WO2011091781A1 - Vorrichtung und verfahren zum nachweis biologischen materials - Google Patents

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Martina Gerken
Yousef Nazirizadeh
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    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
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    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for detecting biological material or biological substances on the basis of a fürandermessumble according to the preamble of claim 1, in which the organic / biological substance to be determined, a filter bank, a photonic crystal and an optical receiver for the evaluation of transmit signals are introduced.
  • a disadvantage of all disclosed devices and evaluation methods in common is that they either require a high level of technical sensor design, which is often associated with high costs, sometimes require additional devices for the signal evaluation, without additional circuit measures do not ensure a sufficient signal-to-noise ratio and usually trained laboratory personnel for the implementation and need the evaluation.
  • the object of the invention is to provide a device and a method that manages with a simple test set-up, does not require additional equipment, delivers a reliably evaluable signal, ensures a stable measurement setup and is very cost-effective.
  • Fig. 2 is a signal representation of the measuring method
  • Fig. 3 shows a determined transmission intensity
  • the device according to the invention uses as a central element a planar photonic crystal 6, which is introduced centrally into the measuring device.
  • An electric Light source 1 is responsible for the transmitted light path with the Lichteinstrahlorder 2 and the Lichtausstrahlraum 7, for which a spectrally narrow-band light source 1 is used.
  • a polarization filter 3 is inserted between the light source 1 and the photonic crystal 6.
  • the exiting light in the light emission direction 7 is passed directly to a light receiver 8.
  • the entire transmitted light path is designed like a linear optical bench.
  • the photonic crystal 6 can interact with the incident light 2 from the preferred direction, wherein - depending on the geometric dimensions of the photonic crystal 6 and the refractive indices of the materials - one or more sharp resonances 9 can form in the transmission spectrum. However, these resonances 9 are superimposed with disturbing background light.
  • two polarizing filters 3 and 4 are used, which are introduced in crossed one another in their optical properties in order to suppress the background light. Due to the two crossed polarizing filters 3, 4, the transmitted light, which does not interact with the photonic crystal 6, is blocked. Only the spectral component of the light source 1, which couples into the photonic crystal 6, experiences a polarization rotation and can pass through the second polarization filter 4.
  • the surface of the photonic crystal 6 is functionalized with biological / organic substances 5, for example immobilized antibodies 5. After the bowl-lock principle, the appropriate antibody can dock. This leads to a refractive index change of the surrounding material, which results in a resonance shift 10. The magnitude of this shift is a measure of the change in the surface of the photonic crystal 6.
  • the resonances 9 of the photonic crystal 6 are tuned to the light source 1 so that they, despite their shift in the detection of biological substances 5 are located only on the falling or the rising edge of the spectral transmission curve 1 1. If the spectral position of the resonances 9 now changes, the intensity of the transmission in the emergent light beam also changes from the light emission direction 7 and in the transmission resonance 10.
  • the function of the intensity is a convolution of the functions of the light source 1 and the resonances 9.
  • the resonance shift is effectively translated into an intensity change.
  • another method of evaluation can take place via cell counting, in that the light / dark spaces formed by the photonic crystal 6 and the crossed polarizing filters 3, 4 when the biological substance 5 is applied are conveyed via the light receiver 8, which is in the form of an x / y matrix. Receiver is designed to be counted.

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Abstract

Vorrichtung zum Nachweis biologischen Materials, mit einer Licht (2) in ein Objekt (5) einstrahlenden Lichtquelle (1), einem mit dem Objekt in Kontakt gebrachten photonischen Kristall, einem durch den photonischen Kristall (6) und das Objekt transmittiertes Licht (7) erfassenden Detektor (8), einem zwischen der Lichtquelle (1) und dem photonischen Kristall (6) angeordneten ersten Polarisationsfilter (3), und einem zwischen dem Objekt (5) und dem Detektor (8) angeordneten, zum ersten Polarisationsfilter (3) um 90° gedrehten zweiten Polarisationsfilter (4), wobei die Lichtquelle (1) und der photonische Kristall (6) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die vom photonischen Kristall (6) hervorgerufenen Resonanzen und die durch Wechselwirkung des photonischen Kristalls (6) mit dem Objekt (5) hervorgerufenen Resonanzen in einem Flankenbereich des Emissionsspektrums der Lichtquelle (1) liegen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Nachweis biologischen Materials
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachweis biologischen Materials oder biologischer Substanzen auf der Grundlage einer Durchlichtmessstrecke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, in die die zu bestimmende organische/biologische Substanz, eine Filterbank, ein photonischer Kristall sowie ein optischer Empfänger zur Auswertung des transmittieren Signals eingebracht sind.
