WO1997035180A1 - Optical lightwave sensor based on resonant optical excitation of surface plasma waves - Google Patents

Optical lightwave sensor based on resonant optical excitation of surface plasma waves Download PDF

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WO1997035180A1
WO1997035180A1 PCT/DE1997/000575 DE9700575W WO9735180A1 WO 1997035180 A1 WO1997035180 A1 WO 1997035180A1 DE 9700575 W DE9700575 W DE 9700575W WO 9735180 A1 WO9735180 A1 WO 9735180A1
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light
sensor
layer
light guide
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PCT/DE1997/000575
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Inventor
Andreas Katerkamp
Maria Pellmann
Christian KÖTTER
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Institut für Chemo- und Biosensorik Münster E.V.
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
    • G01N21/553Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02Optical fibres with cladding with or without a coating
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type

Definitions

  • the invention relates to a sensor based on the resonant optical excitation of surface plasma waves and to a device for operating the sensor.
  • a sensor can be used for substance detection or for determining the concentration of chemical substances.
  • Surface plasma vibrations at a metal interface are understood to mean oscillatory fluctuations in the electron charge density of the free metal electrodes. These can pass through at the interface between a thin metal layer and a dielectric
  • a substance-recognizing (reactive) layer can be applied to the carrier metal to improve the selectivity of the surface plasma wave sensor and for signal amplification (Liedberg et al, "Surface Plasmon Resonance for Gas Detection and Biosensing", Sens. Actuators 4 (1983) pp . 299-304).
  • the substance-recognizing layer Through a suitable choice of the substance-recognizing layer, strong changes in the dielectric constants and thus high signal amplification can be ensured even with small amounts of a substance to be detected.
  • a fiber-optic surface plasma wave sensor is known for example from US 5,359,681.
  • part of the sheathing was removed and a thin silver applied layer.
  • Polychromatic light with a defined angular distribution is coupled into one end of the optical fiber.
  • Light of a certain wavelength range fulfills the resonance condition and excites surface plasma waves on the metal layer surface with loss of intensity.
  • the spectral intensity distribution of the light emerging at the other end of the fiber determined with a spectrometer, has a resonance dip in a certain wavelength range. If the dielectric constant of the dielectric (eg of water) changes due to concentration changes (eg addition of a substance), the spectral center of gravity of the dip in resonance shifts in a characteristic manner depending on the current concentration.
  • a disadvantage of this arrangement is the fact that small changes in concentration cannot be detected due to the inherent noise of polychromatic light sources and the associated mode fluctuation or mode coupling in the light guide. Furthermore, the expenditure on equipment is very high due to the use of a spectrometer and a polychromatic light source.
  • Another surface plasma wave sensor based on a light guide is from C. Ronot-Trioli et al., "A monochromatic excitation of a surface plasmon resonance in an optical fiber refractive system", Transducers 95 and Eurosensors IX, Voi 2 pp. 783-796 known.
  • a multimode fiber serves as the sensor element, and gold is used as a carrier for surface plasma waves.
  • the monochromatic light from a laser is introduced into the optical fiber at a variable angle coupled.
  • the intensity of the emerging light is then determined as a function of the coupling angle.
  • the resonance condition is fulfilled at a characteristic angle.
  • the dielectric constant of the medium can be determined via the angle at which the resonance occurs.
  • the present invention is therefore based on the object of creating a sensor of the type mentioned at the outset which permits optimum adjustment of the working point and at the same time has a high level of sensitivity.
  • a simple device for operating such a sensor is to be specified.
  • An optical sensor in which one or more layers are applied to the light guide core of a light guide, of which at least one layer functioning as a support layer for surface plasma waves contains a metal alloy, the composition and / or position of the absorption band about its composition the surface plasma waves is set, has a drastically increased sensor sensitivity. At the same time, the expenditure on equipment for operating such a sensor can be reduced.
  • the coating according to the invention is applied directly to an area or to several separate areas of the light guide core between the end faces of the light guide and has direct contact with the medium to be analyzed with the other layer side.
  • the use of a metal alloy makes it possible to adapt the sensor according to the invention to commercial, inexpensive and handy, monochromatic light sources such as laser diodes.
  • the metal alloy composition is selected such that the absorption range of the surface plasma waves falls within the range of the emission wavelength of the laser or just outside of it. In this way, the position of the absorption band and thus also the sensor operating point is set. This possibility of an exact working point setting leads to an extraordinarily high sensor measuring accuracy. Another reason for this is that the noise of the monochromatic light source according to the invention is negligible.
  • An absorption band is shown in FIG. The spectral position of the resonance curve curve 21 can be shifted by selecting a metal alloy composition in such a way that the excitation wavelength lies in particular in the steepest and therefore most sensitive flank region 23 of the resonance.
  • the full width at half maximum 24 as well as the slope of the resonance curve can be adapted to the requirements by selecting an appropriate metal alloy composition. In this way it is possible to influence the shape of the absorption band.
  • the resonance condition is not necessarily met with the aid of an extensive apparatus structure, but in a simple and inexpensive manner by a suitable choice of a metal alloy composition.
  • the shape and / or position of the absorption band can already be adjusted using homogeneous metal alloys.
  • very decisive additional advantages of the invention develop when using a heterogeneous metal alloy.
  • Heterogeneous metal alloys are understood to mean those in which the components form at least two phases which differ in their composition.
  • At least one of the phases can be formed in at least one further phase in the form of separate areas, for example as spheres or ellipsoids, with dimensions of up to 200 nm and preferably between approximately 1 nm and 40 nm.
  • at least one of the phases can be present in at least one further phase in the form of a network. This network arises, for example, if, due to the increasing number of originally separated areas, these come into contact with one another or if a closed layer of a pure metal is broken up. The breakup can take place, for example, thermally.
  • the first phase which is in the form of separate areas or as a network, should have direct contact, at least in some areas, with the wave guide core.
  • the second phase which surrounds the first phase, is embedded in the first phase and / or covers the first phase, has the following effects: an advantageously narrow and deep absorption peak and, in the form of a homogeneous surface, is particularly suitable for attaching, for example, components of a receptor-ligand complex.
  • the second phase e.g. gold
  • Gold or silver are preferably used in the alloy as the main component in connection with one or more further metals.
  • Binary alloys made of gold and silver are particularly preferred.
  • the mixing ratio is based on the desired selectivity and sensitivity of the sensor, i.e. matched to the desired shape and / or position of the absorption band.
  • Typical layer thicknesses for the alloy are in a range from 10 nm to 500 nm and preferably between 40 nm and 80 nm. Particularly preferred layer thicknesses are in the range between 50 nm and 60 nm.
  • the length over which the sensitive coating is applied to the light guide core also has an important influence on the absorption behavior.
  • the length of the coating area can also influence the shape of the resonance curve and thus the working point and the sensitivity of the sensor. As the length of the selective metal alloy increases, the half-width of the resonance curve increases without, however, changing the slope.
  • the strength of the measurement signal can thus be influenced over the length of the metal alloy layer applied.
  • the optimal length is a function of the dimensions of the light guide core and the angle or the angular range under which the light propagates in the light guide.
  • Useful lengths are in a range between 0.1 mm and 100 mm, preferably between 10 mm and 20 mm.
  • an adhesion promoter layer can additionally be arranged between the light guide core and the alloy layer.
  • Metal layers which contain, for example, chromium, titanium, nickel, cobalt or vanadium are particularly suitable as adhesion promoters.
  • the adhesion promoter layer should be very thin so as not to complicate the resonant optical excitation of surface plasma waves.
  • Preferred layer thicknesses are in the range from 0.1 nm to 20 nm. In these layer thickness ranges, the adhesion promoter is usually present as a discontinuous layer. For this reason, the layer thickness information is to be understood as mean layer thicknesses.
  • the islands of the discontinuous adhesion promoter layer can advantageously serve as condensation nuclei for the simplified production of a heterogeneous alloy.
  • a substance-recognizing layer can be applied to the alloy layer, which has contact with the dielectric to be analyzed.
  • the substance-recognizing layer preferably contains a component of a chemical or bio-chemical receptor-ligand complex with a high affinity for the corresponding partner in the medium to be analyzed.
  • the substance-recognizing layer typically has a thickness of 0.1 nm to 10 ⁇ m.
  • An intermediate layer of chemically reactive can be placed between the substance-recognizing layer and the alloy layer. tive groups for attaching the receptor or the ligand to the alloy layer are applied. Suitable thicknesses of this intermediate layer are approximately 0.1 nm to 100 nm.
  • multimode light guides are preferably used for the sensor application, and in particular those which are in a wavelength range between 200 nm and 2400 nm multimode light guides are used.
  • a multimode light guide allows a considerably simplified connection technology and coupling of the light due to the larger light guide dimensions.
  • the resonance condition can be met solely by choosing the alloy composition, in the case of multimode light guides, light coupling angles and coupling angle distribution provide a further degree of freedom for fulfilling the resonance condition.
  • All known light guides in particular optical fibers, ribbed light guides, buried light guides and film light guides, are suitable for sensor applications. Because of the advantages in terms of production technology, planar light guides are preferably used.
  • a plurality of individually arranged sensors can also be integrated in a single planar light guide.
  • Separate substance-recognizing layers can be arranged next to one another on a planar light guide core in the region of separate light paths of the individual sensors.
  • One from a single planar light guide Existing multi-sensor system can be used, for example, for the simultaneous determination of the concentration of a plurality of chemical substances.
  • the coupling in and out of light in an optical sensor can take place via the end faces of the light guide core, for example the coupling in of light via one end and the coupling out via the second end of an optical fiber. It is also possible for one end of the light guide to be mirrored or to be provided with a reflective element. In this case, the light is coupled in and out via one and the same end face of the light guide. If the injected light is reflected at the end of an optical fiber, it can be used twice with the
  • Alloy layer interact. This allows the overall length of the sensor to be shortened or means a greater change in the measurement signal.
  • a metal layer or a metal layer system is suitable as the reflecting element, which has no plasma wave resonance at the wavelengths of the injected light used.
  • An adhesion promoter layer can also be located between the metal layer or metal layer system and the light guide core.
  • a device which is simple in terms of apparatus, for operating the sensor while maintaining the high detection sensitivity, contains optical interfaces for coupling light into and out of the sensors and an optical measuring system.
  • the optical measuring system contains one or two light sources and an optical detector arrangement. When using two light sources, the op- table measuring system also a mixer to combine the light of both light sources.
  • the light is coupled into the sensor with the aid of a first optical interface via a first surface of the sensor and coupled out via a second surface with the aid of an optional second optical interface or when a reflection device is attached on the second surface over the first surface using the first optical interface.
  • the optical interface allows optimal and reproducible light at a predetermined angle and with a predetermined angle distribution in the
  • Couple sensor in and / or out.
  • the intensity occupation of the individual light guide modes can be defined.
  • non-reproducible fluctuations in the mode distribution can be avoided and the detection sensitivity of the system can be increased.
  • the optical interface makes it possible to specifically influence the shape of the absorption band and thus the working point.
  • the optical interfaces can contain diaphragms, which are preferably adapted to the shape of the coupling or decoupling surface.
  • the interfaces can comprise optical lenses or imaging lens systems which map the output of the optical measuring system onto the first surface of the sensor. A diaphragm is introduced into the beam path so that only light at a certain angle and with a certain angle distribution can be coupled into the sensor.
  • the optical measuring system contains a first, monochromatic light source for exciting the surface plasma waves and optionally a second, mono- or polychromatic light source with an emission wavelength or an emission wavelength range outside the absorption band. When using a second light source, the optical measuring system further includes a device for mixing the light of the first light source with the light of the second light source.
  • the second light source preferably emits light with a very narrowly limited wavelength spectrum.
  • the second light source for example a low-cost light-emitting diode, as a reference to the first light source, the light from both light sources must go through the same optical path. It is advantageous that both light sources can be permanently mounted. As a result, systematic measurement errors can be reduced and the detection sensitivity increased accordingly.
  • the optical measuring system also contains an optical detector arrangement which determines the optical power of the outcoupled light of the first light source and generates a first signal therefrom and, when using a second light source, determines the optical power of the outcoupled light of the second light source and generates a second signal therefrom .
  • the output variable is then determined using the signal from the first light source or both signals.
  • the optical measuring system can contain a single optical detector for each sensor to be evaluated, which, when using two light sources on a multiplex basis, alternates the optical power of the decoupled determined light of the first light source and generates a first signal therefrom and then determines the optical power of the outcoupled light of the second light source and generates a second signal therefrom. This can happen, for example, in that the first signal is generated while the first light source is switched on and the second light source is switched off and the second signal is generated while the second light source is switched on and the first light source is switched off.
  • the two light sources can be modulated sinusoidally with different frequencies, for example.
  • one detector is sufficient for each sensor to be evaluated, provided that the sensor comprises two demodulators, each of which demodulates a certain frequency component.
  • suitable demodulators are, for example, high, low or bandpass filters.
  • the optical measuring system can also contain two optical detectors, the first optical detector determining the optical power of the first light source and the second optical detector determining the optical power of the second light source.
  • the detectors used are selected in accordance with the spectral range of the respective light sources. In order to increase the selectivity of the detectors, wavelength-selective components can be fitted in front of the detector inputs. Alternatively, the multiplex-based light sources can be switched on and off alternately.
  • the concentrations of several chemical substances can be determined simultaneously by sensors with little production technology and apparatus expenditure.
  • the light can be coupled into the individual sensors, which can have different substance-recognizing layers, by means of a beam splitter and a first interface per sensor and can be coupled out again via corresponding second interfaces or the first interfaces.
  • a separate output measurement variable is then determined for each sensor via an adapted optical detector arrangement.
  • the sensors can advantageously be designed as a single planar waveguide with substance-recognizing layers arranged at different locations on the waveguide. This application is of great practical importance, since a simultaneous determination of the concentration of several substances is possible on the basis of only a single planar waveguide.
  • the output light can optionally be supplied to the optical detector arrangement by a beam splitter of beam splitting 1 to 2 without the detector being attached ⁇ order in the optical path between the light source and sensor must be attached.
  • FIG. 1 shows a film light guide, consisting of a light-guiding film, light guide support and cover, with a sensitive coating on the light-guiding film;
  • Figure 2 shows a film light guide with a reflective element on an end face
  • FIG. 3 shows an optical fiber consisting of fiber core and sheathing with a sensitive coating on the fiber core
  • FIG. 4 shows an optical fiber with a reflective element on an end face
  • FIG. 5 shows a ribbed light guide, consisting of a laterally delimited light guide core, light guide carrier and cover, with a sensitive coating on the light guide core;
  • FIG. 6 shows a ribbed light guide with a reflective element on an end face
  • FIG. 7 shows a buried light guide, consisting of a laterally delimited light guide core, light guide carrier and cover, with a sensitive coating on the light guide core;
  • FIG. 8 shows a buried light guide with a reflecting element on an end face;
  • FIG. 9 shows a sensitive layer sequence consisting of an adhesion promoter, alloy, intermediate and substance-recognizing layer applied to the light guide core;
  • FIG. 10 shows an example of the spectral intensity distribution of the outcoupled light when surface plasma wave resonance occurs
  • FIG. 11 shows an exemplary embodiment of an optical interface consisting of an aperture
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment of an optical interface, consisting of an aperture and a lens
  • FIG. 13 shows an exemplary embodiment of an optical interface consisting of a diaphragm and two lenses
  • FIGS. 20-21 devices for operating a multi-sensor system based on a single planar waveguide
  • FIG. 22 shows a further exemplary embodiment of a sensor according to the invention with a heterogeneous alloy layer
  • FIG. 23 the measured absorption band of a sensor according to FIG. 22.
  • FIG. 24 shows a sensitivity comparison between a sensor with a silver layer and a sensor according to the invention with an alloy layer.
  • 1 to 8 show exemplary embodiments of multimode optical waveguides which are suitable for a sensor according to the invention on the basis of the resonant optical excitation of surface plasma waves.
  • FIG. 1 shows a film light guide consisting of a planar light-guiding film 3, which is surrounded by a planar light guide support 2 and a planar cover 1.
  • 2 shows a film light guide with a reflective element 11 on one end face.
  • Fig. 3 is an optical fiber consisting of cylindrical symmetrical light-guiding
  • Fiber core 5 and sheath 4 shown. 4 shows an optical fiber with a reflective element 11 at one end.
  • FIGS. 5 and 6 show a ribbed light guide and in FIGS. 7 and 8 a buried light guide, each consisting of a laterally delimited light guide core 6 surrounded by a planar light guide support 7 and a planar cover 8, and partially provided with a reflective element 11 , pictured.
