WO1999054713A2 - Device and method for detecting a shift in a surface plasmon resonance - Google Patents

Device and method for detecting a shift in a surface plasmon resonance Download PDF

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WO1999054713A2
WO1999054713A2 PCT/EP1999/002661 EP9902661W WO9954713A2 WO 1999054713 A2 WO1999054713 A2 WO 1999054713A2 EP 9902661 W EP9902661 W EP 9902661W WO 9954713 A2 WO9954713 A2 WO 9954713A2
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detector
light
plasmon resonance
surface plasmon
wavelength
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PCT/EP1999/002661
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WO1999054713A3 (en
Inventor
Gunnar Brink
Henning Groll
Jakob Tittel
Christof Rosner
Original Assignee
Biotul Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for detecting the displacement of a surface plasmon resonance with optimal resolution, in particular for the time-resolved measurement of binding reactions in biological sensor systems.
  • SPR Surface plasmon resonance
  • Ref. 1 The surface plasmon resonance, engl.
  • SPR Surface plasmon resonance
  • the SPR is stimulated by light either in the Kretschmann (Kretschmann Ref. 2) or in the Otto configuration (Otto Lit 3).
  • the resonance is measured either spectrally or at an angle.
  • the incident light is either narrow-band or parallel and the incident wavelength or the reflection angle is varied, or the incident light covers the entire spectral or reflection angle width of interest and is detected with spectral or angle resolution.
  • the use of the SPR for sensory purposes is based on the fact that the position of the resonance in the angular or wavelength space depends on the optical properties of the volume adjoining the SPR-bearing surface.
  • the refractive index n of the adjacent volume influences the position of the SPR. If the adjacent volume is formed by a system consisting of different layers (in terms of their optical properties), the position of the SPR also depends on the thickness of the layers. In such a system, the location of the SPR depends on the product nd.
  • An SPR sensor is suitable for measuring the position of the resonance and, in kinetic sensors, for determining its displacement as a function of time.
  • the present invention has for its object to provide a device for detecting the displacement of a surface plasmon resonance and an associated method, which is characterized by a simple and inexpensive structure and an optimal resolution with high measurement accuracy.
  • the present invention relates to an SPR sensor which is based on the angularly resolved measurement of the SPR (FIG. 1).
  • the SPR sensor described uses a light source (1) which is focused by a lens system (la) with an adapted opening angle ⁇ onto the SPR-producing surface (2b) in the SPR transducer (2).
  • the reflected light is detected with the aid of a spatially resolving photodetector (3) - for example a CCD camera or a CCD array or a photodiode array.
  • the evaluation of the camera image with an evaluation unit (4) - as a rule using pixel information and interpolative techniques - allows the position of the SPR to be determined and thus with time-resolved measurement of its displacement as a function of time.
  • the position of the SPR is often described by a parameter, namely the position of the minimum of the reflection.
  • the camera information is evaluated accordingly using appropriate adaptation algorithms. If changes in the properties of the volume adjacent to the SPR-carrying surface (2) and / or this surface itself lead to a change in the position of the SPR, this change can be measured.
  • sensors for the refractive index n of a medium, the thickness d of an adjacent layer, with a constant refractive index n in this layer, or sensors for specific species can be constructed if either the thickness d of an adjacent layer or its refractive index n or both Sizes can be changed by specific attachment of the species mentioned.
  • This type of sensor is used as an affinity sensor in biotechnology.
  • an SPR sensor which, with the aid of an optimal angular resolution of the detector (3), is able to measure shifts in the surface plasmon resonance.
  • the largest possible area of possible displacement of the SPR should be covered - d. H. the greatest possible dynamics should be achieved with optimal resolution.
  • a measuring system for determining the shift in the surface plasmon resonance that meets these requirements can be constructed on the basis of commercially available standard photodetectors.
  • a second embodiment of the invention uses special photodetectors adapted to the measuring task, which enable an increase in the sensitivity of the measurement without loss of the dynamic range.
  • the sensitivity is optimized with the aid of an adapted coupling optics, by dissolving the integral character of embodiments 1 and 2.
  • a fourth embodiment of the invention improves the resolution of digital intensity measurements.
  • the resolution of the intensity measurement is increased to such an extent that the noise of the light source or the shot noise of the photocurrent generated in the detector are the determining variables.
  • a fifth embodiment of the sensor described integrates the highly sensitive angle-resolved
  • a sixth embodiment integrates the highly sensitive wavelength-resolved measurement of the SPR shift using the integral method described in the embodiments 1, 2.
  • the principle found is transferred to the wavelength-resolved determination of the shift in the surface plasmon resonance.
  • FIG. 6 shows a diagram with the intensity curve in a system in which two parallel light beams are used
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a preferred embodiment of an SPR sensor
  • 12 shows a diagram with the intensity curve in an arrangement with two light beams of different wavelengths
  • 13 shows a schematic illustration of a further preferred embodiment of the invention.
  • a detector with minimal angular resolution has a photosensitive element that receives light from a certain angular range.
  • the angular range is characterized by its absolute position and its extent.
  • the photosensor determines the intensity (W / m 2 ) as an integral over the radiance (W / mAsr).
  • this integral is dependent on the position of the plasmon or on the position of the minimum of the resonance (FIGS. 2a-h).
  • the functions shown in FIG. 2b, d, f, h are almost constant as long as the plasmon is outside the detection range of the photosensor, then strive for a minimum, then rise again and become almost constant again. They result as a folding integral between the function of the surface plasmon resonance and the apparatus function - in this case the rectangular function (idealized) reflects the shape and sensitivity of the detector.
  • the Fresnel formulas for the reflection of light on systems of thin layers in a matrix formalism were used to calculate the reflected intensity in a surface plasmon resonance sensor.
  • the sharpness of the minimum can be varied by changing the width of the integration area, ie the extent of the detector.
  • the sharpness of the minimum is optimal if the width of the detector is chosen to be as narrow as possible, that is to say the apparatus function is a ⁇ function. This is also the system that allows optimal sensitivity in determining the displacement of the SPR.
  • Sensitivity is defined here as a ratio nis the change in the detector signal to shift the
  • the dynamic range is to be defined in the following as the range which allows a clear assignment of signal change to plasmon resonance shift with a minimum sensitivity S ra ⁇ n .
  • Unambiguous determination of the shift expressly means that both the amount and the direction of the shift in the plasmon resonance can be determined from the measurement signal.
  • the function does not allow a clear determination of the position of the plasmon over the entire area shown. Rather, the usable range is only that in which the first derivative of the signal shown (FIG. 3) does not change its sign and has at least one absolute value greater than a limit S min which depends on the measurement resolution of the system and the desired resolution in the determination the SPR shift, ultimately depends on the desired signal / noise ratio.
  • the dynamic range (FIG. 4a) and the maximum sensitivity (FIG. 4b) of the measuring system are dependent on the width of the angular range detected by the detector at a start angle - smallest reflection angle detected by the detector - of 71 ° shown.
  • a first embodiment of the invention uses 2 immediately adjacent photosensors - so-called 2-segment photodiodes - as detectors.
  • 2 photodiodes are arranged in such a way that they are only separated by a very small area - the so-called gap.
  • the gap is approx. 10 p - 100 ⁇ m wide.
  • the two photodiodes work almost independently of one another, ie without crosstalk. Appropriate sensors are usually used for centering tasks.
  • the mode of operation is such that the position of the center of a light beam, ie the maximum of the intensity, is determined.
  • 2-segment but 4-segment photodiodes are used in this application, which allow the position of the light pointer to be determined along two independent axes.
  • the position of an illumination maximum is not determined as described in the prior art, but that of an illumination minimum.
  • the position and the displacement of a surface plasmon resonance can be determined with the aid of a 2-segment photodetector.
  • FIGS. 5a-c The signal profiles (FIG. 5b) resulting from a shift of an SPR (FIG. 5a), the two independent photodiode currents of a 2-segment photodiode sensor and the resulting sensitivities (FIG. 5c) are shown in FIGS. 5a-c.
  • FIGS. 5a-c In Fig. 5b it is clear that both signals occur out of phase by exactly the width of a segment plus half the gap.
  • the width of the entire detector - With a suitable choice of the width of the entire detector - more precisely, the width of the angular range detected by the detector - it can be ensured that at least the sensitivity of a detector signal is greater in amount than the minimum sensitivity required above. This fact, and the possibility of combining the information from both detectors, enable the displacement of the plasmon resonance to be clearly determined over a range which is approximately three times the extent of the corresponding dynamic range of a single detector. This is clear in Fig. 5c.
  • the second embodiment of the invention accordingly contains an adapted photodetector - more precisely an arrangement of two photodiodes, which are separated from one another by a gap adapted to the measurement task.
  • the gap can reach twice the size of a single detector. More precisely, the extent of the gap must be chosen according to the shape and extent of the plasmon resonance examined.
  • the sensitivity can be increased by a factor of 2. With the same optical structure, ie when using the same beam profile, the detection sensitivity is increased by a factor of 2 0 ' 5 if the measuring system operates with limited shot noise. If you change the optical structure so that the beam profile is such that the full intensity falls on the sensitive photodetectors, the gain in detection sensitivity is a full factor of 2.
  • focusing optics are used to couple the light onto the SPR-bearing surface.
  • the light radiated onto the transducer surface covers an angular range corresponding to the aperture of the light falling on the focusing optics and its focal length.
  • the character of the signals of the photodetectors used is therefore always an integral one.
  • the apparatus function is expanded in the systems described in relation to the SPR. If instead of a coupling system a focusing system is used instead, a system that couples two parallel beams into the transducer at angles of incidence adjusted according to the above explanations, the respective apparatus function is ⁇ -shaped.
  • the corresponding signals from the photodetectors represent the SPR at the position of the respective ⁇ function (FIG. 6).
  • Shifts in the SPR can then be determined with the greatest possible sensitivity.
  • the third in this embodiment Coupling optics used or their function can be taken over directly by the transducer prism. It is particularly preferable to use a transducer (2) (FIG. 7) which provides both the functionality for coupling in the radiation and the plasmon-carrying surface and can be used overall as an exchangeable consumption component in a biosensor system. A corresponding transducer can also be used in focusing systems.
