WO1998022799A2 - Messvorrichtung und deren verwendung - Google Patents

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WO1998022799A2
WO1998022799A2 PCT/EP1997/006443 EP9706443W WO9822799A2 WO 1998022799 A2 WO1998022799 A2 WO 1998022799A2 EP 9706443 W EP9706443 W EP 9706443W WO 9822799 A2 WO9822799 A2 WO 9822799A2
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Michael Pawlak
Gert Ludwig Duveneck
Peter Oroszlan
Andreas Helg
Alfredo Emilio Bruno
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Definitions

  • the invention relates to a device consisting of an optical waveguide, which has at least one diffractive element for coupling excitation radiation into the wave-guiding layer, and on the wave-guiding layer of which there is a second sealing layer made of a material which is at least on the support surface in the
  • the area of the guided excitation radiation at least in the penetration depth of the evanescent field is transparent both for the excitation radiation and for the evanescently excited radiation, and which has at least in a partial area of the guided excitation radiation a recess for an analysis sample, the depth of which corresponds at least to the penetration depth of the evanescent field , and wherein the diffractive element in the coupling area of the excitation radiation is completely covered by the material of the second layer.
  • the invention further relates to a method for the detection of evanescently luminescent excitable molecules in an analyte sample using the device.
  • planar waveguides for generating and detecting evanescently excited radiation have recently been developed.
  • a luminescence for example fluorescence
  • the evanescently excited radiation emerging isotropically into the room is determined by means of suitable measuring devices such as photodiodes, photomultipliers or CCD cameras.
  • suitable measuring devices such as photodiodes, photomultipliers or CCD cameras.
  • This method is disclosed for example in WO 95/33197. It is also possible to couple out and measure the portion of the evanescently excited radiation that is fed back into the waveguide via a diffractive optical element, for example a grating. This method is described for example in WO 95/33198.
  • biochemical detection elements are used either directly or via an adhesion-promoting layer immobilized on the waveguide surface.
  • the sample is dissolved in solution, either in stop and flow or in flow, brought into contact with the detection elements immobilized on the waveguide surface.
  • background luminescence or fluorescence in the depth of the sample can be excited by excitation of unbound luminescent or fluorescent molecules by means of the portion of the excitation light that is not coupled into the waveguide, but enters the solution as a zero order, without diffraction partially couple the coupling grating into the waveguide and can impair the accuracy and sensitivity of the determination of the analyte.
  • WO 97/01087 describes a counterflow cell in which a sample-free barrier volume is achieved in the area of coupling elements of optical waveguides by means of a transparent reference liquid guided in countercurrent to the analyte sample and not specifically acting with the detection elements, in order to ensure constant conditions in the To ensure coupling area of the excitation radiation.
  • this embodiment which has been improved especially for the measurement of evanescently excited radiation, is technically relatively complex, in particular hardly usable for stop / flow applications, and is therefore unsuitable for routine use in, for example, diagnostic devices in the sense of easy handling.
  • GEL 26 elements on the waveguide surface.
  • a dye solution in the absorption-dependent measurement or liquids with different refractive indices in the refractive index-dependent measurement adsorption phenomena on the surface are not taken into account.
  • the expected changes in the effective refractive index for a mode guided in the waveguide even when a monolayer of molecules is adsorbed, are negligible compared to the strong changes in the refractive index of the supplied solutions, in contrast to the expected disturbances in the very much more sensitive method of determining the luminescence generated in the evanescent field.
  • the sample contact with the coupling elements is of course even necessary to generate the measurement signal. Because of this configuration, with the coupling and decoupling element located within the sample flow channel, the sample cell only has the task of sealing against liquid leakage, without any further demands on the optical properties of the material.
  • the coupling element Due to the fact that the recess follows the coupling element with respect to the direction of propagation of excitation radiation and that the diffractive element (coupling element) is covered by a layer forming the recess, the coupling element has constant coupling conditions for the excitation radiation.
  • jumps in the refractive index in the area of penetration of excitation radiation into the material adjacent to the waveguide are largely minimized.
  • a largely interference-free guidance of the excitation radiation and evanescently excited and fed-back radiation is achieved in the waveguide, which leads to a high signal yield and, for example, also provides usable analysis results in routine use even under examination conditions that are often not quite optimal.
  • the rounding also suppresses disruptive refractive index jumps.
  • a first subject of the invention is a device comprising a planar optical waveguide, consisting of a transparent support (40) and a waveguiding layer (41), the waveguide at least via a diffractive element (42) for coupling excitation radiation into the waveguiding Layer, and on the waveguiding layer there is a further sealing layer (43) made of a material that is transparent to the excitation radiation as well as to the evanescently excited radiation, at least on the support surface at least in the penetration depth of the evanescent field, and that at least in a partial area of the guided excitation radiation has an upwardly open recess (45) or an upwardly closed recess (6) connected via an inflow channel (2) and outflow channel (3) for an analysis sample, the depth of which is at least the penetration depth of the evanescent field corresponds and and that diffractive element (42) is completely covered by the material of the layer (43) at least in the coupling region of the excitation radiation.
  • Optical waveguides with one or two diffractive elements for coupling in the excitation radiation and coupling out the luminescent radiation and their dimensioning for determinations of analyte molecules according to the fluorescence method are known and are described, for example, in WO 95/33197 and WO 95/33198.
  • Diffractive elements include Decoupling elements understood for light radiation. Lattices are often used, which can be manufactured in different ways. For example, such gratings can be arranged in the transparent support or the waveguiding layer and during the shaping process or afterwards. It is also possible to generate such grids using ablative methods (laser radiation). Other manufacturing processes are holographic recordings or ion storage by ion bombardment.
  • the layer (43) forming a recess is transparent at least on the support surface for electromagnetic radiation in the region of the excitation wavelength and the luminescence wavelength. It can be an inorganic material such as glass or quartz or transparent organic polymers (organic glasses) such as polyester, polycarbonates, polyacrylates, polymethacrylates or photopolymers.
  • the layer (43) is preferably formed by an elastomer. Elastomers of polysiloxanes, such as polydimethylsiloxanes, which are soft and supple and often self-adhesive materials, are particularly suitable.
  • the materials for the layer (43) are known and some of them are commercially available.
  • the layer (43) with at least one recess can be produced by means of customary shaping processes, for example casting and pressing processes, or by means of grinding, stamping and milling processes from appropriately preformed semifinished products.
  • the layer (43) can also consist of photopolymerizable substances which can be applied directly to the waveguiding layer by means of photolithographic methods.
  • the layer (43) is preferably produced as a separate body and brought into tight sealing contact on the waveguide, on the surface of which, possibly on an additional thin (i.e. ⁇ 100 nm) adhesion-promoting layer, immobilized detection elements can be placed.
  • the layer (43) can consist of a single material which is transparent and luminescence-free at least at the excitation wavelength and the luminescence wavelength of the analyte or can also be in the form of a two-layer layer, the first of which, which is brought into contact with the waveguide surface, at the excitation wavelength and luminescence wavelength of the Analyte must be transparent and luminescence-free, while the
  • the thickness of the first layer in contact with the waveguide surface comprises at least the penetration depth (44) of the evanescent field, ie at least about 0.5 ⁇ m.
  • This first layer is preferably 0.5 ⁇ m to 10 mm, more preferably 0.01 mm to 10 mm thick.
  • the depth of the recesses can at least correspond to the penetration depth of the evanescent field, that is to say approximately 0.5 ⁇ m.
  • the depth is preferably 0.5 ⁇ m to 10 mm, more preferably 0.01 to 10 mm, more preferably 0.05 to 5 mm, and particularly preferably 0.05 to 2 mm.
  • jumps in refractive index between the wave-guiding layer (41) and the layer 43 are avoided. This can be done by rounding the boundary of the recess on the support perpendicular to the waveguiding layer. Rounded transition perpendicular to the surface of the waveguide, at the boundaries of the cutouts, means that a right angle is avoided.
  • the curve can be part of a circular, parabolic or hyperbolic course.
  • the rounding is formed automatically by pressing on the waveguide. The rounding can also be preformed by the shaping process.
  • Jumps in refractive index can also be avoided if the recess is continuously tapered in the direction of the propagation of the excitation light. Another possibility is to choose the material of the layer (43) with a refractive index close to or equal to the refractive index of the analyte sample.
  • the evanescently excited radiation emerging isotropically into the room can be determined by means of suitable measuring devices.
  • the device according to the invention can also contain a second diffractive element in the waveguide for coupling out evanescently excited radiation that is fed back into the waveguide.
  • This diffractive element is also advantageously completely covered by the material of the layer (43), at least in the coupling-out area, and the transition of the layer (43) perpendicular to the waveguide surface is advantageously rounded in this case too, at least in the direction of this diffractive element.
  • a multiplication of the cutouts is provided, so that more than one, for example 2 to 100 and more, preferably 4 to 100 cutouts are provided, which can be arranged along or across the propagation of the excitation radiation.
  • cutouts can be arranged in a row one behind the other transversely to the propagation of the excitation radiation; in this case 2 to 10 and particularly preferably 2 to 5 recesses are preferably provided.
  • Another possibility is that several individual diffractive elements are provided in a row or a long diffractive element, and the cutouts are arranged parallel (that is, lengthways) to the direction of propagation of the excitation light. In this case there may be 100 or more cutouts.
  • light-absorbing materials for example dyes, pigments, carbon black, metal oxides or metals, in order to suppress scattered radiation along the cutouts.
  • These materials can be provided in additional recesses provided for this purpose along the direction of propagation of the excitation light, or they can be applied flatly along the direction of propagation of the excitation light on the surface of the waveguiding layer. Flat configurations are expedient, which can be easily produced by means of coating or vapor deposition processes.
  • the absorbent materials can also be applied over the diffractive elements while keeping the coupling area free.
  • the device can, for example, be designed so that between the flow cell (1, 26, 30, 35, 38) and the waveguide (7) on both sides of the or each recess (6) in the spectral range of excitation radiation (18) and evanescently excited radiation ( 21) absorbent damping material is provided, or that the damping material (27) is applied as a surface immersion, or that damping recesses (33) are provided which can be filled with damping material.
  • Devices with recesses open at the top can be designed in the same way.
