Titel
Anordnung zur Bestimmung von Schichtdickenanderungen
Gegenstand der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung von Schichtdickenanderungen einer mehrschichtigen Probe mittels reflektrometrischer Interferenz-Spektroskopie, umfassend eine Lichtquelle zur Beleuchtung der Probe, eine Probenhalterung zur Fixierung der Probe und eine Auswerteeinheit zur Analyse des von der Probe reflektierten Lichtes.
Stand der Technik
Zur Untersuchung der Schichtdickenänderung einer Probe findet seit mehr als zehn Jahren die reflektrometrische Interferenz-Spektroskopie (RIFS) weitverbreitete Anwen- düng, beispielsweise in der optischen Sensorik, wo z.B. dünne Polymerfilme als Sensoren für Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Durch physikalische oder chemische Reaktionen ändert sich die Dicke eines solchen Polymerfilms, diese Änderung wird mittels RIFS nachgewiesen. Auch in der biochemischen Analytik findet diese Methode zunehmend Anwendung, da mit ihr die direkte Untersuchung der Wechselwirkung zwi- sehen Biomolekülen möglich ist, beispielsweise bei Antikörper-/Antigenreaktionen. Dazu wird ein Reaktionspartner (Ligant) an der Oberfläche der Probe immobilisiert, der andere Reaktionspartner (Analyt) wird in Lösung über die Probe geleitet. Die Wechselwirkung ist als Schichtdickenänderung direkt nachweisbar, es ist keine Markierung der Reaktionspartner wie z.B. beim Radioimmunoassay (RIA) oder dem Enzymimmunoassay (ELISA) notwendig.
Das Verfahren basiert auf der Interferenz von weißem Licht durch die Reflexion an den Grenzflächen von dünnen, transparenten Schichten. Wird das reflektierte Licht spektral zerlegt, so ergeben sich Interferenzspektren, in denen sich die Bereiche konstruktiver Überlagerung (Maxima) und destruktiver Überlagerung (Minima) der Teilstrahlen ein- ander abwechseln. Die Lage der Minima und Maxima im Spektrum ist dabei charakteristisch für das Schichtsystem und von den Dicken der einzelnen Schichten abhängig. Aus dem Interferenzspektrum läßt sich anhand mathematischer Formeln prinzipiell auf die Dicken der einzelnen Schichten des Systems rückschließen. Die Änderung einer Schichtdicke, z. B. durch einen der oben genannten Prozesse, hat auch eine Änderung des Interferenzspektrums zur Folge.
In der optischen Sensorik lassen sich die Änderungen der Dicke dünner Schichten beispielsweise mit Anordnungen, wie sie in Artikel „Dünne Polymerfilme als Sensoren für Kohlenwasserstoffe" von W. Nahm und G. Gauglitz in der GIT Fachz. Lab. 7/90 auf den Seiten 889 - 893 oder in der Patentschrift DE 42 00 088 C2 beschrieben sind, verfolgen. Licht einer Weißlichtquelle wird in den ersten Arm eines Y-Lichtleiters eingekoppelt und beim Austritt über die Lichtaustrittsfläche auf die auf einer transparenten Hal- terung fixierte sensitive Schicht - dieses System aus Halterung und sensitiver Schicht wird im folgenden als „Sensorchip" bezeichnet - abgestrahlt. Die Lichtaustrittsfläche ist gleichzeitig auch Lichteintrittsfläche für das vom Sensorchip reflektierte Licht, welches dann über einen Verzweiger durch den zweiten Arm des Y-Lichtleiters zu einem Spek- trometer geleitet wird. Im Spektrometer wird das Licht spektral zerlegt und das Interferenzspektrum aufgenommen. Dieses kann dann durch Methoden, wie sie z. B. in den oben genannten Artikel von W. Nahm und G. Gauglitz beschrieben sind, ausgewertet werden.
Diese Anordnung weist jedoch einige Nachteile auf. So kommt es an der auf den Sensorchip gerichteten Stirnfläche des Y-Lichtleiters, die zum gleichzeitigen Lichtein- und Lichtaustritt vorgesehen ist, zu Lichtreflexen, die dem eigentlichen Meßsignal von der Oberfläche des Sensorchips überlagert sind. Als Folge ist das Interferenzspektrum nur sehr schwach ausgeprägt. Änderungen im Interferenzspektrum, die mit einer Änderung der Schichtdicke einher gehen, sind aus diesem Grund prinzipiell nur schlecht und ungenau nachweisbar. Im Stand der Technik versucht man daher, diese Lichtreflexe durch weitere, aufwendige Maßnahmen zu unterdrücken: Wenn die Halterung für die sensitive Schicht aus einem optisch transparenten Glas mit bekannter Brechzahl gewählt wird, können die störenden Reflexe dadurch verhindert werden, daß die Rück-
seite des Sensorchips - also die dem Lichtleiter zugewandte Seite der transparenten Halterung - über ein flüssiges Medium wie beispielsweise Glyzerin, welches wegen seiner Brechzahl gut geeignet ist, mit der Stirnfläche des Y-Wellenleiters kontaktiert wird. Das führt zu der erwünschten Erhöhung des Kontrastes im Interferenzspektrum. Nachteilig bei dieser Lösung ist aber, daß die Gesamtintensität verringert wird, da die Reflexe der Lichtleiterstirnfläche und der Sensorchiprückseite unterdrückt werden. Damit können sich die Meßzeiten nachteilig verlängern. Auch das Auswechseln des Sensorchips wird verkompliziert - es muß unbedingt verhindert werden, daß Spuren des flüssigen Mediums auf die sensitiven und reaktiven Schichten. des Sensorchips ge- langen, wo sie die Sensorfunktion beeinträchtigen können.