  • the three systems described in the embodiments 1-3 allow a sufficient dynamic range to be covered with a dynamic range of approximately 10 ° minimum displacement in the SPR systems under consideration.
  • the sensitivity that can be achieved is at least as great as that of the systems described in the prior art. Provided that it is determined by the shot noise-limited detection of the reflected light, the detection sensitivity can in principle only be improved by using light sources of higher power.
  • the invention describes the system, in principle with the greatest possible sensitivity and at the same time minimal resolution in order to achieve the largest possible dynamic range in the detection of angular displacements of resonant structures.
  • the system described is the one that is able to determine displacements of an extended light / dark structure in the spatial area with maximum dynamics and optimal resolution.
  • the system can be combined by a certain number of gap / photodiode combinations and, in exemplary embodiment 3, with adapted coupling optics or a corresponding appropriate transducer can be expanded to cover the ultimately interesting dynamic range.
  • the measuring system is not limited to shot noise
  • the differential information il-i2 in a fourth, expanded embodiment of the sensor (FIGS. 8 and 9)
  • the information obtained in the system about the SPR shift can be interpolated with limited shot noise, provided the noise terms in the system, which go beyond the shot noise on the light source side.
  • the light source here is the entire light path up to the detector, particularly in the case of coherent light sources. Noise components beyond the shot noise are present in the light of the part of the radiation falling on the first and the second detector.
  • the formation of the difference between the two signals is able to provide a noise-reduced signal - ideally shot-noise-limited - which is used in the measuring system described above for shot-noise-limited interpolation of the course of the displacement signal can.
  • Such interpolation limited by shot noise, is possible if the measured data are further processed in such a way that a mathematical function is adapted to the displacement function using numerical methods. This is done in biological SPR sensors to determine kinetic information about the observed binding process. By using the difference information, the accuracy of the determined kinetic constants can be improved.
  • the basic structure of a corresponding system is shown in FIG. 9.
  • Embodiment 4 of the described invention can be modified in such a way that the difference between the two photodetector signals is weighted, the weights being determined from the magnitude of the two individual signals.
  • the feedback The weights can be handled using an electronic circuit.
  • the system described in embodiments 1 and 2 is connected in a direct, simple manner with a system of the highest resolution to increase the sensitivity (FIG. 10).
  • the core of this combination is the integration of a further detector in the gap between the two detectors of the system described above and the shaping of the incident light beam in such a way that the central part of the incident light beam is a parallel light beam with an angle of incidence corresponding to the bisector between the two outer ones Detectors forms partial beams.
  • the signal of the middle detector can then be described in the context of the above terminology in accordance with embodiment 3 as a convolution between the SPR and a ⁇ function. Accordingly, it represents the SPR itself and thus enables the displacement of the SPR to be determined with the greatest possible sensitivity.
  • the system also allows the combination with a wavelength-resolved determination of the surface plasmon resonance.
  • the system according to the fifth embodiment can be combined with the highly sensitive measurement technique based on tuning the wavelength of the incident light, which is described in the own application DE 196 50 899.1 (WO98 / 25130). Tuning the wavelength leads to a slight broadening of the apparatus function of the two outer detectors. The broadening depends on the size of the interval over which the wavelength of the incident light beam is varied. If a tunable diode laser with a When the emission wavelength of approx. 780 nm is used, the width of the tuning interval in the wavelength range is limited to approx. 10 nm - 15 nm.
  • the tuning range is significantly smaller (approx. 100 pm).
  • the modulation of the wavelength is accordingly essentially resolved by the middle detector and a corresponding signal processing allows the use of the full dynamic range and at the same time a significant increase in the detection sensitivity of the system.
  • the detectors can be planar detectors, as are usually used as photodetectors.
  • the angular axis is mapped onto a flat spatial axis. If the detectors are not arranged planar but on a circular arc, the curvature of which is adapted to the angular axis, the measurement signals in the corresponding embodiments correspond exactly to the calculated signals shown.
  • the described embodiments can be expanded to include several measuring spots. This is done by arranging the corresponding detectors along an axis perpendicular to the described connection axis of the different detector geometries and using a correspondingly adapted beam shaping optics.
  • a cylindrical lens or a cylindrical lens adapted to the embodiments 4 and 5 for beam shaping is possible.
  • Embodiments 1-3 in particular allow a direct transmission of the “detection of the displacement of a surface plasmon resonance described above with opti- ler resolution "from angle-resolving measurements of the SPR shift to corresponding wavelength-resolving measurements which use two light sources of different wavelengths (FIG. 12).
  • the light sources or the wavelengths of the light emitted by them are selected such that the wavelengths are analogous to the angle in the corresponding angle-resolving embodiments are determined (Fig. 13), for example the use of a laser diode with a commercially available wavelength of approximately 760 nm - 780 nm and a laser diode with a wavelength of approximately 830 nm is possible
  • Broadband light sources with corresponding spectral filters can also be used.
  • the radiation from the two light sources can be spatially separated for detection either by appropriate irradiation or by using dispersive elements ei different detectors can be measured, or both colors can be provided with different carrier frequencies, for example by light chopper or when using LED or laser diodes by modulating the injection currents. Both colors can then be measured with a detector and then separated, for example with a lock-in amplifier.
  • the further signal processing is carried out analogously to the method described above.
  • pairs of values are determined on the basis of two signals, with which the product of n x d can be uniquely determined.
  • a measurement is used in which the transducer prism with a free electron metal (gold) is coated and pure as a sample solution

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Abstract

The invention relates to a device for detecting a shift in a surface plasmon resonance, comprising a light source (1), a surface plasmon resonance transducer (2), a detector system (3) and an evaluation unit (4). The detector system comprises at least one pair of detector sections consisting of a first detector section and a second detector section. The first detector section is arranged at a distance from the second detector section and each detector section generates a signal (11, 12). The position of the detector system in relation to the light reflected by the surface plasmon resonance transducer is selected such that the evaluation unit can determine the position and shift of a surface plasmon resonance from the combination of the signals generated by the two detector sections.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Dete tion der Verschiebung einer OberflächenplasmonenresonanzDevice and method for detecting the displacement of a surface plasmon resonance
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion der Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz mit optimaler Auflösung insbesondere für die zeitaufgelöste Messung von Bindungsreaktionen in biologischen Sensorsystemen.The present invention relates to a device and a method for detecting the displacement of a surface plasmon resonance with optimal resolution, in particular for the time-resolved measurement of binding reactions in biological sensor systems.
Die Oberflächenplasmonenresonanz, engl. Surface Plasmon Resonanz (SPR) ist ein physikalischer Effekt, der die Wechselwirkung eines elektromagnetischen Feldes mit den freien Elektronen an der Oberfläche eines Metalles beschreibt (Raether Lit. 1). Speziell können Oberflächenplasmonen an der Oberfläche eines dünnen Metallfilms von Photonen geeigneter Energie und geeigneten Impulses angeregt werden. Die Anregung der SPR durch Licht erfolgt dabei entweder in der Kretschmann- (Kretschmann Lit. 2) oder in der Ottokonfiguration (Otto Lit 3) .The surface plasmon resonance, engl. Surface plasmon resonance (SPR) is a physical effect that describes the interaction of an electromagnetic field with the free electrons on the surface of a metal (Raether Ref. 1). In particular, surface plasmons on the surface of a thin metal film can be excited by photons of suitable energy and suitable momentum. The SPR is stimulated by light either in the Kretschmann (Kretschmann Ref. 2) or in the Otto configuration (Otto Lit 3).
In SPR-Sensoren, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind, wird die Resonanz entweder spektral- oder winkelaufgelöst vermessen. Dabei ist das eingestrahlte Licht entweder schmalbandig bzw. parallel und es wird die eingestrahlte Wellenlänge bzw. der Reflektionswinkel variiert, oder das eingestrahlte Licht deckt die gesamte interessierende spektrale bzw. Reflektionswinkelbreite ab und wird spektral- bzw. winkelaufgelöst detektiert.In SPR sensors, as described in the prior art, the resonance is measured either spectrally or at an angle. The incident light is either narrow-band or parallel and the incident wavelength or the reflection angle is varied, or the incident light covers the entire spectral or reflection angle width of interest and is detected with spectral or angle resolution.