  • the device according to the invention can be in different embodiments, a distinction being made between embodiments with an open recess (embodiment A) and a closed recess (embodiment B, flow cells).
  • the open recesses can have any shape per se; for example, they can be square, rectangular, round or ellipsoid.
  • the design of devices according to the invention can, for example, correspond to the shape of known microtiter plates.
  • the geometrical arrangement of the recesses is in itself arbitrary, with row arrangements being preferred.
  • embodiment A can also be used analogously.
  • a device for generating evanescently excited radiation, which has at least one decoupling element for decoupling evanescently excited radiation from the waveguide, it is expedient that the flow cell also covers the or each decoupling element.
  • the recess is arranged completely between the or each coupling element and the or each coupling element, so that both the or each coupling element and the or each coupling element is free of sample material. This has the advantage that both coupling and decoupling of excitation radiation or evanescently excited radiation have constant coupling conditions that are unaffected by the sample material.
  • recesses are provided, which are arranged along or across the direction of propagation of excitation radiation.
  • absorbent material between the recesses in the penetration region of excitation radiation and evanescently excited radiation in the spectral range of these radiations, for example from the ultraviolet to infrared spectral range, in order to prevent overcoupling of radiation components between the recesses .
  • This can be done, for example, by an absorbent layer that is applied between the soot cell and the waveguide.
  • damping recesses which can be filled with a radiation-absorbing liquid and are opened to the same surface side as the recesses are introduced into the flow cell between a plurality of recesses which are oriented parallel to the direction of propagation by the excitation radiation.
  • the flow cell For use in routine analysis, it is furthermore expedient for the flow cell to be made of a flexible material that tightly closes the at least one recess when it is applied to the waveguide. As a result, it is possible to conduct sample material through the flow cell without leakage by placing a flow cell on the waveguide without additional aids.
  • FIG. 1 is a perspective view of a device for generating evanescently excited radiation with a flow cell attached to a layer waveguide
  • FIG. 2 shows the device according to FIG. 1 in plan view
  • Fig. 3 shows the device according to Fig. 1 with the course of the refractive index in
  • FIG. 4 shows a modified arrangement of the outlet duct compared to FIG. 2,
  • FIG. 5 shows a device for generating evanescently excited radiation with a flow cell arranged on a layer waveguide, each with three sample channels and intermediate recesses, and with an attenuation layer applied to the layer waveguide,
  • FIG. 6 shows the device according to FIG. 7 in plan view
  • SPARE BLADE (RULE 26) 7 shows a device for generating evanescently excited radiation with a flow cell applied to a waveguide, each with three sample channels and three intermediate recesses and with damping channel arrangements provided between two recesses,
  • Fig. 10 shows a device with a recess open at the top
  • FIG. 1 shows a perspective view of a soot cell 1 made of a flexible material.
  • the soot cell 1 shown in FIG. 1 is made of an elastic, flexible polymer material which is transparent to electromagnetic radiation at least in the visible and near infrared spectral range.
  • a polydimethylsiloxane such as Sylgard 182 or Sylgard 184 (Dow Coming) or from the RTVE series (room temperature-crosslinkable elastomers, Wacker Chemitronic) is preferably provided as the polymer material.
  • RTVE series room temperature-crosslinkable elastomers, Wacker Chemitronic
  • the flow cell 1 has an inlet channel 2 as the first sample channel and an outlet channel 3 as the second sample channel for the inlet or outlet of sample liquid, these functions being interchangeable.
  • the inlet channel 2 and the outlet channel 3 extend between a cover surface 4 and a recess 6, which is made in a support surface 5 opposite the cover surface 4, as a giant channel.
  • the recess 6 is open on its side facing the support surface 5 and extends between the inlet channel 2 and the outlet channel 3.
  • the soot cell 1 is attached to a waveguide 7, for example made of TiO 2 or Ta 2 O 5, in a self-adhesive manner.
  • the soot cell 1 is attached to the waveguide with an adhesive such as, for example, a transparent adhesive.
  • an adhesive such as, for example, a transparent adhesive.
  • ATZBLA ⁇ RULE 26 it flexibly adapts to the surface structure of the waveguide 7 and thus leads to a seal without additional sealing elements being necessary.
  • the relatively thin waveguide 7 is applied to a mechanically stable substrate 8, for example made of glass or a polycarbonate, and is firmly connected to it.
  • a mechanically stable substrate 8 for example made of glass or a polycarbonate
  • the flow cell 1, the waveguide 7 and the substrate 8 form a cuboid-shaped body with flush lateral boundary surfaces.
  • other geometries such as, for example, ellipsoids, regular or irregular polygons also with a trapezoidal cross section are provided.
  • a coupling grating 10 is introduced as a dispersive coupling element transversely to the orientation of the recess 6 between an end face 9 adjacent to the inlet duct 2 and the inlet duct 2, said coupling grating essentially extending between the two side surfaces running parallel to the recess 6 11, 12 of an analysis unit 13 formed by the flow cell 1, the layer waveguide 7 and the substrate 8.
  • a coupling-out grating 15 is introduced into the layer waveguide 7 parallel to the coupling-in grating 10 between the outlet channel 3 and an outlet-side end face 14 as a dispersive coupling-out element.
  • a plurality of coupling-in gratings and / or coupling-out gratings are provided, which serve as coupling-in elements or coupling-out elements.
  • Decoupling elements are unnecessary when detecting isotropically scattered portions of evanescently excited radiation.
  • FIG. 2 shows a top view of the top surface 4 of the flow cell 1. From FIG. 2 it can be seen that the recess 6 extends with an edge distance between the coupling grid 10 and the coupling grid 15, so that both the coupling grid 10 and the coupling grid 15 is free of a sample liquid flowing through the inlet channel 2, the recess 6 and the outlet channel 3.
  • Both the inlet channel 2 and the outlet channel 3 have a round or a polygonal cross section, not shown, and open into the recess 6 in an inlet opening 16 as the first sample passage opening or in an outlet opening 17 as the second sample passage opening illustrated embodiment are the input
  • Inlet opening 16 and the outlet opening 17 are arranged directly at the ends of the recess 6 facing the coupling grid 10 and the coupling grid 15, the inlet duct 2 and the outlet duct 3 being introduced into the flow cell 1 at right angles to the recess 6.
  • the inlet duct 2 and the outlet duct 3 are arranged at an oblique angle to the recess 6 in order to reduce the flow resistance in the region of the inlet opening 16 and the outlet opening 17 compared to a rectangular arrangement.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a device in the area of the coupling-in grating 10 with excitation radiation 18 from a light source not shown in FIG. 5 for generating evanescently excited radiation with the flow cell 1, the layer waveguide 7 applied to a substrate 8 and with a through the sample liquid 19 flowing through the inlet channel 2, the recess 6 and the outlet channel 3.
  • the sample liquid 19 contains, for example, symbolically represented luminescent molecules 20 to be analyzed.
  • the excitation radiation 18 impinging on the coupling-in grating 10 is coupled into the waveguide 7 by diffraction and propagates as a guided wave in the direction of the coupling-out grating 15.
  • the luminescent molecules 20 contained in the sample liquid 19 are replaced by the so-called evanescent component of the excitation radiation 18, that is to say the exponentially decaying radiation component entering the material adjacent to the waveguide 7. stimulated to luminescence.
  • the excitation radiation 18 guided in the waveguide 7 reaches the area of the recess 6 in which molecules 20 can be excited in the evanescently decaying radiation part Luminescence radiation as evanescently excited radiation 21 is partially coupled back into the waveguide 7. Due to the transparency of the region of the flow cell 1 adjoining the waveguide 7, both the transmitted excitation radiation 18 and the evanescent excited radiation 21 coupled into the waveguide 7 are guided to the coupling-out grating 15.
  • the excitation radiation 18 is spatially separated from the radiation 21, which is generally frequency-shifted and evanescently excited.
  • a detection device is provided in the propagation clearing of the evanescently excited radiation 21.
  • BLOCK BLADE (RULE 26) Unit 22 is provided, with which, for example, the intensity and its spectral distribution can be analyzed.
  • FIG. 3 shows the refractive index denoted by “n”, plotted on the ordinate 23, depending on the position in the longitudinal direction in the penetration region of the evanescently excited radiation 21, denoted by “X”, which is marked on the abscissa 24.
  • the different areas in the longitudinal direction with respect to the flow cell 1 are indicated with dashed lines on the abscissa 24.
  • n 1.0 in air.
  • n 1.33.
  • FIG. 5 shows a simultaneous analysis unit 25 which, in addition to the waveguide 7 with coupling-in grating 10 and coupling-out grating 15 applied to the substrate 8, has a soot cell 26, each with three inlet channels 2, outlet channels 3 and extending between an inlet channel 2 and an outlet channel 3 Recesses 6 is provided.
  • the waveguide 7 is structured in a strip shape such that a strip of the layer waveguide 7 is opposite a recess 6.
  • a damping layer 27 which absorbs in the spectral range of excitation radiation 18 and evanescently excited radiation 21 is applied to the waveguide 7 on both sides of each recess 6, in order to prevent overcoupling, in particular, of evanescently excited radiation 21 from a recess 6 to the two other recesses 6 would falsify the measurement results.
  • the damping layer 27 delimiting each recess 6 on the longitudinal side results in a strong absorption of radiation components emerging from the region of the recesses 6. This makes it possible to examine different sample liquids 19 in the three recesses 6 at the same time, since even when decoupled by the decoupling grating 15, the respective evanescently excited radiations 21 are spatially separated transversely to the direction of propagation.
  • FIG. 6 shows a plan view of the waveguide 7 of the simultaneous analysis unit 25 according to FIG. 5.
  • the damping layer 27 which extends between the coupling grating 10 and the coupling grating 15 essentially over the full width of the waveguide 7 is parallel to the respective
  • ATZBLA ⁇ (RULE 26) Side surfaces 11, 12 aligned guide areas 28 interrupted with a rectangular base.
  • the dimensions of the guide areas 28 correspond to the dimensions of the side facing the layer waveguide 7 of the recesses 6 made in the flow cell 26 according to FIG. 7.
