WO2003034046A1 - Oberflächenplasmonen-resonanz-sensor - Google Patents

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WO2003034046A1
WO2003034046A1 PCT/EP2002/011115 EP0211115W WO03034046A1 WO 2003034046 A1 WO2003034046 A1 WO 2003034046A1 EP 0211115 W EP0211115 W EP 0211115W WO 03034046 A1 WO03034046 A1 WO 03034046A1
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WO
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prism
plasmon resonance
resonance sensor
sensor according
surface plasmon
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PCT/EP2002/011115
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Neff
Carsten Thirstrup
Weiyong Zong
Original Assignee
Vir A/S
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Priority to US10/492,972 priority Critical patent/US20050018194A1/en
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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 invention relates to a surface plasmon resonance sensor as defined in the preamble of claim 1.
  • An SPR sensor is shown in FIG. 11 of this document, in which the optical sensor unit comprises a prism stub made of an optically transparent material, on the inclined and mirrored flat side surface of which the collimated and polarized white light coming from the base unit reflects and then follows multiple reflections hit the measuring surface formed by a thin metal film.
  • the surface plasmon resonance thereby excited in the metal film is influenced by the sample (analyte) to be examined.
  • the properties of the analyte are then determined by determining the spectral distribution of the correspondingly modulated light reflected on the metal film.
  • SPR sensors are known from EP 0 863 395 A2, in which monochromatic light is focused with the aid of lenses through the side surfaces of a prism onto the measuring surface in contact with an analyte to excite the surface plasmon resonances.
  • the evaluation of the reflected light rays modulated by the surface plasmon resonance takes place in this case by measuring the intensity of the reflected light as a function of the angle of incidence of the Metal surface of incident light.
  • the opening angle of the light impinging on the measuring surface covers the possible angle of incidence range.
  • the invention has for its object to provide an SPR sensor of the type mentioned above, which works with light focused on the measuring surface and which comprises a compact optical sensor unit which is easily interchangeable and which can be produced both inexpensively and with good and reproducible quality is.
  • the invention is essentially based on the idea of using partial regions of the prism for focusing the light beams. This is done e.g. in that the inclined side surfaces of the prism have a convex curvature at least in the deflection areas, in such a way that the optical rays coming from the device focus on the measuring surface or the divergent rays coming from the measuring surface are converted into collimated light.
  • the inclined side surfaces of the prism can have both a parabolic curvature and a spherical curvature. If a spherical curvature is preferred, it has proven to be advantageous for realizing small dimensions of the prism if the curvatures of the two opposite side surfaces are selected such that the spherical centers of these curvatures lie outside their axis of symmetry, but symmetrically to this.
  • At least one focusing lens integrated in the prism is arranged in the regions of the base surface of the prism via which the light rays are coupled in and / or out, such that the lens coupled in and on the side surfaces of the prism reflected light rays focused on the measuring surface and / or those coming from the measuring surface reflected light rays can be converted into collimated light.
  • Another important advantage of the invention is that the light is coupled in and out of the optical sensor unit in such a way that the respective beam path is perpendicular to the base surface of the prism, so that the optical interfaces between the base unit and the optical sensor unit are unambiguous are defined and allow modularization of these units.
  • the prism can be replaced by a prism stub with bases and surfaces arranged parallel to one another.
  • the inclined side surfaces of the prism can either have a plane ner run, so that the lens integrated in the prism effects the focusing of the light beams on the measuring surface alone, or the inclined side surfaces can also have a curved ner run, so that the focusing action of the lens and the focusing action of the corresponding curved side surface of the prism together cause the light beams to be focused on the measuring surface.
  • a gold layer but also a silver layer or an alloy of both metals can be used as the semipermeable metal layer.
  • the prism can also consist of glass or sapphire, for example.
  • the prism stumps can have a base length that allows multiple reflections of the light focused on the measuring surface. The same also applies to the modulated light which reaches the corresponding side surface of the prism acting as a collimator from the measuring surface.