Der Einsatz der SPR für sensorische Zwecke beruht darauf, daß die Position der Resonanz im Winkel- bzw. Wellenlängenraum von den optischen Eigenschaften des an die SPR-tragende Oberfläche angrenzenden Volumens abhängt. Der Brechungsindex n des angrenzenden Volumens beeinflußt die Lage der SPR. Wird das angrenzende Volumen durch ein System aus unterschiedlichen (bezgl. ihrer optischen Eigenschaften) Schichten gebildet, ist die Lage der SPR auch von der Dicke der Schichten abhängig. In einem solchen System ist die Lage der SPR vom Produkt n-d abhängig. Ein SPR-Sensor ist geeignet, die Lage der Resonanz zu vermessen und in kinetischen Sensoren, deren Verschiebung als Funktion der Zeit zu bestimmen.The use of the SPR for sensory purposes is based on the fact that the position of the resonance in the angular or wavelength space depends on the optical properties of the volume adjoining the SPR-bearing surface. The refractive index n of the adjacent volume influences the position of the SPR. If the adjacent volume is formed by a system consisting of different layers (in terms of their optical properties), the position of the SPR also depends on the thickness of the layers. In such a system, the location of the SPR depends on the product nd. An SPR sensor is suitable for measuring the position of the resonance and, in kinetic sensors, for determining its displacement as a function of time.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Detektion der Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz sowie ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen, das sich durch einen einfachen und preiswerten Aufbau und eine optimale Auflösung mit hoher Meßgenauigkeit auszeichnet.The present invention has for its object to provide a device for detecting the displacement of a surface plasmon resonance and an associated method, which is characterized by a simple and inexpensive structure and an optimal resolution with high measurement accuracy.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Patentansprüche .This object is achieved with the features of the claims.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen SPR-Sensor, der auf der winkelaufgelösten Vermessung der SPR beruht (Fig. 1) . Der beschriebene SPR-Sensor verwendet eine Lichtquelle (1) die von einem Linsensystem (la) mit einem angepaßten Öffnungswinkel α auf die SPR erzeugende Oberfläche (2b) im SPR- Transducer (2) fokussiert wird. Bei den entsprechenden im Stand der Technik beschriebenen Geräten wird das reflektierte Licht mit Hilfe eines ortsauflösenden Photodetektors (3) - beispielsweise einer CCD-Kamera oder einem CCD-Array oder einem Photodiodenarray - detektiert. Die Auswertung des Kamerabildes mit einer Auswerteeinheit (4) - in der Regel unter Nutzung der Pixelinformation und interpolativer Techniken - gestattet die Bestimmung der Lage der SPR und damit bei zeitaufgelöster Messung ihrer Verschiebung als Funktion der Zeit. Oft wird die Lage der SPR durch einen Parameter, nämlich die Lage des Minimums der Reflektion beschrieben. Die Kamerainformation wird mit Hilfe entsprechender Anpassungsalgorithmen dementsprechend ausgewertet. Führen nun Änderungen der Eigenschaften des an die SPR tragende Oberfläche (2) angrenzenden Volumens und/oder dieser Oberfläche selbst zu einer Änderung der Lage der SPR, so kann diese Änderung gemessen werden. Auf diese Art können Sensoren für den Brechungsindex n eines Mediums, die Dicke d einer angrenzenden Schicht, bei konstantem Brechungsindex n in dieser Schicht, oder auch Sensoren für bestimmte Spezies aufgebaut werden, wenn entweder die Dicke d einer angrenzenden Schicht oder ihr Brechungsindex n oder beide Größen durch spezifische Anlagerung der genannten Spezies verändert werden. Diese Art Sensor wird als Affinitätssensor in der Biotechnologie eingesetzt.The present invention relates to an SPR sensor which is based on the angularly resolved measurement of the SPR (FIG. 1). The SPR sensor described uses a light source (1) which is focused by a lens system (la) with an adapted opening angle α onto the SPR-producing surface (2b) in the SPR transducer (2). In the corresponding devices described in the prior art, the reflected light is detected with the aid of a spatially resolving photodetector (3) - for example a CCD camera or a CCD array or a photodiode array. The evaluation of the camera image with an evaluation unit (4) - as a rule using pixel information and interpolative techniques - allows the position of the SPR to be determined and thus with time-resolved measurement of its displacement as a function of time. The position of the SPR is often described by a parameter, namely the position of the minimum of the reflection. The camera information is evaluated accordingly using appropriate adaptation algorithms. If changes in the properties of the volume adjacent to the SPR-carrying surface (2) and / or this surface itself lead to a change in the position of the SPR, this change can be measured. In this way, sensors for the refractive index n of a medium, the thickness d of an adjacent layer, with a constant refractive index n in this layer, or sensors for specific species can be constructed if either the thickness d of an adjacent layer or its refractive index n or both Sizes can be changed by specific attachment of the species mentioned. This type of sensor is used as an affinity sensor in biotechnology.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, ein SPR-Sensor bereitgestellt, der mit Hilfe einer optimalen Winkelauflösung des Detektors (3) dazu in der Lage ist, Verschiebungen der Oberflächenplasmonenresonanz zu vermessen. Dabei soll gleichzeitig ein möglichst großer Bereich der möglichen Verschiebung der SPR abgedeckt werden - d. h. es soll mit optimaler Auflösung größtmögliche Dynamik erzielt werden.According to the present invention, an SPR sensor is provided which, with the aid of an optimal angular resolution of the detector (3), is able to measure shifts in the surface plasmon resonance. At the same time, the largest possible area of possible displacement of the SPR should be covered - d. H. the greatest possible dynamics should be achieved with optimal resolution.
Ein Meßsystem zur Bestimmung der Verschiebung der Oberflächenplasmonenresonanz, das diese Forderungen erfüllt, kann in einer ersten Ausführungsform der Erfindung auf der Basis von kommerziell erhältlichen Standard-Photodetektoren aufgebaut sein.In a first embodiment of the invention, a measuring system for determining the shift in the surface plasmon resonance that meets these requirements can be constructed on the basis of commercially available standard photodetectors.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung verwendet spezielle an die Meßaufgabe angepasste Photodetektoren, die eine Erhöhung der Sensitivität der Messung ohne Verlust an dynamischem Bereich ermöglichen. In einer dritten Ausführungsform wird mit Hilfe einer angepaßten Einkopplungsoptik die Sensitivität optimiert, indem der integrale Charakter der Ausführungsformen 1 und 2 aufgelöst wird.A second embodiment of the invention uses special photodetectors adapted to the measuring task, which enable an increase in the sensitivity of the measurement without loss of the dynamic range. In a third embodiment, the sensitivity is optimized with the aid of an adapted coupling optics, by dissolving the integral character of embodiments 1 and 2.
Mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird die Auflösung digitaler Intensitätsmessungen verbessert. Dabei wird die Auflösung der Intensitätsmessung soweit erhöht, daß das Rauschen der Lichtquelle bzw. das Schrotrauschen des im Detektor erzeugten Photostroms die bestimmenden Größen sind.A fourth embodiment of the invention improves the resolution of digital intensity measurements. The resolution of the intensity measurement is increased to such an extent that the noise of the light source or the shot noise of the photocurrent generated in the detector are the determining variables.
Eine fünfte Ausführungsform des beschriebenen Sensors integriert die hochsensitive winkelaufgelöste, eine sechste Ausführungsform die hochsensitive wellenlängenaufgelöste Messung der SPR-Verschiebung mit der integralen Methode die in den Ausführungsformen 1, 2 beschrieben wird.A fifth embodiment of the sensor described integrates the highly sensitive angle-resolved, a sixth embodiment integrates the highly sensitive wavelength-resolved measurement of the SPR shift using the integral method described in the embodiments 1, 2.
In einer siebten Ausführungsform wird das gefundene Prinzip auf die wellenlängenauflöste Bestimmung der Verschiebung der Oberflächenplasmonenresonanz übertragen.In a seventh embodiment, the principle found is transferred to the wavelength-resolved determination of the shift in the surface plasmon resonance.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und der Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of examples and the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Anordnung eines SPR-Sensors,1 shows a schematic arrangement of an SPR sensor,
Fig. 2a-h Diagramme, die die Abhängigkeit der Intensität in Bezug auf die Lage des Plasmons bzw. der Lage des Minimums der Resonanz für verschiedene Detektorbreiten und Startwinkel, Fig. 3 ein Diagramm mit der Abhängigkeit der Sensitivität in Bezug zum Minimumwinkel,2a-h diagrams showing the dependence of the intensity in relation to the position of the plasmon or the position of the minimum of the resonance for different detector widths and start angles, 3 shows a diagram with the dependence of the sensitivity in relation to the minimum angle,
Fig. 4a ein Diagramm mit der Abhängigkeit des dynamischen Bereichs bei Mindestsensitivität in Bezug auf die Breite des Detektors,4a shows a diagram with the dependency of the dynamic range with minimum sensitivity in relation to the width of the detector,
Fig. 4b ein Diagramm mit der Abhängigkeit der Max-Min-Sen- sitivität von der Breite des Detektors,4b shows a diagram with the dependence of the max-min sensitivity on the width of the detector,
Fig. 5a-c Diagramme mit dem Intensitätsverlauf bei einer Anordnung mit zwei Detektorsegmenten sowie der zugehörigen Sensitivität,5a-c diagrams with the intensity curve in an arrangement with two detector segments and the associated sensitivity,
Fig. 6 ein Diagramm mit dem Intensitätsverlauf bei einem System, bei dem zwei in sich parallele Lichtstrahlen verwendet werden,6 shows a diagram with the intensity curve in a system in which two parallel light beams are used,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Transducers,7 shows a schematic illustration of a transducer,
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines SPR-Sensors,8 shows a schematic illustration of a preferred embodiment of an SPR sensor,
Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinrichtung,9 is a block diagram of an evaluation device,
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer verbesserten Ausführungsform der Erfindung,10 is a schematic representation of an improved embodiment of the invention,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung,11 shows a schematic illustration of an alternative embodiment of the invention,
Fig. 12 ein Diagramm mit dem Intensitätsverlauf bei einer Anordnung mit zwei Lichtstrahlen verschiedener Wellenlänge, und Fig. 13 eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.12 shows a diagram with the intensity curve in an arrangement with two light beams of different wavelengths, and 13 shows a schematic illustration of a further preferred embodiment of the invention.
Ein Detektor minimaler Winkelauflösung weist ein photosensitives Element auf, das Licht aus einem bestimmten Winkelbereich empfängt. Der Winkelbereich wird charakterisiert durch seine absolute Lage und die Ausdehnung. Der Photosensor bestimmt die Intensität (W/m2) als Integral über die Strahldichte (W/mAsr).A detector with minimal angular resolution has a photosensitive element that receives light from a certain angular range. The angular range is characterized by its absolute position and its extent. The photosensor determines the intensity (W / m 2 ) as an integral over the radiance (W / mAsr).