Der Nachweis biologischer Substanzen wie zum Beispiel DNS, Antigenen, Enzymen oder Bakterien gewinnt in der täglichen Laborarbeit und auf einigen wissenschaftlichen Gebieten zunehmend an Bedeutung.
Zum Technikstand des Nachweises dieser Substanzen wurden diese Proben bisher chemisch mit Hilfe von Fluoreszenzmarkern detektiert oder mit elektrischen Sensoren, wie zum Beispiel mit elektrochemischen Sensoren, Quarzkristall-Mikrobalance-Sensoren, Oberflächenresonanz-Sensoren, mittels optischer Spektrometerverfahren oder durch Vorrichtungen, die die spezifische optische Absorption von zu analysierenden Komponenten ausnutzen, analysiert (vgl. auch US 2008 0 188 398 AI). Diese verschiedenen Verfahren sind offenbart in Kuzmany, H., Festkörperspektroskopie, Springer Verlag, Heidelberg 1990 Seiten 133-135, in der Offenlegungsschrift DE 100 63 151 AI und in der Patentschrift DE 103 10 645 B3. Ein besonders empfindliches Nachweisverfahren wird in der europäischen Patentschrift EP 1 125 117 Bl genannt, das kleinste Materialmengen auf einem schwingfähigen Kristall durch Resonanzverschiebung mit hohem Signal-Rauschabstand detektieren kann.
Ebenfalls bekannt ist in B. T. Cunningham et al., Label-free assays on the BIND system, Juornal of Biomolecular Screening 9, S. 481-490 (2004) ein Verfahren zum Nachweis biologischer Substanzen, bei dem auf einen planaren photonischen Kristall die zu detektierende Substanz aufgebracht wird, der photonische Kristall als Transduktor fungiert, um mit Hilfe einer Resonanzveränderung die Substanz auf der Kristalloberfläche zu bestimmen. Die technische Anwendung ist in der US-Patentschrift US 7,158,230 B2
BESTÄTIGUNGSKOPIE dargelegt. Zur quantitativen Auswertung der transmittierten Signale ist allerding ein Spektrometer erforderlich. In der Literatur benannt ist ebenfalls ein Verfahren, das einen photonischen Kristall als Transduktor zur Biosensoranwendung benutzt, indem die Wellenleitermoden zur Signalauswertung herangezogen werden [M. Wiki and R. E. Kunz, Wavelength-interrogated optival sensor for biochemical applications, Opt. Lett. 25, S. 463- 465 (2000)].
Nachteilig ist allen offenbarten Vorrichtungen und Auswerteverfahren gemeinsam, dass sie entweder einen hohen technischen Sensoraufbau benötigen, was häufig mit hohen Kosten verbunden ist, für die Signalauswertung teilweise zusätzlich Geräte benötigen, ohne zusätzliche Schaltungsmaßnahmen keinen ausreichenden Signal-Rauschabstand gewährleisten und meistens geschultes Laborpersonal für die Durchführung und die Auswertung benötigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, das mit einem einfachen Messaufbau auskommt, keine Zusatzgeräte benötigt, ein sicher auswertbares Signal liefert, einen stabilen Messaufbau gewährleistet und sehr kostengünstig ist.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen der Erfindung an. Zur Veranschaulichung wird die Erfindung im Folgenden anhand von drei Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Messvorrichtung des LED-Biosensors,
Fig. 2 eine Signaldarstellung des Messverfahrens und
Fig. 3 eine ermittelte Transmissionsintensität.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt als zentrales Element einen planaren photonischen Kristall 6, der mittig in die Messvorrichtung eingebracht ist. Eine elektrische Lichtquelle 1 ist für die Durchlichtstrecke mit der Lichteinstrahlstrecke 2 und der Lichtausstrahlrichtung 7 zuständig, für die eine spektral schmalbandige Lichtquelle 1 eingesetzt wird. In der Lichteinstrahlsichtung 2 wird zwischen der Lichtquelle 1 und dem photonischen Kristall 6 ein Polarisationsfilter 3 eingefügt. Das austretende Licht in der Lichtausstrahlrichtung 7 wird direkt auf einen Lichtempfänger 8 geleitet. Die gesamte Durchlichtstrecke ist wie eine geradlinige optische Bank konzipiert.