  • the light guide support and cover can consist of the same or different material.
  • the light guides have a first surface 9 and a second surface 10.
  • the second surface 10 can with be provided with a reflective element 11.
  • One or more measuring surfaces are located on the light guide core between the two end faces 9 and 10.
  • a sensitive coating 12 is applied to the measuring surfaces.
  • Suitable materials for light guide cores are, for example, glasses such as quartz, BK7, Pyrex and Tempax or breakaway polymers such as polycarbonate or PMMA.
  • Low-index glasses or polymers can be used as materials for the cover and the light guide support.
  • the reflective element 11 can be implemented, for example, by applying a metal layer or a metal layer system to the second surface 10.
  • the metal layer or the metal layer system can be platinum, gold, silver, palladium,
  • Suitable thicknesses of the metal layer or layers are 100 nm to 10 ⁇ m.
  • an adhesive layer between the metal layer or metal layer system and the second surface 10.
  • Chromium, titanium, cobalt, vanadium or nickel with layer thicknesses in the range from 0.1 nm to 300 nm are suitable as adhesion promoters. Both metal layers and adhesion promoters must be selected such that no surface plasma waves can be excited resonantly with the arrangement .
  • the measuring surface on the light guide core can be removed by mechanically loosening the cladding, wet chemical etching, reactive ion etching, plasma ashing, etc. can be realized.
  • the sensitive coating which comprises at least one alloy layer, is then applied to the measuring surface.
  • Suitable alloy compositions can be determined, for example, by analyzing the optical constants of the alloy, such as refractive index n and damping constant k. Surface plasma waves can only be excited if the relationship jn] ⁇ ] k
  • the optical constants of the alloy such as refractive index n and damping constant k.
  • Surface plasma waves can only be excited if the relationship jn] ⁇ ] k
  • the characterization of the alloy layers takes place e.g. by means of an ellipsometer. From the statements obtained with an Eilipsometer, the suitable parameters for the production and application of an alloy which has surface plasma wave resonances in a suitable wavelength range can then be reproducibly determined.
  • the application of the alloy can e.g. by vapor deposition, sputtering or by another coating method.
  • Binary alloys of gold and silver are preferably used.
  • Palladium or nickel can be introduced.
  • a silver-gold alloy it is possible to observe transmission minima in water in a wavelength range between approximately 550 nm (pure silver) to 660 nm (pure gold).
  • semiconductor lasers can be used as the excitation light source.
  • a component of a chemical or biochemical receptor-ligand complex such as, for example, a component of the systems antigen / antibody, lectin / carbohydrate, is suitable as the substance-recognizing layer.
  • the substance to be detected is accordingly either a receptor or a ligand with a high level
  • the respective immobilized receptors or ligands of the substance-recognizing layer can be bound to the alloy via an intermediate layer made of suitable chemically reactive groups.
  • a first exemplary embodiment of a sensor according to FIG. 4 based on a multimode optical fiber made of quartz glass 5 with a core diameter of 400 ⁇ m and with a sheath 4 made of a polymer is described below.
  • the end face 10 of the fiber is coated with a reflective metal layer system 11, subsequently 5 nm chromium, 400 nm silver and 100 nm platinum.
  • the polymer sheathing 4 is removed by means of a chemical solvent over a length of 7 mm (measured from the non-reflecting end face).
  • the structure of the sensitive coating is shown in FIG. 9. Thermal evaporation leads to the exposed end of the
  • Fiber core 13 first applied an adhesion promoter layer 14 made of chrome. Then an alloy 15, which consists of approximately 80% silver and approximately 20% gold, is evaporated thereon. An receptor or ligand present as a protein is immobilized thereon with the aid of an intermediate layer 18 made of dithiobis- ⁇ uc-cinimidyl-propionate (DSP).
  • DSP dithiobis- ⁇ uc-cinimidyl-propionate
  • the sensor is first immersed in a solution of 0.01 M DSP in acetone and then rinsed with acetone. Then comes the coated area of the Sensors in contact with proteins 17, which adhere very strongly to the sensor. Only the surface 19 of the substance-recognizing layer is in contact with the sample to be analyzed.
  • the senor can be used for selective substance detection.
  • the sensor with the gold-silver alloy described has the spectral range of greatest slope in an aqueous solution, i.e. greatest sensitivity, at about 635 nm.
  • a commercially available laser diode is thus suitable as the excitation light source for the surface plasma waves which spread on the surface 16 of the alloy.
  • FIG. 22 A second exemplary embodiment of a sensor according to the invention, based on a heterogeneous alloy, is shown in FIG. 22.
  • the basic structure of this sensor essentially corresponds to that of the sensor according to FIG. 9.
  • chromium is first applied to the waveguide core 13 as an adhesion promoter 14.
  • a discontinuous chromium layer with an average layer thickness of approximately 5 nm is formed on the waveguide core 13. The island formation is typical for the application of such thin layers.
  • a silver-gold alloy 15, 16 with phases in the nanometer range is deposited over the adhesion promoter layer.
  • the alloy layer according to the invention can be produced in different ways: a) A molar mixture of 30 to 5% silver and 70 to 95% gold (powder, granules, etc.) is deposited on the surface of the waveguide by thermal vapor deposition. Due to the different melting and boiling temperatures of
  • Silver and gold will initially deposit silver, which preferably condenses on the islands of the adhesion promoter layer.
  • Gold 16 is deposited between and on the silver 15. With this method, in particular heterogeneous alloys with separate phases can be realized.
  • a first closed silver layer is thermally evaporated or sputtered onto the adhesion promoter layer 14.
  • the thin silver layer is thermally treated for 10 seconds. up to 20 min. broken up at 100 ° C to 300 ° C under a protective gas atmosphere.
  • a silver network is formed around the bonding agent islands 14.
  • Gold 16 is then deposited in and around the silver network. This layered structure is then surface-homogenized by thermal treatment under protective gas for up to 5 hours at 40 to 180 ° C.
  • the decisive advantage of the heterogeneous alloy lies in the possibility of an almost polarization-independent excitation of surface plasma waves. While with a closed layer of one pure metal surface plasma waves can only be excited with TM polarized light, the surface plasma waves can be excited with both TM and TE polarized light in the layer structure described. Since each light polarization is a linear combination of TE and TM polarized light, the surface plasma waves are excited according to the invention independently of polarization. This has the very significant advantage, among other things, that the resonance peak (cf. measurement diagram Fig. 23) is almost the same
  • FIG. 24 shows the sensitivities of a sensor coated with silver and a sensor coated with a heterogeneous gold-silver alloy as a comparison.
  • identical optical fibers were coated with 5 nm chromium each.
  • the alloy fiber was produced in accordance with point a) of the second exemplary embodiment and coated in a molar ratio of 90% gold to 10% silver.
  • the metal layer thicknesses on both fibers were approximately 60 nm in each case.
  • a laser diode emitting at 635 nm and a light emitting diode emitting at 1300 nm were used as the monochromatic light source. The ratio of the light power signals laser diode to light emitting diode served as the output signal.
  • the refractive index n of an alcohol / water solution was determined as a measured variable by varying the Alcohol concentration changed in a range from 1,333 to 1,360. It can be clearly seen that the alloy fiber in the interesting range between 1,340 and 1,360 shows a sometimes drastically higher sensitivity than the silver fiber.
  • FIGS. 14 to 17 show devices for operating a sensor 47 according to the invention.
  • the devices contain a laser diode 44 with an emission maximum at approximately 635 nm as a monochromatic first light source and a light-emitting diode 45 with an emission maximum at approximately 1350 nm and a spectral half-width of 70 nm as a second light source. Because of the same optical path lengths in the sensor, the light from the second light source can be used as a reference to the first light source.
  • the alloy composition, the coating length and the laser used are matched to one another in such a way that the emission wavelength of the laser lies in the absorption region of the surface plasma resonance, advantageously in the region of greatest slope.
  • the emission spectrum of the light emitting diode lies far outside the absorption range of the plasma resonance and is very narrow-band.
  • a monochromatic light source e.g. semiconductor laser
  • the light is coupled into the light guide via a device 48 for mixing the light of the first with the light of the second light source and an optical interface 46, which defines the distribution of the angles at which the light beams can propagate in the light guide core.
  • the optical interface defines a reproducible mode occupation in the light guide core. Besides, can influence on the half-width 24 and the slope of the absorption band 20 of the surface plasma waves. This allows the operating point or the sensitivity of the sensor system to be influenced. The mode of operation of an optical interface will be explained in more detail below.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of an optical interface is shown in FIG.
  • an aperture 26 in the form of a thin plate or film made of non-transparent material.
  • the arrangement is characterized by the dimensions of the exit opening 25 of the light rays, the maximum half opening angle ⁇ of the optical measuring system, the dimensions of the first surface 9 of the light guide core 3, 5, 6, the critical angle at which light is located in the light guide core 3 , 5, 6 can just spread out, the diaphragm dimensions and the distances 27 and 28 between the output of the optical measuring system 25 and diaphragm 26 and the first surface 9.
  • These parameters are chosen so that only light at a certain main angle ⁇ with the distribution ⁇ L ⁇ ß / 2 in the light guide core 3, 5, 6 is coupled.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of an optical interface with a lens 29.
  • the distances 31 and 33 from the lens 29 to the outlet opening 25 and to the first surface 9, the focal length and the diameter of the lens are chosen so that all Light rays that leave the outlet opening 25 are coupled into the light guide core.
  • a diaphragm 30 is located behind or in front of the line at a fixed distance 32 from the lens.
  • the diaphragm 30 can also be direct be applied to the lens.
  • FIG. 13 shows a further embodiment of an optical interface with two lenses 37, 39.
  • the distances 38, 40 between exit opening 25 and lens 37 or between lens 39 and first surface 9 are chosen so that all are from the optical Measuring system emerging light rays behind the lens 37 run almost parallel after passing through an aperture 41 by means of lens 39, all the parallel light rays are coupled into the light guide core.
  • the aperture 41 has, for example, circular-ring-shaped openings 42 at a fixed mean distance 43 from the optical axis 36. Only light rays with a main angle ⁇ and a distribution of ⁇ ⁇ / 3/2 are coupled into the light guide core 3, 5, 6.
  • the light coupled into the sensor with the aid of the first optical interface which has passed through the sensitively coated light guide area and has been more or less attenuated in its intensity, is coupled out again via the surface 10 and then fed to an optical measuring system (FIG guren 14 and 15). If the light is coupled out via the first interface due to a reflection on the second surface 10 of the sensor (FIGS. 16 and 17), a beam splitter 53 of the beam widening 1 to 2 can be found between the interface and the optical measuring system. This arrangement allows the detector to take arrangement (49, 51, 52) from the beam path between light sources 44, 45 and sensor 47.
  • the optical measuring system can contain a single optical detector 49 which, in multiplex operation, first of all, while the second light source 45 is switched off, determines the power of the outcoupled light of the first light source 44 and generates a first signal therefrom and then while the first light source 44 is switched off, determines the power of the outcoupled light of the second light source 45 and generates a second signal therefrom.
  • the optical measuring system can be alternative, as in the
  • a beam splitter 50 of beam splitting 1 to 2 and two optical detectors optimized with regard to the detection wavelength for example a silicon photodiode 51 for the laser diode and a germanium photodiode 52 for the light-emitting diode.
  • the optical measuring system can operate in multiplex mode, ie the first detector 51 generates the first signal while the first light source 44 is switched on and the second light source 45 is switched off and then the second detector 52 generates the second signal ⁇ rend the second light source 45 and the first light source 44 is turned off.
  • both light sources can be switched on at the same time and the two detectors 51, 52 each determine only the power of the outcoupled light of the first or the second light source 44, 45 due to a wavelength-selective component in front of the detector input. From the first signal or from the first signal in combination with the second signal, a variable can subsequently be generated which contains statements about the change in resonance and thus about changes in the dielectric.
  • InGaAs photodiodes or photomultipliers are also suitable as optical detectors for the measuring system.
  • Each of the m optical sensors 47 is provided with a specific substance-recognizing layer for the detection of one of the m substances to be detected.
  • the light from the two light sources 44, 45 is first combined (mixed) via a beam splitter 54 of the beam widening 2 to m and then fanned out again into m partial beams.
  • the partial beams are then coupled into the m sensors 47 with the aid of m first optical interfaces 46.
  • the light that has passed through the sensitive coating is then coupled out at the other end 10 of the sensor and fed to an optical measuring system consisting of either m or 2 ⁇ m, optionally provided with wavelength-selective components and optionally operating in multiplexing, optical detectors 55.
  • the Detector arrangement generates m independent quantities which are characteristic of the detection result of the individual sensor.
  • the m sensors 47 can be provided with a reflective element at the second end 10, so that the reflected light is in turn coupled out via the m first interfaces 46 and via beam splitters 53 of the beam widening 1 to 2 of the optical detector arrangement is fed.
  • the 20 shows a multisensor system in which the m independent optical sensors are formed by a single planar waveguide 57, for example a film waveguide.
  • the m light beams coupled in by means of m first interfaces 46 pass through m different paths within the light guide.
  • the m light rays come into contact with m different substance-recognizing layers 56 of the sensitive coating 12 applied at different locations of the light guide.
  • the light which came into contact with the sensitive coating can, as shown in FIG. 20, via the second surface 10 or, if a reflection device is attached to the second surface 10, as shown in FIG. 21, via the first surface 9 are coupled out.
  • the optical detector arrangement corresponds to that from FIGS. 18 and 19.

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Abstract

The invention relates to an optical lightguide sensor based on resonant optical excitation of surface plasma waves and to a device and process for operating the sensor. The use as per the invention of an alloy (15), preferably a heterogeneous alloy, instead of a pure metal as the carrier layer for monochromatically excited surface plasma wave results in sensitive sensors with adjustable operating points. Planar multimode waveguides in particular are suitable for sensors of the type claimed and can be used to create multisensor systems in a simple way. The core element of devices adapted to the operation of the claimed sensors is an optical interface with which the principal angle and angular distribution of the light coupled into the sensor can be set. This facilitates further improvement of the sensitivity of the sensor device. The sensor operating point can also be modified via the optical interface.

Description

Optischer Lichtwellenleitersensor auf der Basis der resonanten optischen Anregung von Oberflächenplasmawellen Optical fiber optic sensor based on the resonant optical excitation of surface plasma waves
Die Erfindung betrifft einen Sensor auf der Basis der resonanten optischen Anregung von Oberflächenplasma¬ wellen sowie eine Vorrichtung zum Betreiben des Sen¬ sors. Ein derartiger Sensor kann zur Stofferkennung oder zur Konzentrationsbestimmung von chemischen Sub¬ stanzen eingesetzt werden.The invention relates to a sensor based on the resonant optical excitation of surface plasma waves and to a device for operating the sensor. Such a sensor can be used for substance detection or for determining the concentration of chemical substances.
Unter Oberflächenplasmaschwingungen an einer Metall- grenzfläche versteht man oszillatorische Schwankungen der Elektronenladungsdichte der freien Metallelektro¬ nen. An der Grenzfläche zwischen einer dünnen Metall- schicht und einem Dielektrikum können diese durchSurface plasma vibrations at a metal interface are understood to mean oscillatory fluctuations in the electron charge density of the free metal electrodes. These can pass through at the interface between a thin metal layer and a dielectric
Lichtwellen angeregt werden. Ein Teil der optischen Energie dissipiert bei Auftreten einer Resonanz in Plasmonen, quantisierten Einheiten der Plasmaschwin- gung. Diese Dissipation von optischer Energie ist eine Funktion der dielektrischen Konstante von Metall und Dielektrikum. Aus diesem Grund eignet sich das Phänomen der resonanten Oberflächenplasmawellenanre- gung dazu, um über den Umweg der dielektrischen Kon¬ stante Informationen über das Dielektrikum zu erhal- ten.Light waves are excited. Part of the optical energy dissipates when a resonance occurs in plasmons, quantized units of the plasma oscillation. This dissipation of optical energy is a function of the dielectric constant of metal and dielectric. For this reason, the phenomenon of resonant surface plasma wave excitation is suitable for obtaining information about the dielectric via the detour of the dielectric constant.