  • the term “light” is not just light of the visible spectrum, but generally an optical radiation, in particular therefore also a radiation lying in the infrared wavelength range.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an SPR sensor according to the invention with a base unit and an optical sensor unit comprising a prism, the prism having a parabolically curved boundary surface;
  • FIG. 2 shows an optical sensor unit comprising a prism stump, the side surfaces having a parabolic curvature
  • FIG. 3 shows an optical sensor unit comprising a prism stump, the side surfaces having a spherically shaped curvature
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a further exemplary embodiment of the invention, two focusing lenses being provided in the region of the base surface of the prism and
  • FIG. 5 shows an SPR sensor with an optical sensor unit, which comprises a prism with focusing side surfaces and a retroreflector connected downstream of the optical sensor unit.
  • 1 denotes an SPR sensor, which consists of a base unit 2 and an optical sensor unit 3 for exciting surface plasmons.
  • the base unit 2 comprises an electronic control and evaluation device 4, which is connected both to a monochromatic light-emitting diode 6 and to a camera 7 via a power supply unit 5.
  • the control and evaluation device 4 is followed by a signal display 8.
  • a polarizer 9 for polarizing the diode 6 coming light rays 10 and a collimator lens 11 are provided.
  • the optical sensor unit 3 essentially has a prism 12, e.g. made of acrylic glass, with a flat base surface 13 and an adjoining parabolic curved boundary surface 14, which is provided on the outside with a well reflecting layer 15.
  • the parabolically curved boundary surface 14 is selected such that the collimated light beams 10 entering the prism 12 via the base surface 13 are focused from the first side surface 16 of the prism 12 onto a focal point 17 located centrally on the base surface 13, in the area of which the measuring surface forming thin metal film 18 made of gold is arranged.
  • the thin metal film 18 is contacted on the outside by an analyte 19 (e.g. located in a measuring cell).
  • the light rays 10 'totally reflected on the metal film and modulated by the surface plasmon resonances at the interface are then converted again by the second side surface 20 of the prism 12 into collimated light and reach the camera 7 of the base unit 2.
  • the image produced there gives the intensity and the angular distribution of the reflected light beams 10 ′ again due to the surface plasmon resonance and is then further processed by means of the electronic control and evaluation device 4. The result is then shown on the signal display 8.
  • a further optical sensor unit 21 is shown in FIG. 2, in which a prism stub 22 is used, the side surfaces 23, 24 of which in turn have a parabolic curvature.
  • the prism stump 22 has a well reflecting layer 25 on the outside both in the area of the side surfaces 23, 24 and in partial areas 26, 27 of the base surface 28, on which the light beams 10, 10 'are reflected.
  • FIG. 3 shows an optical sensor unit 31 with a prism stub 32, the inclined side surfaces 33, 34 of which have the same spherical curvature.
  • the spherical centers of the curved side surfaces 33, 34 marked 38, 39 lie outside the axis of symmetry 40, but symmetrical to this.
  • FIG. 4 shows an SPR sensor 100, which in turn consists of a base unit 2 and an optical sensor unit 103, according to the invention in the areas 118, 119 of the base surface 113 of the prism stump 112, via which the light beams 10, 10 'come in and out / or are coupled out, a focusing lens 120, 121 integrated in the prism 112 is arranged.
  • the light beam 10 coupled in via the base surface 113 is therefore reflected on the side surface 115 of the prism and the base surface 113, which is also provided with a highly reflective layer 117, and is focused on a focal point located centrally on the upper surface 114 of the prism stump 112 the area of which is arranged a thin metal film 122 which forms the measuring surface and is made of gold.
  • the thin metal film 122 is contacted on the outside by an analyte 123 (e.g. located in a measuring cell).
  • FIG. 5 shows an SPR sensor 130 with an optical sensor unit 131, which in turn comprises a prism 132 with focusing side surfaces 133, 134.
  • a (right-angle) retroreflector 135 is arranged on the output side of the prism 132.
  • the light beam passes through the prism 132 twice due to the reflection at the retroreflector 135, and the image to be analyzed is then reflected into a camera 137 by means of a beam splitter 136.
  • This arrangement is advantageous if the plasmon resonance is not pronounced and a clear SPR signal is nevertheless to be generated, for example in the presence of an excessively thin adsorbate film on the measuring surface 138.
  • the retroreflector 135 can either be arranged externally as a separate unit or can be applied, for example, as a retroreflector film directly to the coupling-out side surface of the prism 132.
