WO2004065941A1 - Anordnung und verfahren zum beugen von lichtwellen an einer beugungsstruktur - Google Patents

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WO2004065941A1
WO2004065941A1 PCT/DE2004/000090 DE2004000090W WO2004065941A1 WO 2004065941 A1 WO2004065941 A1 WO 2004065941A1 DE 2004000090 W DE2004000090 W DE 2004000090W WO 2004065941 A1 WO2004065941 A1 WO 2004065941A1
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Thomas Schnelle
Rolf Hagedorn
Torsten Müller
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Humboldt-Universität Zu Berlin
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means, e.g. by light scattering, diffraction, holography or imaging
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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N2015/0687—Investigating concentration of particle suspensions in solutions, e.g. non volatile residue

Definitions

  • the invention is in the field of diffraction of light waves on a diffraction structure.
  • Optical gratings are periodic structures that can be planar and spatially arranged and can be of artificial or natural origin.
  • protein crystals form important spatial lattices for biological questions, on which diffraction phenomena of light waves can be observed and used for the purpose of analyzing the properties of the proteins.
  • the optical effect of a grating results from the geometric dimensions of the diffraction structure encompassed by the grating and the optical properties of the medium in which the diffraction structure is embedded.
  • a diffraction structure with several diffraction electrodes is known from US Pat. No. 4,660,983.
  • the plurality of diffraction electrodes are covered with a non-wetting liquid such that spaces between adjacent diffraction electrodes are free of the non-wetting liquid. If an electrical voltage is applied to the diffraction electrodes, this leads to the non-wetting liquid being moved into the spaces between adjacent diffraction electrodes and at least partially filling these spaces. This changes the optical path length for light waves incident on the diffraction pattern in the interstices, which leads to changed diffraction properties of the diffraction structure.
  • the dimensions of the diffraction electrodes and the distances between the diffraction electrodes and the non-wetting material are coordinated with one another in such a way that the incident light waves are in an initial state after passing through the diffraction structure, namely when the diffraction electrode does not have the electrical voltage be acted upon, annihilate each other.
  • the extinction condition of the transmitting light waves no longer applies, so that light waves diffracted behind the diffraction structure are visible.
  • the known arrangement is used for optical display elements.
  • the object of the invention is to provide an arrangement and a method for diffraction of light waves on a diffraction structure, which (s) enables application-dependent and flexible control of the diffraction properties of the diffraction structure.
  • the invention encompasses the idea of using the interaction of at least one diffraction electrode, to which an electrical operating variable can be applied to form an electrical field, and to create a diffraction pattern that can be individually designed with a fluid volume with particles. Diffraction properties of the diffraction structure can be changed in that a concentration gradient of the particles in the fluid volume can be generated with the help of the electric field. With a suitable selection of parameters, in particular with regard to the material and the size of the diffraction electrode and the particles in the fluid volume, suitable diffraction structures can be created for a particular application.
  • An expedient embodiment of the invention provides several diffraction electrodes in which the distances between adjacent diffraction electrodes differ, so that an asymmetrical diffraction structure is formed. In this way, the design options for creating application-specific diffraction structures are increased.
  • the at least one diffraction electrode is made of a translucent material. This enables the observation of physical or chemical processes in the fluid volume also in an area that is usually covered by the at least one diffraction electrode. It can advantageously be provided that the fluid volume is a flowing volume. This makes it possible to continuously exchange the fluid volume, for example in order to analyze parameters of the fluid or of the particles in the fluid volume on the basis of the variable diffraction properties.
  • the particles in the fluid volume are biomolecules, for example proteins.
  • Biomolecules are available in a large variety with regard to their size and their interaction properties with electrical fields, which results in very different design options for the fluid volume with the particles in the controllable diffraction structure.
  • an expedient embodiment of the invention provides a detection device for detecting the light waves diffracted at the diffraction structure. With the aid of the detection device, properties of the incident and / or the diffracted light waves can be detected and examined in order to draw conclusions about the behavior of the fluid volume and / or the particles in the fluid volume in the diffraction structure.
  • An advantageous further development of the invention can provide that an expansion of the at least one diffraction electrode in a direction that runs essentially transversely to an incident direction of the incident light waves on the diffraction structure is small compared to the wavelength of the incident light waves, so that a diffraction at the Diffraction structure occurs essentially only in response to the concentration gradient of the particles after the formation of the electric field.
  • This forms a switching mechanism in which the incident light waves are diffracted in one state of the diffraction structure and not diffracted in another state.
  • the diffraction structure is expediently a diffraction structure that can be operated in reflection or in transmission. Depending on the application, the person skilled in the art can decide whether the incident light waves should rather be reflected or transmitted.
  • the diffraction structure is comb-shaped.
  • the plurality of diffraction electrodes are arranged in a matrix. In this way, a variety of design options are available for designing the concentration gradient of the particles in the fluid medium in an application-specific manner.
  • the same or different electrical operating variables can be applied to individual or all of the diffraction electrodes arranged in a matrix in order to change the diffraction structure formed by the diffraction electrodes by means of the concentration gradient.
  • a further development of the invention can provide that a layer formed from a light-emitting material is applied to a surface of the at least one diffraction electrode.
  • a layer formed from a light-emitting material is applied to a surface of the at least one diffraction electrode.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that at least one further diffraction electrode is provided opposite the at least one diffraction electrode, the at least one diffraction electrode and the at least one further diffraction electrode being offset with respect to the incident light waves, so that an at least partial passage of the incident light waves can be switched by the diffraction structure with the aid of a change in the diffraction properties of the diffraction structure.
  • This makes it possible to create an optical switching mechanism in which a passage of the incident light waves due to the gap displacement of the at least one diffraction electrode and the at least one further diffraction electrode is initially prevented. When the electrical operating variable is applied and a change in the diffraction properties induced thereby, an at least partial passage of the incident light waves can then take place.
  • An expedient embodiment of the invention provides that the diffraction structure is arranged in a light path of an optical device for regulating a propagation of the incident light waves along the light path.
  • the regulation of the propagation of the incident light waves takes place with the help of the change in the diffraction properties of the diffraction structure when the electrical operating variable is applied and the formation of the electric field triggered thereby, which in turn leads to the targeted formation of concentration gradients in the fluid volume.
  • phase transition can be, for example, a sol / gel or a gel / sol transition, which is caused as a result of the action of the electric field in the fluid volume.
  • Figure 1 is a schematic representation of an arrangement for bending incident
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the arrangement according to FIG. 1, a further diffraction electrode being provided;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further arrangement for bending incident light waves
  • Figures 4A-4D are graphical representations of the diffraction behavior of incident light waves in the case of a double slit
  • Figure 5 is a schematic representation of calculated curves for an asymmetrical
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an arrangement with several diffraction electrodes without an electric field
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the arrangement with a plurality of diffraction electrodes according to FIG. 6 when an electrical alternating field is applied for particles with negative dielectrophoresis
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the arrangement with a plurality of diffraction electrodes according to FIG. 6 when applying an alternating electric field for particles with positive dielectrophoresis
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of the arrangement with a plurality of diffraction electrodes according to FIG. 6 when applying a constant field in the case of electrophoresis;
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of the arrangement with a plurality of diffraction electrodes according to FIG. 6 when an alternating field is applied for macromolecules;
  • FIG. 11 shows a comb-shaped diffraction electrode
  • FIGS. 12A-12C show a schematic representation of an arrangement with a plurality of diffraction electrodes which are arranged in a matrix.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an arrangement with a diffraction structure 1, in which a plurality of diffraction electrodes 3 are arranged on a transparent carrier material 2.