Damit eine Kopplung zwischen Lichtwelle und Plasma¬ welle und somit eine Dissipation optischer Energie überhaupt möglich werden kann, muß eine scharfe Reso- nanzbedingung erfüllt sein: der Lichtwellenvektor muß mit dem Wellenvektor der Plasmawellen und die Licht¬ wellenenergie mit der Plasmawellenenergie übereinstimmen. Änderungen in der dielektrischen Kon¬ stante des Dielektrikums aufgrund von beispielsweise Konzentrationsänderungen führen zu einer Veränderung der Resonanzbedingungen. Auf der Auswertung dieser Resonanzveränderung basiert eine Vielzahl von Senso¬ ranwendungen.In order for a coupling between light wave and plasma wave and thus dissipation of optical energy to be possible at all, a sharp resonance condition must be met: the light wave vector must match the wave vector of the plasma waves and the light wave energy must match the plasma wave energy. Changes in the dielectric constant of the dielectric due to, for example, changes in concentration lead to a change in the resonance conditions. A large number of sensor applications are based on the evaluation of this change in resonance.
Wie allgemein bekannt ist, kann zur Verbesserung der Selektivität des Oberflächenplasmawellensensors und zur Signalverstärkung eine stofferkennende (reaktive) Schicht auf das Trägermetall aufgebracht werden (Liedberg et al, "Surface Plasmon Resonance for Gas Detection and Biosensing", Sens. Actuators 4 (1983) pp. 299-304) . Durch geeignete Wahl der stofferkennen¬ den Schicht lassen sich bereits bei geringen Mengen einer nachzuweisenden Substanz starke Änderungen der dielektrischen Konstanten und damit eine hohe Signal- Verstärkung gewährleisten.As is generally known, a substance-recognizing (reactive) layer can be applied to the carrier metal to improve the selectivity of the surface plasma wave sensor and for signal amplification (Liedberg et al, "Surface Plasmon Resonance for Gas Detection and Biosensing", Sens. Actuators 4 (1983) pp . 299-304). Through a suitable choice of the substance-recognizing layer, strong changes in the dielectric constants and thus high signal amplification can be ensured even with small amounts of a substance to be detected.
Ein faseroptischer Oberflächenplasmawellensensor ist beispielsweise aus der US 5,359,681 bekannt. Bei ei¬ ner optischen Faser wurde ein Teil der Ummantelung entfernt und direkt auf den Faserkern eine dünne Sil- berschicht aufgebracht. Polychromatisches Licht mit definierter Winkelverteilung wird in ein Ende der optischen Faser eingekoppelt. Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs erfüllt die Resonanzbedingung und regt unter Intensitätsverlust Oberflächenplasma¬ wellen auf der Metallschichtoberfläche an. Die mit einem Spektrometer ermittelte spektrale Intensitäts¬ verteilung des am anderen Ende der Faser austretenden Lichtes weist in einem bestimmten Wellenlängenbereich einen Resonanzeinbruch auf. Ändert sich nun die die¬ lektrische Konstante des Dielektrikums (z.B. von Was¬ ser) aufgrund von Konzentrationsänderungen (z.B. Zug¬ abe einer Substanz) , so verschiebt sich der spektrale Schwerpunkt des Resonanzeinbruchs in charakteristi- scher Abhängigkeit von der aktuellen Konzentration.A fiber-optic surface plasma wave sensor is known for example from US 5,359,681. In the case of an optical fiber, part of the sheathing was removed and a thin silver applied layer. Polychromatic light with a defined angular distribution is coupled into one end of the optical fiber. Light of a certain wavelength range fulfills the resonance condition and excites surface plasma waves on the metal layer surface with loss of intensity. The spectral intensity distribution of the light emerging at the other end of the fiber, determined with a spectrometer, has a resonance dip in a certain wavelength range. If the dielectric constant of the dielectric (eg of water) changes due to concentration changes (eg addition of a substance), the spectral center of gravity of the dip in resonance shifts in a characteristic manner depending on the current concentration.
Als nachteilig bei dieser Anordnung ist aufgrund des inhärenten Rauschens von polychromatischen Lichtquel¬ len und der damit verbundenen Modenfluktuation bzw. Modenkopplung im Lichtleiter die Tatsache anzusehen, daß geringe Konzentrationsänderungen nicht erfaßt werden können. Weiterhin ist der apparative Aufwand aufgrund der Verwendung eines Spektrometers und einer polychromatischen Lichtquelle sehr hoch.A disadvantage of this arrangement is the fact that small changes in concentration cannot be detected due to the inherent noise of polychromatic light sources and the associated mode fluctuation or mode coupling in the light guide. Furthermore, the expenditure on equipment is very high due to the use of a spectrometer and a polychromatic light source.
Ein weiterer Oberflächenplasmawellensensor auf der Basis eines Lichtleiters ist aus C. Ronot-Trioli et al., "A monochromatic excitation of a surface plasmon resonance in an optical fibre refractive system", Transducers 95 and Eurosensors IX, Voi 2 pp. 783-796 bekannt. Als Sensorelement dient eine Multimode-Fa¬ ser, als Träger für Oberflächenplasmawellen findet Gold Anwendung. Zur Erfüllung der Resonanzbedingung wird das monochromatische Licht eines Lasers unter einem veränderlichen Winkel in die optische Faser eingekoppelt. Anschließend wird in Abhängigkeit vom Einkoppelwinkel die Intensität des austretenden Lich¬ tes bestimmt. Bei einem charakteristischen Winkel ist die Resonanzbedingung erfüllt. Über den Winkel, bei welchem die Resonanz auftritt, läßt sich die dielek¬ trische Konstante des Mediums bestimmen. Nachteilig bei dieser Meßanordnung ist, daß der Laser auf einem aufwendigen Präzisionsdrehtisch befestigt werden muß und der Einkoppelwinkel zwischen Faser und Laser nur ungenau festgelegt werden kann. Auch die Verringerung des Rauschens durch die Verwendung von monochromati¬ schem Licht vermag die daraus resultierenden systema¬ tischen Meßfehler nicht zu kompensieren.Another surface plasma wave sensor based on a light guide is from C. Ronot-Trioli et al., "A monochromatic excitation of a surface plasmon resonance in an optical fiber refractive system", Transducers 95 and Eurosensors IX, Voi 2 pp. 783-796 known. A multimode fiber serves as the sensor element, and gold is used as a carrier for surface plasma waves. To meet the resonance condition, the monochromatic light from a laser is introduced into the optical fiber at a variable angle coupled. The intensity of the emerging light is then determined as a function of the coupling angle. The resonance condition is fulfilled at a characteristic angle. The dielectric constant of the medium can be determined via the angle at which the resonance occurs. The disadvantage of this measuring arrangement is that the laser has to be fastened on a complex precision turntable and the coupling angle between the fiber and the laser can only be determined imprecisely. The reduction in noise due to the use of monochromatic light is also unable to compensate for the resulting systematic measurement errors.
Ein weiteres Problem von Oberflächenplasmawellensen- soren ist eine unzureichende Haftung der sensitiven Metallschichten und damit verbunden eine unzureichen¬ de Langzeitstabilität.Another problem with surface plasma wave sensors is inadequate adhesion of the sensitive metal layers and, associated therewith, inadequate long-term stability.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welcher eine optimale Einstellung des Ar¬ beitspunktes erlaubt und gleichzeitig eine hohe Emp- findichkeit aufweist. Außerdem sollen eine apparativ einfache Vorrichtung zum Betreiben eines derartigen Sensors angegeben werden.The present invention is therefore based on the object of creating a sensor of the type mentioned at the outset which permits optimum adjustment of the working point and at the same time has a high level of sensitivity. In addition, a simple device for operating such a sensor is to be specified.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich des Sensors durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich einer appa¬ rativ einfachen Vorrichtung zum Betreiben des Sensors durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteran- Sprüchen. Ein optischen Sensor, bei welchem eine Schicht oder mehrere Schichten auf den Lichtleitkern eines Licht¬ leiters aufgebracht sind, von denen mindestens eine, als Trägerschicht für Oberflächenplasmawellen fungie- rende Schicht eine Metallegierung enthält, über deren Zusammensetzung Form und/oder Lage der Absorptions¬ bande der Oberflächenplasmawellen eingestellt ist, weist eine drastisch gesteigerte Sensorempfindlich¬ keit auf. Gleichzeitig kann der apparative Aufwand zum Betreiben eines derartigen Sensors reduziert wer¬ den.This object is achieved with regard to the sensor by the characterizing features of claim 1 and with regard to an apparatus-simple device for operating the sensor by the characterizing features of claim 16. Advantageous refinements and developments of the invention result from the respective subclaims . An optical sensor, in which one or more layers are applied to the light guide core of a light guide, of which at least one layer functioning as a support layer for surface plasma waves contains a metal alloy, the composition and / or position of the absorption band about its composition the surface plasma waves is set, has a drastically increased sensor sensitivity. At the same time, the expenditure on equipment for operating such a sensor can be reduced.
Die erfindungsgemäße Beschichtung wird direkt auf einen Bereich oder auf mehrere getrennte Bereiche des Lichtleitkerns zwischen den Stirnflächen des Licht¬ leiters aufgebracht und hat mit der anderen Schicht¬ seite direkten Kontakt zum zu analysierenden Medium.The coating according to the invention is applied directly to an area or to several separate areas of the light guide core between the end faces of the light guide and has direct contact with the medium to be analyzed with the other layer side.
Die Verwendung einer Metallegierung gestattet es, den Sensor erfindungsgemäß an kommerzielle, preiswerte und handliche, monochromatische Lichtquellen wie etwa Laserdioden anzupassen. Bei vorgegebener Emissions¬ wellenlänge eines Lasers und vorgegebenem zu analy¬ sierenden Dielektrikum wird die Metallegierungszusam- mensetzung so gewählt, daß der Absorptionsbereich der Oberflächenplasmawellen in den Bereich der Emissions¬ wellenlänge des Lasers oder knapp außerhalb davon fällt. Auf diese Weise wird die Lage der Absorptions¬ bande und somit auch der Sensorarbeitspunkt ein- gestellt. Diese Möglichkeit einer exakten Arbeits¬ punkteinstellung führt zu einer außerordentlich hohen Sensormeßgenauigkeit. Ein weiterer Grund hierfür ist, daß das Rauschen der erfindungsgemäß monochromati¬ schen Lichtquelle vernachlässigbar gering ist. In Fig. 10 ist eine Absorptionsbande dargestellt. Es kann die spektrale Lage der Resonanzkurvekurve 21 durch Wahl einer Metallegierungskomposition derart verschoben werden, daß die Anregungswellenlänge ins- besondere im steilsten und damit empfindlichsten Flankenbereich 23 der Resonanz liegt.The use of a metal alloy makes it possible to adapt the sensor according to the invention to commercial, inexpensive and handy, monochromatic light sources such as laser diodes. For a given emission wavelength of a laser and a given dielectric to be analyzed, the metal alloy composition is selected such that the absorption range of the surface plasma waves falls within the range of the emission wavelength of the laser or just outside of it. In this way, the position of the absorption band and thus also the sensor operating point is set. This possibility of an exact working point setting leads to an extraordinarily high sensor measuring accuracy. Another reason for this is that the noise of the monochromatic light source according to the invention is negligible. An absorption band is shown in FIG. The spectral position of the resonance curve curve 21 can be shifted by selecting a metal alloy composition in such a way that the excitation wavelength lies in particular in the steepest and therefore most sensitive flank region 23 of the resonance.
Je nach Anwendungsfall kann neben dem spektralen Schwerpunkt 22 auch die Halbwertsbreite 24 sowie die Flankensteilheit der Resonanzkurve durch Wahl einer entsprechenden Metallegierungskomposition den Bedürf¬ nissen entsprechend angepaßt werden. Auf diese Weise ist es möglich, Einfluß auf die Form der Absorptions¬ bande zu nehmen.Depending on the application, in addition to the spectral focus 22, the full width at half maximum 24 as well as the slope of the resonance curve can be adapted to the requirements by selecting an appropriate metal alloy composition. In this way it is possible to influence the shape of the absorption band.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Reso¬ nanzbedingung nicht notwendigerweise mit Hilfe eines umfangreichen apparativen Aufbaus sondern auf einfa¬ che und kostengünstige Weise durch geeignete Wahl einer Metallegierungskomposition erfüllt.In contrast to the prior art, the resonance condition is not necessarily met with the aid of an extensive apparatus structure, but in a simple and inexpensive manner by a suitable choice of a metal alloy composition.
Die Einstellung von Form und/oder Lage der Absorp¬ tionsbande ist bereits mit homogenen Metallegierungen möglich. Ganz entscheidende zusätzliche Vorteile der Erfindung entfalten sich jedoch bei der Verwendung einer heterogenen Metallegierung. Unter heterogenen Metallegierungen werden solche verstanden, bei wel¬ chen die Komponenten mindestens zwei ihrer Zusammen¬ setzung nach verschiedene Phasen ausbilden.The shape and / or position of the absorption band can already be adjusted using homogeneous metal alloys. However, very decisive additional advantages of the invention develop when using a heterogeneous metal alloy. Heterogeneous metal alloys are understood to mean those in which the components form at least two phases which differ in their composition.
Prinzipiell lassen sich zwei Arten von heterogenen Legierungen unterscheiden. Zum einen kann mindestens eine der Phasen in mindestens einer weiteren Phase in Form separater Bereiche, z.B. als Kugeln oder Ellip- soide, mit Abmessungen von bis zu 200 nm und be- vorzugt zwischen ungefähr 1 nm und 40 nm, vorliegen. Zum anderen kann mindestens eine der Phasen in minde¬ stens einer weiteren Phase in Form eines Netzwerkes vorliegen. Dieses Netzwerk entsteht beispielsweise wenn aufgrund zunehmender Anzahl ursprünglich ge¬ trennter Bereiche diese untereinander in Kontakt kom¬ men oder wenn eine geschlossene Schicht eines reinen Metalles aufgebrochen wird. Das Aufbrechen kann z.B. auf thermischem Wege geschehen.In principle, two types of heterogeneous alloys can be distinguished. On the one hand, at least one of the phases can be formed in at least one further phase in the form of separate areas, for example as spheres or ellipsoids, with dimensions of up to 200 nm and preferably between approximately 1 nm and 40 nm. On the other hand, at least one of the phases can be present in at least one further phase in the form of a network. This network arises, for example, if, due to the increasing number of originally separated areas, these come into contact with one another or if a closed layer of a pure metal is broken up. The breakup can take place, for example, thermally.
Bevorzugt finden zweikomponentige heterogene Legie¬ rungen Verwendung. Die erste Phase, welche in Form getrennter Bereiche bzw. als Netzwerk vorliegt, soll¬ te zumindest bereichsweise direkten Kontakt zum Wel- lenleitkern aufweisen. Die zweite Phase, welche die erste Phase umgibt, in die erste Phase eingelagert ist und/oder die erste Phase abdeckt, bewirkt u.a. einen vorteilhaft schmalen und tiefen Absorptionspeak und ist in Form einer homogenen Oberfläche zur Anbin- düng von beipielsweise Komponenten eines Rezeptor- Ligand-Komplexes besonders geeignet. Auch kann die zweite Phase (z.B. Gold) beispielsweise als Korro¬ sionsschutzschicht für die erste Phase (z.B. Silber) verwendet werden.Two-component heterogeneous alloys are preferably used. The first phase, which is in the form of separate areas or as a network, should have direct contact, at least in some areas, with the wave guide core. The second phase, which surrounds the first phase, is embedded in the first phase and / or covers the first phase, has the following effects: an advantageously narrow and deep absorption peak and, in the form of a homogeneous surface, is particularly suitable for attaching, for example, components of a receptor-ligand complex. The second phase (e.g. gold) can also be used, for example, as a corrosion protection layer for the first phase (e.g. silver).
Bei einem erfindungsgemäßen Sensor mit heterogener Legierung ist eine von der Polarisation des eingekop¬ pelten Lichts nahezu unabhängige Anregung von Ober¬ flächenplasmawellen möglich, d.h. sowohl mit TE- wie auch mit TM-polarisierten Lichtwellen können in einer heterogenen Legierungsschicht Oberflächenplasmawellen angeregt werden. Bei Oberflächenplasmawellensensoren des Standes der Technik dagegen können nur TM-polari- sierte Lichtwellen zur Anregung beitragen. Der erfin- dungsgemäße Sensor weist deshalb wesentlich ausge- prägtere Meßsignaländerungen und somit eine deutlich höhere Empfindlichkeit auf. Auch ist das Modenfluk¬ tuationsrauschen vernachlässigbar.In the case of a sensor according to the invention with a heterogeneous alloy, excitation of surface plasma waves which is almost independent of the polarization of the coupled-in light is possible, ie surface plasma waves can be excited in a heterogeneous alloy layer both with TE and with TM polarized light waves. In contrast, in surface plasma wave sensors of the prior art, only TM-polarized light waves can contribute to the excitation. The sensor according to the invention therefore has essentially more distinctive measurement signal changes and thus a significantly higher sensitivity. The mode fluctuation noise is also negligible.
