WO2008010182A2 - Analytisches system mit einer anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen lichtmodulation und damit ausführbares nachweisverfahren - Google Patents

Analytisches system mit einer anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen lichtmodulation und damit ausführbares nachweisverfahren Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an analytical system and method to be carried out therewith for the generation and measurement of optical signals from measuring areas, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a solid support as a measuring platform, which is referred to below as a sensor platform.
  • a sensor platform Such an analytical system and method is useful, for example, for analyzing samples for biological, biochemical or synthetically produced substances contained therein as analytes.
  • the invention relates to such a system and method which is suitable for simultaneously examining a single sample for a plurality of analytes and / or a plurality of samples for one or more analytes on a common sensor platform.
  • the analytical system according to the invention is suitable for refractive measurement methods.
  • microarrays For the simultaneous determination of a large number of analytes, numerous embodiments of so-called “microarrays” have become known in recent years in which a multiplicity of different biological or biochemical or synthetic recognition elements, for the specific recognition and binding of the analytes to be detected, in discrete measurement ranges, also as “ Spots ", are immobilized.
  • the analyte detection is based on the detection of optical signals, for example of luminescence or luminescence changes luminescent molecules which are linked to the analyte itself or one of its binding partners which bind to the respective recognition elements in one or more binding assay steps in the measurement regions.
  • Such microarrays in which the analytes to be detected from a sample brought together with the array, bind to their recognition elements immobilized in the spots, after they have been recognized by these and “captured”, are also referred to as “capture arrays”.
  • the spatial resolution of the detection step should be one or two-dimensional. This is usually, for the simultaneous detection of the signals from a variety of measuring ranges, by the use of appropriate spatially resolving detectors (eg Line detectors for one-dimensional spatial resolution or cameras for two-dimensional spatial resolution) achieved.
  • appropriate spatially resolving detectors eg Line detectors for one-dimensional spatial resolution or cameras for two-dimensional spatial resolution
  • arrays of very high feature density i.e., number of discrete measurement areas per unit area
  • U.S. Patent No. 5,445,934 describes and claims arrays of oligonucleotides having a density of greater than 1000 features per square centimeter.
  • the excitation and readout of such arrays is based on classical optical arrangements and methods. The entire array can be illuminated simultaneously with an expanded excitation light beam, but this leads to a relatively low sensitivity, since the scattered light component is relatively large and scattered light or background fluorescent light is generated from the glass substrate even in those areas in which no binding of the analyte immobilized recognition elements are located.
  • the refractive measurement methods are also referred to as "marker-free”("label-free”) methods, which have the advantage that they do not “label” or link the compounds to be detected with a molecular group to be used specifically for the detection step
  • the signals to be detected and their changes may be due, for example, to near field effects, which lead to a surface-bound signal amplification (see below).
  • Evanescent field sensor platforms are often used to improve sensitivity, i.
  • Such measuring platforms on whose surface facing the sample to be examined an evanescent field, also referred to as transversely attenuated field, can be generated, which limits the interaction of the analyte and / or the sample excitation or measurement light on the penetration depth of this evanescent field in an adjacent Medium on the order of a fraction of the wavelength of the excitation or measuring light used allows.
  • a spatially highly selective excitation of molecules or interaction with molecules within the penetration depth of this field in the adjacent media is possible, while at the same time interference signals from areas beyond this penetration depth can be avoided.
  • An evanescent field is produced, for example, by total reflection of a light beam propagating in a medium (eg, a prism or a self-sustaining optical waveguide such as a glass plate) having a higher refractive index than that of the surrounding medium at the interface of this higher refractive index medium to the low refractive medium.
  • a medium eg, a prism or a self-sustaining optical waveguide such as a glass plate
  • the evanescent field is in each case discrete locations of total reflections produced at the interfaces to the low-refractive medium.
  • optical waveguides are optical thin-film waveguides, in particular planar optical
  • Thin-film waveguides are known, which are in the simplest case a three-layer system: carrier material (often referred to as "substrate”), waveguiding layer, superstrate (or sample to be examined), wherein the waveguiding layer has the highest refractive index
  • carrier material often referred to as "substrate”
  • waveguiding layer waveguiding layer
  • superstrate or sample to be examined
  • the strength of the evanescent field is very much dependent on the thickness of the waveguiding layer itself and on the ratio of the refractive indices of the waveguiding layer and the surrounding media, for thin waveguides, ie layer thicknesses of the same or lower thickness as the wavelength to be guided, discrete modes of the guided light can be discriminated.
  • Evanescent fields can also be generated by means of so-called “resonant lattice structures.”
  • Resonant lattice structures like planar optical waveguides, have a structuring (stratification) with materials of different refractive indices in the direction perpendicular to the plane of the substantially planar substrate, with at least one of them on the substrate
  • resonant lattice structures have a one-dimensional or two-dimensional, mostly Periodic structuring of the (effective) refractive index, generated using the same or different materials, in the plane of the at least one higher refractive index layer parallel to the substrate plane.
  • a resonant grid structure may have a structuring with materials of different refractive indices, as in the direction perpendicular to the substrate plane, also in the plane parallel thereto.
  • Resonant grating structures are known from the literature and are described, for example, in US Pat. No. 5,598,300 and in patent application US 2004/0130787.
  • resonant mirrors which essentially comprise a three-layer system: a high refractive prism with a lower refractive index layer deposited thereon beneath another high refractive index layer thereon , Under operating conditions, light incident on the prism is totally reflected at its surface. The resulting in this total reflection at the surface of the prism evanescent field extends into the layer with low refractive index, and due to the small thickness of the low-refractive layer, it also extends into the high refractive second layer.
  • the second high-index layer acts like a waveguide.
  • the effective refractive index of this waveguide is determined by the optical parameters of the layer system (essentially refractive indices and layer thicknesses) and a coating optionally located on the surface of the evanescent field sensor platform (eg with an adhesion-promoting layer or layer) with specific recognition elements for analyte detection) and of the surrounding medium.
  • the propagation velocity of the evanescent field of the prism coincides with the propagation velocity of the light in the waveguide, part of the evanescent field of the prism becomes the waveguide coupled.
  • the propagation velocity of the evanescent field of the primate can be influenced, for example, by changing the angle of incidence or by changing the wavelength.
  • the prism-side evanescent field of the waveguide in turn extends into the low-refractive layer and beyond into the high refractive prism.
  • light guided in the waveguide is decoupled again into the prism and can be directed from there to a detection unit.
  • This "resonant mirror" technology is more fully described, for example, in US Pat. No.
  • evanescent field sensor platforms are suitable to solve the problems of providing improved sensitivity, ie. H. lower detection limits for analyte detection, and to solve a higher accuracy.
  • sensitivity ie. H. lower detection limits for analyte detection
  • detection methods for the measurement of the largest possible number of signals from a plurality of discrete measurement ranges within the shortest possible time.
  • Measuring arrangements with simultaneous more or less large area Illumination of a multiplicity of measuring ranges on a sensor platform for example for recording luminescence or fluorescence signals from microarrays on a thin-film waveguide as sensor platform from the international application WO 02/21110 or signals of a large-area grating coupler sensor (likewise based on a thin-film waveguide; Explanation see later) from international application WO 01/88511.
  • These arrangements make it possible to record signals from a plurality of measuring ranges within a relatively short measuring time determined by the duration of the illumination.
  • an analytical system for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, at least comprising - an optical system with an illumination system for illuminating measuring areas on the sensor platform and a detection system having at least one detection unit for detecting signals from the measuring areas on the sensor platform, in the direction of the transmission or reflection of the Illuminating light in a spectral region which comprises the spectral region of the illumination light, and a sensor platform which can be inserted into the optical system and has measuring regions arranged thereon in a one- or two-dimensional array, characterized in that the illumination system is an arrangement which can be rapidly changed over time, referred to as "SLM" Spatial light modulation includes, with the operating state of an entering into this SLM illumination light, with substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction, illumination patterns freely selectable and quickly changeable, can
  • rapidly variable spatial light modulation and “rapid change” of the illumination pattern is to be understood that these changes take place with a frequency greater than 1 Hz, preferably greater than 1 kHz, more preferably greater than 1 MHz.
  • Sensor platform makes it possible to selectively illuminate measuring areas in any arrangement and geometry on the sensor platform and to selectively shade areas between the measuring areas, so that the generation of interfering scattered or interfering signals from these neighboring areas can be avoided. It can do that
  • Illumination patterns are changed at high speed. This advantageously allows an extremely fast optical "scanning" of the entire surface of the sensor platform with limitation of the signal excitation to the measuring areas themselves and detection of the signals from a plurality of measuring ranges, while avoiding the aforementioned disadvantages of scanning arrangements and methods.
  • the analytical system according to the invention has further significant advantages:
  • the mechanical tolerances of the receiving device of the analytical system for a sensor platform to be introduced can be relatively generously dimensioned, since variations in the dimensions or the positioning of a sensor platform to be inserted can be compensated by adjustments of the illumination pattern. This can further the requirements for the tolerances of the dimensions of
  • Measuring ranges allow a high spatial resolution of the signal generation and thus signal detection and various forms of sub-sampling.
  • diffractive optical elements which often produce a rigid, unchangeable illumination pattern, can be dispensed with in the beam paths. In particular, their otherwise required change or exchange in case of changes the light source or the mentioned geometric characteristics of the sensor platform can be avoided.
  • the rapid variability of the generated illumination pattern allows its adaptation to dynamic processes (eg the growth or contraction of biological cells.
  • Different measuring ranges can have any, different, independent form.
  • a further subject of the present invention is a method for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, using an analytical system according to one of hereinafter described embodiments, at least comprising
  • Measuring ranges characterized in that in the operating state from an entering into this SLM illuminating light, with substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction, illumination patterns freely selectable and quickly changeable, can be determined by the settings of the SLM geometry on the sensor platform can be generated.
  • optical signals and / or their changes are generated from measuring ranges by one or more binding or Adsorptionsereignisse between one or more analytes in one or more samples and specific recognition elements for said analytes in or on said measurement areas, wherein the samples and the recognition elements for the analytes to be detected in the samples are brought into contact with each other on the measurement areas, and that from these optical signals and / or their changes a simultaneous qualitative and / or quantitative detection a plurality of analytes in one or more samples and / or one or more analytes in a plurality of samples.
  • the optical signals and / or their changes are generated from measuring ranges by one or more binding or Adsorptionsereignisse between one or more analytes in one or more samples and specific recognition elements for said analytes in or on said measurement areas, wherein the samples and the recognition elements for the analytes to be detected in the samples are brought into contact with each other on the measurement areas, and that from these optical signals and / or their changes a simultaneous qualitative and
  • FIG. 1 schematically shows a first embodiment of an analytical system according to the invention, in which the illumination system 1 and the detection system 3 are arranged on the same side with respect to the sensor platform 2.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention with a sensor platform 2 designed as a microtiter plate, a beam splitter 9.1 and approximately vertical telecentric illumination of the sensor platform 2, and detection of the light emanating from the sensor platform in the direction of reflection of the illumination light.
  • FIG. 3 shows an embodiment of an analytical system according to the invention similar to FIG. 2, except for the beam splitter with respect to the electro-optical components used, but with illumination of the illumination light and detection of the light emanating from the sensor platform 2 at a deviating from the perpendicular, i. oblique angle.
  • FIG. 4 schematically shows an embodiment of an analytical system according to the invention, in which the illumination and the detection system are arranged on opposite sides with respect to the sensor platform and the detection takes place in the direction of the transmitted light.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention with a sensor platform 2 designed as a microtiter plate, a beam splitter 9.1 and approximately vertical illumination of the sensor platform 2 and detection of the sensor platform outgoing light in the direction of the reflection of the illumination light by means of a spectrometer 11.1 as a light analysis unit.
  • FIG. 6 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention with a microtiter plate
  • Sensor platform 2 a beam splitter 9.1 and approximately vertical illumination of the sensor platform 2 and detection of the emanating from the sensor platform light in the direction of reflection of the illumination light for different polarizations using two spectrometers 11.1 as light analysis units.
  • FIG. 7 shows an embodiment of an analytical system according to the invention of similar construction to that of FIG. 2 with a sensor platform 2 which is designed as a prism for generating total internal reflection or as a "resonant mirror".
  • FIG. 8 shows an embodiment of an analytical system according to the invention similar to that of FIG. 2, but with detection of the light emanating from the sensor platform 2 in the transmission direction.
  • FIG. 9 shows, using the example of a microtiter plate as sensor platform, possible variations of the illumination pattern that can be generated on the sensor platform by means of a spatial light modulator SLM a) with illumination of a single well of the microtiter plate, marked “S” and surrounded by a hatched square b) simultaneous illumination (FIG. marked by hatched cross) of four surrounding wells (labeled "R").
  • SLM a spatial light modulator
  • FIG. 10 shows further illumination patterns with different geometries that can be generated on the sensor platform: a) Illumination of measurement areas in a hexagonal pattern; b) Illumination pattern off concentric circular rings; c) a lighting pattern with any irregular geometry, such as the targeted illumination of located on the sensor platform biological cells may correspond.
  • FIG. 11 shows the emission spectrum of a projection system used for examples 1 and 2 with three light-emitting diodes (LEDs) as light sources, with central emission wavelengths 460 nm (blue), 520 nm (green) and 627 nm (red), the spectral emission width of the LEDs each 20 nm to 40 nm.
  • LEDs light-emitting diodes
  • FIG. 12 shows, for four differently set angles of incidence 6.3, 6.4, 6.5 and 6.6 of the illumination light on the sensor platform, the spectra of the TE-poled illumination light of the red LED from FIG. 11 taken in transmission.
  • FIG. 13 shows, for two differently set angles of incidence 6.1 and 6.2 of the illumination light on the sensor platform, the spectra of the TM-polarized illumination light of the red LED from FIG. 11 recorded in transmission.
  • FIG. 14 shows, for a single set angle of incidence of the illumination light on the sensor platform, the spectrum of the TM-polarized illumination light of the red LED from FIG. 11 recorded in the reflection direction.
  • measuring ranges are to be defined in each case by the closed surface which is located on a sensor platform for Detection of a single measured variable is identified, that is used to generate a single signal value.
  • the sensor platform can be designed as a microtiter plate, with a multiplicity of cavities (wells) arranged in the form of a matrix, and a thin-film waveguide with gratings structured therein as a bottom.
  • the bottom surface of a single well can then represent a measuring range on which the refractive index of a liquid introduced into the well is determined by a refractive measurement.
  • the bottom surface of a single well may also serve to detect a plurality of readings for simultaneously detecting a plurality of analytes in a sample filled into a single well.
  • measurement areas should then be defined by the closed areas which contain immobilized compounds to be detected or specific binding partners immobilized there, for the detection of one or more analytes in one or more samples in a bioaffinity assay.
  • These surfaces can have any geometry, for example the shape of circles, rectangles, triangles, ellipses, etc.
  • the measuring ranges are a plurality of measuring ranges. Particularly preferred are discrete, laterally or spatially separated measuring ranges.
  • the sensor platform in a one- or two-dimensional arrangement comprises more than 50, more preferably more than 500, most preferably more than 50,000 measuring ranges.
  • an adhesion-promoting layer is applied to the surface of the sensor platform to be used for generating the signal.
  • This adhesion-promoting layer should be optically transparent. Particularly in the case of evanescent field sensor platforms (see below), it is preferred that the adhesion-promoting layer does not project beyond the penetration depth of the evanescent field out of the high-index layer of the sensor platform into the medium adjacent thereto. Therefore, the primer layer should have a thickness of less than 200 nm, preferably less than 20 nm. It may comprise, for example, chemical compounds from the group of silanes, epoxides, functionalized, charged or polar polymers, and "self-assembled functionalized monomers.”
  • Compounds or specific binding partners to be immobilized on a sensor platform are preferably selected from the group consisting of nucleic acids (for example DNA, RNA, oligonucleotides), nucleic acid analogs (eg PNA), Antibodies, aptamers, membrane-bound and isolated receptors whose ligands, antigens for antibodies, "histidine tag components", etc. is formed. It is also possible to immobilize entire biological cells or components thereof on a sensor platform. A single measurement area on a sensor platform may contain a single type of compound, for example, to detect a single analyte in a sample to be delivered.
  • nucleic acids for example DNA, RNA, oligonucleotides
  • nucleic acid analogs eg PNA
  • Antibodies aptamers
  • membrane-bound and isolated receptors whose ligands, antigens for antibodies, "histidine tag components", etc. is formed. It is also possible to immobilize entire biological cells or components thereof on a
  • a single measurement range can also contain a large number of different compounds. This is the case in the case of “reverse arrays” in which a single measuring range is formed in each case by the closed surface on the sensor platform, which occupies a sample immobilized there with a plurality of different compounds contained therein and to be detected as analytes.
  • the sensor platform should be substantially optically transparent at least at the wavelength of the illumination light.
  • essentially optically transparent as a property of the sensor platform, which can consist of different layers, for example, it should be understood that light of the wavelength of the illumination light when propagating in the volume of the material or a layer material of the sensor platform over a distance of 5 mm, a weakening by absorption of not more than 80%, preferably not more than 50%, more preferably not more than 20%, propagation losses due to interfacial scattering, for example in light conduction in a sheet waveguide due to surface roughness or surface structuring such as a diffractive surface relief grating are not taken into account in this definition of "substantially optical transparency", even if they should even prevent the further propagation of light.
  • the aforementioned requirement for the "essentially optical transparency" of the sensor platform includes, for example, coatings with absorbing metals such as gold or silver, as they do
  • coatings with absorbing metals such as gold or silver
  • the material of the sensor platform preferably comprises in a single-layer or multi-layer system a material from the group which is formed by substantially optically transparent glasses, plastics and ceramics, wherein layers of these materials may optionally be provided with additional coatings.
  • the side of the sensor platform on which the discrete measurement areas are created is substantially planar.
  • "essentially planar” should be understood to mean that the radius of curvature of the surface of this side is greater than 10 cm in the region of the measuring ranges.
  • an embodiment of a sensor platform in the form of a microtiter plate, with the bottom surfaces of the wells as measuring regions is also considered to be “substantially planar", since the above definition is fulfilled for the range of these measuring ranges.
  • Sensor platform in the range of the measuring ranges is less than 0.2 mm. Furthermore, it is preferred that the roughness of the surface of the sensor platform comprising the measurement areas is less than 20 nm, more preferably less than 2 nm, most preferably less than 1 nm in the region of the measurement areas.
  • the preference for surface roughness applies in particular to embodiments designed as evanescent field sensor platforms (see below) in order to minimize propagation losses of light due to scattering at the surface provided with the measurement areas.
  • Intentionally performed surface structuring, such as diffractive surface relief gratings or other deliberately applied Surface structures should not be taken into account in this preference with regard to the "surface roughness" and their definition.
  • a preferred embodiment of the analytical system according to the invention is characterized in that the sensor platform is designed as an evanescent field sensor platform.
  • the sensor platform is selected from the
  • the carrier material of the waveguiding layer or the layer adjacent to the waveguiding layer in the direction of the side of the waveguiding layer which faces away from the measuring regions has the lowest possible Refractive index has, since this is favorably influenced the propagation of the evanescent field in the direction of the measuring regions on the opposite side of the waveguiding layer:
  • the refractive index of the carrier material or the layer adjacent to the waveguiding layer in the direction of the side of the waveguiding layer which faces away from the measuring regions is less than 1.6, particularly preferably less than 1.5, very particularly preferably less than 1.4.
  • thermoplastic materials such as polyvinylidene fluoride, polymethylpentene, cycloolefin copolymers (COC) or cycloolefin polymers (COP) and mixtures of polyvinylidene fluorides and polymethylmethacrylates are suitable for this purpose, for example.
  • fluoroplymers such as fluoroacrylate having a refractive index of less than 1.4 are known.
  • the waveguiding layer has the highest possible refractive index, preferably higher than 1.8, particularly preferably higher than 2.0.
  • materials of the waveguiding layer metal oxides such as TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , ZnO, HfO 2 , ZrO 2 , TiO 2 -SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , HfON, SiON are particularly good suitable.
  • the change in the so-called effective refractive index due to changes in mass occupancy due to molecular adsorption or desorption on the sensor platform or Changes in the macroscopic refractive index of a surrounding medium used in the evanescent field of the sensor platform for an analyte detection is dependent on the macroscopic refractive index of the high-refractive, waveguiding layer and its thickness, the refractive indices and layer thicknesses of adjacent layers or media, and on the mode order of the light to be coupled via the grating into the waveguiding layer, the polarization (eg transversally electrical (eg. TE) or transverse magnetic (TM) polarization) as well as the wavelength of an irradiated illumination light.