  • Incident light waves 4 hit the diffraction structure 1 and are diffracted at the diffraction structure 1.
  • Light waves from any region of the light spectrum can be used both in the visible and in the non-visible spectral range, in particular also from the ultraviolet or the infrared spectral range.
  • the diffraction properties of the diffraction structure 1 are determined not only by the diffraction electrodes 3 but also by a fluid medium 5, which is shown schematically in FIG. 1 with the aid of an arrow A.
  • the fluid medium 5 can be a liquid or gaseous medium.
  • the fluid medium 5 flows in the direction indicated by the arrow A in FIG. 1 along the plurality of diffraction electrodes 3 and together with these form the diffraction structure 1.
  • the fluid medium 5 flows through a volume that delimits a space through which fluid volume 5 flows (not shown) , which is formed in Figure 1 above the plurality of diffraction electrodes 3.
  • a direct contact can be formed between the plurality of diffraction electrodes 3 and the fluid medium 5 if the plurality of diffraction electrodes are integrated, for example, in a wall of the volume through which the fluid volume flows (not shown).
  • the plurality of diffraction electrodes 3 are covered with a protective layer, so that no direct contact is formed between the fluid medium 5 and the plurality of diffraction electrodes 3.
  • the fluid medium 5 can be used as a flowing medium as well as standing medium above and between the several diffraction electrodes 3. If the fluid medium 5 is formed as a standing medium, it is arranged in a closed, non-flowing volume (not shown).
  • the plurality of diffraction electrodes 3 are acted upon by an electrical operating variable, for example an electrical voltage, so that an electrical field is formed around the plurality of diffraction electrodes 3, which results in the fluid medium 5 works into it.
  • an electrical operating variable for example an electrical voltage
  • particles (not shown in FIG. 1) are displaced in the fluid medium 5, so that a concentration gradient of the particles is formed in the fluid medium 5 in the area of the several diffraction electrodes 3.
  • the concentration gradient of the particles in the fluid medium 5 formed in this way the diffraction properties of the diffraction structure 1 are changed.
  • the changed diffraction properties mean that diffracted light waves which pass through the diffraction structure 1 and are directed onto a detector 7 with the aid of a lens 6 are detected with changed properties.
  • the changed properties of the diffracted light waves can be used to analyze the fluid medium 5 or the particles therein. In such an analysis, the diffracted light waves are expediently detected with and without the electrical diffraction electrodes 3 being acted upon by the electrical operating variable.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the arrangement according to FIG. 1, wherein a plurality of additional diffraction electrodes 8 are additionally provided above the plurality of diffraction electrodes 3 and are placed on a carrier material 9.
  • the further diffraction electrodes 8 are offset in the direction of incidence of the incident light waves 4 with respect to the plurality of diffraction electrodes 3, so that in an initial state in which the plurality of diffraction electrodes 3 are not subjected to the electrical operating variable, the incident light waves 4 are not separated by spaces 10 between them can pass through the further diffraction electrodes 8.
  • a concentration gradient of particles is created which changes the diffraction properties of the diffraction structure 1, so that at least some of the incident light waves 4 reach the detector 7 as diffracted light waves.
  • the concentration gradient of the particles formed in the fluid medium 5 "breaks" the symmetry of the composite of the plurality of diffraction electrodes 3 which are set to a gap and the further diffraction electrodes with the fluid volume 5 arranged in between
  • flexible control of a light path can be used for the application. In such an application, the light path can be controlled in the region of its entire cross-sectional area or only a part thereof.
  • the plurality of diffraction electrodes 3 and / or the further diffraction electrodes 8 can be made of a translucent or a transparent material, so that physical processes in the area of the fluid volume 5 can also be observed through the plurality of diffraction electrodes 3 and / or the further diffraction electrodes 8.
  • the further diffraction electrodes 8 from FIG. 2 are not arranged opposite the multiple diffraction electrodes 3, but laterally next to them.
  • the incident light waves 4 are diffracted at the diffraction structure 1 formed by the plurality of diffraction electrodes 3, the further diffraction electrodes 8 and the fluid medium 5.
  • the multiple diffraction electrodes 3 or the multiple diffraction electrodes 8 are subjected to the electrical operating variable, so that with the aid of the detector 7 light waves are received which behave from a different diffraction behavior in the area of the plurality of the diffraction electrodes 3 and the further diffraction electrodes 8.
  • a measurement analysis can be carried out from a comparison of the different recorded measurement results.
  • FIGS. 4A-4D show calculated curves for a two-dimensional intensity distribution of diffracted light waves behind a double slit.
  • the scalar diffraction formula according to -Kirchhoff was used to calculate the curves.
  • FIGS. 4A and 4B show the calculated result just behind the double slit, that is to say under Fresnel conditions.
  • the diffraction patterns shown in FIGS. 4C and 4D result at a greater distance behind the double slit, that is to say under Fraunhofer conditions.
  • the FIGS. 4A and 4C represent the diffraction on mutually symmetrical double slit halves. To calculate the diffraction patterns in FIGS.
  • FIG. 5 shows calculated curves for an asymmetrical distribution of particles of a fluid volume in the region of three diffraction electrodes 50, 51, 52, each of which is subjected to an electrical field.
  • a fluid medium 53 with particles is located above the three diffraction electrodes 50, 51, 52.
  • the curves in FIG. 5 show a resulting field distribution (quadratic mean).
  • the field distribution shown results in an area 54 being populated more than an area 55, which causes a concentration gradient of the particles to be formed.
  • the resulting asymmetry of the particle distribution in the fluid medium 53 leads to changed diffraction properties of the structure from the three diffraction electrodes 50, 51, 52 and the fluid medium 53 for light waves incident from below, which can be demonstrated in the diffraction pattern.
  • spatial structures of a concentration gradient can be created with a suitable arrangement of the diffraction electrodes that can be selected for the respective application.
  • FIGS. 6 to 10 each show an arrangement of a plurality of diffraction electrodes 60, 61, 62, 63, 64, 65, which are arranged in an interlocking manner. If a fluid medium 66 with particles 66 flows past the plurality of diffraction electrodes 60-65 or is arranged adjacent to the plurality of diffraction electrodes 67 as a stationary volume, the particles 67 are displaced in the chamber depending on an operating variable applied to the plurality of diffraction electrodes 60-65 Fluid medium 66, so that differently shaped concentration gradients are formed, which in turn change the diffraction properties for light waves incident on the diffraction structure formed by a plurality of diffraction electrodes 60-65 and the fluid medium 66.
  • the electrical field generated with the aid of the application of the electrical operating variable can induce electrochemical processes in the fluid medium 66, for example electrode processes, which support / induce the formation of the respective concentration gradient.
  • FIG. 6 shows the arrangement of the several diffraction electrodes 60-65 without an applied electric field, so that the particles 67 are statistically distributed in the fluid medium 66.
  • the multiple diffraction electrodes 60-65 are subjected to an alternating field. If the dielectrophoresis of the particles 67 is negative, further diffraction structures 68 are formed which run parallel to the plurality of diffraction electrodes 60-65 and are arranged between them.
  • FIG. 8 shows the arrangement of the several diffraction electrodes 60-65 with an applied alternating field and particles 67 with positive dielectrophoresis.
  • a hem is formed around all of the several diffraction electrodes 60-65.
  • the multiple diffraction electrodes 60-65 are subjected to a constant field.
  • the particles 67 only adhere to a part of the plurality of diffraction electrodes 60-65, so that the diffraction properties are changed in this case by a partial seam formation.