Wird ein Oberflächenplasmon über diesen Bereich verschoben, ergibt sich eine Abhängigkeit dieses Integrals von der Lage des Plasmons bzw. von der Lage des Minimums der Resonanz (Fig.2a-h) . Die in Fig.2b, d, f, h gezeigten Funktionen sind nahezu konstant solange das Plasmon außerhalb des Detek- tionsbereiches des Photosensors liegt, streben dann einem Minimum zu, steigen dann wieder an und werden wieder nahezu konstant. Sie ergeben sich als Faltungsintegral zwischen der Funktion der Oberflächenplasmonenresonanz und der Apparatefunktion - in diesem Fall der Rechteckfunktion (idealisiert) die Form und Sensitivität des Detektors wiedergibt. Für die entsprechenden Berechnungen wurden die Fresnel' sehen Formeln für die Reflektion von Licht an Systemen dünner Schichten in einem Matrixformalismus (Johnston Lit 4) zur Berechnung der reflektierten Intensität in einem Oberflächenplasmonenreso- nanzsensor verwendet. Die Schärfe des Minimums kann durch Änderung der Breite des Integrationsbereiches, d. h. der Ausdehnung des Detektors variiert werden. Optimal ist die Schärfe des Minimums dann, wenn die Breite des Detektors möglichst schmal gewählt wird, die Apparatefunktion also eine δ-Funktion ist. Dies ist auch dasjenige System, das optimale Sensitivität bei der Bestimmung der Verschiebung der SPR gestattet. Sensitivität ist hier definiert als Verhält- nis der Änderung des Detektorsignals zur Verschiebung derIf a surface plasmon is moved over this area, this integral is dependent on the position of the plasmon or on the position of the minimum of the resonance (FIGS. 2a-h). The functions shown in FIG. 2b, d, f, h are almost constant as long as the plasmon is outside the detection range of the photosensor, then strive for a minimum, then rise again and become almost constant again. They result as a folding integral between the function of the surface plasmon resonance and the apparatus function - in this case the rectangular function (idealized) reflects the shape and sensitivity of the detector. For the corresponding calculations, the Fresnel formulas for the reflection of light on systems of thin layers in a matrix formalism (Johnston Lit 4) were used to calculate the reflected intensity in a surface plasmon resonance sensor. The sharpness of the minimum can be varied by changing the width of the integration area, ie the extent of the detector. The sharpness of the minimum is optimal if the width of the detector is chosen to be as narrow as possible, that is to say the apparatus function is a δ function. This is also the system that allows optimal sensitivity in determining the displacement of the SPR. Sensitivity is defined here as a ratio nis the change in the detector signal to shift the
Plasmonenresonanz (Fig. 3) . Dabei wird die Verschiebung derPlasmon resonance (Fig. 3). The shift of the
Plasmonenresonanz durch die Änderung des Minimumswinkels beschrieben.Plasmon resonance is described by changing the minimum angle.
In realen Meßsystemen, die die SPR-Verschiebung bestimmen sollen, ist jedoch nicht allein die Sensitivität des Systems von Interesse, sondern auch der dynamische Bereich des Meßsystems. Der dynamische Bereich soll im folgenden als derjenige Bereich definiert sein, der eine eindeutige Zuordnung von Signaländerung zu Plasmonenresonanz-Verschiebung mit einer Mindestsensitivität Sraιn gestattet. Eindeutige Bestimmung der Verschiebung bedeutet ausdrücklich, daß sowohl der Betrag, als auch die Richtung der Verschiebung der Plasmonenresonanz aus dem Meßsignal ermittelt werden kann.In real measuring systems, which are supposed to determine the SPR shift, not only the sensitivity of the system is of interest, but also the dynamic range of the measuring system. The dynamic range is to be defined in the following as the range which allows a clear assignment of signal change to plasmon resonance shift with a minimum sensitivity S raιn . Unambiguous determination of the shift expressly means that both the amount and the direction of the shift in the plasmon resonance can be determined from the measurement signal.
Aus den Figuren 2a-f und 3 wird deutlich, daß die Funktion keine eindeutige Bestimmung der Lage des Plasmons über den gesamten gezeigten Bereich gestattet. Vielmehr ist der nutzbare Bereich lediglich derjenige, in dem die erste Ableitung des gezeigten Signals (Fig.3) nicht Ihr Vorzeichen wechselt und mindestens einen absoluten Wert größer einer Grenze Smιn hat, die von der Meßauflösung des Systems und der gewünschten Auflösung in der Bestimmung der SPR-Verschiebung, letz- lich also vom gewünschten Signal/Rauschen-Verhältnis abhängt. In Fig. 4a, b sind der dynamische Bereich (Fig. 4a) und die maximale Sensitivität (Fig. 4b) des Meßsystems abhängig von der Breite des vom Detektor erfaßten Winkelbereiches bei einem Startwinkel - kleinster vom Detektor erfass- ter Reflektionswinkel - von 71° dargestellt. Maximale Sensitivität und maximaler dynamischer Bereich werden bei einer Detektorbreite von ca. 2° erreicht. Da das Signal als Faltungsintegral zwischen Resonanzkurve und Detektor aufgefaßt werden muß, ist der dynamische Bereiche immer direkt von der Breite der Resonanz selbst abhängig. In realen Meßsystemen reicht die vom beschriebenen System zur Verfügung gestellte Dynamik nicht aus. Die maximale Ausdehnung des dynamischen Bereiches bei einer geforderten Mindestsensitivität von ca. 0,1/° beträgt in dem beschriebenen System ca. 3,5° Minimumsverschiebung.It can be seen from FIGS. 2a-f and 3 that the function does not allow a clear determination of the position of the plasmon over the entire area shown. Rather, the usable range is only that in which the first derivative of the signal shown (FIG. 3) does not change its sign and has at least one absolute value greater than a limit S min which depends on the measurement resolution of the system and the desired resolution in the determination the SPR shift, ultimately depends on the desired signal / noise ratio. 4a, b, the dynamic range (FIG. 4a) and the maximum sensitivity (FIG. 4b) of the measuring system are dependent on the width of the angular range detected by the detector at a start angle - smallest reflection angle detected by the detector - of 71 ° shown. Maximum sensitivity and maximum dynamic range are achieved with a detector width of approx. 2 °. Since the signal has to be understood as a convolution integral between the resonance curve and the detector, the dynamic range is always directly from the Width of the resonance itself. The dynamic provided by the system described is not sufficient in real measuring systems. The maximum extension of the dynamic range with a required minimum sensitivity of approx. 0.1 / ° in the described system is approx. 3.5 ° minimum shift.
Für den Einsatz in realen Sensoren ist dieser Bereich zu klein. Er kann durch den Einsatz eines zweiten benachbarten unabhängigen Sensors um ca. einen Faktor 3 erweitert werden. Eine erste Ausführungsform der Erfindung verwendet 2 unmittelbar benachbarten Photosensoren - sogenannte 2-Segment Photodioden - als Detektoren. Hier sind 2 Photodioden derart angeordnet, das sie nur durch einen sehr kleinen Bereich - das so genannte Gap - getrennt sind. Bei gängigen 2-Segment Photodioden ist das Gap ca. 10 p - 100 μm breit. Die beiden Photodioden arbeiten nahezu unabhängig, d. h. ohne Übersprechen, voneinander. Entsprechende Sensoren werden in der Regel für Zentrierungsaufgaben verwendet. Z. B. werden sie zur Beobachtung eines Lichtzeigers in der Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic Force Mikroskopy - AFM) eingesetzt, um die Auslenkung der Mikroskopspitze zu messen. Bei diesen Aufgaben ist die Arbeitsweise derart, daß die Position des Zentrums eines Lichtstrahls, d.h. des Maximums der Intensität bestimmt wird. Oft werden im Rahmen dieser Anwendung nicht 2-Segment sondern 4-Segment-Photodioden eingesetzt, die es gestatten, die Position des Lichtzeigers entlang zweier unabhängiger Achsen zu bestimmen. Im Falle der vorliegenden Erfindung wird nicht wie im Stand der Technik beschrieben, die Position eines Beleuchtungsmaximums, sondern die eines Beleuchtungsminimums bestimmt. Überraschender Weise kann mit Hilfe eines 2-Segment Photodetektors die Position und die Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz bestimmt werden. Diese Aufgabe erfordert die Einführung neuer Verfah- ren und unterscheidet sich grundsätzlich von der im Stand der Technik beschriebenen Anwendung von 2- oder Mehrsegment Photodioden. Die von einer Verschiebung einer SPR (Fig 5a) herrührenden Signalverläufe (Fig5b) , der beiden unabhängigen Photodiodenströme eines 2-Segment Photodiodensensors und die resultierenden Sensitivitäten (Fig. 5c) werden in Figur 5a-c gezeigt. In Fig. 5b wird deutlich, daß beide Signale phasenverschoben um genau die Breite eines Segmentes plus des halben Gaps auftreten. Bei geeigneter Wahl der Breite des gesamten Detektors - genauer, der Breite des vom Detektor erfaßten Winkelbereiches - kann gewährleistet werden, daß mindestens die Sensitivität eines Detektorsignals dem Betrage nach größer ist, als die oben geforderte Mindestsensitivität. Diese Tatsache, und die Möglichkeit der Kombination der Informationen beider Detektoren, ermöglichen eine eindeutige Bestimmung der Verschiebung der Plasmonenresonanz über einen Bereich, der ca. die dreifache Ausdehnung des entsprechenden dynamischen Bereiches eines einzelnen Detektors hat. Dies wird in Fig. 5c deutlich. Durch Kombination der Information beider Signale erhält man eine eindeutige Beschreibung der Verschiebung der Position der SPR, solange sich die SPR derart innerhalb des Meßbereiches mindestens einer der beiden Photodioden befindet, daß ein Änderung der Lage der SPR mit der oben bereits erläuterten gewünschten Genauigkeit bestimmt werden kann. Im hier gezeigten System ergibt sich jetzt der dynamische Bereich zu ca. 10° Minimumsverschiebung der Plasmonenresonanz. Das Gap innerhalb der 2-Segment Photodiode spielt keine signifikante Rolle, da es sehr klein gegenüber der Ausdehnung der einzelnen Photodioden in der interessierenden Richtung ist (lOum-lOOμm/ca. 1mm) .This area is too small for use in real sensors. It can be expanded by approximately a factor of 3 by using a second neighboring independent sensor. A first embodiment of the invention uses 2 immediately adjacent photosensors - so-called 2-segment photodiodes - as detectors. Here 2 photodiodes are arranged in such a way that they are only separated by a very small area - the so-called gap. With common 2-segment photodiodes, the gap is approx. 10 p - 100 μm wide. The two photodiodes work almost independently of one another, ie without crosstalk. Appropriate sensors are usually used for centering tasks. For example, they are used to observe a light pointer in atomic force microscopy (AFM) to measure the deflection of the microscope tip. For these tasks the mode of operation is such that the position of the center of a light beam, ie the maximum of the intensity, is determined. Often, 2-segment but 4-segment photodiodes are used in this application, which allow the position of the light pointer to be determined along two independent axes. In the case of the present invention, the position of an illumination maximum is not determined as described in the prior art, but that of an illumination minimum. Surprisingly, the position and the displacement of a surface plasmon resonance can be determined with the aid of a 2-segment photodetector. This task requires the introduction of new processes ren and differs fundamentally from the use of 2- or multi-segment photodiodes described in the prior art. The signal profiles (FIG. 5b) resulting from a shift of an SPR (FIG. 5a), the two independent photodiode currents of a 2-segment photodiode sensor and the resulting sensitivities (FIG. 5c) are shown in FIGS. 5a-c. In Fig. 5b it is clear that both signals occur out of phase by exactly the width of a segment plus half the gap. With a suitable choice of the width of the entire detector - more precisely, the width of the angular range detected by the detector - it can be ensured that at least the sensitivity of a detector signal is greater in amount than the minimum sensitivity required above. This fact, and the possibility of combining the information from both detectors, enable the displacement of the plasmon resonance to be clearly determined over a range which is approximately three times the extent of the corresponding dynamic range of a single detector. This is clear in Fig. 5c. By combining the information from both signals, a clear description of the shift in the position of the SPR is obtained as long as the SPR is within the measuring range of at least one of the two photodiodes in such a way that a change in the position of the SPR can be determined with the desired accuracy already explained above . In the system shown here, the dynamic range for approximately 10 ° minimum shift of the plasmon resonance now results. The gap within the 2-segment photodiode does not play a significant role, since it is very small compared to the expansion of the individual photodiodes in the direction of interest (100 μm / approx. 1 mm).
