rataa pitkin kerrosta (4) kohti, on paikallaan kerroksen (4) pinnan suhteen. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sensori, tunnettu siitä, että detektoriin (7) on yhdistetty laite (8) pinnasta heijastuneen valon intensiteettiarvo jen tallentamiseksi eri aallonpituuksilla. 25

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sensori, tunnettu siitä, että valonlähteeseen (1) on yhdistetty laite tietyn aallonpituusalueen automaattiseksi läpikäymiseksi (skannaamiseksi) nopeasti, edullisesti alle sekun- 30 nissa, valonlähteen (1) avulla, jolloin laite on synkronisesti yhteistoimiva tallennuslaitteen (8) kanssa.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen 35 sensori, tunnettu siitä, että kullakin aallonpituudella valonlähteestä (1) tuleva valo on järjestetty hajoamaan eri tulokulmiin kerroksen (4) pinnan suhteen, ja että detektori (7) muodostuu vastaavasti ie 84940 detektorisarjasta eri heijastuskulmilla kerroksen (4) pinnasta heijastuneen valon intensiteetin mittaamiseksi .

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sensori, tunnettu siitä, että valonlähteen (1) ja kerroksen (4) pinnan välissä on elimet (2c) valonlähteestä (1) tulevan valonsäteen jakamiseksi mittaussä-teeksi ja referenssisäteeksi, jotka on vastaavasti 10 suunnattu kerroksen (4) pinnan mittausalueelle (A) ja referenssialueelle (B), sensorin käsittäessä lisäksi kumpaakin aluetta varten oman detektorin (7a ja 7b).

6. Patenttivaatimusten 4 ja 5 mukainen sensori, 15 tunnettu siitä, että valolähteen (1) ja pinnan välissä on elimet (2c) valonlähteestä (1) tulevien valonsäteiden jakamiseksi mittaussäteiksi ja referens-sisäteiksi, jotka kummatkin on järjestetty hajoamaan eri tulokulmiin vastaavasti kerroksen (4) pinnan 20 mittausalueen (A) ja referenssialueen (B) suhteen, sensorin käsittäessä lisäksi kaksi detektorisarjaa (7a ja 7b), joista toinen on järjestetty mittaamaan mittausalueelta (A) eri hei jastuskulmilla heijastunutta valoa, ja toinen on järjestetty mittaamaan referenssi-25 alueelta (B) eri hei jastuskulmilla hei jastunutta valoa.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen sensori, tunnettu siitä, että kerros (4) sijaitsee analysoitavaan aineeseen työnnettävässä 30 mittauspäässä (3), sensorin käsittäessä valonlähteen (1) ja mittauspään (3) välisen optisen kuidun (11) valon johtamiseksi kerroksen (4) pinnalle mittauspään läpi ja mittauspään ja detektorin (7) välisen optisen kuidun (11) pinnalta (4) heijastuneen valon johtamisek-35 si mittauspään (3) ulkopuolella sijaitsevaan detek-.. toriin (7). i7 84940

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen sensori, tunnettu siitä, että mittauspää muodostuu kappaleesta (3), kuten prismasta, jonka yhdelle ulkosivulle kerros (4) on järjestetty. 5

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen sensori, tunnettu siitä, että mittauspään muodostava kappale (3) on irrotettavissa sensorin rungosta (10) ja vaihdettavissa uuteen. i8 84940