In der Legierung werden bevorzugt Gold oder Silber als Hauptkomponente in Verbindung mit einem oder meh¬ reren weiteren Metallen verwendet. Besonders bevor¬ zugt sind binären Legierungen aus Gold und Silber. Das Mischungsverhältnis ist jeweils auf die gewünsch- te Selektivität und Empfindlichkeit des Sensors, d.h. auf die gewünschte Form und/oder Lage der Absorp- tionsbande, abgestimmt.Gold or silver are preferably used in the alloy as the main component in connection with one or more further metals. Binary alloys made of gold and silver are particularly preferred. The mixing ratio is based on the desired selectivity and sensitivity of the sensor, i.e. matched to the desired shape and / or position of the absorption band.
Typische Schichtdicken für die Legierung liegen in einem Bereich von 10 nm bis 500 nm und bevorzugt zwi¬ schen 40 nm und 80 nm. Besonders bevorzugte Schicht¬ dicken liegen im Bereich zwischen 50 nm und 60 nm.Typical layer thicknesses for the alloy are in a range from 10 nm to 500 nm and preferably between 40 nm and 80 nm. Particularly preferred layer thicknesses are in the range between 50 nm and 60 nm.
Einen wichtigen Einfluß auf das Absorptionsverhalten hat auch die Länge, auf welcher die sensitive Be¬ schichtung auf den Lichtleitkern aufgebracht wird. Über die Länge des Beschichtungsbereichs läßt sich ebenfalls Einfluß auf die Form der Resonanzkurve und damit auf den Arbeitspunkt und die Empfindlichkeit des Sensors nehmen. Mit zunehmender Länge der selek¬ tiven Metallegierung nimmt die Halbwertsbreite der Resonanzkurve zu, ohne daß sich jedoch die Flanken¬ steilheit ändert.The length over which the sensitive coating is applied to the light guide core also has an important influence on the absorption behavior. The length of the coating area can also influence the shape of the resonance curve and thus the working point and the sensitivity of the sensor. As the length of the selective metal alloy increases, the half-width of the resonance curve increases without, however, changing the slope.
Über die Länge der aufgebrachten Metallegierungs¬ schicht läßt sich somit die Stärke des Meßsignals beeinflussen. Die optimale Länge ist eine Funktion der Abmessungen des Lichtleitkerns und des Winkels bzw. des Winkelbereichs, unter dem sich das Licht im Lichtleiter ausbreitet. Sinnvolle Längen liegen in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 100 mm, bevorzugt zwischen 10 mm und 20 mm.The strength of the measurement signal can thus be influenced over the length of the metal alloy layer applied. The optimal length is a function of the dimensions of the light guide core and the angle or the angular range under which the light propagates in the light guide. Useful lengths are in a range between 0.1 mm and 100 mm, preferably between 10 mm and 20 mm.
Zur Verbesserung der Haftung der sensitiven Metall- schichten und der Langzeitstabilität des Sensors kann zusätzlich zwischen Lichtleitkern und Legierungs¬ schicht eine Haftvermittlerschicht angeordnet sein. Als Haftvermittler eignen sich besonders Metall¬ schichten, welche beispielsweise Chrom, Titan, Nik- kel, Kobalt oder Vanadium enthalten. Die Haftvermitt¬ lerschicht sollte sehr dünn sein, um die resonante optische Anregung von Oberflächenplasmawellen nicht zu erschweren. Bevorzugte Schichtdicken liegen im Be¬ reich von 0,1 nm bis 20 nm. Bei diesen Schichtdicken- bereichen liegt der Haftvermittler zumeist als dis¬ kontinuierliche Schicht vor. Aus diesem Grund sind die Schichtdickenangaben als mittlere Schichtdicken zu verstehen. Vorteilhafterweise können die Inseln der diskontinuierlichen Haftvermittlerschicht als Kondensationskeime für die vereinfachte Herstellung einer heterogenen Legierung dienen.To improve the adhesion of the sensitive metal layers and the long-term stability of the sensor, an adhesion promoter layer can additionally be arranged between the light guide core and the alloy layer. Metal layers which contain, for example, chromium, titanium, nickel, cobalt or vanadium are particularly suitable as adhesion promoters. The adhesion promoter layer should be very thin so as not to complicate the resonant optical excitation of surface plasma waves. Preferred layer thicknesses are in the range from 0.1 nm to 20 nm. In these layer thickness ranges, the adhesion promoter is usually present as a discontinuous layer. For this reason, the layer thickness information is to be understood as mean layer thicknesses. The islands of the discontinuous adhesion promoter layer can advantageously serve as condensation nuclei for the simplified production of a heterogeneous alloy.
Um eine stoffspezifische Selektivität des Sensors zu erzielen sowie zur Signalverstärkung kann auf die Legierungsschicht eine stofferkennende Schicht aufge¬ bracht werden, welche Kontakt zum zu analysierenden Dielektrikum hat. Die stofferkennende Schicht enthält bevorzugt eine Komponente eines chemischen oder bio¬ chemischen Rezeptor-Ligand-Komplexes mit einer hohen Affinität zum korrespondierenden Partner im zu analy¬ sierenden Medium. Die stofferkennende Schicht hat typischerweise einen Dicke von 0,1 nm bis 10 μm.In order to achieve a substance-specific selectivity of the sensor and for signal amplification, a substance-recognizing layer can be applied to the alloy layer, which has contact with the dielectric to be analyzed. The substance-recognizing layer preferably contains a component of a chemical or bio-chemical receptor-ligand complex with a high affinity for the corresponding partner in the medium to be analyzed. The substance-recognizing layer typically has a thickness of 0.1 nm to 10 μm.
Zwischen stofferkennender Schicht und Legierungs- schicht kann eine Zwischenschicht aus chemisch reak- tiven Gruppen zum Anbinden des Rezeptors oder des Liganden an die Legierungsschicht aufgebracht werden. Geeignete Dicken dieser Zwischenschicht betragen etwa 0,1 nm bis 100 nm.An intermediate layer of chemically reactive can be placed between the substance-recognizing layer and the alloy layer. tive groups for attaching the receptor or the ligand to the alloy layer are applied. Suitable thicknesses of this intermediate layer are approximately 0.1 nm to 100 nm.
Obwohl auch die Verwendung von aus der Nachrichten¬ technik bekannten Monomode-Lichtleitern denkbar ist, werden für die Sensoranwendung bevorzugt Multimode- Lichtleiter und insbesondere solche, welche in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 2400 nm Mul¬ timode-Lichtleiter sind, verwendet. Ein Multimode- Lichtleiter erlaubt aufgrund der größeren Lichtleitkernabmessungen eine erheblich vereinfachte Verbindungstechnik und Einkopplung des Lichtes. Wäh- rend bei Monomode-Lichtleitern bei vorgegebener Anre¬ gungswellenlänge allein durch Wahl der Legierungskom¬ position die Resonanzbedingung erfüllbar ist, erhält man bei Multimode-Lichtleitern durch Lichteinkoppel¬ winkel und Einkoppelwinkelverteilung einen weiteren Freiheitsgrad zur Erfüllung der Resonanzbedingung.Although the use of monomode light guides known from communications technology is also conceivable, multimode light guides are preferably used for the sensor application, and in particular those which are in a wavelength range between 200 nm and 2400 nm multimode light guides are used. A multimode light guide allows a considerably simplified connection technology and coupling of the light due to the larger light guide dimensions. Whereas in the case of single-mode light guides at a given excitation wavelength, the resonance condition can be met solely by choosing the alloy composition, in the case of multimode light guides, light coupling angles and coupling angle distribution provide a further degree of freedom for fulfilling the resonance condition.
Bevorzugte Vorrichtungen zur Lichteinkoppelung werden weiter unten vorgestellt.Preferred light coupling devices are presented below.
Für Sensoranwendungen eignen εich alle bekannten Lichtleiter, insbesondere Lichtleitfasern, Rippen- lichtleiter, vergrabene Lichtleiter und Filmlichtlei¬ ter. Bevorzugt finden aufgrund der produktionstechni¬ schen Vorteile planare Lichtleiter Verwendung.All known light guides, in particular optical fibers, ribbed light guides, buried light guides and film light guides, are suitable for sensor applications. Because of the advantages in terms of production technology, planar light guides are preferably used.
Auf einfache und kostengünstige Weise können auch mehrere einzeln nebeneinander angeordnete Sensoren in einem einzigen planaran Lichtleiter integriert sein. Auf einem planaren Lichtleitkern können nebeneinander separate stofferkennende Schichten im Bereich ge¬ trennter Lichtwege der einzelnen Sensoren angeordnet sein. Ein aus einem einzigen planaren Lichtleiter bestehendes Multisensorsystem kann beispielsweise zur simultanen Konzentrationsbestimmung einer Mehrzahl chemischer Substanzen verwendet werden.In a simple and inexpensive manner, a plurality of individually arranged sensors can also be integrated in a single planar light guide. Separate substance-recognizing layers can be arranged next to one another on a planar light guide core in the region of separate light paths of the individual sensors. One from a single planar light guide Existing multi-sensor system can be used, for example, for the simultaneous determination of the concentration of a plurality of chemical substances.
Die Lichtein- und Lichtauskopplung bei einem opti¬ schen Sensor kann über die Stirnflächen des Licht¬ leitkerns erfolgen, beispielsweise die Lichteinkopp¬ lung über das eine Ende und die Auskopplung über das zweite Ende einer Lichtleitfaser. Es ist auch mög- lieh, daß ein Ende des Lichtleiters verspiegelt oder mit einem reflektierenden Element versehen wird. In diesem Fall erfolgt die Lichtein- und Lichtaus¬ kopplung über ein und dieselbe Stirnfläche des Licht¬ leiters. Wird das eingekoppelte Licht am Ende eines Lichtleiters reflektiert, kann es zweimal mit derThe coupling in and out of light in an optical sensor can take place via the end faces of the light guide core, for example the coupling in of light via one end and the coupling out via the second end of an optical fiber. It is also possible for one end of the light guide to be mirrored or to be provided with a reflective element. In this case, the light is coupled in and out via one and the same end face of the light guide. If the injected light is reflected at the end of an optical fiber, it can be used twice with the
Legierungsschicht wechselwirken. Dies gestattet eine Verkürzung der Baulänge des Sensors oder bedeutet eine stärkere Meßsignaländerung.Alloy layer interact. This allows the overall length of the sensor to be shortened or means a greater change in the measurement signal.
Als reflektierendes Element eignet sich eine Metall¬ schicht oder ein Metallschichtsystem, welches bei den verwendeten Wellenlängen des eingekoppelten Lichtes keine Plasmawellenresonanz aufweist. Zwischen Metall¬ schicht oder Metallschichtsystem und Lichtleitkern kann sich zusätzlich noch eine Haftvermittlerschicht befinden.A metal layer or a metal layer system is suitable as the reflecting element, which has no plasma wave resonance at the wavelengths of the injected light used. An adhesion promoter layer can also be located between the metal layer or metal layer system and the light guide core.
Eine erfindungsgemäß apparativ einfache Vorrichtung zum Betreiben des Sensors unter Beibehaltung der ho- hen Nachweisempfindlichkeit beinhaltet optische In¬ terfaces zur Ein- und Auskopplung von Licht in die bzw. aus den Sensoren und ein optisches Meßsystem. Das optische Meßsystem beinhaltet eine oder zwei Lichtquellen sowie eine optische Detektoranordnung. Bei Verwendung von zwei Lichtquellen enthält das op- tische Meßsystem weiterhin einen Mischer, um das Licht beider Lichtquellen zu kombinieren.A device according to the invention, which is simple in terms of apparatus, for operating the sensor while maintaining the high detection sensitivity, contains optical interfaces for coupling light into and out of the sensors and an optical measuring system. The optical measuring system contains one or two light sources and an optical detector arrangement. When using two light sources, the op- table measuring system also a mixer to combine the light of both light sources.
Die Einkopplung des Lichtes in den Sensor erfolgt er- findungsgemäß mit Hilfe eines ersten optischen Inter¬ faces über eine erste Fläche des Sensors und die Aus¬ kopplung über eine zweite Fläche mit Hilfe eines op¬ tionalen zweiten optischen Interfaces oder bei An¬ bringen einer Reflexionsvorrichtung an der zweiten Fläche über die erste Fläche mit Hilfe des ersten optischen Interfaces.According to the invention, the light is coupled into the sensor with the aid of a first optical interface via a first surface of the sensor and coupled out via a second surface with the aid of an optional second optical interface or when a reflection device is attached on the second surface over the first surface using the first optical interface.
Durch das optische Interface läßt sich optimal und reproduzierbar Licht unter einem vorgegebenen Winkel und mit einer vorgegebenen Winkelverteilung in denThe optical interface allows optimal and reproducible light at a predetermined angle and with a predetermined angle distribution in the
Sensor ein- und/oder auskoppeln. Auf diese Weise kann die Intensitätsbesetzung der einzelnen Lichtleitermo¬ den definiert festgelegt werden. Folglich lassen sich nicht reproduzierbare Schwankungen in der Modenver- teilung vermeiden und die Nachweisempfindlichkeit des Systems kann gesteigert werden. Außerdem erlaubt es das optische Interface, gezielt Einfluß auf die Form der Absorptionsbande und damit auf den Arbeitspunkt zu nehmen.Couple sensor in and / or out. In this way, the intensity occupation of the individual light guide modes can be defined. As a result, non-reproducible fluctuations in the mode distribution can be avoided and the detection sensitivity of the system can be increased. In addition, the optical interface makes it possible to specifically influence the shape of the absorption band and thus the working point.
Die optischen Interfaces können Blenden enthalten, die bevorzugt an die Form der Ein- bzw. Auskoppelflä¬ che angepaßt sind. Zusätzlich können die Interfaces optische Linsen oder abbildende Linsensysteme umfas- sen, die den Ausgang des optischen Meßsystems auf die erste Fläche des Sensors abbilden. In den Strahlen¬ gang wird eine Blende eingebracht, so daß nur Licht unter einem bestimmten Winkel und mit einer bestimm¬ ten Winkelverteilung in den Sensor einkoppelbar ist. Das optische Meßsystem beinhaltet eine erste, mono¬ chromatische Lichtquelle zur Anregung der Oberflä¬ chenplasmawellen und optional eine zweite, mono- oder polychromatische Lichtquelle mit einer Emissionswel- lenlänge oder einem Emissionswellenlängenbereich au¬ ßerhalb der Absorptionsbande. Bei Verwendung einer zweiten Lichtquelle beinhaltet das optische Meßsystem weiterhin eine Vorrichtung zum Mischen des Lichtes der ersten Lichtquelle mit dem Licht der zweiten Lichtquelle. Die zweite Lichtquelle emittiert bevor¬ zugt Licht mit einem sehr eng begrenzten Wellen¬ längenspektrum. Um die zweite Lichtquelle, beispiels¬ weise eine kostengünstige Leuchtdiode, als Referenz zur ersten Lichtquelle verwenden zu können, muß das Licht beider Lichtquellen denselben optischen Weg durchlaufen. Vorteilhaft wirkt sich aus, daß beide Lichtquellen fest montiert sein können. Dadurch las¬ sen sich systematische Meßfehler reduzieren und die Nachweisempfindlichkeit entsprechend steigern.The optical interfaces can contain diaphragms, which are preferably adapted to the shape of the coupling or decoupling surface. In addition, the interfaces can comprise optical lenses or imaging lens systems which map the output of the optical measuring system onto the first surface of the sensor. A diaphragm is introduced into the beam path so that only light at a certain angle and with a certain angle distribution can be coupled into the sensor. The optical measuring system contains a first, monochromatic light source for exciting the surface plasma waves and optionally a second, mono- or polychromatic light source with an emission wavelength or an emission wavelength range outside the absorption band. When using a second light source, the optical measuring system further includes a device for mixing the light of the first light source with the light of the second light source. The second light source preferably emits light with a very narrowly limited wavelength spectrum. In order to be able to use the second light source, for example a low-cost light-emitting diode, as a reference to the first light source, the light from both light sources must go through the same optical path. It is advantageous that both light sources can be permanently mounted. As a result, systematic measurement errors can be reduced and the detection sensitivity increased accordingly.