Überraschenderweise erreicht man durch Verwendung eines größeren Gaps bei Beibehaltung der äußeren Grenzen des Meßbereiches eine Schärfung der betrachteten Signale, als eine Erhöhung der Sensitivität ohne Informationsverlust. Die zweite Ausführungsform der Erfindung enthält entsprechend einen angepaßten Photodetektor - genauer eine Anordnung von zwei Photodioden, die durch ein an die Meßaufgabe angepass- tes Gap voneinander getrennt sind. Dabei kann das Gap ca. die doppelte Größe eines einzelnen Detektors erreichen. Genauer muß die Ausdehnung des Gaps entsprechend der Form und Ausdehnung der untersuchten Plasmonenresonanz gewählt werden. Die Sensitivität kann bis um den Faktor 2 vergrößert werden. Bei gleichem optischen Aufbau, d.h. bei Verwendung des gleichen Strahlprofils erhält man so eine Steigerung der Nachweisempfindlichkeit um den Faktor 20'5 wenn das Meßsystem schrotrauschbegrenzt arbeitet. Ändert man den optischen Aufbau so, daß das Strahlprofil derart ist, daß die volle Intensität auf die empfindlichen Photodetektoren fällt, ist der Gewinn an Nachweisempfindlichkeit der volle Faktor 2.Surprisingly, by using a larger gap while maintaining the outer limits of the measuring range, the signals under consideration are sharpened as one Increase sensitivity without loss of information. The second embodiment of the invention accordingly contains an adapted photodetector - more precisely an arrangement of two photodiodes, which are separated from one another by a gap adapted to the measurement task. The gap can reach twice the size of a single detector. More precisely, the extent of the gap must be chosen according to the shape and extent of the plasmon resonance examined. The sensitivity can be increased by a factor of 2. With the same optical structure, ie when using the same beam profile, the detection sensitivity is increased by a factor of 2 0 ' 5 if the measuring system operates with limited shot noise. If you change the optical structure so that the beam profile is such that the full intensity falls on the sensitive photodetectors, the gain in detection sensitivity is a full factor of 2.
In den Ausführungsformen 1, 2 wird zur Einkopplung des Lichtes auf die SPR-tragende Oberfläche eine fokussierende Optik verwendet. Das auf die Transduceroberflache eingestrahlte Licht überdeckt einen Winkelbereich entsprechend der Apertur des auf die fokussierende Optik fallenden Lichtes und deren Fokallänge. Damit ist der Charakter der Signale der verwendeten Photodetektoren immer ein integraler. Die Apparatefunktion ist in den beschriebenen System in Bezug auf die SPR ausgedehnt. Wird stattdessen zur Einkopplung kein fokus- sierendes System, sondern ein System verwendet, das zwei in sich paralelle Strahlen unter entsprechend der obigen Ausführungen angepaßten Einfallswinkeln in den Transducer einkoppelt, ist die jeweilige Apparatefunktion δ-förmig. Die entsprechenden Signale der Photodetektoren representieren die SPR an der Position der jeweiligen δ-Funktion (Fig. 6) . Verschiebungen der SPR können dann mit größtmöglicher Sensitivität bestimmt werden. Die in dieser Ausführungsform 3 verwendetet Einkopplungsoptik bzw. deren Funktion kann direkt vom Transducerprisma übernommen werden. Besonders vorzuziehen, ist die Verwendung eines Transducers (2) (Fig. 7), der sowohl die Funktionalität für die Einkopplung der Strahlung und die plasmonentragende Oberfläche zur Verfügung stellt und insgesamt als austauschbare Verbrauchskomponente in einem Biosensorsystem verwendet werden kann. Ein entsprechender Transducer kann auch in fokussierenden Systemen verwendet werden.In embodiments 1, 2, focusing optics are used to couple the light onto the SPR-bearing surface. The light radiated onto the transducer surface covers an angular range corresponding to the aperture of the light falling on the focusing optics and its focal length. The character of the signals of the photodetectors used is therefore always an integral one. The apparatus function is expanded in the systems described in relation to the SPR. If instead of a coupling system a focusing system is used instead, a system that couples two parallel beams into the transducer at angles of incidence adjusted according to the above explanations, the respective apparatus function is δ-shaped. The corresponding signals from the photodetectors represent the SPR at the position of the respective δ function (FIG. 6). Shifts in the SPR can then be determined with the greatest possible sensitivity. The third in this embodiment Coupling optics used or their function can be taken over directly by the transducer prism. It is particularly preferable to use a transducer (2) (FIG. 7) which provides both the functionality for coupling in the radiation and the plasmon-carrying surface and can be used overall as an exchangeable consumption component in a biosensor system. A corresponding transducer can also be used in focusing systems.
Die drei in den Ausführungsformen 1 - 3 beschriebenen Systeme gestatten mit einem dynamischen Bereich von ca. 10° Minimumsverschiebung in den betrachteten SPR-Systemen einen ausreichenden dynamischen Bereich zu überdecken. Die erreichbare Sensitivität ist mindestens so groß, wie die von den im Stand der Technik beschriebenen Systemen. Die Nachweisempfindlichkeit kann, sofern sie von der schrotrauschbe- grenzten Detektion des reflektierten Lichtes bestimmt wird, prinzipiell nur durch den Einsatz von Lichtquellen höherer Leistung verbessert werden. Insofern beschreibt die Erfindung das System, mit prinzipiell der größtmöglichen Sensitivität und gleichzeitig minimaler Auflösung zur Erreichung eines größtmöglichen dynamischen Bereiches bei der Detektion von Winkelverschiebungen resonanter Strukturen. Allgemeiner ausgedrückt, ist das beschriebene System dasjenige, das dazu in der Lage ist, Verschiebungen einer ausgedehnten Hell/Dunkel-Struktur im Ortsraum mit maximaler Dynamik und optimaler Auflösung zu ermitteln.The three systems described in the embodiments 1-3 allow a sufficient dynamic range to be covered with a dynamic range of approximately 10 ° minimum displacement in the SPR systems under consideration. The sensitivity that can be achieved is at least as great as that of the systems described in the prior art. Provided that it is determined by the shot noise-limited detection of the reflected light, the detection sensitivity can in principle only be improved by using light sources of higher power. In this respect, the invention describes the system, in principle with the greatest possible sensitivity and at the same time minimal resolution in order to achieve the largest possible dynamic range in the detection of angular displacements of resonant structures. In more general terms, the system described is the one that is able to determine displacements of an extended light / dark structure in the spatial area with maximum dynamics and optimal resolution.
Ist der dynamische Bereich des beschriebenen Systems nicht ausreichend, kann das System um eine bestimmte Anzahl Gap/Photodioden Kombinationen und im Ausführungsbeispiel 3 mit einer angepaßten Einkopplungsoptik oder einem entspre- chenden Transducer erweitert werden, um den letztlich interessierenden dynamischen Bereich zu überdecken.If the dynamic range of the system described is not sufficient, the system can be combined by a certain number of gap / photodiode combinations and, in exemplary embodiment 3, with adapted coupling optics or a corresponding appropriate transducer can be expanded to cover the ultimately interesting dynamic range.
