WO2004106901A1 - Anordnung und verfahren zur optischen detektion von in proben enthaltenen chemischen, biochemischen molekülen und/oder partikeln - Google Patents

Anordnung und verfahren zur optischen detektion von in proben enthaltenen chemischen, biochemischen molekülen und/oder partikeln Download PDF

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WO2004106901A1
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optical
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sample
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Norbert Danz
Bürk SCHÄFER
Michaela Harz
Alexander Büttner
Peter Schreiber
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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 an arrangement and a method for the optical detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples, in which the surface plasmon resonance (SPR), which changes as a function of the optical refractive index, can be used for the optical detection.
  • SPR surface plasmon resonance
  • the analyte can be detected on general receptor-ligand systems, for example on the most varied Antigen-antibody combinations are based. Proteins, molecules, particles and other substances contained in biological fluids can be detected.
  • this object is achieved with an arrangement which has the features of claim 1 and a method according to claim 21.
  • Advantageous refinements and developments of the invention can be achieved with the features specified in the subordinate claims.
  • the arrangement for optical detection according to the invention is designed in such a way that light from a light source is directed to an optical detector via at least one sensor element, which in turn is at least partially configured as an optical waveguide for the light.
  • the light guidance within the optical waveguide or a correspondingly designed sensor element takes place in a manner known per se.
  • at least one electrically conductive thin layer is formed on the surface of an interface on the sensor element.
  • the thin layer can be formed from various metals, preferably from gold or silver, with layer thicknesses in the range between 20 and 200 nm, changes in reflectivity due to changes in the surface plasmon resonance being caused by changes in the refractive index within a narrowly limited range above the thin film can be used simultaneously.
  • one or more measuring surfaces preferably for different analytes, have been arranged or formed.
  • the guidance within the optical waveguide or a correspondingly designed sensor element then takes place in such a way that the light strikes the interface in this area in such a way that an all-angle above the total reflection angle, taking into account predefinable wavelengths and the respective one
  • Refractive indices are observed so that surface plasmon resonance can be achieved.
  • Shape directed light can be reflected at least once.
  • the sensor element used in the arrangement according to the invention is designed so that on
  • An aspherical, convexly curved optically effective surface is formed on each end face for the light entry and the light exit.
  • the excitation light of the light source within the sensor element or the area forming an optical waveguide can be focused and directed with the previously described angles of incidence onto the interface area on which the thin film and the measurement area are arranged become.
  • Adherence to the desired angle of incidence for the light on the optical interface can be achieved by appropriate design of the aspherically curved surface, taking into account the dimensioning and, accordingly, the reflection conditions within the sensor element or the optical waveguide of a part forming the sensor element.
  • the aspherical, convexly curved surface on the light exit side is accordingly contoured and arranged in such a way that a collimated exit of the light from the sensor element or waveguide in the direction of an optical detector is achieved.
  • Such an optical detector is preferably designed such that a spatially resolved measurement can take place. Accordingly, several CCD lines, a CCD matrix or an optical detector designed in CMOS technology can be used for such a spatially resolved measurement.
  • the light intensity can then be carried out in a spatially resolved manner as a function of angles of incidence of the light on the aforementioned optical interface in the area of thin films and / or measurement areas and thus at least one analyte to be detected can be qualitatively / quantitatively detected.
  • Such a sensor element which is formed or composed as a part but also from an optical waveguide and a cover part, which will be referred to in the following, can be used for a single use in an appropriately designed arrangement, which essentially consists of further information in FIG optical elements arranged in a suitable form with respect to one another are formed, used and, after analysis has been carried out, removed and disposed of in a manner which is harmless to health and the environment.
  • the optical arrangement addressed can thus be be made up of two parts, namely an excitation part and a detection part that can be identified.
  • the excitation part uses at least one light source, which preferably emits monochromatic light.
  • Suitable light sources e.g. Laser diodes or light emitting diodes are used.
  • the light sources used should on the one hand emit light that is as incoherent as possible and on the other hand should have a light exit surface that is as punctiform as possible.
  • optical elements can be arranged in the sensor element or the optical waveguide.
  • an optical diaphragm the gap of which is slit-shaped, should be arranged accordingly.
  • an optical filter which in turn is preferably a bandpass filter that is matched to the respective wavelength of the light used.
  • a collimating optical element is advantageous, but not absolutely necessary.
  • a divergence of the light emitted by the light source taking into account the distance of the light source or an optical diaphragm from the aspherically curved surface of the sensor element / waveguide, by a divergence of the light aspherical curvature can be at least partially compensated.
  • At least the measurement areas should be arranged at a distance from one another.
  • Such a number of thin layers and / or measuring surfaces can then form a row arrangement, the individual measuring surfaces lying on a common longitudinal axis.
  • This longitudinal axis should then be aligned as orthogonally as possible to the optical axis, that is to say also orthogonally to the beam direction of the light guided by the sensor element / optical waveguide.
  • TM-polarized light should be used for the detection of one or more different analytes on measuring surfaces of a sensor element / optical fiber.
  • Such TM polarization can be determined by the respective
  • Light source take place or can be achieved by means of additional optical elements suitable for this purpose, which can be arranged in the beam path of the light before or also after the sensor element / optical waveguide.
  • TM-polarized light can be imaged on the optical detector for a spatially resolved detection.
  • the spatially resolved intensities of the TM-polarized light should preferably be normalized using reference signals. Such reference signals can be determined by correspondingly also spatially resolved intensities of an image of TE-polarized light on the or another optical detector and the normalization can be carried out by forming quotients.
  • the detection of TM and TE polarized light can be carried out separately from one another locally, but also alternately one after the other at different times.
  • a polarization beam splitter can be used, for example, via which the light emerging from the sensor element / optical waveguide is polarized in the two different planes and imaged on one or two optical detectors.
  • the light polarized in one plane can be directed directly and the other polarized light in each case can be directed onto a common optical detector by means of a suitable deflection prism.
  • a suitable deflection prism When the sensor element is irradiated with polarized light, it is possible to arrange a polarization rotator between the light source and the light entry into the sensor element or the optical waveguide. With the polarization rotator, an alternating polarization of the light radiated into the sensor element or optical waveguide in the two designated polarization planes can be achieved by means of a corresponding electronic circuit.
  • a further possibility for obtaining reference signals is to form surfaces on the sensor element or the part of a sensor element forming the optical waveguide between the measuring surfaces and / or thin layers at an angle inclined with respect to the interface. Their angle of inclination should preferably be chosen such that light reflected from these surfaces is directed as perpendicularly as possible from the sensor element / optical waveguide to an additional optical detector arranged there.
  • Microfluidic structures are advantageously formed on the sensor element to be used according to the invention.
  • a fluid sample can flow at least to the respective measuring surfaces, whereby this can be achieved by capillary forces at least, however, by means of capillary force support.
  • microfluidic structures are advantageous because formed and arranged that not only a corresponding sample liquid transport to measuring surfaces, but also functionalization, sample preparation or sample modification can take place during the flowing movement of a liquid sample.
  • a sample receiving area should be available on a sensor element, from which the sample can flow to measuring surfaces via microfluidic structures in channel form.
  • a receiving chamber in which the liquid sample can be collected after detection and stored encapsulated in a secure form until a sensor element is safely disposed of after use.
  • sample receiving area and receiving chamber further areas can be formed in a microstructured form.
  • an area can be provided between the sample receiving space and measuring surfaces for separating solids from the liquid sample.