  • This use of a retroreflector is also in no way limited to the use of prisms with focusing side surfaces, but can also be used, for example, in arrangements in which the focusing is not (or not alone) carried out by appropriately designed areas of the prism, but with the aid of a prism upstream lens. In this case, the beam splitter is then placed between the focusing external lens and the prism.
  • the prism is arranged in such a way that a fraction of the focused radiation spreads inside the prism, but the larger part of the light beam spreads outside the prism.
  • the thickness of the prism can be kept small and in the range of 1-3 mm. Both sizes determine the opening angle of the incident radiation, which should be in the range of 10 to 20 degrees.
  • the distance of the base surface of the prism from the main plane of the lens results from the focal length of the lens, minus the optical path within the prism to the focal point on the measuring surface.
  • Prism, prism stump, 34 side faces, areas middle area

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor, welcher eine Basis-einheit (2) mit einer Lichtquelle (6) zur Erzeugung von Lichtstrahlen (10) und eine opti-sche Sensoreinheit (3; 21; 31; 103; 131) zur Anregung von Oberflächenplasmonen umfasst, die eine durch einen dünnen Metallfilm gebildete Messfläche (18; 29; 122; 138) aufweist, welche mit einer zu messenden Probe (19; 123) in Kontakt bringbar ist. Um einen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor (1) mit einer kompakt aufgebauten optischen Sensoreinheit (3; 21; 31; 103; 131) zu schaffen, welche leicht austauschbar ist und die sowohl kostengünstig als auch mit guter and reproduzierbarer Qualität herstellbar ist, schlägt die Erfindung eine optische Sensoreinheit (3; 21; 31; 103; 131) mit einem Prisma (12; 22; 32; 112; 132) aus einem optisch transparenten Material vor, bei dem Be-reiche (16, 20; 23, 24; 33, 34; 118, 119; 133, 134) des Prismas (12; 22; 32; 112; 132) derart ausgebildet sind, dass sie die von der Basiseinheit (2) kommenden Lichtstrahlen (10') auf die Messfläche (18; 29; 122; 138) fokussieren. Dieses kann beispielsweise durch eine kon-vexe Krümmung der verspiegelten Seitenflächen oder in das Prisma integrierte Linsen erfolgen.

Description

Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor
Die Erfindung betrifft einen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor, wie er in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
Derartige Sensoren, die auch als SPR Sensoren (S=Surface, P=Plasmon; R=Resonance) bezeichnet werden, sind beispielsweise aus der US 5,822,073 bekannt. Dabei wird in Fig.11 dieser Druckschrift ein SPR-Sensor dargestellt, bei dem die optische Sensoreinheit einen Prismenstumpf aus einem optisch transparenten Material umfaßt, an dessen geneigter und außenseitig verspiegelter ebenen Seitenfläche das von der Basiseinheit kommende kollimierte und polarisierte weiße Licht reflektiert und anschließend nach mehrfachen Re- flektionen auf die durch einen dünnen Metallfilm gebildete Meßfläche trifft. Die dadurch in dem Metallfilm angeregte Oberflächenplasmonen-Resonanz wird durch die zu untersuchende Probe (Analyt) beeinflußt. Durch Ermittlung der spektralen Verteilung des entsprechend modulierten an dem Metallfilm reflektierten Lichtes wird dann auf die Eigenschaften des Analyten geschlossen.
Nachteilig ist bei dieser Anordnung unter anderem die aufwendige spektrale Analyse zur Erfassung der Plasmonen-Resonanz, da hierzu zusätzliche dispersive Elemente oder Spek- trographen erforderlich sind, welche einen relativ hohen Platzbedarf verursachen.
Aus der EP 0 863 395 A2 sind SPR-Sensoren bekannt, bei denen monochromatisches Licht mit Hilfe von Linsen durch die Seitenflächen eines Prismas hindurch auf die mit einem Analyt in Kontakt stehende Meßfläche zur Anregung der Oberflächenplasmonen- Resonanzen fokussiert werden. Die Auswertung der durch die Oberflächenplasmonen- Resonanz modulierten reflektierten Lichtstrahlen erfolgt in diesem Fall durch die Messung der Intensität des reflektierten Lichtes in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel des auf die Metalloberfläche auftreffenden Lichtes. Dabei überdeckt der Öffnungswinkel des auf die Meßfläche auftreffenden Lichtes den in Frage kommenden Einfallswinkelbereich.