  • polarization eg transversally electrical (eg. TE) or transverse magnetic (TM) polarization
  • the changes in the effective index of refraction, at a constant wavelength of incident illuminating light, result in changes in the resonance angle with respect to the surface normal of the sensor platform for light coupling in or out of a grating coupler sensor platform.
  • These changes in resonance angles are determinable from the signals and their changes provided by the detection system (comprising one or more detectors) of the analytical system according to the invention.
  • the detection system comprising one or more detectors of the analytical system according to the invention.
  • changes in the resonance wavelength for the light coupling in or out of the corresponding detector signals with a polychromatic spectrum of the illumination light being variable or over a certain spectral range (eg of the order of 1 to 20 nm), become apparent a grating coupler sensor platform determined.
  • the lattice structures are first produced as surface structures in a surface of the substrate, whereupon in a subsequent step, directly or on optional intermediate layers, at least one dielectric layer with preferably higher refractive index than the substrate and controlled layer thickness (of for example 50 nm to 500 nm) is applied and typically, the structure created on the substrate transmits to the surface of this dielectric layer in the deposition step.
  • Resonant Mirror sensor platforms are fabricated by depositing dielectric layers of different refractive index and well-defined layer thickness on at least the wavelength of the illumination light in substantially optically transparent substrates.
  • the sensor platform has the basic dimensions of a microtiter plate according to SBS standard (about 85.5 mm x 127.8 mm) or is formed as part of a microtiter plate. This includes that the sensor platform itself can be a microtiter plate.
  • SBS standard about 85.5 mm x 127.8 mm
  • the sensor platform itself can be a microtiter plate.
  • the sensor platform as a microtiter plate
  • it may comprise 96, 384 or 1536 sample containers or "wells" according to standard industrial manufacturing.
  • Light modulation is preferred to be selected from the group of “Digital Mirror Devices” DMD, Liquid Crystal Displays LCD, “Liquid Cristal on Silicon Silicon” LCOS microdisplays, and mechanically movable masks with light transmissive and light blocking regions.
  • the arrangement for temporally variable spatial light modulation comprises a plurality of discretely for the transmission to the sensor platform or blockade of the illumination light switchable individual elements in a one- or two-dimensional arrangement. It is preferred that at least one of these individual elements corresponds to a measuring range. It is particularly preferred that a measuring range is illuminated by a plurality of these individual elements.
  • the illumination pattern can be better and more easily approximated to the exact shape of the measurement areas, such as rectangles, triangles, circles, hexagonal shapes, or any shapes, such as those found in cell measurement, and illumination of Areas that do not belong to the measurement areas, are largely avoided, resulting in an improved signal-to-noise ratio.
  • the arrangement for temporally variable spatial light modulation comprises a plurality discrete for the forwarding to the sensor platform or blockade of the illumination light switchable individual elements in a two-dimensional arrangement. Preferably, this involves more than 100 ⁇ 100 discretely switchable individual elements in a two-dimensional arrangement.
  • the illumination pattern generated by the temporally variable spatial light modulation arrangement comprises a plurality of illuminated or shadowed areas in the cross section of the illumination light beam path and on the sensor platform, which are also referred to as "illumination light pixels" below.
  • a single element of the temporally variable spatial light modulation arrangement has a switching time of less than 20 msec for switching between positions or settings for forwarding to the sensor platform or blocking the illumination light.
  • the arrangement for temporally rapidly variable spatial light modulation enables the generation of rapidly variable illumination patterns on the sensor platform, whereby temporally in their geometry changing objects than in their geometry time-varying measuring ranges the sensor platform can be specifically illuminated and light emanating from these objects can be detected.
  • the illumination system of the analytical system according to the invention may be one or more polychromatic or substantially comprise monochromatic light sources. It should be understood by a "substantially monochromatic" light source such a light source whose spectral emission width is less than 5 nm.
  • the one or more polychromatic or substantially monochromatic light sources may be selected from the group of lasers, vertical cavity surface emitting lasers VCSEL, edge emitting laser diodes, superluminescent diodes SLD, LED light emitting diodes, organic light emitting diodes (OLED), gas discharge lamps and incandescent lamps.
  • the illumination system in the optical beam path before entry of the illumination light into the arrangement for temporally variable spatial light modulation comprises optical or electro-optical components for producing a uniform over the illumination cross-section intensity distribution of the illumination light
  • these components are preferably selected from the group of optical projection systems , Microlens arrays, "light tunnels” and “light bars” or large-area emitting light sources with a variety of single light sources such as LEDs or OLEDs of different or the same emission wavelength, the total emission is formed using diffractive or refractive components to a homogeneous light distribution.
  • Arrangements of large area homogeneous illumination systems with liquid crystal displays can also be used.
  • the light of a rod-shaped light source is coupled into a planar light guide, in which the light is guided within the light guide by total internal reflection.
  • diffractive structures are applied, which selectively direct a portion of the light from the light guide.
  • Surface of the light guide As a nearly homogeneous light source.
  • the light intensity of the homogeneous illumination can be spatially modulated. Such an arrangement is described, for example, in US Pat. No. 6,976,779.
  • Light bars” or “light tunnels” such as LightTunnel TM (Unaxis, Balzers, Liechtenstein), are used in commercially available projection systems and are based on the following functional principle:
  • the light from one or more light sources is placed in one end of the "light tunnel” or “light bar” designated and designed as a hollow body, preferably cuboid or cylindrical optical component focused whose optical insides are mirrored.
  • light bars preferably cuboid or cylindrical body, which comprise a transparent material - usually glass or plastic - and in which light conduction by total internal reflection (TIR) occurs.
  • TIR total internal reflection
  • Telescopic lenses as described, for example, in US Pat. No. 6,324,016 (see FIGS. 1-6), enable the elimination of perspective perturbations and improved imaging of objects located outside the optical axis of an optical system.
  • the optical system includes provisions for corrections to compensate for oblique incidence of light after Scheimpflug, as described for example in standard textbooks for photography.
  • the detection system of the analytical system may comprise one or more detection units from the group of photodiodes, photomultipliers, avalanche diodes, CMOS arrays and CCD cameras.
  • the detection system comprises one or more spectrally splitting electro-optical components for a spectrally selective detection of the light emanating from the measurement areas.
  • spectrally selective detection of the light emanating from the measurement areas may, for example, be spectrometers, spectrally selective optical filters such as short or long-pass filters, broadband optical filters or so-called notch filters adapted to laser emission lines.
  • the illumination system and / or the detection system comprise polarization-selective components in the beam path. It is particularly advantageous if the polarization-selective components allow the distinction between transversely electric (TE) and transverse magnetic (TM) polarized light, which emanates from the measuring ranges on the sensor platform.
  • preferred embodiments of an analytical system according to the invention are those which are characterized in that the refractive index and / or the thickness of an adsorbed layer or its changes in or on the measurement areas on the sensor platform can be determined from the signals of the one or more detectors and their changes are. This may be, for example, the macroscopic refractive index of a liquid brought into contact with one or more measurement areas or its changes.
  • the light detected by the detection system be analyzed, wherein preferably the intensity or the intensity pattern is evaluated.
  • the measured signal can be evaluated by a variety of methods known to those skilled in the art, as described, for example, in US Pat. No. 4,815,843 (column 6, last section, etc.). However, methods whose evaluation method and thus determined results are almost or even completely unaffected by the absolutely measured intensities on the detector are particularly preferred. In US 6429022 ( Figure 12), an example is given of how any measured intensity pattern can be used. From this, a preferred embodiment of a method according to the invention for generating and measuring optical signals and / or their changes is derived, which is characterized in that with the aid of the detection system with at least one
  • Detection unit a brightness distribution of the signals is measured, and that this brightness distribution is analyzed independently of measured absolute signal intensities (see also in a subsequent later in this description section).
  • the sought measured variable for example the position of a resonance curve
  • the method preferred in the analysis hardly or not at all Intensity, but by a nearly or completely intensity-independent method can be determined, such as in the methods described below for determining the position of the resonance curve.
  • a preferred method for determining the change in the position of the resonance is based on measuring the intensity on the flanks of the resonance curve. Using the first derivative of the resonance curve, the change in the position of the resonance curve can be calculated from the change in the intensity of the detected light. From the change in the position of the resonance curve, it is then possible, for example, to determine and calculate the change in the effective refractive index, as described, for example, in the prior art for the use of grating coupler sensor platforms.
  • Another preferred method for determining the change in the position of a resonance curve is based on the determination of the center of gravity of the measured resonance curve, which allows unambiguous conclusions about the position of the resonance curve. With a small change in the resonance position, the center of gravity changes accordingly.
  • Another preferred method for determining the position of a resonance curve is based on the use of a model curve, such as a Lorentz or Gaussian curve.
  • a model curve such as a Lorentz or Gaussian curve.
  • numeric Method is adapted the model curve to the measured curve, which is also known as 'numeric fitting'.
  • Commercial software for fitting model curves is offered, for example, by OriginLab (Northampton, MA 01060, USA). From the position of the model curve, the sought position of the measured resonance curve can be determined.
  • Such embodiments of an analytical system according to the invention for example evanescent field sensor platforms, which make it possible to determine from the signals of the one or more detectors and / or their changes the effective refractive index and / or its changes in or on the measurement areas on the sensor platform are.
  • a possible embodiment is characterized in that from the signals of the one or more detectors and their changes, the resonance angle for coupling illumination light into a thin-film waveguide via a grid structured therein and / or changes such a resonance angle with respect to the surface normal of the sensor platform, with constant einstrahlter Wavelength of the illumination light, can be determined.
  • Another possible embodiment is characterized in that from the signals of the one or more detectors and their changes the resonant wavelength for coupling illumination light into a thin film waveguide over a grid structured therein and / or changes such a resonant wavelength, with constant irradiation angle of the illumination light with respect to the surface normal the sensor platform, are determinable.
  • the irradiation of the illumination light and detection of the light emanating from the measurement areas can take place from opposite sides, relative to the surface of the sensor platform with the measurement areas located thereon.
  • the irradiation of the illumination light and the detection of the light emanating from the measurement areas take place on the same side of said surface.
  • the angle of incidence of the illumination light on the sensor platform can be in the range of -90 ° to + 90 ° (+ 90 ° and -90 ° where "parallel to the surface of the sensor platform"), with the angle range between -60 ° and + 60 ° is preferred.
  • the illumination light may be polarized, for example transversely electrically (TE) or transversely magnetically (TM) polarized.
  • TE transversely electrically
  • TM transversely magnetically
  • an angle of incidence near the Brewster angle for the light entrance of the illumination light into the sensor platform on its surface side facing away from the measurement areas is particularly preferred since no Fresnel reflections from this interface of the sensor platform occur at this angle of incidence.
  • the illumination system 1 of the invention consists of a lighting unit 8, which comprises a light source and an arrangement referred to as "SLM" for temporally fast variable spatial light modulation, and an illumination optical system 9.
  • the illumination light 4 is according to this representation at an angle of incidence 6 of about 45 ° to the surface normal of
  • the measuring areas (not shown) are located on the upper, opposite side surface of the sensor platform 2 with the curved arrows 12 and 12 'is supplied to the measuring areas and after interaction
  • the detection angle 7 for detecting the light emanating from the sensor platform 2 or the measuring areas arranged thereon is equal to the reflection angle, that is about 45 ° in this case, chosen.
  • the detection system 3 comprises a light collection optics 10, for example one or more collection lenses, and a detection unit 11.
  • Detection system is not arranged in reflection, but in the transmission direction is shown in Figure 4.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention.
  • the illumination unit 8 comprises a light source 8.1, an electro-optical unit 8.2 for generating a homogeneous over the illumination cross-section intensity distribution of the illumination light.
  • the electro-optical unit 8.2 preferably also comprises a telecentric optical imaging system.
  • the homogenized in its intensity over the illumination cross section light is in the illumination beam path subsequently via a deflection mirror 8.3, in order to allow a compact design, directed in the designated as SLM arrangement 8.4 for temporally variable spatial light modulation.
  • the use of "Digital Mirror Devices" DMD is advantageous for many applications because the polarization properties of the light are hardly affected by the mirror surface In the configuration of Figure 2, for example, a DMD from Texas Instruments Inc.
  • the approximately 13 ⁇ m x 13 ⁇ m micromirrors of this DMD can be individually switched between + 12 ° and -12 ° in their position, with a speed of up to 16300 frames / sec with a DMD of 1024 x 768 pixels (individual mirrors) can be achieved.
  • an optical module consisting of prisms (referred to as "TIR prism") may be used to pass the light toward the illumination optics 9 (ON state of the illuminating light pixel) or TIR, which passes through the DMD as SML and an optional additional TIR-phsma, is further directed onto the sensor platform 2 by the illumination optics 9.
  • the illumination optics 9 provide telecenter optical components which allow good control of the angle of incidence on the sensor platform 2 and the numerical aperture of the illuminating beam 10.
  • Telecentric illumination optics may include lens systems or mirrors as described in US Patent 6,324,016.
  • the sensor platform can be illuminated at an angle of incidence of 0 °, ie parallel to the surface normal of the substantially planar sensor platform.
  • additional provisions for corrections may be made Compensation of the oblique incidence of light after Scheimpflug be provided in the illumination beam path.
  • filters such as polarization filters, spatial filters and spectral filters in the illumination beam path and / or in the detection beam path can additionally be used. Simultaneous use of two different polarizations (TE and TM polarization) allows additional information to be obtained, as first described in US Pat. No. 4,815,843 and later also in US Pat. No. 5,442,169 and in the application US 2005/0070027.
  • the measured optical spectrum can be analyzed by calculating the expected spectrum for different polarizations with the aid of mathematical models and comparing them with the measured spectrum, which assigns the characteristic properties of the measured spectrum, such as " Peaks ", allowing for different polarizations.
  • the polarizations can also be detected separately using polarizing components, such as
  • Polarizers or polarizing beam splitters in the lighting system and / or detection system.
  • Figure 6 illustrates the possibility of separating s- and p-polarized light by a polarizing beam splitter and then coupling the polarized light into optical fibers for subsequent separate detection of the spectra of the TE and TM polarized light.
  • a measuring arrangement according to FIG. 8 from the US Pat. No. 4,815,843 is used, which is hereby introduced together with the associated part of the description as part of the present application.
  • a combination of a light collecting optics 10 and a detection unit 11 is preferably used, as in the most general form in FIG. 1 for the detection in the direction rectified for reflection and in FIG. 4 for the detection in the transmission direction in FIG represented in the most general form.
  • a beam splitter 9.1 is preferably used to separate the incident illumination light from the light emanating from the sensor platform and to illuminate the illumination light below the appropriate one
  • the detection unit 11 comprises a spectrometer, in which the collected light emanating from the sensor platform 2 can be spectrally analyzed.
  • the angular distribution of the light to be detected by the light-collecting optics 10 and emanating from the sensor platform 2 can be determined by a suitable choice of the optical properties, for example the numerical aperture Light collecting optics 10, modified and fixed.
  • the numerical aperture Light collecting optics 10 modified and fixed.
  • narrow angular ranges, ie small aperture angles of the light cones, which are formed by the light emanating from the sensor platform 2 are preferred.
  • light bundles with a narrow aperture angle can be optimally coupled into an optical fiber by the light beam is focused on an end face of the fiber, which at a distance from the focal length of the light-collecting optics 10, ie z.
  • a converging lens is arranged.
  • the spectral properties of the light emanating from the sensor platform can be used to obtain information about the surface condition, in particular the surface coverage, of the sensor platform and thus also information about chemical, biochemical or biological processes, in particular binding or adsorption or desorption processes on the surface of the sensor Sensor platform, to get.
  • the evaluation techniques and mathematical models required for this purpose are disclosed in the aforementioned patents and patent applications and known to the person skilled in the art also from his general knowledge and relevant textbooks.
  • Known mathematical models are, for example, the "Rigorous Coupled Wave Analysis” (RCWA), which is often referred to as “Fourier Modal Method” (FMM), and MG Moharam and TK Gaylord, "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings", J. Opt.
  • the optical components of the illumination system and of the detection system are largely identical to those of the embodiment according to FIG.
  • the lighting unit comprises a light source 8.1 and a rear mirror 8 in the beam path, preferably formed as a parabolic mirror.
  • the light emitted by the light source 8.1 light is homogenized by using a lens system 8.6 the light is focused on the face of a "light tunnel” or "light rod” 8.7.
  • a prism system 8.8 preferably a TIR prism
  • a spatial light modulator 8.4 as SMM, preferably a digital mirror device ( DMD), steered.
  • a spatial filter 8.9 can be used for influencing the numerical aperture and the angular distribution of the light beams advancing in the direction of the sensor platform 2 before or after the spatial light modulator 8.4.
  • a spatial filter consists essentially of an aperture diaphragm, which is introduced in the beam path. The light coming from the spatial filter 8.9 is essentially unpolarized, which is shown in FIG.
  • the light is collimated by means of a lens system 9.2 and directed to a beam splitter 9.1, preferably a polarizing beam splitter, which preferably transmits only one polarization direction.
  • the sensor platform 2 preferably an evanescent field sensor platform with grating structures, which have a periodicity of the grating lines formed in one or two dimensions, is illuminated with the preferably polarized light after the beam splitter 9.1.
  • the grid lines of the sensor platform are aligned at an angle of preferably 45 ° to the polarization direction, which is indicated by the single filled double arrow, which symbolizes the polarization of the illumination light in front of the sensor platform in the illumination beam path.
  • the light emanating from the sensor plate is polarized transversely (TE) and / or transversely magnetically (TM) after interaction with the grating waveguide structure and has a direction of polarization rotated by 45 ° relative to the illuminating light (indicated by in the drawing plane horizontal double arrow) and is referred to hereinafter as light emanating from the sensor platform or "signal light.”
  • the direction of polarization and the propagation direction of the light are each represented by the arrows in FIG.
  • scattered light Light which has undergone no interaction, for example by reflection or coupling into the grating waveguide structure, conduction in the waveguide and subsequent decoupling, is hereinafter referred to as "scattered light" designated.
  • the scattered light generally has the same polarization as the irradiated illumination light.
  • the light components that have interacted with the sensor platform i. in the case of a sensor platform based on a grating waveguide structure, in this application are referred to as the "outgoing from the sensor platform light".
  • the light emanating from the sensor platform is directed by the polarizing beam splitter 9.1 onto a lens system 10.2 as part of the light collection optics.
  • a lens system 10.2 as part of the light collection optics.
  • only the "signal light” changed by its interaction with the sensor platform in its polarization direction is directed onto the lens system 10.2, while the essentially unchanged "scattered light” in its polarization direction is transmitted through the polarizing beam splitter 9.1.
  • the "signal light” is separated from the "scattered light", which can lead to an improvement of the signal-to-noise ratio.
  • the “signal light” is directed by means of a lens system 10.2 into an optical fiber 10.1 and guided to a light analysis unit 11.1, for example a spectrometer, as part of a detection unit.
  • a typical spectral curve (measured intensity l ( ⁇ ) as a function of the wavelength ⁇ ), as may arise from reflection on a grating-waveguide structure, is shown schematically.
  • FIG. 1 Another preferred embodiment of an analytical system according to the invention is shown in FIG.
  • the optical components of the illumination system and of the detection system are largely identical to those of the embodiments according to FIGS. 2 and 5.
  • the unpolarized light coming from the lens system 9.2 is directed onto the sensor platform 2 by means of a beam splitter 9.1. That of the Sensor platform 2 outgoing or reflected light is transmitted through the beam splitter 9.1 and by means of a lens system 10.2 and a deflecting mirror 10.3, through the use of which a more compact design can be realized, directed to a polarizing beam splitter 10.4.
  • the polarizing beam splitter 10.4 separates the two
  • Polarization directions of the incident light on him are coupled separately into optical fibers 10.1, which guide the light to the light analysis unit 11.1, for example to several spectrometers for the detection of the spectra for different polarizations.
  • typical spectral curves as may arise from reflection on a grating-waveguide structure, are shown schematically for TE and TM polarization.
  • FIG. 7 Another preferred embodiment of an analytical system according to the invention is shown in FIG.
  • the optical components of the illumination system and the detection system are largely identical to those of the embodiment of FIG.