  • excitation radiation 18 coupled into the waveguide 7 via the coupling grating 10 becomes longitudinal in the guide areas 28 to the coupling-out grating 15 performed without any significant crosstalk between the guide areas 28 and thus the sample liquids 19 flowing in the recesses can take place.
  • the damping layer 27 extends beyond the coupling-in grating 10 and the coupling-out grating 15, the guide regions 28 likewise being extended to the coupling-in grating 10 and the coupling-out grating 15.
  • FIG. 7 shows a perspective illustration of a further exemplary embodiment of a simultaneous analysis unit 29, the structure of which corresponds to that of the simultaneous analysis unit 25 except for the measures for preventing crosstalk.
  • the simultaneous analysis unit 29 has a flow cell 30, which between the three inlet channels 2, outlet channels 3 and recesses 6 each has a damping inlet channel 31, a damping outlet channel 32 and, in the illustration according to Rg. 9, is covered by the recesses 6 and the damping is open to the layer waveguide 7 - Has recess.
  • the simultaneous analysis unit 29 has a flow cell 30, which between the three inlet channels 2, outlet channels 3 and recesses 6 each has a damping inlet channel 31, a damping outlet channel 32 and, in the illustration according to Rg. 9, is covered by the recesses 6 and the damping is open to the layer waveguide 7 - Has recess.
  • a damping means shown in blackened form, is filled into the damping inlet channels 31, damping outlet channels 32 and the damping recess, for example with a liquid which absorbs dye in the spectral range of excitation radiation 18 and evanescently excited radiation 21.
  • the damping recesses 33 are extended into the area of the coupling-in grille 10 and the coupling-out grating 15 with a corresponding offset of the damping inlet channels 31 and damping outlet channels 32, so that, particularly in the area of the coupling-out grille 15, there is no overlap in the area evanescently excited radiation 21 generated by different recesses 6 can take place.
  • FIG. 8 shows a further simultaneous analysis unit 34 with a flow cell 35 in a top view of a section placed parallel to a waveguide 7.
  • the flow cell 35 has a number of recesses 36, which are expediently spaced aquidistantly between the coupling-in grating 10 and the coupling-out grating 15 and aligned transversely to the direction of propagation of excitation radiation 18 coupled in via the coupling-in grating 10.
  • different sample liquids 19 introduced into the recesses 36 can likewise be examined simultaneously via the evanescently excited radiation 21, a defined superimposition of the different radiation components of the evanescently excited radiation 21 being brought about here.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a simultaneous analysis unit 37 in a section through a flow cell 38 in plan view of a section placed parallel to the layer waveguide 7.
  • the flow cell 38 has a number of recesses 39 which are aligned parallel between the side surfaces 11, 12, but each only extend over a fraction of the distance between the coupling grid 10 and the coupling grid 15.
  • the length of each recess 39 is approximately one fifth of the distance between the coupling-in grating 10 and the coupling-out grating 15.
  • the recesses 39 are each in three transverse to the direction of propagation of excitation radiation coupled into the layer waveguide 7 via the coupling-in grating 10 18 extending groups are arranged, wherein the recesses 39 of the edge groups adjacent to the coupling-in grid 10 and the coupling-out grid 15 are aligned and the recesses 39 of the middle group are arranged transversely offset to this in gap areas of the edge groups.
  • the simultaneous analysis unit 37 shown in FIG. 9 is particularly suitable for examining a large number of sample liquids 19 with interaction paths that are already relatively short to detect sufficiently intense evanescently excited radiation 21.
  • a round and upwardly open recess is provided in the layer (43), which can be filled with the analyte sample.
  • ATZBLA ⁇ (RULE 26) to provide an optical collection device of radiation 21 emitted in the free space, evanescently excited, the radiation evanescently excited in the region of each of the recesses 36, 39 being individually analyzable.
  • the flow cells 26, 30, 35, 38 shown in FIGS. 5 and 6, 7 and 8 and 9 are also preferably made of the material of the soot cell 1 shown in FIG. 1 and discussed there .
  • the different geometries and arrangements of the recesses 6, 36, 39 can be produced in a particularly simple manner, so that even relatively complicated geometries or orientations are economical when used once are.
  • the marker molecules required for detection in a device for producing evanescently excited radiation 21 with a soot cell 1, 26, 30, 35, 38 before use in some applications to apply specific reactions or recognition elements for specific binding of analytes to be detected later to the waveguide 7.
  • These marker molecules are protected by the soot cell 1, 26, 30, 35, 38 above them.
  • all flow cells 1, 26, 30, 35, 38 are made of an almost fluorescence-free material in order to overlap fluorescence radiation excited in the flow cells 1, 26, 30, 35, 38 with evanescence in the sample liquid 19 for analysis Avoid radiation 21 to any significant extent. It is furthermore expedient that the flow cells 1, 26, 30, 35, 38 are radiation-absorbing, for example on the end faces 9, 14, the side surfaces 11, 12 and the top surface 4, in order to prevent coupling-in of ambient radiation into the layer waveguide 7.
  • soot cells 1, 26, 30, 35, 38 with the exception of a penetration area directly adjacent to the layer waveguide 7, for the evanescent portion of the excitation radiation 18 and the evanescent excited radiation 21 during manufacture in the interior area with a is provided over the spectral range absorbing dye.
  • the device according to the invention can be produced by joining the planar waveguide and the preformed layer (43), if necessary with an adhesion promoter.
  • the wave-guiding layer Before the assembly, the wave-guiding layer can be immobilized with a target molecule to be determined, and / or light-absorbing layers can be applied to the wave-guiding or the preformed layer.
  • Another manufacturing method is to produce the layer (43) directly on the waveguiding layer, for example with photosensitive resins and photolithographic processes.
  • the devices according to the invention are suitable for determining target molecules via an interaction which generates luminescence in the analyte sample, as is customary, for example, in affinity sensors.
  • the method is carried out in a manner known per se in such a way that the recesses are filled with an analyte sample, then coupling excitation radiation and then measuring the luminescence generated, for example fluorescence radiation.
  • devices according to the invention immobilized with a target molecule to be determined can optionally be stored under a neutral liquid or the analyte liquid for the production of luminescence for a longer period of time and the measurements can then be carried out later with further collected samples in one operation.
  • Laser light is expediently used as excitation radiation.
  • the invention also relates to the use of the device according to the invention for the determination of target molecules by the luminescence method, in particular in affinity sensors.
  • Another object of the invention is a method for the determination of target molecules according to the luminescence method in an analyte sample, in which the analyte sample is placed in the recess of a device according to the invention, then exposed to excitation radiation, and then the luminescence produced is determined.

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Abstract

Vorrichtung aus einem planaren optischen Wellenleiter, bestehend aus einem transparenten Träger (40) und einer wellenleitenden Schicht (41), wobei der Wellenleiter wenigstens über ein diffraktives Element (42) zur Einkopplung von Anregungsstrahlung in die wellenleitende Schicht verfügt, und auf dessen wellenleitender Schicht sich eine weitere dicht verschliessende Schicht (43) aus einem Material befindet, das wenigstens an der Auflageoberfläche mindestens in der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes sowohl für die Anregungsstrahlung als auch für die evaneszent angeregte Strahlung transparent ist, und das wenigstens in einem Teilbereich der geführten Anregungsstrahlung eine nach oben offene Aussparung (45), oder über einen Zuflusskanal (2) und Abflusskanal (3) verbundene, nach oben geschlossene Aussparung (6) für eine Analysenprobe aufweist, deren Tiefe wenigsten der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes entspricht, und wobei das diffraktive Element (42) vom Material der Schicht (43) wenigstens im Einkoppelbereich der Anregungsstrahlung vollständig bedeckt ist.

Description

Messvorrichtunq und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, bestehend aus einem optischen Wellenleiter, der wenigstens über ein diffraktives Element zur Einkopplung von Anregungsstrahlung in die wellenieitende Schicht verfügt, und auf dessen wellenleitender Schicht sich eine zweite dicht verschliessende Schicht aus einem Material befindet, das wenigstens an der Auflageoberfläche im Bereich der geführten Anregungsstrahlung mindestens in der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes sowohl für die Anregungsstrahlung als auch für die evaneszent angeregte Strahlung transparent ist, und das wenigstens in einem Teilbereich der geführten Anregungsstrahlung eine Aussparung für eine Analyseprobe aufweist, deren Tiefe wenigstens der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes entspricht, und wobei das diffraktive Element im Einkoppelbereich der Anregungsstrahlung vom Material der zweiten Schicht vollständig bedeckt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion von evaneszent zur Lumineszens anregbaren Molekülen in einer Analytprobe unter Verwendung der Vorrichtung.
Auf dem Gebiet insbesondere der biochemischen Analytik sind in jüngerer Zeit planare Wellenleiter zur Erzeugung und Detektion evaneszent angeregter Strahlung entwickelt worden. Im evaneszenten Feld wird im Kontakt mit einer Analytprobe eine Lumineszens, zum Beispiel Fluo- reszens, erzeugt, deren Messung eine qualitative oder quantitative Bestimmung von Substanzen auch in sehr niedrigen Konzentrationen erlaubt. Die isotrop in den Raum austretende evaneszent angeregte Strahlung wird mittels geeigneter Messvonichtungen wie Photodioden, Pho- tomultiplier oder CCD-Kameras bestimmt. Diese Methode ist zum Beispiel in der WO 95/33197 offenbart. Es ist auch möglich, den in den Wellenleiter zurück gekoppelten Anteil der evaneszent angeregten Strahlung über ein diffraktives optisches Element, zum Beispiel einem Gitter, auszukoppeln und zu messen. Diese Methode ist zum Beispiel in der WO 95/33198 beschrieben.
In der Affinitätssensorik werden zur spezifischen Erkennung eines Analyten in einer Probe, welche aus einem komplexen Stoffgemisch bestehen kann, und zur Bindung der Analytmole- küle an der Oberfläche des Wellenleiters, im Bereich der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes, biochemische Erkennungselemente entweder direkt oder über eine Haftvermittlungsschicht auf der Wellenleiteroberfläche immobilisiert. Zum Nachweis des Analyten wird die Probe in Lö- sung, entweder im Stop und Fluß oder im Durchfluss, mit den auf der Wellenleiteroberfläche immobilisierten Erkennungselementen in Kontakt gebracht.