Nachteilig bei dieser Anordnung ist u.a., daß zur Fokussierung der Lichtstrahlen zusätzliche Linsen erforderlich sind, welche wiederum relativ viel Platz benötigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen SPR-Sensor der vorstehend erwähnten Art anzugeben, der mit auf die Meßfläche fokussiertem Licht arbeitet und der eine kompakt aufgebaute optische Sensoreinheit umfaßt, welche leicht austauschbar ist und die sowohl kostengünstig als auch mit guter und reproduzierbarer Qualität herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, Teilbereiche des Prismas zur Fokussierung der Lichtstrahlen heranzuziehen. Dieses erfolgt z.B. dadurch, daß die geneigten Seitenflächen des Prismas mindestens in den Umlenkbereichen eine konvexe Krümmung aufweisen, derart, daß die von der Vorrichtung kommenden optischen Strahlen auf die Meßfläche fokussiert bzw. die von der Meßfläche kommenden divergenten Strahlen in kollimiertes Licht umgewandelt werden.
Die geneigten Seitenflächen des Prismas können sowohl eine parabolische Krümmung als auch eine sphärische Krümmung aufweisen. Sofern eine sphärische Krümmung bevorzugt wird, hat es sich zur Realisierung kleiner Abmessungen des Prismas als vorteilhaft erwiesen, wenn die Krümmungen der beiden gegenüberliegenden Seitenflächen derart gewählt sind, daß die Kugelmittelpunkte dieser Krümmungen außerhalb ihrer Symmetrieachse, aber symmetrisch zu dieser liegen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in den Bereichen der Basisfläche des Prismas, über die die Lichtstrahlen ein- und/oder ausgekoppelt werden, mindestens eine in dem Prisma integrierte fokussierende Linse angeordnet, derart, daß die über die Basisfläche eingekoppelten und an den Seitenflächen des Prismas reflektierten Lichtstrahlen auf die Meßfläche fokussiert und/oder die von der Meßfläche kommenden reflektierten Lichtstrahlen in kollimiertes Licht umgewandelt werden.
Denkbar sind ferner, fokussierende Gitter im Bereich der Basisfläche oder der verspiegelten Seitenflächen des jeweiligen Prismas anzuordnen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Ein- und Auskopplung des Lichtes in bzw. aus der optischen Sensoreinheit derart erfolgt, daß der jeweilige Strahlengang senkrecht zur Basisfläche des Prismas verläuft, so daß die optischen Schnittstellen zwischen Basiseinheit und der optischen Sensoreinheit eindeutig definiert sind und eine Modularisierung dieser Baueinheiten erlauben.
Um die optische Sensoreinheit möglichst platzsparend aufzubauen, kann das Prisma durch einen Prismenstumpf mit parallel zueinander angeordneten Basis- und Oberflächen ersetzt werden.
Im Fall der in das Prisma integrierten Linsen können die geneigten Seitenflächen des Prismas entweder einen planen Nerlauf aufweisen, so daß die in dem Prisma integrierte Linse die Fokussierung der Lichtstrahlen auf die Meßfläche alleine bewirkt, oder die geneigten Seitenflächen können auch einen gekrümmten Nerlauf besitzen, so daß die fokussierende Wirkung der Linse und die fokussierende Wirkung der entsprechenden gekrümmten Seitenfläche des Prismas zusammen eine Fokussierung der Lichtstrahlen auf die Meßfläche bewirken.
Als halbdurchlässige Metallschicht kann eine Goldschicht, aber auch eine Silberschicht oder eine Legierung beider Metalle verwendet werden. Das Prisma kann beispielsweise auch aus Glas oder Saphir bestehen.
Außerdem können die Prismenstumpfe eine Basislänge aufweisen, die mehrere Reflektio- nen des auf die Meßfläche fokussierten Lichtes zulassen. Gleiches gilt auch für das modulierte Licht, welches von der Meßfläche zu der entsprechenden als Kollimator wirkenden Seitenfläche des Prismas gelangt.