Der photonische Kristall 6 kann mit dem eingestrahlten Licht 2 aus der Vorzugsrichtung interagieren, wobei sich - abhängig von den geometrischen Dimensionen des photonischen Kristalls 6 und den Brechungsindizes der Materialien - eine oder mehrere scharfe Resonanzen 9 im Transmissionsspektrum bilden können. Diese Resonanzen 9 sind jedoch mit störendem Hintergrundlicht überlagert.
Erfindungsgemäß werden zwei Polarisationsfilter 3 und 4 benutzt, die in ihren optischen Eigenschaften aufeinander gekreuzt eingebracht sind, um das Hintergrundlicht zu unterdrücken. Durch die zwei gekreuzten Polarisationsfilter 3, 4 wird das Durchlicht, welches nicht mit dem photonischen Kristall 6 interagiert, geblockt. Nur der spektrale Anteil der Lichtquelle 1, welches in den photonischen Kristall 6 einkoppelt, erfährt eine Polarisationsdrehung und kann das zweite Polarisationsfilter 4 passieren.
Um biologische Substanzen detektieren zu können, wird die Oberfläche des photonischen Kristalls 6 mit biologischen/organischen Substanzen 5, zum Beispiel immobilisierten Antikörpern 5, funktionalisiert. Nach dem Schüssel-Schloss Prinzip kann der passende Antikörper andocken. Dies führt zu einer Brechungsindexänderung des umgebenden Materials, welches eine Resonanzverschiebung 10 zu Folge hat. Die Größe dieser Verschiebung ist ein Maß für die Änderung an der Oberfläche des photonischen Kristalls 6.
Erfindungsgemäß wird von dem spektral begrenzten Spektrum 11 der Lichtquelle 1 , welches mindestens eine Flanke besitzt, eine der Flanken als Arbeitspunkt (AP) benutzt. Ein wichtiges Merkmal des Verfahrens besteht darin, dass die Resonanzen 9 des photonischen Kristalls 6 so auf die Lichtquelle 1 abgestimmt sind, dass sie trotz ihrer Verschiebung bei der Detektion von biologischen Substanzen 5 sich nur auf der abfallenden oder der ansteigenden Flanke der spektralen Durchlasskurve 1 1 befinden. Ändert sich nun die spektrale Position der Resonanzen 9, ändert sich auch die Intensität der Transmission im ausgetretenen Lichtstrahl von der Lichtausstrahlrichtung 7 sowie in der Transmissionsresonanz 10.
Mathematisch ist die Funktion der Intensität eine Faltung der Funktionen der Lichtquelle 1 und der Resonanzen 9. Die Resonanzverschiebung wird gewissermaßen in eine Intensitätsänderung übersetzt.
Durch dieses Auswerteverfahren ist eine einfache Intensitätsmessung mittels einer Messvorrichtung ausreichend, um die Änderung auf der Oberfläche des Kristalls quantitative zu bestimmen. Multifunktionale Experimente zeigen, dass das Spektrum zum Beispiel einer LED ideal ist für diese Auswertung/Anwendung. Ist die zu erwartende Verschiebung der Resonanzen aufgrund von geringer Konzentration der nachzuweisenden Substanz sehr klein [ < lnm ], kann als Lichtquelle 1 eine Laserdiode verwendet werden. Die spektrale Position dieser Laserdiode sollte so gewählt werden, dass sie für die Auswertung auf einer Flanke der Resonanz liegt. Das Messverfahren kann auch bei Lage des Arbeitspunktes auf der ansteigenden Flanke der Lichtquelle ohne Ergebniseinbußen angewendet werden.
Mit dieser Anordnung können dann auch geringe Resonanzverschiebungen eine signifikante Signaländerung bei vertretbarem Signal-Rauschabstand hervorrufen.