Unter Verwendung von Messzellen, in welchen die Probenflüssigkeit in Kontakt mit den diffrak- tiven Einkoppelementen kommt, tritt dabei das Problem auf, dass sich die Bedingungen für die Einkopplung des Anregungslichts durch molekulare Adsorption oder Bindung auf den Einkoppelementen ändern können. Zusätzlich kann durch Anregung von ungebundenen lumineszen- ten oder fluoreszenten Molekülen mittels des Anteils des Anregungslichts, das nicht in den Wellenleiter eingekoppelt wird, sondern als nullte Ordnung ungebeugt in die Lösung eintritt, Untergrundlumineszenz oder -fluoreszenz in der Tiefe der Probe angeregt werden, welche über das Einkoppelgitter teilweise in den Wellenleiter einkoppeln und die Genauigkeit und Empfindlichkeit der Bestimmung des Analyten beeinträchtigen kann.
Eine Abtrennung des Einkoppelements vom Kontaktbereich mit der Probe mittels Materialien, an welche keine besonderen Anforderungen hinsichtlich Transparenz und Brechungsindex gestellt werden, kann zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Lichtleitung, möglicherweise sogar zu ihrer völligen Unterdrückung, im für die Messung relevanten Kontaktbereich mit der Probe führen. Diese Problemstellung wird in der Wo 97/01087 näher beschrieben.
Zur Verminderung dieser Nachteile wird in der WO 97/01087 eine Gegenflusszelle beschrieben, bei der man mittels einer im Gegenstrom zur Analytprobe geführten transparenten und nicht spezifisch mit den Erkennungselementen wirkenden Referenzflüssigkeit im Bereich von Einkoppeielementen optischer Wellenleiter ein probenfreies Sperrvolumen erzielt, um für konstante Verhältnisse im Einkoppelbereich der Anregungsstrahlung zu sorgen. Diese speziell für die Messung evaneszent angeregter Strahlung verbesserte Ausführungsform ist jedoch technisch relativ aufwendig, insbesondere für Stop/Fluss-Anwendung- en kaum einsetzbar und daher im Sinne einer leichten Handhabbarkeit für einen routine- mässigen Einsatz in zum Beispiel diagnostischen Vorrichtungen wenig geeignet.
In Analytical Chemistry, Band 62, Nr. 18 (1990), Seiten 2012-2017 wird eine auf einem optischen Wellenleiter mit Ein- und Auskoppelgitter aufgebrachte Durchflusszelle aus Silicon- Gummi beschrieben. Das Ein- und Auskoppelelement liegen im Bereich des Probenfluss- kanals. Es werden mit dieser Anordnung Veränderungen der Lichtabsorption und des Brechungsindexes gemessen, ohne eine selektive Wechselwirkung mit spezifischen Erken-
GEL 26 nungseiementen an der Wellenleiteroberfläche. Für den Analyten, eine Farbstofflösung bei der absorptionsabhängigen Messung beziehungsweise Flüssigkeiten unterschiedlicher Brechzahlen bei der brechungsindexabhängigen Messung, werden Adsorptionserscheinungen auf der Oberfläche nicht in Betracht gezogen. Bei diesen sehr unempfindlichen Messungen sind tatsächlich die zu erwartenden Änderungen des effektiven Brechungsindex für einen im Wellenleiter geführten Mode, selbst bei Adsorption einer Monolage von Molekülen, vernachlässigbar gegenüber den starken Veränderungen des Brechungsindexes der zugeführten Lösungen, im Gegensatz zu den zu erwartenden Störungen bei der sehr viel empfindlicheren Methode der Bestimmung der im evaneszenten Feld erzeugten Lumineszenz. Im Falle der brechungsindexabhängigen Messmethode auf Grundlage der Änderung des Ein- oder Auskoppelwinkels ist der Probenkontakt mit den Koppelelementen selbstverständlich sogar notwendig zur Erzeugung des Messignals. Aufgrund dieser Konfiguration, mit innerhalb des Probenflusskanals befindlichem Ein- und Auskoppelelement, hat die Probenzelle lediglich die Aufgabe der Abdichtung gegen Flüssigkeitsaustritt, ohne jegliche weitere Ansprüche an optische Eigenschaften des Materials.
Zur Durchführung von Analytbestimmungen, welche auf der Messung der im evaneszenten Feld eines Wellenleiters erzeugten Lumineszenz beruhen, besteht also ein Bedarf an einer Vorrichtung, mit der durch einen planaren optischen Wellenleiter evaneszent angeregte Strahlung mit hoher Konstanz und Messgenauigkeit bestimmt werden kann, und gleichzeitig eine einfache Herstellung der Messvorrichtung und eine einfache Handhabbarkeit erzielt wird.
Es wurde nun überraschend gefunden, dass man a) eine hohe Messgenauigkeit erzielt, b) eine ausgezeichnete Messkonstanz erreicht, c) eine hohe Messempfindlichkeit erzielt, d) eine längere Lagerung der befüllten Vorrichtung mit insbesondere immobilisierten Analyt- moleküien möglich ist, und e) messtechnisch einfach handhabbare Vorrichtungen bereitstellt, wenn die Vorrichtung aus Wellenleiter und Probenaufnahme so gestaltet wird, dass das diffraktive Element zur Einkopplung von Anregungsstrahlung von einer für die Anregungsstrahlung und die evaneszent angeregte Strahlung transparenten Schicht wenigstens im Einkoppelbereich der Anregungsstrahlung vollständig bedeckt ist.
26 Dadurch, dass die Ausnehmung dem Einkoppelelement bezüglich der Ausbreitungsrichtung von Anregungsstrahlung nachgeordnet und dass das diffraktive Element (Einkoppelelement) von einer die Ausnehmung bildenden Schicht bedeckt ist, ergeben sich bei dem Einkoppelelement gleichbleibende Einkoppelbedingungen für die Anregungsstrahlung. Zum anderen sind Brechungsindexsprünge im Eindringbereich von Anregungsstrahlung in die an den Wellenleiter angrenzende Materie weitestgehend minimiert. Man erreicht eine weitgehend störungsfreie Führung der Anregungsstrahlung und evaneszent angeregter und rückgekoppelter Strahlung in dem Wellenleiter, was zu einer hohen Signalausbeute führt und beispielsweise auch unter häufig nicht ganz optimalen Untersuchungsbedingungen im routinemässigen Einsatz noch verwertbare Analyseergebnisse liefert. Mit der Rundung werden ebenfalls störende Brechungsindexsprünge unterdrückt.
Ein erster Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung aus einem planaren optischen Wellenleiter, bestehend aus einem transparenten Träger (40) und einer wellenleitenden Schicht (41), wobei der Wellenleiter wenigstens über ein diffraktives Element (42) zur Ein- kopplung von Anregungsstrahlung in die wellenleitende Schicht verfügt, und auf dessen wellenleitender Schicht sich eine weitere dicht verschliessende Schicht (43) aus einem Material befindet, das wenigstens an der Auflageoberfläche mindestens in der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes sowohl für die Anregungsstrahlung als auch für die evaneszent angeregte Strahlung transparent ist, und das wenigstens in einem Teilbereich der geführten Anregungsstrahlung eine nach oben offene Aussparung (45), oder über einen Zuflusskanal (2) und Abflusskanal (3) verbundene, nach oben geschlossene Aussparung (6) für eine Analysenprobe aufweist, deren Tiefe wenigstens der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes entspricht, und wobei das diffraktive Element (42) vom Material der Schicht (43) wenigstens im Einkoppelbereich der Anregungsstrahlung vollständig bedeckt ist.
Optische Wellenleiter mit einem oder zwei diffraktiven Elementen zur Einkopplung der Anregungsstrahlung und Auskopplung der Lumineszensstrahlung und ihre Dimensionierung für Bestimmungen von Analytmolekülen nach der Fluoreszensmethode sind bekannt und zum Beispiel in der WO 95/33197 und der WO 95/33198 beschrieben. Unter diffraktiven Elementen werden Ein- Bzw. Auskoppelelemente für Lichtstrahlung verstanden. Häufig werden Gitter verwendet, die auf verschiedene Weise hergestellt werden können. Zum Beispiel können solche Gitter in dem transparenten Träger oder der wellenleitende Schicht angeordnet sein und bei der Formgebung oder nachträglich eingeprägt werden. Es ist auch möglich, solche Gitter mittels ablativer Verfahren (Laserbestrahlung) zu erzeugen. Andere Herstellungsverfahren sind holographische Aufzeichnungen oder Einlagerung von Ionen durch lonenbeschuss.
Die eine Aussparung bildende Schicht (43) ist wenigstens an der Auflageoberfläche für elektromagnetische Strahlung im Bereich der Anregungswellenlänge und der Lumineszenzwellenlänge transparent. Es kann sich um ein anorganisches Material wie zum Beispiel Glas oder Quarz oder um transparente organische Polymere (organische Gläser) wie zum Beispiel Polyester, Polycarbonate, Polyacrylate, Polymethacrylate oder Photopolymerisate handeln. Bevorzugt wird die Schicht (43) von einem Elastomer gebildet. Besonders geeignet sind Elastomere von Polysiloxanen, wie zum Polydimethylsiloxane, bei denen es sich um weiche und schmiegsame sowie oft selbsthaftende Materialien handelt. Die Materialien für die Schicht (43) sind bekannt und sind zum Teil im Handel erhältlich.
Die Schicht (43) mit wenigstens einer Aussparung kann mittels üblicher Formgebungsverfahren hergestellt werden, zum Beispiel Giess- und Pressverfahren, oder mittels Schleif-, Stanz- und Fräsverfahren aus entsprechend vorgeformten Halbzeugen. Die Schicht (43) kann auch aus photopolymerisierbaren Substanzen bestehen, die mittels photolitographi- scher Verfahren direkt auf die wellenleitende Schicht aufgebracht werden können.