Im übrigen ist im Rahmen dieser Erfindung mit dem Begriff „Licht" nicht lediglich Licht des sichtbaren Spektrums gemeint, sondern ganz allgemein eine optische Strahlung, insbesondere daher auch eine im infraroten Wellenlängenbereich liegende Strahlung.
Weitere Einzelheiten und Norteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen SPR-Sensors mit einer Basiseinheit und einer optischen, ein Prisma umfassenden Sensoreinheit, wobei das Prisma eine parabolisch gekrümmte Begrenzungsfläche aufweist;
Fig.2 eine einen Prismenstumpf umfassende optische Sensoreinheit, wobei die Seitenflächen eine parabolische Krümmung aufweisen;
Fig.3 eine einen Prismenstumpf umfassende optische Sensoreinheit, wobei die Seitenflächen eine sphärisch ausgebildete Krümmung aufweisen;
Fig.4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung, wobei im Bereich der Basisfläche des Prismas zwei fokussierende Linsen vorgesehen sind und
Fig.5 einen SPR-Sensor mit einer optischen Sensoreinheit, welche ein Prisma mit fokussierenden Seitenflächen und einen der optischen Sensoreinheit nachgeschalteten Retroreflektor umfaßt.
In Fig.l ist mit 1 ein SPR-Sensor bezeichnet, der aus einer Basiseinheit 2 und einer optischen Sensoreinheit 3 zur Anregung von Oberflächenplasmonen besteht.
Die Basiseinheit 2 umfaßt eine elektronische Steuer- und Auswerteeinrichtung 4, die sowohl über eine Stromversorgungseinheit 5 mit einer monochromatisches Licht erzeugenden Leuchtdiode 6 als auch mit einer Kamera 7 verbunden ist. Außerdem ist der Steuer- und Auswerteeinrichtung 4 eine Signalanzeige 8 nachgeschaltet.
Ebenfalls in der Basiseinheit 2 sind ein Polarisator 9 zur Polarisierung der von der Leucht- diode 6 kommenden Lichtstrahlen 10 sowie eine Kollimatorlinse 11 vorgesehen.
Die optische Sensoreinheit 3 weist im wesentlichen ein Prisma 12, z.B. aus Acrylglas, mit einer ebenen Basisfläche 13 und einer sich daran anschließenden parabolisch gekrümmten Begrenzungsfläche 14 auf, die außenseitig mit einer gut reflektierenden Schicht 15 versehen ist. Die parabolisch gekrümmte Begrenzungsfläche 14 ist derart gewählt, daß die über die Basisfläche 13 in das Prisma 12 gelangenden kollimierten Lichtstrahlen 10 von der ersten Seitenfläche 16 des Prismas 12 auf einen auf der Basisfläche 13 mittig liegenden Brennpunkt 17 fokussiert wird, in dessen Bereich ein die Meßfläche bildender dünner Metallfilm 18 aus Gold angeordnet ist. Der dünne Metallfilm 18 wird außenseitig durch einen (z.B. in einer Meßzelle befindlichen) Analyt 19 kontaktiert.
Bei der optischen Anregung der Plasmonen-Resonanz tritt eine verstärkte optische Absorption auf, so daß die reflektierte Strahlung 10' innerhalb eines kleinen definierten Ein- fallwinkelintervalles der auf die Meßfläche auftreffenden Strahlen 10 ein scharfes Minimum aufweist, dessen Form und genaue Lage von dem zu messenden Analyt 19 abhängt. Die an dem Metallfilm totalreflektierte und durch die Oberflächenplasmonen Resonanzen an der Grenzfläche modulierten Lichtstrahlen 10' werden anschließend von der zweiten Seitenfläche 20 des Prismas 12 wiederum in kollimiertes Licht umgewandelt und gelangen in die Kamera 7 der Basiseinheit 2. Das dort entstehende Bild gibt die Intensitäts- und Winkelverteilung der reflektierten Lichtstrahlen 10' infolge der Oberflächenplasmonen Resonanz wieder und wird anschließend mittels der elektronischen Steuer- und Auswerteeinrichtung 4 weiterverarbeitet. Deren Ergebnis wird dann auf der Signalanzeige 8 dargestellt.