Ist das Meßsystem nicht schrotrauschbegrenzt, so läßt sich durch Nutzung der Differenzinformation il-i2 in einer vierten, erweiterten Ausführungsform des Sensors (Fig. 8 und 9) , die im System gewonnene Information über die SPR-Verschiebung schrotrauschbegrenzt interpolieren, sofern die Rausch- terme im System, die über das Schrotrauschen hinausgehen auf der Lichtquellenseite zu suchen sind. Lichtquelle ist hier insbesondere bei kohärenten Lichtquellen der gesamte Lichtweg bis zum Detektor. Über das Schrotrauschen hinausgehende Rauschanteile sind sowohl im Licht des auf den ersten als auch den zweiten Detektor fallenden Teils der Strahlung vorhanden. Die Bildung der Differenz beider Signale insbesondere mit Hilfe einer analog-elektronischen Einheit, ist dazu in der Lage, ein rauschreduziertes - im Idealfall schrotrauschbegrenztes - Signal zur Verfügung zu stellen, das in dem oben beschriebenen Meßsystem zur schrotrauschbe- grenzten Interpolation des Verlaufs des Verschiebungssignals dienen kann. Eine solche schrotrauschbegrenzte Interpolation ist dann möglich, wenn die gemessenen Daten derart weiterverarbeitet werden, daß eine mathematische Funktion mit numerischen Methoden an die Verschiebungsfunktion angepaßt wird. Dies geschieht in biologischen SPR-Sensoren zur Ermittlung von kinetischer Information über den beobachteten Bindungsprozeß. Durch Verwendung der Differenzinformation kann die Genauigkeit der ermittelten kinetischen Konstanten verbessert werden. Der prinzipielle Aufbau eines entsprechenden Systems ist in Fig. 9 gezeigt. Die Ausführungsform 4 der beschriebenen Erfindung kann derart modifiziert werden, daß die Differenzbildung der beiden Photodetektorsignale mit einer Gewichtung erfolgt, wobei die Gewichte aus dem Betrag der beiden einzelnen Signale ermittelt werden. Die Rückkopp- lung der Gewichte kann mit Hilfe einer elektronischen Schaltung erfolgen.If the measuring system is not limited to shot noise, then by using the differential information il-i2 in a fourth, expanded embodiment of the sensor (FIGS. 8 and 9), the information obtained in the system about the SPR shift can be interpolated with limited shot noise, provided the noise terms in the system, which go beyond the shot noise on the light source side. The light source here is the entire light path up to the detector, particularly in the case of coherent light sources. Noise components beyond the shot noise are present in the light of the part of the radiation falling on the first and the second detector. The formation of the difference between the two signals, in particular with the aid of an analog-electronic unit, is able to provide a noise-reduced signal - ideally shot-noise-limited - which is used in the measuring system described above for shot-noise-limited interpolation of the course of the displacement signal can. Such interpolation, limited by shot noise, is possible if the measured data are further processed in such a way that a mathematical function is adapted to the displacement function using numerical methods. This is done in biological SPR sensors to determine kinetic information about the observed binding process. By using the difference information, the accuracy of the determined kinetic constants can be improved. The basic structure of a corresponding system is shown in FIG. 9. Embodiment 4 of the described invention can be modified in such a way that the difference between the two photodetector signals is weighted, the weights being determined from the magnitude of the two individual signals. The feedback The weights can be handled using an electronic circuit.
In einer fünften Ausführungsform wird das in den Ausfüh- rungsformen 1 und 2 beschriebene System auf direkte einfache Art und Weise mit einem System höchster Auflösung zur Erhöhung der Sensitivität verbunden (Fig. 10) . Kern dieser Kombination ist die Integration eines weiteren Detektors im Gap zwischen den beiden Detektoren des oben beschriebenen Systems und Formung des einfallenden Lichtstrahls derart, das der mittlere Teil des einfallenden Lichtstrahls ein paralel- les Lichtbündel mit einem Einfallswinkel entsprechend der Winkelhalbierenden zwischen den von den beiden äußeren Detektoren gemessenen Teilstrahlen bildet. Das Signal des mittleren Detektors läßt sich dann im Rahmen der obigen Terminologie entsprechend Ausführungsbeispiel 3 als Faltung zwischen der SPR und einer δ-Funktion beschreiben. Es repre- sentiert dementsprechend die SPR selbst und ermöglicht damit die Bestimmung der Verschiebung der SPR mit größtmöglicher Sensitivität.In a fifth embodiment, the system described in embodiments 1 and 2 is connected in a direct, simple manner with a system of the highest resolution to increase the sensitivity (FIG. 10). The core of this combination is the integration of a further detector in the gap between the two detectors of the system described above and the shaping of the incident light beam in such a way that the central part of the incident light beam is a parallel light beam with an angle of incidence corresponding to the bisector between the two outer ones Detectors forms partial beams. The signal of the middle detector can then be described in the context of the above terminology in accordance with embodiment 3 as a convolution between the SPR and a δ function. Accordingly, it represents the SPR itself and thus enables the displacement of the SPR to be determined with the greatest possible sensitivity.
In einer sechsten Ausführungsform (Fig. 11) gestattet das System außerdem die Kombination mit einer wellenlängenaufgelösten Bestimmung der Oberflächenplasmonenresonanz. Hier kann das System entsprechend der fünften Ausführungsform mit der hochsensitiven, auf der Durchstimmung der Wellenlänge des einfallenden Lichtes beruhenden Meßtechnik, die in der eigenen Anmeldung DE 196 50 899.1 (WO98/25130) beschrieben wird, kombiniert werden. Die Durchstimmung der Wellenlänge führt zu einer geringfügigen Verbreiterung der Apparatefunktion der beiden äußeren Detektoren. Die Verbreiterung hängt von der Größe des Intervalls ab, über das die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls variiert wird. Wird als Lichtquelle ein durchstimmbarer Diodenlaser mit einer Emissionswellenlänge von ca. 780 nm verwendet, ist die Breite des Durchstimmintervalles im Wellenlängenraum auf ca. lOnm - 15 nm beschränkt. Soll die Wellenlänge schnell verändert werden - ca. 1 kHz - 1 GHz Modulationsfrequenz mit Hilfe des Injektionsstrom.es des Diodenlasers - ist der Durchstimmbereich deutlich kleiner, (ca. 100 pm) . Die Modulation der Wellenlänge wird entsprechend im wesentlich vom mittleren Detektor aufgelöst und eine entsprechende Signalverarbeitung gestattet die Nutzung des vollen dynamischen Bereiches und gleichzeitig eine signifikante Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit des Systems.In a sixth embodiment (FIG. 11), the system also allows the combination with a wavelength-resolved determination of the surface plasmon resonance. Here, the system according to the fifth embodiment can be combined with the highly sensitive measurement technique based on tuning the wavelength of the incident light, which is described in the own application DE 196 50 899.1 (WO98 / 25130). Tuning the wavelength leads to a slight broadening of the apparatus function of the two outer detectors. The broadening depends on the size of the interval over which the wavelength of the incident light beam is varied. If a tunable diode laser with a When the emission wavelength of approx. 780 nm is used, the width of the tuning interval in the wavelength range is limited to approx. 10 nm - 15 nm. If the wavelength is to be changed quickly - approx. 1 kHz - 1 GHz modulation frequency using the injection current of the diode laser - the tuning range is significantly smaller (approx. 100 pm). The modulation of the wavelength is accordingly essentially resolved by the middle detector and a corresponding signal processing allows the use of the full dynamic range and at the same time a significant increase in the detection sensitivity of the system.
In allen beschriebenen Ausführungsformen können die Detektoren planare Detektoren sein, wie sie üblicherweise als Photodetektoren eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Winkelachse auf eine ebene räumliche Achse abgebildet. Werden die Detektoren nicht planar sondern auf einem Kreisbogen angeordnet, dessen Krümmung der Winkelachse angepaßt ist, entsprechen die Meßsignale in den entsprechenden Ausführungs- formen exakt den gezeigten berechneten Signalen.In all of the described embodiments, the detectors can be planar detectors, as are usually used as photodetectors. In this case, the angular axis is mapped onto a flat spatial axis. If the detectors are not arranged planar but on a circular arc, the curvature of which is adapted to the angular axis, the measurement signals in the corresponding embodiments correspond exactly to the calculated signals shown.
In allen beschriebenen Ausführungsformen kann eine Erweiterung auf mehrere Meßflecken erfolgen. Dies geschieht durch Anordnung der entsprechenden Detektoren entlang einer Achse senkrecht zur beschriebenen Verbindungsachse der verschiedenen Detektorgeometrien und Verwendung einer entsprechend an- gepassten Strahlformungsoptik. Insbesondere ist die Verwendung einer Zylinderlinse oder einer an die Ausführungsformen 4 und 5 angepaßten zylindrischen Optik zur Strahlformung möglich.In all of the described embodiments, it can be expanded to include several measuring spots. This is done by arranging the corresponding detectors along an axis perpendicular to the described connection axis of the different detector geometries and using a correspondingly adapted beam shaping optics. In particular, the use of a cylindrical lens or a cylindrical lens adapted to the embodiments 4 and 5 for beam shaping is possible.
Insbesondere die Ausführungsformen 1- 3 gestatten eine direkte Übertragung der bisher beschriebenen „Detektion der Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz mit opti a- ler Auflösung" von winkelauflösenden Messungen der SPR-Verschiebung auf entsprechende wellenlängenauflösenden Messungen, die zwei Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge verwenden (Fig. 12) . Die Lichtquellen, bzw. die Wellenlängen des von ihnen emittierten Lichtes werden derart ausgewählt, daß die Wellenlängen analog der Winkel in den entsprechenden winkelauflösenden Ausführungsformen bestimmt werden (Fig. 13). Z. B. ist die Verwendung einer Laserdioden mit einer kommerziell erhältlichen Wellenlänge von ca. 760 nm - 780 nm und einer Laserdiode mit einer Wellenlänge von ca. 830 nm möglich. Ebenso ist die Verwendung entsprechender Leuchtdioden möglich. Ebenfalls können breitbandige Lichtquellen mit entsprechenden spektralen Filtern verwendet werden. Die Strahlung der beiden Lichtquellen, allgemeiner die beiden verschiedenen Farben können zur Detektion entweder direkt durch entsprechende Einstrahlung oder durch Verwendung dis- persiver Elemente räumlich getrennt von zwei verschiedenen Detektoren gemessen werden, oder beide Farben können beispielsweise durch Lichtzerhacker oder bei Verwendung von LED oder Laserdioden durch Modulation der Injektionsströme mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen versehen werden. Beide Farben können dann mit einem Detektor gemessen und anschließend beispielsweise mit einem Lock-In Verstärker getrennt werden. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt analog der oben beschriebenen Verfahren.Embodiments 1-3 in particular allow a direct transmission of the “detection of the displacement of a surface plasmon resonance described above with opti- ler resolution "from angle-resolving measurements of the SPR shift to corresponding wavelength-resolving measurements which use two light sources of different wavelengths (FIG. 12). The light sources or the wavelengths of the light emitted by them are selected such that the wavelengths are analogous to the angle in the corresponding angle-resolving embodiments are determined (Fig. 13), for example the use of a laser diode with a commercially available wavelength of approximately 760 nm - 780 nm and a laser diode with a wavelength of approximately 830 nm is possible Broadband light sources with corresponding spectral filters can also be used. The radiation from the two light sources, more generally the two different colors, can be spatially separated for detection either by appropriate irradiation or by using dispersive elements ei different detectors can be measured, or both colors can be provided with different carrier frequencies, for example by light chopper or when using LED or laser diodes by modulating the injection currents. Both colors can then be measured with a detector and then separated, for example with a lock-in amplifier. The further signal processing is carried out analogously to the method described above.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden jeweils aufgrund von zwei Signalen Wertepaare ermittelt, mit denen das Produkt aus n x d eindeutig bestimmbar ist.In the embodiments described above, pairs of values are determined on the basis of two signals, with which the product of n x d can be uniquely determined.