  • the embodiment according to FIG. 7 is characterized in that a prism for generating total internal reflection or a "resonant mirror" is used here as sensor platform 2.
  • FIG. 8 shows a further preferred embodiment of an analytical system according to the invention, in which the sensor platform 2 is designed as a microtiter plate or as its component.
  • the irradiation of the illumination light and the detection of the outgoing of the sensor platform light on opposite sides of the sensor platform, ie in a transmission light or transmitted light arrangement made.
  • an analytical system is characterized in that the illumination system has two or more arrangements for time-varying spatial light modulation.
  • Such an embodiment is advantageously characterized by an increase in the spatial resolution of the illumination pattern to be generated on the sensor platform and / or by a further possible increase in the readout speed of the light signals emanating from the sensor platform, when the detection steps with the light modulation by the two or more SLMs are correlated. out.
  • This embodiment is particularly preferred in combination with sensor platforms designed as microtiter plates.
  • FIG. 9 a shows the illumination of a single measuring range, which here is equivalent to a single well of the microtiter plate.
  • the illumination pattern is illustrated here by a hatched square around a measurement area (well) of the sensor platform denoted by "S.”
  • Figure 9b illustrates the simultaneous illumination (hatched cross) of 4 surrounding measurement areas (wells) which are used, for example, to obtain reference measurements and denoted by "R”.
  • FIGS. 10a-10c illustrate how the illumination pattern to be generated on the sensor platform can be adapted to a wide variety of geometries.
  • FIG. 10 a shows the illumination of a multiplicity of measurement areas in a hexagonal pattern.
  • FIG. 10b shows the illumination of measuring areas which are arranged in concentric circular rings.
  • FIG. 10c illustrates an illumination pattern with any irregular geometry, such as, for example, the targeted illumination of biological cells located on the sensor platform can correspond.
  • the generated illumination pattern can be changed within a very short time by discrete switching of the individual elements of the SLM and, for example, adapted to changes in the geometry of the measuring ranges.
  • a further subject of the present invention is a method for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, using an analytical system according to one of hereinafter described embodiments, at least comprising
  • a sensor platform which can be inserted into the optical system and has measuring areas arranged thereon in a one- or two-dimensional array, characterized in that, in the operating state, illumination patterns emerge from an illumination light entering this SLM with a substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction Selectable and quickly changeable geometry that can be determined by the settings of the SLM can be generated on the sensor platform.
  • a method is preferred which is characterized in that a brightness distribution of the signals is measured with the aid of the detection system with at least one detection unit, and that this brightness distribution is analyzed independently of measured absolute signal intensities.
  • optical signals and / or their changes are generated from discrete measurement ranges by one or more binding or adsorption events between one or more analytes in one or more samples and specific Recognition elements for said analytes in or on said measurement areas, wherein the samples and the detection elements for the analyte to be detected in the samples are brought into contact with each other on the measurement areas, and that from these optical signals and / or their changes a simultaneous qualitative and / or quantitative Detection of a variety of analytes in one or more samples and / or one or more analytes in a variety of samples is possible.
  • Another object of the present invention is the use of an analytical system according to one of the aforementioned embodiments and / or a method according to one of the aforementioned embodiments for quantitative and / or qualitative analyzes for the determination of chemical, biochemical or biological analytes in screening methods in the pharmaceutical research, the combinatorial Chemistry, clinical and preclinical development, real-time binding studies and kinetic parameters in affinity screening and research, qualitative and quantitative analyte determinations, in particular for DNA and RNA analysis and the determination of genomic or proteomic differences Genome, such as single nucleotide polymorphisms, for the measurement of protein-DNA interactions, for the determination of control mechanisms for mRNA expression and for protein synthesis, for the preparation of toxicity studies and for the determination of expression profiles, in particular for the determination of biological and chemical marker substances, such as mRNA, proteins, peptides or low-molecular organic (messenger) substances, as well as for the detection of antibodies, antigens, pathogens or bacteria in pharmaceutical product research and development, human and veterinary diagnostics
  • the structure of the analytical system corresponds to the embodiment of Figure 4, i. Arrangement of the lighting system and the
  • the illumination system 1 comprises a commercial projection system with light emitting diodes (LEDs) as light sources.
  • LEDs light emitting diodes
  • FIG. 12 shows the emission spectrum of this projector with simultaneous operation of all three LED light sources.
  • the blue, green and red LEDs used have central emission wavelengths of 460 nm, 520 nm and 627 nm, respectively, and a spectral emission bandwidth of typically 20 nm to 40 nm.
  • the red light source is mainly used, with, of course, also light sources of different emission spectrum , for example with blue or green emission, can be used.
  • the light of the LEDs is homogenized by means of a "light tunnel” and directed to a Digital Mirror Device (DMD) as SLM
  • DMD Digital Mirror Device
  • the illumination unit in the illumination beam path comprises a polarizer.
  • the optical sensor platform comprises a thin film waveguide having a grating structure structured therein, i. a structure known as the "resonant lattice structure" comprising a planar glass substrate as support having a refractive index of 1.5 at 633 nm and having two large parallel surfaces at a distance of 1 mm as the thickness of the support in which one of the two mentioned
  • Surface is structured an optical grating with a period of 360 nm.
  • this grid is pronounced as a surface relief grid with mutually parallel webs and grooves of the same web width or groove width, wherein the distance between two successive webs or grooves is referred to as the grating period.
  • the grid can be over the entire surface over an entire surface of the glass substrate be educated.
  • the grating is covered with a substantially optically transparent layer having a refractive index of 2.1 at 633 nm and a thickness of 150 nm as waveguiding layer.
  • the resonance angles for light coupling of TM and TE polarized light with 626 nm wavelength can differ by the order of 10 °.
  • the resonance angles are again different.
  • the wavelength of the light component for which the resonance condition for the light coupling is met at the predetermined irradiation angle is referred to as the "resonance wavelength".
  • the center of the two resonances corresponds to the autocollimation angle, which corresponds to the perpendicular to the surface plane of the sensor platform.
  • the measured variable can be next to Determining the measured variable also determine the orientation of the sensor platform in the region of the measuring range.
  • the resonance conditions for light coupling for both directions of polarization ie for TE and TM polarization
  • the thickness and the refractive index of a layer applied to the surface of the sensor platform for example an adhesion-promoting layer, a complete or partial, ie perforated, layer of detection elements for analyte detection or of bound analyte compounds.
  • changes in the effective refractive index can be determined, which are caused, for example, by molecular adsorption or desorption processes on the surface of the sensor platform and corresponding changes in the (macroscopic) refractive index at this surface. Because of the well-known
  • Dependence of the refractive index on the layer and light parameters can be determined from these changes in the effective refractive index or of the resonance angle or wavelength as coupling parameters of the sensor platform, for example absolute or relative changes in the mass coverage on the surface of the sensor platform. If a calibration of these changes with known If mass assignments (for example with complete or partial monolayers of surface adsorbed molecules of known molecular weight) are or are present, it is also possible to determine absolute values of the surface coverage. In particular, with known density of the surface coverage can be drawn in the case of non-spherical surface adsorbed molecules from the height of the signal changes, for example, conclusions about the orientation of the adsorbed molecules.
  • Simultaneous measurement for two different polarizations allow mathematical models to determine the refractive index and thickness of a surface deposited layer. This additional information allows further conclusions. For example, it can be determined whether molecules have attached to the surface as a dense monolayer or have accumulated loosely and in multiple layers. In this case it is also easier to draw conclusions about the orientation of non-spherically symmetric molecules, since different orientations of the molecules on the surface, for example for "lying" molecules and for "stationary” molecules, with the same mass assignment to different optical properties of the sensor layer, in particular to different refractive indices and layer thicknesses lead.
  • the detection unit is aligned in the transmission direction along the optical axis of the illumination light generated by the illumination unit, in this case, the detection angle ⁇ coincides with the incident angle ⁇ of the illumination light on the sensor platform.
  • the light collecting optics 10 a lens with a focal length of 500 mm is used in this example, with which the light is focused on the entry end face of an optical fiber, from where the light component thus coupled into the fiber and guided therein is guided into a spectrometer for further spectral analysis.
  • the lens is arranged at a distance of approximately 500 mm in each case between the sensor platform and the optical fiber.
  • FIG. 12 shows, for four differently set angles of incidence 6.3, 6.4, 6.5 and 6.6 of the illumination light on the sensor platform, the spectra recorded in transmission of the TE-poled illumination light of the red LED.
  • the spectrum of the transmitted light has a minimum. From the position, width and depth, it is possible, with known physical parameters of the sensor platform, to draw conclusions about the effective refractive index or adsorption or desorption processes on the sensor platform.
  • Corresponding spectra for TM-polahs Ofs illumination light at two different angles of incidence 6.1 and 6.2 are shown in Figure 13, in which case the transmission minima are less pronounced at the respective resonance wavelengths.
  • the lighting system 1 comprises a commercial projection system with light-emitting diodes (LEDs) as light sources.
  • LEDs light-emitting diodes
  • FIG. 11 shows the emission spectrum of this projection system with simultaneous operation of all three LED light sources.
  • the blue, green and red LEDs used have central emission wavelengths of 460 nm, 520 nm and 627 nm and a spectral emission bandwidth of typically 20 nm to 40 nm.
  • the light from the LEDs is homogenized by means of a "light tunnel” and onto a digital mirror device (DMD) as SLM 4.
  • DMD digital mirror device
  • the illumination unit in the illumination beam path comprises a polarizer.
  • the optical sensor platform comprises a thin-film waveguide with a lattice structure structured therein, ie a structure known as the "resonant lattice structure" comprising a planar glass substrate as support with a refractive index of 1.5 at 633 nm and with two large parallel surfaces at a distance of 1 mm as the thickness of the carrier, in which one of the two surfaces mentioned is structured an optical grating having a period of 360 nm Groove width is pronounced, where the grating period is the distance between two successive webs or grooves can be formed over the entire surface over an entire surface of the glass substrate.
  • the grating is covered with a substantially optically transparent layer having a refractive index of 2.1 at 633 nm and a thickness of 150 nm as waveguiding layer.
  • the detection unit is aligned in the reflection direction along the optical axis of the illumination light generated by the illumination unit, in which case the detection angle 7 coincides in magnitude with the incident angle 6 of the illumination light on the sensor platform, but with opposite sign .
  • the light collecting optics 10 a lens with a focal length of 500 mm is used in this example, with which the light is focused on the entry end face of an optical fiber, from where the light component thus coupled into the fiber and guided therein is guided into a spectrometer for further spectral analysis.
  • the lens is arranged at a distance of approximately 500 mm in each case between the sensor platform and the optical fiber.
  • FIG. 14 shows, for a single set angle of incidence of the illumination light on the sensor platform, the spectrum of the TM-poled illumination light of the red LED recorded in the reflection direction. At the resonance wavelength corresponding to this angle of incidence for the light coupling, the spectrum has a sharp maximum in the reflection direction. From the position, width and depth, it is possible, with known physical parameters of the sensor platform, to draw conclusions about the effective refractive index or adsorption or desorption processes on the sensor platform. List of reference numbers:
  • illumination light 5 light 6 originating from the sensor platform; 6.1; 6.2; 6.3;
  • Electro-optical unit for generating an over the
  • SLM Light modulation
  • Optical fiber 10.2 lens system

Abstract

Die Erfindung betrifft ein analytisches System und ein damitausgeführtes Verfahren zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und /oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten Sensorplattform (2) angeordnet sind, mindestens umfassend - ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem (1 ) zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform (2) und einem Detektionssystem (3) mit mindestens einer Detektionseinheit (11 ) zur Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst, und - eine in das optische System einführbare Sensorplattform (2) mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten Messbereichen, - dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem (1 ) eine als "SLM" bezeichnete Anordnung (8.4) zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation umfasst, mit der im Betriebszustand aus einem in dieses SLM (8.4) eintretenden Beleuchtungslicht (4), mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM (8.4) festlegbarer Geometrie auf der Sensorplattform (2) erzeugbar sind. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen analytischen Systems und der damit ausgeführten erfindungsgemäßen Verfahren.

Description

Analytisches System mit einer Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation und damit ausführbares Nachweisverfahren
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein analytisches System und damit auszuführendes Verfahren zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einem festen Träger als Messplattform angeordnet sind, welcher nachfolgend als Sensorplattform bezeichnet wird. Ein solches analytisches System und Verfahren ist beispielsweise verwendbar zur Analyse von Proben auf darin enthaltene biologische, biochemische oder synthetisch hergestellte Substanzen als Analyten. Die Erfindung betrifft insbesondere ein solches System und Verfahren, welches geeignet ist, eine einzelne Probe auf eine Vielzahl von Analyten und / oder eine Vielzahl von Proben auf einen oder mehrere Analyten auf einer gemeinsamen Sensorplattform gleichzeitig zu untersuchen. Dabei ist das erfindungsgemäße analytische System für refraktive Messmethoden geeignet.
Stand der Technik
Zur gleichzeitigen Bestimmung einer Vielzahl von Analyten sind in den vergangenen Jahren zahlreiche Ausführungsformen von sogenannten "Microarrays" bekannt geworden, bei denen eine Vielzahl unterschiedlicher biologischer oder biochemischer oder synthetischer Erkennungselemente, zur spezifischen Erkennung und Bindung der nachzuweisenden Analyten, in diskreten Messbereichen, auch als "Spots" bezeichnet, immobilisiert sind. Vielfach beruht der Analytnachweis dabei auf der Detektion optischer Signale, beispielsweise von Lumineszenz oder Lumineszenzänderungen lumineszenzfähiger Moleküle, welche mit dem Analyten selbst oder einem seiner Bindungspartner, welche in einem oder in mehreren Bindungsassay- Schritten in den Messbereichen an die jeweiligen Erkennungselemente binden, verknüpft sind. Derartige Microarrays, bei denen die nachzuweisenden Analyten aus einer mit dem Array zusammengebrachten Probe an ihre in den Spots immobilisierten Erkennungselemente binden, nachdem sie von diesen erkannt und "eingefangen" worden sind, werden auch als "Capture-Arrays" bezeichnet.
Neben diesen relativ weit verbreiteten "Capture-Arrays" sind in den letzten Jahren auch sogenannte "Reverse Arrays" oder "Reverse Phase Arrays" bekannt geworden, bei denen die Proben selbst, beispielsweise unbehandelte oder nur wenigen Probenaufbereitungsschritten unterzogene Zell-Lysate, in diskreten Messbereichen in einem Microarray immobilisiert sind und dem Microarray dann die Erkennungselemente, gegebenenfalls verknüpft mit lumineszenten bzw. fluoreszenten Labein zur Signalerzeugung in lumineszenzbasierenden Nachweisverfahren zugeführt werden. Derartige Arrays wurden beispielsweise in den internationalen Patentanmeldungen WO 2004/023142 und WO 2004/023143 beschrieben. Das erfindungsgemäße analytische System und Verfahren kann in Kombination mit beiden Arten von Arrays, d.h. sowohl "Capture-Arrays" als auch "Reverse Arrays", eingesetzt werden.
Für die Detektion der erfolgten Analytbindung in verschiedenen Messbereichen ist eine ortsaufgelöste Detektion des von den
Messbereichen ausgehenden Lichts vorteilhaft, wobei die Ortsauflösung des Detektionsschritts, entsprechend der Anordnung der Messbereiche, ein- oder zweidimensional sein sollte. Dieses wird üblicherweise, zur gleichzeitigen Erfassung der Signale aus einer Vielzahl von Messbereichen, durch den Einsatz entsprechender ortsauflösender Detektoren (z.B. von Zeilen-Detektoren für eindimensionale Ortsauflösung oder Kameras für zweidimensionale Ortsauflösung) erreicht.
Basierend auf einfachen Glas- oder Mikroskop-Plättchen und Fluoreszenzdetektion zum Analytnachweis sind Arrays mit einer sehr hohen Feature-Dichte (d.h. Anzahl diskreter Messbereiche pro Flächeneinheit) bekannt. Beispielsweise werden in US-Patent Nr. 5,445,934 Arrays von Oligonukleotiden mit einer Dichte von mehr als 1000 Features pro Quadratzentimeter beschrieben und beansprucht. Die Anregung und das Auslesen solcher Arrays beruht auf klassischen optischen Anordnungen und Methoden. Es kann das ganze Array gleichzeitig mit einem aufgeweiteten Anregungslichtbündel beleuchtet werden, was jedoch zu einer relativ geringen Empfindlichkeit führt, da der Streulichtanteil relativ groß ist und Streulicht oder Untergrundfluoreszenzlicht aus dem Glassubstrat auch in den Bereichen erzeugt wird, in denen sich keine zur Bindung des Analyten immobilisierten Erkennungselemente befinden. Um die Anregung und Detektion auf die Bereiche der immobilisierten Features zu beschränken und Lichterzeugung in den Nachbarbereichen zu unterdrücken, werden vielfach konfokale Messanordnungen eingesetzt und die verschiedenen Features sequentiell mittels "Scannen" ausgelesen. Dieses kann jedoch einen größeren Zeitaufwand zum Auslesen eines großen Arrays und einen relativ komplexen optischen Aufbau zur Folge haben.
Es sind eine Reihe verschiedener Arten von Sensorplattformen und damit ausführbaren Nachweisverfahren bekannt, welche sich beispielsweise in dem eingesetzten Messprinzip unterscheiden und entsprechend in unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden können. Beispielsweise kann unterschieden werden zwischen lumineszenzbasierenden Nachweismethoden, z.B. basierend auf Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzdetektion nach optischer Anregung von im Nachweisschritt eingesetzten fluoreszenz- bzw. phosphoreszenzfähigen Gruppen oder Molekülen, und refraktiven Messmethoden, mithilfe derer Änderungen des Brechungsindexes an der Oberfläche einer Sensorplattform detektiert werden. Die refraktiven Messverfahren werden auch als „marker-freie" („label-free") Methoden bezeichnet, welche sich durch den Vorteil auszeichnen, dass sie keine „Markierung" bzw. Verknüpfung der zu detektierenden Verbindungen mit einer speziell für den Nachweisschritt einzusetzenden molekularen Gruppe oder Verbindung erfordern. Im Falle der refraktiven Messverfahren können die zu detektierenden Signale und deren Änderungen beispielsweise auf Nahfeldeffekten beruhen, welche zu einer oberflächengebundenen Signalverstärkung führen (siehe unten).
Zur Verbesserung der Empfindlichkeit werden vielfach Evaneszentfeld- Sensorplattformen eingesetzt, d.h. solche Messplattformen, an deren der zu untersuchenden Probe zugewandten Oberfläche ein evaneszentes Feld, auch als quergedämpftes Feld bezeichnet, erzeugbar ist, welches eine Beschränkung eines mit dem Analyten und / oder der Probe wechselwirkenden Anregungs- oder Messlichts auf die Eindringtiefe dieses evaneszenten Feldes in ein benachbartes Medium auf die Größenordnung eines Bruchteils der Wellenlänge des verwendeten Anregungs- oder Messlichts ermöglicht. Damit ist eine räumlich hochselektive Anregung von Molekülen oder Wechselwirkung mit Molekülen innerhalb der Eindringtiefe dieses Feldes in die benachbarten Medien möglich, während zugleich Störsignale aus Bereichen jenseits dieser Eindringtiefe vermieden werden können.
Ein evaneszentes Feld wird beispielsweise bei Totalreflexion eines sich in einem Medium (z. B. einem Prisma oder einem selbstragenden optischen Wellenleiter wie einem Glasplättchen) mit höherer Brechzahl als derjenigen des umgebenden Mediums ausbreitenden Lichtstrahls an der Grenzfläche dieses höherbrechenden Mediums zum niederbrechenden Medium erzeugt. In einer solchen Konfiguration wird dabei das evaneszente Feld jeweils an diskreten Orten der Totalreflexionen an den Grenzflächen zum niederbrechenden Medium erzeugt.
Als Weiterentwicklung optischer Wellenleiter sind optische Dünnschichtwellenleiter, insbesondere planare optische
Dünnschichtwellenleiter bekannt, bei denen es sich im einfachsten Fall um ein Dreischichtsystem handelt: Trägermaterial (vielfach auch als „Substrat" bezeichnet), wellenleitende Schicht, Superstrat ( bzw. zu untersuchende Probe), wobei die wellenleitende Schicht den höchsten Brechungsindex besitzt. Zusätzliche Zwischenschichten können die Wirkung des planaren Wellenleiters noch verbessern. Die Stärke des evaneszenten Feldes ist dabei sehr stark abhängig von der Dicke der wellenleitenden Schicht selbst sowie vom Verhältnis der Brechungsindices der wellenleitenden Schicht und der sie umgebenden Medien. Bei dünnen Wellenleitern, d. h. Schichtdicken von derselben oder niedrigerer Dicke als der zu führenden Wellenlänge, können diskrete Moden des geleiteten Lichts unterschieden werden.