  • a membrane or another suitable material can be accommodated in such an area, so that solids contained in the liquid, which disrupt analysis, are retained, for example by filtering.
  • a further area can also be present in microstructured form, in which bonds to specific analytes are initiated in a targeted manner.
  • immobilization can also be carried out in such an area, as may be necessary, for example, in sandwich assays.
  • active binding and thus removal of disruptive components or modification of certain components of the analyte can occur. consequences .
  • a liquid sample that is possibly subjected to sample preparation or also sample modification then arrives at appropriately prepared measuring areas, on which complementary partners or other suitable capture molecules or capture substances for the respective analyte have then been immobilized in advance, so that the respective analyte can bind accordingly.
  • a sensor element can also be formed from two interconnected individual elements, namely an optical waveguide and a cover part.
  • the aspherical, convex curved surfaces and at least one electrically conductive thin layer are then formed on the optical interface on the optical waveguide on its opposite end faces for light entry and exit.
  • microfluidic structures already mentioned can then be formed on the underside of a cover part, which in turn is placed on the optical waveguide and can be permanently connected to it.
  • a sensor element that is almost completely sealed in this way can be handled safely by the respective laboratory personnel during the detection and can be disposed of safely after the detection.
  • a sample can already be contained in the sensor element.
  • a sensor element Before the actual detection, that is to say an analysis to be carried out, a sensor element can be inserted without problems into a correspondingly designed and dimensioned receptacle of an arrangement according to the invention, and at the same time a sufficiently precise adjustment with respect to the optical elements for the coupling in and out of light can be achieved, so that even relatively inexperienced laboratory personnel can easily be handled.
  • the sensor elements can, at least on the
  • Optical waveguide area applies, are made from a transparent plastic for the light used by the light source.
  • a plastic cover part can preferably also be used, in which case the transparency of the plastic is not absolutely necessary.
  • the production can take place, for example, by stamping, hot stamping, but also in the plastic injection molding process.
  • microfluidic structures can also be embossed into the respective workpiece during such production, but can also be subsequently formed by a corresponding material removal, for example using a laser.
  • the two parts should be connected to one another as materially as possible.
  • the previously mentioned electrically conductive thin Layers that are required at least in the area of the measuring surfaces can be formed on the surface of an optical interface by known CVD or PVD methods.
  • Sensor elements can be kept in various modifications, which relates in particular to a specific adaptation to certain analytes.
  • FIG. 1 in schematic form an example of an arrangement according to the invention
  • Figure 2 shows a second example of an arrangement according to the invention
  • Figure 3 shows a third example of an arrangement according to the invention
  • FIG. 4 shows a sensor element • with microfluidic structures
  • Figure 5 is a side sectional view through a sensor element with a plan view
  • FIG. 6 shows a side view in section of a modified sensor element with a top view
  • FIG. 7B shows a diagram of the relative intensities of TM and TE polarized light detected by means of an optical detector as a function of the angle of incidence on the optical interface.
  • FIG. 1 shows an example of an arrangement according to the invention in a preferred embodiment of a sensor element 5.
  • a light source 1 for example a punctiform LED
  • a collimating optical element 2 to an optical bandpass filter 3 (FWHM with a transmission width of 10 nm around the wavelength of the light emitted by the LED, which is matched to a predetermined wavelength of the light from the light of the light source 1 ) directed through a slit diaphragm 4 onto an aspherical, convexly curved surface 6 of the sensor element and broken at the optically effective surface 6 of the sensor element 5 and, as indicated by the broken line, onto an optical interface of the sensor element 5, which is made of transparent plastic is formed, focused.
  • FWHM optical bandpass filter
  • the light entering sensor element 5 in this way is largely free of bacon.
  • the line focus is in the area of at least one electrically conductive thin layer 11, which here consists of a ner 50 nm thick gold layer is arranged.
  • At least one measuring surface 13 is present on the electrically conductive thin layer 11, on which, for example, molecules or binding partners suitable for binding are immobilized.
  • the focusing takes place in such a way that the light within sensor element 5 strikes in the area of thin film 11 and measuring surfaces 13 with an angle of incidence above the critical angle for total reflection. This ensures that surface plasmon resonance can be achieved in this area used for the analysis.
  • a beam expansion optics 14 is also shown in optional form, with which an enlarged image on an optical detector 10 and an adaptation to the respective surface of the optical detector 10 that can be used for the detection can be achieved.
  • a polarization beam splitter 8 is arranged in front of the optical detector 10, with the aid of which TM-polarized light 15 can be directed onto the optical detector 10.
  • TE-polarized light 16 is transmitted by means of the polarization tion beam splitter 8 directed at right angles to a deflection prism 9 and in turn imaged on the optical detector 10 in addition to the TM-polarized light.
  • the optical detector 10 is connected to an electronic evaluation unit 18, in which an evaluation can be carried out.
  • the intensity values can then also be normalized with the aid of the TM and TE polarized light intensities.
  • FIG. 2 shows a second example of an arrangement according to the invention, in which in particular the sensor element 5 has been modified compared to the sensor element 5 used in the example according to FIG. 1.
  • the sensor element 5 used in the example shown in FIG. 2 has been provided with an electrically conductive and here also light-reflecting thin layer 11 in a significantly larger area.
  • the light from the light source 1 is again via a collimating optical element 2, an optical one
  • Bandpass filter 3 an optical aperture 4 directed in collimated form on the sensor element 5.
  • the light enters here on a planar surface area of the sensor element.
  • the light should be directed as far as possible at a right angle onto the planar surface area of the sensor element. In this way reflection of light can be prevented and the homogeneity of the injected light can be improved.
  • the optical refractive index of the sensor element 5 Taking into account the optical refractive index of the sensor element 5, however, other angles of incidence of the light 12 can also be selected, these in turn then having to take into account the aspherical curvature of the surface 6.
  • the aspherical curvature of the surface 6 is selected such that incident light is reflected into the sensor element 5 and is focused at the same time. After a second reflection at the optical interface arranged below, the focused light, analogous to that already described in the example according to FIG. 1, strikes the optical interface (arranged above) of the sensor element 5 in order to achieve surface plasmon resonance in the range of at least a measuring surface 13.
  • the light is again directed to a lower optical interface and from there to a second, also aspherical, convexly curved surface 7 of the sensor element arranged at the light exit of the sensor element 5.
  • the light is reflected in a collimated form from the surface 7 from the sensor element in the direction of an optical detector 10.
  • the light reflected in collimated form from the sensor element 5 can then be directed again to the optical detector 10 via a beam expansion optics 14, polarization beam splitter 8, deflection prism 9, as TM and TE polarized light 15 and 16.
  • FIG. 3 uses a sensor element 5, as is also described in the example according to FIG. 1 has been .
  • the light from the light source 1 is in turn directed via a collimating optical element 2, an optical bandpass filter 3, an optical slit diaphragm 4 onto the aspherical, convexly curved surface 6 arranged at the light entry of the sensor element 5.
  • a collimating optical element 2 an optical bandpass filter 3
  • an optical slit diaphragm 4 onto the aspherical, convexly curved surface 6 arranged at the light entry of the sensor element 5.
  • this light penetrates a polarization filter in this example in combination with a polarization rotator 17 which can be switched under voltage control.
  • Appropriate circuitry which is carried out by the electronic evaluation and control unit 18, alternates between TM and TE polarized light into the sensor element 5 and correspondingly polarized light then strikes the optical detector 10 at different times, so that the intensities of TM- and TE-polarized light are detected one after the other in a spatially resolved manner and in the electronic evaluations - And control unit 18 can be processed and evaluated.