Eine weitere Methode der Auswertung kann erfindungsgemäß über eine Zellenzählung erfolgen, indem die durch den photonischen Kristall 6 und die gekreuzten Polarisationsfilter 3, 4 bei aufgebrachter biologischer Substanz 5 entstehenden Hell-/Dunkelräume über den Lichtempfänger 8, der als x-/y-Matrix-Empfänger ausgelegt ist, ausgezählt werden.
Um eine Änderung des Brechungsindexes an der Oberfläche des Kristalls hervorzurufen, wurden Wasser-Zucker Lösungen mit variierter Konzentration benutzt. Der auf der Resonanzverschiebung beruhende Messeffekt liefert bei variierten Konzentrationen Intensitätsveränderungen der Resonanzen. In Fig. 3 ist die Gesamtintensität der Transmission, gemessen mit einem Leistungsmessgerät am Empfängerausgang, in Abhängigkeit vom Brechungsindex der auf den photonischen Kristall aufgebrachten Wasser-Zucker Lösung dargestellt. Bei dem aufgezeichneten Messverlauf befand sich der Arbeitspunkt auf der abfallenden Flanke der LED. Auf der Abszisse 12 ist die Wellenlänge für das Auswerteverfahren dargestellt.
Bezugszeichenliste :
1 Lichtquelle
2 Lichteinstrahlrichtung
3 Polarisationsfilter
4 Polarisationsfilter
5 Messgut
6 photonischer Kristall
7 Lichtausstrahlrichtung
8 Lichtempfänger
9 Kristallresonanz
10 Transmi ssionsresonanz
11 spektrale Durchlasskurve
12 Abszisse der Wellenlänge
AP Arbeitspunkt

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Nachweis biologischen Materials, mit
- einer Licht (2) in ein Objekt (5) einstrahlenden Lichtquelle (1),
- einem mit dem Objekt in Kontakt gebrachten photonischen Kristall,
- einem durch den photonischen Kristall (6) und das Objekt transmittiertes Licht (7) erfassenden Detektor (8),
- einem zwischen der Lichtquelle (1) und dem photonischen Kristall (6) angeordneten ersten Polarisationsfilter (3), und
- einem zwischen dem Objekt (5) und dem Detektor (8) angeordneten, zum ersten Polarisationsfilter (3) um 90° gedrehten zweiten Polarisationsfilter (4), wobei die Lichtquelle (1) und der photonische Kristall (6) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die vom photonischen Kristall (6) hervorgerufenen Resonanzen und die durch Wechselwirkung des photonischen Kristalls (6) mit dem Objekt (5) hervorgerufenen Resonanzen in einem Flankenbereich des Emissionsspektrums der Lichtquelle (1) liegen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (8) zum Erfassen der Intensität des transmittierten Licht (7) eingerichtet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit zum Erfassen einer durch das biologische Material hervorgerufenen Intensitätsänderung .
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (8) als x-/y-Matrix ausgelegt ist.
5. Verfahren zum Nachweisen von biologischem Material mittels einer Licht (2) in ein Objekt (5) einstrahlenden Lichtquelle (1), wobei das Objekt in Kontakt mit einem photonischen Kristall gebracht ist, und einem durch den photonischen Kristall (6) und das Objekt transmittiertes Licht (7) erfassenden Detektor (8), mit dem Schritt: Ausblenden des durch das Objekt transmittierten, nicht in den photonischen Kristall eingekoppelten Lichts mittels eines zwischen der Lichtquelle (1) und dem photonischen Kristall (6) angeordneten ersten Polarisationsfilters (3) und eines zwischen dem Objekt (5) und dem Detektor (8) angeordneten, zum ersten Polarisationsfilter (3) um 90° gedrehten zweiten Polarisationsfilters (4).
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Abstimmen der Lichtquelle (1) und mit dem photonischen Krisfall (6) derart, dass die vom photonischen Kristall (6) hervorgerufenen Resonanzen und die durch Wechselwirkung des photonischen Kristalls (6) mit dem Objekt (5) hervorgerufenen Resonanzen in einem Flankenbereich des Emissionsspektrums der Lichtquelle (1) liegen.
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