  • the multiple diffraction electrodes 60-65 are subjected to an alternating field, which leads to the fact that macromolecules 69 attach to the multiple diffraction electrodes 60-65, so that an optically homogeneous seam is formed.
  • the plurality of diffraction electrodes 60-65 are so narrow with regard to their width, which is effective for the incident light waves, that a detectable diffraction of the light waves incident on the diffraction structure is only due to the broadening induced by the hem formation of the effective width of the plurality of diffraction electrodes 60-65 for the incident light waves, in this case the incident light waves would remain essentially unaffected by the diffraction structure of diffraction electrodes 60-65 and fluid medium 67 if the field was not applied.
  • FIG. 11 shows a possible embodiment for an arrangement with a plurality of diffraction electrodes 80, 81, 82, 83, 84, which are part of a comb-shaped total diffraction electrode 85 are formed.
  • a connection 86 With the aid of the comb-shaped total diffraction electrode 85, it is possible to apply the desired electric field to the plurality of diffraction electrodes 80-84 together via a connection 86.
  • FIG. 12A shows a possible embodiment for an arrangement with a plurality of diffraction electrodes 90, which are arranged in a matrix.
  • FIG. 12A shows only one possible way of arranging the plurality of diffraction electrodes 90.
  • different arrangement patterns can be selected for the multiple diffraction electrodes 90.
  • line / hem-shaped diffraction structures 91 cf. FIGS. 12B
  • matrix-like diffraction structures 92 cf. several diffraction electrodes 90 (see FIG. 12A) produce a modified diffraction pattern for incident light beams.
  • the line / hem-shaped diffraction structures 91 can be formed in that the multiple diffraction electrodes 90 are acted upon alternately in rows with a “+” and a “-” signal.
  • the electrical field created by the application of the different diffraction electrodes to the electrical operating variable, which acts into the fluid medium with the particles, can also induce in the fluid medium an electrochemical reaction such as an electrode process, for example a pH change, which serves to generate the concentration gradient.
  • an electrochemical reaction such as an electrode process, for example a pH change, which serves to generate the concentration gradient.
  • different processes can be induced in the fluid volume to form the concentration gradient of the particles using the electric field. This includes inducing a temperature increase, a phase transition and / or the electrochemical conversion in the fluid volume.
  • the phase transition can be, for example, a sol / gel or a gel / sol transition, which is caused as a result of the action of the electric field in the fluid volume.
  • the diffracted light beams resulting from the incident light beams as a result of the diffraction at the diffraction structure are directed onto an element (not shown) so that with the aid of a light emitting material, for example a fluorescent or a phosphorescent material , on which element light is generated in a spatial distribution which corresponds to the spatial structure of the diffraction pattern of the diffracted light beams, and its design. tection at a suitable distance from the diffraction structure is possible by means of a light detector.
  • a light emitting material for example a fluorescent or a phosphorescent material
  • the respective diffraction structure can either be operated in transmission or can be designed as a reflective diffraction structure.
  • the person skilled in the art can choose the embodiment suitable for the application.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zum Beugen von Licht­wellen (4) an einer Beugungsstruktur (1) mit mindestens einer Beugungselektrode (3) und zum Ausbilden eines elektrischen Felds beim Anlegen einer elektrischen Betriebsgröße an die mindestens eine Beugungselektrode (3) und einem Fluidvolumen (5), das benachbart zu der mindestens einen Beugungselektrode (3) in einem Einfallsbereich von einfallenden Licht­wellen (4) angeordnet ist, daß das elektrische Feld zumindest teilweise in das Fluidvolumen (5) hinein wirken kann. Das Fluidvolumen (5) umfaßt Partikel, die als Reaktion auf das Aus­bilden des elektrischen Felds mit Hilfe der mindestens eine Beugungselektrode (3) in dem Fluidvolumen (5) verlagerbar sind, so daß die Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur (1) für die einfallenden Lichtwellen (4) verändert werden können.

Description

Anordnung und Verfahren zum Beugen von Lichtwellen an einer Beugungsstruktur
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Beugung von Lichtwellen an einer Beugungsstruktur.
Beugungserscheinungen von Lichtwellen an einer Beugungssü-uktur, insbesondere einem optischen Gitter werden seit langem in unterschiedlicher Art und Weise genutzt. Bei optischen Gittern handelt es sich um periodische Strukturen, die planar und räumlich angeordnet und künstlichen oder natürlichen Ursprungs sein können. So bilden zum Beispiel Proteinkristalle für biologische Fragestellungen wichtige räumliche Gitter, an denen Beugungserscheinungen von Lichtwellen beobachtet und zu Zwecken der Analyse von Eigenschaften der Proteine genutzt werden können.
Die optische Wirkung eines Gitters ergibt sich aus den geometrischen Abmessungen der vom Gitter umfaßten Beugungsstπ-ktur und den optischen Eigenschaften des Mediums, in das die Beugungsstruktur eingebettet ist.
Aus der Druckschrift US 4,660,983 ist eine Beugungsstruktur mit mehreren Beugungselektroden bekannt. Die mehreren Beugungselektroden sind in einem Ausgangszustand so mit einer nicht benetzenden Flüssigkeit bedeckt, daß Zwischenräume zwischen benachbarten Beugungselektroden frei von der nicht benetzenden Flüssigkeit sind. Wenn die Beugungselektroden mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, führt dieses dazu, daß die nicht benetzende Flüssigkeit in die Zwischenräume zwischen benachbarten Beugungselektroden hineinbewegt wird und diese Zwischenräume zumindest teilweise ausfüllt. Hierdurch wird die optische Weglänge für auf die Beugungssti-Oktur einfallende Lichtwellen in den Zwischenräumen verändert, was zu geänderten Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur führt. Bei der bekannten Beugungsstruktur sind die Abmessungen der Beugungselektroden und die Abstände zwischen den Beugungselektroden sowie das nicht benetzende Material so aufeinander abgestimmt, daß die einfallenden Lichtwellen sich nach dem Durchgang durch die Beugungsstruktur in einem Ausgangszustand, nämlich dann, wenn die Beugungselektrode nicht mit der elektrischen Spannung beaufschlagt werden, gegenseitig auslöschen. Infolge des Anlegens der elektrischen Spannung an die Beugungselektroden und der sich hierdurch ergebenden Änderung der optischen Weglänge in den Zwischenräumen zwischen den Beugungs- elektroden gilt die Auslöschbedingung der transmittierenden Lichtwellen nicht länger, so daß hinter der Beugungsslruktur gebeugte Lichtwellen sichtbar sind. Die bekannte Anordnung wird für optische An-zeigeelemente verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren zum Beugen von Lichtwellen an einer Beugungsstruktur anzugeben, welche(s) eine Anwendungsfall abhängige und flexible Steuerung der Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung nach dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 15 gelöst.