Evaneszente Felder können auch mit Hilfe sogenannter „resonanter Gitterstrukturen" erzeugt werden. Resonante Gitterstrukturen besitzen ebenso wie planare optische Wellenleiter eine Strukturierung (Schichtung) mit Materialien unterschiedlicher Brechungsindices in Richtung senkrecht zur Ebene des im wesentlichen planaren Substrats. Dabei weist mindestens eine der auf dem Substrat aufgebrachten Schichten, in welche ein Anregungs- oder Messlicht unter Resonanzbedingungen eingekoppelt werden kann, eine höhere Brechzahl als diejenige des Substrats auf. Zusätzlich zu (in der Ebene parallel zu derjenigen des Substrats unstrukturierten) optischen Wellenleitern weisen resonante Gitterstrukturen eine eindimensional oder zweidimensional verlaufende, meist periodische Strukturierung des (effektiven) Brechungsindex, erzeugt unter Verwendung von gleichen oder unterschiedlichen Materialien, in der Ebene der mindestens einen höherbrechenden Schicht parallel zur Substratebene auf. Außerdem kann eine resonante Gitterstruktur eine Strukturierung mit Materialien unterschiedlicher Brechzahlen, wie in Richtung senkrecht zur Substratebene, auch in der dazu parallelen Ebene aufweisen. Resonante Gitterstrukturen sind aus der Literatur bekannt und beispielsweise in US- Patent Nr. 5,598,300 sowie in der Patentanmeldung US 2004/0130787 beschrieben.
Als eine weitere Ausführungsform von Evaneszentfeld-Sensorplattformen können sogenannte „Resonante Spiegel" („Resonant Mirror") angesehen werden, welche im wesentlichen ein Dreischichtsystem umfassen: ein hochbrechendes Prisma, darauf aufgebracht eine Schicht mit niedrigerem Brechungsindex unter einer darauf befindlichen weiteren Schicht mit hohem Brechungsindex. Unter Betriebsbedingungen wird auf das Prisma eingestrahltes Licht an der Oberfäche desselben total reflektiert. Das bei dieser Totalreflexion an der Oberfläche des Prisma entstehende evaneszente Feld reicht in die Schicht mit niedriger Brechzahl hinein, und aufgrund der geringen Dicke der niederbrechenden Schicht reicht es auch bis in die hochbrechende zweite Schicht hinein. Dabei wirkt die zweite hochbrechende Schicht wie ein Wellenleiter. Der effektive Brechungsindex dieses Wellenleiters und damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in diesem Wellenleier wird dabei durch die optischen Parameter des Schichtsystems (im wesentlichen Brechungsindices und Schichtdicken) sowie einer gegebenenfalls an der Oberfläche der Evaneszentfeld- Sensorplattform befindlichen Beschichtung (z. B. mit einer Haftvermittlungsschicht oder mit spezifischen Erkennungselementen zum Analytnachweis) sowie des umgebenden Mediums bestimmt. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit des evaneszenten Feldes des Prismas mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Wellenleiter übereinstimmt, wird ein Teil des evaneszenten Feldes des Prismas in den Wellenleiter eingekoppelt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des evaneszenten Feldes des Primas kann beispielsweise durch Verändern des Einfallswinkels oder durch Verändern der Wellenlänge beeinflusst werden. Durch das im Wellenleiter geführte Licht entstehen auf beiden Seiten des Wellenleiters wiederum evaneszente Felder, wobei das prismenseitige evaneszente Feld des Wellenleiters wiederum in die niederbrechende Schicht und darüber hinaus bis in das hochbrechende Prisma hineinreicht. Analog zur Einkopplung in den Wellenleiter wird dadurch im Wellenleiter geführtes Licht wieder in das Prisma ausgekoppelt und kann von dort auf eine Detektionseinheit gelenkt werden. Die an das Prisma sowie die zweite hochbrechende Schicht gebundenen Vorgänge von Lichteinkopplung und - auskopplung finden gleichzeitig statt, wodurch das vom Prisma zur Detektionseinheit gelenkte Licht eine resonante Charakteristik aufweist. Diese Technologie des „resonanten Spiegels" ist näher beispielsweise in US-Patent Nr. US 5,255,075 sowie in der Publikation P. E. Buckle et al., „The resonant mirror: a novel optical sensor for direct sensing of biomolecular interactions, Part II: Application", Biosensors & Bioelectronics 8 (1993), 355 - 363, beschrieben.
Die Verwendung von Evaneszentfeld-Sensorplattformen ist geeignet, die Aufgabenstellungen zur Ereichung einer verbesserten Empfindlichkeit, d. h. tieferer Nachweisgrenzen beim Analytnachweis, und einer höheren Genauigkeit zu lösen. Zusätzlich ergibt sich aber die Notwendigkeit der Optimierung von analytischen Systemen und Nachweisverfahren für die Messung einer möglichst großen Anzahl von Signalen aus einer Vielzahl von diskreten Messbereichen innerhalb eines möglichst kurzen Zeitraums.
Bekannt sind beispielsweise bildgebende Verfahren und dafür ausgestattete analytische Systeme. Aus dem Stand der Technik bekannt sind
Messanordnungen mit gleichzeitiger mehr oder minder großflächiger Beleuchtung einer Vielzahl von Messbereichen auf einer Sensorplattform, beispielsweise zur Aufnahme von Lumineszenz- bzw. Fluoreszenzsignalen aus Mikroarrays auf einem Dünnschichtwellenleiter als Sensorplattform aus der internationalen Anmeldung WO 02/21110 oder von Signalen eines großflächig ausgebildeten Gitterkoppler-Sensors (ebenfalls basierend auf einem Dünnschichtwellenleiter; genauere Erklärung siehe später) aus der internationalen Anmeldung WO 01/88511. Diese Anordnungen ermöglichen es, innerhalb relativ kurzer, durch die Beleuchtungsdauer bestimmter Messzeiten Signale aus einer Vielzahl von Messbereichen aufzunehmen. Nachteilig weisen diese Anordnungen jedoch auf, dass infolge der durchgehenden großflächigen Beleuchtung der Sensorplattform, welche nicht auf die Regionen der Messbereiche beschränkt ist, insbesondere Signale aus den Zwischenbereichen zwischen den Messbereichen zu einem erhöhten Grundsignal, welches nicht durch die Anwesenheit eines Analyten verursacht wird, führen können, was aufgrund der resultierenden Erhöhung des Grundsignal-Niveaus zu einem verminderten Signal-zu-Rauschen- Verhältnis führt und damit zu einer verminderten Empfindlichkeit für die Bestimmung einer Vielzahl von Analyten im Vergleich zur Empfindlichkeit für eine Einzelanalyt-Bestimmung in einem einzelnen Messbereich mit darauf beschränkter Anregung und Detektion auf einer Sensorplattform ansonsten gleichartiger technischer Bauart führen kann. Außerdem besteht bei durchgehender großflächiger Beleuchtung ein erhöhtes Risiko eines optischen Übersprechens der Signale aus den verschiedenen Messbereichen.
Das Risiko des Übersprechens optischer Signale aus verschiedenen Messbereichen wird mit scannenden Anordnungen, d.h. sequentieller Beleuchtung und Signalerfassung von unterschiedlichen diskreten Messanordnungen, umgangen. Insbesondere im Falle von Sensorplattformen mit großen Abmessungen, beispielsweise im Format einer Standard-Mikrotiterplatte, sind jedoch verlängerte Gesamtzeiten für die Signalaufnahme und eventuell auch aufwendige mechanische Positioniervorrichtungen für notwendige Translationen über große Verfahrwege, verbunden mit sehr hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit, zu erwarten, was zusätzlich nachteilig zu einer Erhöhung der Systemkosten führen kann.
Es besteht daher die Aufgabe der Bereitstellung eines analytischen Systems und eines damit auszuführenden Verfahrens, womit ermöglicht wird, innerhalb kurzer Zeit eine Probe auf eine Vielzahl darin enthaltener Analyten und / oder eine Vielzahl von Proben auf einen oder mehrere darin enthaltene Analyten zu untersuchen, mit einer hohen Empfindlichkeit, wie sie beispielsweise von Evaneszentfeld-Sensorplattformen für Einzelanalyt- Bestimmungen bekannt ist, und welche noch weiter zu verbessern ist durch eine Erhöhung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses, möglichst verbunden mit zugleich vermindertem Risiko eines optischen Übersprechens zwischen Signalen aus verschiedenen Messbereichen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe gelöst mithilfe eines analytischen Systems zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten Sensorplattform angeordnet sind, mindestens umfassend - ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform und einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst, und - eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten Messbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem eine als „SLM" bezeichnete Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation umfasst, mit der im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf der Sensorplattform erzeugbar sind.
Unter "schnell veränderbarer" räumlicher Lichtmodulation und "schneller Veränderung" des Beleuchtungsmusters soll dabei verstanden werden, dass diese Änderungen mit einer Frequenz größer als 1 Hz, bevorzugt größer als 1 kHz, besonders bevorzugt größer als 1 MHz stattfinden.
Die frei einstellbare Geometrie des Beleuchtungsmusters auf der
Sensorplattform ermöglicht es, Messbereiche in beliebiger Anordnung und Geometrie auf der Sensorplattform gezielt zu beleuchten und Bereiche zwischen den Messbereichen gezielt abzuschatten, so dass die Erzeugung von beeinträchtigenden Streu- oder Störsignalen aus diesen Nachbarbereichen vermieden werden kann. Dabei kann das
Beleuchtungsmuster mit hoher Geschwindigkeit verändert werden. Damit wird vorteilhaft ein äußerst schnelles optisches „Abtasten" der gesamten Oberfläche der Sensorplattform mit Beschränkung der Signalanregung auf die Messbereiche selbst und Erfassung der Signale aus einer Vielzahl von Messbereichen ermöglicht, wobei gleichzeitig die vorgenannten Nachteile von Scan-Anordnungen und -Verfahren vermieden werden. Gegenüber dem Stand der Technik weist das erfindungsgemäße analytische System weitere wesentliche Vorteile auf:
- Die mechanischen Toleranzen der Aufnahmevorrichtung des analytischen Systems für eine einzuführende Sensorplattform können relativ großzügig bemessen werden, da Schwankungen in den Abmessungen bzw. der Positionierung einer einzuführenden Sensorplattform durch Anpassungen des Beleuchtungsmusters kompensiert werden können. Damit können des weiteren die Anforderungen an die Toleranzen der Abmessungen der
Sensorplattform großzügig gehalten werden, was deren Herstellungskosten senkt.
- Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einer Vielzahl einzeln ansteuerbarer Einzelelemente des SLM, welche vorzugsweise größer ist als die Anzahl der
Messbereiche, erlauben eine hohe räumliche Auflösung der Signalerzeugung und damit auch Signaldetektion und verschiedene Formen des Sub-Sampling.
- Im Falle der Beleuchtung von Messbereichen durch mehrere Einzelemente des SLM können mehrere Messwerte pro Messbereich unabhängig voneinander gleichzeitig generiert werden.
- Es ist keine Anpassung oder gar Änderung oder Austausch der optischen Elemente des analytischen Systems bei einer Änderung der geometrischen Anordnung von Messbereichen auf der Sensorplattform erforderlich, sondern das Beleuchtungsmuster kann entsprechend angepasst werden.
- Auf den Einsatz diffraktiver optischer Elemente, welche oft ein starres, unveränderbares Beleuchtungsmuster erzeugen, kann in den Strahlengängen verzichtet werden. Insbesondere kann deren andernfalls erforderlicher Wechsel bzw. Austausch bei Änderungen der Lichtquelle oder der erwähnten geometrischen Charakteristika der Sensorplattform vermieden werden.
- Es können auch breitbandige Lichtquellen verwendet werden, was in Kombination mit diffraktiven optischen Elementen im Beleuchtungsstrahlengang kaum möglich ist.
- Die rasche Veränderbarkeit des erzeugten Beleuchtungsmusters erlaubt dessen Anpassung an dynamische Prozesse (z. B. das Wachstum oder die Kontraktion von biologischen Zellen.
- Verschiedene Messbereiche können beliebige, unterschiedliche, voneinander unabhängige Form haben.
- Es können „Binning" oder ähnliche Funktionen eingesetzt werden.
- Ein Einsatz zusätzlicher Masken in den Strahlengängen ist nicht erforderlich.
- Die Gesamtzahl optischer Komponenten des Systems kann reduziert werden, was zu einer Verringerung der Systemkosten führt: Mehrere diffraktive optische Elemente und Masken können durch ein einziges SLM ersetzt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten Sensorplattform angeordnet sind, unter Verwendung eines analytischen Systems nach einer der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen, mindestens umfassend
- ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform, mit einer als "SLM" bezeichneten Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation sowie mit einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst, und
- eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten
Messbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf der Sensorplattform erzeugbar sind.
Besonders bevorzugt wird dabei eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die optischen Signale und / oder deren Änderungen aus Messbereichen erzeugt werden durch ein oder mehrere Bindungs- oder Adsorptionsereignisse zwischen einem oder mehreren Analyten in einer oder mehreren Proben und spezifischen Erkennungselementen für besagte Analyten in oder auf besagten Messbereichen, wobei die Proben und die Erkennungselemente für die in den Proben nachzuweisenden Analyten auf den Messbereichen miteinander in Kontakt gebracht werden, und dass aus diesen optischen Signalen und / oder deren Änderungen eine gleichzeitige qualitative und / oder quantitative Detektion einer Vielzahl von Analyten in einer oder mehreren Proben und / oder eines oder mehrerer Analyten in einer Vielzahl von Proben ermöglicht wird. Kurzbeschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems, bei der das Beleuchtungssystem 1 und das Detektionssystem 3 auf der gleichen Seite bezüglich der Sensorplattform 2 angeordnet sind.
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einer als Miktrotiterplatte ausgebildeten Sensorplattform 2, einem Strahlteiler 9.1 und etwa senkrechter telezentrischer Beleuchtung der Sensorplattform 2 sowie Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts in Richtung der Reflexion des Beleuchtungslichts.
Figur 3 zeigt eine bis auf den Strahlteiler bezüglich der eingesetzten elektrooptischen Komponenten gleichartige Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems wie Figur 2, aber mit Einstrahlung des Beleuchtungslichts und Detektion des von der Sensorplattform 2 ausgehenden Lichts unter einem deutlich vom Lot abweichenden, d.h. schrägen Winkel.
Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems, bei der das Beleuchtungs- und das Detektionssystem auf entgegengesetzten Seiten bezüglich der Sensorplattform angeordnet sind und die Detektion in Richtung des transmittierten Lichts erfolgt.
Figur 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einer als Miktrotiterplatte ausgebildeten Sensorplattform 2, einem Strahlteiler 9.1 und etwa senkrechter Beleuchtung der Sensorplattform 2 sowie Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts in Richtung der Reflexion des Beleuchtungslichts mit Hilfe eines Spektrometers 11.1 als Lichtanalyseeinheit.
Figur 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einer als Miktrotiterplatte ausgebildeten
Sensorplattform 2, einem Strahlteiler 9.1 und etwa senkrechter Beleuchtung der Sensorplattform 2 sowie Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts in Richtung der Reflexion des Beleuchtungslichts für unterschiedliche Polarisationen mit Hilfe von zwei Spektrometern 11.1 als Lichtanalyseeinheiten.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ähnlichen Aufbaus wie desjenigen der Figur 2 mit einer Sensorplattform 2, die als Prisma zur Erzeugung interner Totalreflexion oder als„Resonanter Spiegel" ausgebildet ist.
Figur 8 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ähnlich zu derjenigen von Figur 2, aber mit Detektion des von der Sensorplattform 2 ausgehenden Lichts in Transmissionsrichtung.
Figur 9 zeigt am Beispiel einer Mikrotiterplatte als Sensorplattform mögliche Variationen des mittels eines räumlichen Lichtmodulators SLM auf der Sensorplattform erzeugbaren Beleuchtungsmusters, a) mit Beleuchtung eines einzigen Wells der Mikrotiterplatte, gekennzeichnet mit „S" und umgeben von einem schraffierten Quadrat; b) gleichzeitige Beleuchtung (gekennzeichnet durch schraffiertes Kreuz) von vier umgebenden Wells (bezeichnet mir „R").
Figur 10 zeigt weitere auf der Sensorplattform erzeugbare Beleuchtungsmuster mit unterschiedlicher Geometrie: a) Ausleuchtung von Messbereichen in einem hexagonalen Muster; b) Beleuchtungsmuster aus konzentrischen Kreisringen; c) ein Beleuchtungsmuster mit einer beliebigen, irregulären Geometrie, wie sie beispielsweise der gezielten Beleuchtung von auf der Sensorplattform befindlichen biologischen Zellen entsprechen kann.
Figur 11 zeigt das Emissionsspektrum eines für die Beispiele 1 und 2 verwendeten Projektionssystems mit drei lichtemittierenden Dioden (LEDs) als Lichtquellen, mit zentralen Emissionswellenlängen 460 nm (blau), 520 nm (grün) und 627 nm (rot), wobei die spektrale Emissionsbreite der LEDs jeweils 20 nm bis 40 nm beträgt.
Figur 12 zeigt für vier unterschiedlich eingestellte Einfallswinkel 6.3, 6.4, 6.5 und 6.6 des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform die in Transmission aufgenommenen Spektren des TE-polahsierten Beleuchtungslichts der roten LED aus Figur 11.
Figur 13 zeigt für zwei unterschiedlich eingestellte Einfallswinkel 6.1 und 6.2 des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform die in Transmission aufgenommenen Spektren des TM-polarisierten Beleuchtungslichts der roten LED aus Figur 11.
Figur 14 zeigt für einen einzelnen eingestellten Einfallswinkel des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform das in Reflexionsrichtung aufgenommene Spektrum des TM-polarisierten Beleuchtungslichts der roten LED aus Figur 11.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen Messbereiche jeweils durch die geschlossene Fläche definiert werden, die auf einer Sensorplattform zur Erfassung einer einzelnen Messgröße ausgewiesen ist, d.h. zur Erzeugung eines einzelnen Signalwertes verwendet wird. Beispielsweise kann die Sensorplattform als eine Mikrotiterplatte ausgebildet sein, mit einer Vielzahl matrixartig angeordneter Kavitäten (Wells) und einem Dünnschichtwellenleiter mit darin strukturierten Gittern als Boden.
Beispielsweise kann dann die Bodenfläche eines einzelnen Wells einen Messbereich darstellen, auf dem der Brechungsindex einer in das Well eingefüllten Flüssigkeit durch eine refraktive Messung bestimmt wird. Die Bodenfläche eines einzelnen Wells kann aber auch der Erfassung einer Vielzahl von Messwerten zum gleichzeitigen Nachweis einer Vielzahl von Analyten in einer in ein einzelnes Well gefüllten Probe dienen. In Übereinstimmung mit der vorgenannten umfassenden Definition sollen dann Messbereiche durch die geschlossene Flächen definiert werden, die dort immobilisierte nachzuweisende Verbindungen oder dort immobilisierte spezifische Bindungspartner, zum Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben in einem Bioaffinitätsassay, einnehmen. Diese Flächen können dabei eine beliebige Geometrie, beispielsweise die Form von Kreisen, Rechtecken, Dreiecken, Ellipsen etc., haben. Vorzugsweise handelt es sich bei den Messbereichen um eine Vielzahl von Messbereichen. Besonders bevorzugt werden diskrete, lateral oder räumlich getrennte Messbereiche.
Vorzugsweise umfasst die Sensorplattform in einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung mehr als 50, besonders bevorzugt mehr als 500, ganz besonders bevorzugt mehr als 50000 Messbereiche.