Das optische Meßsystem enthält weiterhin eine opti¬ sche Detektoranordnung, welche die optische Leistung des ausgekoppelten Lichtes der ersten Lichtquelle bestimmt und daraus ein erstes Signal generiert und bei Verwendung einer zweiten Lichtquelle die optische Leistung des ausgekoppelten Lichtes der zweiten Lichtquelle bestimmt und daraus ein zweites Signal generiert. Unter Verwendung des Signals der ersten Lichtquelle oder beider Signale wird anschließend die Ausgangsmeßgröße ermittelt.The optical measuring system also contains an optical detector arrangement which determines the optical power of the outcoupled light of the first light source and generates a first signal therefrom and, when using a second light source, determines the optical power of the outcoupled light of the second light source and generates a second signal therefrom . The output variable is then determined using the signal from the first light source or both signals.
Das optische Meßsystem kann einen einzigen optischen Detektor pro auszuwertendem Sensor enthalten, welcher bei Verwendung von zwei Lichtquellen auf Multiplexba- sis abwechselnd die optische Leistung des ausgekop- pelten Lichtes der ersten Lichtquelle bestimmt und daraus ein erstes Signal generiert und anschließend die optische Leistung des ausgekoppelten Lichtes der zweiten Lichtquelle bestimmt und daraus ein zweites Signal generiert. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das erste Signal generiert wird wäh¬ rend die erste Lichtquelle an- und die zweite Licht¬ quelle abgeschaltet ist und das zweite Signal gene¬ riert wird während die zweite Lichtquelle an- und die erste Lichtquelle abgeschaltet ist.The optical measuring system can contain a single optical detector for each sensor to be evaluated, which, when using two light sources on a multiplex basis, alternates the optical power of the decoupled determined light of the first light source and generates a first signal therefrom and then determines the optical power of the outcoupled light of the second light source and generates a second signal therefrom. This can happen, for example, in that the first signal is generated while the first light source is switched on and the second light source is switched off and the second signal is generated while the second light source is switched on and the first light source is switched off.
Eine Alternative sieht vor, die beiden Lichtquellen mit unterschiedlichen Frequenzen beispielsweise si¬ nusförmig zu modulieren. Auch in diesem Fall reicht ein Detektor pro auszuwertendem Sensor aus, sofern der Sensor zwei Demodulatoren umfaßt, die jeweils einen bestimmten Frequenzanteil demodulieren. Als Demodulatoren eignen εich im einfachsten Fall bei¬ spielsweise Hoch-, Tief- oder Bandpaßfilter.An alternative provides for the two light sources to be modulated sinusoidally with different frequencies, for example. In this case too, one detector is sufficient for each sensor to be evaluated, provided that the sensor comprises two demodulators, each of which demodulates a certain frequency component. In the simplest case, suitable demodulators are, for example, high, low or bandpass filters.
Das optische Meßsystem kann auch zwei optische Detek¬ toren enthalten, wobei der erεte optische Detektor die optische Leistung der ersten Lichtquelle und der zweite optische Detektor die optische Leistung der zweiten Lichtquelle bestimmt. Die verwendeten Detek¬ toren werden entsprechend dem Spektralbereich der jeweiligen Lichtquellen ausgewählt. Um die Selektivi¬ tät der Detektoren zu steigern, können vor den Detek¬ toreingängen wellenlängenselektive Bauteile ange- bracht sein. Alternativ können die Lichtquellen auf Multiplexbasis abwechselnd an- und ausgeschaltet sein.The optical measuring system can also contain two optical detectors, the first optical detector determining the optical power of the first light source and the second optical detector determining the optical power of the second light source. The detectors used are selected in accordance with the spectral range of the respective light sources. In order to increase the selectivity of the detectors, wavelength-selective components can be fitted in front of the detector inputs. Alternatively, the multiplex-based light sources can be switched on and off alternately.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Multisensorsystems und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben von Sensoren lassen sich unter geringem produktions¬ technischen und apparativen Aufwand simultan die Kon¬ zentrationen mehrerer chemischer Substanzen bestim¬ men. In die einzelnen Sensoren, welche unterschiedli- ehe stofferkennende Schichten aufweisen können, kann mittels eines Strahlteilers und eines ersten Inter¬ faces pro Sensor das Licht eingekoppelt und über ent¬ sprechende zweite Interfaces bzw. die ersten Inter¬ faces wieder ausgekoppelt werden. Über eine angepaßte optische Detektoranordnung wird anschließend für je¬ den Sensor eine separate Ausgangsmeßgröße ermittelt.With the help of the multi-sensor system according to the invention and the device for operation according to the invention The concentrations of several chemical substances can be determined simultaneously by sensors with little production technology and apparatus expenditure. The light can be coupled into the individual sensors, which can have different substance-recognizing layers, by means of a beam splitter and a first interface per sensor and can be coupled out again via corresponding second interfaces or the first interfaces. A separate output measurement variable is then determined for each sensor via an adapted optical detector arrangement.
Die Sensoren können vorteilhafterweise als ein ein¬ ziger planarer Wellenleiter mit an unterschiedlichen Stellen des Wellenleiters angeordneten stofferkennen¬ den Schichten ausgestaltet sein. Diese Anwendung ist von großer praktischer Bedeutung, da basierend auf nur einem einzigen planaren Wellenleiter eine simul¬ tane Konzentrationsbestimmung mehrerer Substanzen möglich wird.The sensors can advantageously be designed as a single planar waveguide with substance-recognizing layers arranged at different locations on the waveguide. This application is of great practical importance, since a simultaneous determination of the concentration of several substances is possible on the basis of only a single planar waveguide.
Sollte die zweite Fläche eines Sensors mit einem Re¬ flexionselement versehen sein und das Licht deshalb über die erste Fläche ausgekoppelt werden, so kann optional durch einen Strahlteiler der Strahlteilung 1 auf 2 das ausgekoppelte Licht der optischen Detektor¬ anordnung zugeführt werden, ohne daß die Detektoran¬ ordnung im optischen Weg zwischen Lichtquelle und Sensor angebracht werden muß.If the second surface of a sensor is provided with a reflection element and the light is therefore coupled out via the first surface, the output light can optionally be supplied to the optical detector arrangement by a beam splitter of beam splitting 1 to 2 without the detector being attached ¬ order in the optical path between the light source and sensor must be attached.
Selbstverständlich läßt sich die geschilderte erfin¬ dungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben deε beschriebe¬ nen Sensors auch für andere optische Sensoren einset¬ zen. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Er¬ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei¬ bung der Ausführungsbeiεpiele und anhand der Zeich¬ nungen, welche bevorzugte, jedoch beispielsweise Aus- gestaltungen wiedergeben. Es zeigen:Of course, the described device according to the invention for operating the sensor described can also be used for other optical sensors. Further details, advantages and features of the invention result from the following description of the exemplary embodiments and from the drawings, which represent preferred but, for example, configurations. Show it:
Figur 1 einen Filmlichtleiter, bestehend aus licht¬ leitendem Film, Lichtleiterträger und Abdeckung, mit einer sensitiven Beschichtung auf dem lichtleitenden Film;1 shows a film light guide, consisting of a light-guiding film, light guide support and cover, with a sensitive coating on the light-guiding film;
Figur 2 einen Filmlichtleiter mit einem reflektieren¬ den Element auf einer Stirnfläche;Figure 2 shows a film light guide with a reflective element on an end face;
Figur 3 eine Lichtleitfaser, bestehend aus Faserkern und Ummantelung, mit einer sensitiven Beschichtung auf dem Faserkern;FIG. 3 shows an optical fiber consisting of fiber core and sheathing with a sensitive coating on the fiber core;
Figur 4 eine Lichtleitfaser mit einem reflektierenden Element auf einer Stirnfläche;FIG. 4 shows an optical fiber with a reflective element on an end face;
Figur 5 einen Rippenlichtleiter, bestehend aus seit¬ lich begrenztem Lichtleitkern, Lichtleiterträger und Abdeckung, mit einer sensitiven Beschichtung auf dem Lichtleitkern;FIG. 5 shows a ribbed light guide, consisting of a laterally delimited light guide core, light guide carrier and cover, with a sensitive coating on the light guide core;
Figur 6 einen Rippenlichtleiter mit einem reflektier¬ enden Element auf einer Stirnfläche;FIG. 6 shows a ribbed light guide with a reflective element on an end face;
Figur 7 einen vergrabenen Lichtleiter, bestehend aus seitlich begrenztem Lichtleitkern, Lichtleiterträger und Abdeckung, mit einer sensitiven Beschichtung auf dem Lichtleitkern; Figur 8 einen vergrabenen Lichtleiter mit einem re¬ flektierenden Element auf einer Stirnfläche;FIG. 7 shows a buried light guide, consisting of a laterally delimited light guide core, light guide carrier and cover, with a sensitive coating on the light guide core; FIG. 8 shows a buried light guide with a reflecting element on an end face;
Figur 9 eine sensitive Schichtenfolge bestehend aus auf Lichtleitkern aufgebrachter Haftvermittler-, Le- gierungs-, Zwischen- und stofferkennender Schicht;FIG. 9 shows a sensitive layer sequence consisting of an adhesion promoter, alloy, intermediate and substance-recognizing layer applied to the light guide core;
Figur 10 ein Beispiel der spektralen Intensitätsver¬ teilung des ausgekoppelten Lichtes bei Auftreten einer Oberflächenplasmawellenresonanz;FIG. 10 shows an example of the spectral intensity distribution of the outcoupled light when surface plasma wave resonance occurs;
Figur 11 ein Ausführungsbeispiel eines optischen In¬ terfaces, bestehend aus einer Blende;FIG. 11 shows an exemplary embodiment of an optical interface consisting of an aperture;
Figur 12 ein Ausführungsbeispiel eines optischen In- terfaceε, bestehend aus einer Blende und einer Linse;FIG. 12 shows an exemplary embodiment of an optical interface, consisting of an aperture and a lens;
Figur 13 ein Ausführungsbeispiel eines optischen In¬ terfaces bestehend aus einer Blende und zwei Linsen;FIG. 13 shows an exemplary embodiment of an optical interface consisting of a diaphragm and two lenses;
Figuren 14 - 17 Vorrichtungen zum Betreiben eines Sensors;Figures 14-17 devices for operating a sensor;
Figuren 18 - 19 Vorrichtungen zum Betreiben eines Multisensorsystems;Figures 18-19 devices for operating a multi-sensor system;
Figuren 20 - 21 Vorrichtungen zum Betreiben eines auf einem einzigen planaren Wellenleiter basierenden Mul¬ tisensorsystems;FIGS. 20-21 devices for operating a multi-sensor system based on a single planar waveguide;
Figur 22 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines er- findugnsgemäßen Sensors mit heterogener Legierungs¬ schicht; Figur 23 die gemessene Absorptionsbande eines Sensors gemäß Figur 22; undFIG. 22 shows a further exemplary embodiment of a sensor according to the invention with a heterogeneous alloy layer; FIG. 23 the measured absorption band of a sensor according to FIG. 22; and
Figur 24 einen Empfindlichkeitsvergleich zwischen einem Sensor mit einer Silberschicht und einem erfin¬ dungsgemaßen Sensor mit einer Legierungsschicht.FIG. 24 shows a sensitivity comparison between a sensor with a silver layer and a sensor according to the invention with an alloy layer.
Figuren 1 bis 8 zeigen Ausführungsbeispiele für Mul¬ timode-Lichtwellenleiter, welche sich für einen er- findungsgemaßen Sensor auf der Basis der resonanten optischen Anregung von Oberflächenplasmawellen eig¬ nen.1 to 8 show exemplary embodiments of multimode optical waveguides which are suitable for a sensor according to the invention on the basis of the resonant optical excitation of surface plasma waves.
In Fig. 1 ist ein Filmlichtleiter bestehend aus einem planaren lichtleitenden Film 3, der von einem plana¬ ren Lichtleiterträger 2 und einer planaren Abdeckung 1 umgeben ist, dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Film¬ lichtleiter mit einem reflektierenden Element 11 an einer Stirnfläche. In Fig. 3 ist eine Lichtleitfaser bestehend auε zylindersymmetrischem lichtleitendem1 shows a film light guide consisting of a planar light-guiding film 3, which is surrounded by a planar light guide support 2 and a planar cover 1. 2 shows a film light guide with a reflective element 11 on one end face. In Fig. 3 is an optical fiber consisting of cylindrical symmetrical light-guiding
Faserkern 5 und Ummantelung 4 dargestellt. In Fig. 4 ist eine Lichtleitfaser mit einem reflektierenden Element 11 an einem Ende abgebildet. In den Figuren 5 und 6 ist ein Rippenlichtleiter und in den Figuren 7 und 8 ein vergrabener Lichtleiter, jeweils bestehend auε einem εeitlich begrenzten Lichtleitkern 6 umgeben von einem planaren Lichtleiterträger 7 und einer pla¬ naren Abdeckung 8, sowie teilweise versehen mit einem reflektierenden Element 11, abgebildet. Beim Film-, Rippen- und vergrabenen Lichtleiter können Lichtleit¬ erträger und Abdeckung aus dem gleichen oder aus un¬ terschiedlichem Material bestehen.Fiber core 5 and sheath 4 shown. 4 shows an optical fiber with a reflective element 11 at one end. FIGS. 5 and 6 show a ribbed light guide and in FIGS. 7 and 8 a buried light guide, each consisting of a laterally delimited light guide core 6 surrounded by a planar light guide support 7 and a planar cover 8, and partially provided with a reflective element 11 , pictured. In the case of film, rib and buried light guides, the light guide support and cover can consist of the same or different material.
Die Lichtleiter weisen eine erste Fläche 9 und eine zweite Fläche 10 auf. Die zweite Fläche 10 kann mit einem reflektierenden Element 11 versehen sein. Zwi¬ schen den beiden Stirnflächen 9 und 10 befinden sich auf dem Lichtleitkern eine oder mehrere Meßflächen. Auf die Meßflächen wird eine senεitive Beεchichtung 12 aufgebracht.The light guides have a first surface 9 and a second surface 10. The second surface 10 can with be provided with a reflective element 11. One or more measuring surfaces are located on the light guide core between the two end faces 9 and 10. A sensitive coating 12 is applied to the measuring surfaces.
Als Materialien für Lichtleitkerne eignen sich bei¬ spielsweise Gläser wie Quarz, BK7 , Pyrex und Tempax oder hachbrechende Polymere wie Polycarbonat oder PMMA.Suitable materials for light guide cores are, for example, glasses such as quartz, BK7, Pyrex and Tempax or breakaway polymers such as polycarbonate or PMMA.
Als Materialien für die Abdeckung und den Lichtleit¬ erträger können niederbrechende Gläser oder Polymere eingesetzt werden.Low-index glasses or polymers can be used as materials for the cover and the light guide support.
Das reflektierende Element 11 kann beispielsweise durch Aufbringen einer Metallschicht oder eines Me¬ tallschichtsystems auf die zweite Fläche 10 reali¬ siert werden. Die Metallschicht oder das Metall- schichtsystem kann Platin, Gold, Silber, Paladium,The reflective element 11 can be implemented, for example, by applying a metal layer or a metal layer system to the second surface 10. The metal layer or the metal layer system can be platinum, gold, silver, palladium,
Chrom oder Aluminium enthalten. Geeignete Dicken der Metallschicht bzw. der Metallschichten betragen 100 nm bis 10 μm.Chrome or aluminum included. Suitable thicknesses of the metal layer or layers are 100 nm to 10 μm.
Zusätzlich kann sich zwischen Metallschicht oder Me¬ tallschichtsystem und zweiter Fläche 10 eine Haftver¬ mittlerschicht befinden. Als Haftvermittler eignen sich Chrom, Titan, Kobald, Vanadium oder Nickel mit Schichtdicken im Bereich von 0,1 nm bis 300 nm. So- wohl Metallschichten wie auch Haftvermittler müssen so gewählt werden, daß mit der Anordnung keine Ober¬ flächenplasmawellen resonant angeregt werden können.In addition, there can be an adhesive layer between the metal layer or metal layer system and the second surface 10. Chromium, titanium, cobalt, vanadium or nickel with layer thicknesses in the range from 0.1 nm to 300 nm are suitable as adhesion promoters. Both metal layers and adhesion promoters must be selected such that no surface plasma waves can be excited resonantly with the arrangement .