Die Erfindung umfaßt den Gedanken, mit Hilfe des Zusammenwirkens wenigstens einer Beu- gungselektrode, die mit einer elektrischen Betriebsgröße zum Ausbilden eines elektrischen Felds beaufschlagbar ist, und einem Fluidvolumen mit Partikeln individuell gestaltbare Beu- gungsstrakturen zu schaffen. Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur sind veränderbar, indem mit Hilfe des elektrischen Felds ein Konzentrationsgradient der Partikel in dem Fluidvolumen erzeugt werden kann. Mit einer geeigneten Auswahl von Parametern, insbesondere hinsichtlich des Materials und der Größe der Beugungselektrode sowie der Partikel in dem Fluidvolumen, können für einen jeweiligen Anwendungszweck geeignete Beugungsstrukturen geschaffen werden. Im Vergleich zum Stand der Technik besteht der Vorteil, daß mit Hilfe des induzierten Konzentrationsgradienten der Partikel in dem Fluidvolumen die Wirkung der zumindest einen Beugungselektrode selbst verändert werden kann, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn die Partikel in dem Fluidvolumen sich am Rande der mindestens einen Beugungselektrode sammeln.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht mehrere Beugungselektroden vor, bei denen sich Abstände zwischen benachbarten Beugungselektroden unterscheiden, so daß eine asymmetrische Beugungsstruktur gebildet ist. Auf diese Weise werden die Gestaltungsmög- lichkeiten für die Schaffung anwendungsspezifischer Beugungsstrukturen vergrößert.
Vorteilhaft kann bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß die mindestens eine Beugungselektrode aus einem lichtdurchlässigen Material ist. Dieses ermöglicht die Beobachtung von physikalischen oder chemischen Prozessen in dem Fluidvolumen auch in einem Bereich, der üblicherweise von der mindestens einen Beugungselektrode verdeckt ist. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, daß das Fluidvolumen ein strömendes Volumen ist. Hierdurch wird es möglich, das Fluidvolumen fortdauernd auszutauschen, beispielsweise um anhand der veränderbaren Beugungseigenschaften Parameter des Fluids oder der Partikel in dem Fluidvolumen zu analysieren.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Partikel in dem Fluidvolumen Biomoleküle sind, beispielsweise Proteine. Biomoleküle stehen in großer Vielfalt hinsichtlich ihrer Größe und ihrer Wechselwirkungseigenschaften mit elektrischen Feldern zur Verfugung, wodurch sich sehr verschiedene Gestaltungsoptionen für das Fluidvolumen mit den Partikeln in der steuerbaren Beugungsstruktur ergeben.
Um die Möglichkeit zum Analysieren der gebeugten Lichtwellen zu schaffen, sieht eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung eine Detektionseinrichtung zum Erfassen der an der Beugungsstruktur gebeugten Lichtwellen vor. Mit Hilfe der Detektionseinrichtung können Eigenschaften der einfallenden und/oder der gebeugten Lichtwellen erfaßt und untersucht werden, um Rückschlüsse auf das Verhalten des Fluidvolumens und/oder der Partikel in dem Fluidvolumen in der Beugungsstruktur zu ziehen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß eine Ausdehnung der mindestens einen Beugungselektrode in einer Richtung, die im wesentlichen quer zu einer Einfallsrichtung der einfallenden Lichtwellen auf die Beugungsslruktur verläuft, klein im Vergleich zur Wellenlänge der einfallenden Lichtwellen ist, so daß eine Beugung an der Beugungsstruktur im wesentlichen erst als Reaktion auf dem Konzentrationsgradienten der Partikel nach dem Ausbilden des elektrischen Feldes auftritt. Hierdurch wird ein Schaltmechanismus gebildet, bei dem die einfallenden Lichtwellen in einem Zustand der Beugungsstruktur gebeugt und in einem anderen Zustand nicht gebeugt werden.
Die Beugungsstruktur ist zweckmäßig eine in Reflexion oder in Transmission betreibbare Beugimgsstruktur. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall kann der Fachmann entscheiden, ob die einfallenden Lichtwellen eher reflektiert oder transmittiert werden sollen.
Eine Möglichkeit zur Beaufschlagung von mehreren Beugungselektroden gemeinsam mit der elektrischen Betriebsgröße ist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung dadurch geschaffen, daß die Beugungsstn-ktur kammförmig ausgebildet ist. Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die mehreren Beugungselektroden matrixartig angeordnet sind. Auf diese Weise stehen vielfältige Ge- staltungsmöglichkeiten zur Verfügung, den Konzentrationsgradienten der Partikel in dem Fluidmedium anwendungsspezifisch auszubilden. Einzelne oder alle matrixartig angeordneten Beugungselektroden können mit der gleichen oder unterschiedlichen elektrischen Betriebsgrößen beaufschlagt werden, um die von den Beugungselektroden gebildete Beugungsstruktur mittels des Konzentrationsgradienten zu verändern.
Eine Fortbildung der Erfindung kann vorsehen, daß auf eine Oberfläche der mindestens einen Beugungselektrode eine aus einem lichtemittierenden Material gebildete Schicht aufgebracht ist. Auf diese Weise ist es ermöglicht, die Struktur der Anordnung der mindestens einen Beugungselektrode mit Hilfe eines Detektors zu erfassen, der in einer geeignet gewählten Entfernung von der Beugungselektrodenanordnung angeordnet ist, um Licht, beispielsweise Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzlicht, des Hchtemittierenden Materials zu detektieren.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der mindestens einen Beugungselektrode gegenüberliegend zumindest eine weitere Beugungselektrode vorgesehen ist, wobei die mindestens eine Beugungselektrode und die zumindest eine weitere Beugungselek- trode hinsichtlich der einfallenden Lichtwellen auf Lücke versetzt sind, so daß ein zumindest teilweiser Durchgang der einfallenden Lichtwellen durch die Beugungsstruktur mit Hilfe einer Änderung der Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur schaltbar ist. Hierdurch ist es möglich, einen optischen Schaltmechanismus zu schaffen, bei dem ein Durchgang der einfallenden Lichtwellen aufgrund der Lückenversetzung der mindestens einen Beugungselektrode und der zumindest einen weiteren Beugungselektrode zunächst verhindert wird. Beim -Anlegen der elektrischen Betriebsgröße und einer hierdurch induzierten Änderung der Beugungseigenschaften kann dann ein zumindest teilweiser Durchgang der einfallenden Lichtwellen erfolgen.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Beugungsstruktur in einem Lichtweg eines optischen Geräts zum Regeln einer Ausbreitung der einfallenden Lichtwellen entlang des Lichtwegs angeordnet sind. Die Regelung der Ausbreitung der einfallenden Lichtwellen erfolgt mit Hilfe der Änderung der Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur beim Anlegen der elektrischen Betriebsgröße und der hierdurch ausgelösten Ausbildung des elektrischen Feldes, was seinerseits zur gezielten Konzentrationsgradientenbildung in dem Fluidvolumen -führt. Weiterbildung des Verfahrens zum Regeln der Ausbreitung von Lichtwellen mit Hilfe des Beugens einfallender Lichtwellen an einer Beugungsstnαktur in abhängigen Unteransprüchen weisen die in Verbindung mit zugehörigen Unteransprüchen der Anordnung zum Beugen von Lichtwellen an einer Beugi gsstniktur genannten Vorteile entsprechend auf.