  • FIG. 4 shows an example of a sensor element 5 with microfluid structure elements formed thereon in schematic form.
  • a sample receiving space 20 is formed on the sensor element 5, into which the sample, as already mentioned in the general part of the description, can also be supplied by means of a pipette or cannula but also via correspondingly suitable lines.
  • An area 21 adjoins this sample receiving space. Solids contained in the respective liquid sample can be separated in this area.
  • Such a sample preparation or sample modification is followed by a channel 24 through which a sample can flow over the measuring surfaces 13, which are in turn arranged in a row here, and ultimately the liquid sample can be taken up in the receiving chamber 25.
  • Electrically conductive thin layers 11 which cannot be seen here are formed at least below the measuring surfaces 13.
  • the measuring light used for the excitation of surface plasmon resonance is coupled into the aspherical, convexly curved surface 6 and emerges again from the sensor element 5 on the also aspherically, convexly curved surface 7.
  • Measuring surfaces 13 parallel and the row arrangement of the measuring surfaces 13 aligned orthogonally to the beam direction, that is also to the optical axis of the light.
  • the flow direction of the liquid sample in the example shown here is therefore at right angles to the beam direction of the light.
  • Figure 5 shows in schematic form a sectional side view through a two-part sensor element 5 with attached cover part 19, the lower part of the sensor element 5 forms exclusively an optical waveguide, on the outer end faces of which the aspherical, convex surfaces 6 and 7 are formed.
  • electrically conductive thin layers 11 and measuring surfaces 13 are in turn spaced apart and in a row arrangement.
  • a groove-shaped incision forming a microchannel is formed above the measuring surfaces 13, through which the respective sample can flow to and over the measuring surfaces 13.
  • the spaced-apart row arrangement of measuring surfaces 13 is illustrated by the upper illustration in FIG. 5.
  • FIG. 6 in turn shows a sensor element 5 which has been slightly modified compared to the example of a sensor element 5 with cover part 19 shown in FIG. It is clear from the lower sectional view on the side that surfaces 26 which are inclined at an angle are additionally formed between adjacent measuring surfaces 13.
  • the light not used for the actual measurement of the surface plasmon resonance excitation is reflected on these inclined surfaces 26 and is directed as a reference signal onto an optical detector 29.
  • Diffraction effects can be suppressed by means of the inclined surfaces 26 and an improved separation of signals from adjacent measuring surfaces 13 can be achieved.
  • such an optical detector 29 can be arranged directly below the sensor element 5.
  • a collimating optical element 28 can be arranged between the sensor element 5 and the optical detector 29.
  • the optical detector 29 can in turn be connected to an electronic evaluation and control unit 18 in a form not shown and can be used for referencing / normalizing the measuring light, which in turn is preferably used in TM-polarized form.
  • FIG. 7A images of TM-polarized light 15 and TE-polarized light 16 for individual measuring surfaces 13 are shown with the optical detector 10.
  • the strip-shaped images 30 and 31 are the TM- and TE-polarized image of a measuring surface 13 for the respective angles of incidence of the incident in this area and on the optical interface of reflected light.
  • FIG. 7B shows a diagram of the relative intensities for a measuring surface 13, which are determined as a function of the respective angle of incidence.
  • the curve 30 represents the intensity of TM-polarized light 15, which is detected as a function of the angle of incidence
  • the curve 31 shows the intensity values for TE-polarized light 16 which are dependent on the detected angle of incidence.
  • the curve shape 32 is a normalization of the curve shapes 30 and 31 determined by forming the quotient.
  • the respective angle of incidence at which an intensity minimum has been determined can be used for the detection of analytes.
  • a concentration determination for analytes can be carried out by means of the respective mass assignment on measuring surfaces 13 by calculation from measured values 32.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfah­ren zur optischen Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Parti­keln, bei der die sich in Abhängigkeit vom optischen Brechungsindex verändernde Oberflächen-Plasmonen-­Resonanz (SPR) für die optische Detektion ausgenutzt werden kann. Dabei Licht einer Lichtquelle über min­destens ein bereichsweise als Lichtwellenleiter aus­gebildetes Sensorelement auf einen optischen Detektor gerichtet. Auf einer Grenzfläche dieses Lichtwellen­leiters ist mindestens eine elektrisch leitende Dünn­schicht unterhalb einer Messfläche ausgebildet. Das durch den Lichtwellenleiter geführte Licht trifft da­bei auf die Grenzfläche im Bereich der Dünnschicht mit Winkeln im Bereich oberhalb des Totalreflexions­winkels auf. Das Sensorelement ist an einer Stirnsei­te für den Lichteintritt so gestaltet, dass eine asphärisch, konvex gekrümmte optisch wirksame Ober­fläche vorhanden ist, mit der das Licht innerhalb des Sensorelementes in Richtung auf die mit der mindes­tens einen Dünnschicht und/oder Messfläche belegte Grenzfläche fokussiert wird. Eine zweite asphärisch, konvex gekrümmte optisch wirksame Oberfläche ist an der Stirnseite des Sensorelementes für den Lichtaus­tritt vorhanden. Mittels dieser optisch wirksamen Oberfläche wird das infolge von Oberflächen-­Plasmonen-Resonanz modifizierte Licht in kollimierter Form auf den mindestens einen optischen Detektor ge­richtet.

Description

Anordnung und Verfahren zur optischen Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur optischen Detektion von in Proben enthaltenden chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln, bei der die sich in Abhängigkeit vom optischen Brechungsindex verändernde Oberflächen- Plasmonen-Resonanz (SPR) für die optische Detektion ausgenutzt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können die unterschiedlichsten Analyten, die in verschiedenen, bevorzugt flüssigen Proben enthalten sind, ohne den Einsatz jeglicher Markierungsstoffe, wie sie beispielsweise bei herkömmlichen Fluoreszen- zimmunoassay-Techniken erforderlich sind, detektiert werden.
Die Detektion des Analyten kann auf allgemeinen Re- zeptor-Ligand-Systemen, z.B. auf unterschiedlichsten Antigen-Antikörperkombinationen beruhen. Es können in biologischen Flüssigkeiten enthaltene Proteine, Moleküle, Partikel und andere Substanzen detektiert werden.
Die bisher bekannten Lösungen weisen aber Defizite auf. Dies betrifft die eng begrenzte Anzahl unterschiedlicher Analyten, die gleichzeitig bei einem Messvorgang detektiert werden können.
Häufig sind auch die erforderlichen Messgenauigkeiten nicht erreicht worden, s dass die Zuverlässigkeit der Analyseergebnisse begrenzt ist und entsprechende Nachweise nicht mit ausreichend hoher Sicherheit er- folgen können.
Ein weiteres Problem, das bisher bekannte für solche Zwecke einsetzbare technischen Lösungen aufweisen, sind die relativ hohen Kosten, die zum einen durch einen entsprechend erhöhten apparativen Aufwand und zum anderen die hohen Kosten für geeignete Probenträger, die aus Sicherheitsgründen insbesondere in der medizinischen Diagnostik für den einmaligen Gebrauch als „Einwegartikel" konzipiert werden müssen.
Müssen mehrere Einzelteile bei einer solchen optischen Detektionsvorrichtung vor der Durchführung einer einzelnen Messung zusammengesetzt werden, bestehen erheblich erhöhte Anforderungen an die jeweilige optische Justierung.