Mit sehr glatten Oberflächen (Oberflächenrauhigkeit im Nanometerbereich oder darunter) kann bei steifen Materialien die Selbsthaftung durch Adhäsion zu dichten Verschlüssen führen. Elastomere sind im aligemeinen selbsthaftend. Eine möglichst geringe Oberflächenrauhigkeit ist auch sehr wünschenswert, um eine Lichtstreuung zu unterdrücken. In diesen Fällen wird die Schicht (43) vorzugsweise als separater Körper hergestellt und auf den Wellenleiter, an dessen Oberfläche sich, gegebenenfalls auf einer zusätzlichen dünnen (d.h. < 100 nm) Haftvermittlungsschicht, immobilisierte Erkennungselemente befinden können, in dicht abschliessenden Kontakt gebracht.
Die Schicht (43) kann aus einem einzigen, zumindest bei der Anregungswellenlänge und der Lumineszenzwellenlänge des Analyten transparenten und lumineszenzfreien Material bestehen oder auch als zweilagige Schicht vorliegen, deren erste, welche mit der Wellenleiteroberfläche in Kontakt gebracht wird, bei Anregungswellenlänge und Lumineszβnswel- lenlänge des Analyten transparent und lumineszenzfrei sein muss, während die dann an-
EGEL 26 je»-' schliessende Deckschicht dann vorzugsweise strahlungsabsorbierend ausgebildet ist. Dabei umfasst die Dicke der ersten Schicht in Kontakt mit der Wellenleiteroberfläche wenigstens die Eindringtiefe (44) des evaneszenten Feldes, d. h. mindestens etwa 0,5 μm. Vorzugsweise ist diese erste Schicht 0,5 μm bis 10 mm, bevorzugter 0,01 mm bis 10 mm dick.
Die Tiefe der Aussparungen kann wenigstens der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes, also etwa 0,5 μm, entsprechen. Im allgemeinen beträgt die Tiefe bevorzugt 0,5 μm bis 10 mm, bevorzugter 0,01 bis 10 mm, bevorzugter 0,05 bis 5 mm, und besonders bevorzugt 0,05 bis 2 mm.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden Brechungsindexsprünge zwischen der wellenleitenden Schicht (41 ) und der Schicht 43 vermieden. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Begrenzung der Aussparung an der Auflage senkrecht zur wellenleitenden Schicht gerundet gestaltet ist. Gerundeter Uebergang senkrecht zur Oberfläche des Wellenleiters, an den Begrenzungen der Aussparungen, bedeutet, dass ein rechter Winkel vermieden wird. Die Rundung kann zum Beispiel Teil eines kreisförmigen, parabelförmigen oder hy- perbelförmigen Verlaufs sein. Bei weichen und schmiegsamen Materialien für die Schicht (43) bildet sich die Rundung durch das Anpressen auf den Wellenleiter von selbst aus. Die Rundung kann aber auch durch das Formgebungsverfahren vorgebildet werden. Brechungsindexsprünge können auch vermieden werden, wenn die Aussparung in Richtung der Ausbreitung des Anregungslichtes gegebenenfalls kontinuierlich verjüngt wird. Eine andere Möglichkeit besteht in der Wahl des Materials der Schicht (43) mit einem Brechungsindex nahe oder gleich des Brechungsindexes der Analytprobe.
Die isotrop in den Raum austretende evaneszent angeregte Strahlung kann mittels geeigneter Messvorrichtungen bestimmt werden. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann aber auch ein zweites diffraktives Element im Wellenleiter zur Auskopplung evaneszent angeregter und in den Wellenleiter zurückgekoppelter Strahlung enthalten. Vorteilhaft ist auch dieses diffraktive Element zumindest im Auskoppelbereich vollständig vom Material der Schicht (43) bedeckt, und vorteilhaft ist der Uebergang der Schicht (43) senkrecht zur Wellenleiteroberfläche auch in diesem Fall wenigstens in Richtung dieses diffraktiven Elementes gerundet. In einer Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist eine Vervielfachung der Aussparungen vorgesehen, so dass mehr als eine, zum Beispiel 2 bis 100 und mehr, bevorzugt 4 bis 100 Aussparungen vorgesehen sind, die längs oder quer zur Ausbreitung der Anregungsstrahlung angeordnet sein können. Es können zum Beispiel nach einem diffraktiven Einkoppelelement bis vor ein gegebenenfalls vorhandenes diffraktives Auskoppelelement Aussparungen hintereinander quer zur Ausbreitung der Anregungsstrahlung in einer Reihe angeordnet sein; in diesem Fall werden bevorzugt 2 bis 10 und besonders bevorzugt 2 bis 5 Aussparungen vorgesehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass mehrere einzelne diffraktive Elemente in einer Reihe oder ein langes diffraktives Element vorgesehen sind, und die Aussparungen parallel (das heisst längs) zur Ausbreitungsrichtung des Anregungslichtes angeordnet sind. In diesem Fall können 100 und mehr Aussparungen vorhanden sein. Zusätzlich ist es möglich, 2 und mehr, zum Beispiel 2 bis 50, bevorzugt 2 bis 20, der vervielfältigten Anordnungen auf der Oberfläche eines grossen planaren Wellenleiters vorzusehen. Diese Vervielfältigungsmöglichkeiten erlauben eine flexible Anpassung der erfindungsgemässen Vorrichtung an praktische Bedürfnisse. Diese Weiterbildungen eignen sich besonders für Reihen-, Vergleichs- und Parallelmessungen, sowie automatisierte Messanordnungen, mittels geeignet gestalteter Messköpfe.
Bei Vervielfältigungen längs (parallel) zur Ausbreitung der Anregungsstrahlung kann es vorteilhaft sein, zur Unterdrückung von Streustrahlung entlang der Aussparungen Licht absorbierende Materialien vorzusehen, zum Beispiel Farbstoffe, Pigmente, Russ, Metalloxide oder Metalle. Diese Materialien können in dafür vorgesehenen zusätzlichen Aussparungen längs der Ausbreitungsrichtung des Anregungslichtes vorhanden sein, oder längs der Ausbreitungsrichtung des Anregungslichtes flächig auf der Oberfläche der wellenleitenden Schicht aufgebracht sein. Zweckmässig sind flächige Ausgestaltungen, die einfach mittels Streich- oder Bedampfungsverfahren herstellbar sind. Die absorbierenden Materialien können auch über den diffraktiven Elementen unter Freihaltung des Einkoppelbereiches aufgebracht sein. Die Vorrichtung kann zum Beispiel so gestaltet sein, dass zwischen der Flusszelle (1 , 26, 30, 35, 38) und dem Wellenleiter (7) beidseitig der oder jeder Ausnehmung (6) im Spektralbereich von Anregungsstrahlung (18) und evaneszent angeregter Strahlung (21) absorbierendes Dämpfungsmaterial vorgesehen ist, oder dass das Dämpfungsmaterial (27) als Immersion flächig aufgetragen ist, oder dass Dämpfungsausnehmungen (33) vorgesehen sind, die mit Dämpfungsmaterial füllbar sind. Vorrichtungen mit nach oben offenen Aussparungen können in gleicherweise gestaltet sein.
EL 26 Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann in verschiedenen Ausführungsformen vorliegen, wobei zwischen Ausführungsformen mit offener Aussparung (Ausführungsform A) und geschlossener Aussparung (Ausführungsform B, Durchflusszellen) unterschieden wird.
Ausführungsform A
Die offenen Ausnehmungen können eine an sich beliebige Form aufweisen; sie können zum Beispiel quadratisch, rechteckig, rund oder ellipsoid sein. Die Gestaltung von erfindungsgemässen Vorrichtungen kann zum Beispiel der Form bekannter Mikrotiterplatten entsprechen. Die geometrische Anordnung der Ausnehmungen ist an sich beliebig, wobei Reihenanordnungen bevorzugt sind. Für die Ausführungsform B dargestellte und beschriebene Vorrichtungen und Bevorzugungen können sinngemäss auch die Ausführungsform A angewendet werden.
Ausführungsform B
Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erzeugung evaneszent angeregter Strahlung, die wenigstens ein Auskoppelelement zur Auskopplung von evaneszent angeregter Strahlung aus dem Wellenleiter aufweist, ist es zweckmässig, dass die Flusszelle auch das oder jedes Auskoppelelement bedeckt. In einer diesbezüglichen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung vollständig zwischen dem oder jedem Einkoppeielement und dem oder jedem Auskoppelelement angeordnet ist, so dass sowohl das oder jedes Einkoppelelement als auch das oder jedes Auskoppelelement frei von Probenmaterial ist. Dies hat den Vorteil, dass sowohl bei der Einkopplung als auch bei der Auskopplung von Anregungsstrahlung beziehungsweise evaneszent angeregter Strahlung gleichbleibende, vom Probenmaterial unbeeinflusste Kopplungsbedingungen herrschen.
In Weiterbildungen sind mehrere Ausnehmungen vorgesehen, die längs oder quer zu der Ausbreitungsrichtung von Anregungsstrahlung angeordnet sind. Bei parallel zu der Ausbreitungsrichtung von Anregungsstrahlung ausgerichteten Ausnehmungen ist es zweckmässig, zwischen den Ausnehmungen im Eindringbereich von Anregungsstrahlung und evaneszent angeregter Strahlung im Spektralbereich dieser Strahlungen, beispielsweise vom ultravioletten bis infraroten Spektralbereich, absorbierendes Material vorzusehen, um ein Überkoppeln von Strahlungsanteilen zwischen den Ausnehmungen zu unterbinden. Dies kann beispielsweise durch eine absorbierende Schicht, die zwischen der Russzelle und dem Wellenleiter aufgebracht wird, erfol-
ÄTT REGEL 26 gen. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind zwischen mehreren parallel zu der Ausbreitungsrichtung von der Anregungsstrahlung ausgerichteten Ausnehmungen mit einer strahlungs- absorbierenden Flüssigkeit füllbare Dampfungsausnehmungen in die Flusszelle eingebracht, die zu der gleichen Oberflächenseite wie die Ausnehmungen geöffnet sind.
Für einen Einsatz im routinemässigen Analysebetrieb ist es weiterhin zweckmässig, dass die Flusszelle aus einem schmiegsamen Material besteht, das die wenigstens eine Ausnehmung bei Aufbringen auf den Wellenleiter dicht verschliesst. Dadurch ist es ohne weitere Hilfsmittel wie Dichtungen möglich, durch Auflegen einer Flusszelle auf den Wellenleiter leckfrei Probenmaterial durch die Flusszelle zu leiten.