Beim Ausführen des Verfahrens können in Abhängigkeit vom Anwendungsfall zum Bilden des Konzentrationsgradienten der Partikel mit Hilfe des elektrischen Feldes verschiedene Prozesse in dem Fluidvolumen induziert werden. Hierzu gehören das Induzieren einer Temperaturerhöhung, eines Phasenübergangs und/oder einer elektrochemischen Umsetzung in dem Fluidvolumen. Bei dem Phasenübergang kann es sich beispielsweise um einen Sol/Gel- oder einen Gel/Sol-Übergang handeln, der infolge der Wirkung des elektrischen Feldes in dem Fluidvolumen veranlaßt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Beugen einfallender
Lichtwellen an einer Beugungsstruktur;
Figur 2 eine schematische Darstellung der Anordnung nach Figur 1, wobei eine weitere Beugungselektroden vorgesehen sind;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zum Beugen einfallender Lichtwellen;
Figuren 4A-4D graphische Darstellungen zum Beugungsverhalten einfallender Lichtwellen im Fall eines Doppelspalts;
Figur 5 eine schematische Darstellung berechneter Kurven für ein asymmetrische
Verteilung von Partikeln in einem Fluidvolumen einer steuerbaren Beugungsstruktur;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit mehreren Beugungselektroden ohne elektrisches Feld;
Figur 7 eine schematische Darstellung der Anordnung mit mehreren Beugungselektroden nach Figur 6 beim Anlegen eines elektrischen Wechselfelds für Partikel mit negativer Dielektrophorese; Figur 8 eine schematische Darstellung der Anordnung mit mehreren Beugungselektroden nach Figur 6 beim Anlegen eines elektrischen Wechselfelds für Partikel mit positiver Dielektrophorese;
Figur 9 eine schematische Darstellung der Anordnung mit mehreren Beugungselektroden nach Figur 6 beim Anlegen eines Gleichfelds für den Fall einer Elektrophorese;
Figur 10 eine schematische Darstellung der Anordnung mit mehreren Beugungselektroden nach Figur 6 beim Anlegen eines Wechselfelds für Makromoleküle;
Figur 11 eine kammfb'rmige Beugungselektrode; und
Figuren 12A-12C eine schematische Darstellung einer Anordnung mit mehreren Beugungselektroden, die matrixartig angeordnet sind.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Beugungsstruktur 1, bei der auf einem transparenten Trägermaterial 2 mehrere Beugungselektroden 3 angeordnet sind. Auf die Beugungsstruktur 1 treffen einfallende Lichtwellen 4, die an der Beugungs- straktur 1 gebeugt werden. Es können Lichtwellen aus einem beliebigen Bereich des Lichtspektrums sowohl im sichtbaren als auch im mcht sichtbaren Spektralbereich verwendet werden, insbesondere auch aus dem ultravioletten oder dem infraroten Spektralbereich. Die Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur 1 werden nicht nur von den Beugungselektroden 3 sondern auch von einem Fluidmedium 5 bestimmt, welches in Figur 1 mit Hilfe eines Pfeils A schematisch dargestellt ist. Bei dem Fluidmedium 5 kann es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Medium handeln. Das Fluidmedium 5 strömt in der mit Hilfe des Pfeils A in Figur 1 angedeuteten Richtung entlang der mehreren Beugungselektroden 3 und bilden mit diesen zusammen die Beugungsstruktur 1. Das Fluidmedium 5 durchströmt hierbei ein Volumen, welches einen von Fluidvolumen 5 durchströmten Raum (nicht dargestellt) begrenzt, der in Figur 1 oberhalb der mehreren Beugungselektroden 3 gebildet ist. Es kann ein direkter Kontakt zwischen den mehreren Beugungselektroden 3 und dem Fluidmedium 5 gebildet werden, wenn die mehreren Beugungselektroden beispielsweise in eine Wand des von dem Fluidvolumen durchströmten Volumens integriert sind (nicht dargestellt). Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die mehreren Beugungselektroden 3 mit einer Schutzschicht bedeckt sind, so daß zwischen dem Fluidmedium 5 und den mehreren Beugungselektroden 3 kein direkter Kontakt gebildet ist. Das Fluidmedium 5 kann sowohl als strömendes Medium als auch stehendes Medium oberhalb und zwischen den mehreren Beugungselektroden 3 vorgesehen sein. Wenn das Fluidmedium 5 als stehendes Medium gebildet ist, wird es in einem abgeschlossenen, nicht durchströmenden Volumen angeordnet (nicht dargestellt).
Um die Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur 1 für die einfallenden Lichtwellen 4 zu verändern, werden die mehreren Beugungselektroden 3 mit einer elektrischen Betriebsgröße, beispielsweise einer elektrischen Spannung, beaufschlagt, so daß sich um die mehreren Beugungselektroden 3 herum ein elektrisches Feld bildet, was in das Fluidmedium 5 hinein wirkt. Mit Hilfe des so gebildeten elektrischen Feldes werden in dem Fluidmedium 5 Partikel (in Figur 1 nicht dargestellt) verlagert, so daß in dem Fluidmedium 5 im Bereich der mehreren Beugungselektroden 3 ein Konzentrationsgradient der Partikel gebildet wird. Infolge des auf diese Weise gebildeten Konzentrationsgradienten der Partikel in dem Fluidmedium 5 werden die Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur 1 verändert. Die geänderten Beugungseigenschaften führen dazu, daß gebeugten Lichtwellen, die durch die Beugungsstruktur 1 gelangen und mit Hilfe einer Linse 6 auf einen Detektor 7 gelenkt werden, mit geänderten Eigenschaften detektiert werden. Die geänderten Eigenschaften der gebeugten Lichtwellen können genutzt werden, um das Fluidmedium 5 bzw. die darin befindlichen Partikel zu analysieren. Bei einer derartigen Analyse werden die gebeugten Lichtwellen zweckmäßig mit und ohne Beaufschlagung der mehreren Beugungselektroden 3 mit der elektrischen Betriebsgröße erfaßt.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung nach Figur 1, wobei oberhalb der mehreren Beugungselektroden 3 zusätzlich mehrere weitere Beugungselektroden 8 vorgesehen sind, die auf einem Trägermaterial 9 plaziert sind. Die weiteren Beugungselektroden 8 sind in der Einfallsrichtung der einfallenden Lichtwellen 4 bezüglich der mehreren Beugungselektroden 3 auf Lücke versetzt, so daß in einem Ausgangszustand, in welchem die mehreren Beugungselektroden 3 nicht mit der elektrischen Betriebsgröße beaufschlagt sind, die einfallenden Lichtwellen 4 nicht durch Zwischenräume 10 zwischen den weiteren Beugungselektroden 8 hindurch gelangen können. Erst beim Anlegen der elektrischen Betriebsgröße an die mehreren Beugungselektroden 3 und/oder die mehreren Beugungselektroden 8 führt dazu, daß gebeugte Lichtwellen durch die Beugungsstruktur 1 mit den mehreren Beugungselektroden 3, dem Fluidmedium 5 und den weiteren Beugungselektroden 8 hindurch gelangen. Die gebeugten Lichtwellen werden dann mit Hilfe der Linse 6 auf den Detektor 7 fokussiert. Ein derartiges Verhalten tritt bei der Anordnung nach Figur 2 auf, wenn durch das Anlegen der elektrischen Betriebsgröße in dem Fluidmedium 5, welches einen Raum 11 zwi- sehen der Beugungsstruktur 1 und der weiteren Beugungsstruktur 8 ausfüllt, ein Konzentrati- onsgradient von Partikeln geschaffen wird, welcher die Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur 1 verändert, so daß zumindest ein Teil der einfallenden Lichtwellen 4 als gebeugte Lichtwellen zu dem Detektor 7 gelangt. Der in dem Fluidmedium 5 gebildeten Konzentrationsgradient der Partikel „bricht" die Symmetrie des Verbunds der auf Lücke versetzten mehreren Beugungselektroden 3 und der weiteren Beugungselektroden mit dem dazwischen angeordneten Fluidvolumen 5. Auf diese Weise ist eine schalterartige Beeinflussung der Lichtausbreitung der einfallenden Lichtwellen 4 ermöglicht, was in einem optischen Gerät wie einem Lichtmikroskop zum Anwendungsfall abhängigen, flexiblen Steuern eines Lichtwegs genutzt werden kann. Bei einer derartigen -Anwendung kann der Lichtweg im Bereich seiner gesamten Querschnittsfläche oder nur eines Teils hiervon in der beschriebenen Art und Weise gesteuert werden.