Die bezeichneten Probleme sind auch mit der in WO 00/46589 beschriebenen technischen Lösung zumindest nicht vollständig gelöst.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zur optischen Detektion unterschiedlichster Analyten, wie chemische, biochemische Moleküle und/oder Partikel in Proben optisch detek- tieren zu können, wobei eine Veränderung der Oberflä- chen-Plasmonen-Resonanz infolge einer Veränderung im Brechungsindex ausgenutzt wird, zur Verfügung zu stellen, die bei geringem Aufwand, geringen Kosten eine ausreichend hohe Detektionssicherheit erreicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist sowie einem Verfahren gemäß Patentanspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur optischen Detektion ist dabei so ausgebildet, dass Licht einer Lichtquelle über mindestens ein Sensorelement, das wieder- um zumindest bereichsweise als ein Lichtwellenleiter für das Licht ausgebildet ist, auf einen optischen Detektor gerichtet wird. Die Lichtführung innerhalb des Lichtwellenleiters bzw. eines entsprechend ausgebildeten Sensorelementes erfolgt dabei in an sich be- kannter Weise. Zum Hervorrufen von Oberflachen- Plasmonen-Resonanz ist am Sensorelement zumindest eine elektrisch leitende Dünnschicht auf der Oberfläche einer Grenzfläche ausgebildet. Die Dünnschicht kann aus verschiedenen Metallen, bevorzugt aus Gold oder Silber mit Schichtdicken im Bereich zwischen 20 und 200 nm ausgebildet werden, wobei Reflektivitäts- änderungen infolge von Veränderungen der Oberflachen- Plasmonen-Resonanz hervorgerufen durch Änderungen des Brechungsindexes innerhalb eines eng begrenzten Be- reiches oberhalb der Dünnschicht gleichzeitig ausgenutzt werden können. Oberhalb einer solchen Dünn- schicht können eine oder auch mehrere Messflächen, bevorzugt für jeweils unterschiedliche Analyten angeordnet bzw. ausgebildet worden sein.
Die Lic tführung innerhalb des Lichtwellenleiters oder eines entsprechend ausgebildeten Sensorelementes erfolgt dann so, dass das Licht in diesem Bereich auf die Grenzfläche so auftrifft, dass Ein allswinkel o- berhalb des Totalreflexionswinkels, unter Berücksich- tigung vorgebbarer Wellenlängen und der jeweiligen
Brechungsindizes eingehalten werden, so dass Oberflachen-Plasmonen-Resonanz erreicht werden kann.
Dabei sollte in einem Lichtwellenleiter, das durch ihn auf eine optische Grenzfläche in fokussierter
Form gerichtete Licht mindestens einmal reflektiert werden.
Das bei der erfindungsgemäßen Anordnung verwendete Sensorelement ist dabei so ausgebildet, dass an
Stirnseiten für den Lichteintritt und den Lichtaustritt jeweils eine asphärisch, konvex gekrümmte optisch wirksame Oberfläche ausgebildet ist. Mittels der an der Lichteintrittsseite angeordneten asphä- risch, konvex gekrümmten Oberfläche kann das Anregungslicht der Lichtquelle innerhalb des Sensorelementes bzw. des einen Lichtwellenleiter bildenden Bereiches fokussiert und mit den vorab bezeichneten Einfallswinkeln auf den auf den Grenzflächenbereich, an dem Dünnschicht und Messfläche angeordnet sind, gerichtet werden. Die Einhaltung der gewünschten Einfallswinkel für das Licht auf die optische Grenzfläche können durch entsprechende Gestaltung der asphärisch gekrümmten Oberfläche unter Berücksichtigung der Dimensionierung und dementsprechend der Reflexionsbedingungen innerhalb des Sensorelementes bzw. des den Lichtwellenleiter eines Sensorelementes bildenden Teiles erfolgen.
Die asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche an der Lichtaustrittseite ist dementsprechend so konturiert und angeordnet, dass ein kollimierter Austritt des Lichtes aus dem Sensorelement bzw. Wellenleiter in Richtung auf einen optischen Detektor erreicht wird.
Ein solcher optischer Detektor ist bevorzugt so ausgebildet, dass eine ortsaufgelöste Messung erfolgen kann. Es können dementsprechend mehrere CCD-Zeilen, eine CCD-Matrix oder auch ein in CMOS-Technik ausgebildeter optischer Detektor für eine solche ortsauf- gelöste Messung eingesetzt werden.
Mit einem solchen optischen Detektor kann dann ortsaufgelöst die Lichtintensität in Abhängigkeit von Einfallswinkeln des Lichtes auf der vorab erwähnten optischen Grenzfläche im Bereich von Dünnschichten und/oder Messflächen durchgeführt und so zumindest ein zu detektierender Analyt qualitativ/quantitativ detektiert werden.
Ein solches Sensorelement, das als ein Teil aber auch aus einem Lichtwellenleiter und einem Deckelteil, auf das nachfolgend noch zurückzukommen sein wird, gebildet bzw. zusammengesetzt ist, kann für eine einmalige Verwendung in eine entsprechend ausgebildete Anord- nung, die im Wesentlichen aus weiteren in entsprechend geeigneter Form zueinander angeordneten optischen Elementen gebildet ist, eingesetzt und nach durchgeführter Analyse entfernt und für Gesundheit und Umwelt unschädlich entsorgt werden.
Die angesprochene optische Anordnung kann so im We- sentlichen aus zwei Teilen, nämlich einen zu bezeich- nenbaren Anregungs- und einen Detektionsteil gebildet werden.
Der Anregungsteil verwendet mindestens eine Lichtquelle, die bevorzugt monochromatisches Licht abstrahlt. Als geeignete Lichtquellen können z.B. Laserdioden oder Leuchtdioden eingesetzt werden.
Die eingesetzten Lichtquellen sollten einerseits möglichst inkohärentes Licht abstrahlen und andererseits eine möglichst punktförmige Lichtaustrittsfläche aufweisen.
Zwischen Lichtquelle und dem Lichteintritt in das
Sensorelement bzw. den Lichtwellenleiter können weitere optische Elemente angeordnet werden. So sollte insbesondere in Fällen, bei denen an einem Sensorelement gleichzeitig mehrere Analyten detektiert werden können, eine optische Blende, deren Spalt schlitzförmig ausgebildet ist, entsprechend angeordnet werden.
Des Weiteren ist es bei Verwendung einer nicht monochromatischen Lichtquelle vorteilhaft, ein optisches Filter, das wiederum bevorzugt ein auf die jeweilige Wellenlänge des eingesetzten Lichtes abgestimmtes Bandpassfilter ist, dort anzuordnen.
Die Anordnung eines kollimierenden optischen Elemen- tes ist vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Im letztgenannten Fall kann eine Divergenz des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes unter Berücksichtigung des Abstandes der Lichtquelle oder einer optischen Blende von der asphärisch gekrümmten Oberfläche des Sensorelementes/Wellenleiters, durch eine die Divergenz des Lichtes berücksichtigende asphärische Krümmung zumindest teilweise kompensiert werden.
Der Einsatz von kollimiertem Licht, das in das Sen- sorelement ein- und so auch wieder austritt, bietet jedoch den Vorteil, dass eine nicht so hochgenaue Justierung von Sensorelementen in Bezug zu den anderen optischen Elementen erforderlich ist.