In Fig.2 ist eine weitere optische Sensoreinheit 21 dargestellt, bei welcher ein Prismenstumpf 22 verwendet wird, dessen Seitenflächen 23, 24 wiederum eine parabolische Krümmung aufweisen. Der Prismenstumpf 22 weist außenseitig sowohl im Bereich der Seitenflächen 23, 24 als auch in Teilbereichen 26, 27 der Basisfläche 28 eine gut reflektierende Schicht 25 auf, an denen die Lichtstrahlen 10, 10' reflektiert werden.
In Fig.3 ist eine optische Sensoreinheit 31 mit einem Prismenstumpf 32 wiedergegeben, dessen geneigte Seitenflächen 33, 34 die gleiche sphärische Krümmung aufweisen. Um in diesem Fall eine Fokussierung der Lichtstrahlen im mittleren Bereich 35 zwischen den beiden Seitenflächen 33, 34 an der der Basisfläche 36 gegenüberliegenden oberen Fläche 37 zu gewährleisten, ist es erforderlich, daß die mit 38, 39 gekennzeichneten Kugelmittelpunkte der gekrümmten Seitenflächen 33, 34 außerhalb der Symmetrieachse 40, aber symmetrisch zu dieser liegen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So zeigt Fig.4 einen SPR-Sensor 100, der wiederum aus einer Basiseinheit 2 und einer optischen Sensoreinheit 103 besteht, wobei erfindungsgemäß in den Bereichen 118, 119 der Basisfläche 113 des Prismenstumpfes 112, über die die Lichtstrahlen 10, 10' ein- und/oder ausgekoppelt werden, jeweils eine in dem Prisma 112 integrierte fokussierende Linse 120, 121 angeordnet ist. Der über die Basisfläche 113 eingekoppelte Lichtstrahl 10 wird daher an der Seitenfläche 115 des Prismas und der Basisfläche 113, die ebenfalls mit einer gut reflektierenden Schicht 117 versehen ist, reflektiert und auf einen auf der oberen Fläche 114 des Prismenstumpfes 112 mittig liegenden Brennpunkt fokussiert, in dessen Bereich ein die Meßfläche bildender dünner Metallfilm 122 aus Gold angeordnet ist. Der dünne Metallfilm 122 wird außenseitig durch einen (z.B. in einer Meßzelle befindlichen) Analyt 123 kontaktiert.
In Fig.5 ist ein SPR-Sensor 130 mit einer optischen Sensoreinheit 131 dargestellt, die wiederum ein Prisma 132 mit fokussierenden Seitenflächen 133, 134 umfaßt. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensors 130 ist ausgangsseitig von dem Prisma 132 ein (winkeltreuer) Retroreflektor 135 angeordnet. In dieser Anordnung durchläuft der Lichtstrahl das Prisma 132 aufgrund der Reflektion am Retroreflektor 135 zweimal, und das zu analysierende Bild wird mittels eines Strahlenteilers 136 dann in eine Kamera 137 reflektiert.
Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn die Plasmonenresonanz nicht ausgeprägt ist und trotzdem ein deutliches SPR-Signal erzeugt werden soll, beispielsweise in Gegenwart eines zu dünnen Adsorbatfilmes auf der Meßfläche 138.
/ Der Retroreflektor 135 kann entweder als separate Einheit extern angeordnet werden oder z.B. als Retroreflektorfolie direkt auf die auskoppelnde Seitenfläche des Prismas 132 aufgebracht werden. Diese Verwendung eines Retroreflektors ist außerdem keineswegs auf die Verwendung von Prismen mit fokussierenden Seitenflächen beschränkt, sondern kann beispielsweise auch bei Anordnungen eingesetzt werden, bei denen die Fokussierung nicht (oder nicht alleine) durch entsprechend ausgebildete Bereiche des Prismas erfolgt, sondern mit Hilfe einer dem Prisma vorgeschalteten Linse. In diesem Fall wird der Strahlenteiler dann zwischen fokussierender externer Linse und Prisma angeordnet.