Die mehreren Beugungselektroden 3 und/oder die weiteren Beugungselektroden 8 können aus einem lichtdurchlässigen oder einem durchsichtigen Material sein, so daß eine Beobachtung von physikalischen Vorgängen im Bereich des Fluidvolumens 5 auch durch die mehreren Beugungselektroden 3 und/oder die weiteren Beugungselektroden 8 möglich ist.
In Figur 3 sind die weitere Beugungselektroden 8 aus Figur 2 nicht gegenüber den mehreren Beugungselektroden 3, sondern seitlich neben diesen angeordnet. Wie bei den Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 werden die einfallenden Lichtwellen 4 an der von den mehreren Beugungselektroden 3, den weiteren Beugungselektroden 8 sowie dem Fluidmedium 5 gebildeten Beugungsstruktur 1 gebeugt. Zu Meßzwecken werden entweder die mehreren Beugungselektroden 3 oder die mehreren Beugungselektroden 8 mit der elektrischen Betriebsgröße beaufschlagt, so daß mit Hilfe des Detektors 7 Lichtwellen empfangen werden, die aus einem unterschiedlichen Beugungs verhalten im Bereich der mehreren der Beugungselektroden 3 und der weiteren Beugungselektroden 8 resultieren. Aus einem Vergleich der unterschiedlichen erfaßten Meßergebnisse kann eine Meßanalyse erfolgen.
In den Figuren 4A - 4D sind berechnete Kurven für eine zweidimensionale Intensitätsvertei- lung gebeugter Lichtwellen hinter einem Doppelspalt dargestellt. Zur Berechnung der Kurven wurde die skalare Beugungsformel nach -Kirchhoff genutzt. Die Figuren 4A und 4B zeigen das berechnete Ergebnis kurz hinter dem Doppelspalt, das heißt unter Fresnel-Bedingungen. In einer größeren Entfernung hinter den Doppelspalt, das heißt unter Fraunhofer- Bedingungen, ergeben sich die in den Figuren 4C und 4D dargestellten Beugungsmuster. Die Figuren 4A und 4C repräsentieren die Beugung an zueinander symmetrischen Doppelspalthälften. Zur Berechnung der Beugungsmuster in den Figuren 4B und 4D wurde angenommen, daß die Symmetrie der Lichtwege durch den linken Spalt des Doppelspalts infolge eines Kon- zentrationsgradienten von Partikeln in dem Fluidmedium (vgl. Erläuterungen zu den Figuren 1 und 2) gestört ist. Es ergibt sich, daß die Präsenz des Konzentrationsgradienten, der beispielsweise in einem Proteinfilm gebildet ist, die Symmetrie des Beugungsmusters wesentlich beeinflußt. Aus dem Beugungsmuster nach Figur 4D können somit Rückschlüsse auf die Existenz von Partikeln im Bereich der Beugungsstruktur, bei der es sich hier um einen Doppelspalt und ein geeignetes stehendes oder strömendes Fluidvolumen mit Partikeln handelt, gezogen werden.
Figur 5 zeigt berechnete Kurven für ein asymmetrische Verteilung von Partikeln eines Fluid- volumens im Bereich von drei Beugungselektroden 50, 51, 52, die jeweils mit einem elektrischen Feld beaufschlagt sind. Oberhalb der drei Beugungselektroden 50, 51, 52 befindet sich ein Fluidmedium 53 mit Partikeln. Die Kurven in Figur 5 zeigen eine sich ergebende Feldverteilung (quadratisches Mittel). Die dargestellte Feldverteilung führt bei Partikeln mit positiver Dielektrophorese dazu, daß ein Bereich 54 stärker als ein Bereich 55 besetzt wird, was zur Ausbildung eines Konzentrationsgradienten der Partikel verursacht. Die hierbei entstehende Asymmetrie der Partikelverteilung in den Fluidmedium 53 führt zu geänderten Beugungseigenschaften der Struktur aus den drei Beugungselektroden 50, 51, 52 und dem Fluidmedium 53 für von unten einfallende Lichtwellen, was sich im Beugungsbild nachweisen läßt. In analoger Weise zu der in Figur 5 dargestellten zweidimensionalen Asymmetrie lassen sich räumliche Strukturen eines Konzentrationsgradienten mit geeigneter Anordnung der für den jeweiligen Anwendungsfall auswählbaren Beugungselektroden schaffen.
In den Figuren 6 bis 10 ist jeweils eine Anordnung von mehreren Beugungselektroden 60, 61, 62, 63, 64, 65 dargestellt, die ineinandergreifend angeordnet sind. Wenn an den mehreren Beugungselektroden 60-65 ein Fluidmedium 66 mit Partikeln 66 vorbeiströmt oder benachbart zu den mehreren Beugungselektroden 67 als stationäres Volumen angeordnet ist, kommt es in Abhängigkeit von einer an die mehreren Beugungselektroden 60-65 angelegten Betriebsgröße zur Verlagerung der Partikel 67 in dem Fluidmedium 66, so daß verschieden gestaltete Konzentrationsgradienten gebildet werden, die ihrerseits die Beugungseigenschaften für auf die von mehreren Beugungselektroden 60-65 und dem Fluidmedium 66 gebildete Beugungsstruktur einfallenden Lichtwellen verändern. In den Figuren 6 bis 10 sind verschiedene Fälle für das Beaufschlagen der mehreren Beugungselektroden 60-65 mit einer elektri- sehen Betriebsgröße dargestellt. Das mit Hilfe des Anlegens der elektrischen Betriebsgröße erzeugte, elektrische Feld kann hierbei in dem Fluidmedium 66 elektrochemische Prozesse, beispielsweise Elektrodenprozesse, induzieren, die die Bildung des jeweiligen Konzentrationsgradienten unterstützen/veranlassen.
Figur 6 zeigt die Anordnung der mehreren Beugungselektroden 60-65 ohne angelegtes elektrisches Feld, so daß die Partikel 67 in dem Fluidmedium 66 statistisch verteilt sind. In Figur 7 werden die mehreren Beugungselektroden 60-65 mit einem Wechselfeld beaufschlagt. Bei negativer Dielektrophorese der Partikel 67 kommt es zur Ausbildung weiterer Beugungsstrukturen 68, die parallel zu den mehreren Beugungselektroden 60-65 verlaufen und zwischen diesen angeordnet sind.
Figur 8 zeigt die Anordnung der mehreren Beugungselektroden 60-65 bei angelegtem Wechselfeld und Partikeln 67 mit positiver Dielektrophorese. Gemäß Figur 8 kommt es zu einer Saumbildung um sämtliche der mehreren Beugungselektroden 60-65. Bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 9 sind die mehreren Beugungselektroden 60-65 mit einem Gleichfeld beaufschlagt. In Abhängigkeit von einer elektrischen Polung der mehreren Beugungselektroden 60- 65 lagern sich die Partikel 67 nur an einem Teil der mehreren Beugungselektroden 60-65 an, so daß die Beugungseigenschaften in diesem Fall durch eine teilweise Saumbildung verändert werden. Bei dem Aus-führungsbeispiel nach Figur 10 werden die mehreren Beugungselektroden 60-65 mit einem Wechselfeld beaufschlagt, was dazu führt, daß sich an den mehreren Beugungselektroden 60-65 Makromoleküle 69 anlagern, so daß ein optisch homogener Saum gebildet ist.