Bei der mit der erfindungsgemäßen Lösung möglichen gleichzeitigen Detektion unterschiedlicher Analyten bzw. aber auch einer Detektion gleicher Analyten auf unterschiedlichen Messflächen, sollten zumindest die Messflächen in einem Abstand zueinander angeordnet sein.
Solche mehreren Dünnschichten und/oder Messflächen können dann eine Reihenanordnung bilden, wobei die einzelnen Messflächen auf einer gemeinsamen Längsach- se liegen. Diese Längsachse sollte dann möglichst orthogonal zur optischen Achse, also auch orthogonal zur Strahlrichtung des durch Sensorelement/Lichtwellenleiter geführten Lichtes ausgerichtet sein.
Für die Detektion eines oder auch mehrerer unterschiedlicher Analyten auf Messflächen eines Sensorelementes/Lichtwellenleiters sollte möglichst TM- polarisiertes Licht genutzt werden.
Eine solche TM-Polarisierung kann durch die jeweilige
Lichtquelle erfolgen oder mittels zusätzlicher hierfür geeigneter optischer Elemente, die im Strahlengang des Lichtes vor bzw. aber auch nach dem Sensorelement/Lichtwellenleiter angeordnet werden können, erreicht werden. So kann für eine ortsaufgelöste Detektion eine Abbildung von TM-polarisiertem Licht auf dem optischen Detektor vorgenommen werden. Bevorzugt sollte aber eine Normierung der ortsaufgelöst erfassten Intensitäten des TM-polarisierten Lichtes mit Referenzsignalen erfolgen. Solche Referenzsignale können durch entsprechend ebenfalls ortsaufgelöst erfasste Intensitäten einer Abbildung von TE-polarisiertem Licht auf dem bzw. einem weiteren optischen Detektor ermittelt und die Normierung durch Quotientenbildung vorgenommen werden .
Die Detektion von TM- und TE-polarisiertem Licht kann lokal voneinander getrennt, aber auch zu unterschied- liehen Zeitpunkten alternierend nacheinander durchgeführt werden.
Für diese beiden Möglichkeiten können unterschiedliche, das Licht entsprechend polarisierende optische Elemente eingesetzt werden.
Wird das Sensorelement mit unpolarisiertem Licht bestrahlt, so kann beispielsweise ein Polarisationsstrahlteiler eingesetzt werden, über den das aus dem Sensorelement/Lichtwellenleiter austretende Licht in die beiden unterschiedlichen Ebenen polarisiert und auf einen oder zwei optischen Detektor (en) abgebildet wird.
Sollen sowohl das TM-, wie auch das TE-polarisierte
Licht auf einen optischen Detektor abgebildet werden, kann das in einer Ebene polarisierte Licht direkt und das jeweils andere polarisierte Licht mittels eines geeigneten Umlenkprismas auf einen gemeinsamen opti- sehen Detektor gerichtet werden. Bei Bestrahlung des Sensorelementes mit polarisiertem Licht, besteht die Möglichkeit, einen Polarisations- rotator zwischen Lichtquelle und den Lichteintritt in das Sensorelement bzw. den Lichtwellenleiter anzuordnen. Mit dem Polarisationsrotator kann durch entsprechende elektronische Schaltung eine alternierende Polarisation des in das Sensorelement bzw. Lichtwellenleiter eingestrahlten Lichtes in die beiden bezeichneten Polarisationsebenen erreicht werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, zwei entsprechend unterschiedliche Polarisationsfilter alternierend in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Sensorelement zu bewegen.
Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung von Referenzsignalen besteht darin, am Sensorelement bzw. dem den Lichtwellenleiter bildenden Teil eines Sensorelementes jeweils zwischen den Messflächen und/oder Dünn- schichten in einem schräg in Bezug zur Grenzfläche geneigten Winkel ausgerichtete Flächen auszubilden. Deren Neigungswinkel sollte bevorzugt so gewählt werden, dass an diesen Flächen reflektiertes Licht möglichst senkrecht aus dem Sensorele- ment/Lichtwellenleiter auf einen entsprechend dort angeordneten zusätzlichen optischen Detektor gerichtet wird.
Vorteilhaft sind am erfindungsgemäß einzusetzenden Sensorelement mikrofluide Strukturen ausgebildet.
Mittels dieser mikrofluiden Strukturen kann eine flu- ide Probe zumindest zu jeweiligen Messflächen strömen, wobei dies durch Kapillarkräfte zumindest jedoch durch Kapillarkraftunterstützung erreichbar ist.
Vorteilhaft sind die mikrofluiden Strukturen so aus- gebildet und angeordnet, dass nicht nur ein entsprechender Probenflüssigkeitstransport zu Messflächen, sondern während der strömenden Bewegung einer flüssigen Probe auch eine Funktionalisierung, Probenvorbe- reitung bzw. Probenmodifizierung erfolgen kann.
An einem Sensorelement sollte möglichst ein Probenaufnahmebereich vorhanden sein, von dem die Probe über in Kanalform ausgebildete mikrofluiden Struktu- ren zu Messflächen strömen kann. Es sollte aber auch eine Aufnahmekammer vorhanden sein, in der die flüssige Probe nach der Detektion gesammelt und darin in gesicherter Form gekapselt aufbewahrt werden kann, bis ein Sensorelement nach dem Gebrauch gefahrlos entsorgt wird.
Neben Probenaufnahmebereich und Aufnahmekammer können weitere Bereiche in mikrostrukturierter Form ausgebildet sein. So kann beispielsweise ein Bereich zwi- sehen Probenaufnahmeraum und Messflächen zur Separation von Feststoffen aus der flüssigen Probe vorgesehen werden. Hier kann in einem solchen Bereich beispielsweise eine Membran oder ein anderes geeignetes Material aufgenommen sein, so dass in der Flüssigkeit enthaltene, eine Analyse störende Feststoffe, beispielsweise durch Filterung zurückgehalten werden.
Zusätzlich oder allein kann auch ein weiterer Bereich in mikrostrukturierter Form vorhanden sein, in dem gezielt Bindungen an bestimmten Analyten initiiert werden. Es kann aber auch eine Immobilisierung in einem solchen Bereich vorgenommen werden, wie dies beispielsweise bei Sandwich-Assays erforderlich sein kann. Weiterhin kann eine aktive Bindung und damit eine Entfernung störender Bestandteile oder eine Modifizierung bestimmter Bestandteile des Analyten er- folgen .
Eine gegebenenfalls einer Probenvorbereitung oder auch Probenmodifizierung unterzogene flüssige Probe gelangt dann zu entsprechend vorbereiteten Messflächen, auf denen dann wiederum komplementäre Partner oder andere geeignete Fängermoleküle oder Fängersubstanzen für den jeweiligen Analyten vorab immobilisiert worden sind, so dass der jeweilige Analyt ent- sprechend anbinden kann.
Wie bereits angesprochen, kann ein Sensorelement aber auch aus zwei miteinander verbundenen Einzelelementen, nämlich einem Lichtwellenleiter und einem De- ckelteil gebildet sein. Am Lichtwellenleiter sind dann an dessen sich gegenüberliegenden Stirnseiten für Lichtein- und Lichtaustritt die asphärisch, konvex gekrümmten Oberflächen sowie mindestens eine elektrische leitende Dünnschicht auf der optischen Grenzfläche ausgebildet.
Die bereits erwähnten mikrofluiden Strukturen können dann an der Unterseite eines Deckelteils, das wiederum auf den Lichtwellenleiter aufgesetzt, und mit die- sem dauerhaft verbunden werden kann, ausgebildet sein. Ein so fast vollständig abgeschlossenes Sensorelement kann bei der Detektion vom jeweiligen Laborpersonal gefahrlos gehandhabt und im Anschluss an die Detektion gefahrlos entsorgt werden.