Auch bei Anordnungen ohne Retroreflektor ist es möglich, ein Prisma ohne fokussierende Teilbereiche zu verwenden. Die Fokussierung des Lichtstrahles auf die Meßfläche erfolgt auch in diesem Fall mit Hilfe externer Linsen. Der fokussierte Lichtstrahl wird dann wiederum über die verspiegelten Seitenflächen des Prismas auf die Meßfläche gelenkt (fokussiert). Als vorteilhaft hat es sich bei derartigen Anordnungen erwiesen, daß das Prisma derart angeordnet ist, daß sich ein Bruchteil der fokussierten Strahlung innerhalb des Prismas, der größere Teil des Lichtstrahles aber außerhalb des Prismas ausbreitet. Insbesondere wird durch Auswahl einer geeigneten Linsenbreitweite und Linsen bzw. Strahlendurchmessers gewährleistet, daß die Dicke des Prismas gering und im Bereich von 1-3 mm gehalten werden kann. Beide Größen bestimmen den Öffhungswinkel der einfallenden Strahlung, die im Bereich von 10 bis 20 Grad liegen soll. Der Abstand der Basisfläche des Prismas von der Hauptebene der Linse ergibt sich aus der Brennweite der Linse, abzüglich des optischen Weges innerhalb des Prismas bis zum Brennpunkt an der Meßfläche.
Bezugszeichenliste
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor, SPR-Sensor
Basiseinheit optische Sensoreinheit
Steuer- und Auswerteeinrichtung
Stromversorgungseinheit
Lichtquelle, Leuchtdiode
Kamera
Signalanzeige
Polarisator
Lichtstrahlen ' Lichtstrahlen
Kollimatorlinse
Prisma
Basisfläche
Begrenzungsfläche reflektierende Schicht
(erste) Seitenfläche, Bereich
Brennpunkt
Metallfilm, Meßfläche
Meßzelle, Analyt, Probe
(zweite) Seitenfläche, Bereich
optische Sensoreinheit
Prisma, Prismenstumpf ,24 Seitenflächen, Bereiche reflektierende Schicht ,27 Teilbereiche
Basisfläche
Meßfläche obere Fläche optische Sensoreinheit
Prisma, Prismenstumpf ,34 Seitenflächen, Bereiche mittlere Bereich
Basisfläche obere Fläche ,39 Kugelmittelpunkte
Symmetrieachse
0 Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor, SPR-Sensor 3 optische Sensoreinheit 2 Prisma, Prisemenstumpf 3 Basisfläche 4 obere Fläche 5 Seitenfläche 7 reflektierende Schicht, Teilbereich 8,119 Bereiche 0,121 Linsen 2 Metallfilm, Meßfläche 3 Analyt, Probe
0 Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor, SPR-Sensor 1 optische Sensoreinheit 2 Prisma, Prismenstumpf 3,134 Seitenflächen, Bereiche 5 Retroreflektor 6 Strahlenteiler 7 Kamera 8 Meßfläche

Claims

Ansprüche
1. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor, welcher eine Basiseinheit (2) mit einer Lichtquelle (6) zur Erzeugung von Lichtstrahlen (10) und eine optische Sensoreinheit (3; 21; 31; 103; 131) zur Anregung von Oberflächenplasmonen umfaßt, die eine durch einen dünnen Metallfilm gebildete Meßfläche (18; 29; 122; 138) aufweist, welche mit einer zu messenden Probe (19; 123) in Kontakt bringbar ist, wobei die optische Sensoreinheit (3; 21; 31; 103; 131) ein aus einem optisch transparenten Material bestehendes Prisma (12; 22; 32; 112; 132) umfaßt, an dessen geneigten, außenseitig verspiegelten Seitenflächen (16, 20; 23, 24; 33, 34; 115; 133, 134) über die Basisfläche (13; 28; 36; 113) des Prismas (12; 22; 32; 112; 132) ein- oder ausgekoppelte kollimierte Lichtstrahlen (10') umgelenkt werden, und wobei die ein- und ausgekoppelten Lichtstrahlen (10, 10') einen senkrechten, zur Basisfläche (13; 28; 36; 113) des Prismas (12; 22; 32; 112; 132) aufweisenden Verlauf besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche (16, 20; 23, 24; 33, 34; 118, 119; 133, 134) des Prismas (12; 22; 32; 112; 132) derart ausgebildet sind, daß sie die über die Basisfläche (13; 28; 36; 113) eingekoppelten Lichtstrahlen (10) auf die Meßfläche (18; 29; 122; 138) fokussieren und/oder die von der Meßfläche (18; 29; 122; 138) kommenden reflektierten Lichtstrahlen (10') in kolli- miertes Licht umgewandelt werden.
2. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Seitenflächen (16, 20; 23, 24; 33, 34) des Prismas (12; 22; 32) mindestens in den Umlenkbereichen der Lichtstrahlen (10, 10') eine konvexe Krümmung aufweisen, derart, daß die über die Basisfläche (13; 28; 36) eingekoppelten Lichtstrahlen (10) auf die Meßfläche (18) fokussiert und die von der Meßfläche (18) kommenden reflektierten Lichtstrahlen (10') in kollimiertes Licht umgewandelt werden.
3. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Seitenflächen (16, 20; 23, 24) des Prismas (12; 22) mindestens in den Umlenkbereichen eine parabolische Krümmung aufweisen.
4. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Seitenflächen (33, 34) des Prismas (32) mindestens in den Umlenkbereichen eine sphärische Krümmung aufweisen.
5. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Krümmung der Umlenkbereiche der beiden gegenüberliegenden Seitenflächen (33, 34) derart gewählt sind, daß die Kugelmittelpunkte (38, 39) dieser Krümmungen außerhalb ihrer Symmetrieachse (40), aber symmetrisch zu dieser liegen.
6. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bereichen (118, 119) der Basisfläche (113) des Prismas (112), über die die Lichtstrahlen ein- und/oder ausgekoppelt werden, jeweils eine in dem Prisma (112) integrierte fokussierende Linse (120, 121) angeordnet ist, derart, daß die über die Basisfläche (113) eingekoppelten und an den Seitenflächen (115) des Prismas (112) reflektierten Lichtstrahlen (10) auf die Meßfläche (122) fokussiert und/oder die von der Meßfläche (122) kommenden reflektierten Lichtstrahlen (10') in kollimiertes Licht umgewandelt werden.
7. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Seitenflächen (115) des Prismas (112) mindestens in den Umlenkbereichen einen planen Verlauf aufweisen.
8. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Seitenflächen (115) des Prismas (112) mindestens in den Umlenkbereichen einen parabolisch oder sphärisch gekrümmten Verlauf aufweisen, derart, daß die fokussierende Wirkung der Linse (120, 121) und die fokussierende Wirkung der gekrümmten Seitenflächen (16, 20) zusammen eine Fokussierung der Lichtstrahlen (10) auf die Meßfläche bewirken.
9. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Prisma (22; 32; 112; 132) um einen Prismenstumpf mit parallel zueinander angeordneten Basisflächen (28; 36; 113) und oberen Flächen (30; 37; 114) handelt.
10. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisfläche (28; 36; 113) und oder obere Fläche (30; 37; 114) des Prismenstumpfes (22; 32; 112; 132) mindestens in einem Teilbereich (26, 27; 117) verspiegelt ist/sind, derart, daß die von den Seitenflächen (23, 24; 33, 34; 115; 133, 134) kommenden fokussierten Lichtstrahlen nach mindestens einer Reflexion auf die Meßfläche (29; 122; 138 ) gelangen.
11. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Lichtquelle (6) der Basiseinheit (2) um eine monochromatische Strahlen erzeugende Lichtquelle handelt.
12. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Basiseinheit (2) der Lichtquelle (6) ein Polarisator (9) nachgeschaltet ist.
13. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche (18; 29; 122; 138) mittig auf der Basisfläche (13; 28; 36; 113) des Prismas oder Prismenstumpfes oder, im Falle der Verwendung eines Prismenstumpfes (22; 32; 112; 132), mittig auf der der Basisfläche (28; 36; 113) gegenüberliegenden oberen Fläche (30; 37; 114) angeordnet ist.
14. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (12; 22; 32; 112; 132) aus Kunststoff, Glas oder Saphir besteht.
15. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ausgangsseitig von dem Prisma (132) des SPR-Sensors (130) ein Retroreflektor (135) und eingangsseitig vor dem Prisma (132) ein Strahlenteiler (136) und eine Kamera (137) angeordnet sind, derart, daß der in das Prisma (132) eingekuppelte Lichtstrahl dieses aufgrund der Reflektion am Retroreflektor 135 zweimal durchläuft und das zu analysierende Bild mittels eines Strahlenteilers (136) in eine Kamera 137 reflektiert wird.
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