Die Meßfläche auf dem Lichtleitkern kann durch mecha- nisches Lösen der Ummantelung, naßchemisches Ätzen, reaktives Ionenätzen, Plasmaveraschen usw. realiεiert werden. Auf die Meßfläche wird anschließend die sen¬ sitive Beschichtung, welche mindestens eine Legie¬ rungsschicht umfaßt, aufgebracht.The measuring surface on the light guide core can be removed by mechanically loosening the cladding, wet chemical etching, reactive ion etching, plasma ashing, etc. can be realized. The sensitive coating, which comprises at least one alloy layer, is then applied to the measuring surface.
Die Ermittlung geeigneter Legierungskompositionen kann beipielsweise über die Analyse der optischen Konstanten der Legierung wie beispielsweise Bre¬ chungsindex n und Dämpfungskonstante k geschehen. oberflächenplasmawellen können nur angeregt werden, wenn die Beziehung jn] < ]k| erfüllt ist. Die Charak¬ terisierung der Legierungsεchichten erfolgt z.B. mit¬ tels eines Ellipsometerε. Aus den mit einem Eilipso¬ meter gewonnenen Aussagen können anschließend die ge- eigneten Parameter für die Herstellung und das Auf¬ bringen einer Legierung, welche in einem geeigneten Wellenlängenbereich Oberflachenplasmawellenresonanzen aufweist, reproduzierbar ermittelt.Suitable alloy compositions can be determined, for example, by analyzing the optical constants of the alloy, such as refractive index n and damping constant k. Surface plasma waves can only be excited if the relationship jn] <] k | is satisfied. The characterization of the alloy layers takes place e.g. by means of an ellipsometer. From the statements obtained with an Eilipsometer, the suitable parameters for the production and application of an alloy which has surface plasma wave resonances in a suitable wavelength range can then be reproducibly determined.
Das Aufbringen der Legierung kann z.B. durch Bedamp¬ fen, Sputtern oder durch ein anderes Beschichtungs- verfahren erfolgen. Bevorzugt finden binäre Legierun¬ gen aus Gold und Silber Verwendung. Zusätzlich kann z.B. Palladium oder Nickel eingebracht werden. Bei Verwendung einer Silber-Gold-Legierung ist es mög¬ lich, in Wasser Transmissionsminima in einem Wellen¬ längenbereich zwischen ungefähr 550 nm (reines Sil¬ ber) bis 660 nm (reines Gold) zu beobachten. In die¬ sem Bereich können Halbleiterlaser als Anregungs- lichtquelle verwendet werden.The application of the alloy can e.g. by vapor deposition, sputtering or by another coating method. Binary alloys of gold and silver are preferably used. In addition, e.g. Palladium or nickel can be introduced. When using a silver-gold alloy, it is possible to observe transmission minima in water in a wavelength range between approximately 550 nm (pure silver) to 660 nm (pure gold). In this area, semiconductor lasers can be used as the excitation light source.
Als stofferkennende Schicht eignet sich eine Kompo¬ nente eines chemischen oder biochemischen Rezeptor- Ligand-Komplexes wie beispielsweise eine Komponente der Systeme Antigen/Antikörper, Lectin/Kohlenhydrat, Nukleinsäure/Protein, Nukleinεäure/Nukleinsäure, Hor¬ mon/Rezeptor, Enzym/Enzymcofaktor, Enzym/Substrat, Protein A oder Protein G/Immunoglobulin oder Avi- din/Biotin. Die nachzuweisenden Substanz ist entspre- chend entweder Rezeptor oder Ligand mit einer hohenA component of a chemical or biochemical receptor-ligand complex, such as, for example, a component of the systems antigen / antibody, lectin / carbohydrate, is suitable as the substance-recognizing layer. Nucleic acid / protein, nucleic acid / nucleic acid, hormone / receptor, enzyme / enzyme cofactor, enzyme / substrate, protein A or protein G / immunoglobulin or avidin / biotin. The substance to be detected is accordingly either a receptor or a ligand with a high level
Affinität zu der entsprechenden Komponente der stoff¬ erkennenden Schicht. Optional können die jeweiligen immobilisierten Rezeptoren oder Liganden der stoffer¬ kennenden Schicht über eine Zwischenschicht aus ge- eigneten chemisch reaktiven Gruppen an die Legierung gebunden werden.Affinity for the corresponding component of the substance-recognizing layer. Optionally, the respective immobilized receptors or ligands of the substance-recognizing layer can be bound to the alloy via an intermediate layer made of suitable chemically reactive groups.
Nachfolgend wird ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors nach Fig. 4 basierend auf einer Multimode- Lichtfaser aus Quarzglas 5 mit einem Kerndurchmesser von 400 μm und mit einer Ummantelung 4 aus einem Po¬ lymer beschrieben. Die Stirnfläche 10 der Faser wird mit einem reflektierenden Metallschichtεyεtem 11 in der Folge 5 nm Chrom, 400 nm Silber und 100 nm Platin beεchichtet. Die Polymerummantelung 4 wird mittels eines chemischen Lösungεmittels auf einer Länge von 7 mm (von der nicht reflektierenden Stirnfläche aus gemessen) entfernt. Der Aufbau der senεitiven Be- εchichtung iεt in Figur 9 dargestellt. Durch thermi- sches Aufdampfen wird auf das freigelegte Ende desA first exemplary embodiment of a sensor according to FIG. 4 based on a multimode optical fiber made of quartz glass 5 with a core diameter of 400 μm and with a sheath 4 made of a polymer is described below. The end face 10 of the fiber is coated with a reflective metal layer system 11, subsequently 5 nm chromium, 400 nm silver and 100 nm platinum. The polymer sheathing 4 is removed by means of a chemical solvent over a length of 7 mm (measured from the non-reflecting end face). The structure of the sensitive coating is shown in FIG. 9. Thermal evaporation leads to the exposed end of the
Faserkerns 13 zunächst eine Haftvermittlerschicht 14 aus Chrom aufgebracht. Anschließend wird darauf eine Legierung 15, die zu ungefähr 80% aus Silber und un¬ gefähr 20% aus Gold besteht, aufgedampft. Darauf wird mit Hilfe einer Zwischenschicht 18 aus Dithiobis-εuc- cinimidyl-propionat (DSP) ein alε Protein vorliegen¬ der Rezeptor oder Ligand immobilisiert. Dazu wird der Sensor zunächst in eine Lösung aus 0,01 M DSP in Ace¬ ton getaucht und anschließend mit Aceton gespült. Anschließend kommt der so beschichtete Bereich des Senεors in Kontakt mit Proteinen 17, welche εehr εtark am Sensor haften. Nur die Oberfläche 19 der stofferkennenden Schicht hat Kontakt zur zu analysie¬ renden Probe.Fiber core 13 first applied an adhesion promoter layer 14 made of chrome. Then an alloy 15, which consists of approximately 80% silver and approximately 20% gold, is evaporated thereon. An receptor or ligand present as a protein is immobilized thereon with the aid of an intermediate layer 18 made of dithiobis-εuc-cinimidyl-propionate (DSP). For this purpose, the sensor is first immersed in a solution of 0.01 M DSP in acetone and then rinsed with acetone. Then comes the coated area of the Sensors in contact with proteins 17, which adhere very strongly to the sensor. Only the surface 19 of the substance-recognizing layer is in contact with the sample to be analyzed.
Mit dieser sensitiven Schichtenfolge kann der Sensor zur selektiven Stofferkennung eingesetzt werden. Der Sensor mit der beschriebenen Gold-Silber-Legierung weist in einer wäßrigen Lösung den spektralen Bereich größter Flankensteilheit, d.h. größter Empfindlich¬ keit, bei ungefähr 635 nm auf. Alε Anregungslicht- quelle für die Oberflächenplasmawellen, welche sich an der Oberfläche 16 der Legierung ausbreiten, eignet sich somit eine handelsübliche Laserdiode.With this sensitive layer sequence, the sensor can be used for selective substance detection. The sensor with the gold-silver alloy described has the spectral range of greatest slope in an aqueous solution, i.e. greatest sensitivity, at about 635 nm. A commercially available laser diode is thus suitable as the excitation light source for the surface plasma waves which spread on the surface 16 of the alloy.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen Senεorε baεierend auf einer heterogenen Legie¬ rung iεt in Figur 22 dargestellt. Der prinzipielle Aufbau dieses Sensors stimmt im wesentlichen mit dem deε Senεors gemäß Figur 9 überein. Wiederum wird zu¬ nächst Chrom als Haftvermittler 14 auf den Wellenlei¬ terkern 13 aufgebracht. Auf dem Wellenleiterkern 13 bildet sich eine diskontinuierliche Chromschicht mit einer mittleren Schichtdicke von ungefähr 5 nm aus. Die Inselbildung ist typisch für das Aufbringen der¬ artiger dünner Schichten.A second exemplary embodiment of a sensor according to the invention, based on a heterogeneous alloy, is shown in FIG. 22. The basic structure of this sensor essentially corresponds to that of the sensor according to FIG. 9. Again, chromium is first applied to the waveguide core 13 as an adhesion promoter 14. A discontinuous chromium layer with an average layer thickness of approximately 5 nm is formed on the waveguide core 13. The island formation is typical for the application of such thin layers.
Im Anschluß an das Aufbringen des Haftvermittlers 14 wird eine Silber-Gold-Legierung 15, 16 mit Phasen im Nanometer-Bereich über der Haftvermittlerschicht ab¬ geschieden. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Le- gierungsschicht ist auf unterschiedliche Art und Wei¬ se möglich: a) Eine molare Mischung von 30 bis 5 % Silber und 70 bis 95 % Gold (Pulver, Granulat usw.) wird durch thermisches Aufdampfen auf der Wellenleit¬ eroberfläche abgeschieden. Aufgrund der unter- εchiedlichen Schmelz- und Siedetemperaturen vonFollowing the application of the adhesion promoter 14, a silver-gold alloy 15, 16 with phases in the nanometer range is deposited over the adhesion promoter layer. The alloy layer according to the invention can be produced in different ways: a) A molar mixture of 30 to 5% silver and 70 to 95% gold (powder, granules, etc.) is deposited on the surface of the waveguide by thermal vapor deposition. Due to the different melting and boiling temperatures of
Silber und Gold wird sich zunächst Silber ab¬ scheiden, welches bevorzugt an den Inseln der Haftvermittlerschicht kondensiert. Zwischen und auf dem Silber 15 wird Gold 16 abgeschieden. Mit dieser Methode lassen sich insbesondere hetero¬ gene Legierungen mit getrennten Phasen realisie¬ ren.Silver and gold will initially deposit silver, which preferably condenses on the islands of the adhesion promoter layer. Gold 16 is deposited between and on the silver 15. With this method, in particular heterogeneous alloys with separate phases can be realized.
b) Auf die Haftvermittlerschicht 14 wird eine zu- nächst geschlossene Silberschicht thermisch auf¬ gedampft oder gesputtert. Die dünne Silber¬ schicht wird durch eine thermische Behandlung für 10 see. bis 20 min. bei 100 °C bis 300 °C unter Schutzgasatmosphäre aufgebrochen. Es bil- det εich ein Silbernetzwerk um die Haftvermitt- lerinεeln 14 auε. Anεchließend wird in und um das Silbernetzwerk Gold 16 abgeschieden. Dieses Schichtgebilde wird daraufhin durch eine thermi¬ sche Behandlung unter Schutzgas für bis zu 5 Stunden bei 40 bis 180 °C oberflächenhomogeni¬ siert.b) A first closed silver layer is thermally evaporated or sputtered onto the adhesion promoter layer 14. The thin silver layer is thermally treated for 10 seconds. up to 20 min. broken up at 100 ° C to 300 ° C under a protective gas atmosphere. A silver network is formed around the bonding agent islands 14. Gold 16 is then deposited in and around the silver network. This layered structure is then surface-homogenized by thermal treatment under protective gas for up to 5 hours at 40 to 180 ° C.
Im Anschluß an das Aufbringen der Legierungsschicht werden analog zu Figur 9 weitere sensitive Schichten 17, 18, 19 aufgebracht.Following the application of the alloy layer, further sensitive layers 17, 18, 19 are applied analogously to FIG.
Der entscheidende Vorteil der heterogenen Legierung liegt in der Möglichkeit einer nahezu polarisationε- unabhängigen Anregung von Oberflächenplasmawellen. Während bei einer geschlossenen Schicht aus einem reinen Metall Oberflächenplaεmawellen ausschließlich mit TM-polarisiertem Licht angeregt werden können, lassen sich bei dem beschriebenen Schichtaufbau die Oberflächenplasmawellen sowohl mit TM- als auch mit TE-polarisiertem Licht anregen. Da jede Lichtpolari¬ sation eine lineare Kombination von TE- und TM-pola- riεiertem Licht ist, werden die Oberflächenplasmawel¬ len erfindungsgemäß polarisationsunabhängig angeregt. Dies hat u.a. den sehr bedeutenden Vorteil, daß der Resonanzpeak (vgl. Meßdiagramm Fig. 23) nahezu denThe decisive advantage of the heterogeneous alloy lies in the possibility of an almost polarization-independent excitation of surface plasma waves. While with a closed layer of one pure metal surface plasma waves can only be excited with TM polarized light, the surface plasma waves can be excited with both TM and TE polarized light in the layer structure described. Since each light polarization is a linear combination of TE and TM polarized light, the surface plasma waves are excited according to the invention independently of polarization. This has the very significant advantage, among other things, that the resonance peak (cf. measurement diagram Fig. 23) is almost the same
Wert 0 im Minimum 22 annimmt. Da die Mesεung mit mo¬ nochromatischem Licht an einer der beiden Flanken 23 erfolgt, wird unabhängig von der Polarisation des eingekoppelten Lichtes eine deutlich empfindlichere bzw. größere Meßsignaländerung beobachtet als dies bei herkömmlichen Oberflächenplasmawellensensoren der Fall ist. Dieser Sachverhalt ist in Figur 24 skiz¬ ziert.Value 0 assumes at least 22. Since the measurement is carried out with monochromatic light on one of the two flanks 23, a significantly more sensitive or larger change in the measurement signal is observed regardless of the polarization of the coupled-in light than is the case with conventional surface plasma wave sensors. This fact is outlined in FIG. 24.
In Figur 24 sind die Empfindlichkeiten eines mit Sil¬ ber beschichteten und eines mit einer heterogenen Gold-Ξilber-Legierung beschichteten Senors verglei¬ chend dargestellt. In beiden Fällen wurden identische Lichtleitfasern mit jeweilε 5 nm Chrom beschichtet. Die Legierungsfaεer wurde gemäß Punkt a) des zweiten Ausführungsbeiεpielε hergeεtellt und in einem Molver¬ hältnis von 90% Gold zu 10% Silber beschichtet. Die Metallschichtdicken auf beiden Fasern betrugen je¬ weils ungefähr 60 nm. Als monochromatische Lichtquel- le wurde eine bei 635 nm emittierende Laserdiode und als Referenzlichtquelle eine bei 1300 nm emittierende Leuchtdiode verwendet. Das Verhältnis der Lichtlei¬ stungssignale Laserdiode zu Leuchtdiode diente als Ausgangssignal. Als Meßgröße wurde der Brechungsindex n einer Alkohol/Wasεer-Lösung durch Variation der Alkoholkonzentration in einem Bereich von 1.333 biε 1.360 verändert. Deutlich ist zu erkennen, daß die Legierungsfaser im interessanten Bereich zwischen 1.340 und 1.360 eine teilweise drastisch höhere Emp- findlichkeit als die Silberfaser zeigt.FIG. 24 shows the sensitivities of a sensor coated with silver and a sensor coated with a heterogeneous gold-silver alloy as a comparison. In both cases, identical optical fibers were coated with 5 nm chromium each. The alloy fiber was produced in accordance with point a) of the second exemplary embodiment and coated in a molar ratio of 90% gold to 10% silver. The metal layer thicknesses on both fibers were approximately 60 nm in each case. A laser diode emitting at 635 nm and a light emitting diode emitting at 1300 nm were used as the monochromatic light source. The ratio of the light power signals laser diode to light emitting diode served as the output signal. The refractive index n of an alcohol / water solution was determined as a measured variable by varying the Alcohol concentration changed in a range from 1,333 to 1,360. It can be clearly seen that the alloy fiber in the interesting range between 1,340 and 1,360 shows a sometimes drastically higher sensitivity than the silver fiber.