Beschreibung der Erfindung
Ausgehend von diesen Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu- gründe eine Anordnung zur reflektrometrischen Interferenz-Spektroskopie zu entwik- keln, die diese Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Anordnung der oben beschriebenen Art zur Übermittlung des Lichtes von der Lichtquelle zur Probe ein erster Lichtleiter mit einer Lichtaustrittsfläche vorgesehen ist und zur Übermittlung des von der Probe reflektierten Lichtes zur Auswerteeinheit ein zweiter Lichtleiter mit einer Lichteintrittsfläche vorgesehen ist.
Indem zur Lichteinstrahlung und Lichtregistrierung zwei von einander getrennte Licht- leiter eingesetzt werden, können sich die störenden Reflexe, die an der Lichtaustrittsfläche des ersten Lichtleiters auftreten, nicht mehr mit dem reflektierten Licht, das an der Lichteintrittsfläche des zweiten Lichtleiters eintritt und zur Auswerteeinheit übermittelt wird, überlagern. Auf diese Weise kann vorteilhaft auch die Kontaktierung der Probe mit einem flüssigen Medium, wie beispielsweise Glyzerin, vermieden werden. Die Handhabung wird dadurch erheblich vereinfacht.
Da die Lichtleiter bei der erfindungsgemäßen Anordnung nun nicht mehr in Kontakt mit dem Sensorchip stehen müssen, hat man mehrere Freiheitsgrade für die Anordnung der Lichtleiter in bezug auf die Oberfläche der Probe. Die Lichtein- bzw. Licht- austrittsflächen beider Lichtleiter wird man im allgemeinen als Querschnittsfläche be-
züglich der Längsachsen der Lichtleiter wählen, was jedoch nicht ausschließt, daß auch andere Schnittflächen verwendet werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließen die Normalen der Licht- austrittsfläche des ersten Lichtleiters und der Lichteintrittsfläche des zweiten Lichtleiters mit der Oberflächennormalen der Probe im wesentlichen den gleichen Winkel ein. Dabei können die Lichtein- bzw. Lichtaustrittsflächen auf zweierlei Weise angeordnet werden. Zum einen in der Weise, daß die Normalen zusammen einen Winkel von etwa dem doppelten des Winkels mit der Oberflächennormalen einschließen. In diesem Fall entspricht der Winkel dem Ein- und Ausfallswinkel des Lichts. Bevorzugt ist dieser Winkel variierbar. Gestaltet man auch den Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche des ersten Lichtleiters und der Lichteintrittsfläche des zweiten Lichtleiters variierbar, so kann man mit einer solchen Anordnung das vom Sensorchip reflektierte Signal bezüglich Kontrast und Intensität sehr gut optimieren.
In einer weiteren bevorzugten Variante beträgt der eingeschlossene Winkel etwa 0°. Die Lichtaustrittsfläche des ersten Lichtleiters und die Lichteintrittsfläche des zweiten Lichtleiters sind hier im wesentlichen parallel zur Probenoberfläche angeordnet. Zwar ist die registrierte Intensität etwas geringer als in der zuvor beschriebenen Variante, da nur Strahlen aus dem Randbereich der Apertur der Lichtleitfasern zum Signal beitragen, jedoch wird auf diese Weise die technische Ausführung vereinfacht. Vorzugsweise sind die Lichtaustrittsfläche des ersten Lichtleiters und die Lichteintrittsfläche des zweiten Lichtleiters in einem im wesentlichen gleichen Abstand zur Probenoberfläche angeordnet, was eine einfache Herstellung ermöglicht.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist der zweite Lichtleiter aus mehreren Lichtleitfasern mit Lichteintrittsflächen zusammengesetzt, und sind die Lichteintrittsflächen der Lichtleitfasern im wesentlichen konzentrisch um die Lichtaustrittsfläche des ersten Lichtleiters angeordnet, wobei alle Flächen etwa in einer Ebene liegen. Die Lichtleitfasern aus denen der zweite Lichtleiter besteht, können dann am Eingang der Auswerteeinheit zu einem Faserbündel zusammengefaßt werden. Durch diese Anordnung kann die Intensität des Signals erhöht werden. Solange die Apertur des Spektro- meters, welches das Licht letztendlich registriert, nicht überschritten wird, erhöht sich die Signalintensität proportional zur Anzahl der Lichtleitfasern. Selbstverständlich kann auch der erste Lichtleiter aus mehreren Lichtleitfasern zusammengesetzt sein, und es sind andere Arrangements der einzelnen Fasern beider Lichtleiter möglich - beispiels-