Weitere Vorteile und zweckmässige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung eine Vorrichtung zur Erzeugung evaneszent angeregter Strahlung mit einer auf einem Schichtwellenleiter angebrachten Flusszelle,
Fig. 2 die Vorrichtung gemass Fig. 1 in Draufsicht,
Fig. 3 die Vorrichtung gemass Fig. 1 mit dem Verlauf des Brechungsindex in
Längsrichtung in dem an den Wellenleiter angrenzenden Material,
Fig. 4 eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Anordnung des Auslasskanales,
Fig. 5 eine Vorrichtung zur Erzeugung evaneszent angeregter Strahlung mit einer auf einem Schichtwellenleiter angeordneten Flusszelle mit jeweils drei Probenkanälen und zwischenliegenden Ausnehmungen sowie mit einer auf den Schichtwellenleiter aufgebrachten Dämpfungsschicht,
Fig. 6 die Vorrichtung gemass Fig. 7 in Draufsicht,
ERSATZBLÄTT (REGEL 26) Fig. 7 eine Vorrichtung zur Erzeugung evaneszent angeregter Strahlung mit einer auf einem Wellenleiter aufgebrachten Flusszelle mit jeweils drei Probenkanälen und drei zwischenliegenden Ausnehmungen sowie mit zwischen zwei Ausnehmungen vorgesehenen Dämpfungskanalanordnungen,
Fig. 8 und 9 verschiedene Anordnungen von Ausnehmungen in Russzellen für Simultanmessungen.
Fig. 10 eine Vorrichtung mit einer nach oben offenen Aussparung
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine aus einem schmiegsamen Material bestehende Russzelle 1. Die in Rg. 1 dargestellte Russzelle 1 ist aus einem elastischen, biegsamen Polymermaterial gefertigt, das wenigstens in sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich für elektromagnetische Strahlung transparent ist. Als Polymermaterial ist vorzugsweise ein Polydi- methylsiloxan wie beispielsweise Sylgard 182 beziehungsweise Sylgard 184 (Dow Coming) oder aus der RTVE-Serie (Raumtemperatur-Vemetzbare Elastomere, Wacker Chemitronic) vorgesehen. Insbesondere durch die einfach durch ein Abformverfahren herstellbare Russzelle 1 ist neben einer Wiederverwendung auch eine Einmalbenutzung noch wirtschaftlich sinnvoll. Die Flusszelle 1 verfügt über einen Einlasskanal 2 als ersten Probenkanal und einen Auslasskanal 3 als zweiten Probenkanal zum Einlass beziehungsweise Ausiass von Probenflüssigkeit, wobei diese Funktionen austauschbar sind. Der Einlasskanal 2 und der Auslasskanal 3 erstrecken sich zwischen einer Deckfläche 4 und einer in einer der Deckfläche 4 gegenüberliegenden Auflagefläche 5 eingebrachten Ausnehmung 6 als Riesskanal. Die Ausnehmung 6 ist an ihrer der Auflagefläche 5 zugewandten Seite offen und erstreckt sich zwischen dem Einlasskanal 2 und dem Auslasskanal 3.
In der Darstellung gemass Rg. 1 ist die Russzelle 1 selbsthaftend an einem Wellenleiter 7 beispielsweise aus Ti02 oder Ta205 angebracht. In einer Abwandlung ist vorgesehen, die Russzelle 1 mit einem Haftmittel wie beispielsweise einem transparenten Klebstoff an dem Wellenleiter zu befestigen. Dadurch ist die Ausnehmung 6 dicht verschlossen, so dass ein Rüssigkeitsstrom, der ein zu untersuchendes Probenmaterial enthält, durch den Einlasskanal 2, die Ausnehmung 6 und den Auslasskanal 3 strömen kann. Da das Material der Russzelle 1 schmiegsam ist, passt
ATZBLAπ REGEL 26) es sich flexibel der Oberflächenstruktur des Wellenleiters 7 an und führt somit zu einer Abdichtung, ohne dass weitere Dichtelemente notwendig sind.
Der verhältnismässig dünne Wellenleiter 7 ist auf einem mechanisch stabilen Substrat 8 beispielsweise aus Glas oder einem Polykarbonat aufgebracht und mit diesem fest verbunden. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Flusszelle 1 , der Wellenleiter 7 und das Substrat 8 einen quaderförmigen Körper mit bündig abschliessenden seitlichen Begrenzungsflächen. In Abwandlungen sind andere Geometrien wie beispielsweise Eliipsoide, regel- mässige oder unregelmässige Vielecke auch mit trapezförmigem Querschnitt vorgesehen.
In den Wellenleiter 7 gemass Fig. 1 ist quer zu der Ausrichtung der Ausnehmung 6 zwischen einer dem Einlasskanal 2 benachbarten Stirnseite 9 und dem Einlasskanal 2 ein Einkoppelgitter 10 als dispersives Einkoppelelement eingebracht, das sich im wesentlichen zwischen den beiden parallel zu der Ausnehmung 6 verlaufenden Seitenflächen 11, 12 einer durch die Flusszelle 1 , den Schichtwellenleiter 7 und das Substrat 8 gebildeten Analyseeinheit 13 erstreckt. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist parallel zu dem Einkoppelgitter 10 zwischen dem Auslasskanal 3 und einer auslasseitigen Stirnseite 14 als dispersives Auskoppelelement ein Auskoppelgitter 15 in den Schichtwellenleiter 7 eingebracht.
In Abwandlungen sind mehrere Einkoppelgitter und/oder Auskoppelgitter vorgesehen, die als Einkoppelelemente beziehungsweise Auskoppelelemente dienen. Bei einem Erfassen von isotrop in den Raum gestreuten Anteilen von evaneszent angeregter Strahlung sind Auskoppelelemente verzichtbar.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Deckfläche 4 der Flusszelle 1. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass sich die Ausnehmung 6 jeweils mit einem Randabstand zwischen dem Einkoppelgitter 10 und dem Auskoppelgitter 15 erstreckt, so dass sowohl das Einkoppelgitter 10 als auch das Auskoppelgitter 15 frei von einer durch den Einlasskanal 2, die Ausnehmung 6 und den Auslasskanal 3 strömenden Probenflüssigkeit ist.
Sowohl der Einlasskanal 2 als auch der Auslasskanal 3 weisen einen runden oder einen nicht dargestellten vieleckigen Querschnitt auf und münden in einer Einlassöffnung 16 als erster Pro- bendurchtrittsöffnung beziehungsweise einer Auslassöffnung 17 als zweiter Probendurchtritts- öffnung in die Ausnehmung 6. In dem in Rg. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ein-
LÄΓT REGEL 26) lassöffnung 16 und die Auslassöffnung 17 unmittelbar an den jeweils dem Einkoppelgitter 10 und dem Auskoppelgitter 15 zugewandten Enden der Ausnehmung 6 angeordnet, wobei der Einlasskanal 2 und der Auslasskanal 3 rechtwinklig zu der Ausnehmung 6 in die Flusszelle 1 eingebracht sind. In einer Abwandlung sind der Einlasskanal 2 und der Auslasskanal 3 schiefwinklig zu der Ausnehmung 6 angeordnet, um den Strömungswiderstand im Bereich der Einlassöffnung 16 und der Auslassöffnung 17 gegenüber einer rechtwinkligen Anordnung zu verringern.
Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine im Bereich des Einkoppelgitters 10 mit Anregungsstrahlung 18 aus einer in Fig. 5 nicht dargestellten Lichtquelle beaufschlagte Vorrichtung zum Erzeugen evaneszent angeregter Strahlung mit der Flusszelle 1 , dem auf einem Substrat 8 aufgebrachten Schichtwellenleiter 7 sowie mit einer durch den Einlasskanal 2, die Ausnehmung 6 und den Auslasskanal 3 strömenden Probenflüssigkeit 19. Die Probenflüssigkeit 19 enthält beispielsweise symbolisch dargestellte lumineszierende, zu analysierende Moleküle 20.
Die auf das Einkoppelgitter 10 auftreffende Anregungsstrahlung 18 ist durch Beugung in den Wellenleiter 7 eingekoppelt und breitet sich als geführte Welle in Richtung des Auskoppelgitters 15 aus. Im Bereich der in Richtung des Wellenleiters 7 offenen Ausnehmung 6 der Flusszelle 1 werden die in der Probenflüssigkeit 19 enthaltenen lumineszierenden Moleküle 20 durch den sogenannten evaneszenten Anteil der Anregungsstrahlung 18, das heisst dem in das an den Wellenleiter 7 angrenzende Material eintretenden, exponentiell abklingenden Strahlungsanteil, zur Lumineszenz angeregt. Aufgrund der Transparenz des an den Wellenleiter 7 angrenzendes Bereiches der Flusszelle 1 sowohl für die Anregungsstrahlung 18 als auch für die Lumineszenzstrahlung erreicht die im Wellenleiter 7 geführte Anregungsstrahlung 18 den Bereich der Ausnehmung 6, in dem im evaneszent abklingenden Strahiungsteil Moleküle 20 angeregt werden können, deren Lumineszenzstrahlung als evaneszent angeregte Strahlung 21 teilweise in den Wellenleiter 7 zurückkoppelt. Aufgrund der Transparenz des an den Wellenleiter 7 angrenzenden Bereiches der Flusszelle 1 ist sowohl die transmittierte Anregungsstrahlung 18 als auch die in den Wellenleiter 7 eingekoppelte, evaneszent angeregte Strahlung 21 zu dem Auskoppelgitter 15 geführt.
Aufgrund der dispergierenden Wirkung des Auskoppelgitters 15 wird die Anregungsstrahlung 18 von der in der Regel frequenzverschobenen, evaneszent angeregten Strahlung 21 räumlich getrennt. In Ausbreitungslichtung der evaneszent angeregten Strahlung 21 ist eine Detektionsein-
SATZBLÄΓT (REGEL 26) heit 22 vorgesehen, mit der beispielsweise die Intensität sowie deren spektrale Verteilung analysierbar ist.