In den Figuren 14 bis 17 sind Vorrichtungen zum Be¬ treiben eines erfindungεgemäßer Senεoren 47 darge- εtellt. Die Vorrichtungen enthalten eine Laserdiode 44 mit einem Emisεionsmaximum bei ungefähr 635 nm als monochromatische erste Lichtquelle und eine Leucht¬ diode 45 mit einem Emissionsmaximum bei ungefähr 1350 nm und einer spektralen Halbwertsbreite von 70 nm als zweite Lichtquelle. Daε Licht der zweiten Lichtquelle kann aufgrund gleicher optiεcher Weglängen im Sensor als Referenz zur ersten Lichtquelle benutzt werden. Die Legierungskompoεition, die Beschichtungslänge und der verwendete Laser sind so aufeinander abgeεtimmt, daß die Emissionswellenlänge des Lasers im Absorp- tionsbereich der Oberflächenplaεmareεonanz, vorteil¬ hafterweise im Bereich größter Flankensteilheit, liegt. Das Emissionεεpektrum der Leuchtdiode liegt weit außerhalb des Absorptionsbereichs der Plaεmare- sonanz und ist sehr schmalbandig. Anεtatt der Leucht- diode könnte auch eine monochromatische Lichtquelle (z.B. Halbleiterlaser) verwendet werden.FIGS. 14 to 17 show devices for operating a sensor 47 according to the invention. The devices contain a laser diode 44 with an emission maximum at approximately 635 nm as a monochromatic first light source and a light-emitting diode 45 with an emission maximum at approximately 1350 nm and a spectral half-width of 70 nm as a second light source. Because of the same optical path lengths in the sensor, the light from the second light source can be used as a reference to the first light source. The alloy composition, the coating length and the laser used are matched to one another in such a way that the emission wavelength of the laser lies in the absorption region of the surface plasma resonance, advantageously in the region of greatest slope. The emission spectrum of the light emitting diode lies far outside the absorption range of the plasma resonance and is very narrow-band. Instead of the light-emitting diode, a monochromatic light source (e.g. semiconductor laser) could also be used.
Über eine Vorrichtung 48 zum Mischen des Lichtes der ersten mit dem Licht der zweiten Lichtquelle und ein optisches Interface 46, welche die Verteilung der Winkel, unter welchen sich die Lichtstrahlen im Lichtleitkern ausbreiten können festlegt, wird das Licht in den Lichtleiter eingekoppelt. Durch das op¬ tische Interface wird eine reproduzierbare Modenbe- setzung im Lichtleitkern definiert. Außerdem kann damit Einfluß auf die Halbwertsbreite 24 und die Flankensteilheit der Absorptionεbande 20 der Oberflä¬ chenplasmawellen genommen werden. Dadurch läßt sich der Arbeitspunkt bzw. die Empfindlichkeit des Sensor- Systems beeinfluεεen. Nachfolgend soll die Funktions¬ weise eines optischen Interfaces näher erläutert wer¬ den.The light is coupled into the light guide via a device 48 for mixing the light of the first with the light of the second light source and an optical interface 46, which defines the distribution of the angles at which the light beams can propagate in the light guide core. The optical interface defines a reproducible mode occupation in the light guide core. Besides, can influence on the half-width 24 and the slope of the absorption band 20 of the surface plasma waves. This allows the operating point or the sensitivity of the sensor system to be influenced. The mode of operation of an optical interface will be explained in more detail below.
In Fig. 11 ist ein Ausführungsbeiεpiel eines opti- sehen Interfaces dargestellt. Im Strahlengang vor der ersten Fläche 9 des Lichtleitkerns 3, 5, 6 befindet sich eine Blende 26 in Form eines dünnen Plättchens oder Films aus nicht transparentem Material. Die An¬ ordnung ist charakterisiert durch die Abmessungen der Austrittεöffnung 25 der Lichtεtrahlen, den maximalen halben Öffnungswinkel α des optischen Meßsyεtemε, die Abmessungen der ersten Fläche 9 des Lichtleitkerns 3, 5, 6, den Grenzwinkel, unter dem sich Licht im Licht¬ leitkern 3, 5, 6 gerade noch ausbreiten kann, die Blendenabmessungen und die Abstände 27 bzw. 28 zwi¬ schen dem Ausgang des optischen Meßsystems 25 und Blende 26 bzw. erster Fläche 9. Diese Parameter sind so gewählt, daß nur Licht unter einem bestimmten Hauptwinkel ß mit der Verteilung ± L\ß/ 2 in den Licht- leitkern 3, 5, 6 eingekoppelt wird.An exemplary embodiment of an optical interface is shown in FIG. In the beam path in front of the first surface 9 of the light guide core 3, 5, 6 there is an aperture 26 in the form of a thin plate or film made of non-transparent material. The arrangement is characterized by the dimensions of the exit opening 25 of the light rays, the maximum half opening angle α of the optical measuring system, the dimensions of the first surface 9 of the light guide core 3, 5, 6, the critical angle at which light is located in the light guide core 3 , 5, 6 can just spread out, the diaphragm dimensions and the distances 27 and 28 between the output of the optical measuring system 25 and diaphragm 26 and the first surface 9. These parameters are chosen so that only light at a certain main angle β with the distribution ± L \ ß / 2 in the light guide core 3, 5, 6 is coupled.
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines op¬ tischen Interfaces mit einer Linse 29. Die Abstände 31 bzw. 33 von der Linse 29 zur Austrittεöffnung 25 bzw. zur ersten Fläche 9, die Brennweite und der Durchmesεer der Linse werden so gewählt, daß alle Lichtstrahlen, die die Austrittsöffnung 25 verlasεen, in den Lichtleitkern eingekoppelt werden. Hinter oder vor der Linεe befindet sich in festem Abstand 32 zur Linse eine Blende 30. Die Blende 30 kann auch direkt auf der Linse aufgebracht sein. Durch an die Wellen¬ leiterform angepaßte Öffnungen 34 in der Blende mit einem festem mittleren Abstand 35 von der optischen Achse 36 werden nur Lichtstrahlen mit einem Hauptwinkel ß mit einer Verteilung von ± Δ/3/2 in den Lichtleitkern 3, 5, 6 eingekoppelt.12 shows a further embodiment of an optical interface with a lens 29. The distances 31 and 33 from the lens 29 to the outlet opening 25 and to the first surface 9, the focal length and the diameter of the lens are chosen so that all Light rays that leave the outlet opening 25 are coupled into the light guide core. A diaphragm 30 is located behind or in front of the line at a fixed distance 32 from the lens. The diaphragm 30 can also be direct be applied to the lens. Through openings 34 in the diaphragm, which are adapted to the shape of the waveguide, with a fixed mean distance 35 from the optical axis 36, only light beams with a main angle β with a distribution of ± Δ / 3/2 are coupled into the light guide core 3, 5, 6.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines op¬ tischen Interfaceε mit zwei Linsen 37, 39. Die Ab- stände 38, 40 zwischen Austrittsöfnung 25 und Linse 37 bzw. zwischen Linεe 39 und erεter Fläche 9 werden εo gewählt, daß alle aus dem optischen Meßsystem aus¬ tretenden Lichtstrahlen hinter der Linse 37 nahezu parallel verlaufen alle parallelen Lichtstrahlen nach Passieren einer Blende 41 mittels Linse 39 in den Lichtleitkern eingekoppelt werden. Die Blende 41 weist beispielsweise kreiεringförmigen Öffnungen 42 in einem festen mittleren Abstand 43 von der opti¬ schen Achse 36 auf. Nur Lichtstrahlen mit einem Hauptwinkel ß und einer Verteilung von ± Δ/3/2 werden in den Lichtleitkern 3, 5, 6 eingekoppelt.13 shows a further embodiment of an optical interface with two lenses 37, 39. The distances 38, 40 between exit opening 25 and lens 37 or between lens 39 and first surface 9 are chosen so that all are from the optical Measuring system emerging light rays behind the lens 37 run almost parallel after passing through an aperture 41 by means of lens 39, all the parallel light rays are coupled into the light guide core. The aperture 41 has, for example, circular-ring-shaped openings 42 at a fixed mean distance 43 from the optical axis 36. Only light rays with a main angle β and a distribution of ± Δ / 3/2 are coupled into the light guide core 3, 5, 6.
Das mit Hilfe des ersten optischen Interfaces in den Sensor eingekoppelte Licht, welches den sensitiv be- schichteten Lichtleiterbereich durchlaufen hat und in seiner Intensität mehr oder weniger abgeschwächt wur¬ de, wird über die Fläche 10 wieder ausgekoppelt und anschließend einem optischen Meßsystem zugeführt (Fi¬ guren 14 und 15) . Wird das Licht aufgrund einer Re- flexion an der zweiten Fläche 10 des Sensorε über daε erεte Interface auεgekoppelt (Figuren 16 und 17) , so kann sich zwischen Interface und optischem Meßsyεtem ein Strahlteiler 53 der Strahlaufweitung 1 auf 2 be¬ finden. Diese Anordnung gestattet es, die Detektor- anordnung (49, 51, 52) aus dem Strahlengang zwischen Lichtquellen 44, 45 und Sensor 47 zu nehmen.The light coupled into the sensor with the aid of the first optical interface, which has passed through the sensitively coated light guide area and has been more or less attenuated in its intensity, is coupled out again via the surface 10 and then fed to an optical measuring system (FIG guren 14 and 15). If the light is coupled out via the first interface due to a reflection on the second surface 10 of the sensor (FIGS. 16 and 17), a beam splitter 53 of the beam widening 1 to 2 can be found between the interface and the optical measuring system. This arrangement allows the detector to take arrangement (49, 51, 52) from the beam path between light sources 44, 45 and sensor 47.
Das optische Meßsystem kann, wie in den Figuren 14 und 16 dargestellt, einen einzigen optischen Detektor 49 enthalten, welcher im Multiplexbetrieb zunächst während die zweite Lichtquelle 45 ausgeεchaltet ist die Leistung des ausgekoppelten Lichtes der ersten Lichtquelle 44 bestimmt und daraus ein erstes Signal generiert und anschließend, während die erεte Licht¬ quelle 44 ausgeschaltet ist, die Leistung des ausge¬ koppelten Lichtes der zweiten Lichtquelle 45 bestimmt und daraus ein zweites Signal generiert.As shown in FIGS. 14 and 16, the optical measuring system can contain a single optical detector 49 which, in multiplex operation, first of all, while the second light source 45 is switched off, determines the power of the outcoupled light of the first light source 44 and generates a first signal therefrom and then while the first light source 44 is switched off, determines the power of the outcoupled light of the second light source 45 and generates a second signal therefrom.
Das optische Meßsyεtem kann alterativ, wie in denThe optical measuring system can be alternative, as in the
Figuren 15 und 17 dargestellt, auch einen Strahltei¬ ler 50 der Strahlteilung 1 auf 2 und zwei hinsicht¬ lich der Detektionswellenlänge optimierte optiεche Detektoren, beiεpielsweise eine Siliziumphotodiode 51 für die Laserdiode und eine Germaniumphotodiode 52 für die Leuchtdiode, enthalten. Das optische Meßsy¬ stem kann im Multiplexbetrieb arbeiten, d.h. der er¬ ste Detektor 51 generiert das erste Signal während die erste Lichtquelle 44 ein- und die zweite Licht- quelle 45 ausgeschaltet ist und anschließend gene¬ riert der zweite Detektor 52 das zweite Signal wäh¬ rend die zweite Lichtquelle 45 an- und die erste Lichtquelle 44 ausgeschaltet ist. Alternativ können beide Lichtquellen gleichzeitig eingeschaltet sein und die beiden Detektoren 51, 52 aufgrund je eines wellenlängenselektiven Bauteils vor dem Detektorein¬ gang jeweils nur die Leistung des ausgekoppelten Lichtes der ersten oder der zweiten Lichtquelle 44, 45 bestimmen. Aus dem ersten Signal oder aus dem ersten Signal in Kombination mit dem zweiten Signal läßt sich an¬ schließend eine Größe generieren, welche Ausεagen über die Reεonanzänderung und damit über Änderungen deε Dielektrikums enthält.15 and 17, also contain a beam splitter 50 of beam splitting 1 to 2 and two optical detectors optimized with regard to the detection wavelength, for example a silicon photodiode 51 for the laser diode and a germanium photodiode 52 for the light-emitting diode. The optical measuring system can operate in multiplex mode, ie the first detector 51 generates the first signal while the first light source 44 is switched on and the second light source 45 is switched off and then the second detector 52 generates the second signal ¬ rend the second light source 45 and the first light source 44 is turned off. Alternatively, both light sources can be switched on at the same time and the two detectors 51, 52 each determine only the power of the outcoupled light of the first or the second light source 44, 45 due to a wavelength-selective component in front of the detector input. From the first signal or from the first signal in combination with the second signal, a variable can subsequently be generated which contains statements about the change in resonance and thus about changes in the dielectric.
Als optische Detektoren für das Meßsystem eignen sich neben Silizium- oder Germaniumphotodioden auch bei¬ spielweise InGaAs-Photodioden oder Photomultiplier.In addition to silicon or germanium photodiodes, InGaAs photodiodes or photomultipliers are also suitable as optical detectors for the measuring system.
Mit den biεher angeführten Komponenten ist es mö¬ glich, ein Multisensorsystem zu realisieren, welches simultan die Konzentrationen einer Vielzahl chemi¬ scher Subεtanzen beεtimmt. Im folgenden εoll ein Sy- εtem mit m optischen Sensoren (m > 1) zur Bestimmung der Konzentrationen von m Substanzen betrachtet wer¬ den.With the components mentioned above, it is possible to implement a multi-sensor system which simultaneously determines the concentrations of a large number of chemical substances. In the following, a system with m optical sensors (m> 1) for determining the concentrations of m substances should be considered.
Ein derartiges Multisensorsystem ist in Fig. 18 dar- gestellt. Jeder der m optischen Sensoren 47 ist mit einer spezifischen stofferkennenden Schicht für den Nachweis je einer der m nachzuweisenden Substanzen versehen. Das Licht der beiden Lichtquellen 44, 45 wird über einen Strahlteiler 54 der Strahlaufweitung 2 auf m zunächst zusammengeführt (gemischt) und an¬ schließend wiederum in m Teilstrahlen aufgefächert. Anschließend werden die Teilstrahlen mit Hilfe von m ersten optischen Interfaceε 46 in die m Sensoren 47 eingekoppelt. Daraufhin wird das Licht, welches die sensitive Beschichtung passiert hat, am anderen Ende 10 des Senεors ausgekoppelt und einem optischen Me߬ system bestehend aus entweder m oder 2 x m, optional mit wellenlängenselektiven Bauteilen versehenen und optional im Multiplexverfahren arbeitenden, optischen Detektoren 55 zugeführt. Anschließend werden von der Detektoranordnung m unabhängige Größen generiert, welche charakteristisch für das Detektionsergebniε des einzelnen Sensors sind.Such a multi-sensor system is shown in FIG. 18. Each of the m optical sensors 47 is provided with a specific substance-recognizing layer for the detection of one of the m substances to be detected. The light from the two light sources 44, 45 is first combined (mixed) via a beam splitter 54 of the beam widening 2 to m and then fanned out again into m partial beams. The partial beams are then coupled into the m sensors 47 with the aid of m first optical interfaces 46. The light that has passed through the sensitive coating is then coupled out at the other end 10 of the sensor and fed to an optical measuring system consisting of either m or 2 × m, optionally provided with wavelength-selective components and optionally operating in multiplexing, optical detectors 55. Then the Detector arrangement generates m independent quantities which are characteristic of the detection result of the individual sensor.
Wie in Fig. 19 dargestellt ist, können die m Sensoren 47 an dem zweiten Ende 10 mit einem reflektierenden Element versehen sein, so daß das reflektierte Licht wiederum über die m erεten Interfaces 46 ausgekoppelt und über Strahlteiler 53 der Strahlaufweitung 1 auf 2 der optischen Detektoranordnung zugeführt wird.As shown in FIG. 19, the m sensors 47 can be provided with a reflective element at the second end 10, so that the reflected light is in turn coupled out via the m first interfaces 46 and via beam splitters 53 of the beam widening 1 to 2 of the optical detector arrangement is fed.