Es gibt eine Vielzahl bekannter Arten oder Methoden zur Aufbringung bzw. Immobilisierung der nachzuweisenden Verbindungen oder spezifischen Bindungspartner auf einer Sensorplattform. Beispielsweise kann dieses durch physikalische Adsorption oder durch elektrostatische Wechselwirkung erfolgen. Die Orientierung der immobilisierten Verbindungen oder der spezifischen Bindungspartner ist dann im allgemeinen statistisch, so dass nur ein Teil von ihnen für eine Bindung mit einem in einer Probe zuzuführenden Bindungspartner zugänglich ist. Außerdem besteht die Gefahr, dass bei unterschiedlicher Zusammensetzung der den Analyten enthaltenden Probe oder der im Nachweisverfahren eingesetzten
Reagenzien ein Teil der immobilisierten Verbindungen oder Bindungspartner fortgespült wird. Daher kann es von Vorteil sein, wenn zwecks einer stabileren Immobilisierung auf der für die Signalerzeugung zu verwendenden Oberfläche der Sensorplattform eine Haftvermittlungsschicht aufgebracht ist. Diese Haftvermittlungsschicht sollte optisch transparent sein. Insbesondere im Falle von Evaneszentfeldsensorplattformen (siehe unten) wird bevorzugt, dass die Haftvermittlungsschicht nicht über die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes aus der hochbrechenden Schicht der Sensorplattform in das daran angrenzende Medium hinausragt. Daher sollte die Haftvermittlungsschicht eine Stärke von weniger als 200 nm, vorzugsweise von weniger als 20 nm, haben. Sie kann beispielsweise chemische Verbindungen aus der Gruppe Silane, Epoxide, funktionalisierte, geladene oder polare Polymere und "selbstorganisierte funktionalisierte Monosen ichten" umfassen.
Auf einer Sensorplattform zu immobilisierende Verbindungen oder spezifische Bindungspartner, insbesondere auch als zu immobilisierende spezifische Erkennungselemente sowie auch die nachzuweisenden Analyten sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, welche von Nukleinsäuren (beispielsweise DNA, RNA, Oligonukleotiden), Nukleinsäureanalogen (z. B. PNA), Antikörpern, Aptameren, membran-gebundenen und isolierten Rezeptoren, deren Liganden, Antigenen für Antikörper, "Histidin-Tag- Komponenten", etc. gebildet wird. Es können auch ganze biologische Zellen oder Bestandteile davon auf einer Sensorplattform immobilisiert werden. Ein einzelner Messbereich auf einer Sensorplattform kann eine einzige Art von Verbindungen, beispielsweise zum Nachweis eines einzelnen Analyten in einer zuzuführenden Probe enthalten. Dieses wird im Falle von zu erzeugender "Capture-Arrays" bevorzugt. Ein einzelner Messbereich kann aber auch eine Vielzahl von unterschiedlichen Verbindungen enthalten. Dieses ist im Falle von "Reverse Arrays" der Fall, bei denen ein einzelner Messbereich jeweils durch die geschlossene Fläche auf der Sensorplattform gebildet wird, den eine dort immobilisierte Probe mit einer Vielzahl darin enthaltener und als Analyten nachzuweisender unterschiedlicher Verbindungen einnimmt.
Als in das optische System des erfindungsgemäßen analytischen Systems einführbare Sensorplattform sind verschiedene Ausführungsformen von Sensorplattformen geeignet. Die Sensorplattform soll mindestens bei der Wellenlänge des Beleuchtungslichts im wesentlichen optisch transparent sein. Unter „im wesentlichen optisch transparent" als Eigenschaft der Sensorplattform, welche beispielsweise aus verschiedenen Schichten bestehen kann, soll dabei verstanden werden, dass Licht der Wellenlänge des Beleuchtungslichts bei Ausbreitung im Volumen des Materials oder eines Schichtmaterials der Sensorplattform über eine Distanz von 5 mm eine Abschwächung durch Absorption von nicht mehr als 80 % erfährt, vorzugsweise nicht mehr als 50%, besonders bevorzugt nicht mehr als 20%. Ausbreitungsverluste durch Grenzflächenstreuungen, beispielsweise bei Lichtleitung in einem Schichtwellenleiter infolge von Oberflächenrauhigkeiten oder Oberflächenstrukturierungen wie beispielsweise ein diffraktiv wirkendes Oberflächen-Reliefgitter, sollen bei dieser Definition von „im wesentlichen optischer Transparenz" nicht berücksichtigt werden, auch wenn sie die weitere Lichtausbreitung sogar unterbinden sollten. Die vorgenannte Forderung an die „im wesentlichen optische Transparenz" der Sensorplattform schließt hingegen beispielsweise Beschichtungen mit absorbierenden Metallen wie Gold oder Silber, wie sie beispielsweise für Sensorplattformen zur Erzeugung von Oberflächenplasmonenresonanzen verwendet werden und bei denen die Ausbreitung eines "eingekoppelten Lichts" nur über eine Länge in der Größenordnung einiger hundert Mikrometer stattfindet, und damit auch solche Sensorplattformen per se aus. Das Material der Sensorplattform umfasst vorzugsweise in einem Ein- oder Mehrschichtsystem ein Material aus der Gruppe, welche von im wesentlichen optisch transparenten Gläsern, Kunststoffen und Keramiken gebildet wird, wobei Schichten dieser Werkstoffe optional mit zusätzlichen Beschichtungen versehen sein können.
Es wird bevorzugt, dass die Seite der Sensorplattform, auf weicher die diskreten Messbereiche erzeugt sind, im wesentlichen planar ist. Dabei soll unter "im wesentlichen planar" verstanden werden, dass im Bereich der Messbereiche der Krümmungsradius der Oberfläche dieser Seite größer als 10 cm ist. Im Sinne dieser Definition wird beispielsweise auch eine als Mikrotiterplatte ausgebildete Ausführungsform einer Sensorplattform, mit den Bodenflächen der Wells als Messbereichen, als "im wesentlichen planar" angesehen, da die obige Definition für den Bereich dieser Messbereiche jeweils erfüllt ist. Außerdem wird bevorzugt, dass die Welligkeit der die Messbereiche umfassenden Oberfläche der
Sensorplattform im Bereich der Messbereiche geringer als 0.2 mm ist. Des weiteren wird bevorzugt, dass die Rauhigkeit der die Messbereiche umfassenden Oberfläche der Sensorplattform im Bereich der Messbereiche geringer als 20 nm, besonders bevorzugt weniger als 2 nm, ganz besonders bevorzugt weniger als 1 nm ist. Die Bevorzugung bezüglich der Oberflächenrauhigkeit gilt insbesondere für als Evaneszentfeld- Sensorplattformen ausgebildete Ausführungsformen (siehe unten), um Ausbreitungsverluste von Licht durch Streuung an der mit den Messbereichen versehenen Oberfläche zu minimieren. Vorsätzlich vorgenommene Oberflächenstrukturierungen, wie beispielsweise diffraktiv wirkende Oberflächen-Reliefgitter oder andere vorsätzlich aufgebrachte Oberflächenstrukturen, sollen bei dieser Bevorzugung hinsichtlich der „Oberflächenrauhigkeit" und bei deren Definition nicht berücksichtigt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform als eine Evaneszentfeld-Sensorplattform ausgebildet ist.
Dabei wird bevorzugt, dass die Sensorplattform ausgewählt ist aus der
Gruppe von Prismen zur Erzeugung interner Totalreflexion, selbsttragenden optischen Wellenleitern, optischen Dünnschichtwellenleitern, Dünnschichtwellenleitern mit darin strukturierten Gittern für die Lichteinkopplung und / oder Lichtauskopplung, resonanten Gitterstrukturen sowie „Resonanten Spiegeln".
Für Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einem Dünnschichtwellenleiter oder einem Dünnschichtwellenleiter mit darin strukturierten Gittern als Evaneszentfeld-Sensorplattform wird bevorzugt, dass das Trägermaterial der wellenleitenden Schicht beziehungsweise die an die wellenleitende Schicht in Richtung der den Messbereichen abgewandten Seite der wellenleitenden Schicht angrenzende Schicht einen möglichst niedrigen Brechungsindex hat, da hierdurch die Ausbreitung des evaneszenten Feldes in Richtung der Messbereiche auf der gegenüberliegenden Seite der wellenleitenden Schicht günstig beeinflusst wird: Das Maximum der in einem optischen Wellenleiter geführten Intensität, bezogen auf den Querschnitt eines Schichtwellenleiters, ist im Falle einer asymmetrischen Verteilung der Brechungsindices der zur wellenleitenden Schicht benachbarten Schichten asymmetrisch in Richtung der Nachbarschicht mit dem höheren Brechungsindex angeordnet.
Vorzugsweise beträgt dabei der Brechungsindex des Trägermaterials bzw. der an die wellenleitende Schicht in Richtung der den Messbereichen abgewandten Seite der wellenleitenden Schicht angrenzenden Schicht weniger als 1.6, besonders bevorzugt weniger als 1.5, ganz besonders bevorzugt weniger als 1.4. Als Materialien mit entsprechend niedrigen Brechungsindices sind hierfür beispielsweise thermoplastische Materialien wie Polyvenylidenfluorid, Polymethylpenten, Cycloolefin-Copolymeren (COC) oder Cycloolefin-Polymeren (COP) und Mischungen von Polyvenylidenfluoriden und Polymethylmethacrylaten geeignet. Es sind sogar Fluoroplymere wie Fluoroacrylat mit einem Brechungsindex von weniger als 1.4 bekannt. Bei Verwendung der Sensorplattform für die Analyse von flüssigen oder wässrigen Proben sind Trägermaterialien mit möglichst geringer Flüssigkeits- bzw. Wasseraufnahme von Vorteil. Zugleich ist es vorteilhaft, wenn die wellenleitende Schicht einen möglichst hohen Brechungsindex hat, vorzugsweise höher als 1.8, besonders bevorzugt höher als 2.0. Als Materialien der wellenleitenden Schicht sind Metalloxide wie TiO2, Ta2O5, Nb2O5, ZnO, HfO2, ZrO2, TiO2-SiO2, AI2O3, Si3N4, HfON, SiON besonders gut geeignet. Derartige Ausführungsformen von Sensorplattformen, welche für ein erfindungsgemäßes analytisches System geeignet sind, sind auch in der US-Anmeldung Nr. 2005/0025421 mit den Figuren 13 (Herstellung einer „Microplate" entsprechend einer
Mikrotiterplatte mit Dünnschichtwellenleitern mit darin strukturierten Gittern im Boden der Wells der Mikrotiterplatte), Figuren 7, 8 und 9 (Brechungsindex und Verteilung der Modenintensität, d.h. Intensität des geführten Lichts) beschrieben, welche hiermit vollumfänglich zusammen mit den zugehörigen Teilen der Beschreibung in diese Anmeldung eingeführt werden.
Bei refraktiven Messmethoden unter Verwendung einer Evaneszenzfeld- Sensorplattform wird die Änderung des sogenannten effektiven Brechungsindex aufgrund von Änderungen der Massenbelegung durch molekulare Adsorption oder Desorption auf der Sensorplattform oder Änderungen der makroskopischen Brechzahl eines umgebenden Mediums im evaneszenten Feld der Sensorplattform für einen Analytnachweis benutzt. Der effektive Brechungsindex ist abhängig vom makroskopischen Brechungsindex der hochbrechenden, wellenleitenden Schicht und deren Dicke, den Brechungsindices und Schichtdicken benachbarter Schichten oder Medien sowie von der Modenordnung des über das Gitter in die wellenleitende Schicht einzukoppelnden Lichts, der Polarisation (z. B. transversal elektrische (TE) oder transversal magnetische (TM) Polarisation) sowie der Wellenlänge eines eingestrahlten Beleuchtungslichts.
Die Änderungen des effektiven Brechungsindex führen, bei konstanter Wellenlänge des eingestrahlten Beleuchtungslichts, zu Änderungen des Resonanzwinkels bezüglich der Oberflächennormalen der Sensorplattform für die Lichteinkopplung oder -auskopplung aus einer Gitterkoppler- Sensorplattform. Diese Änderungen der Resonanzwinkel sind aus den Signalen und deren Änderungen, welche von dem Detektionssystem (umfassend einen oder mehrere Detektoren) des erfindungsgemäßen analytischen Systems geliefert werden, bestimmbar. Im Falle konstant gehaltenen Einstrahlwinkels des Beleuchtungslichts werden aus den entsprechenden Detektorsignalen, bei variablem oder über einen bestimmten spektralen Bereich (z. B. in der Größenordnung von 1 - 20 nm) polychromatischem Spektrum des Beleuchtungslichts, Änderungen der Resonanzwellenlänge für die Lichteinkopplung oder -auskopplung aus einer Gitterkoppler-Sensorplattform bestimmt. Der Stand der Technik zum Einsatz von Gitterkoppler-Sensorplattformen ist beispielsweise in den US-Patenten US 4,815,169, US 6,455,004 und US 6,429,022 sowie in den Publikationen K. Tiefenthaler, W. Lukosz, „Sensitivity of grating couplers as integrated- optical chemical sensors", J. Opt. Soc. Am. B6 (1989) 209 ff.; W. Lukosz, P.M. Nellen, C. Stamm, P. Weiss, „Output grating couplers on planar waveguides as integrated, optical chemical sensors", Sensors and Actuators B1 (1990) 585 ff. und T. Tamir, ST. Peng, "Analysis and design of grating couplers", Appl. Phys. 14 (1977) 235 - 254 beschrieben.
Zur Herstellung der Koppelgitter sind dem Fachmann beispielsweise der Einsatz von Spritzguss, Heißprägen, holographischer Belichtung oder sogenannte Nano-Imprint-Lithographie sowie die in der Anmeldeschrift US 2003/0017581 und in US-Patent 6,873,764 beschriebenen Techniken bekannt. Üblicherweise werden die Gitterstrukturen zunächst als Oberflächenstrukturen in einer Oberfläche des Substrats erzeugt, worauf in einem nachfolgenden Schritt direkt oder auf optionalen Zwischenschichten mindestens eine dielektrische Schicht mit bevorzugt höherer Brechzahl als derjenigen des Substrats und kontrollierter Schichtdicke (von beispielsweise 50 nm bis 500 nm) aufgebracht wird und sich typischerweise die auf dem Substrat erzeugte Struktur in die Oberfläche dieser dielektrischen Schicht beim Aufbringungsschritt überträgt „Resonant Mirror"-Sensorplattformen werden durch Aufbringung dielektrischer Schichten mit unterschiedlicher Brechzahl und genau definierter Schichtdicke auf zumindest bei der Wellenlänge des Beleuchtungslichts im wesentlichen optisch transparenten Substraten hergestellt.
Insbesondere zwecks Kompatibilität mit eingeführten Laborrobotern und der Standardausrüstung chemischer und analytischer Laboratorien ist es vorteilhaft, wenn die Sensorplattform die Grundabmessungen einer Mikrotiterplatte gemäß SBS-Standard (ca. 85.5 mm x 127.8 mm) hat oder als Bestandteil einer Mikrotiterplatte ausgebildet ist. Dieses schließt ein, dass die Sensorplattform selbst eine Mikrotiterplatte darstellen kann. Derartige Anordnungen sind auch in US 2005/0110989 (Fig. 2 - Fig. 6 und Fig. 14 - Fig. 16), US 5,738,825 (Fig. 1 - Fig. 3, Fig. 5 - Fig. 7) und US 6,018,388 (Figuren 1 - 4) beschrieben, deren benannte Figuren und zugehörige Beschreibungen hiermit vollumfänglich als Bestandteil der vorliegenden
Anmeldung eingeführt werden. Wenn die Sensorplattform als Mikrotiterplatte ausgebildet ist, kann sie beispielsweise, entsprechend den industriellen Standardfertigungen, 96, 384 oder 1536 Probenbehältnisse oder „Wells" umfassen.
Hinsichtlich der Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen
Lichtmodulation wird bevorzugt, dass diese ausgewählt ist aus der Gruppe von „Digital Mirror Devices" DMD, Flüssigkristall-Displays LCD, „Liquid Cristal on Silicon Silicon" LCOS Mikrodisplays und mechanisch bewegbaren Masken mit lichtdurchlässigen und lichtblockierenden Bereichen.
Es wird bevorzugt, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Vielzahl diskret für die Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts schaltbarer Einzelelemente in einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung umfasst. Dabei wird bevorzugt, dass mindestens eines dieser Einzelelemente einem Messbereich entspricht. Besonders bevorzugt wird, dass ein Messbereich von mehreren dieser Einzelelemente beleuchtet wird. Bei der Verwendung mehrerer Einzelelemente pro Messbereich kann das Beleuchtungsmuster besser und einfacher an die genaue Form der Messbereiche, wie beispielsweise Rechtecke, Dreiecke, Kreise, hexagonale Formen oder beliebige Formen, wie sie beispielsweise bei der Messung von Zellen auftreten können, angenähert und eine Beleuchtung von Bereichen, welche nicht zu den Messbereichen gehören, weitgehend vermieden werden, was zu einem verbesserten Signal-zu-Rauschen-Verhältnis führt.
Es können aber auch jeweils ein oder mehrere Einzelelemente zur Beleuchtung von Bereichen zwischen den Messbereichen verwendet werden, beispielsweise zur Erzeugung von Hintergrund-Signalen (Background-Signalen), Kalibrierungssignalen oder Referenzierungssignalen, welche zur Auswertung der Signale aus den Messbereichen verwendet werden können. Dabei wird besonders bevorzugt, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Vielzahl diskret für die Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts schaltbarer Einzelelemente in einer zweidimensionalen Anordnung umfasst. Vorzugsweise handelt es ich dabei um mehr als 100 x 100 diskret schaltbare Einzelemente in einer zweidimensionalen Anordnung.
Das von der Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation erzeugte Beleuchtungsmuster umfasst eine Vielzahl von beleuchteten oder abgeschatteten Bereichen im Querschnitt des Strahlengangs des Beleuchtungslichts und auf der Sensorplattform, welche nachfolgend auch als "Pixel des Beleuchtungslichts" bezeichnet werden.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn ein Einzelelement der Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Schaltzeit von weniger als 20 msec für den Wechsel zwischen Positionen oder Einstellungen für Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts aufweist.
Insbesondere für Messungen an auf der Sensorplattform immobilisierten Zellen ist es vorteilhaft, wenn die Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation die Erzeugung von schnell veränderbaren Beleuchtungsmustern auf der Sensorplattform ermöglicht, womit zeitlich in ihrer Geometrie sich verändernde Objekte als sich in ihrer Geometrie zeitlich verändernde Messbereiche auf der Sensorplattform gezielt beleuchtet und von diesen Objekten ausgehendes Licht detektiert werden kann.
Das Beleuchtungssystem des erfindungsgemäßen analytischen Systems kann eine oder mehrere polychromatische oder im wesentlichen monochromatische Lichtquellen umfassen. Dabei soll unter einer „im wesentlichen monochromatischen" Lichtquelle eine solche Lichtquelle verstanden werden, deren spektrale Emissionsbreite weniger als 5 nm beträgt.
Die eine oder mehreren polychromatischen oder im wesentlichen monochromatischen Lichtquellen können ausgewählt sein aus der Gruppe von Lasern, „Vertical Cavity Surface emitting Lasers" VCSEL, kantenemittierenden Laserdioden, Superlumineszenten Dioden SLD, lichtemittierenden Dioden LED, organischen lichtemittierenden Dioden (OLED), Gasentladungslampen und Glühlampen.
Es wird bevorzugt, dass das Beleuchtungssystem im optischen Strahlengang vor Eintritt des Beleuchtungslichts in die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation optische oder elektrooptische Komponenten zur Herstellung einer über den Beleuchtungsquerschnitt homogenen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts umfasst, wobei diese Komponenten vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe von optischen Projektionssystemen, Mikrolinsen-Arrays, „Lichttunneln" und „Lichtstäben" oder großflächig emittierenden Lichtquellen mit einer Vielzahl von Einzel-Lichtquellen wie LEDs oder OLEDs unterschiedlicher oder gleicher Emissionswellenlänge, deren Gesamtemission mithilfe diffraktiv oder refraktiv wirkender Komponenten zu einer homogenen Lichtverteilung geformt wird. Es können auch Anordnungen großflächiger homogener Beleuchtungssysteme mit Flüssigkristall-Displays verwendet werden. Dabei wird das Licht einer stabförmigen Lichtquelle in einen planaren Lichtleiter eingekoppelt, in welchem das Licht innerhalb des Lichtleiters durch totale interne Reflexion geführt wird. An einer Oberfläche des Lichtleiters sind diffraktive Strukturen aufgebracht, welche einen Teil des Lichtes aus dem Lichtleiter gezielt herausleiten. Bei geeigneter Wahl der diffraktiven Strukturen wirkt die Oberfläche des Lichtleiters als nahezu homogene Lichtquelle. Durch ein an der Oberfläche angebrachtes Flüssigkristall-Display kann die Lichtintensität der homogenen Beleuchtung räumlich moduliert werden. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in US-Patent Nr. 6,976,779 beschrieben.