Weiterhin ist in Fig. 3 der mit "n" bezeichnete, auf der Ordinate 23 abgetragene Brechungsindex in Abhängigkeit der auf der Abszisse 24 abgetragenen, mit "X" gekennzeichneten Position in Längsrichtung im Eindringbereich der evaneszent angeregten Strahlung 21 dargestellt. Die unterschiedlichen Bereiche in Längsrichtung in bezug auf die Flusszelle 1 sind mit gestrichelten Linien auf die Abszisse 24 angedeutet. Ausserhalb der Flusszelle 1 herrscht in Luft ein Brechungsindex von n = 1 ,0. Zwischen der dem Einlasskanal 2 zugewandten Stirnseite 9 und dem der Stirnseite 9 zugewandten Ende der Ausnehmung 6 liegt ein Brechungsindex von n = 1 ,4 vor, der dem Brechungsindex des Materiales entspricht, aus dem die Flusszelle 1 hergestellt ist. Somit liegt in dem Bereich des Einkoppelgitters 10 ein gleichbleibender Brechungsindex vor, der die Einkopplung der Ausgangsstrahlung 18 unter einem bestimmten festen Winkel ermöglicht, der unabhängig von Eigenschaften der Probenflüssigkeit 19 ist.
Entsprechend liegen zwischen der dem Auslasskanal 3 benachbarten Stirnseite 14 und dem der Stirnseite 14 zugewandten Ende der Ausnehmung 6 der gleiche Brechungsindex n = 1 ,4 des Materiales der Flusszelle 1 vor, so dass auch hier konstante Brechungsindexverhältnisse im Bereich des Auskoppelgitters 15 herrschen. Im Bereich der Ausnehmung 6 herrscht der durch die optischen Eigenschaften der Probenflüssigkeit 19 bestimmte Brechungsindex, der bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel bei n = 1 ,33 liegt.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ergibt sich eine weitgehend reflexionsfreie Einkopplung der Anregungsstrahlung 18 in den Wellenleiter 7 und eine aufgrund des nur verhältnismäs- sig geringen Brechungsindexsprunges bei Eintritt des evaneszenten Anteiles der Anregungsstrahlung 18 in die Probenflüssigkeit ein hoher Anteil an weitergeführter Ausgangsstrahlung 18, so dass eine hohe Ausbeute an evaneszent angeregter Strahlung 21 erzielt ist. Durch den ver- hältnismässig geringen Brechungsindexsprung an dem Auskoppelgitter 15 zugewandten Ende der Ausnehmung 6 ist die Störung der evaneszent angeregten Strahlung 21 ebenfalls ver- hältnismässig gering, so dass bei Ablenkung durch das Auskoppelgitter 15 eine insgesamt hohe Signalausbeute erzielt ist. Dadurch ist es möglich, auch noch geringe Konzentrationen von lumineszierenden Molekülen 20 in der Probenflüssigkeit 19 nachzuweisen. Die unterschiedlichen Bereiche in Längsrichtung in bezug auf die Flusszelle 1 sind mit gestrichelten Linien auf die Abszisse 24 angedeutet.
Fig. 4 zeigt in einer Abwandlung eine Flusszelle 1 , deren Ausnehmung 6 sich von ihrem der zwischen dem Einkoppelgitter 10 und dem Auskoppelgitter 15 angeordneten Einlassöffnung 16 benachbarten Ende in den Bereich zwischen dem Auskoppelgitter 15 und der dem Auskoppelgitter 15 benachbarten Stirnseite 14 erstreckt, so dass die Ausnehmung 6 das Auskoppelgitter 15 überdeckt. Auch bei dieser Ausgestaltung ergibt sich eine hohe eingekoppelte Intensität von Anregungsstrahlung 18, die für die Intensität von evaneszent angeregter Strahlung 21 von vorrangiger Bedeutung ist, da gewisse optische Beeinträchtigungen im Bereich des Auskoppelgitters 15 gegenüber Störungen im Bereich des Einkoppelgitters 10 von untergeordneter Bedeutung sind.
Fig. 5 zeigt eine Simultananalyseeinheit 25, die neben dem auf dem Substrat 8 aufgebrachten Wellenleiter 7 mit Einkoppelgitter 10 und Auskoppelgitter 15 über eine Russzelle 26 verfügt, die mit jeweils drei Einlasskanälen 2, Auslasskanälen 3 und sich zwischen einem Einlasskanal 2 und einem Auslasskanal 3 erstreckenden Ausnehmungen 6 versehen ist. In einer Abwandlung ist der Wellenleiter 7 so in Streifenform strukturiert, dass ein Streifen des Schichtwellenleiters 7 einer Ausnehmung 6 gegenüberliegt.
Weiterhin ist auf den Wellenleiter 7 beidseitig jeder Ausnehmung 6 eine im Spektralbereich von Anregungsstrahlung 18 und evaneszent angeregter Strahlung 21 absorbierende Dämpfungsschicht 27 aufgebracht, um ein Überkoppeln insbesondere von evaneszent angeregter Strahlung 21 von einer Ausnehmung 6 zu den beiden anderen Ausnehmungen 6 zu verhindern, das zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen würde. Durch die jede Ausnehmung 6 längsseitig begrenzende Dämpfungsschicht 27 erfolgt eine starke Absorption von aus dem Bereich der Ausnehmungen 6 heraustretenden Strahlungsanteilen. Dadurch ist es möglich, in den drei Ausnehmungen 6 unterschiedliche Probenflüssigkeiten 19 gleichzeitig zu untersuchen, da auch bei Auskopplung durch das Auskoppelgitter 15 die jeweils evaneszent angeregten Strahlungen 21 räumlich quer zu der Ausbreitungsrichtung separiert sind.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf den Wellenleiter 7 der Simultananalyseeinheit 25 gemass Fig. 5. Die sich zwischen dem Einkoppelgitter 10 und dem Auskoppelgitter 15 im wesentlichen über die volle Breite des Wellenleiters 7 erstreckende Dämpfungsschicht 27 ist in jeweils parallel zu den
ATZBLAπ (REGEL 26) Seitenflächen 11 , 12 ausgerichteten Führungsbereichen 28 mit rechteckiger Grundfläche unterbrochen. Die Abmessungen der Führungsbereiche 28 entsprechen dabei den Dimensionen der dem Schichtwellenleiter 7 zugewandten Seite der in die Flusszelle 26 gemass Fig. 7 eingebrachten Ausnehmungen 6. Somit wird über das Einkoppelgitter 10 in den Wellenleiter 7 eingekoppelte Anregungsstrahlung 18 in Längsrichtung in den Führungsbereichen 28 zu dem Auskoppelgitter 15 geführt, ohne dass ein nennenswertes Übersprechen zwischen den Führungsbereichen 28 und somit den durch in den Ausnehmungen strömenden Probenflüssigkeiten 19 stattfinden kann.
In einer gegenüber dem in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel modifizierten Abwandlung erstreckt sich die Dämpfungsschicht 27 bis über das Einkoppelgitter 10 und das Auskoppelgitter 15, wobei die Führungsbereiche 28 ebenfalls bis zu dem Einkoppelgitter 10 und dem Auskoppelgitter 15 verlängert sind.
Fig. 7 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein weitere Ausführungsbeispiel einer Simultananalyseeinheit 29, deren Aufbau dem der Simultananalyseeinheit 25 bis auf die Massnah- men zum Verhindern eines Übersprechens entspricht. Demzufolge wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Die Simultananalyseeinheit 29 verfügt über eine Flusszelle 30, die zwischen den drei Einlasskanälen 2, Auslasskanälen 3 und Ausnehmungen 6 jeweils einen Dämpfungseinlasskanal 31 , einen Dämpfungsauslasskanal 32 und in der Darstellung gemass Rg. 9 durch die Ausnehmungen 6 verdeckten, zu dem Schichtwellenleiter 7 hin offene Dämpfungs- ausnehmung aufweist. In der Darstellung gemass Fig. 7 ist in die Dämpfungseinlasskanäle 31 , Dämpfungsauslasskanäle 32 und die Dämpfungsausnehmung ein geschwärzt dargestelltes Dämpfungsmittel, beispielsweise mit einem im Spektralbereich von Anregungsstrahlung 18 und evaneszent angeregter Strahlung 21 absorbierenden Farbstoff versehene Flüssigkeit, eingefüllt.
In einer Abwandlung des in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiels sind die Dampfungsausnehmungen 33 bis in den Bereich des Einkoppelgitters 10 und des Auskoppelgitters 15 unter entsprechendem Versatz der Dämpfungseinlasskanäie 31 und Dämpfungsauslasskanäle 32 verlängert, so dass auch insbesondere im Bereich des Auskoppelgitters 15 keine Überlagerung von im Bereich von verschiedenen Ausnehmungen 6 erzeugter evaneszent angeregter Strahlung 21 stattfinden kann.
ΓT REGEL 26 Fig. 8 zeigt eine weitere Simultananalyseeinheit 34 mit einer Flusszelle 35 in Draufsicht auf einen parallel zu einem Wellenleiter 7 gelegten Schnitt. Die Flusszelle 35 verfügt über eine Anzahl von Ausnehmungen 36, die zweckmässigerweise aquidistant zwischen dem Einkoppelgitter 10 und dem Auskoppelgitter 15 beabstandet und quer zu der Ausbreitungsrichtung von über das Einkoppelgitter 10 eingekoppelte Anregungsstrahlung 18 ausgerichtet sind. Bei der Si- ultananalyseeinheit 34 sind ebenfalls unterschiedliche, in den Ausnehmungen 36 eingebrachte Probenflüssigkeiten 19 gleichzeitig über die evaneszent angeregten Strahlungen 21 untersuchbar, wobei hier eine definierte Überlagerung der verschiedenen Strahlungsanteile der evaneszent angeregten Strahlungen 21 herbeigeführt ist.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Simultananalyseeinheit 37 in einem Schnitt durch eine Flusszelle 38 in Draufsicht auf einen parallel zu dem Schichtwellenleiter 7 gelegten Schnitt. Die Flusszelle 38 verfügt über eine Anzahl von Ausnehmungen 39, die parallel zwischen den Seitenflächen 11, 12 ausgerichtet sind, sich jedoch jeweils nur über einen Bruchteil des Ab- standes zwischen dem Einkoppelgitter 10 und dem Auskoppelgitter 15 erstrecken. In dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge jeder Ausnehmung 39 etwa ein Fünftel des Abstandes zwischen dem Einkoppelgitter 10 und dem Auskoppelgitter 15. Die Ausnehmungen 39 sind in drei jeweils quer zu der Ausbreitungsrichtung von über das Einkoppelgitter 10 in den Schichtwellenleiter 7 eingekoppelter Anregungsstrahlung 18 verlaufenden Gruppen angeordnet, wobei die Ausnehmungen 39 der dem Einkoppelgitter 10 sowie dem Auskoppelgitter 15 benachbarten Randgruppen fluchtend und die Ausnehmungen 39 der mittleren Gruppe dazu in Lückenbereiche der Randgruppen quer versetzt angeordnet sind. Die in Fig. 9 dargestellte Simultananalyseeinheit 37 eignet sich insbesondere zum Untersuchen einer Vielzahl von Probenflüssigkeiten 19 mit bereits auf verhältnismässig kurzen Wechselwirkungsstrecken zum Nachweis ausreichend intensiver evaneszent angeregter Strahlung 21.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel mit nach oben offener Aussparung. Auf einem transparenten Träger (40) mit wellenleitender Schicht 41 , einem Einkoppelgitter (42) und einem Auskoppelgitter ist eine selbsthaftende Schicht (43) aufgebracht, das aus Polydimethylsiloxan besteht. In der Schicht (43) ist eine rund und nach oben offene Aussparung vorgesehen, die mit der Analytprobe befüllt werden kann.