In Fig. 20 ist ein Multisensorεyεtem dargeεtellt, bei welchem die m unabhängigen optischen Sensoren von einem einzigem planaren Wellenleiter 57 beispielswei- se einem Filmwellenleiter, gebildet werden. Die mit¬ tels m erster Interfaces 46 eingekoppelten m Licht¬ strahlen durchlaufen m unterschiedliche Bahnen inner¬ halb des Lichtleiters. Die m Lichtstrahlen kommen mit m verschiedenen und an unterεchiedlichen Orten des Lichtleiters aufgebrachten stofferkennenden Schichten 56 der εensitive Beschichtung 12 in Kontakt.20 shows a multisensor system in which the m independent optical sensors are formed by a single planar waveguide 57, for example a film waveguide. The m light beams coupled in by means of m first interfaces 46 pass through m different paths within the light guide. The m light rays come into contact with m different substance-recognizing layers 56 of the sensitive coating 12 applied at different locations of the light guide.
Das Licht, welches mit der sensitiven Beschichtung in Kontakt kam, kann, wie in Fig. 20 dargestellt, über die zweite Fläche 10 oder bei Anbringen einer Refle¬ xionsvorrichtung an der zweiten Flächen 10, wie in Fig. 21 dargestellt, über die erste Fläche 9 ausge¬ koppelt werden. Die optische Detektoranordnung ent¬ spricht derjenigen aus Fig. 18 bzw. Fig. 19. The light which came into contact with the sensitive coating can, as shown in FIG. 20, via the second surface 10 or, if a reflection device is attached to the second surface 10, as shown in FIG. 21, via the first surface 9 are coupled out. The optical detector arrangement corresponds to that from FIGS. 18 and 19.

Claims

Patentansprüche claims
1. Optischer Sensor auf der Basis der resonanten Anregung von Oberflächenplasmawellen mit Hilfe von monochromatischem Licht1. Optical sensor based on the resonant excitation of surface plasma waves with the help of monochromatic light
mit einem Lichtleiter, dessen teilweise von ei¬ ner Abdeckung (1, with an optical fiber, the part of which is covered by a cover (1,
2, 4, 7, 8) umgebener Licht¬ leitkern (3, 5, 6) eine erste Fläche (9) und eine zweite Fläche (10) aufweist, wobei die Flä¬ chen (9, 10) jeweils der Lichteinkopplung und/ oder der Lichtauskopplung und/oder der Lichtre¬ flexion dienen, und2, 4, 7, 8) surrounded Licht¬ core (3, 5, 6) has a first surface (9) and a second surface (10), the surfaces (9, 10) each of the light coupling and / or serve to decouple light and / or to reflect light, and
mit einer Schicht oder mehreren Schichten, wel¬ che auf mindestens einem Bereich des Lichtleit¬ kerns (3, 5, 6) zwischen erster und zweiter Flä¬ che (9, 10) angeordnet sind,with one layer or several layers, which are arranged on at least one area of the light guide core (3, 5, 6) between the first and second surface (9, 10),
wobei mindestens eine der Schichten eine Metall¬ legierung enthält und über die Metallegierungs¬ zusammensetzung Form und/oder Lage der Absorp¬ tionsbande der Oberflächenplasmawellen einge¬ stellt ist.wherein at least one of the layers contains a metal alloy and the shape and / or position of the absorption band of the surface plasma waves is set via the metal alloy composition.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Metallegierung eine heterogene Metalle¬ gierung ist.Optical sensor according to claim 1, characterized in that the metal alloy is a heterogeneous metal alloy.
3. Optischer Sensor nach Anspruch 2 , dadurch ge¬ kennzeichnet, daß in der heterogenen Metallegie¬ rung mindestenε eine Phase in Form getrennter Bereiche mit Abmessungen bis zu 200 nm vorhanden ist. 3. Optical sensor according to claim 2, characterized in that at least one phase is present in the heterogeneous metal alloy in the form of separate regions with dimensions of up to 200 nm.
4. Optischer Senεor nach Anεpruch 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß in der heterogenen Metallegie¬ rung mindestens eine Phase in Form eines Netz¬ werkes vorhanden ist.4. Optical sensor according to claim 2, characterized in that at least one phase in the form of a network is present in the heterogeneous metal alloy.
5. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung mindestenε eine der bei¬ den Komponenten Gold oder Silber enthält.5. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the metal alloy contains at least one of the two components gold or silver.
6. Optiεcher Senεor nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Metallegierung enthaltende Schicht eine Dicke zwiεchen 10 nm und 500 nm beεitzt und auf einer Länge zwischen 0, 1 mm bis 100 mm auf den Lichtleitkern aufgebracht ist.6. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the layer containing the metal alloy has a thickness between 10 nm and 500 nm and is applied to the light guide core over a length of between 0.1 mm and 100 mm.
7. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter eine Lichtleitfaser, ein7. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the light guide is an optical fiber, a
Rippenlichtleiter, ein vergrabener Lichtleiter, ein Filmlichtleiter oder ein anderer planarer Lichtleiter ist.Rib light guide, a buried light guide, a film light guide or another planar light guide.
8. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter ein Multimode-Lichtleiter iεt.8. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the light guide is a multimode light guide iεt.
9. Optiεcher Senεor nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der die Metallegierung enthaltenden Schicht und dem Lichtleitkern eine Haftvermitt¬ lerschicht aufgebracht ist. 9. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that an adhesion promoter layer is applied between the layer containing the metal alloy and the light guide core.
10. Optiεcher Sensor nach Anspruch 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Haftvermittlerschicht in Form einer dis¬ kontinuierlichen Schicht auf den Lichtleitkern aufgebracht ist.10. Optical sensor according to claim 9, characterized in that the adhesion promoter layer is applied in the form of a discontinuous layer to the light guide core.
11. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die die Metallegierung enthaltende Schicht eine stofferkennende Schicht aufgebracht ist.11. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a substance-recognizing layer is applied to the layer containing the metal alloy.
12. Optiεcher Sensor nach Anspruch 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die stofferkennende Schicht eine Komponente eines chemischen oder biochemischen Rezeptor- Ligand-Komplexes enthält.12. Optical sensor according to claim 11, characterized in that the substance-recognizing layer contains a component of a chemical or biochemical receptor-ligand complex.
13. Optischer Sensor nach Anspruch 11 oder 12, da- durch gekennzeichnet, daß sich zwischen der die Metallegierung enthal¬ tenden Schicht und der stofferkennenden Schicht eine weitere Schicht mit chemisch reaktiven Gruppen zum Anbinden des Rezeptors oder des Li- ganden an die Metallegierungsschicht befindet.13. Optical sensor according to claim 11 or 12, characterized in that between the layer containing the metal alloy and the substance-recognizing layer there is a further layer with chemically reactive groups for binding the receptor or the ligand to the metal alloy layer.
14. Multisensorsystem bestehend aus mehreren opti¬ schen Sensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren (47) in Strahlrichtung ne¬ beneinander angeordnet sind. 14. Multi-sensor system consisting of several optical sensors according to one of claims 1 to 13, characterized in that several sensors (47) are arranged side by side in the beam direction.
15. Multisenεorεystem nach Anspruch 14, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die einzelnen Sensoren (47) in einem einzi¬ gen planaren Wellenleiter (57) integriert εind und jedem Senεor eine getrennte stofferkennende15. Multi-sensor system according to claim 14, characterized in that the individual sensors (47) are integrated in a single planar waveguide (57) and each sensor has a separate substance-detecting end
Schicht (56) zugeordnet ist.Layer (56) is assigned.
16. Vorrichtung zum Betreiben eines optischen Sen¬ sors nach einem vorhergehenden Ansprüche, bein- haltend16. Device for operating an optical sensor according to one of the preceding claims, including
ein erstes optisches Interface (46) , mit dessen Hilfe das Licht über die erste Fläche (9) des Sensors (47) unter einem definierten Winkel mit einer definierten Winkelverteilung in den Licht¬ leiter ein- und/oder auskoppelbar ist unda first optical interface (46), with the aid of which the light can be coupled into and / or out of the light guide via the first surface (9) of the sensor (47) at a defined angle with a defined angle distribution, and
ein optischeε Meßεystem, enthaltend eine erste, monochromatische Lichtquelle (44) mit einer Emissionswellenlänge im Bereich desan optical measuring system containing a first, monochromatic light source (44) with an emission wavelength in the range of
Abεorptionεεpektrums der Oberflächenplasmawellen und eine die optische Leistung des ausgekoppeltenAbsorption spectrum of the surface plasma waves and the optical power of the output
Lichtes der ersten Lichtquelle (44) beεtimmende, daraus ein ersteε Signal generierende und unterDetermining light from the first light source (44), generating a first signal therefrom and under
Verwendung des ersten Signals die Ausgangsmeß- größe ermittelnde optische Detektoranordnung (49, 51, 52, 55) .Using the first signal, the output measurement variable-determining optical detector arrangement (49, 51, 52, 55).
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein zweiteε optisches Interface, mit dessen Hilfe das eingekoppelte Licht über die zweite Fläche (10) auskoppelbar iεt, vorhanden iεt. 17. The apparatus as claimed in claim 16, characterized in that a second optical interface, with the aid of which the coupled light can be coupled out via the second surface (10), is present.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Interfaces mindestenε eine Blende (26, 30, 41) auε nicht tranεparentem Ma- terial beinhalten und im optischen Strahlengang vor der ersten Fläche (9) und/oder nach der zweiten Fläche (10) angeordnet sind.18. The apparatus according to claim 16 or 17, characterized in that the optical interfaces contain at least one aperture (26, 30, 41) made of non-transparent material and in the optical beam path in front of the first surface (9) and / or after the second Surface (10) are arranged.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekenn- zeichnet, daß die mindestens eine Blende (26) an die Geo¬ metrie der ersten und/oder zweiten Fläche (9, 10) angepaßt ist.19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the at least one aperture (26) is adapted to the geometry of the first and / or second surface (9, 10).
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Blende (30, 41) an die Geometrie der ersten und/oder zweiten Fläche (9, 10) angepaßte Aussparungen aufweist.20. The apparatus according to claim 18 or 19, characterized in that the at least one aperture (30, 41) to the geometry of the first and / or second surface (9, 10) has recesses.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Interface weiterhin mindeεtenε eine optische Linse (29, 37, 39) oder ein opti- sches Linsenεystem beinhaltet und die mindestens eine Linse oder das Linsenεystem im Strahlengang zwischen Lichtquelle und der mindestens einen Blende und/oder zwischen Blende und Sensor und/oder zwischen Blende und optischem Meßsystem angeordnet sind. 21. Device according to one of claims 18 to 20, characterized in that the optical interface further includes at least one optical lens (29, 37, 39) or an optical lens system and the at least one lens or the lens system in the beam path between the light source and the at least one diaphragm and / or between diaphragm and sensor and / or between diaphragm and optical measuring system are arranged.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 zum Betreiben eines Multisenεorsystems nach ei¬ nem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß für jeden Sensor (47) ein ersteε optisches22. Device according to one of claims 16 to 21 for operating a multi-sensor system according to one of claims 14 or 15, characterized in that a first optical element for each sensor (47)
Interface (46) vorhanden ist und daß das optische Meßsyεtem weiterhin einen Strahlteiler (54) zur Aufteilung deε einzukop¬ pelnden Lichteε auf die einzelnen erεten opti- sehen Interfaces (46) enthält, wobei mit Hilfe der optischen Detektoranordnung (55) für jeden Sensor (47) unabhängig je eine Ausgangsmeßgröße ermittelbar ist.Interface (46) is present and that the optical measuring system also contains a beam splitter (54) for distributing the light to be coupled into the individual first optical interfaces (46), with the aid of the optical detector arrangement (55) for each sensor ( 47) an output measurement variable can be determined independently.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Meßsystem weiterhin eine zweite, mono- oder polychromatische Lichtquelle (45) mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlän- genspektrum außerhalb des Bereichs des Absorp¬ tionsspektrums der Oberflächenplasmawellen, de¬ ren Licht den selben optischen Lichtweg wie das Licht der ersten Lichtquelle durchläuft, und23. Device according to one of claims 16 to 22, characterized in that the optical measuring system further comprises a second, mono- or polychromatic light source (45) with a wavelength or a wavelength spectrum outside the range of the absorption spectrum of the surface plasma waves, de¬ light passes through the same optical light path as the light from the first light source, and
eine Vorrichtung (48) zum Mischen des Lichtes der ersten mit dem Licht der zweiten Lichtquelle enthält,a device (48) for mixing the light of the first with the light of the second light source,
wobei die optische Detektoranordnung (49, 51, 52, 55) zusätzlich die optische Leistung des ausgekoppelten Lichteε der zweiten Lichtquelle (45) bestimmt, daraus ein zweites Signal gene¬ riert und unter Verwendung des ersten und des zweiten Signals die Ausgangsmeßgröße ermittelt. wherein the optical detector arrangement (49, 51, 52, 55) additionally determines the optical power of the decoupled light from the second light source (45), generates a second signal therefrom and determines the output measurement variable using the first and the second signal.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das optische Meßsystem für jeden Sensor (47) einen abwechselnd zuerst die optiεche Leistung des ausgekoppelten Lichtes der ersten Lichtquel¬ le (44) bestimmenden und daraus das erste Signal generierenden und anschließend die optische Lei¬ stung des ausgekoppelten Lichtes der zweiten Lichtquelle (45) bestimmenden und daraus daε zweite Signal generierenden optischen Detektor24. The apparatus according to claim 23, characterized gekenn¬ characterized in that the optical measuring system for each sensor (47) alternately first determine the optical power of the outcoupled light of the first Lichtquel¬ le (44) and from it generate the first signal and then the optical Power of the decoupled light from the second light source (45) determining optical signal and generating the second signal therefrom
(49, 55) beinhaltet.(49, 55).
25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das optische Meßsystem für jeden Sensor (47) einen die optische Leistung des auεgekoppelten Lichteε der mit einer ersten Frequenz modulier¬ ten ersten Lichtquelle (44) bestimmenden und daraus mit Hilfe eines ersten Demodulators das erste Signal generierenden und die optische Leistung des ausgekoppelten Lichtes der mit einer zweiten Frequnez modulierten zwei¬ ten Lichtquelle (45) bestimmenden und mit Hilfe eines zweiten Demodulators das zweite Signal generierenden optischen Detektor (49, 55) bein¬ haltet.25. The apparatus according to claim 23, characterized gekenn¬ characterized in that the optical measuring system for each sensor (47) one of the optical power of the decoupled light of the first frequency modulated with a first frequency (44) determining and therefrom with the aid of a first demodulator contains the first signal generating and the optical power of the outcoupled light of the second light source (45) modulated with a second frequency and with the aid of a second demodulator the second signal generating optical detector (49, 55).
26. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das optische Meßsystem für jeden Sensor zwei optische Detektoren (51, 52) beinhaltet, wobei der erste optische Detektor (51) unabhängig vom zweiten Detektor (52) die optische Leistung des ausgekoppelten Lichteε der ersten Lichtquelle (44) bestimmt und das erste Signal generiert und der zweite optische Detektor (52) unabhängig vom ersten Detektor (51) die optiεche Leiεtung des auεgekoppelten Lichtes der zweiten Lichtquelle (45) bestimmt und darauε daε zweite Signal gene- riert.26. The apparatus according to claim 23, characterized gekenn¬ characterized in that the optical measuring system for each sensor includes two optical detectors (51, 52), the first optical detector (51) independently of the second detector (52), the optical power of the decoupled light the first light source (44) is determined and the first signal is generated and the second optical detector (52) independently of the first detector (51) determines the optical power of the outcoupled light from the second light source (45) and the second signal is generated therefrom.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß vor dem (den) erεten Detektor(en) ein wel- lenlängenselektives Bauteil angebracht ist, wel¬ ches nur für daε auεgekoppelte Licht der erεten Lichtquelle (44) durchlässig ist und vor dem (den) zweiten Detektor (en) ein wellenlängense- lektives Bauteil angebracht ist, welches nur für das ausgekoppelte Licht der zweiten Lichtquelle27. The apparatus according to claim 26, characterized in that a wavelength-selective component is attached in front of the first detector (s), which component is only permeable for the light coupled out of the first light source (44) and in front of the A wavelength-selective component is attached to the second detector (s), which is only used for the outcoupled light of the second light source
(45) durchlässig ist.(45) is permeable.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Sensor (47) mindestens ein, sich im28. Device according to one of claims 16 to 27, characterized in that each sensor (47) at least one, in
Lichtweg zwischen Sensor (47) und optischer De¬ tektoranordnung angeordneter Strahlteiler (50, 53) der StrahlaufWeitung 1 auf 2 zugeordnet ist. The light path between the sensor (47) and the optical detector arrangement of the beam splitter (50, 53) is assigned to the beam expansion 1 to 2.
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