Als typisches Beispiel einer Basis-Oberflächenplasmonenreso- nanz in einem Biosensor-System wird eine Messung herangezogen, bei der das Transducerprisma mit einem Freielektronen- metall (Gold) beschichtet ist und als Probenlösung reinesAs a typical example of a basic surface plasmon resonance in a biosensor system, a measurement is used in which the transducer prism with a free electron metal (gold) is coated and pure as a sample solution
Wasser (Brechungsindex = 1,33) verwendet wird. Water (refractive index = 1.33) is used.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Detektion der Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz mit einer Lichtquelle, einem Oberflächenplasmonenresonanztransducer, einer Detektoranordnung und einer Auswerteeinrichtung, wobei die Detektoranordnung mindestens ein Detektorabschnittpaar mit einem ersten Detektorabschnitt und einem zweiten Detektorabschnitt aufweist, wobei der erste Detektorabschnitt in einem Abstand von dem zweiten Detektorabschnitt angeordnet ist, jeder Detektorabschnitt ein Detektorsignal ausgibt, wobei die Lage der Detektoranordnung bezogen auf das von dem Oberflächenplasmo- nenresonanztransducer reflektierte Licht so gewählt wird, daß die Auswerteeinrichtung aus der Kombination der Detektorsignale von beiden Detektorabschnitten die Position und die Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz bestimmen kann.1. Device for detecting the displacement of a surface plasmon resonance with a light source, a surface plasmon resonance transducer, a detector arrangement and an evaluation device, wherein the detector arrangement has at least one pair of detector sections with a first detector section and a second detector section, the first detector section being arranged at a distance from the second detector section is, each detector section outputs a detector signal, the position of the detector arrangement in relation to the light reflected by the surface plasmon resonance transducer being selected such that the evaluation device can determine the position and the shift of a surface plasmon resonance from the combination of the detector signals from both detector sections.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Detektorabschnitt das von dem Transducer reflektierte Licht in einem bestimmten Winkelbereich empfängt und das Detektorsignal jedes Detektorabschnitts jeweils der Intensität als Integral über die Strahldichte für den zugehörigen Winkelbereich entspricht.2. The apparatus of claim 1, wherein each detector section receives the light reflected by the transducer in a certain angular range and the detector signal of each detector section corresponds to the intensity as an integral over the radiance for the associated angular range.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Breite eines Detektorabschnitts so gewählt wird, daß der Detektorabschnitt reflektiertes Licht aus einem Winkelbereich empfängt, dessen Größe in Bezug auf die Winkeldifferenz Wd zwischen dem Resonanzwinkel beim Minimum und dem größeren Winkel beim Mittelwert einer Basis-Oberflächen- plasmonenresonanz, im Bereich von 0,25 Wd bis 2 Wd, vorzugsweise 0,25 Wd bis 1 Wd und besonders bevorzugt 0,25 Wd bis 0, 5 Wd liegt.3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the width of a detector section is selected so that the detector section receives reflected light from an angular range, the size of which in relation to the angular difference Wd between the resonance angle at the minimum and the larger angle at the mean of a base Surface plasmon resonance is in the range from 0.25 Wd to 2 Wd, preferably 0.25 Wd to 1 Wd and particularly preferably 0.25 Wd to 0.5 Wd.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der von einem Detektorabschnitt erfaßte Winkelbereich 1 bis 8°, vor- zugsweise 1 bis 4° und besonders bevorzugt 1 bis 2° beträgt.4. Apparatus according to claim 2 or 3, wherein the angular range detected by a detector section 1 to 8 °, pre- is preferably 1 to 4 ° and particularly preferably 1 to 2 °.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Detektorabschnitt einem Winkelbereich entspricht, dessen Größe im Verhältnis zur Größe des von einem Detektorabschnitt erfaßten Winkelbereichs im Bereich von 1:250 bis 10:1, vorzugsweise 1:10 bis 2:1, besonders bevorzugt 1:2 bis 1:1 liegt.5. Device according to one of claims 2 to 4, wherein the distance between the first and the second detector section corresponds to an angular range, the size of which in relation to the size of the angular range detected by a detector section in the range of 1: 250 to 10: 1, preferably 1 : 10 to 2: 1, particularly preferably 1: 2 to 1: 1.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lage und die Breite jedes Detektorabschnitts und des Ab- stands so gewählt wird, daß in einem für eine Messung bestimmten Winkelbereich das Detektorsignal des ersten und/oder des zweiten Detektorabschnitts eine normierte Sensitivität hat, die dem Betrag nach größer ist als eine normierte Mindestsensitivität, wobei die normierte Sensitivität das Verhältnis der Änderung des normierten Detektorsignals eines Detektorabschnitts zu einer Verschiebung der Plasmonenresonanz (in Grad) ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, wherein the position and the width of each detector section and the distance is selected such that the detector signal of the first and / or of the second detector section has a normalized sensitivity in an angular range determined for a measurement which is greater in magnitude than a normalized minimum sensitivity, the normalized sensitivity being the ratio of the change in the normalized detector signal of a detector section to a shift in the plasmon resonance (in degrees).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die normierte Mindestsensitivität mindestens 0,05 pro Grad, vorzugsweise mindestens 0,1 pro Grad beträgt.7. The device according to claim 6, wherein the normalized minimum sensitivity is at least 0.05 per degree, preferably at least 0.1 per degree.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem dritten Detektorabschnitt, der mit dem zweiten Detektorabschnitt ein zweites Detektorabschnittpaar bildet.8. Device according to one of claims 1 to 7, with a third detector section, which forms a second detector section pair with the second detector section.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jeder Detektorabschnitt einen Photosensor, vorzugsweise eine Photodiode aufweist.9. Device according to one of claims 1 to 8, wherein each detector section has a photosensor, preferably a photodiode.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zwischen der Lichtquelle und dem Oberflächenplasmonenreso- nanztransducer eine optische Einrichtung angeordnet ist, die das Licht - vorzugsweise in der Einfallsebene - auf die Oberfläche des Transducers fokussiert, wobei vorzugsweise ein Winkelbereich überdeckt wird, der entsprechend der Appertur der fokussierenden optischen Einrichtung und der Fokallänge wählbar ist.10. Device according to one of claims 1 to 9, wherein an optical device is arranged between the light source and the surface plasmon resonance transducer, which - preferably in the plane of incidence - on the light focuses the surface of the transducer, preferably covering an angular range which can be selected in accordance with the aperture of the focusing optical device and the focal length.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die optische Einrichtung ein Linsensystem aufweist, das den auf den Transducer einfallenden Lichtstrahl derart formt, daß ein mittlerer Teil des einfallenden Lichtstrahls - vorzugsweise in der Einfallsebene - ein paralleles Lichtbündel bildet, wobei die Detektoranordnung einen weiteren Detektorabschnitt aufweist, der zwischen den Detektorabschnitten eines Detektorabschnittpaars angeordnet ist, wobei der weitere Detektorabschnitt das parallele Lichtbündel empfängt und die beiden äußeren Detektorabschnitte die Teilstrahlen empfangen.11. The device according to one of claims 1 to 10, wherein the optical device comprises a lens system which forms the light beam incident on the transducer in such a way that a central part of the incident light beam - preferably in the plane of incidence - forms a parallel light bundle, the detector arrangement has a further detector section, which is arranged between the detector sections of a pair of detector sections, the further detector section receiving the parallel light beam and the two outer detector sections receiving the partial beams.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Einfallswinkel des mittleren Teils des einfallenden Lichtstrahls der Winkelhalbierenden zwischen den von den beiden äußeren Detektorabschnitten gemessenen Teilstrahlen entspricht.12. The apparatus of claim 11, wherein the angle of incidence of the central part of the incident light beam corresponds to the bisector between the partial beams measured by the two outer detector sections.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Lichtquelle wellenlängenmoduliert wird und das Detektorsignal des weiteren Detektorabschnitts einem De odulator zugeführt wird, dessen Ausgangssignal an die Auswerteeinheit geliefert wird.13. The apparatus of claim 11 or 12, wherein the light source is wavelength modulated and the detector signal of the further detector section is fed to a de odulator, the output signal of which is supplied to the evaluation unit.