Insbesondere bei den in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispielen von Simultananalyseeinheiten 34, 37 ist es zweckmässig, anstatt eines Auskoppelgitters 15 oder zusätzlich
ATZBLAπ (REGEL 26) eine optische Sammeleinrichtung von in den freien Raum abgestrahlter, evaneszent angeregter Strahlung 21 vorzusehen, wobei die im Bereich jeder der Ausnehmungen 36, 39 evaneszent angeregte Strahlung einzeln analysierbar ist.
Die in den in Fig. 5 und Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 sowie Fig. 9 dargestellten Flusszellen 26, 30, 35, 38 sind ebenfalls vorzugsweise aus dem Material der in Fig. 1 dargestellten und dort besprochenen Russzelle 1 hergestellt. Bei der Herstellung der Flusszellen 1 , 26, 30, 35, 38 in einem Abformverfahren sind in besonders einfacher Weise die unterschiedlichen Geometrien und Anordnungen der Ausnehmungen 6, 36, 39 herstellbar, so dass auch verhältnismässig komplizierte Geometrien beziehungsweise Ausrichtungen bei einer einmaligen Verwendung noch wirtschaftlich sind. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass es bei den geringen Herstellungskosten auch zweckmässig ist, bei der Herstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung evaneszent angeregter Strahlung 21 mit einer Russzelle 1 , 26, 30, 35, 38 bereits vor dem Einsatz in einigen Anwendungen erforderliche Markermoleküle zum Nachweis spezifischer Reaktionen oder Erkennungselemente zur spezifischen Bindung später nachzuweisender Analyten auf den Wellenleiter 7 aufzubringen. Diese Markermoleküle sind durch die darüberiiegende Russzelle 1 , 26, 30, 35, 38 geschützt.
Es ist zweckmässig, dass alle Flusszellen 1 , 26, 30, 35, 38 aus einem nahezu fluoreszenzfreien Material gefertigt sind, um Überlagerungen von in den Flusszellen 1 , 26, 30, 35, 38 evaneszent angeregter Fluoreszenzstrahlung mit in Probenflüssigkeit 19 zur Analyse evaneszent angeregter Strahlung 21 in nennenswerten Umfang zu vermeiden. Es ist weiterhin zweckmässig, dass die Flusszellen 1, 26, 30, 35, 38 beispielsweise an den Stirnseiten 9, 14, den Seitenflächen 11 , 12 sowie der Deckfläche 4 strahlungsabsorbierend sind, um Einkopplungen von Umgebungsstrahlung in den Schichtwellenleiter 7 zu unterbinden.
In diesem Zusammenhang ist in Abwandlungen vorgesehen, dass die Russzellen 1 , 26, 30, 35, 38 bis auf einen unmittelbar an den Schichtwellenleiter 7 angrenzenden Eindringbereich für den evaneszenten Anteil der Anregungsstrahlung 18 und der evaneszent angeregten Strahlung 21 bei der Herstellung im Innenbereich mit einem über den genutzten Spektralbereich absorbierenden Farbstoff versehen ist. Dadurch wird eine so gut wie vollständige Unterdrückung von Streulichteinkopplungen erzielt, die auch bei Beschädigungen der nach aussen weisenden Oberflächen 4, 9, 11 , 12, 14 der Russzellen 1 , 26, 30, 35, 38 aufrechterhalten bleibt. Die Herstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung kann durch Zusammenfügen des planaren Wellenleiters und der vorgeformten Schicht (43) erfolgen, gegebenenfalls mit einem Haftvermittler. Vor dem Zusammenfügen kann die wellenleitende Schicht mit einem zu bestimmenden Zielmolekül immobilisiert werden, und/oder es können Licht absorbierende Schichten auf der wellenleitenden oder der vorgeformten Schicht aufgebracht werden. Ein anderes Herstellverfahren besteht darin, die Schicht (43) direkt auf der wellenleitenden Schicht herzustellen, zum Beispiel mit lichtempfindlichen Harzen und photolititographischen Verfahren.
Die erfindungsgemässen Vorrichtungen eignen sich zur Bestimmung von Zielmolekülen über eine Lumineszens erzeugende Wechselwirkung in der Analytprobe, wie es zum Beispiel besonders in der Affinitätssensorik üblich ist. Das Verfahren wird in an sich bekannter Weise so ausgeführt, dass man die Aussparungen mit einer Analytprobe füllt, dann Anregungsstrahlung einkoppelt und darauf die erzeugte Lumineszens misst, zum Beispiel Fluoreszensstrahlung. Besonders vorteilhaft für die Affinitätssensorik ist, dass man mit einem zu bestimmenden Zielmolekül immobilisierte erfindungsgemässe Vorrichtungen gegebenenfalls unter einer neutralen Flüssigkeit oder der Analytflüssigkeit zur Erzeugung von Lumineszens für längere Zeit lagern und die Messungen später gegebenenfalls mit weiteren gesammelten Proben in einem Arbeitsgang vornehmen kann. Ais Anregungsstrahlung wird zweckmässig Laserlicht verwendet.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemässen Vonichtung zur Bestimmung von Zielmolekülen nach der Lumineszensmethode, insbesondere in der Affinitätssensorik.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung von Zieimoleküien nach der Lumineszensmethode in einer Analytprobe, bei dem man die Analytprobe in die Aussparung einer erfindungsgemässen Vonichtung gibt, danach mit Anregungsstrahlung belichtet, und dann die erzeugte Lumineszens bestimmt.
BLÄTT (REGEL 26)

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung aus einem planaren optischen Wellenleiter, bestehend aus einem transparenten Träger (40) und einer wellenleitenden Schicht (41), wobei der Wellenleiter wenigstens über ein diffraktives Element (42) zur Einkopplung von Anregungsstrahlung in die wellenleitende Schicht verfügt, und auf dessen wellenleitender Schicht sich eine weitere dicht verschliessende Schicht (43) aus einem Material befindet, das wenigstens an der Auflageoberfläche mindestens in der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes sowohl für die Anregungsstrahlung als auch für die evaneszent angeregte Strahlung transparent ist, und das wenigstens in einem Teilbereich der geführten Anregungsstrahlung eine nach oben offene Aussparung (45), oder über einen Zuflusskanal (2) und Abflusskanal (3) verbundene, nach oben geschlossene Aussparung (6) für eine Analysenprobe aufweist, deren Tiefe wenigstens der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes entspricht, und wobei das diffraktive Element (42) vom Material der Schicht (43) wenigstens im Einkoppelbereich der Anregungsstrahlung vollständig bedeckt ist.
2. Vorrichtung gemass Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Schicht (43) aus einem schmiegsamen Material besteht, das auf den Wellenleiter die oder jede Aussparung (45) oder (6) dicht verschliesst.
3. Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Schicht (43) auf dem Wellenleiter selbsthaftend ist.
4. Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Schicht (43) aus einem Polysiloxan besteht.
5. Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Aussparungen 0.5 μm bis 10 mm beträgt.
6. Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites diffraktives Element im Wellenleiter zur Auskopplung evaneszent angeregter und in den Wellenleiter zurückgekoppelter Strahlung vorhanden ist, das bevorzugt wenigstens im Einkoppelbereich der Anregungsstrahlung vom Material der Schicht (43) bedeckt ist.
ÄTT REGEL 26
7. Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass 1 bis 100 Aussparungen vorgesehen sind.
8. Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Aussparungen im Spektralbereich von Anregungsstrahlung und evaneszenter Strahlung absorbierendes Material vorgesehen ist, wenn mehr als zwei Aussparungen vorhanden sind.
9. Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (43) als zweilagige Schicht vorliegt, deren erste, welche mit der Wellenleiteroberfläche in Kontakt gebracht wird, welche bei Anregungswellenlänge und Lumineszenswellenlänge des Analyten transparent und lumineszenzfrei ist, während die dann anschliessende Deckschicht strahlungsabsorbierend ausgebildet ist.
10. Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dass sich der Brechungsindex beim Übergang von Material der Flusszelle (1 , 26, 30, 35, 38) zu einer in der oder jeder Ausnehmung (6) enthaltenen Probenflüssigkeit in Ausbreitungsrichtung von Anregungsstrahlung (18) durch eine Materialverjüngung kontinuierlich ändert.
11. Verwendung der Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 bis 10 zur Bestimmung von Zielmolekülen nach der Lumineszensmethode, insbesondere in der Affinitätssensorik.
12. Verfahren zur Bestimmung von Zielmolekülen nach der Lumineszensmethode in einer Analytprobe, bei dem man die Analytprobe in die Aussparung einer Vorrichtung gemass Ansprüchen 1 gibt, danach mit Anregungsstrahlung belichtet, und dann die erzeugte Lumineszens bestimmt.
T LÄTT REGEL 26)
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