Eine Probe kann bereits im Sensorelement enthalten sein.
Es besteht aber auch die Möglichkeit die Probe bei- spielsweise mit einer Pipette oder eine Kanüle in eine kleine Öffnung in den Probenaufnahmeraum des Sen- sorelementes unmittelbar vor Durchführung der eigentlichen Analyse aufzugeben.
Ein Sensorelement kann vor der eigentlichen Detekti- on, also einer durchzuführenden Analyse problemlos in eine entsprechend ausgebildete und dimensionierte Aufnahme einer erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt werden und dabei gleichzeitig eine in ausreichendem Maße genaue Justierung in Bezug zu den optischen Ele- menten für die Lichtein- und Lichtauskopplung erreicht werden, so dass eine Handhabung auch von relativ ungeübtem Laborpersonal ohne weiteres möglich ist .
Die Sensorelemente können, was zumindest auf den
Lichtwellenleiterbereich zutrifft, aus einem für das eingesetzte Licht der Lichtquelle transparentem Kunststoff hergestellt werden. Bevorzugt kann aber auch ein Deckelteil aus Kunststoff eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Transparenz des Kunststoffes nicht zwingend erforderlich ist. Die Herstellung kann dabei beispielsweise durch Prägen, Heißprägen, aber auch im Kunststoffspritzgussverfahren erfolgen.
Die angesprochenen mikrofluiden Strukturen können während einer solchen Herstellung mit in das jeweilige Werkstück eingeprägt, aber auch nachfolgend, durch einen entsprechenden Werkstoffabtrag, beispielsweise unter Verwendung eines Lasers ausgebildet werden.
Bei einem Sensorelement, das aus Lichtwellenleiter und Deckelteil gebildet wird, sollten die beiden Teile möglichst stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Die bereits angesprochenen elektrisch leitenden Dünn- schichten, die zumindest im Bereich der Messflächen erforderlich sind, können durch an sich bekannte CVD- oder PVD-Verfahren auf der Oberfläche einer optischen Grenzfläche ausgebildet worden sein.
Sensorelemente können in verschiedenen Modifizierungen vorgehalten werden, was insbesondere eine gezielte Abstimmung auf bestimmte Analyten betrifft.
So können unterschiedliche Probenvorbereitungen oder Probenmodifizierungen und unterschiedlich vorbereitete Messflächen ausgewählt worden sein. Im Übrigen unterscheiden sich die Sensorelemente aber bezüglich ihrer Gestaltung, Dimensionierung und insbesondere ihrer optischen Eigenschaften nicht.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung;
Figur 2 ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung;
Figur 3 ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung;
Figur 4 ein Sensorelement • mit mikrofluiden Strukturen;
Figur 5 eine seitliche Schnittdarstellung durch ein Sensorelement mit einer Draufsicht; Figur 6 eine Seitenansicht im Schnitt eines modifizierten Sensorelementes mit einer Draufsicht ;
Figur 7A Abbildungen von TM- und TE-polarisiertem
Licht auf einem optischen Detektor und
Figur 7B ein Diagramm der mittels optischem Detektor erfassten relativen Intensitäten von TM- und TE-polarisiertem Licht in Abhängigkeit vom Einfallswinkel auf die optische Grenzfläche .
In Figur 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer bevorzugten Ausfuhrungsform eines Sensorelementes 5 dargestellt.
Dabei wird Licht einer Lichtquelle 1 (z.B. eine punktförmige LED) über ein kollimierendes optisches Element 2 auf ein auf eine vorgegebene Wellenlänge des Lichtes der Lichtquelle 1 abgestimmtes optisches Bandpassfilter 3 (FWHM mit einer Transmissionsbreite von 10 nm um die Wellenlänge des von der LED emittierten Lichtes) durch eine Spaltblende 4 auf eine asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche 6 des Sensorelementes gerichtet und an der optisch wirksamen O- berfläche 6 des Sensorelementes 5 gebrochen und wie mit der Strichlinie angedeutet, auf eine optische Grenzfläche des Sensorelementes 5, das aus transpa- rentem Kunststoff gebildet ist, fokussiert.
Das so in das Sensorelement 5 eintretende Licht ist weitestgehend frei von Speckein.
Der Linienfokus ist dabei im Bereich mindestens einer elektrisch leitenden Dünnschicht 11, die hier aus ei- ner 50 nm dicken Goldschicht gebildet ist, angeordnet. Auf der elektrisch leitenden Dünnschicht 11 ist mindestens eine Messfläche 13 vorhanden, auf der beispielsweise für eine Bindung geeignete Moleküle oder Bindungspartner immobilisiert sind.
Die Fokussierung erfolgt dabei so, dass das Licht innerhalb des Sensorelementes 5 im Bereich von Dünnschicht 11 und Messflächen 13 mit einem Einfallswin- kel, oberhalb des Grenzwinkels für Totalreflexion auftrifft. So kann gesichert werden, dass in diesem für die Analyse genutzten Flächenbereich Oberflachen- Plasmonen-Resonanz erreicht werden kann.
Von dieser optischen Grenzfläche reflektiertes Licht trifft in divergenter Form auf eine zweite wiederum asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche 7 des Sensorelementes 5 auf und wird an der entsprechenden Grenzfläche gebrochen. Mit der Brechung dieses Lichtes kann eine Kollimierung des aus dem Sensorelement austretenden Lichts erreicht werden.
In Figur 1 ist in optionaler Form auch eine Strahl- aufweitungsoptik 14 dargestellt, mit der eine vergrö- ßerte Abbildung auf einem optischen Detektor 10 und eine Anpassung an die jeweilige für die Detektion nutzbare Fläche des optischen Detektors 10 erreicht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vor dem optischen Detektor 10 ein Polarisationsstrahlteiler 8 angeordnet, mit dessen Hilfe TM-polarisiertes Licht 15 auf den optischen Detektor 10 gerichtet werden kann.
TE-polarisiertes Licht 16 wird mittels des Polarisa- tionsstrahlteilers 8 im rechten Winkel auf ein Umlenkprisma 9 gerichtet und von diesem wiederum neben dem TM-polarisierten Licht auf dem optischen Detektor 10 abgebildet.
Der optische Detektor 10 ist an eine elektronische Auswerteeinheit 18 angeschlossen, in dem eine Auswertung vorgenommen werden kann. In der elektronischen Auswerteeinheit 18 kann dann auch eine Normierung der Intensitätswerte mit Hilfe der TM- und TE-polarisie- ten Lichtintensitäten vorgenommen werden.
In Figur 2 ist ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei dem insbesondere das Sensor- element 5 gegenüber dem bei dem Beispiel nach Figur 1 eingesetzten Sensorelement 5 modifiziert worden ist, dargestellt .
Das bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel eingesetzte Sensorelement 5 ist deutlich großflächiger mit einer elektrisch leitenden und hier auch das Licht reflektierenden Dünnschicht 11 versehen worden.
Das Licht der Lichtquelle 1 wird wieder über ein kol- limierendes optisches Element 2, einen optischen
Bandpassfilter 3, eine optische Blende 4 in kolli- mierter Form auf das Sensorelement 5 gerichtet .