14. Vorrichtung zur Detektion der Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz mit einer Lichtquelle, mit einer optischen Einrichtung, einem Oberflächenplasmonen- resonanztransducer, einer Detektoranordnung und einer Auswerteeinrichtung, wobei mindestens ein Lichtstrahlpaar auf die Transduceroberfläche gerichtet wird, das einen ersten und einen zweiten in sich parallelen Lichtstrahl aufweist, und daß der erste und der zweite Lichtstrahl miteinander einen Winkel einschließen, und die reflektierten Lichtstrahlen von der Detektoranordnung empfangen werden, wobei die Lage des Lichtstrahlenpaars bezogen auf das von dem Oberflächenplasmonenresonanz- transducer reflektierte Licht so gewählt wird, daß die Auswerteeinrichtung aus der Kombination der Detektorsignale entsprechend den beiden Lichtstrahlen die Position und die Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz bestimmen kann.14. Device for detecting the displacement of a surface plasmon resonance with a light source, with an optical device, a surface plasmon resonance transducer, a detector arrangement and an evaluation device, wherein at least one pair of light beams is directed onto the transducer surface, which has a first and a second parallel light beam , and that the first and the second light beam form an angle with one another, and the reflected light beams are received by the detector arrangement, the position of the light beam pair relative to the light reflected by the surface plasmon resonance transducer being selected so that the evaluation device can determine the position and the shift of a surface plasmon resonance from the combination of the detector signals corresponding to the two light beams.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Detektoranordnung einen ersten Detektorabschnitt aufweist, der das reflektierte Licht des ersten Lichtstrahls empfängt und einen zweiten Detektorabschnitt aufweist, der das reflektierte Licht von dem zweiten Lichtstrahl empfängt.15. The apparatus of claim 14, wherein the detector assembly includes a first detector section that receives the reflected light of the first light beam and a second detector section that receives the reflected light from the second light beam.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei beide Lichtstrahlen eine jeweils modulierte Intensität aufweisen, und das Detektorsignal der Detektoranordnung einem Demodulator zugeführt wird, dessen Ausgangssignale den beiden reflektierten Lichtstrahlen entsprechen.16. The apparatus of claim 14, wherein both light beams have a modulated intensity, and the detector signal of the detector arrangement is fed to a demodulator, the output signals of which correspond to the two reflected light beams.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Detektorsignal bezogen auf den ersten bzw. zweiten Lichtstrahl der Intensität des reflektierten Lichts für den zugehörigen Winkel entspricht.17. Device according to one of claims 14 to 16, wherein the detector signal based on the first or second light beam corresponds to the intensity of the reflected light for the associated angle.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Winkel in dem der erste Lichtstrahl auf die Trans- duceroberfläche gerichtet ist bezogen auf die Basis- Oberflächenplasmonenresonanz um einen Abstand größer ist als der Resonanzwinkel beim Minimum und dieser Abstand im Bereich von 0,25 Wd bis 2 Wd, vorzugsweise 0,5 Wd bis 1,5 Wd, besonders bevorzugt 1 Wd, liegt, und wobei der Winkelunterschied zum zweiten Teilstrahl im Bereich von 0,25 Wd bis 2 Wd, vorzugsweise 0,25 Wd bis 1 Wd, besonders bevorzugt bei 0,25 bis 0,5 Wd, liegt, wobei Wd die Winkeldifferenz zwischen dem Resonanzwinkel und dem größeren Winkel für den Mittelwert bezogen auf eine Ba- sis-Oberflächenplasmonenresonanz ist .18. Device according to one of claims 14 to 17, wherein the angle at which the first light beam is directed onto the transducer surface, based on the base surface plasmon resonance, is larger by a distance than the resonance angle at the minimum and this distance is in the range of 0, 25 Wd to 2 Wd, preferably 0.5 Wd to 1.5 Wd, particularly preferably 1 Wd, and the angle difference to the second partial beam in the range from 0.25 Wd to 2 Wd, preferably 0.25 Wd to 1 Wd , particularly preferably 0.25 to 0.5 Wd, where Wd is the angle difference between the resonance angle and the larger angle for the mean value based on a base sis surface plasmon resonance.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei ein dritter Lichtstrahl auf die Transduceroberfläche gerichtet wird, und der dritte Lichtstrahl zusammen mit dem zweiten Lichtstrahl ein zweites Lichtstrahlpaar bildet.19. Device according to one of claims 14 to 18, wherein a third light beam is directed onto the transducer surface, and the third light beam forms a second pair of light beams together with the second light beam.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei der Oberflächenplasmonenresonanztransducer ein Prisma aufweist, an dessen Grundfläche eine oberflächenplasmo- nenresonanzerzeugende Schichtstruktur angeordnet ist und wobei das Prisma in Bezug auf eine zur Schichtstruktur senkrechte Ebene eine Form aufweist, die an jeder Seite zwei oder drei im unterschiedlichen Winkel hierzu verlaufende Flächen aufweist.20. Device according to one of claims 14 to 19, wherein the surface plasmon resonance transducer has a prism, on the base of which a surface plasmon resonance-producing layer structure is arranged, and wherein the prism has a shape with respect to a plane perpendicular to the layer structure, which has two or has three surfaces running at different angles to it.
21. Vorrichtung zur Detektion der Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz mit einem Lichtquellenpaar, einem Oberflächenplasmonenresonanztransducer, einer Detektoranordnung und einer Auswerteeinrichtung, wobei eine erste Lichtquelle einen Lichtstrahl mit einer ersten Wellenlänge und eine zweite Lichtquelle einen Lichtstrahl mit einer zweiten Wellenlänge auf den Ober- flächenplasmonenresonanztransducer ausgibt, wobei der Unterschied zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge bezogen auf das von dem Oberflächen- plasmonenresonanztransducer reflektierte Licht so gewählt wird, daß die Detektoranordnung jeweils Detektorsignale entsprechend der ersten bzw. zweiten Wellenlänge ausgibt, und daß die Auswerteeinrichtung aus der Kombination der Detektorsignale die Position und die Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz bestimmen kann.21. Device for detecting the displacement of a surface plasmon resonance with a pair of light sources, a surface plasmon resonance transducer, a detector arrangement and an evaluation device, wherein a first light source outputs a light beam with a first wavelength and a second light source outputs a light beam with a second wavelength on the surface plasmon resonance transducer, wherein the difference between the first wavelength and the second wavelength, based on the light reflected by the surface plasmon resonance transducer, is selected such that the detector arrangement outputs detector signals corresponding to the first or second wavelength, and that the evaluation device uses the combination of the detector signals to determine the position and can determine the shift in surface plasmon resonance.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Detektorsignal jeweils der Intensität des reflektierten Lichts für die zugehörige Wellenlänge entspricht. 22. The apparatus of claim 21, wherein the detector signal corresponds in each case to the intensity of the reflected light for the associated wavelength.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Detektoranordnung einen ersten Detektorabschnitt aufweist, der das reflektierte Licht des ersten Lichtstrahls empfängt und einen zweiten Detektorabschnitt aufweist, der das reflektierte Licht von dem zweiten Lichtstrahl empfängt .23. The apparatus of claim 21 or 22, wherein the detector arrangement comprises a first detector section which receives the reflected light of the first light beam and a second detector section which receives the reflected light from the second light beam.
24. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Wellenlänge und/oder die Intensitäten des Lichts jeweils moduliert werden, und die Detektoranordnung einen oder zwei Detektorabschnitt (e) aufweist, dessen (deren) Detektorsignal (e) jeweils einem Demodulator _ zugeführt wird (werden), dessen Ausgangssignal (e) der Auswerteeinrichtung zugeführt wird (werden) .24. The apparatus of claim 21 or 22, wherein the wavelength and / or the intensities of the light are each modulated, and the detector arrangement has one or two detector section (s), the detector signal (s) of which is each fed to a demodulator _ ( ), the output signal (s) of which is fed to the evaluation device.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die erste Wellenlänge bezogen auf die Basis-Oberflächen- plasmonenresonanz um einen Abstand von der Resonanzwellenlänge beim Minimum größer ist und dieser Abstand im Bereich von 0,25 Ad bis 2 Ad, vorzugsweise 0,5 Ad bis 1,5 Ad, besonders bevorzugt 1 Ad, liegt, und wobei der Wellenlängenunterschied zur zweiten Wellenlänge im Bereich von 0,25 Ad bis 2 Ad, vorzugsweise 0,25 Ad bis 1 Ad, besonders bevorzugt bei 0,25 bis 0,5 Ad, liegt, wobei Ad die Wellenlängendifferenz zwischen der Resonanzwellenlänge und der größeren Wellenlänge für den Mittelwert bezogen auf eine Basis-Oberflächenplasmonenresonanz ist.25. Device according to one of claims 21 to 24, wherein the first wavelength is greater by a distance from the resonance wavelength at a minimum with respect to the base surface plasmon resonance and this distance is in the range from 0.25 ad to 2 ad, preferably 0, 5 ad to 1.5 ad, particularly preferably 1 ad, and the wavelength difference from the second wavelength in the range from 0.25 ad to 2 ad, preferably 0.25 ad to 1 ad, particularly preferably 0.25 to 0 , 5 Ad, where Ad is the wavelength difference between the resonance wavelength and the larger wavelength for the mean value based on a base surface plasmon resonance.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei eine dritte Lichtquelle Licht mit einer dritten Wellenlänge auf die Transduceroberfläche ausgibt, und die dritte Lichtquelle zusammen mit dem zweiten Lichtstrahl ein zweites Lichtquellenpaar bildet.26. The device according to claim 21, wherein a third light source emits light with a third wavelength onto the transducer surface, and the third light source forms a second pair of light sources together with the second light beam.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei die Auswerteeinrichtung jeweils einen Verstärker aufweist, der ein zugehöriges Detektorsignal empfängt, und jeweils einen Multiplizierer aufweist, der ein Detektorsignal mit einem zugehörigen Gewichtungsfaktor, der von dem verstärkten Ausgangssignal abgeleitet werden kann, multipliziert und einen Differenzbildner aufweist, der die Differenz der gewichteten Detektorsignale bildet.27. The device according to one of claims 1 to 26, wherein the evaluation device in each case has an amplifier, which receives an associated detector signal and each has a multiplier which multiplies a detector signal by an associated weighting factor which can be derived from the amplified output signal and has a difference former which forms the difference between the weighted detector signals.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei die Intensität der ersten Lichtquelle mit einer ersten Frequenz moduliert wird und/oder die Intensität der zweiten Lichtquelle mit einer zweiten Frequenz moduliert wird und wobei die Auswerteeinrichtung einen Lock-In-Ver- stärker aufweist, der frequenzselektiv aus dem kombinierten Signal ein erstes und ein zweites Signal erzeugt.28. Device according to one of claims 1 to 27, wherein the intensity of the first light source is modulated with a first frequency and / or the intensity of the second light source is modulated with a second frequency and wherein the evaluation device has a lock-in amplifier , which generates a first and a second signal from the combined signal in a frequency-selective manner.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei die Lichtquellen zwei oder drei Laserdioden aufweisen, die Licht bei verschiedenen Wellenlängen ausgeben und vorzugsweise ein Strahlkombinierer die Lichtstrahlen der Laserdioden kombiniert und auf den Oberflächenplasmonen- resonanztransducer leitet.29. Device according to one of claims 21 to 28, wherein the light sources have two or three laser diodes which emit light at different wavelengths and preferably a beam combiner combines the light beams of the laser diodes and guides them onto the surface plasmon resonance transducer.
30. Verfahren zur Detektion der Verschiebung einer Oberflächenplasmonenresonanz unter Verwendung insbesondere einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29. 30. A method for detecting the displacement of a surface plasmon resonance using in particular a device according to one of claims 1 to 29.
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