"Lichtstäbe" oder „Lichttunnel", wie beispielsweise LightTunnel™ (Unaxis, Balzers, Liechtenstein), werden in handelsüblichen Projektionssystemen verwendet und basieren auf folgendem Funktionsprinzip: Das Licht einer oder mehrerer Lichtquellen wird in eine Stirnseite der als „Lichttunnel" oder "Lichtstab" bezeichneten und als Hohlkörper ausgebildeten, vorzugsweise quader- oder zylinderförmigen optischen Komponente fokussiert, deren optische Innenseiten verspiegelt sind. Dabei werden als "Lichtstäbe" solche vorzugsweise quader- oder zylinderförmigen Körper bezeichnet, welche ein transparentes Material - meist Glas oder Kunststoff - umfassen und in denen Lichtleitung durch interne Totalreflexion (TIR) erfolgt. Nach mehrfachen Reflexionen an den Innenseiten eines solchen „Lichttunnels" oder "Lichtstabs" weist das an der gegenüberliegenden Stirnseite austretende Licht eine erhöhte Homogenität der Intensitätsverteilung über den Beleuchtungsquerschnitt auf.
Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn im optischen Strahlengang des Beleuchtungslichts vor Eintritt des Beleuchtungslichts in die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation oder im weiteren Strahlengang in Richtung der Sensorplattform telezentrisch wirkende optische Komponenten angeordnet sind. Telezenthsche Linsen, wie sie beispielsweise in US-Patent 6,324,016 (siehe Figuren 1 - 6) beschrieben sind, ermöglichen die Beseitigung perspektivischer Störungen und eine verbesserte Abbildung von außerhalb der optischen Achse eines optischen Systems angeordneten Objekten. Die Offenbarung der Figuren 1 - 6 von US-Patent 6,324,016 wird zusammen mit den zugehörigen Teilen der Beschreibung hiermit vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung eingeführt.
Für den Fall nicht senkrechten, sondern eines von Null verschiedenen Einstrahlungswinkels (gemessen von der Oberflächennormalen der im wesentlichen planaren Sensorplattform) des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform, d.h. schrägen Lichteinfalls, kann es vorteilhaft sein, wenn das optische System Vorkehrungen für Korrekturen zur Kompensation schrägen Lichteinfalls nach Scheimpflug umfasst, wie sie beispielsweise in Standardlehrbüchern für die Photographie beschrieben sind.
Das Detektionssystem des erfindungsgemäßen analytischen Systems kann eine oder mehrere Detektionseinheiten aus der Gruppe von Photodioden, Photomultipliern, Avalanche-Dioden, CMOS-Arrays und CCD-Kameras umfassen.
Es wird bevorzugt, dass das Detektionssystem eine oder mehrere spektral aufspaltende elektrooptische Komponenten für eine spektral selektive Detektion des von den Messbereichen ausgehenden Lichts umfasst. Dabei kann es sich beispielsweise um Spektrometer, spektral selektive optische Filter wie Kurz- oder Langpassfilter, optische Breitbandfilter oder an Laser- Emissionslinien angepasste sogenannte Notch-Filter handeln.
Es wird bevorzugt, dass das Beleuchtungssystem und / oder das Detektionssystem polarisationsselektive Komponenten im Strahlengang umfassen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die polarisationsselektiv wirkenden Komponenten die Unterscheidung transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisierten Lichts, welches von den Messbereichen auf der Sensorplattform ausgeht, ermöglichen. Des weiteren werden solche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen analytischen Systems bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren Änderungen der Brechungsindex und / oder die Dicke einer adsorbierten Schicht oder deren Änderungen in oder auf den Messbereichen auf der Sensorplattform bestimmbar sind. Dabei kann es sich beispielsweise um den makroskopischen Brechungsindex einer mit einem oder mehreren Messbereichen in Kontakt gebrachten Flüssigkeit oder um dessen Änderungen handeln.
Es wird bevorzugt, dass das mittels des Detektionssystems detektierte Licht analysiert wird, wobei bevorzugt die Intensität oder das Intensitätsmuster ausgewertet wird. Beispielsweise kann im Falle einer Resonanzkurve das gemessene Signal mittels unterschiedlichsten dem Fachmann bekannte Methoden ausgewertet werden, wie beispielsweise in US 4'815'843 (Spalte 6, letzter Abschnitt etc.) beschrieben. Besonders bevorzugt sind jedoch Methoden deren Auswertemethode und damit ermittelte Ergebnisse nahezu oder sogar vollständig unbeeinflusst von den absolut gemessenen Intensitäten auf dem Detektor sind. In US 6429022 (Fig. 12) ist ein Beispiel gegeben, wie ein beliebiges gemessenes Intensitätsmuster verwendet werden kann. Hieraus leitet sich auch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen ab, welches sich dadurch auszeichnet, dass mithilfe des Detektionssystems mit mindestens einer
Detektionseinheit eine Helligkeitsverteilung der Signale gemessen wird, und dass diese Helligkeitsverteilung unabhängig von gemessenen absoluten Signalintensitäten analysiert wird (siehe hierzu auch in einem in dieser Beschreibung später nachfolgenden Abschnitt). Generell sind bei der Auswertung der mithilfe des Detektionssystems gemessenen Lichtintensität Methoden von Vorteil, bei welchen die gesuchte Messgröße, beispielsweise die Position einer Resonanzkurve, mithilfe von Methoden ermittelt werden kann, bei welchen das bei der Analyse bevorzugte Verfahren kaum oder gar nicht von der absolut gemessenen Intensität, sondern durch eine nahezu oder vollständig intensitätsunabhängige Methode ermittelt werden kann, wie beispielsweise in den nachfolgend beschriebenen Methoden zur Bestimmung der Position der Resonanzkurve.
Im Beispiel einer Resonanzkurve beruht eine bevorzugte Methode zur Bestimmung der Veränderung der Position der Resonanz darauf, dass die Intensität auf den Flanken der Resonanzkurve gemessen wird. Unter Verwendung der ersten Ableitung der Resonanzkurve kann aus der Veränderung der Intensität des detektieren Lichtes die Veränderung der Position der Resonanzkurve berechnet werden. Aus der Veränderung der Position der Resonanzkurve lässt sich dann beispielsweise die Veränderung der effektiven Brechzahl ermitteln und berechnen, wie beispielsweise im Stand der Technik zum Einsatz von Gitterkoppler- Sensorplattformen beschrieben wird.
Eine weitere bevorzugte Methode zur Bestimmung der Veränderung der Position einer Resonanzkurve basiert auf der Ermittelung des Schwerpunktes der gemessenen Resonanzkurve, welcher eindeutige Rückschlüsse auf die Position der Resonzkurve zulässt. Bei einer kleinen Veränderung der Resonanzposition verändert sich der Schwerpunkt entsprechend.
Eine weitere bevorzugte Methode zur Bestimmung der Position einer Resonanzkurve beruht auf der Verwendung einer Modellkurve, beispielsweise einer Lorentz- oder Gauss-Kurve. Mithilfe numerischer Verfahren wird die Modellkurve an die gemessene Kurve angepasst, was auch als 'numerisches Fitten' bekannt ist. Kommerzielle Software für das Fitten von Modellkurven wird beispielsweise von OriginLab (Northampton, MA 01060, USA) angeboten. Aus der Position der Modellkurve kann die gesuchte Position der gemessenen Resonanzkurve bestimmt werden.
Besonders bevorzugt werden solche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen analytischen Systems, beispielsweise Evaneszentfeld- Sensorplattformen, welche es ermöglichen, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und / oder deren Änderungen der effektive Brechungsindex und / oder dessen Änderungen in oder auf den Messbereichen auf der Sensorplattform bestimmbar sind.
Dabei ist eine mögliche Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren Änderungen der Resonanzwinkel zur Einkopplung von Beleuchtungslicht in einen Dünnschichtwellenleiter über ein darin strukturiertes Gitter und / oder Änderungen eines solchen Resonanzwinkels bezüglich der Flächennormalen der Sensorplattform, bei konstanter eingestrahlter Wellenlänge des Beleuchtungslichts, bestimmbar sind.
Eine andere mögliche Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren Änderungen die Resonanzwellenlänge zur Einkopplung von Beleuchtungslicht in einen Dünnschichtwellenleiter über ein darin strukturiertes Gitter und / oder Änderungen einer solchen Resonanzwellenlänge, bei konstantem Einstrahlungswinkel des Beleuchtungslichts bezüglich der Flächennormalen der Sensorplattform, bestimmbar sind. Die Einstrahlung des Beleuchtungslichts und Detektion des von den Messbereichen ausgehenden Lichts können von entgegengesetzten Seiten, bezüglich der Oberfläche der Sensorplattform mit den darauf befindlichen Messbereichen erfolgen. Vorzugsweise jedoch erfolgen die Einstrahlung des Beleuchtungslichts und Erfassung des von den Messbereichen ausgehenden Lichts auf derselben Seite besagter Oberfläche.
Der Einstrahlungswinkel des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform kann im Bereich von -90° bis +90° liegen (+90° und -90° dabei gleichbedeutend mit "parallel zur Oberfläche der Sensorplattform"), wobei der Winkelbereich zwischen -60° und +60° bevorzugt wird. Das Beleuchtungslicht kann polarisiert sein, beispielsweise transversal elektrisch (TE) oder transversal magnetisch (TM) polarisiert. Im Falle von TM- polarisiertem Beleuchtungslicht wird ein Einstrahlungswinkel nahe des Brewster-Winkels für den Lichteintritt des Beleuchtungslichts in die Sensorplattform auf deren den Messbereichen abgewandten Oberflächenseite besonders bevorzugt, da bei diesem Einstrahlungswinkel keine Fresnel-Reflexionen von dieser Grenzfläche der Sensorplattform auftreten.
Im Falle der Einstrahlung des Beleuchtungslichts und Erfassung des von den Messbereichen ausgehenden Lichts auf derselben Seite bezüglich der Oberfläche der Sensorplattform mit den darauf befindlichen Messbereichen erfolgt die Detektion gleichgerichtet zur Reflexionsrichtung des Beleuchtungslichts, also ebenfalls in einem Winkelbereich zwischen -90° und +90°, wobei ein Winkelbereich zwischen -60° und +60° bevorzugt wird und für den Fall TM-polarisierten Beleuchtungslicht die Detektion unter dem Brewsterwinkel wiederum besonders bevorzugt wird.
Eine solche Konfiguration eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ist in Figur 1 illustriert. Das Beleuchtungssystem 1 des erfindungsgemäßen analytischen Systems besteht aus einer Beleuchtungseinheit 8, welche eine Lichtquelle und eine als „SLM" bezeichnete Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation umfasst, und einer Beleuchtungsoptik 9. Das Beleuchtungslicht 4 wird gemäß dieser Darstellung unter einem Einstrahlungswinkel 6 von etwa 45° zur Oberflächennormalen der Rückseite, d.h. der den Messbereichen abgewandten Seite der Sensorplattform 2, eingestrahlt. Die Messbereiche (nicht dargestellt) befinden sich auf der in der Bildebene oberen, gegenüberliegenden Seitenoberfläche der Sensorplattform 2. Mit den gebogenen Pfeilen 12 und 12' ist den Messbereichen zugeführte und nach Wechselwirkung mit den Messbereichen wieder abgeführte Proben-, Test-, Kalibrations- oder Referenzbereitstellung in flüssiger oder gasförmiger Form angedeutet. Der Detektionswinkel 7 zur Detektion des von der Sensorplattform 2 bzw. den darauf angeordneten Messbereichen ausgehenden Lichts ist gleich dem Reflexionswinkel, also etwa 45° in diesem Fall, gewählt. Das Detektionssystem 3 umfasst eine Lichtsammeioptik 10, beispielsweise eine oder mehrere Sammellinsen, und eine Detektionseinheit 11.
Eine zu der in Figur 1 analoge Konfiguration, bei der jedoch das
Detektionssystem nicht in Reflexions-, sondern in Transmissionsrichtung angeordnet ist, ist in Figur 4 dargestellt.
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems. Die Beleuchtungseinheit 8 umfasst eine Lichtquelle 8.1 , eine elektrooptische Einheit 8.2 zur Erzeugung einer über den Beleuchtungsquerschnitt homogenen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts. Die elektrooptische Einheit 8.2 umfasst vorzugsweise auch ein telezentrisches optisches Abbildungssystem. Das über den Beleuchtungsquerschnitt in seiner Intensität homogenisierte Licht wird im Beleuchtungsstrahlengang nachfolgend über einen Umlenkspiegel 8.3, zwecks Ermöglichung einer kompakten Bauweise, in die als SLM bezeichnete Anordnung 8.4 zur zeitlich veränderbaren räumlich Lichtmodulation geleitet. Die Verwendung von „Digital Mirror Devices" DMD ist für viele Anwendungen vorteilhaft, da die Polarisationseigenschaften des Lichts durch die Spiegeloberfläche kaum beeinflusst werden. In der Konfiguration gemäß Figur 2 wird beispielsweise ein DMD von Texas Instruments Inc. (Piano, Texas, USA) verwendet. Die ca. 13 μm x 13 μm großen Mikrospiegel dieses DMD können individuell in ihrer Position zwischen +12° und -12° hin- und hergeschaltet werden, wobei eine Geschwindigkeit von bis zu 16300 frames/sec bei einer Größe des DMD von 1024 x 768 Pixeln (Einzelspiegeln) erreicht werden kann.
Im optischen Strahlengang nach dem DMD (in Richtung Sensorplattform) kann ein optisches Modul bestehend aus Prismen (bezeichnet als „TIR- Prisma") verwendet werden, um das Licht in Richtung Beleuchtungsoptik 9 durchtreten zu lassen (ON-Status des Pixels des Beleuchtungslichts) oder durch totale interne Reflexion (TIR) zu blockieren (OFF-Status des Pixels des Beleuchtungslichts). Licht, welches durch das DMD als SML und ein optionales zusätzliches TIR-Phsma hindurchtritt, wird durch die Beleuchtungsoptik 9 weiter auf die Sensorplattform 2 gelenkt. Vorzugsweise umfasst die Beleuchtungsoptik 9 telezenthsch wirkende optische Komponenten, welche eine gute Kontrolle des Einfallswinkels auf der Sensorplattform 2 und der numerischen Apertur des Beleuchtungslichtbündels ermöglichen. Telezentrische Beleuchtungsoptiken können Linsensysteme oder Spiegel, wie in US-Patent 6,324,016 beschrieben, umfassen.
Die Sensorplattform kann unter einem Einfallswinkel von 0°, d.h. parallel zur Oberflächennormalen der im wesentlichen planaren Sensorplattform, beleuchtet werden. Im Falle eines deutlich von Null verschiedenen Einfallswinkels können zusätzlich Vorkehrungen für Korrekturen zur Kompensation des schrägen Lichteinfalls nach Scheimpflug im Beleuchtungsstrahlengang vorgesehen sein.
Insbesondere zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch- und / oder des Signal-zu-Hintergrund-Verhältnisses der mit dem analytischen System zu generierenden Messsignale können zusätzlich Filter wie Polarisationsfilter, räumliche Filter und spektrale Filter im Beleuchtungsstrahlengang und / oder im Detektionsstrahlengang eingesetzt werden. Die gleichzeitige Verwendung zweier unterschiedlicher Polarisationen (TE- und TM-Polarisation) ermöglicht die Gewinnung zusätzlicher Informationen, wie zuerst in US- Patent Nr. 4,815,843 und später auch in US-Patent Nr. US 5,442,169 sowie in der Anmeldung US 2005/0070027 beschrieben. Beispielsweise können mithilfe der Signale von Dünnschichtwellenleitern mit darin strukturierten Gittern aus den gleichzeitig oder sequentiell gemessenen Signalen bei TE- und TM-Polarisation Änderungen in der optischen Brechzahl des Mediums oberhalb der Sensorplattform und Schichtdickenänderungen an der Oberfläche der Sensorplattform unterschieden werden. Um die beiden Polarisationen zu messen, kann das gemessene optische Spektrum analysiert werden, indem das zu erwartende Spektrum für unterschiedliche Polarisationen mit Hilfe mathematischer Modelle berechnet und mit dem gemessenen Spektrum verglichen wird, was eine Zuordnung der charakteristischen Eigenschaften des gemessenen Spektrums, wie beispielsweise von "Peaks", zu den unterschiedlichen Polarisationen ermöglicht. Die Polarisationen können auch separat detektiert werden unter Verwendung von polarisierenden Komponenten, wie beispielsweise
Polarisatoren oder polarisierenden Strahlteilern, im Beleuchtungssystem und / oder Detektionssystem. In Figur 6 ist die Möglichkeit der Trennung von s- und p-polarisiertem Licht durch einen polarisierenden Strahlteiler und die anschließende Einkopplung des nach Polarisation aufgetrennten Lichts in optische Fasern zur nachfolgenden getrennten Detektion der Spektren des TE- und des TM-polarisierten Lichts illustriert. In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems wird eine Messanordnung gemäß Fig. 8 aus dem Patent US 4,815,843 verwendet, welche hiermit zusammen mit dem zugehörigen Teil der Beschreibung als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung eingeführt wird.
Zur Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts wird vorzugsweise eine Kombination aus einer Lichtsammel-Optik 10 und einer Detektionseinheit 11 verwendet, wie in allgemeinster Form in Figur 1 für die Detektion in zur Reflexion gleichgerichteten Richtung und in Fig. 4 für die Detektion in Transmissionsrichtung in allgemeinster Form dargestellt.
Bei kleinen Einstrahlungswinkeln 6 und Detektionswinkeln 7 wird vorzugsweise ein Strahlteiler 9.1 verwendet, um das eingestrahlte Beleuchtungslicht von dem von der Sensorplattform ausgehenden Licht zu trennen und das Beleuchtungslicht unter dem geeigneten
Einstrahlungswinkel auf die Sensorplattform zu lenken sowie das von der Sensorplattform ausgehende Licht zur Detektionseinheit zu lenken, wie in den Figuren 2, 5 und 6 dargestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen analytischen Systems, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, wird von der Sensorplattform 2 in Reflexionsrichtung ausgehendes Licht von einer Lichtsammeioptik 10, beispielsweise einer optischen Linse, auf ein Ende einer optischen Faser 10.1 fokussiert und durch diese Stirnfläche der Faser in diese eingekoppelt und anschließend zur Detektionseinheit 11 geleitet. Vorzugsweise umfasst die Detektionseinheit 11 ein Spektrometer, in dem das gesammelte, von der Sensorplattform 2 ausgehende Licht spektral analysiert werden kann.
Die Winkelverteilung des von der Lichtsammel-Optik 10 zu erfassenden, von der Sensorplattform 2 ausgehenden Lichts kann durch geeignete Wahl der optischen Eigenschaften, beispielsweise der numerischen Apertur, der Lichtsammel-Optik 10,verändert und festgelegt werden. Für Sensorplattformen basierend auf refraktiven Messprinzipien, d.h. insbesondere für sogenannte labelfrei arbeitende Sensorplattformen, werden schmale Winkelbereiche, d.h. kleine Öffnungswinkel der Lichtkegel, welche von dem von der Sensorplattform 2 ausgehenden Licht gebildet werden, bevorzugt. Insbesondere Lichtbündel mit einem schmalen Öffnungswinkel können optimal in eine optische Faser eingekoppelt werden, indem das Lichtbündel auf eine Endfläche der Faser fokussiert wird, welche im Abstand der Brennweite der Lichtsammel-Optik 10, also z. B. einer Sammellinse, angeordnet ist.