Der Lichteintritt erfolgt dabei auf einen planaren Flächenbereich des Sensorelementes. Dabei sollte das Licht möglichst in einem rechten Winkel auf den planaren Flächenbereich des Sensorelementes gerichtet werden. So können Reflexion von Licht verhindert und die Homogenität des eingekoppelten Lichtes verbessert werden. Unter Berücksichtigung des optischen Brechungsindexes des Sensorelementes 5 können aber auch andere Einfallswinkel des Lichtes 12 gewählt werden, wobei diese dann wiederum die asphärische Krümmung der Ober- fläche 6 berücksichtigen müssen.
Die asphärische Krümmung der Oberfläche 6 wird so gewählt, dass auftreffendes Licht in das Sensorelement 5 reflektiert und gleichzeitig fokussiert wird. Nach einer zweiten Reflexion an der hier unten angeordneten optischen Grenzfläche trifft das fokussierte Licht, analog wie beim Beispiel nach Figur 1 bereits beschrieben, auf die optische Grenzfläche (hier oben angeordnet) des Sensorelementes 5 zur Erreichung von Oberflachen-Plasmonen-Resonanz im Bereich von mindestens einer Messfläche 13.
Von dieser Grenzfläche wird das Licht wiederum auf eine untere optische Grenzfläche und von dort auf ei- ne zweite am Lichtaustritt des Sensorelementes 5 angeordnete ebenfalls asphärisch, konvex gekrümmte 0- berflache 7 des Sensorelementes gerichtet. Von der Oberfläche 7 wird das Licht in kollimierter Form aus dem Sensorelement in Richtung auf einen optischen De- tektor 10 reflektiert.
Das in kollimierter Form aus dem Sensorelement 5 reflektierte Licht kann dann wieder über eine Strahl- aufweitungsoptik 14, Polarisationsstrahlteiler 8, Um- lenkprisma 9, als TM- und TE-polarisiertes Licht 15 und 16 auf den optischen Detektor 10 gerichtet werden.
Das in Figur 3 gezeigte Beispiel einer Anordnung zur optischen Detektion verwendet ein Sensorelement 5, wie es auch bei dem Beispiel nach Figur 1 beschrieben worden ist .
Das Licht der Lichtquelle 1 wird wiederum über ein kollimierendes optisches Element 2, ein optisches Bandpassfilter 3, eine optische Spaltblende 4 auf die am Lichteintritt des Sensorelementes 5 angeordnete asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche 6 gerichtet. Vor dem Auftreffen des Lichtes 12 durchdringt dieses Licht aber bei diesem Beispiel ein Polarisationsfil- ter in Kombination mit einem spannungsgesteuert umschaltbaren Polarisationsrotator 17. Durch entsprechende Schaltung, die von der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 18 erfolgt, gelangt wechselweise TM- und TE-polarisiertes Licht in das Sensorele- ment 5 und entsprechend polarisiertes Licht trifft dann auch zeitlich versetzt auf den optischen Detektor 10 auf, so dass zeitlich nacheinander mit dem optischen Detektor 10 die Intensitäten von TM- und TE- polarisier-tem Licht ortsaufgelöst erfasst und in der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 18 verarbeitet und ausgewertet werden können.
In Figur 4 ist ein Beispiel eines Sensorelementes 5 mit daran ausgebildeten Mikrofluidstrukturelementen in schematischer Form dargestellt.
Am Sensorelement 5 ist ein Probenaufnahmeraum 20 ausgebildet, in den die Probe, wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung angesprochen, mittels einer Pipette oder Kanüle aber auch über entsprechend geeignete Leitungen zugeführt werden kann. An diesen Probenaufnahmeraum schließt sich ein Bereich 21 an. In diesem Bereich können in der jeweiligen flüssigen Probe enthaltene Feststoffe separiert werden.
Nach diesem Bereich 21 sind hier unterschiedliche Be- reiche 22 vorhanden, an denen eine Probenmodifizierung erreichbar ist. So können beispielsweise gezielt Bindungen mit bestimmten analytspezifischen Molekülen initiiert werden, wobei dies auch in dem Bereich 23 erfolgen kann.
An eine solche Probenvorbereitung oder Probenmodifizierung schließt sich ein Kanal 24 an, durch den eine Probe über die Messflächen 13, die hier wiederum in einer Reihe angeordnet sind, strömen kann und letztendlich in der Aufnahmekammer 25 die flüssige Probe aufgenommen werden kann.
Hier nicht erkennbare elektrisch leitende Dünnschich- ten 11 sind zumindest unterhalb der Messflächen 13 ausgebildet .
Bei diesem Beispiel eines Sensorelementes 5 wird das für die Anregung von Oberflachen-Plasmonen-Resonanz eingesetzte Messlicht in die asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche 6 eingekoppelt und tritt an der ebenfalls asphärisch, konvex gekrümmten Oberfläche 7 aus dem Sensorelement 5 wieder aus.
Wie in Figur 4 erkennbar, sind dementsprechend die
Messflächen 13 parallel und die Reihenanordnung der Messflächen 13 orthogonal zur Strahlrichtung, also auch zur optischen Achse des Lichtes ausgerichtet.
Die Strömungsrichtung der flüssigen Probe erfolgt bei dem hier gezeigten Beispiel daher im rechten Winkel zur Strahlrichtung des Lichtes.
In nicht dargestellter Form besteht aber auch die Möglichkeit, die Strömungsrichtung der flüssigen Probe parallel zur Strahlrichtung des durch das Sensor- elementes 5 geführten Lichtes vorzunehmen, wobei es in diesem Fall dann besonders vorteilhaft ist, die flüssige Probe über jeweils einen gesonderten Mikro- kanal zu jeweils einer der Messflächen 13 zu führen. Dadurch kann eine gegenseitige Beeinflussung von Analyten an den unterschiedlichen Messflächen 13 vermieden werden.
Figur 5 zeigt in schematischer Form eine geschnittene Seitenansicht durch ein zweiteiliges Sensorelement 5 mit aufgesetztem Deckelteil 19, dabei bildet der untere Teil des Sensorelementes 5 ausschließlich einen Lichtwellenleiter, an dessen äußeren Stirnseiten wiederum die asphärisch, konvex gekrümmten Oberflächen 6 und 7 ausgebildet sind.
An der hier oben angeordneten optischen Grenzfläche des Sensorelementes 5 sind elektrisch leitende Dünnschichten 11 und auf diesen wiederum Messflächen 13 beabstandet zueinander und in einer Reihenanordnung ausgebildet .
Im Deckelteil 19 ist oberhalb der Messflächen 13 ein einen Mikrokanal bildender nutenförmiger Einschnitt ausgebildet, durch den die jeweilige Probe zu und über die Messflächen 13 strömen kann.
Die beabstandete Reihenanordnung von Messflächen 13 wird mittels der oberen Darstellung von Figur 5 ver- deutlicht .
In Figur 6 ist wiederum ein Sensorelement 5, das gegenüber dem in Figur 5 gezeigten Beispiel eines Sensorelementes 5 mit Deckelteil 19 geringfügig modifi- ziert worden ist. Aus der unteren seitlichen Schnittdarstellung wird deutlich, dass zusätzlich in einem Winkel schräg geneigte Flächen 26 jeweils zwischen benachbarten Messflächen 13 ausgebildet sind.
An diesen schräg geneigten Flächen 26 wird das für die eigentliche Messung der Oberflächen-Plasmonen- Resonanzanregung nicht genutzte Licht reflektiert und als Referenzsignal auf einen optischen Detektor 29 gerichtet.