Bei den Ausführungsformen nach den Figuren 8 bis 10 kann vorgesehen sein, die mehreren Beugungselektroden 60-65 hinsichtlich ihrer für die einfallenden Lichtwellen wirksamen Breite so schmal zu gestalten, daß eine detektierbare Beugung der auf die Beugungsstruktur einfallenden Lichtwellen erst infolge der durch die Saumbildung induzierte Verbreiterung der für die einfallenden Lichtwellen wirksamen Breite der mehreren Beugungselektroden 60-65 auftritt, h diesem Fall würden die einfallenden Lichtwellen bei nicht angelegtem Feld hinsichtlich einer Beugung von der Beugungsstruktur aus Beugungselektroden 60-65 und Fluidmedium 67 im wesentlichen unbeeinflußt bleiben.
Figur 11 zeigt eine mögliche Ausführungsform für eine Anordnung mit mehreren Beugungselektroden 80, 81, 82, 83, 84, die als Teil einer kammförmigen Gesamtbeugungselektrode 85 gebildet sind. Mit Hilfe der kammförmigen Gesamtbeugungselektrode 85 ist es möglich, die mehreren Beugungselektroden 80-84 gemeinsam über einen Anschluß 86 mit dem gewünschten elektrischen Feld zu beaufschlagen.
Figur 12A zeigt eine mögliche Ausführungsform für eine Anordnung mit mehreren Beugungselektroden 90, die matrixartig angeordnet sind. In Figur 12A ist lediglich eine mögliche Art der Anordnung der mehreren Beugungselektroden 90 gezeigt. Grundsätzlich können je nach -Anwendungsfall unterschiedliche Anordnungsmuster für die mehreren Beugungselektroden 90 gewählt werden. Mit Hilfe einer anwendungsabhängigen Beaufschlagung aller oder eines Teils der mehreren Beugungselektroden 90 mit einer elektrischen Betriebsgröße können linien-/saumfÖrmige Beugungsstnikturen 91 (vgl. Figuren 12B) oder matrixartig verteilte Beugungsstrukturen 92 (vgl. Figur 12C) erzeugt werden, die ein gegenüber der Ausgangsanordnung der mehreren Beugungselektroden 90 (vgl. Figur 12A) geändertes Beugungsmuster für einfallende Lichtstrahlen erzeugen. Die linien-/saumförmigen Beugungsstrukturen 91 können gebildet werden, indem die mehreren Beugungselektroden 90 abwechselnd reihenweise mit einem „+"- und einem „-„-Signal beaufschlagt werden.
Das mittels der Beaufschlagung der verschiedenen Beugungselektroden mit der elektrischen Betriebsgröße geschaffene, elektrische Feld, welches in das Fluidmedium mit den Partikeln hinein wirkt, kann in dem Fluidmedium auch eine elektrochemische Umsetzung wie einen Elektrodenprozeß, zum Beispiel eine pH- Wert-Änderung, induzieren, die zum Erzeugen des Konzentrationsgradienten dient. Es können in Abhängigkeit vom Anwendungsfall zum Bilden des Konzentrationsgradienten der Partikel mit Hilfe des elektrischen Feldes verschiedene Prozesse in dem Fluidvolumen induziert werden. Hierzu gehören das Induzieren einer Temperaturerhöhung, eines Phasenübergangs und/oder der elektrochemischen Umsetzung in dem Fluidvolumen. Bei dem Phasenübergang kann es sich beispielsweise um einen Sol/Gel- oder einen Gel/Sol-Übergang handeln, der infolge der Wirkung des elektrischen Feldes in dem Fluidvolumen veranlaßt wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die aus den einfallenden Lichtstrahlen infolge der Beugung an der Beugungsstruktur entstehenden gebeugten Lichtstrahlen auf ein Element (nicht dargestellt) gelenkt werden, so daß mit Hilfe eines lichtemittierenden Materials, zum Beispiel einem fluoreszierenden oder einem phosphoreszierenden Material, auf dem Element Licht in einer räumlichen Verteilung erzeugt wird, die der räumlichen Straktur des Beugungsmusters der gebeugten Lichtstrahlen entspricht, und dessen De- tektion in einem geeigneten Abstand von der Beugungsstruktur mittels eines Lichtdetektors möglich ist.
In Verbindung mit den beschriebenen Aus-?ührungsformen kann die jeweilige Beugungsstruktur entweder in Transmission betrieben werden oder als reflektierende Beugungsstniktur ausgestaltet werden. Der Fachmann kann hierbei die für den Anwendungsfall geeignete Ausführungsform wählen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen, und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
1. Anordnung zum Beugen von Lichtwellen an einer Beugimgsstruktur (1) mit mindestens einer Beugungselektrode (3) zum Ausbilden eines elektrischen Felds beim Anlegen einer elektrischen Betriebsgröße an die mindestens eine Beugungselektrode (3) und einem Fluidvolumen (5), das benachbart zu der mindestens einen Beugungselektrode (3) in einem Einfallsbereich von einfallenden Lichtwellen so (4) angeordnet ist, daß das elektrische Feld zumindest teilweise in das Fluidvolumen (5) hinein wirken kann, dadurch g e kennzeichnet, daß das Fluidvolumen (5) Partikel umfaßt, die als Reaktion auf das Ausbilden des elektrischen Felds mit Hilfe der mindestens einen Beugungselektrode (3) in dem Fluidvolumen (5) verlagerbar sind, um in dem Fluidvolumen (5) einen von dem elektrischen Feld abhängigen Konzentrationsgradienten der Partikel zu bilden, so daß Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur (1) für die einfallenden Lichtwellen (4) verändert sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch g ekennzeichnet, daß mehrere Beugungselektroden vorgesehen sind, bei denen sich Abstände zwischen benachbarten Beugungselektroden unterscheiden, so daß eine asymmetrische Beugungsstruktur gebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Beugungselektrode (3) aus einem lichtdurchlässigen Material ist.
4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidvolumen (5) ein strömendes Volumen ist.
5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g ekennz eichnet, daß die Partikel in dem Fluidvolumen (5) Biomoleküle sind.
6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Detektionseinrichtung (7) zum Erfassen gebeugter Lichtwellen, die an der Beugungsstruktur (1) gebeugt wurden.
7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g ekennz eichnet, daß eine Ausdehnung der mindestens einen Beugungselektrode (3) in einer Richtung, die im wesentlichen quer zu einer Einfallsrichtung der einfallenden Lichtwellen (4) auf die Beugungsstruktur (1) verläuft, klein im Vergleich zur Wellenlänge der einfallenden Lichtwellen (4) ist, so daß eine Beugung an der Beugungsstriiktur (1) im wesentlichen erst als Reaktion auf den Konzentrationsgradienten der Partikel nach dem Ausbilden des elektrischen Feldes auftritt.
8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g ekennz eichnet, daß die Beugungsstruktur (1) eine in Reflexion betreibbare Beugungsstruktur ist.
9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstruktur (1) eine in Transmission betreibbare Beugungsstruktur ist.
10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennz ei chnet durch eine karnmförmige Beugungselektrode (80).
11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g ekennz ei chnet, daß auf einer Oberfläche der mindestens einen Beugungselektrode (3) eine Schicht aus einem lichtemittierenden Material aufgebracht ist.
12. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet , daß die mehreren Beugungselektroden (90) matrixartig angeordnet sind.
13. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens einen Beugungselektrode (3) gegenüberliegend zumindest eine weitere Beugungselektrode (9) vorgesehen ist, wobei die mindestens eine Beugungselektrode (3) und die zumindest eine weitere Beugungselektrode (9) hinsichtlich der einfallenden Lichtwellen (4) auf Lücke versetzt sind, so daß ein zumindest teilweiser Durchgang der einfallenden Lichtwellen (4) durch die Beugungsstruktur (1) mit Hilfe einer Änderung der Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur (1) schaltbar ist.
14. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g ekennz ei chnet, daß die Beugungsstruktur (1) in einem Lichtweg eines optischen Geräts zum Regeln einer Ausbreitung der einfallenden Lichtwellen (4) entlang des Lichtwegs angeordnet sind.
15. Verfahren zum Regeln einer Ausbreitung von Lichtwellen mit Hilfe des Beugens einfallender Lichtwellen (4) an einer Beugungsstruktur (1) mit mindestens einer Beugungse- lektrode (3) und einem Fluidvolumen (5), das banachbart zu der mindestens einen Beugungselektrode (3) in einem Einfallsbereich der einfallenden Lichtwellen (4) angeordnet ist, bei dem:
- die einfallenden Lichtwellen (4) auf die Beugungsstruktur einfallen;
- die zumindest eine Beugungselektrode (3) zum Ausbilden eines elektrischen Feldes mit einer elektrischen Betriebsgröße beaufschlagt wird, so daß das elektrische Feld zumindest teilweise in das Fluidvolumen (5) hinein wirkt;
- in dem Fluidvolumen (5) Partikel als Reaktion auf das Ausbilden des elektrischen Felds verlagert werden, um in dem Fluidvolumen (5) einen von dem elektrischen Feld abhängigen Konzentrationsgradienten der Partikel zu bilden, so daß Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur (1) verändert werden; und
- die einfallenden Lichtwellen (4) an der Beugungsstruktur (1) gemäß den veränderten Beugungseigenschaften gebeugt werden, so daß gebeugte Lichtwellen gebildet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch g ekennzeichn et, daß das Fluidvolumen (5) von einem strömenden Volumen gebildet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennz ei chnet, daß mit Hilfe des Ausbildens des elektrischen Feldes eine asymmetrische Verteilung der Partikel in dem Fluidvolumen (5) geschaffen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bilden des Konzentrationsgradienten der Partikel mit Hilfe des elektrischen Feldes eine Temperaturerhöhung in dem Fluidvolumen (5) induziert wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch g ekennz eichnet, daß zum Bilden des Konzentrationsgradienten der Partikel mit Hilfe des elektrischen Feldes ein Phasenübergang in dem Fluidvolumen (5) induziert wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch g ekennz eichnet, daß zum Bilden des Konzentrationsgradienten der Partikel mit Hilfe des elektrischen Feldes der Partikel eine elektrochemische Umsetzung in dem Fluidvolumen induziert wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch g ekennzei chnet, daß eine Ausdehnung der mindestens einen Beugungselektrode (3) in einer Richtung, die im wesentlichen quer zur Einfallsrichtung der einfallenden Lichtwellen (4) verläuft, klein im Vergleich zur Wellenlänge der einfallenden Lichtwellen (4) ist, so daß die einfallenden Lichtwellen (4) im wesentlichen erst als Reaktion auf den Konzentrationsgradienten der Partikel nach dem Ausbilden des elektrischen Feldes an der Beugungsstruktur (1) gebeugt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch g ekennz eichnet, daß die einfallenden Lichtwellen (4) an der Beugungsstruktur (1) reflektiert werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennz ei chnet, daß die einfallenden Lichtwellen (4) durch die Beugungsstruktur (1) transmittieren.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch g ekennz eichnet, daß der mindestens einen Beugungselektrode (3) gegenüberliegend zumindest eine weitere Beugungselektrode (9) angeordnet wird, wobei die mindestens eine Beugungselektrode (3) und die zumindest eine weitere Beugungselektrode (9) hinsichtlich der einfallenden Lichtwellen (4) auf Lücke versetzt werden, so daß ein zumindest teilweiser Durchgang der einfallenden Lichtwellen (4) durch die Beugungsstruktur (1) mit Hilfe einer Änderung der Beugungseigenschaften der Beugungsstruktur geschalten wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzei chnet, daß die Beugungsstruktur (1) in einem Lichtweg eines optischen Geräts angeordnet sind, so daß eine Ausbreitung der einfallenden Lichtwellen (4) entlang des Lichtwegs geregelt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die gebeugten Lichtwellen detektiert werden, um Eigenschaften des Fluidvolumens (5) und/oder der Partikel in dem Fluidvolumen (5) zu analysieren.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß von einem lichtemittierenden Material auf einer Oberfläche der mindestens einen Beugungselektrode (3) Licht emittiert wird.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008062336A1 (en) 2006-11-21 2008-05-29 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Switchable grating based on electrophoretic particle system
EP1990627A1 (de) * 2006-02-28 2008-11-12 Shimadzu Corporation Verfahren zur analyse einer optischen messung
JP2008298821A (ja) * 2007-05-29 2008-12-11 Sony Corp 可変回折格子、回折角可変素子、撮像装置、及び、表示装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5122888A (en) * 1987-07-10 1992-06-16 Canon Kabushiki Kaisha Focusing plate having phase grating formed by using liquid crystal
JPH07261203A (ja) * 1994-03-18 1995-10-13 Fujitsu Ltd 光偏向器と光走査装置と情報読み取り装置
DE19932487A1 (de) * 1999-07-09 2001-02-08 Epigenomics Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen
WO2002057843A2 (en) * 2000-12-08 2002-07-25 E Ink Corporation Electrophoretic displays using nanoparticles
US20020180688A1 (en) * 1998-04-10 2002-12-05 E Ink Corporation Full color reflective display with multichromatic sub-pixels

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4660938A (en) * 1985-03-11 1987-04-28 Xerox Corporation Optical display device
DE19613645A1 (de) * 1996-04-04 1997-10-09 Inst Neue Mat Gemein Gmbh Optische Bauteile mit Gradientenstruktur und Verfahren zu deren Herstellung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5122888A (en) * 1987-07-10 1992-06-16 Canon Kabushiki Kaisha Focusing plate having phase grating formed by using liquid crystal
JPH07261203A (ja) * 1994-03-18 1995-10-13 Fujitsu Ltd 光偏向器と光走査装置と情報読み取り装置
US20020180688A1 (en) * 1998-04-10 2002-12-05 E Ink Corporation Full color reflective display with multichromatic sub-pixels
DE19932487A1 (de) * 1999-07-09 2001-02-08 Epigenomics Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen
WO2002057843A2 (en) * 2000-12-08 2002-07-25 E Ink Corporation Electrophoretic displays using nanoparticles

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KWONG VINCENT ET AL: "Electrical modulation of diffractive structures", APPLIED OPTICS, vol. 41, no. 16, 12 September 2001 (2001-09-12) - 1 June 2002 (2002-06-01), pages 3343 - 3347, XP002284933 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1996, no. 02 29 February 1996 (1996-02-29) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1990627A1 (de) * 2006-02-28 2008-11-12 Shimadzu Corporation Verfahren zur analyse einer optischen messung
EP1990627A4 (de) * 2006-02-28 2014-03-12 Shimadzu Corp Verfahren zur analyse einer optischen messung
WO2008062336A1 (en) 2006-11-21 2008-05-29 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Switchable grating based on electrophoretic particle system
JP2008298821A (ja) * 2007-05-29 2008-12-11 Sony Corp 可変回折格子、回折角可変素子、撮像装置、及び、表示装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004065941B1 (de) 2004-10-21
DE10302605B4 (de) 2006-05-24
DE10302605A1 (de) 2004-08-12

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