Die spektralen Eigenschaften des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts können verwendet werden, um Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit, d.h. insbesondere die Oberflächenbelegung, der Sensorplattform und damit auch Informationen über chemische, biochemische oder biologische Vorgänge, insbesondere Bindungs- oder Adsorptions- oder Desorptionsvorgänge an der Oberfläche der Sensorplattform, zu erhalten. Die hierfür erforderlichen Auswertetechniken und mathematischen Modelle sind in den vorangehend genannten Patenten und Patentanmeldungen offenbart und dem Fachmann auch aus seinem allgemeinen Fachwissen und einschlägigen Lehrbüchern bekannt . Bekannte mathematische Modelle sind beispielsweise die "Rigorous Coupled Wave Analysis" (RCWA), welche oft auch als "Fourier Modal Method" (FMM) bezeichnet wird, und in M. G. Moharam and T.K. Gaylord, "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings", J. Opt. Soc. Am., 72 (1997) 1385-1392, oder in J. Turnen, "Diffraction theory of microrelief gratings", in Microoptics, H. P. Herzig, editor, Taylor s Francis Inc., (1997) verwendet wird und beschrieben ist. Weitere mathematische Modelle sind die S-und R-Matrizen Methode, welche im Detail in Lifeng Li, "Formulation and comparison of two recursive matrix algohthms for modeling layered diffraction gratings", J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 13, 5, 1996 beschrieben ist, sowie die C-Methode welche in Lifeng Li, Jean Chandezon, Gerard Granet, Jean-Pierre Plumey, "Rigorous and efficient grating-analysis method made easy for optical engineers", Appl. Opt., 38 (1999) 304-313, beschrieben ist, das als "Equivalent Source Method" bezeichnete Verfahren, welches in A.V. Tischenko, M. Hamdoun, and O. Parriaux, "Two-dimensional coupled mode equation for grating waveguide excitation by a focused beam", Opt. Quantum Electon. Special Issue on Workshop WTNM, Nottingham, 2001 beschrieben ist sowie Methoden welche in R. H. Morf, "Exponentially convergent and numerically efficient Solution for Maxwell's equations of lammelar gratings", J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 12, 1043-1056, 1995 beschrieben sind. Die genannten Modelle, Methoden und Verfahren und deren Beschreibungen in den vorgenannten Publikationen werden hiermit vollumfänglich als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung eingeführt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen analytischen Systems ist in Figur 5 dargestellt. Die optischen Komponenten des Beleuchtungssystems und des Detektionssystems stimmen weitgehend mit denjenigen der Ausführungsform gemäß Figur 2 überein. Die Beleuchtungseinheit umfasst eine Lichtquelle 8.1 und einen im Strahlengang rückseitigen Spiegel 8.5, vorzugsweise als Parabolspiegel ausgebildet. Das von der Lichtquelle 8.1 emittierte Licht wird homogenisiert, indem mit Hilfe eines Linsensystems 8.6 das Licht auf die Stirnseite eines „Lichttunnels" oder „Lichtstabes" 8.7 fokussiert wird. Infolge von Mehrfachreflexionen innerhalb des „Lichttunnels" oder „Lichtstabes" 8.7 ist die Intensitätsverteilung des Lichtes an dessen Austrittsöffnung nahezu homogen und wird durch ein Prismensystem 8.8, vorzugsweise ein TIR- Prisma, auf einen räumlichen Lichtmodulator 8.4 als SMM, vorzugsweise ein Digital Mirror Device (DMD), gelenkt. Ein räumlicher Filter 8.9 kann zum Beeinflussen der numerischen Apertur und der Winkelverteilung der in Richtung der Sensorplattform 2 fortschreitenden Lichtstrahlen vor oder nach dem räumlichen Lichtmodulator 8.4 eingesetzt werden. Ein räumlicher Filter besteht im wesentlichen aus einer Aperturblende, welche im Strahlengang eingeführt wird. Das vom räumlichen Filter 8.9 kommende Licht ist im wesentlichen unpolarisiert, was in der Figur 5 mit zwei zueinander senkrechten, ausgefüllten Pfeilen entsprechend den Lichtpolarisationsrichtungen innerhalb eines Kreises dargestellt ist, während die Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes durch einen nicht ausgefüllten Pfeil dargestellt ist, weicher den Kreis umschliesst. Das Licht wird mittels eines Linsensystems 9.2 kollimiert und auf einen Strahlteiler 9.1 , vorzugsweise einen polarisierenden Strahlteiler, gelenkt .welcher bevorzugt nur eine Polarisationsrichtung transmittiert. Die Sensorplattform 2, vorzugsweise eine Evaneszentfeld-Sensorplattform mit Gitterstrukturen, welche eine in ein oder zwei Dimensionen ausgebildete Periodizität der Gitterlinien aufweisen, wird mit dem vorzugsweise nach dem Strahlteiler 9.1 polarisierten Licht beleuchtet. Die Gitterlinien der Sensorplattform sind in einem Winkel von vorzugsweise 45° zur Polarisationsrichtung ausgerichtet, was durch den einzelnen ausgefüllten Doppelpfeil angedeutet ist, der im Beleuchtungsstrahlengang die Polarisation des Beleuchtungslichts vor der Sensorplattform symbolisiert. Das von der Sensorplatte ausgehende bzw. reflektierte Licht ist nach der Wechselwirkung mit der Gitter-Wellenleiter- Struktur transversal elektrisch (TE) und / oder transversal magnetisch (TM) polarisiert und weist eine im Vergleich zum Beleuchtungslicht um 45° gedrehte Polarisationsrichtung (angedeutet durch den in der Zeichenebene horizontalen Doppelpfeil) auf und wird im folgenden als von der Sensorplattform ausgehendes Licht oder „Signal-Licht" bezeichnet. Die Polarisationsrichtung und die Ausbreitungsrichtung des Lichtes werden jeweils durch die Pfeile in Figur 5 dargestellt.
Licht, welches keine Wechselwirkung, beispielsweise durch Reflexion oder Einkopplung in die Gitter-Wellenleiterstruktur, Leitung im Wellenleiter und nachfolgende Auskopplung erfahren hat, wird nachfolgend als „Streulicht" bezeichnet. Das Streulicht weist im allgemeinen die gleiche Polarisation wie das eingestrahlte Beleuchtungslicht auf.
Die Lichtanteile, welche eine Wechselwirkung mit der Sensorplattform erfahren haben, d.h. im Falle einer Sensorplattform basierend auf einer Gitter-Wellenleiter-Struktur, werden in dieser Anmeldung als das „von der Sensorplattform ausgehende Licht" bezeichnet.
Das von der Sensorplattform ausgehende Licht wird durch den polarisierenden Strahlteiler 9.1 auf ein Linsensystem 10.2 als Bestandteil der Lichtsammeioptik gelenkt. Dabei wird nur das durch Wechselwirkung mit der Sensorplattform in seiner Polarisationsrichtung geänderte „Signal-Licht" auf das Linsensystem 10.2 gelenkt, während das in seiner Polarisationsrichtung in wesentlichen unveränderte „Streulicht" durch den polarisierenden Strahlteiler 9.1 transmittiert wird. Dadurch wird das „Signal- Licht" vom „Streulicht" getrennt, was zu einer Verbesserung des Signal-zuRauschen-Verhältnisses führen kann. Diese Konfiguration wird auch oft als System mit „gekreuzten Polarisatoren" bezeichnet. Das „Signal-Licht" wird mittels eines Linsensystems 10.2 in eine optische Faser 10.1 gelenkt und zu einer Lichtanalyseeinheit 11.1 , beispielsweise einem Spektrometer, als Bestandteil einer Detektionseinheit, geführt. In der Figur ist eine typische Spektralkurve (gemessene Intensität l(λ) als Funktion der Wellenlänge λ), wie sie durch Reflexion an einer Gitter-Wellenleiter-Struktur entstehen kann, schematisch dargestellt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ist in Figur 6 dargestellt. Die optischen Komponenten des Beleuchtungssystems und des Detektionssystems stimmen weitgehend mit denjenigen der Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 5 überein. Das vom Linsensystem 9.2 kommende unpolahsierte Licht wird mittels eines Strahlteilers 9.1 auf die Sensorplattform 2 gelenkt. Das von der Sensorplattform 2 ausgehende bzw. reflektierte Licht wird durch den Strahlteiler 9.1 transmittiert und mittels eines Linsensystems 10.2 und eines Umlenkspiegels 10.3, durch dessen Verwendung sich eine kompaktere Bauweise realisieren lässt, auf einen polarisierenden Strahlteiler 10.4 gelenkt. Der polarisierende Strahlteiler 10.4 trennt die beiden
Polarisationsrichtungen des auf ihn auftreffenden Lichts. Die beiden Polarisationsrichtungen werden getrennt in optische Fasern 10.1 eingekoppelt, welche das Licht zur Lichtanalyseeinheit 11.1 , beispielsweise zu mehreren Spektrometern zur Detektion der Spektren für unterschiedliche Polarisationen, führen. In der Figur sind typische Spektralkurven, wie sie durch Reflexion an einer Gitter-Wellenleiter-Struktur entstehen können, für TE und TM Polarisation schematisch dargestellt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ist in Figur 7 dargestellt. Die optischen Komponenten des Beleuchtungssystems und des Detektionssystems stimmen weitgehend mit denjenigen der Ausführungsform der Figur 2 überein. Die Ausführungsform gemäß Figur 7 zeichnet sich dadurch aus, dass hier als Sensorplattform 2 ein Prisma zur Erzeugung interner Totalreflexion oder ein „Resonanter Spiegel" verwendet wird.
Figur 8 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems, bei der die Sensorplattform 2 als eine Mikrotiterplatte bzw. als deren Bestandteil ausgebildet ist. Außerdem werden in dieser Ausführungsform die Einstrahlung des Beleuchtungslichts und die Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts auf entgegengesetzten Seiten der Sensorplattform, also in einer Transmissionslicht- oder Durchlichtanordnung, vorgenommen.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems zeichnet sich dadurch aus, dass das Beleuchtungssystem zwei oder mehr Anordnungen zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation umfasst. Eine solche Ausführungsform zeichnet sich vorteilhaft durch eine Vergrößerung der räumlichen Auflösung des auf der Sensorplattform zu erzeugenden Beleuchtungsmusters und / oder durch eine weitere mögliche Erhöhung der Auslesegeschwindigkeit der von der Sensorplattform ausgehenden Lichtsignale, bei Korrelation der Detektionsschritte mit der Lichtmodulation durch die zwei oder mehreren SLMs, aus. Diese Ausführungsform wird besonders in Kombination mit als Mikrotiterplatten ausgebildeten Sensorplattformen bevorzugt.
Die Figuren 9a und 9b zeigen, am Beispiel einer Mikrotiterplatte mit 96 Wells, mögliche Variationen des auf der Sensorplattform erzeugten Beleuchtungsmusters, wobei dieses optimal an die Geometrie der Messbereiche auf der Sensorplattform angepasst werden kann. In Figur 9a ist die Ausleuchtung eines einzelnen Messbereichs, welcher hier gleichbedeutend mit einem einzelnen Well der Mikrotiterplatte ist, dargestellt. Das Beleuchtungsmuster ist hier illustriert durch ein schraffiertes Quadrat um einen mit „S" bezeichneten Messbereich (Well) der Sensorplattform. Figur 9b illustriert die gleichzeitige Beleuchtung (schraffiertes Kreuz) von 4 umgebenden Messbereichen (Wells), welche beispielsweise zur Erhebung von Referenzmessungen verwendet werden und mit „R" bezeichnet sind.
Die Figuren 10a - 10c illustrieren, wie das auf der Sensorplattform zu erzeugende Beleuchtungsmuster an verschiedenste Geometrien angepasst werden kann. In Figur 10a ist die Ausleuchtung einer Vielzahl von Messbereichen in einem hexagonalen Muster dargestellt. Figur 10b zeigt die Ausleuchtung von Messbereichen, welche in konzentrischen Kreisringen angeordnet sind. Figur 10c illustriert ein Beleuchtungsmuster mit einer beliebigen, irregulären Geometrie, wie sie beispielsweise der gezielten Beleuchtung von auf der Sensorplattform befindlichen biologischen Zellen entsprechen kann. Dabei kann jeweils durch diskrete Schaltung der Einzelelemente des SLM das erzeugte Beleuchtungsmuster innerhalb kürzester Zeit verändert und beispielsweise an Änderungen der Geometrie der Messbereiche angepasst werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten Sensorplattform angeordnet sind, unter Verwendung eines analytischen Systems nach einer der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen, mindestens umfassend
- ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform, mit einer als "SLM" bezeichneten Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation sowie mit einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst,. und
- eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten Messbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf der Sensorplattform erzeugbar sind. Bevorzugt wird dabei ein Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, dass mithilfe des Detektionssystems mit mindestens einer Detektionseinheit eine Helligkeitsverteilung der Signale gemessen wird, und dass diese Helligkeitsverteilung unabhängig von gemessenen absoluten Signalintensitäten analysiert wird.
Besonders bevorzugt wird dabei eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die optischen Signale und / oder deren Änderungen aus diskreten Messbereichen erzeugt werden durch ein oder mehrere Bindungs- oder Adsorptionsereignisse zwischen einem oder mehreren Analyten in einer oder mehreren Proben und spezifischen Erkennungselementen für besagte Analyten in oder auf besagten Messbereichen, wobei die Proben und die Erkennungselemente für die in den Proben nachzuweisenden Analyten auf den Messbereichen miteinander in Kontakt gebracht werden, und dass aus diesen optischen Signalen und / oder deren Änderungen eine gleichzeitige qualitative und / oder quantitative Detektion einer Vielzahl von Analyten in einer oder mehreren Proben und / oder eines oder mehrerer Analyten in einer Vielzahl von Proben ermöglicht wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines analytischen Systems nach einer der vorgenannten Ausführungsformen und / oder eines Verfahrens nach einer der vorgenannten Ausführungsformen zu quantitativen und / oder qualitativen Analysen zur Bestimmung chemischer, biochemischer oder biologischer Analyten in Screeningverfahren in der Pharmaforschung, der Kombinatorischen Chemie, der Klinischen und Präklinischen Entwicklung, zu Echtzeitbindungsstudien und zur Bestimmung kinetischer Parameter im Affin itätsscreening und in der Forschung, zu qualitativen und quantitativen Analytbestimmungen, insbesondere für die DNA- und RNA-Analytik und die Bestimmung von genomischen oder proteomischen Unterschieden im Genom, wie beispielsweise Einzelnnukleotid-Polymorphismen, zur Messung von Protein-DNA-Wechselwirkungen, zur Bestimmung von Steuerungsmechanismen für die m-RNA-Expression und für die Protein(bio)synthese, für die Erstellung von Toxizitätsstudien sowie für die Bestimmung von Expressionsprofilen, insbesondere zur Bestimmung von biologischen und chemischen Markerstoffen, wie mRNA, Proteinen, Peptiden oder niedermolekularen organischen (Boten-)Stoffen, sowie zum Nachweis von Antikörpern, Antigenen, Pathogenen oder Bakterien in der pharmazeutischen Produktforschung und -entwicklung, der Human- und Veterinärdiagnostik, der Agrochemischen Produktforschung und - entwicklung, der symptomatischen und präsymptomatischen Pflanzendiagnostik, zur Patientenstratifikation in der pharmazeutischen Produktentwicklung und für die therapeutische Medikamentenauswahl, zum Nachweis von Pathogenen, Schadstoffen und Erregern, insbesondere von Salmonellen, Prionen, Viren und Bakterien, insbesondere in der Lebensmittel- und Umweltanalytik.
In den nachfolgenden Beispielen wird die vorliegende Erfindung ohne Einschränkung der Allgemeinheit weiter erläutert.
Beispiele
Beispiel 1
Der Aufbau des analytischen Systems entspricht der Ausführungsform gemäß Figur 4, d.h. Anordnung des Beleuchtungssystems und des
Detektionssystems auf entgegengesetzten Seiten der Sensorplattform und Detektion des transmittierten Lichtanteils. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen Anordnung umfasst das Beleuchtungssystem 1 ein kommerzielles Projektionssystem mit lichtemittierenden Dioden (LEDs) als Lichtquellen. Hierfür geeignet ist beispielsweise ein Projektionssystem des Typs FF1 (Toshiba, Taiwan). Figur 12 zeigt das Emissionsspektrum dieses Projektors bei gleichzeitigem Betrieb aller drei LED-Lichtquellen. Die verwendeten blauen, grünen und roten LEDs haben zentrale Emissionswellenlängen von 460 nm, 520 nm bzw. 627 nm und eine spektrale Emissionsbandbreite von typischerweise 20 nm bis 40 nm. In den folgenden Beispielen wird hauptsächlich die rote Lichtquelle verwendet, wobei selbstverständlich auch Lichtquellen anderen Emissionsspektrums, beispielsweise mit blauer oder grüner Emission, verwendet werden können. Das Licht der LEDs wird mittels eines „Lichttunnels" homogenisiert und auf ein Digital Mirror Device (DMD) als SLM gelenkt. Das vom DMD reflektierte Licht wird durch ein erstes im Projektionssystem enthaltenes Linsensystem gelenkt. Mit Hilfe einer zusätzlichen Linse (Brennweite f = 500 mm) als Teil der Beleuchtungsoptik 9 wird das vom Projektor kommende Licht auf die Sensorplattform, welche sich in einem Abstand von etwa 1 m vom Projektor befindet, abgebildet. Zwecks Kontrolle bzw. Festlegung der Polarisation des Beleuchtungslichts umfasst die Beleuchtungseinheit im Beleuchtungsstrahlengang einen Polarisator.
Die optische Sensorplattform umfasst einen Dünnschichtwellenleiter mit einer darin strukturierten Gitterstruktur, d.h. eine Struktur, wie sie auch unter der Bezeichnung „Resonante Gitterstruktur" bekannt ist. Diese umfasst ein planares Glassubstrat als Träger mit einer Brechzahl von 1.5 bei 633 nm und mit zwei großflächigen parallelen Oberflächen in einem Abstand von 1 mm als Dicke des Trägers, in dessen einer der beiden genannten
Oberflächen ein optisches Gitter mit einer Periode von 360 nm strukturiert ist. Vorzugsweise ist dieses Gitter als ein Oberflächen-Reliefgitter mit zueinander parallelen Stegen und Nuten von jeweils gleicher Stegbreite bzw. Nutbreite ausgeprägt, wobei als Gitterperiode der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stegen bzw. Nuten bezeichnet wird. Das Gitter kann vollflächig über eine gesamte Oberfläche des Glassubstrats ausgebildet sein. Das Gitter ist mit einer im wesentlichen optisch transparenten Schicht mit einer Brechzahl von 2.1 bei 633 nm und einer Dicke von 150 nm als wellenleitender Schicht überdeckt.
Wie dem Fachmann bekannt ist, gibt es zur Einkopplung von Licht in die hochbrechende wellenleitende Schicht einer solchen Gitter-Wellenleiter- Schicht jeweils einen diskreten Resonanzwinkel für Lichteinkopplung in Vorwärtsrichtung der Lichtausbreitung im Wellenleiter und einen Resonanzwinkel für Lichteinkopplung in Rückwärtsrichtung der Lichtausbreitung im Wellenleiter, bei Einstrahlung von Beleuchtungslicht einer diskreten Wellenlänge und einer bestimmten Polarisation. Beispielsweise können sich die Resonanzwinkel zur Lichteinkopplung von TM- und TE-polarisiertem Licht mit 626 nm Wellenlänge um größenordnungsmäßig 10° unterscheiden. Für Beleuchtungslicht unterschiedlicher Wellenlänge sind die Resonanzwinkel wiederum unterschiedlich. Bei Einstrahlung von Beleuchtungswinkel unter einem fixierten Einstrahlungswinkel, aber mit einer gewissen spektralen Breite von beispielsweise 1 nm bis 10 nm, bezeichnet man daher auch die Wellenlänge des Lichtanteils, für welche bei dem vorgegebenen Einstrahlungswinkel die Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung erfüllt ist, als die „Resonanzwellenlänge".
Bei geeigneter Wahl der spektralen Breite der Lichtquelle und der physikalischen Charakteristika (insbesondere Schichtdicken, Gitterperiode und Gittertiefe) der „Resonanten Gitterstruktur" ist es möglich, die
Resonanzbedingungen für Lichteinkopplung sowohl in Rückwärtsrichtung als auch in Vorwärtsrichtung der Lichtausbreitung im Wellenleiter gleichzeitig zu erfüllen. Der Mittelpunkt der beiden Resonanzen entspricht dem Autokollimationswinkel, welcher der Senkrechten zur Oberflächenebene der Sensorplattform entspricht. Somit lässt sich neben der Bestimmung der Messgrösse auch die Ausrichtung der Sensorplattform in der Region des Messbereiches bestimmen.