weise kann auch der erste Lichtleiter aus einem Faserbundel bestehen, und die Fasern können so angeordnet werden, daß eine Faser des ersten Lichtleiters nur von Fasern des zweiten Lichtleiters umgeben ist, und umgekehrt
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand zwischen Probe und erstem und zweitem Lichtleiter variierbar Auf diese Weise kann das Verhältnis zwischen der Intensität des Signals und dessen Modulation variiert werden, da mit zunehmendem Abstand durch die zunehmende Detektierung der Reflexe von der Ruckseite des Sensorchips die Intensität des Signals zunimmt, wohingegen die Modula- tion abnimmt Somit ist es sehr einfach möglich, sich den verschiedenen Meßaufgaben anzupassen Für schnelle Ubersichtsmessungen beispielsweise wird man den Schwerpunkt auf maximale Intensität legen Soll andererseits sehr genau gemessen werden, ist eine maximale Modulation des Signals vorteilhaft
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll im Folgenden an einzelnen Beispielen erläutert werden In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt
Fig 1 eine Anordnung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
Fig 2 die normierte Intensität des Interferenzspektrums in Abhängigkeit von der
Wellenlange für eine Anordnung, wie sie in Fig 1 gezeigt ist, Fig 3 eine erfindungsgemaße Anordnung mit einem ersten und einem zweiten Lichtleiter und Fig 4 eine erfindungsgemaße Anordnung, bei der der zweite Lichtleiter aus mehreren Lichtleitfasern zusammengesetzt ist
Ausfuhrliche Beschreibung der Zeichnungen In Fig 1 ist das Prinzip einer Anordnung zur Bestimmung von Schichtdickenanderungen einer Probe mittels reflektrometπscher Interferenz-Spektroskopie, wie es im Stand der Technik bekannt ist, gezeigt Von einer Lichtquelle 1 , beispielsweise einer Weißhcht- quelle, wird Licht über einen Y-Lichtleiter 2 durch einen Verzweiger 3 auf eine Probe 4, die sich auf einer Probenhalterung 5 befindet, abgestrahlt Das von der Probe reflek- tierte Licht wird über den gleichen Y-Lichtleiter 2 aufgenommen und über den Verzweiger 3 in den anderen Arm des Y-Lichtleiters 2 gefuhrt, der mit der Auswerteeinheit
6 verbunden ist. In der Auswerteeinheit 6 wird das Licht spektral zerlegt und weiter analysiert.
Eine typische Interferenzfigur, wie man sie mit einer solchen Anordnung erhält, ist in Fig.2 als durchgezogene Linie gezeichnet. Als Probe wurde hier ein Interferenzschichtsystem, bestehend aus einer Tantalpentoxidschicht von 1 0 nm Dicke und einer Siliziumdioxidschicht von 330 nm Dicke auf einer Glasscheibe aus D263 der Firma Schott von 1 mm Dicke, verwendet. Aufgrund der störenden Lichtreflexe an der Lichtaustrittsfläche des Y-Lichtleiters 2 an dem der Probe zugewandten Ende sind die Variationen der bezüglich einer unbelegten Glasscheibe normierten Intensität mit der Wellenlänge nur sehr schwach ausgeprägt.
Die eingangs beschriebenen Nachteile einer solchen Anordnung lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung vermeiden. Eine solche Anordnung ist in Fig.3 darge- stellt. Anstelle des Y-Lichtleiters 2 sind nun ein erster Lichtleiter 7 und ein zweiter Lichtleiter 8 vorgesehen. Der erste Lichtleiter 7 übermittelt das Licht von der Lichtquelle 1 zur Probe 4, der zweite Lichtleiter 8 übermittelt das von der Probe 4 reflektierte Licht zur Auswerteeinheit 6. Man erhält dadurch eine wesentlich kontrastreichere Interferenzfigur, wie sie in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie dargestellt wird.
Eine Anordnung, mit der die Intensität des Interferenzsignals weiter erhöht werden kann, ist in Fig.4 schematisch dargestellt. Der zweite Lichtleiter 8 ist hier aus mehreren Lichtleitfasern zusammengesetzt, die am Eingang der Analyseeinheit 6 zusammenlaufen. An den der Probe zugewandten Enden werden die Lichtleitfasern so um den ersten Lichtleiter 7 angeordnet, daß die Lichteintrittsflächen 1 1 der Lichtleitfasern im wesentlichen konzentrisch um die Lichtaustrittsfläche 9 des ersten Lichtleiters 7 angeordnet sind. Man erhält auf diese Weise eine sechsfach höhere Intensität, falls die Apertur des in der Auswerteeinheit 6 verwandten Spektrometers nicht überschritten wird.