Mittels der geneigten Flächen 26 können Beugungseffekte unterdrückt und eine verbesserte Trennung von Signalen benachbarter Messflächen 13 erreicht werden.
Bei einem entsprechenden Neigungswinkel der schräg geneigten Flächen 26 kann ein solcher optischer Detektor 29 unmittelbar unterhalb des Sensorelementes 5 angeordnet werden.
Zwischen Sensorelement 5 und optischen Detektor 29 kann ein kollimierendes optisches Element 28 angeordnet werden. Der optische Detektor 29 kann wiederum in nicht dargestellter Form an eine elektronische Aus- werte- und Steuereinheit 18 angeschlossen sein und für die Referenzierung/Normierung des Messlichtes, das wiederum bevorzugt in TM-polarisierter Form ausgenutzt wird, eingesetzt werden.
In Figur 7A sind mit dem optischen Detektor 10 er- fasste Abbildungen von TM-polarisiertem Licht 15 und TE-polarisiertem Licht 16 für einzelne Messflächen 13 dargestellt. Dabei sind die streifenförmigen Abbildungen 30 und 31 jeweils die TM- und TE-polarisierte Abbildung einer Messfläche 13 für die jeweiligen Einfallswinkel des in diesen Bereich einfallenden und an der optischen Grenzfläche reflektierten Lichtes.
In Figur 7B ist ein Diagramm der in Abhängigkeit der jeweiligen einfallswinkelabhängig erfassten relativen Intensitäten für eine Messfläche 13 dargestellt.
So gibt der Kurvenverlauf 30 die einfallswinkelabhängig erfasste Intensität von TM-polarisiertem Licht 15 und der Kurvenverlauf 31 die erfassten Einfallswinkel abhängigen Intensitätswerte für TE-polarisier-tes Licht 16 wieder.
Der Kurvenverlauf 32 ist eine durch Quotientenbildung ermittelte Normierung der Kurvenverläufe 30 und 31.
Für die Detektion von Analyten kann der jeweilige Einfallswinkel, an dem ein Intensitätsminimum ermittelt worden ist, ausgenutzt werden. Es kann eine Konzentrationsbestimmung für Analyten mittels der jewei- ligen Massenbelegung auf Messflächen 13 durch Berechnung aus Messwerten 32 durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur optischen Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln, bei der Licht einer Lichtquelle über mindestens ein bereichsweise als Lichtwellenleiter ausgebildetes Sensorelement auf einen optischen Detektor gerichtet ist, dabei auf einer Grenzfläche des Lichtwellenleiters mindestens eine elektrisch leitende Dünnschicht unterhalb einer Messfläche ausgebildet ist, und das durch den Lichtwellenleiter geführte Licht auf die Grenzfläche im Bereich der Dünnschicht (en) und/oder der Messfläche (n) mit Win- kein im Bereich oberhalb des Totalreflexionswinkels auftrifft, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass am Sensorelement (5) an einer Stirnseite für den Lichteintritt eine asphärisch, konvex gekrümmte optisch wirksame Oberfläche (6) ausgebildet ist, mit der Licht innerhalb des Sensorelementes (5) in Richtung auf die mit der mindestens einen Dünnschicht (11) und/oder Messfläche (13) belegte Grenzfläche fokussiert gerich- tet und
eine zweite asphärisch konvex gekrümmte optisch wirksame Oberfläche (7) an der Stirnseite für den Lichtaustritt ausgebildet ist, mit der in- folge von Oberfl chen-Plasmonen-Resonanz modifiziertes Licht in kollimierter Form auf mindestens einen optischen Detektor (10) gerichtet ist .
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lichtquel- le (1) und fokussierender Oberfläche (6) eine optische Blende (4) angeordnet ist, dabei auf der Grenzfläche mindestens zwei Dünnschichten (11) und/oder Messflächen (13) in einem Abstand zueinander angeordnet sind und ein ortsaufgelöst messender optischer Detektor (10) eingesetzt ist .
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dünnschich- ten (11) und/oder Messflächen (13) eine Reihenanordnung bilden und die Längsachse der gebildeten Reihe orthogonal zur optischen Achse ausgerichtet ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Lichtes ein TM-polarisierendes optisches Element (8, 17) angeordnet ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlen- gang des Lichtes ein TM- und ein TE-polarisie- rendes optisches Element (8, 17) angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Polarisationsstrahlteiler (8) ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Umlenkprisma (9) vorhanden ist.
8. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das optische Ele- ment ein Polarisationsrotator (17) ist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lichtquelle und Sensorelement (5) ein kollimie- rendes optisches Element (2) und/oder ein opti- sches Filter (3) angeordnet ist/sind.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine monochromatische Lichtquelle (1) vorhanden ist.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensorelement (5) zwischen Bereichen, an denen Dünnschichten (11) und/oder Messflächen (13) ausgebildet sind, in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtete Flächen (26) zur Gewinnung von Re- ferenzsignalen ausgebildet sind.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensorelement mikrofluide Strukturen (20) bis (25) für eine kapillarkraftbedingte Probenführung ausge- bildet sind.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensorelement (5) ein Probenaufnahmebereich (20) und eine Aufnähmekämmer (25) ausgebildet sind.
14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Probenaufnahmebereich (20) und Messflächen (13) Strukturelemente (21) bis (23) für eine Probenvorbereitung bzw. Probenmodifizierung ausgebil- det sind.
15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroflui- den Strukturelemente (20) bis (25) am Boden eines auf den Lichtwellenleiter des Sensorelementes (5) aufsetzbaren Deckelteiles (19) ausgebildet sind.
16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Sensorelementes (5) eine reflektierende Beschichtung (11') ausgebildet ist und von der Lichtquelle (1) auf eine planare Oberfläche des Sensorelementes (5) gerichtetes Licht in
Richtung auf die Dünnschicht (en) (11) und/oder Messfläche (n) (13) in fokussierter Form reflektiert wird.
17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass an der asphärisch gekrümmten Oberfläche (7) reflektiertes Licht in kollimierter Form aus einer planaren Fläche des Sensorelementes (5) in Richtung auf den optischen Detektor (10) austritt.
18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe durch separate parallel zueinander ausgerichtete Mikrokanäle zu jeweils einer Messfläche (13) geführt ist.
19. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Probenvorbereitung bzw. Probenmodifizierung ein Feststoffe separierender Bereich (21) , ein Modifikationsbereich (22) und/oder ein Bindungs- bzw. Immobilisierungsbereich (23) vorhanden ist/sind.
20. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die asphä- risch gekrümmte (n) Oberfläche (n) (6) und/oder (7) eine lichtbrechende Wirkung aufweist/aufweisen.
21. Verfahren zur Detektion von in Proben enthalten- den chemischen, biochemischen Molekülen und/oder
Partikeln, unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine ortsaufgelöste Detektion der auf einen optischen Detektor (10) einfallenden Lichtintensität in Abhängigkeit des Einfallswinkels des Lichtes auf der Grenzfläche des Sensorelementes (5) im Bereich der Dünnschicht (en) (11) und/oder Messfläche (n) (13) durchgeführt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassung von TM-polarisiertem Licht durchgeführt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Normierung des TM-polarisierten Lichtes mit Referenzsignalen durchgeführt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Normierung TE- polarisiertes Licht verwendet wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das TM- und TE- polarisierte Licht örtlich voneinander getrennt detektiert wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das TM- und TE- polarisierte Licht zeitlich getrennt detektiert wird.
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