Des weiteren können bei geeigneter Wahl der spektralen Breite der Lichtquelle und der Charakteristika der „Resonanten Gitterstruktur" die Resonanzbedingungen für Lichteinkopplung für beide Polarisationsrichtungen, d.h. für TE- und TM-Polarisation, gleichzeitig erfüllt werden. Damit lassen sich gleichzeitig, wie später detaillierter beschrieben wird, die Dicke und die Brechzahl einer an der Oberfläche der Sensorplattform aufgebrachten Schicht, z, B. einer Haftvermittlungsschicht, einer vollständigen oder teilweisen, d.h. durchbrochenen Schicht aus Erkennungselementen für den Analytnachweis oder aus gebundenen Analytverbindungen, bestimmen.
Die gleichzeitige Erfüllung der Resonanzbedingungen zur Lichteinkopplung für beide Ausbreitungsrichtungen als auch für beide Polarisationsrichtungen kann selbstverständlich auch in Kombination realisiert werden.
Aus Änderungen des Resonanzwinkels und der Resonanzwellenlänge können Änderungen des effektiven Brechungsindex bestimmt werden, welche beispielsweise durch molekulare Adsorptions- oder Desorptionsvorgänge an der Oberfläche der Sensorplattform und entsprechende Änderungen des (makroskopischen) Brechungsindex an dieser Oberfläche hervorgerufen werden. Aufgrund der bekannten
Abhängigkeit des Brechungsindex von den Schicht- und Lichtparametern können aus diesen Änderungen des effektiven Brechungsindex bzw. von Resonanzwinkel oder -Wellenlänge als Koppelparameter der Sensorplattform beispielsweise absolute oder relative Änderungen der Massenbelegung an der Oberfläche der Sensorplattform bestimmt werden. Sofern eine Kalibration dieser Änderungen mit bekannten Massenbelegungen (z. B. mit vollständigen oder teilweisen Monoschichten oberflächenadsorbierter Moleküle bekannten Molekulargewichts) durchgeführt wird oder vorliegt, können auch Absolutwerte der Oberflächenbelegung bestimmt werden. Insbesondere bei bekannter Dichte der Oberflächenbelegung können im Falle von nicht kugelsymmetrischen oberflächenadsorbierten Molekülen aus der Höhe der Signaländerungen beispielsweise auch Rückschlüsse auf die Orientierung der adsorbierten Moleküle gezogen werden. Damit werden sogar Rückschlüsse auf die Natur des entsprechenden chemischen, biochemischen oder biologischen Adsorptions- oder Bindungsvorganges ermöglicht. Umgekehrt können für simulierte Adsorptionsvorgänge entsprechende Änderungen der Koppelparameter simuliert werden und die Modelle für diese simulierten Adsorptionsvorgänge dann anhand realer Messwerte überprüft werden.
Bei gleichzeitiger Messung für zwei unterschiedliche Polarisationen ermöglichen mathematische Modelle eine Bestimmung der Brechzahl und der Dicke einer an der Oberfläche angelagerten Schicht. Diese zusätzliche Information lässt weitere Rückschlüsse zu. So kann beispielsweise bestimmt werden, ob sich Moleküle an der Oberfläche als dichte Monoschicht angelagert haben oder sich lose und in mehreren Schichten angelagert haben. Es lassen sich in diesem Fall auch vereinfacht Rückschlüsse auf die Orientierung von nicht kugelsymmetrischen Molekülen ziehen, da unterschiedliche Ausrichtungen der Moleküle an der Oberfläche, beispielsweise für „liegende" Moleküle und für „stehende" Moleküle, bei gleicher Massenbelegung zu unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Sensorschicht, insbesondere zu unterschiedlichen Brechzahlen und Schichtdicken, führen.
Entsprechend der Ausführungsform gemäß der Konfiguration von Figur 4 ist die Detektionseinheit in Transmissionsrichtung entlang der optischen Achse des von der Beleuchtungseinheit erzeugten Beleuchtungslichts ausgerichtet, wobei in diesem Fall der Detektionswinkel 7 mit dem Einfallswinkel 6 des Beleuchtungslichts auf der Sensorplattform übereinstimmt. Als Lichtsammeioptik 10 wird in diesem Beispiel eine Linse mit 500 mm Brennweite verwendet, womit das Licht auf die Eintrittsstirnfläche einer optischen Faser fokussiert wird, von wo der so in die Faser eingekoppelte und darin geleitete Lichtanteil in ein Spektrometer zur weiteren spektralen Analyse geführt wird. Dabei ist die Linse in einem Abstand von jeweils etwa 500 mm zwischen der Sensorplattform und der optischen Faser angeordnet.
Figur 12 zeigt für vier unterschiedlich eingestellte Einfallswinkel 6.3, 6.4, 6.5 und 6.6 des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform die in Transmission aufgenommenen Spektren des TE-polahsierten Beleuchtungslichts der roten LED. Bei der dem jeweiligen Einfallswinkel entsprechenden Resonanzwellenlänge für die Lichteinkopplung weist das Spektrum des transmittierten Lichts ein Minimum auf. Aus der Position, Breite und Tiefe lassen sich, bei bekannten physikalischen Parametern der Sensorplattform, Rückschlüsse auf den effektiven Brechungsindex oder auf Adsorptions- oder Desorptionsvorgänge auf der Sensorplattform ziehen. Entsprechende Spektren für TM-polahsiertes Beleuchtungslicht bei zwei unterschiedlichen Einfallswinkeln 6.1 und 6.2 sind in Figur 13 dargestellt, wobei hier die Transmissionsminima bei den jeweiligen Resonanzwellenlängen weniger stark ausgeprägt sind.
Beispiel 2
Der Aufbau des analytischen Systems entspricht der Ausführungsform gemäß Figur 3, d.h. Anordnung des Beleuchtungssystems und des Detektionssystems auf der gleichen Seite der Sensorplattform und Detektion in Richtung des reflektierten Lichtanteils. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen Anordnung umfasst das Beleuchtungssystem 1 ein kommerzielles Projektionssystem mit lichtemittierenden Dioden (LEDs) als Lichtquellen. Hierfür geeignet ist beispielsweise ein Projektionssystem des Typs FF1 (Toshiba, Taiwan). Figur 11 zeigt das Emissionsspektrum dieses Projektionssystems bei gleichzeitigem Betrieb aller drei LED-Lichtquellen. Die verwendeten blauen, grünen und roten LEDs haben zentrale Emissionswellenlängen von 460 nm, 520 nm bzw. 627 nm und eine spektrale Emissionsbandbreite von typischerweise 20 nm bis 40 nm. Das Licht der LEDs wird mittels eines „Lichttunnels" homogenisiert und auf ein Digital Mirror Device (DMD) als SLM 4 gelenkt. Das vom DMD reflektierte Licht wird durch ein erstes im Projektionssystem enthaltenes Linsensystem gelenkt.
Mit Hilfe einer zusätzlichen Linse (Brennweite f = 500 mm) als Teil der Beleuchtungsoptik 9 wird das vom Projektor kommende Licht auf die
Sensorplattform, welche sich in einem Abstand von etwa 1 m vom Projektor befindet, abgebildet. Zwecks Kontrolle bzw. Festlegung der Polarisation des Beleuchtungslichts umfasst die Beleuchtungseinheit im Beleuchtungsstrahlengang einen Polarisator.
Die optische Sensorplattform umfasst einen Dünnschichtwellenleiter mit einer darin strukturierten Gitterstruktur, d.h. eine Struktur, wie sie auch unter der Bezeichnung „Resonante Gitterstruktur" bekannt ist. Diese umfasst ein planares Glassubstrat als Träger mit einer Brechzahl von 1.5 bei 633 nm und mit zwei großflächigen parallelen Oberflächen in einem Abstand von 1 mm als Dicke des Trägers, in dessen einer der beiden genannten Oberflächen ein optisches Gitter mit einer Periode von 360 nm strukturiert ist. Vorzugsweise ist dieses Gitter als ein Oberflächen-Reliefgitter mit zueinander parallelen Stegen und Nuten von jeweils gleicher Stegbreite bzw. Nutbreite ausgeprägt, wobei als Gitterperiode der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stegen bzw. Nuten bezeichnet wird. Das Gitter kann vollflächig über eine gesamte Oberfläche des Glassubstrats ausgebildet sein. Das Gitter ist mit einer im wesentlichen optisch transparenten Schicht mit einer Brechzahl von 2.1 bei 633 nm und einer Dicke von 150 nm als wellenleitender Schicht überdeckt.
Entsprechend der Ausführungsform gemäß der Konfiguration von Figur 3 ist die Detektionseinheit in Reflexionsrichtung entlang der optischen Achse des von der Beleuchtungseinheit erzeugten Beleuchtungslichts ausgerichtet, wobei in diesem Fall der Detektionswinkel 7 mit dem Einfallswinkel 6 des Beleuchtungslichts auf der Sensorplattform betragsmäßig übereinstimmend, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen ist. Als Lichtsammeioptik 10 wird in diesem Beispiel eine Linse mit 500 mm Brennweite verwendet, womit das Licht auf die Eintrittsstirnfläche einer optischen Faser fokussiert wird, von wo der so in die Faser eingekoppelte und darin geleitete Lichtanteil in ein Spektrometer zur weiteren spektralen Analyse geführt wird. Dabei ist die Linse in einem Abstand von jeweils etwa 500 mm zwischen der Sensorplattform und der optischen Faser angeordnet.
Figur 14 zeigt für einen einzelnen eingestellten Einfallswinkel des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform das in Reflexionsrichtung aufgenommene Spektrum des TM-polahsierten Beleuchtungslichts der roten LED. Bei der diesem Einfallswinkel entsprechenden Resonanzwellenlänge für die Lichteinkopplung weist das Spektrum in Reflexionsrichtung ein scharfes Maximum auf. Aus der Position, Breite und Tiefe lassen sich, bei bekannten physikalischen Parametern der Sensorplattform, Rückschlüsse auf den effektiven Brechungsindex oder auf Adsorptions- oder Desorptionsvorgänge auf der Sensorplattform ziehen. Liste der Bezugszeichen:
Die nachfolgende Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung dieser Patentanmeldung.
1 : Beleuchtungssystem
2: Sensorplattform
3: Detektionssystem
4: Beleuchtungslicht 5: Von der Sensorplattform ausgehendes Licht 6; 6.1 ; 6.2; 6.3;
6.4; 6.5; 6.6: Einfallswinkel auf der Sensorplattform
7: Detektionswinkel
8: Beleuchtungseinheit
8.1 : Lichtquelle
8.2: Elektrooptische Einheit zur Erzeugung einer über den
Beleuchtungsquerschnitt homogenen Verteilung des
Beleuchtungslichts
8.3: Umlenkspiegel
8.4: Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren
Lichtmodulation (SLM)
8.5: Spiegel
8.6: Linsensystem
8.7: „Lichttunnel" oder „Lichtstab"
8.8: Prismensystem
8.9: Räumlicher Filter
9: Beleuchtungsoptik
9.1 : Strahlteiler
9.2: Linsensystem
10: Lichtsammeioptik
10.1 : Optische Faser 10.2: Linsensystem
10 .3: Umlenkspiegel
1 1 Detektionseinheit
1 1 .1 : Lichtanalyseeinheit i 1 1 .2: Polarisierender Strahlteiler
12 Der Sensorplattform zugeführte Proben-, Test-, Kalibrations- oder Referenzbereitstellungen in flüssiger oder gasförmiger Form
12': Von der Sensorplattform abgeführte Proben-, Test-, Kalibrations- oder Referenzbereitstellungen in flüssiger oder gasförmiger Form

Claims

54Patentansprüche
1. Analytisches System zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten Sensorplattform angeordnet sind, mindestens umfassend - ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform und einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur
Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst, und - eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten Messbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem eine als „SLM" bezeichnete Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation umfasst, mit der im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf der Sensorplattform erzeugbar sind.
2. Analytisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform in einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung mehr als 50, vorzugsweise mehr als 500, ganz besonders bevorzugt mehr als 50000 Messbereiche umfasst. 55
3. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform in einem Ein- oder Mehrschichtsystem ein Material aus der Gruppe umfasst, welche von im wesentlichen optisch transparenten Gläsern, Kunststoffen und
Keramiken gebildet wird, wobei Schichten dieser Werkstoffe optional mit zusätzlichen Beschichtungen versehen sein können.
4. Analytisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform als eine
Evaneszentfeld-Sensorplattform ausgebildet ist.
5. Analytisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform ausgewählt ist aus der Gruppe von Prismen zur Erzeugung interner Totalreflexion, selbsttragenden optischen
Wellenleitern, optischen Dünnschichtwellenleitern, Dünnschichtwellenleitern mit darin strukturierten Gittern für die Lichteinkopplung und / oder Lichtauskopplung, resonanten Gitterstrukturen sowie „Resonanten Spiegeln".
6. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform die Grundabmessungen einer Mikrotiterplatte hat oder als Bestandteil einer Mikrotiterplatte ausgebildet ist.
7. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation ausgewählt ist aus der Gruppe von „Digital Mirror Devices" DMD, Flüssigkristall-Displays LCD, „Liquid Cristal on Silicon Silicon" LCOS Mikrodisplays und mechanisch 56
bewegbaren Masken mit lichtdurchlässigen und lichtblockierenden Bereichen.
8. Analytisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen
Lichtmodulation eine Vielzahl diskret für die Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts schaltbarer Einzelelemente in einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung umfasst, wobei ein Messbereich von mehr als einem dieser Einzelelemente beleuchtet wird.
9. Analytisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Vielzahl diskret für die Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts schaltbarer
Einzelelemente in einer zweidimensionalen Anordnung umfasst, wobei es sich vorzugsweise um mehr als 100 x 100 diskret schaltbare Einzelelemente handelt.
10. Analytisches System nach einem der Ansprüche 8 oder 9. dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelelement der Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Schaltzeit von weniger als 20 msec für den Wechsel zwischen Positionen oder Einstellungen für Weiterleitung des Beleuchtungslichts zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts aufweist.
11. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation die Erzeugung von schnell veränderbaren Beleuchtungsmustern auf der Sensorplattform ermöglicht, womit zeitlich in ihrer Geometrie sich verändernde 57
Objekte als sich in ihrer Geometrie zeitlich verändernde Messbereiche auf der Sensorplattform gezielt beleuchtet und von diesen Objekten ausgehendes Licht detektiert werden kann.
12. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem eine oder mehrere polychromatische oder im wesentlichen monochromatische Lichtquellen aufweist.
13. Analytisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren polychromatischen oder im wesentlichen monochromatischen Lichtquellen ausgewählt sind aus der Gruppe von Lasern, „Vertical Cavity Surface emitting Lasers" VCSEL, kantenemittierenden Laserdioden, Superlumineszenten Dioden SLD, lichtemittierenden Dioden LED, organischen lichtemittierenden
Dioden (OLED), Gasentladungslampen und Glühlampen.
14. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem im optischen Strahlengang vor Eintritt des Beleuchtungslichts in die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation optische oder elektrooptische Komponenten zur Herstellung einer über den Beleuchtungsquerschnitt homogenen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts umfasst, wobei diese Komponenten vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe von optischen Projektionssystemen,
Mikrolinsen-Arrays, „Lichttunneln" und „Lichtstäben".
15. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem im optischen Strahlengang des Beleuchtungslichts vor Eintritt des Beleuchtungslichts in die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation 58
oder im weiteren Strahlengang in Richtung der Sensorplattform telezentrisch wirkende optische Komponenten umfasst.
16. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System Vorkehrungen für Korrekturen zur Kompensation schrägen Lichteinfalls nach Scheimpflug umfasst.
17. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem eine oder mehrere Detektionseinheiten aus der Gruppe von Photodioden, Photomultipliern, Avalanche-Dioden, CMOS-Arrays und CCD-Kameras umfasst.
18. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem eine oder mehrere spektral aufspaltende elektrooptische Komponenten für eine selektive Detektion spektraler Eigenschaften des von den Messbereichen ausgehenden Lichts umfasst.
19. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem und / oder das
Detektionssystem polarisationsselektiv wirkende Komponenten im Strahlengang umfassen.
20. Analytisches System nach einem der Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisationsselektiv wirkenden Komponenten die Unterscheidung transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisierten Lichts, welches von den Messbereichen auf der Sensorplattform ausgeht, ermöglichen.
21. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren 59
Detektoren und deren Änderungen der Brechungsindex und / oder die Dicke einer adsorbierten Schicht oder deren Änderungen in oder auf den Messbereichen auf der Sensorplattform bestimmbar sind.
22. Analytisches System nach einem der Ansprüche 4 - 21 , dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und / oder deren Änderungen der effektive Brechungsindex und / oder dessen Änderungen in oder auf den Messbereichen auf der Sensorplattform bestimmbar sind.
23. Analytisches System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren Änderungen der Resonanzwinkel zur Einkopplung von Beleuchtungslicht in einen Dünnschichtwellenleiter über ein darin strukturiertes Gitter und / oder Änderungen eines solchen Resonanzwinkels bezüglich der
Flächennormalen der Sensorplattform, bei konstanter eingestrahlter Wellenlänge des Beleuchtungslichts, bestimmbar sind.
24. Analytisches System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren
Änderungen die Resonanzwellenlänge zur Einkopplung von Beleuchtungslicht in einen Dünnschichtwellenleiter über ein darin strukturiertes Gitter und / oder Änderungen einer solchen Resonanzwellenlänge, bei konstantem Einstrahlungswinkel des Beleuchtungslichts bezüglich der Flächennormalen der Sensorplattform, bestimmbar sind.
25. Verfahren zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten 60
Sensorplattform angeordnet sind, unter Verwendung eines analytischen Systems nach einem der vorangehenden Ansprüche, mindestens umfassend - ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform, mit einer als "SLM" bezeichneten Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation sowie mit einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst, und
- eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten Messbereichen, - dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf der
Sensorplattform erzeugbar sind.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe des Detektionssystems mit mindestens einer Detektionseinheit eine Helligkeitsverteilung der Signale gemessen wird, und dass diese Helligkeitsverteilung unabhängig von gemessenen absoluten Signalintensitäten analysiert wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 - 26, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Signale und / oder deren Änderungen aus diskreten 61
Messbereichen erzeugt werden durch ein oder mehrere Bindungs- oder Adsorptionsereignisse zwischen einem oder mehreren Analyten in einer oder mehreren Proben und spezifischen Erkennungselementen für besagte Analyten in oder auf besagten Messbereichen, wobei die Proben und die Erkennungselemente für die in den Proben nachzuweisenden Analyten auf den Messbereichen miteinander in Kontakt gebracht werden, und dass aus diesen optischen Signalen und / oder deren Änderungen eine gleichzeitige qualitative und / oder quantitative Detektion einer Vielzahl von Analyten in einer oder mehreren Proben und / oder eines oder mehrerer Analyten in einer Vielzahl von Proben ermöglicht wird.
28. Verwendung eines analytischen Systems nach einem der Ansprüche 1 - 24 und / oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 25 - 27 zu quantitativen und / oder qualitativen Analysen zur Bestimmung chemischer, biochemischer oder biologischer Analyten in Screeningverfahren in der Pharmaforschung, der Kombinatorischen Chemie, der Klinischen und Präklinischen Entwicklung, zu Echtzeitbindungsstudien und zur Bestimmung kinetischer Parameter im Affinitätsscreening und in der Forschung, zu qualitativen und quantitativen Analytbestimmungen, insbesondere für die DNA- und RNA-Analytik und die Bestimmung von genomischen oder proteomischen Unterschieden im Genom, wie beispielsweise Einzelnnukleotid-Polymorphismen, zur Messung von Protein-DNA- Wechselwirkungen, zur Bestimmung von Steuerungsmechanismen für die m-RNA-Expression und für die Protein(bio)synthese, für die Erstellung von Toxizitätsstudien sowie für die Bestimmung von Expressionsprofilen, insbesondere zur Bestimmung von biologischen und chemischen Markerstoffen, wie mRNA, Proteinen, Peptiden oder niedermolekularen organischen (Boten-)Stoffen, sowie zum Nachweis von Antikörpern, Antigenen, Pathogenen oder Bakterien in der pharmazeutischen Produktforschung und -entwicklung, der Human- und Veterinärdiagnostik, der Agrochemischen Produktforschung und -entwicklung, der 62
symptomatischen und präsymptomatischen Pflanzendiagnostik, zur Patientenstratifikation in der pharmazeutischen Produktentwicklung und für die therapeutische Medikamentenauswahl, zum Nachweis von Pathogenen, Schadstoffen und Erregern, insbesondere von Salmonellen, Prionen, Viren und Bakterien, insbesondere in der Lebensmittel- und Umweltanalytik.
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